三.CAD 模拟仿真、虚拟设计
虚拟设计-虚拟设计的关键技术
虚拟设计的关键技术虚拟设计的关键技术包括以下内容：(1)全息产品的建模理论与方法。
(2)基于知识的设计包括设计知识的获取、表达与应用：设计信息和知识的合理流向、转换与控制；设计知识的融合、管理与共享；从设计过程数据中挖掘设计知识。
(3)设计过程的规划、集成与优化包括设计活动的预规划和实时动态规划、设计活动的并行运作以及设计过程的冲突管理与协商处理。
(4)虚拟环境中的人机互动工程学。
(5)虚拟环境与设计过程的相互联系。
(6)产生虚拟环境的工具集包括一般所需要的软件支撑系统以及能够接受各种高性能传感器信息，能生成立体的显示图形，能调用和互连各种数据库和CAD 软件的各种系统。
建模技术(1)几何建模几何建模在广义上包括在计算机上处理几何对象的所有方法。
几何建模的基础汇集了多门学科，如拓扑学、解析几何学、微分几何学、投影几何学、数字数学法、集合论和矩阵代数学等，从而形成理论和应用信息科学专业领域，如软件工程、数据结构和图论等。
各种领域的这种组合构成几何建模的基础。
三维几何体的基本元素是点、线、面和体。
根据基本构型的复杂程度不同，可将几何模型分为线框模型、表面模型和实体模型三种形式。
1)线框模型线框模型是表面模型与实体模型的基础，通过点元素和棱边元素定义并按层次排列成体——边——点关系，用物体的棱边或轮廓线(曲线、直线、圆弧)描述零件或产品的形状特征。
识别一个物体，是以其棱边的组合结构表示的。
顶点与棱边一经确定，物体就被唯一地确定。
线框模型仅能描述物体的框架结构，而没有面的信息，故不能进行隐藏线面的消除，不能显示物体的真实图像。
2)表面模型用一组表面表示物体的外形，将棱边有序连接而构成实体的表面结构。
表面模型由于增加了面与棱边的关系，所以在数据结构上比线框模型复杂，表面模型所定义的表面实际上完全定义了物体的边界，但是物体的实心部分在边界表面的哪一侧是不明显的。
表面模型比线框模型增加了更多的几何信息，可以实现图形的消隐，产生色调图，计算表面积以及数控加工轨迹。
利用CAD进行建筑物模拟与虚拟现实
利用CAD进行建筑物模拟与虚拟现实在当今建筑设计和规划的领域中，利用CAD软件进行建筑物模拟和虚拟现实已经成为一种常见的实践。
CAD（计算机辅助设计）软件是一种应用于二维和三维建筑设计的工具，能够帮助建筑师和设计师更好地呈现和展示他们的设计想法。
首先，CAD软件的一个重要应用就是进行建筑模拟。
建筑师可以使用CAD软件创建虚拟的建筑模型，以便更好地理解建筑的结构、比例和布局。
通过CAD软件，建筑师可以详细设计每个房间的布局和功能，包括墙壁、门窗、楼梯等等。
通过在CAD软件中进行建筑模拟，建筑师可以更好地预览建筑的外观和内部构造，帮助他们在设计过程中作出更好的决策。
其次，CAD软件还可以用于建筑物的虚拟现实模拟。
虚拟现实（VR）是一种计算机生成的模拟环境，通过穿戴式设备如VR头盔，人们可以在虚拟环境中与建筑物进行互动。
通过将建筑模型导入到VR软件中，人们可以在虚拟环境中自由移动并与建筑进行交互，更好地感受建筑物的氛围和空间布局。
这种虚拟现实模拟可以帮助建筑师和设计师更好地理解建筑物的尺度、比例和流线，为优化设计提供直观的视觉反馈。
除了建筑师和设计师，CAD软件还可以在整个建筑行业中发挥重要作用。
例如，CAD软件可以帮助工程师和建筑承包商在施工过程中更好地理解和遵循设计图纸。
此外，CAD软件还可以与其他软件和系统集成，协助进行建筑物能源分析、建筑材料选型和成本估算等工作。
这些工作的数字化处理有助于提高建筑物的效能和可持续性，同时减少了人为错误和浪费。
然而，利用CAD进行建筑物模拟和虚拟现实也存在一些挑战。
首先，使用CAD软件需要一定的技术和操作技能，需要花费一些时间来学习和掌握。
其次，CAD软件在处理大规模和复杂的建筑物时可能会产生性能和兼容性问题。
此外，CAD软件的使用还需要合适的硬件设备和系统配置，以确保顺畅的运行和高质量的渲染。
在总结中，利用CAD进行建筑物模拟和虚拟现实已经成为建筑设计和规划的重要工具。
CAD中的运动模拟技巧详解
CAD中的运动模拟技巧详解CAD（计算机辅助设计）是现代设计领域必备的工具之一，它不仅可以用来创建静态的设计图纸，还可以进行运动模拟，预测并优化设计效果。
本文将详细介绍CAD软件中的运动模拟技巧。
1. 建立模型和约束在进行运动模拟之前，首先需要建立一个完整的模型，并添加约束条件。
模型可以是一个简单的机械装置，也可以是一个复杂的机械系统。
约束条件可以是固定的连接，也可以是各种运动的限制。
通过添加这些约束条件，可以模拟出真实的设计效果。
2. 设定运动轨迹在CAD软件中，可以设定运动的轨迹，以模拟实际运动的过程。
可以通过简单的线性轨迹来模拟直线运动，也可以通过曲线轨迹来模拟弯曲运动。
运动轨迹的设定对于运动模拟的准确性至关重要。
3. 使用运动学参数运动学参数是模拟运动过程中的关键信息，包括速度、角速度、加速度等。
通过设定这些参数，可以精确地模拟出真实的运动效果。
使用CAD软件提供的运动学参数工具，可以轻松地调整和优化运动效果。
4. 仿真分析CAD软件提供了丰富的仿真分析工具，可以用来预测和优化设计效果。
通过设定不同的条件和参数，可以进行运动模拟，并得到一系列的结果和数据。
这些数据可以用来评估设计的合理性和优化设计方案。
5. 碰撞检测在进行运动模拟时，需要注意模型之间是否会发生碰撞。
CAD软件通常提供了碰撞检测工具，可以自动检测出可能的碰撞，并给出警告或提示。
在进行运动模拟之前，务必进行碰撞检测，以避免潜在的设计问题。
6. 动画展示通过CAD软件，可以将运动模拟的结果呈现为动画，以更直观地展示设计效果。
动画展示可以帮助设计师和客户更好地理解和评估设计方案。
在进行动画展示时，可以添加说明文字、标注和标题等，以提供更详细的信息。
7. 结果分析和优化运动模拟的结果往往是一个动态的过程，可以通过分析结果和优化设计方案，进一步改进设计效果。
CAD软件提供了丰富的分析工具，可以对运动模拟结果进行详细的分析和评估。
根据分析结果，可以做出相应的调整和改进。
CAXA实体设计三维CAD虚拟设计
以及机 电产 品 等 。然 后 将 ＣＡ ＸＡ 实 体 设 计 环 境 生
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利用CAD进行海洋工程设计和模拟的技巧
利用CAD进行海洋工程设计和模拟的技巧在现代海洋工程领域，计算机辅助设计（CAD）已经成为一种必备工具。
利用CAD软件进行海洋工程设计和模拟，可以提高工程师们的工作效率和准确性。
本文将介绍一些利用CAD进行海洋工程设计和模拟的技巧。
一、CAD软件的选择在选择CAD软件时，需要考虑软件的功能、易用性和适应性。
目前市场上有很多海洋工程相关的CAD软件，比如AutoCAD、SolidWorks等。
工程师们可以根据自己的需求和技术水平选择适合的软件。
二、三维建模技巧海洋工程涉及到很多复杂的结构和装置，因此需要进行精确的三维建模。
以下是一些三维建模技巧：1. 使用图层：将不同部分的模型放置在不同的图层上，可以方便地对其进行管理和编辑。
比如，在设计海洋平台时，可以将平台本身、支撑结构和设备等放置在不同的图层上。
2. 制定设计规范：在进行建模之前，可以制定一些设计规范，比如尺寸范围、间距要求等。
这样可以确保模型的准确性和一致性。
3. 使用实体建模：实体建模能够更好地模拟真实的物体。
可以使用CAD软件提供的实体绘制工具，如旋转、拉伸、修剪等，来创建不同形状和结构的物体。
三、模拟和分析1. 海洋环境模拟：CAD软件可以帮助工程师们模拟不同的海洋环境，如波浪、风、潮流等。
通过输入相应的参数和约束条件，可以模拟出真实的海洋环境，帮助工程师们评估和优化设计方案。
2. 结构强度分析：对于海洋工程结构来说，强度分析是至关重要的。
CAD软件可以进行强度分析，帮助工程师们评估结构的稳定性和抗风、抗浪能力。
通过对结构施加不同的载荷和约束条件，可以模拟不同工况下的结构性能。
3. 流体力学分析：在海洋工程中，流体力学分析是必不可少的。
CAD软件提供了一些流体力学分析工具，可以帮助工程师们研究水流行为、阻力、浮力等，从而优化设计方案。
四、可视化和展示CAD软件提供强大的可视化和展示功能，可以帮助工程师们将设计结果以更直观的方式展示出来。
机电产品的虚拟设计与仿真
机电产品的虚拟设计与仿真引言随着技术的发展，虚拟设计与仿真在机电产品领域的应用越来越普遍。
虚拟设计与仿真技术通过使用计算机模型与仿真软件，能够帮助工程师在产品开发的早期阶段进行验证和优化，并最终提高产品的质量和可靠性。
本文将介绍机电产品虚拟设计与仿真的基本概念、工具和应用案例。
虚拟设计与仿真的基本概念虚拟设计与仿真是指基于计算机模型和仿真软件的工程设计方法。
它可以模拟真实世界中的机电产品及其系统，通过计算机模拟来预测和分析产品在不同工况下的性能和行为。
通过虚拟设计与仿真，工程师可以在产品实际制造前进行验证和优化，减少开发成本和时间。
虚拟设计与仿真包括以下几个主要的步骤：1.建模：根据机电产品的几何形状和物理特性，使用CAD（Computer-ded Design）软件创建产品的3D模型。
2.物理仿真：将产品模型导入仿真软件，根据产品的物理特性设置仿真参数，进行力学、动力学、热力学等多个方面的仿真分析。
3.结果分析：根据仿真结果，对产品的性能和行为进行分析和评估，不断进行修改和优化。
4.虚拟测试：在虚拟环境中模拟产品的使用场景，检查产品的可靠性、安全性和稳定性。
5.优化设计：基于虚拟测试的结果和分析，对产品进行优化设计，改善产品的性能和品质。
虚拟设计与仿真的工具在机电产品的虚拟设计与仿真过程中，有许多专业化的软件工具可以帮助工程师完成各种分析和验证任务。
以下是常用的几种工具：1.CAD软件：CAD软件（如SolidWorks、AutoCAD）用于创建机电产品的几何模型，确定产品的尺寸、形状和结构。
2.有限元分析软件：有限元分析（FEA）软件（如ANSYS、ABAQUS）用于对产品的结构进行强度、刚度、振动等方面的仿真分析。
3.电磁场仿真软件：电磁场仿真软件（如FEKO、CST Studio Suite）用于分析产品在电磁场中的行为，如电磁干扰、电磁散射等。
4.多体动力学仿真软件：多体动力学仿真软件（如ADAMS、Simpack）用于分析机电产品的运动学和动力学特性，模拟产品的运动和相互作用。
CAD运动仿真技巧
CAD运动仿真技巧CAD（计算机辅助设计）软件是现代工程设计中不可或缺的工具之一。
其提供了丰富的功能和工具，使得设计师能够设计和模拟各种不同的产品。
其中，CAD运动仿真是一项重要的技术，可以帮助设计师预测和模拟产品在不同运动状态下的行为。
本文将介绍一些与CAD运动仿真相关的技巧，帮助读者更好地使用这一功能。
首先，了解如何创建运动仿真。
在CAD软件中，我们可以使用运动仿真工具来模拟物体的运动。
首先，选择需要进行运动仿真的对象，例如一个机械构件或一个装置。
然后，选择适当的运动学类型，如转动、平移或组合运动。
接下来，设置对象的初始位置和速度，以及其他参数，如力或摩擦系数。
最后，运行仿真，并观察物体在不同运动状态下的行为。
其次，学会使用约束和连接。
在CAD运动仿真中，可以使用约束和连接来模拟物体之间的相互作用。
例如，可以使用关节约束来模拟两个物体之间的旋转关系，如铰链和万向节。
可以使用轨迹约束来模拟物体的运动轨迹，如直线运动或圆周运动。
可以使用约束来限制物体的运动范围，以及模拟其他约束条件，如接触和碰撞。
另外，掌握数据分析和结果解读。
CAD运动仿真生成了大量的数据和结果，需要进行分析和解读。
首先，可以分析物体的运动参数，如速度、加速度和位移。
可以绘制运动曲线和图表，以便更好地理解物体的运动规律。
其次，可以进行应力和变形分析，以评估物体在运动过程中的受力情况和变形程度。
可以使用动画和可视化工具来展示仿真结果，以便更好地沟通和共享。
最后，不断练习和实践。
CAD运动仿真是一项技术活，需要不断的练习和实践才能掌握。
可以选择一些简单的案例或项目来进行仿真，逐步增加难度和复杂性。
可以参考一些教程和学习资料，了解更多的技巧和技术。
可以与其他CAD用户交流和分享经验，共同探讨和解决问题。
通过持续的实践和学习，可以逐渐提高运动仿真的能力和水平。
综上所述，CAD运动仿真是一项重要的技术，可以帮助设计师预测和模拟产品在不同运动状态下的行为。
计算机辅助设计
计算机辅助设计（CAD：Computer Aided Design）技术是以计算机、外围设备及其系统软件为基础，包括二维绘图设计、三维几何造型设计、有限元分析（FEA）及优化设计、数控加工编程（NCP）、仿真模拟及产品数据管理等内容。
随着Internet/Intranet网络和并行、高性能计算及事务处理的普及，异地、协同、虚拟设计及实时仿真也得到广泛应用。
一、CAD技术的产生及发展过程准备和酝酿时期（50－60年代初）CAD技术处于被动式的图形处理阶段。
1．蓬勃发展和进入应用时期（60年代）提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为CAD技术的发展和应用打下了理论基础。
60年代中期出现了许多商品化的CAD设备，60年代末，美国安装的CAD 工作站已达200多台，可供几百人使用。
2．广泛使用的时期（70年代） 1970年美国Applicon公司第一个推出完整的CAD系统。
出现了面向中小企业的CAD／CAM商品化系统。
70年代末，美国CAD工作站安装数量超过12000台，使用人数超过2．5万。
3．突飞猛进的时期（80年代）在这个时期，图形系统和CAD／CAM工作站的销售量与日俱增，美国实际安装CAD系统至1988年发展到63000套。
CAD／CAM技术从大中企业向小企业扩展；从发达国家向发展中国家扩展；从用于产吕设计发展到用于工程设计和工艺设计。
4．开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期（90年代）由于微机加视窗95／98／NT操作系统与工作站加Unix操作系统在以太网的环境下构成了CAD系统的主流工作平台，因此现在的CAD技术和系统都具有良好的开放性。
图形接口、图形功能日趋标准化。
在CAD系统中，综合应用正文、图形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专家系统等技术大大提高了自动化设计的程度，出现了智能CAD新学科。
智能CAD把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、拟人化用户接口管理系统集于一体，形成如图1示所示的结构。
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三维操作维护 临境虚拟现实系统： 头盔显示器 视觉，听觉 数据手套 头部跟踪器 分布式虚拟显示系统：在临境基础上 ，多用户
2）临境交互技术与装置 技术：实时的三维计算机图形，大视角的立体显示。 头部跟踪、手及姿势跟踪、三维声音、触觉反 馈、力反馈等 设备： ①. 头盔显示器：连个CRT，两副图细微差别，上 有头部位置跟踪设备。 ②. 数据手套：每个关节上有光纤传感器，感知各 个关节的弯曲程度，三维位置传感器有关来测定手 的位置。 ③. 三维位置传感器：磁性波和超声波两大类 磁场技术发射器，接收器和电子部件 ④. 三维声音交互技术：人耳对时间差，强度差和 相位差来确定声源位置，听觉的真实感，头部的移 动与转动。
相关性设计: 某个地方进行修改，系统能够自动更新与修改有关 的内容。 “尺寸联动” NURBS和构型技术: Non-Uniform Rational B-Splines非均匀有理B样条 曲线。 CAD中用来定义复杂的几何曲面。 用NURBS技术构造的曲面易于生成、修改和存储。
装配设计和管理:
系统能够同时完成产品的或装配部件的设 计，而不是个别零件的设计。 装配管理能力包括以下方面： 装配的逻辑关系 装配件干涉检查 生成装配明细表 零件装配关系展开图 测算装配件运动学及动力学特性等
3.CAD系统的软件：
操作系统 图形软件：图形显示，几何构型,二维或三维 数据库管理系统 设计方法程序库 常用数学方法程序库：矩阵运算，方程求根， 现行方程组求解等。 有限元结构分析软件。 优化设计软件。 应用程序：VB、VC、Delphi 等。
4.发展：
参数化设计：
将模型中的定量信息变量化，使之成为任 意调整的参数。 参数化设计的本质：在可变参数的作用下， 系统能够自动维护不变参数。
结果分析： 结果数据 数据可视化
4.机械产品设计开发软件： 机构运动仿真软件 结构仿真软件 动力学仿真软件 加工过程仿真软件： 切削加工过程仿真软件 装配过程仿真软件 装造模具充填过程仿真 压力成型过程仿真软件
4.机械产品设计开发软件： 操作训练仿真软件 生产管理过程仿真软件 企业经营过程仿真软件
2.优点：
提高产品开发质量：通过模拟仿真试验及时 发现问题。 缩短产品开发周期 降低开发费用：汽车：18辆车 5辆车 复杂产品的操作使用训练：航天飞机、飞机、 核电站等
3.模拟仿真技术的三大组成部分：
建立模型： 归纳法 演绎法 模型的可信度 实验求解： 仿真计算： 连续系统：数值解法
离散事件系统：数值实验
智能CAD: 运用专家系统，人工神经网络等人工智能技术使在 作业过程中具有智能的CAD系统。 专家系统：是一个能在某个特定领域内，用人类专 家的知识，经验和能力去解决该领域中复杂困难 问题的计算机程序系统。 专家系统有知识库，推理机，知识获取系统，解释 机和一些界面组成。 神经网络也可成为某种专家系统。
5.虚拟现实（Virtual Reality）: 80年代提出的新概念 所谓虚拟现实，就是用计算机和其它交互设 备产生一个虚拟环境，使得参与者能与虚 拟环境进行自然的交流，能用人类自然的 技能与感知能力与虚拟世界中的对象进行 交互作用。 主要特点：临界性：身临其境 交互性：人、境交互作用
1）系统的类型与组成
CAD 模拟仿真、虚拟设计
均为现代的，先进的，以计算机为 主要工具和手段的现代设计方法。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
一、计算机辅助设计（CAD）
1.基本概念和特点：
是指在设计活动中利用计算机作为工 具，帮助工程技术人员进行设计的一切适 用技术的总和。
1.基本概念和特点：
任何与计算机相结合，各尽所长的设计 方法，一个完整的CAD系统应具备的三 个条件： ① 建立完备的产品设计数据库 ② 建立完备的应用程序库 ③ 建立多功能交互式图形程序库
3）虚拟现实系统的三维建模技术。 核心所在：
几何建模：形状，外表（纹理，颜色等） 运动建模：平移、旋转、缩放、碰撞 三维视觉： 物理建模：质量、惯性、硬度、形状改变 对象特征建模： 三维建模 模型切分建模： 三维听觉：
4）虚拟现实系统软件： VRML OpenGL PC机：Dimonsion公司的Superscape VRT3软件 工作站：MulitGen公司的MultiGenⅡ软件
基于特征的设计: 用易于识别的，包含加工信息的几何单元，如：孔、 槽、倒角等来取代以往设计中所用的纯几何描 述。如：直线、圆弧等。 特征是构造零件的最基本单元要素，它们能以较高 的抽象级别，不需要解释的方式来标示一个产 品。它既反映零件的几何信息，又反映零件的 加工工艺特征信息。 孔是一个特征，具有长度，公差，表面粗糙度，位 置等属性，并包括它在装配图中的情况。 每一个特征基本上对应一种加工制造方法。 基于特征的设计适合于CAD/CAM集成和CIMS建模 需要。
与普通计算机系统不同点： 较强的人机交互设备及图形输入，输出设备。 系统构成： 主机：CPU，内存 存储器：光盘，硬盘，软盘，U盘 图形显示器：17寸以上，1024*768以上 图形输入设备： 输入产品设计思想、结构及图形、 交互式绘图，进行修改和变换。 鼠标 数字化仪 图形扫描仪
图形输出设备：绘图机：平板式 滚筒式 计算机网络：一般为局域网： 作用：传递数据 数据共享 程序、软件共享 硬件资源共享 互为后备，提高系统可靠性
CAD的优点：
① 提高设计质量：科学基础，优化设计，数 据一致性。 ② 节约时间，提高生产率。 ③ 较大幅度降低成本。 ④ 人可以有更多的时间从事创造性劳动。
2.CAD系统的硬件：
70年代：大中型机 价格很高 80年代末90年代初：图形工作站：SGI SUN DEC HP IBM等 目前：微型机，网络，Pro/E, IDEAS, UG, Solidworks, MDT等。
5）应用领域 医疗和康复：虚拟解剖，外科手术模拟 娱乐，艺术和教育：网络游戏、虚拟实验、虚拟博 物馆、虚拟碰撞 军事和航空航天：虚拟军事演习，航空训练的虚拟 座舱 商业应用：体验广告宣传，室内装潢设计 自动控制和制造业：虚拟制造
CAD系统的集成化:
CAD/CAM集成化
面向对象的设计方法: 尽可能按照人类认识世界的方法和思维方式来分 析和解决问题。 CAD系统的网络化: 互联、开放、协同、高效
智能计算机辅助设计:
基本组成（三个功能）
能够智能地支持设计者：可行方案及结构， 推理、决策、查找并修改设计错误 具备设计资料数据库、计算分析程序库、 图形支撑系统和文件产生系统。 系统具有自学能力。
人工智能技术： 专家系统（ES）：Expert System 人工神经网络（ANN）：Artificial Neural Networks 复合智能：Neural-Expert Hybrid
二、模拟仿真与虚拟设计
1.概念:
模拟（Simulation）：是指选取一个物理或抽象的系统的某 些行为特征，用另一个系统来表示他们的过程。 仿真（Emulation）：是指用另一数据处理系统，主要用硬 件来全部或部分地模仿某一数据处理系统，以至于模仿 的系统能像被模仿的系统一样接受同样的数据，执行同 样的程序，获得同样的结果。 通用Simulation 用模型（物理模型或数学模型）来模仿实际系统，代替 实际系统来进行实验和研究，而模拟（Analog）却被用 来仅指应用模拟计算机进行仿真。 风调试验 水池试验 波音777飞机：Testing Without Flying（模拟试飞）