第一章 计算机辅助设计（ CAD）技术概论
1-1 CAD的涵义及研究内容
?计算机辅助设计（ CAD）
是以计算机为主要研究手段来辅助设计者完成某项工作的设计、
计算、分析、评价、优化等信息处理的综合性高新技术。它是 60年
代以来迅速发展起来的一门新兴的综合性计算机应用技术，从开始
只完成一些计算和绘图以及数控加工，发展到辅助工程设计，模拟
加工过程和 CAD/CAE/CAM一体化。
?CAD技术带来的革命
（ 1）产品设计的模式
（ 2）产品的生产、制造
（ 3）产品质量
（ 4）市场竞争
?主要研究内容
（ 1）图形处理
是 CAD技术的基础，用以表达设计方案，从二维到三维。如实体造型、特征造型、
参数化特征造型。
（ 2）优化分析
采用数值计算方法（有限差分、有限元、边界元）求解工程设计。如：结构应力
应变计算优化（强度计算）；传热和流动分析（模具冷却系统、挤出定型模优化设计、
热流道浇注系统的热平衡计算、运用流动分析优化模具成型方案）；求解系统的动态
性能。 e.g.三维造型软件（ PRO/E,UG和 I-DEAS）和专用软件（ HSC,Z-MOLD… ）。
在 CAD系统中引入,并行工程,的思想，已成为发展趋势。
（ 3）综合评价
对完成的设计方案进行校核和评价，包括：尺寸校核；外观分析；碰撞（干涉）
试验（ e.g.新型液压系统的设计、装配、运动过程）；内部结构剖析（内应力、温度
分析、翘曲）和加工中的缺陷预测（ e.g,熔体充模状态、气穴位置、挤出模中的熔体
流速、吹塑加工中的吹破）
（ 4）信息交换
CAD之间,CAD与 CAM之间,CAD与 CAE之间,CAD与 CAPP之间、
CAD与 RPM之间以及通过 internet进行远程、异地的信息沟通与资源共享。
它基于数据交换标准，如 IGES,STEP,SAT等； CAD技术应研究如何更合
理、更高效、更准确地交换数据。
1-2 CAD系统的类型及 CAD过程
1.类型
?按功能分
通用系统：（ PRO/E,UG,Solidworks,Euclid,I-DEAS,CADDS5、
MDT），通常包括线框、实体和曲面造型模块、装配与零件设计模块、有
限元分析模块、数据交换与传输等）
专用系统：为特定的应用而开发的系统，通常只能用于一定的专业或用
于解决某一类问题。如：冲模 CAD/CAM系统、注塑模 CAD/CAM系统、建
筑装饰 CAD软件等）
?按运行方式分
交互式系统：以交互方式运行、由计算机检索数据、分析计算、绘图等，
用户利用键盘等交互输入参数、选择方案、修改设计、控制运行过程。
自动化系统：上述过程基本上不需要人的干预。
?按硬件角度分
主机系统、工作站系统、微机系统
?按软件的开放性分
交钥匙系统（ turn-key system)和可二次开发系统（ programmable system)
2.CAD过程
设计中的大多数活动都可以用 CAD技术来实现，但尚有一些活动难以
用 CAD技术实现，如设计的需求分析、可行性研究等，下图说明了设计过程
与 CAD过程的关系：
市场信息 设计需求分析 可行性研究与分析
概念
设计
设计
分析
设计
优化
设计建模
和仿真
设计
评价
设计
结果
CAM加工
CAD过程
1-3 计算机辅助设计与传统人工设计比较
?传统人工设计
?计算机辅助设计
1-4 计算机辅助设计的优点
人、机设计能力比较
项目 人 计算机
逻辑思维能力 有很强的设计想像力和判断力，
能凭借经验进行创造设计，学习
快
已系统化, 格式化, 一般无学习能
力
信息的组织和
记忆存储能力
信息的组织是自觉的，但不正规；
信息的记忆保存时间短，容量小
信息的组织是正规的, 详细的；存
储时间长, 容量大
工作的适应能
力
工作时间过长时, 效率下降, 容
易疲劳和出差错
特别适合于从事重复性工作, 可长
期保持高效率, 很少出错
分析计算能力 直观分析能力强, 数值运算能力
差, 速度慢
没有直观分析能力, 数值运算能力
很强, 速度快
查错和纠错能
力
能直观地查找设计错误, 并及时
予以纠正；在纠错上具有很大的
灵活性
查错方式已系统化, 受系统限制,
适应性差, 很难自动纠正各种错误
信息的输入输
出
能通过各种器官进行信息的传递,
形式多样, 但速度慢
已系统化, 格式化, 速度快
人与计算机在 CAD中的作用
人：
（ 1）控制设计过程（输入原始参数、方案选择、修改设计、控制设
计进程）；
（ 2）人利用数值分析的结果和经验知识，作出决策判断；
（ 3）修改错误、修改设计；
计算机：
（ 1）数值计算（优化方法、有限元分析等）；
（ 2）数据存储与管理（从数据库中检索数据，免去人工查询手册）；
（ 3）图形绘制（绘图工作占设计总工作量的 60%左右）
（ 4）设计结果以图形或数据形式显示在屏幕上）
CAD的优点：
? 工作效率高，可以大大缩短设计周期
? 设计与分析统一，使产品质量在前期就得到保证
? 有利于设计制造的标准化、系列化和通用化
? 为后续工作提供必要的数据
1-5 CAD技术在材料加工中的应用
?材料加工（成形）技术
铸造、连接、塑性成形、热处理及表面改性、粉末冶金等单
元或复合加工（成形）技术的总称。
?材料加工 CAD技术
是传统材料加工技术与计算机技术、控制技术、信息处理技
术等相结合的产物。包括,铸造成型 CAD、塑性成形 CAD（包括
板成形和体成形）,焊接成形 CAD,注射成型 CAD、型材挤出
模 CAD等。
1-6 计算机辅助设计发展历史
五个阶段,P8的表 1-2
1-7 计算机辅助设计的发展趋势
（ 1）微型化
软硬件平台向微机工作站转移
（ 2） 集成化
CAD/CAE/CAPP/CAM/…… 的有机结合将促使设计和制造观念的更
新。
a,与 CAE集成（优化技术的应用）
可以解决产品设计和工艺过程设计中的可靠性差的问题。 e.g 发展成
型过程的计算机模拟技术，利用有限元和边界元等方法，分析材料
加工成型过程。
b,与 CAM集成
将 CAD的设计结果直接用于数控仿真和生成 NC代码，送数控机床进
行自动加工。
c.与 RPM集成
构成一个闭环快速产品开发系统，在并行工程（ CE）环境下，能够
对产品设计进行快速评价、修改，以快速响应市场。
（ 3）网络化
资源共享，协同攻关
（ 4） 智能化
Cax已不再是人类技术工作的简单重复
（ 5）柔性 化
适应激烈的市场竞争；
（ 6）并行化
企业的各项工作均以 PDM为基础展开
（ 7）标准化
社会化大生产的要求
(8) 绿色化
优化设计方案，减少废品率
1-1 CAD的涵义及研究内容
?计算机辅助设计（ CAD）
是以计算机为主要研究手段来辅助设计者完成某项工作的设计、
计算、分析、评价、优化等信息处理的综合性高新技术。它是 60年
代以来迅速发展起来的一门新兴的综合性计算机应用技术，从开始
只完成一些计算和绘图以及数控加工，发展到辅助工程设计，模拟
加工过程和 CAD/CAE/CAM一体化。
?CAD技术带来的革命
（ 1）产品设计的模式
（ 2）产品的生产、制造
（ 3）产品质量
（ 4）市场竞争
?主要研究内容
（ 1）图形处理
是 CAD技术的基础，用以表达设计方案，从二维到三维。如实体造型、特征造型、
参数化特征造型。
（ 2）优化分析
采用数值计算方法（有限差分、有限元、边界元）求解工程设计。如：结构应力
应变计算优化（强度计算）；传热和流动分析（模具冷却系统、挤出定型模优化设计、
热流道浇注系统的热平衡计算、运用流动分析优化模具成型方案）；求解系统的动态
性能。 e.g.三维造型软件（ PRO/E,UG和 I-DEAS）和专用软件（ HSC,Z-MOLD… ）。
在 CAD系统中引入,并行工程,的思想，已成为发展趋势。
（ 3）综合评价
对完成的设计方案进行校核和评价，包括：尺寸校核；外观分析；碰撞（干涉）
试验（ e.g.新型液压系统的设计、装配、运动过程）；内部结构剖析（内应力、温度
分析、翘曲）和加工中的缺陷预测（ e.g,熔体充模状态、气穴位置、挤出模中的熔体
流速、吹塑加工中的吹破）
（ 4）信息交换
CAD之间,CAD与 CAM之间,CAD与 CAE之间,CAD与 CAPP之间、
CAD与 RPM之间以及通过 internet进行远程、异地的信息沟通与资源共享。
它基于数据交换标准，如 IGES,STEP,SAT等； CAD技术应研究如何更合
理、更高效、更准确地交换数据。
1-2 CAD系统的类型及 CAD过程
1.类型
?按功能分
通用系统：（ PRO/E,UG,Solidworks,Euclid,I-DEAS,CADDS5、
MDT），通常包括线框、实体和曲面造型模块、装配与零件设计模块、有
限元分析模块、数据交换与传输等）
专用系统：为特定的应用而开发的系统，通常只能用于一定的专业或用
于解决某一类问题。如：冲模 CAD/CAM系统、注塑模 CAD/CAM系统、建
筑装饰 CAD软件等）
?按运行方式分
交互式系统：以交互方式运行、由计算机检索数据、分析计算、绘图等，
用户利用键盘等交互输入参数、选择方案、修改设计、控制运行过程。
自动化系统：上述过程基本上不需要人的干预。
?按硬件角度分
主机系统、工作站系统、微机系统
?按软件的开放性分
交钥匙系统（ turn-key system)和可二次开发系统（ programmable system)
2.CAD过程
设计中的大多数活动都可以用 CAD技术来实现，但尚有一些活动难以
用 CAD技术实现，如设计的需求分析、可行性研究等，下图说明了设计过程
与 CAD过程的关系：
市场信息 设计需求分析 可行性研究与分析
概念
设计
设计
分析
设计
优化
设计建模
和仿真
设计
评价
设计
结果
CAM加工
CAD过程
1-3 计算机辅助设计与传统人工设计比较
?传统人工设计
?计算机辅助设计
1-4 计算机辅助设计的优点
人、机设计能力比较
项目 人 计算机
逻辑思维能力 有很强的设计想像力和判断力，
能凭借经验进行创造设计，学习
快
已系统化, 格式化, 一般无学习能
力
信息的组织和
记忆存储能力
信息的组织是自觉的，但不正规；
信息的记忆保存时间短，容量小
信息的组织是正规的, 详细的；存
储时间长, 容量大
工作的适应能
力
工作时间过长时, 效率下降, 容
易疲劳和出差错
特别适合于从事重复性工作, 可长
期保持高效率, 很少出错
分析计算能力 直观分析能力强, 数值运算能力
差, 速度慢
没有直观分析能力, 数值运算能力
很强, 速度快
查错和纠错能
力
能直观地查找设计错误, 并及时
予以纠正；在纠错上具有很大的
灵活性
查错方式已系统化, 受系统限制,
适应性差, 很难自动纠正各种错误
信息的输入输
出
能通过各种器官进行信息的传递,
形式多样, 但速度慢
已系统化, 格式化, 速度快
人与计算机在 CAD中的作用
人：
（ 1）控制设计过程（输入原始参数、方案选择、修改设计、控制设
计进程）；
（ 2）人利用数值分析的结果和经验知识，作出决策判断；
（ 3）修改错误、修改设计；
计算机：
（ 1）数值计算（优化方法、有限元分析等）；
（ 2）数据存储与管理（从数据库中检索数据，免去人工查询手册）；
（ 3）图形绘制（绘图工作占设计总工作量的 60%左右）
（ 4）设计结果以图形或数据形式显示在屏幕上）
CAD的优点：
? 工作效率高，可以大大缩短设计周期
? 设计与分析统一，使产品质量在前期就得到保证
? 有利于设计制造的标准化、系列化和通用化
? 为后续工作提供必要的数据
1-5 CAD技术在材料加工中的应用
?材料加工（成形）技术
铸造、连接、塑性成形、热处理及表面改性、粉末冶金等单
元或复合加工（成形）技术的总称。
?材料加工 CAD技术
是传统材料加工技术与计算机技术、控制技术、信息处理技
术等相结合的产物。包括,铸造成型 CAD、塑性成形 CAD（包括
板成形和体成形）,焊接成形 CAD,注射成型 CAD、型材挤出
模 CAD等。
1-6 计算机辅助设计发展历史
五个阶段,P8的表 1-2
1-7 计算机辅助设计的发展趋势
（ 1）微型化
软硬件平台向微机工作站转移
（ 2） 集成化
CAD/CAE/CAPP/CAM/…… 的有机结合将促使设计和制造观念的更
新。
a,与 CAE集成（优化技术的应用）
可以解决产品设计和工艺过程设计中的可靠性差的问题。 e.g 发展成
型过程的计算机模拟技术，利用有限元和边界元等方法，分析材料
加工成型过程。
b,与 CAM集成
将 CAD的设计结果直接用于数控仿真和生成 NC代码，送数控机床进
行自动加工。
c.与 RPM集成
构成一个闭环快速产品开发系统，在并行工程（ CE）环境下，能够
对产品设计进行快速评价、修改，以快速响应市场。
（ 3）网络化
资源共享，协同攻关
（ 4） 智能化
Cax已不再是人类技术工作的简单重复
（ 5）柔性 化
适应激烈的市场竞争；
（ 6）并行化
企业的各项工作均以 PDM为基础展开
（ 7）标准化
社会化大生产的要求
(8) 绿色化
优化设计方案，减少废品率
