CAD/CAM/CAE基础(二) CAD

CAD系统的组成与分类

总述

计算机主机

存储设备

磁带机

存储介质是磁带，只能顺序存取。
存取速度较慢，但成本低，存储容量大。
可作为很理想的系统备份设备。
作为备份，将系统其它存储设备上的信息拷贝在磁带上。一旦由于人为或突然事故而破坏了其它存储器上的资料，则磁带上的备份就可以重新装入。确保整个系统的正常运行以及数据资料的正确性。

磁盘驱动器

硬盘软盘：

光盘：

输入设备

键盘

键盘是最常用的输入设备，计算机通过不断的扫描键盘各节点的状态来判断按键的状态并据此进行相应处理
·数字键和字符键用来输入数据和程序。
·功能键用来输入一个命令或执行一个程序。·控制键用来对屏幕和程序进行特殊处理。

图形输入设备

三种主要类型：
-定位设备
·操作方式是控制屏幕上的光标并确定它的位置。·定位设备除了定位功能外，还兼有拾取目标、选择对象、跟踪录入、徒手画草图等。
·具体的物理设备有图形输入板及其触笔、光笔、鼠标器、操纵杆（Joy Stick）及跟踪球。
-数字化仪
·能将放在上面的图形用游标器指点摘取大量的点，进行数字化后存储起来。
-图象输入设备
·如摄像机、录像机、扫描仪（Scanner）等，图形经图象数字化及图象外理后输出。

光笔

鼠标器

数字化仪

图形扫描仪

绘图输出设备

自动绘图机

阴极射线管和显示器

软件系统

CAD系统的硬件要求

• 性能要求较高的图形输入、输出设备
• 较高的运行速度—CAD/CAE软件中大量的复杂的数值计算
• 足够的外部存储空间一计算过程中大量的图形、图像、
  技术文件、优化分析结果、图形库、数据库和配套的应
  用软件
• 较好的网络性能一网络系统的速度、稳定性、安全性等

CAD系统的软件组成

软件一般指计算机运行所需的各种程序、数据及相关的文档。CAD/CAM系统的软件根据其功能可分为系统软件、支撑软件和应用软件等三个层次。右图表示了这些软件间的层次关系。

支撑软件

工程分析和计算用软件主要包括：
1）常用数学方法库
用于解决各类数学问题，如提供解微分方程、线性方程组、数值积分、有限差分、曲线（面）拟合等的计算机程序。
2）有限元分析软件
有限元分析软件目前最流行的有：
ANSYS、ADINA、ABAQUS、MSC、Nastran
3）优化方法软件
4）模拟仿真软件：如机械系统动力学自动分析软件ADAMS。
5）数据库管理系统
数据库管理系统（Data Base Management System，DBMS）是在操作系统的基础上建立的操纵和管理数据库的软件。用户需通过数据库管理系统使用数据库，因而它是用户和数据库之间的接口。目前广泛应用的商用数据库管理如INGRES、PB、ORACLE、SYBASE FOXPRO等关系型数据库管理系统。CAD/CAM涉及大量的图形信息，需要工程数据库的支持，但这类软件尚不够成熟。

应用软件

应用软件是用户为解决实际应用问题而自行开发或委托开发的程序系统。它是在系统软件的基础上，或用高级语言编程，或基于某种支撑软件，针对特定的问题设计研制，既可为一个用户使用，也可为多个用户使用的软件。
当前，几乎所有的CAD系统软件都提供相应的二次开发工具。如：AutoCAD内置的VisualLisp开发语言，支持面向对象设计的Activex接口；UG的应用程序开发工具UG/OpenAPI等。

小型机系统：
小型机系统又称小型机成套系统，出现于20世纪70年代后期。它以32位超级小型机为主机，通常带有几个到几十个终端。小型机配有专用的硬件和软件，是由从事CAD技术开发的公司专门为用户配置的计算机配套系统。小型机系统具有很强的针对性，适于中等规模企业的应用要求，但小型机系统针对性过强，应用范围受到限制，用户难于进一步开发。目前，此类系统大多已被淘汰。

工作站系统：
工作站包括工程工作站和图形工作站，是为满足用户在工程和图形图像处理上的专业需求和克服原有大型计算机、小型计算机由于其系统庞大，不能适应工程和图形处理中灵活多变的缺点而研制的专用计算机。工作站具有强大的科学计算、丰富的图形处理、灵活的窗口及网络管理功能，通过网络可以共享系统资源。

按照工作方法分类

三种：信息检索型、人机交互型、智能型

信息检索型

预先将已定型的产品资料（图样、技术文件等）存入计算机，并设计检索程序。系统根据用户输入的设计参数，选择标准产品图样及有关数据，并调用系统中的标准程序库及图形库，计算相应的参数及绘制图形。
适用于产品定型之后标准化、系列化的设计。不适于新产品的开发设计。

人机交互型

交互型系统是利用输入、输出设备，通过人机对话的方式工作的。
由于产品的设计是一个设计、分析、计算、显示、修改，不断反复的过程，计算机不能代替人的全部思维活动，将人的创造性与计算机特性充分结合的系统，是现代CAD应用系统的主要类型，适合于新产品的设计、开发工作。

智能型

将人工智能技术应用于CAD系统，就可以形成智能型CAD系统，用计算机来实现上述问题的求解。
人工智能就是让计算机拥有人类的智能，在遇到问题时能像人类一样进行思考和解决问题。
就某一领域来讲，实现人工智能目的主要是要让计算机通过利用计算机中存储的该领域知识，按照一定的方式进行推理，这一类系统我们称之为专家系统。

按照功能分类

按系统的功能及适应范围，CAD/CAM系统可分为通用系统和专用系统两类。
通用的CAD/CAM系统功能全面，适用范围广。Pro/
E、UG、CATIA、I-DEAS等系统均属此类。
专用的CAD/CAM系统指的是那些为特定的应用而开发的系统。这类系统通常只能适用于一定的专业领域，或用于解决某一类问题。如冲模CAD/CAM系统和注塑模CAD/CAM系统皆属此类。

CAD系统的三维造型技术

在计算机辅助设计系统中三维造型技术是一项核心技术，近30年来，它经历了线框图、表面建模和实体建模三个阶段。
曲面造型–实体化造型–参数化造型

传统造型方法

传统的几何造型（Geometric Modeling）是CAD图形核心系统中的重要内容。一个完整的几何模型，既包括各部分的几何形状及空间的布置——几何信息，又包括各部分之间的连接关系——拓扑结构。
线框造型→曲面造型一传统的实体造型

线框造型

定义：线框造型用一系列空间直线、圆弧和点等基本元素组合而成，用来描述产品的轮廓外形，并在计算机内部生成相应的三维映像，从而可以自动的实现视图变换和空间尺寸协调。
这种模型表示的是物体的棱边。描述的是产品的轮廓外形
特点：线框建模所构造的实体模型，只有离散的边，而没有边与边的关系，与该模型相关的数学表达式是直线或曲线方程、点的坐标及边和点的连接关系。
优点：
（1）结构简单，易于理解，所需信息量少，所占存贮空间也最少，硬件的要求不高，处理时间短，是曲面造型和实体造型的基础；
（2）利用投影变换，从三维线框模型可方便地生成各种正投影图、轴测图和任意观察方向的透视投影图。
缺点：
1）几何意义的二义性：一个线框模型可能被解释为若干个有效几何体
2）不能表示表面含有曲面的物体；
3）不能明确地定义给定点与物体之间的关系（点在物体内部、外部或表面上），所以线框模型不能处理许多重要问题，如不能生成剖切图、消隐图、明暗色彩图，不能用于数控加工等；很多模型属性无法计算。
易出现二义性理解；
缺少曲面边缘侧影轮廓线；
缺少边与面、面与体之间关系的信息，不能描述产品。

线框模型不适应于对物体进行完整信息描述的场合，但在有些情况下，例如评价物体外部形状、位置或绘制图纸，线框模型提供信息是足够的，同时它具有较好的时间响应性，对于适时仿真技术或中间结果的显示是适用的。
线框具有模型数据简单，对硬件要求不高易于掌握等特点。这种模型曾广泛应用于工厂或车间布局，管道铺设、运动机构的模拟干涉检查。
实体造型系统中的辅助手段。

曲面造型

曲面造型（表面造型）用面的集合来表示物体，而用环（封闭的有向棱边）来定义面的边界。它是在线框模型的基础上，增加了有关面的信息，以及面的连接信息。
利用曲面模型，就可以对物体作剖面、消隐、获得数控加工所需的表面信息等。对一些复杂的物体表面，如汽车车身、飞机机身等呈流线型瞬息万变自由曲面都可以表示。
曲面建模方法通常用于构造复杂的曲面物体，一般可以用多种不同的曲面表达方式造型，常用的表面描述的方法有如下几种：

• 线性拉伸面或者柱状面
• 直纹面
• 基本曲面
• 轨迹曲面（二维曲面运动轨迹构成的曲面）
• 拉伸表面（路径是直线）
• 旋转表面（截面曲线沿由任意空间曲线代表的路径移动而构成的曲面）
• 扫动曲面（界面曲线沿任意空间曲线代表的路径移动而构成的曲面）
• 蒙皮曲面（覆盖在一组线条上的曲面称为蒙皮曲面）
• 规则表面（两条互不相交的空间曲线扩展而成的规则表面）
• 平坦表面（由封闭的二维线框构成的表面）

优点：
·曲面模型扩大了线框模型的应用范围，能够满足面面求交、线面消隐、明暗色彩图、数控加工等需要；因此大多CAD/CAM系统中都具备曲面建模功能。
·由于曲面模型比线框模型提供了形体更多的几何信息，因而还可实现消隐、生成明暗图、计算表面积、生成表面数控刀具轨迹及有限元网格等。
缺点：
·无法计算和分析物体的整体性质，如物体的体积、重心等，也不能将它作为一个整体考察它与其它物体相互关联的性质，如是否相交等。
应用：
曲面建模主要适用于其表面不能用简单数学模型进行描述的物体，如：飞机、汽车、船舶等的一些外表面。曲面模型仅适用于描述物体的外壳。在图形仿真等领域仍然被广泛采用。

传统的实体造型

实体造型技术的普及应用标志CAD发展史上的第二次技术革命。
实体造型是以立方体、圆柱体、球体、锥体、环状体等多种基本体素为单元元素，通过集合运算（拼合或布尔运算），生成所需要的几何形体。这些形体具有完整的几何信息，是真实而唯一的三维物体。所以，实体造型包括两部分内容：即体素定义和描述，以及体素之间的布尔运算（并、交、差）。布尔运算是构造复杂实体的有效工具。
目前常用的实体造型方法主要有：边界表示法、构造实体几何法和扫描法。
实体造型在表面模型的基础上增加了给定点与形体之间的关系信息。它能完整地表示物体的所有形状信息，具有完整性、清晰性、准确性。在实体造型系统中，可以得到所有与几何实体相关的信息。有了这些信息，应用程序就可以完成各种操作，如物性计算、有限元分析、生成数控加工程序等。
优点：
（1）详细记录了三维形体所有几何元素的几何信息和拓扑信息，在图像生成和模型表面积计算等应用中表现出明显的优点；所表示的实体不存在二义性。
（2）可以提供实体完整的信息；可以实现对可见边的判断，具有消隐的功能；
（3）能顺利实现剖切、有限元网格划分、直到数控刀具轨迹的生成。
根据产品模型的生成描述方式不同，实体造型生成物体的方法有：体素法、扫描法
1）体素法：
利用一些基本的体素（如长方体、圆柱、圆环、圆球等）通过集合运算（布尔运算）组合成产品模型根据设计需要，对基本几何形体的尺寸参数进行赋值即可得到对应的几何形体。下图为常见的大多数实体造型系统所支持的常见体素。
2）扫描法
（1）平面轮廓扫描法由任一平面轮廓在空间平移一个距离或绕一固定的轴旋转就会扫描出一个实体。
（2）整体扫描法
三维实体扫描法就是首先定义一个三维实体作为扫描基体，即一个“运动的物体”，让此基体在空间运动，运动可以是沿某一方向移动，也可以是绕某一轴线转动，或绕某一点摆动。
整体扫描法的优缺点：
优点：对各侧面有明确的定义（与法矢量方向一致为外侧面，相反为内侧面）；能够唯一的表现物体；有利于物性分析和有限元分析。
缺点：数据量大，数据结构复杂，且缺乏明确的工程意义。

新一代实体造型技术——特征造型

传统造型缺陷

随着CAD/CAM/CAE一体化技术的发展，传统的几何造型技术越来越显示出不足，表现在：
（1）数据库尚不完备。它只存储了物体的几何形状信息，缺乏产品在开发和生产整个生命周期所需的全部信息，如材料、尺寸公差、加工特征信息、表面光洁度和装配要求等，因此不能符合数据交换规范的产品模型，导致CAD/CAPP/CAM集成的先天困难。
（2）在表达零件的数据结构的抽象层次上，只能支持低层次的几何信息（如点、边、面等），而没有工程含义（如定位基准、表面粗糙度、公差等信息）。
（3）设计环境欠佳。在使用几何建模构造零件时，难以进行创造性的设计，同时几何模型难以修改，不能适应产品开发的动态过程。

特征造型

CAD技术经历了二维绘图、三维线框、三维曲面和实体造型几个阶段，70年代末又出现了特征建模技术。
为实现CAD/CAM技术的集成化，满足自动化生产要求的实体造型技术必须考虑诸如倒角、圆弧、圆角、孔，以及加工用到各种过渡面形状信息和工程信息。特征造型着眼于更好地表达产品完整的技术和管理信息，使产品的设计及加工的全过程通过计算机并行展开。
特征造型又叫基于特征的造型，这种技术不仅限于几何形体形状的描述，还包括规定的公差、表面处理及其他制造信息和类似的几何处理。

特征造型分类

1）形状特征：特征造型的基本特征，描述一定工程意义的功能的几何形状信息。包括立体形状结构（如立方体、圆柱、圆锥等）和辅助结构（如倒角、键槽、中心孔等）。
2）精度特征：用于描述零件的形状位置、尺寸和粗糙度等。
3）技术特征：零件在性能分析时所使用的信息。描述零件的性能、功能。
4）材料特征：描述零件的材料的组成和条件。如性能（机械、物理、导电等）、规范、热处理方式等。
5）装配特征：用于描述零件在装配过程需使用的信息。

特征造型优点

（1）有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门之间的联系。
（2）促进产品的集成信息模型的实现，因为特征造型能够很好地表达产品的完整的技术和生产管理信息。
（3）有助于推动行业内的产品设计和工艺方法的规范化、标准化和系列化。
（4）促进智能CAD系统和智能制造系统的逐步实现。

**基于特征的参数化设计

它主要的特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。
可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。

参数化设计的定义（几何约束）

参数化设计（Parametric design）是一种设计方法，采用尺寸驱动的方式改变几何约束构成的几何模型，在求解几何约束模型时，采用顺序求解的方法，一般要求全约束。
几何约束指：
（1）结构约束（也称拓扑约束），指构成图形各几何元素间的相对位置和连接方式，其属性值在参数化设计过程中保持不变。在工程图中，此类约束往往是隐含的，并不明确给出，如平行，垂直，相切，对称。
（2）尺寸约束，指图中标注的尺寸，如距离、角度。
（3）参数约束，指尺寸参数间的关系，用表达式表示。
参数化的CAD系统采用约束表达产品的几何模型，用一组尺寸参数及工程设计参数来定义和控制几何模型，这样可以用这些参数来驱动形状的改变，由此可方便地修改设计形状，或进行形状相似的系列化产品设计。这种参数化的CAD系统在设计的各个阶段，以全新的设计方式发挥着重要的作用。
参数化实体造型中的关键是几何约束关系的提取和表达、几何约束的求解以及参数化几何模型的构造。目前，二维参数化技术已发展得较为成熟，在参数化绘图方面已得到了广泛应用。而三维参数化模型能处理的问题都比较简单，能处理的面类型主要是轴线、平面和轴对称面，能处理的约束类型还很有限。

参数化设计的功能

（1）从几何参数化模型而自动导出精确的几何模型。
（2）通过修改局部参数达到自动修改几何模型的目的。

参数化设计的主要方法

（1）变动几何法
二维简单三角形，原点（x，y，），假定d，是水平线，参数化设计需要把约束关系键入到模型中。修改时，若d，拉长，系统就自动把xx、y2定到了一个新位置。
（2）几何推理法（Geometric Reasoning）
80年代中后期，随着人工智能的发展，人们研制了几何推理法，它是将人工智能的技术运用到实体造型系统中构成的。
·原理：从已知元素和几何约束，通过推理逐步确定出未知元素。
根据初始条件和提供的约束，经过推理，它可以知道用哪些约束可以解出哪些“知识”，而根据这些“知识”，又可以解出另一些，从而把可解的
“知识”全解出来，直到获得最后解。
·局部求解，推理部分是一个专家系统，采用人工智能语言编程。

CAD系统的数据信息交换

信息

产品数据：是指定义某一零部件或构件所需要的几何、拓扑、公差、关系、性能和属性等数据。
产品数据内容：产品数据不仅包括产品模型的几何图形数据，还包括制造特征、尺寸公差、材料特性、表面处理等非几何数据。
口产品几何描述：如线框表示、几何表示、实体表示以及拓扑、成形及展开等口产品特性：长、宽等体特征；孔槽等面特征；旋转体等车削件特征等；口公差：尺寸公差与形位公差；口表面处理：如喷涂等；口材料：如类型、品种、强度、硬度等；口说明：如总图说明等.
口其他：如加工、工艺装配等。

产品数据交换标准

产品数据交换标准：是为实现不同的CAD系统之间以及CAD/CAE/CAM内部信息集成，与硬件设备无关的通用标准化软件接口，目的是实现信息资源共享。
DXF:Data Exchange Format
IGES:Initial Graphics Exchange Specification
STEP:Standard for the Exchange of Product model data
STL:Stereolithography

产品数据交换途径

IGES

由美国国家标准局（NBS）主持成立的由波音公司和通用电气公司参加的技术委员会于1980年编制出的初始图形信息交换技术规范。它开创了国际性的CAD/CAM技术的数据交换文件格式标准化工作。我国于1993年9月将IGES3.0作为国家推荐标准。
IGES模型指用于定义某产品的实体的集合。定义IGES模型就是通过实体，对产品的形状、尺寸以及某些说明产品特性的信息进行描述。

实体

实体是基本的信息单位。它可能是单个的几何元素，也可能是若干个实体的集合。实体可分为几何实体和非几何实体。
几何实体定义与物体形状有关的信息，包括点、各种类型的曲线、曲面、体以及结构相似的实体所组成的集合。IGES4.0中包括几何定义、有限元模型和CSG模型（计算机辅助设计中的“体素构造表示”）
非几何实体提供将有关实体组合成平面视图的手段，并用注释和尺寸标注来丰富此模型。此外。它还可向单个实体或一个实体组合提供特有的属性或特征、组合实体的定义和实例。
非几何实体又分为两类；注释——提供信息的字符串或符号，但并不是几何模型的一部分；结构——提供有关将实体组合成一个组合实体的手段

IGES文件结构组成

②特征段Flag Section：表示数据的存储格式；
②起始段 Start Section：文件序言，是对文件的介绍，供人阅读
②全局段Global Section：为前、后置处理程序提供的接口信息；D目录条目段Directory Entry Section：检索实体的入口八参数数据段Paramenter Data Section：每个实体的记录结束段Terminate Section：归总起始段、全局段、实体一N紫号引段和参数数据段单的记录数。

问题

IGES定义的实体主要是几何图形方面的信息，其他信息交换不充分；
交换复杂图形时容易丢失某些信息（部分语法结构不统一造成）；
交换文件占用的存储空间较大，数据处理时间较长。

特点

·数据格式相对简单。
·不能精确地完整转换数据，其原因是在不同的CAD/CAM系统之间许多概念不一样，使得某些定义数据或信息会丢失。
·在转换数据的过程中可能会产生错误，且很难确定，常要人工去处理IGES文件。
·产生的数据量太大。

STEP

STEP采用统一的产品数据模型以及统一的数据管理软件来管理产品数据，各系统间可直接进行信息交换，它是新一代面向产品数据定义的数据交换和表达标准，它采用EXPRESS语言描述信息模型，便于表示复杂实体，表达形式统一；另外STEP采用应用协议（Application Protocol）来保证语义的一致性。应用协议说明了如何用STEP标准的集成资源来解释产品数据模型以满足工业需求，即根据不同应用领域的实际需要，选定标准的逻辑子集或加上必须补充的信息作为标准强制地要求各应用系统在交换、传输与存储产品数据时符合应用协议的规定。
STEP技术提供一种不依赖于具体系统的中性机制，它规定了产品设计、开发、制造，以至于产品全部生命周期中所包含的诸如产品形状、解析模型、材料、加工方法、组装分解顺序、检验测试等必要的信息定义和数据交换的外部描述，因而STEP是基于集成的产品信息模型。
STEP的应用范围非常广泛。STEP的标准内部划分成许多子标准，其内容分别涉及几何、拓扑、外形表示、特征、外形表示接口、公差、材料、产品数据表示、绘图、机械产品结构、建筑工程结构、船舶模型、电子产品、有限元分析以及数据转换等。以后的版本又增加运动机构、标准零件、工艺规模、质量管理、加工制造、测试和产品寿命等内容。
STEP特点：采用统一的产品数据模型和统一的数据库管理系统来定义和管理数据，可以在各CAD/CAM系统之间直接交换信息。

STL

STL类型文件是CAD/CAM中广泛使用的一类三维空间造型存储文件，它最初来源于快速成型技术（RPM）及反求工程，目前几乎所有的三维造型软件都具有输出此类文件的功能。该类文件主要的优势在于简单、适应性好，即可以输出各种类型空间表面。文件中只包含有相互衔接的三角形面片节点坐标及其外法矢，属于“中性”文件，可以在不同的CAD/CAE/CAM系统进行转换。尽管IGES，STEP类型文件也具有很好的描述空间造型的能力，但在不断变化的空间表面描述上（金属塑性成形过程），目前只能采用三角形或四边形描述，也就是说只能采用将任意空间表面离散成网格，以三角形网格形式输出、存储。
利用STL数据格式表示立体图形的方式较为简单，对于任何一个独立的空间实体，都可借助其表面信息进行描述，而表面信息则是由许许多多空间小三角面片的逼近体现出来，通过记录各小三角面片的顶点和法向矢量信息来间接描述原来的立体图形。

STL数据遵循的规则

共顶点规则：每一个三角面片必须与每个相邻的三角面片共用两个顶点，即一个三角面片的顶点不能落在相邻的任何三角面片的边上；
取向规则：单个面片上的法向量满足右旋定则，其正向必须朝着实体外侧，且与相邻面片的法向量协同（即如果将两个相邻面片合并成一个曲面、则两个面片的法向应该指向曲面的同一侧）；
充满规则，三角面片必须布满三维模型的所有表面，不得有任何遗漏；
取值规则，每个顶点的坐标值必须是非负的，即STL实体应该在第一象限。

DXF

Parasolid(x_t)

主要商用CADCAE系统

CAD系统的智能化技术与优化分析技术

人工智能发展史

• 从九十年代开始，现代人工智能领域科学家开始对此试验提出异议：反对封闭式的，机器完全自主的智能；提出与外界交流的，人机交互的智能。
• 美国数学家、计算机科学家McCarthy（迈卡锡），人工智能的早期研究者。
  1956年，他和其他一些学者联合发起召开了世界上第一次人工智能学术大会，在他的提议下，会上正式决定使用人工智能这个词来概括这个研究方向
• 知识工程概念的提出.宣告了专家系统已走向成熟。

人工智能与专家系统

定义

大工智能（Artificial Intelligence）—研究的是怎样利用机器模仿人脑从事推理、规划、设计、思考、学习等思维活动，解决迄今认为需由专家才能处理好的复杂问题。即由计算机来表示和执行人类的智能活动。可以从3个方面来理解人工智能系统（1）从完成的主要功能看，分为视觉系统、听觉系统、专家系统、自动程序设计系统等；（2）从系统完成思维活动的抽象过程看，是一个广义问题求解系统；（3）从处理对象看，是一个知识信息的处理系统。
专家系统（Expert System）—是人工智能的一个分支，是指在某个领域内能够起到人类专家作用，具有大量知识和经验的智能系统，也被称为“知识工程”。是一种问题求解的智能软件系统。
专家系统的实质：知识+推理

专家系统的结构

解释：
口知识库（Knowledge Base）：存放专家知识和经验的特殊数据库。
口推理机（Inference Machine）：控制、协调专家系统工作的一组程序。
正向推理和反向推理
口解释系统（Explanation System）：解释系统的推理结果，回答用户问题口知识获取系统（Knowledge Acquisition）：将存储在人类专家头脑中的知识和经验提取出来，经验证后转存于系统的知识库中。口人机接口（Interface）：人、机对话界面。
口中间数据库（Temporary Database）：用于存放推理过程的中间结果或论据的临时数据库。

知识工程

1.产品设计—从信息处理的观点来看，是建立一个满足要求的模型结构和形状表示，记叙设计和制造对象所应具有的性质、动作和功能等。为此，必须有某种描述性语言可用来描述。此外，对于结构、形状的表示，除了可用于提取制造信息外，还应该包括可查明其外观和质感的显示信息，并以此为依据进行评价，确认模型是否满足要求。由此可见，产品设计实际上是一个围绕产品模型的反复评价和多次修改的动态过程。
2.知识库+演绎
取代传统的“数据库+检索”的功能用于设计。其实现有2种方法：
（1）按要求条件提供模型的部分结构，直接参与建造模型；（2）积蓄各种技术信息及使用方法，从候选的结构组中尽快去掉实现可能性较小的结构形式。
3.当前建造智能化CAD系统的基本条件：P35-36

知识表示

包括：谓词逻辑表示法、网络表示法、框架表示法、产生式表示法

谓词逻辑表示法

主要是运用命题演算和谓词演算等知识来描述事实。
例如：盐是咸的→海水中溶有大量的盐→所以海水是咸的

语义网络表示法

框架表示法

由结点（槽Slot）和无向线段组成的一种分层次的知识结构表示法，其最上层结点代表给定情况下总是成立的事实，而下层结点存放特定的参数、文字、数据或其它框架的内容。

产生式表示法

该法用“IF………THEN…”的形式表述知识。
例如：IF注射时给定树脂的塑料熔体不能充满型腔THEN适当提高熔体温度，或加大注射压力，或………

专家系统的开发

适合专家系统的领域

（1）解决问题的方式一经验+判断推理；
（2）解决问题的过程—涉及数值计算、符号推理，使用“启发”、
“规则”、“策略”；
（3）专家经验。

设计型专家系统的开发

有限元分析优化技术

**有限元分析（Finite Element Method）的基本思想

将一个连续体的求解区域离散（剖分）成有限个形状简单的子区域（单元），各子区域相互连接在有限个节点上，承受等效节点载荷（应力载荷、温度载荷、流动载荷、磁载荷等）；根据“平衡”条件分析并建立各节点的载荷场方程，然后将它们组合起来进行综合求解，以获得对复杂工程问题的近似数值解。

**有限元分析软件结构

√前处理
1）生成有限元网格；2）节点的优化排序；
3）生成有限元属性数据；
4）生成输入数据文件。
√后处理
1）对计算结果的加工处理；
2）计算结果的图形显示；（有：结构变形图、等值线图、主应力迹线图、等色图）

有限元分析过程

·根据要求，输入几何结构、工况和边界条件等表示参数·由前处理模块对数据进行处理形成分析程序可以接受信息格式送到分析模块
·分析求解
·利用后处理模块进行结果处理和输出
·人工评价

有限元分析的主要问题

工作量大（特别是前后处理）
大型问题或动力、非线性分析对计算机要求较高
边界和应力集中区的应力计算精度较低
计算精度的评估和预测较为困难
掌握使用需要一定学习和实践

仿真模拟技术

仿真的必要性

：p42

计算机仿真（Simulation）

利用计算机进行产品的概念设计、结构设计和模拟仿真，并优化此结果。Or:CAE技术。

仿真的优缺点

：P42

计算机仿真的关键技术

建立仿真对象的数学模型
求解数学模型，并将结果显示出来

CAD/CAM系统中仿真技术的应用

口产品外形与装配关系仿真
口机构运动仿真
口加工过程和试验过程仿真
口生产过程仿真
口热加工过程仿真

数字仿真基本方法

建立数学模型
定量描述仿真对象固有特性，及其在外界作用下动态响应。
建立仿真模型
在给定数学模型的基础上，设计出求解数学模型的算法。
编写相应的仿真程序
根据仿真模型编写计算机程序。
设置时间间隔
设置当前状态和下一个状态的时间间隔，计算每一个状态下的结果，最终形成时间序列对应的整体过程。
动态显示仿真结果
按时间序列在屏幕上依次显示各状态结果。

虚拟现实技术

定义

一种高逼真地模拟人在自然环境中视觉、听觉、触觉和动感等行为的人机界面技术。

VR基本特征

多感知性（Multi-Sensory）
存在性（Presence）
交互性（Interaction）
自主性（Autonomy）

VR的关键技术和研究内容

动态环境建模技术
实时三维图形技术
立体显示和传感技术
应用系统开发工具
系统集成技术

补充

1.下列属于模型材料特征的是( 零件导电性)
2.智能型CAD系统最典型的标签是( 推理)
3.简述智能型CAD系统的工作流程。
智能型CAD系统工作的流程图主要由知识库、推理机、实时系统、知识获取系统和人机接口等组成。首先根据设计工作任务,输入参数后依据知识库和数据库等资源进行推理、和设计计算,最后给出评价结果。
4.知识表示是人工智能研究中的重要领域，是一个知识获取并应用知识的过程。
5.