基于CAD在机械设计中应用的思考

摘要：CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）在机械设计中拥有更加灵活、更加多元化绘图方法，降低重复劳动率，缩短设计周期，提高机械设计的水平与效率。在本文中，笔者就在机械设计应用CAD的相关问题进行了分析和探讨。

关键词：CAD（计算机辅助设计） 机械设计 应用0. 前言

在机械设计中，CAD已经获得了普遍了应用，其中CAD建模技术便是具体表现之一。所谓的机械设计CAD建模，主要是指利用计算机以及CAD软件实现机械产品的可视化设计，并且能够通过进一步的分析功能和修改功能来获得模拟加工的实体模型。从设计角度来看，不管是何种类型的机械产品，它们均是各种各样的3D几何形状（三维几何形状）构成的几何体。正是基于此种认识，CAD设计主要是利用“Geometric Mode（即几何模型）”来对机械产品的切片、结构、位置、尺寸、形状等几何信息以及纹理、颜色等机械产品的属性信息进行描述，进而能够获得可视化的、富有真实感的3D图形。

1. 基于CAD的机械设计建模方法

1.1 机械产品设计的特征建模方法

特征建模方法强调依靠CAD/CAE的集成化处理，在机械产品设计的全部生命周期的每一个阶段分别依照需求的不同来描述产品特征，确保机械产品信息描述的全面性、系统性以及完整性，使得此零件模型能够为不同的应用软件提供所需的各种类型的信息。特征建模方法对特征事例以及特征事例之间关系的描述与表达主要是依据逻辑上的相互影响、相互关联的语义网络。基于CAD的机械产品设计的特征建模方法所表达的实体是具有功能意义的高层次实体，因此，该建模方法的操作对象重点是机械产品的功能要素、管理信息以及技术信息，而非最为基本的几何元素。

从本质意义上来讲，特征建模方法着重体现设计人员在设计方案中的设计意图，重点关注可以将形状和结构复杂的机械产品模型分解成为多少个“特征”元素，而实际的具体实体模型的获得则需要通过特征之间的运算来逐步获得。总而言之，对于特征建模方法而言，零件特征是其关照的最为基本的对象；对它而言，机械产品便是由功能属性特征、工程含义特征等因素描述而成的信息集成。

1.2 机械产品设计的参数化建模方法

所谓的参数化建模方法，其主旨就是应用工程关系、几何约束等信息来描述机械产品模型的一种建模方法。其具体的设计流程是，①第一，构建机械产品图形和尺寸参数之间的约束关系，利用一个被赋予默认值的待标变量来表示不同的可变尺寸参数。②第二，在实际绘图操作的过程中，想要规格不同的图样时，直接对尺寸参数进行相应地修改即可。

对于参数化建模方法而言，机械产品的几何建模的定义与调整均需要通过约束来实现，约束的主要内容是进行机械产品设计时必须要考虑的因素，包括工程约束、拓扑约束以及尺寸约束等三种形式。并且，参数化建模方法当中的约束和参数之间存在特定的关系，参数的变化可以构建新的约束关系，进而获得新的几何建模。所以，几何建模的改变和修改仅仅通过参数的修改便可以实现，如此一来，设计人员便可以对新型的机械产品实施富有创造性的、动态性的产品设计。

参数化建模方法主要分为变量设计和尺寸驱动两种模式。变量设计则涵盖了几何建模的全部约束条件，包括了工程应用和图形变动的约束条件，所以使其具备了更加广泛的设计适用领域。尺寸驱动则仅仅考虑包括拓扑约束和尺寸约束在内的几何约束，则工程约束则不在它的关照范围内；在尺寸驱动模式下，不同的设计参数分别对应着不同的约束，所以仅仅通过改变参数的方式便可以实现几何图形的变化。变量设计和尺寸驱动有着不同的侧重点，变量设计更加倾向于更高一级的设计特征，而尺寸驱动则更加关注基础的设计特征。

2. CAD技术在机械设计中的应用

2.1 零件与装配图的实体生成。

CAD的三维建模方法有三种，即线框模型、表面模型和实体模型。在许多具有实体建犊功能的CAD软件中，都有—些摹本体系。如在CAD的三维实体造型模块中，系统提供了六种基本体系，即立方体、球体、圆柱体、圆锥体、环状体和楔形体。对简单的零件，可通过对其进行结构分析，将其分解成若干基本体，对基本体进行三维实体造型，之后再对其进行交、并、差等布尔运算，便可得出零件的三维实体模型。对于有些复杂的零件，往往难以分解成若干个基本体，使组合或分解后产生的基本体过多，导致成型困难。所以，仅有基本体系还不能完全满足机器零件三维实体造型的要求。为此，可在二维几何元素构造中先定义零件的截面轮廓，然后在三维实体造犁中通过拉伸或旋转得到新的“基本体”，进而通过交、并、差等得到所需要零件的三维实体造型。

2.2 机械CAE软件的应用

机械CAE系统的主要功能是：工程数值分析、结构优化设计、强度设计评价与寿命预估、动力学、运动学仿真等。CAD技术在解决造型问题后，才能由CAE解决设计的合理性、强度、寿命、刚度、材料、结构合理性、运动特性、干涉、碰撞问题和动态特性等。

3. 结束语

总体而言，CAD（计算机辅助设计）在机械设计领域的应用，实现了机械产品设计快速化的目标，更加为后续的机械产品的分析、检验、快速原型制造提供了信息支持。三维特征建模拓展了设计人员的创造性，比传统的实体建模有更好的设计效果，最重要的是真正符合数据交换规范的产品建模。

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