論計算機輔助設(shè)計平臺系統(tǒng)的組成、分類和功能特點

唐思均　李彪

摘要：計算機輔助設(shè)計平臺系統(tǒng)是為工程設(shè)計和產(chǎn)品設(shè)計提供一個計算機軟件、硬件環(huán)境，也可以說，計算機輔助設(shè)計平臺系統(tǒng)是將計算機軟、硬件有機的組成在一起，構(gòu)成為設(shè)計服務(wù)的系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：計算機輔助設(shè)計；系統(tǒng)；分類；功能

一、計算機輔助設(shè)計平臺系統(tǒng)的基本組成

一個完整的計算機輔助設(shè)計平臺系統(tǒng)應(yīng)具有的主要功能概括為：快速計算、分析和生成、處理圖形的能力，存貯程序、數(shù)據(jù)和快速檢索的能力，輸入、輸出信息的能力，以及良好的人機交互功能等。

計算機輔助設(shè)計平臺系統(tǒng)要完成設(shè)計任務(wù)，必須要有相應(yīng)軟、硬件的支持。計算機輔助設(shè)計平臺系統(tǒng)應(yīng)具備快速響應(yīng)和圖形的交互設(shè)計與顯示輸出的能力。它采用專門的輸入與輸出設(shè)備來處理圖形問題，例如采用圖形終端。在軟件上提供用戶所需的全部功能模塊，并通過一個中央數(shù)據(jù)庫集成起來，在界面處理上采用一套完善的交互操作方式。

為了實現(xiàn)上述功能，計算機輔助設(shè)計平臺系統(tǒng)應(yīng)由設(shè)計人員、硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示。其中設(shè)計者在系統(tǒng)中起到主導(dǎo)作用，他們可以通過人機交互或批處理方式控制或操縱全過程，完成設(shè)計、計算、繪圖或仿真等任務(wù)。設(shè)計工程是一個信息管理、信息加工和信息交換的工程，因此，一個完整的計算機輔助設(shè)計平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上應(yīng)該包括：

（1）工程數(shù)據(jù)庫，用于存貯和管理各種信息；

（2）多功能的交互式圖形程序庫，用于進行圖形信息加工處理和交互；

（3）應(yīng)用程序庫，用于完成各種類型的分析計算和數(shù)據(jù)處理等。

二、計算機輔助設(shè)計平臺系統(tǒng)的分類

從硬件的角度可以將計算機輔助設(shè)計平臺系統(tǒng)分為四類。

（1）主機系統(tǒng)（Main Frame Based System）

該系統(tǒng)的特點是以高性能的大型通用計算機為主機，共用多個外設(shè)。優(yōu)點是主機功能強，能實現(xiàn)資源共享和大信息作業(yè)。缺點是終端用戶過多時，系統(tǒng)的效率和響應(yīng)速度降低，此外，當(dāng)主機出現(xiàn)故障時，整個系統(tǒng)陷于癱瘓。而且，這類系統(tǒng)價格昂貴，不適合中、小型企業(yè)和研究單位使用。這種系統(tǒng)在70年代較為流行，目前一般不再采用。

（2）工作站系統(tǒng)（Engineering Worksmfion System）

這種系統(tǒng)以32位微機工作站為基礎(chǔ)構(gòu)成單位用戶的CAD系統(tǒng)，其特點是給用戶提供一臺計算機（保證快速響應(yīng)），又具有網(wǎng)絡(luò)功能（資源共享）等。這種系統(tǒng)發(fā)展較快，如美國的Sun、HP、SGI等公司的CAD工作站。不過，這種系統(tǒng)比較封閉，開放性較差。

（3）高檔微機系統(tǒng)（PC-CAD System）

近年來，微處理器技術(shù)取得了突破性進展，微機的性能價格比日益提高，各種應(yīng)用商品軟件功能不斷加強，因此以PC機為基礎(chǔ)的CAD系統(tǒng)在中小型企業(yè)中取得了廣泛的應(yīng)用。但由于目前微機在速度和內(nèi)外存等方面仍然有一定的限制，大型工程分析和計算、復(fù)雜三維造型等功能在這種系統(tǒng)中運行還比較困難。

（41分布式系統(tǒng)（Distributed artificial System）

上述三種系統(tǒng)可以通過互聯(lián)的方式組成一個多處理機系統(tǒng)，就構(gòu)成了分布式CAD系統(tǒng)。處理機之間的通信是由網(wǎng)絡(luò)軟件完成的，這種方式可以實現(xiàn)資源共享，又有利于多專業(yè)同時進行復(fù)雜的大型工程設(shè)計和分析，但費用較高。

另外，根據(jù)系統(tǒng)的工作方式劃分，計算機輔助設(shè)計平臺系統(tǒng)可分為非人一機交互式系統(tǒng)、人一機交互式系統(tǒng)。

在設(shè)計計算機輔助設(shè)計平臺系統(tǒng)的時候，可以根據(jù)需要選擇系統(tǒng)的型式，也可以同時結(jié)合幾種型式的特點，開發(fā)出適用于行業(yè)的計算機輔助設(shè)計軟件。

三、計算機輔助設(shè)計平臺系統(tǒng)的功能

（1）幾何建模

在計算機輔助設(shè)計平臺系統(tǒng)設(shè)計過程中，幾何建模是把物體的幾何形狀轉(zhuǎn)變?yōu)檫m于計算機接受的數(shù)學(xué)描述。這種數(shù)學(xué)描述允許物體的圖象通過計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)的中央處理機所發(fā)出的信號在圖形終端上進行顯示和變換。用戶可以通過三種命令實現(xiàn)幾何建模，第一種命令是基本的幾何元素，如點、線和圓等；第二種命令是對這些元素進行比例變換、旋轉(zhuǎn)和平移等；第三種命令是把各個幾何元素連接成所要求的物體形狀。在幾何建模中可完成三維繪圖和二維造型，并能模擬實體裝配和運動仿真等。

（2）工程分析計算

在產(chǎn)品或工程設(shè)計中，要進行大量而且復(fù)雜的分析與計算工作，例如產(chǎn)品的性能分析與計算、強度與剛度計算、結(jié)構(gòu)參數(shù)計算及校驗性計算等等。在計算機輔助設(shè)計平臺系統(tǒng)的作業(yè)中，可將這些分析與計算公式建成數(shù)學(xué)模型，編制成設(shè)計計算軟件，由計算機來完成設(shè)計計算，而且計算過程中可進行反復(fù)迭代逐漸趨近一個最優(yōu)解。

計算機輔助設(shè)計平臺系統(tǒng)可以包括或連接某些功能強大的工程分析軟件，如有限元分析軟件和優(yōu)化設(shè)計軟件等，當(dāng)需要時可以調(diào)用，從而獲得最優(yōu)的設(shè)計方案和最佳的設(shè)計結(jié)果。例如對于復(fù)雜零件進行應(yīng)力應(yīng)變分析時，要用到有限元計算，即在零件上劃分出很多網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)劃分的越細，計算精度越高，但劃分網(wǎng)絡(luò)很費時，若利用具有自動劃分網(wǎng)絡(luò)功能的有限元分析計算軟件，便可大大提高設(shè)計速度和設(shè)計質(zhì)量。有限元分析結(jié)果的輸出，是以圖象的形式在顯示終端上顯示，用戶很容易觀察，如果對有限元分析所得到的設(shè)計結(jié)果不滿意，可以進行修改，然后再重新進行有限元分析。

（3）自動繪圖

這是最為廣泛的應(yīng)用，在很大程度上取代傳統(tǒng)的手工制圖。繪圖工作量在總設(shè)計中約占50%-60%的工作量，利用計算機自動繪圖系統(tǒng)可以高速、準確地繪制二維和三維圖形。

（4）參數(shù)化設(shè)計

標準化、通用化和系列化的零部件具有相似的結(jié)構(gòu)，但尺寸等經(jīng)常改變。通過參數(shù)化設(shè)計可建立圖形程序庫，調(diào)出后賦予一組新的尺寸參數(shù)即能完成一項設(shè)計工作。

（5）數(shù)據(jù)庫的管理與共享

產(chǎn)品與工程設(shè)計中的信息量非常大，信息的形式、屬性和關(guān)系也是多樣而復(fù)雜的，計算機輔助設(shè)計平臺系統(tǒng)正是建立在對這些工程信息的存貯、管理、傳遞和共享的基礎(chǔ)上，這就要依靠工程數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)。在作業(yè)中，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，統(tǒng)一管理工程數(shù)據(jù)和圖形，為各個專業(yè)設(shè)計提供共享數(shù)據(jù)的模式和它們之間的接口，完成對設(shè)計信息的存取、加工和轉(zhuǎn)換等。在系統(tǒng)中，需要建立一個數(shù)據(jù)庫，對大量數(shù)據(jù)的形式、屬性和關(guān)系等進行處理和管理，提供給用戶實現(xiàn)資源共享，也可以對設(shè)計過程起到很好的參考作用，這與設(shè)計工程是緊密聯(lián)系的。

（6）生成設(shè)計圖文檔或報表

文檔是計算機輔助設(shè)計平臺系統(tǒng)的有機組成部分，但是，很多設(shè)計人員往往最為厭煩的是在設(shè)計過程中和設(shè)計完成后需要書寫設(shè)計文檔和設(shè)計說明書。而在計算機輔助設(shè)計平臺系統(tǒng)中可以把這些工作自動化，簡化設(shè)計者的工作量，并且能提供面向用戶的用戶手冊、使用手冊以、圖紙和文檔以及各種技術(shù)設(shè)計報告、報表等。