本书主要讲述机械CAD/CAE技术的基本理论和方法。全书共分九章：第一章介绍机械CAD/CAE的基本概念、系统结构以及集成的关键技术；第二章介绍CAD建模；第三章介绍有限元分析技术基础和应用实例；第四章介绍机械动态设计与实验模态分析技术基础；第五章介绍Pro/ENGINEER三维设计基础；第六章至第九章主要介绍系统运动学和动力学分析软件ADAMS的使用方法和应用实例。本书在内容的安排上从设计基础理论到设计工具，由浅入深，逐步展开，力求做到基础知识与新方法介绍两者兼顾。 本书可作为高等学校本科生教材，也可作为研究生和工程技术人员的参考书。

序 为了适应21世纪我国现代化建设的需要，培养高质量的工程科学技术人才，教育部从1996年开始实施了“面向21世纪高等工程教育教学内容和课程体系改革计划”，接着又决定建设国家工科基础课程教学基地。这些措施推动了教育改革的深入发展，形成了一批有特色的课程体系和系列教材。由重庆大学国家工科基础课程机械基础教学基地组织编写、机械工业出版社出版的“国家工科基础课程教学基地机械基础系列教材”就是其中之一。这套系列教材是国内众多资深教授的支持、指导和数十位长期从事教学和教学改革的教师辛勤劳动的结果，能够满足机械类专业人才培养的要求。 这套系列教材紧密结合“机械类专业人才培养方案及教学内容体系改革的研究与实践”、“工程制图与机械基础系列课程教学内容和课程体系改革的研究与实践”两个面向21世纪重大教学改革项目和国家工科基础课程机械基础教学基地建设，集中反映了重庆大学等高校围绕人才培养，在改革机械基础课程体系和教学内容方面所取得的成果。 这套系列教材的特色在于将机械基础系列课程分为设计基础和制造基础两类课群。以拓宽基础、培养学生综合应用机械基础理论与现代设计分析方法进行机械设计和创新为宗旨，遵循认知规律，明确课程定位，突破各课程自身的传统体系，基本上实现了系列课程的整体优化。通过“机械认识实践”的实践教学，帮助学生建立机械的感性认识。制造基础课群则对原机械制造的冷、热加工专业课程进行了整合和改造，建立了适合宽口径大机械专业的三个知识点——“机械制造技术基础”、“材料成形工艺基础”和“工程材料”。设计基础课群对传统的“机械设计”及“机械原理”进行了大胆的尝试性整合；展示了在“机械创新设计”思维的引导下，运用“计算机图形学”、“机械CAD/CAE技术基础”等现代设计方法和手段进行机械设计主线。 这套系列教材较好地体现了面向21世纪机械类专业人才培养模式改革的思路，对机械类专业机械基础系列课程体系及教学内容的改革进行了富有成效的探索与实践。机械工业出版社出版这套教材，实为一件很有意义的事，其将为全国机械基础课程体系的教改与教学提供又一套很有特色的教材。 当然，这套系列教材还需要在教学改革和教学实践中经受检验、不断完善，以结出我国教育改革的硕果，是为序。 中国科学院院士 重庆大学机械传动国家重点实验室学术委员会主任 华中科技大学教授第2版前言 随着计算机技术的进步和发展，CAD/CAE技术日趋完善，在产品设计阶段为设计人员提供了快速、有效的设计工具和手段，极大地改善了产品的设计过程，已成为提高产品设计水平、缩短产品开发周期、大幅度提高劳动生产率和产品质量的重要手段。目前，CAD/CAE技术已在机械、电子、造船、航空、汽车、建筑等领域得到了广泛的应用，其应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。 为了适应培养高素质应用型工程技术人才的需要，结合作者近年来在机械CAD/CAE教学、科研和工程培训实践中的经验对本书第1版进行了修订。修改后的本书具有如下特点： 1强调系统集成应用的观念，注重现代设计方法与技术手段的结合 机械CAD技术正经历着由传统单元技术向系统集成的重要转变，CAD/CAE作为建模和分析的工具是建立在科学和系统的技术与设计方法的基础之上的。针对机械工程设计的特点，本书有选择地介绍了现代设计方法中的常用技术，并且融入在设计案例之中，读者在掌握应用工具软件的同时，可以学习CAD建模技术、动态设计、有限元分析、系统动力学等设计思想，培养现代设计思维。 2加强与相关课程和教材的衔接，注重专业知识与CAD/CAE技术的结合 为了加强与“工程制图”、“机械设计”和“机械原理”等课程及其教材的衔接，本书从三维设计分析软件的教学入手，利用三维设计功能完成机械系统及零部件的结构设计，并在ADAMS分析环境中进行机械系统运动学和动力学的仿真及结构优化。 3理论联系实际，提高解决问题的能力 本书理论联系实际，结合设计对象，把CAD建模与系统分析和仿真结合起来，通过案例给出解决问题的具体思路、应用技术和方法，注重提高解决实际问题的能力。从工程应用的角度出发，各章都配有实用案例，带领读者去学习相关的技能和应用方法。 针对国内CAD/CAE技术的日益增长的需求，本书作者在长期从事CAD/CAE领域的教学和科研的基础上，参阅了国内外数十种同类书籍和有关文献资料，同时紧密结合现代设计和工程应用现状，以三维实体建模、运动学和动力学仿真、有限元分析为主线，介绍了现代设计理论与方法。以具有代表性的CAD软件Pro/ENGINEER、有限元软件Patran/Nastran、机械系统动力学仿真软件ADAMS为对象，对机械CAD/CAE的建模理论、方法、求解及典型工程应用等进行了由浅入深的讲解，力求做到基础知识与最新方法介绍的两者兼顾。全书结合实例编写，方便读者练习，可作为高等学校本科生教材，也可作为研究生和工程技术人员的参考书。 本书由重庆大学杜静、何玉林任主编，重庆科技大学刘成俊、重庆大学金鑫、西南大学杨仕参加了编写。其中何玉林编写第一、二章，金鑫编写第三章，刘成俊编写第四、五章，杜静编写第六章，杨仕编写第七章，第八、九章由杜静、金鑫、杨仕共同完成。 在编写过程中，得到了胡桂川、冉勇、何孔德等同志的帮助和支持，在此表示衷心的感谢。 全书由浙江大学何援军谭建荣教授主审，在此一并表示衷心的感谢。 由于作者水平有限，书中难免存在不足和错误，欢迎广大读者批评指正。 编者机械CAD/CAE应用技术基础第1版前言第1版前言 为了适应新世纪培养高素质、创造型机械科技人才的需要，重庆大学国家工科基础课程机械基础教学基地组织编写了机械基础系列教材。这套教材编写的整个过程就是我们完成教育部面向21世纪高等教育教学内容和课程体系改革计划中“机械类专业人才培养方案及教学内容体系改革的研究与实践”、“工程制图与机械基础系列课程教学内容和课程体系改革的研究与实践”两个项目的过程。我们按照新世纪机械专业人才应该具备的能力、素质和知识结构，研究制定了机械类专业人才培养方案及教学内容体系和与之相适应的机械基础系列课程体系及教学内容，并在97、98、99级本科教学中经过实践，所以这套教材反映了我们进行教学改革的成果。 这套系列教材的特色在于将机械基础系列课程分为设计基础和制造基础两类课群，对原机械制造工艺、金属切削机床、金属切削刀具、夹具、铸造、锻压等专业课程进行了整合和改造，编写了适合宽口径机械专业的《机械制造技术基础》、《材料成形工艺基础》和《工程材料》；增设了以参观和实践为主的《机械认识实践》课程；《现代机械制图》把投影制图和计算机绘图作为重点，并将其贯穿于全书；以设计为主线，重新规划了机械设计基础的体系结构，把齿轮机构的原理与设计有机融合，放在《机械设计》教材中，将《机械原理》的重点定位于机构的运动学、动力学和机械系统运动方案的分析与设计，并将《机械设计》安排在《机械原理》之前开出。增加了《计算机图形学》、《机械CAD/CAE应用技术基础》等计算机应用技术基础教材，反映了现代科学技术的新发展，引导学生应用现代设计方法和手段进行机械设计，增加了《机械创新设计》，介绍创新方法，启发创新思维。 CAD/CAE技术是一项综合性的新技术，是CAD/CAE/CAM集成系统的基础。目前产品评估(PE)的概念已经开始广为人们接受。产品评估要求在整个产品开发过程中，在用户需求—概念设计—产品设计—产品及零件详细设计—工艺性分析—产品性能验证—生产维护的各个阶段，对产品进行及时有效的分析。要求在产品的初始设计阶段，就能较好地完善设计概念，用三维或四维虚拟样机实验代替传统的实物样机实验，在产品制造加工前发现产品设计问题并及时予以纠正。CAD/CAE技术是产品评估和虚拟样机设计的支撑技术和设计平台。 本教材从最新的基于PC平台的三维参数化机械设计软件MDT60的教学入手，让学生以全新的设计概念，利用三维参数化设计功能完成机械零部件的设计，并编辑生成工程图，同时掌握装配和自由曲面设计的基本方法。在此基础上以深受广大企业欢迎的最新的工程分析软件(Working Model)对三维模型进行运动学、动力学的动态仿真分析。通过多个典型案例分析，让读者掌握一些典型机构的设计方法，并从中了解机械的结构特征、工作原理和运动学、动力学特性，提高对机械系统的认识，加强对机械系统方案设计能力的培养。 在学习新技术的时候，没有比边学边动手更有效的方法了。边学边做正是学习本教材的方法。为此，本教材非常强调实战能力的提高，在每一章里都有一个实例，带领读者去学习相关的技能和应用方法。读者只要在计算机上照着做一遍，就可以基本上了解CAD、CAE的功能以及使用它们的方法了。 本教材共三个部分。第一章为CAD/CAE技术概论部分，让读者建立起CAD、CAE的概念，了解CAD、CAE的概貌，浏览流行的CAD/CAE软件，从集成的角度论述了CAD、CAE的核心技术，让读者明确功能如此强大的CAD/CAE软件的技术原理，这对学习理解并应用CAD/CAE是很有益处的。第二章到第五章为CAD部分，详细介绍了AutoDesk公司推出的融合二维和三维设计的机械设计平台——Mechanical Desktop(MDT)软件。它是集AutoCAD交互作图系统和参数化实体造型、曲面造型等为一体的机械设计系统，含有GB符号库、符合GB制图标准，全中文界面。第六章至第八章为CAE部分。详细介绍了无缝集成在MDT环境下的工程分析平台——Working Model(WM)软件，着重介绍以MDT作三维造型设计、以WM作动态分析的机械产品设计/分析的方法。 本书由重庆大学国家工科基础课程机械基础教学基地陈国聪、杜静、王旭霞、任亨斌等老师编写，陈国聪、杜静为主编。上海交通大学计算机系何援军教授为主审，他为本书的编写提出了许多宝贵的建议，在本书编写与审阅中给予了大力的帮助和指导。 由于作者水平有限，加之CAD/CAE技术发展迅猛，本书错误及疏漏难免，谨请读者批评指正。 编者

序
第2版前言
第1版前言
第一章绪论1
第一节机械CAD/CAE技术概述1
一、机械CAD/CAE概念1
二、机械CAD/CAE集成的关键技术2
三、机械CAD/CAE技术的应用3
第二节机械CAD/CAE技术的发展4
一、CAD/CAE技术发展的历史4
二、CAD/CAE技术发展的趋势6
第三节机械CAD/CAE系统结构8
一、CAD/CAE集成系统的特点8
二、CAD/CAE集成系统的典型体系结构9
第二章CAD建模11
第一节几何模型11
一、几何模型的概念11
二、表示形体的坐标系11
三、基本几何元素13
四、表示形体的模型14
第二节常用的几何造型方法16
一、基本体素表示法16
二、特征表示法17
三、边界表示法17
四、扫描表示法18
五、构造实体几何法20
第三节特征模型建模方法23
一、特征造型法23
二、特征的分类24
三、特征的参数化25
四、特征的表示25
五、特征库的建立27
六、特征的形式化描述28
七、特征造型系统实现模式30
第三章有限元分析32
第一节有限元方法的基本概念32
一、有限元概述32
二、有限单元方法处理问题的基本步骤34
三、有限元方法的组成模块35
第二节常用有限元分析软件介绍36
一、MSC系列产品36
二、ANSYS系列产品38
三、ABAQUS系列产品39
四、ALGOR40
第三节有限元在机械行业中的应用41
一、结构静力分析41
二、结构动力分析42
三、热分析及热应力分析43
第四节应用实例43
一、创建有限元模型43
二、静强度分析52
三、模态分析54
四、瞬态分析57
第四章机械动态设计与实验模态分析技术基础62
第一节机械动态设计基础62
一、关于静态与动态的基本概念62
二、动力学及振动的数学基础64
三、动态设计基础67
四、模态分析基础71
第二节实验模态分析及其工程应用74
一、实验模态分析的概念74
二、实验模态分析的工程应用75
三、实验模态分析的基本内容76
四、实验模态分析技术的实施78
五、模态分析技术新进展79
第五章Pro/ENGINEER三维设计基础84
第一节概述84
第二节Pro/ENGINEER菜单及基本模块85
一、菜单栏85
二、Pro/ENGINEER主要模块86
三、与工程和产品设计有关的基本概念87
第三节Pro/ENGINEER的特征造型设计90
一、基准特征90
二、创建基础特征94
三、放置实体特征的创建112
四、特征的基本操作120
五、编辑零件130
第四节Pro/ENGINEER装配131
一、创建组件131
二、约束类型132
三、基本装配136
第五节Pro/ENGINEER与ADAMS集成137
一、概述137
二、Pro/ENGINEER与ADAMS的接口139
第六章ADAMS概述141
第一节虚拟样机技术的应用与ADAMS的特点141
一、虚拟样机技术应用141
二、ADAMS特点142
第二节ADAMS模块143
一、用户界面模块(ADAMS／View)143
二、求解器模块(ADAMS/Solver)144
三、后处理模块(ADAMS/PostProcessor)144
四、高速动画模块(ADAMS/Animation)144
五、振动分析模块(ADAMS/Vibration)145
六、柔性分析模块(ADAMS/Flex)145
七、控制模块(ADAMS/Controls)145
八、图形接口模块(ADAMS/Exchange)145
九、轿车模块（ADAMS/Car)146
十、发动机设计模块(ADAMS/Engine)146
第三节ADAMS应用基础146
一、ADAMS／View界面146
二、ADAMS/View中的常用工具148
三、ADAMS/View常用的快捷键153
四、定义建模环境153
五、ADAMS的主要文件介绍157
六、ADAMS的帮助158
第七章ADAMS View模型建立及仿真159
第一节ADAMS几何建模159
一、基本几何形状159
二、简单几何体161
三、复杂几何体163
四、修改构件属性165
第二节添加运动副167
一、运动副类型167
二、定义运动副的一些技巧170
第三节ADAMS载荷171
一、添加单向作用力和力矩172
二、添加力或力矩173
三、添加柔性连接173
四、特殊载荷174
第四节仿真参数控制及仿真175
一、仿真分析输出设置175
二、模型检查178
三、模型仿真178
第五节仿真后处理182
一、后处理程序基本操作183
二、仿真过程回放184
三、仿真曲线185
第八章ADAMS高级仿真分析188
第一节ADAMS参数化建模与优化设计188
一、参数化建模188
二、设计研究188
三、试验设计189
四、优化分析190
五、参数化建模与优化设计实例190
第二节多柔体系统建模与仿真197
一、导入柔性体198
二、柔性体设置199
三、利用AutoFlex生成柔性体202
第三节振动分析208
一、在时域内定义模型208
二、运用ADAMS/Virbration模块进行频域响应分析211
三、应用实例215
第四节联合系统仿真223
一、联合系统仿真概述223
二、应用实例223
第九章CAD/CAE在机械设计中的应用231
第一节航空飞行器夹紧机构建模与仿真分析231
一、工作原理231
二、建立几何模型232
三、挂锁仿真分析233
四、测试验证235
五、参数化模型及优化设计237
第二节摩托车整车动态响应分析240
一、导入摩托车车架柔性体模型240
二、创建摩托车前悬挂系统241
三、创建摩托车后悬挂243
四、创建摩托车路面和前后轮244
五、添加摩托车发动机、驾驶员和油箱物理属性245
六、路况行驶仿真245
七、发动机惯性激振力对摩托车的振动响应247
第三节汽车悬架系统仿真分析249
一、创建前悬架模型249
二、测试前悬架模型252
三、参数化前悬架模型262
四、定制界面266
五、优化前悬架模型271
参考文献275

主编杜静何玉林 参编金鑫杨仕刘成俊 主审何援军谭建荣