本书基于MATLAB编程训练,对CAD建模的基本理论进行介绍,同时结合CATIA
软件操作介绍其在工程中的应用。第1章,介绍CAD建模技术的发展历史;第2章,讲述工件的三维几何模型在计算机内存储的基本方式,包括基本原理、数据结构和典型存储方式(STL网格);第3~8章,讲述自由曲线曲面造型的相关理论和算法,并在每个算法后都给出了MATLAB程序;第9~11章,介绍特征建模、参数化建模的基本概念和CATIA软件的相关功能;附录,介绍MATLAB编程的入门知识。
本书既可以作为机械工程类专业本科高年级CAD课程的教材,也可以作为CAD、CAGD和计算机图形学领域学习者和研究者的参考书。
1. 编写背景
本书是为飞行器设计与制造专业的本科课程编写的,同时也适用于船舶、汽车及其他复杂外形工业产品的设计与制造的相关专业。它包含三个部分:CAD 建模基础理论、MATLAB编程实验和CATIA 软件相关功能的介绍。编者在CAD课程多年的教学过程中发现,仅仅讲述算法原理很难让学生理解,特别是机械类专业的学生,因为这类专业的学生在学习中很少接受数值计算类的思维训练和专业训练。因此,我们迫切需要一本把数值计算编程训练和CAD基础理论教学两个内容融汇在一起的教材,同时该教材也应该体现飞行器设计与制造专业的特点,这正是编写本书的初衷。
2. 基本内容
从各级各类学校开设的各种以CAD技术为主题的课程来看,我们认为其讲授内容可以分为两类:第一类是针对某一款软件(如CATIA、UG、Solidworks等)围绕本专业的应用需求讲述该软件的操作方法;第二类是讲述CAD建模的基本原理和基础技术,以便学生能初步具备CAD软件的研发能力和对CAD基础理论深入学习的能力。本教材面向的使用对象是第二类的学习者,但也可以作为所有CAD学习者的参考书。
本书论述的核心内容是经典自由曲线曲面造型理论,这部分内容也是CAGD(Computer Aided Geometric Design)的基础性内容。笔者认为,这种关于算法的学习内容具有很强的实践性,即需要学习者编程实现所学算法才能更好地理解这些算法,对于初学者更是如此。因此,本书在每个算法后均给出了其MATLAB语言程序,以供读者参考。这样,读者在学习CAD几何建模基础理论的同时,也学习了MATLAB语言,提高了自己的编程能力。
对应于罗列的几何建模基础理论,本书还介绍了CATIA 软件的相关功能,以便让读者体会到这些基础理论在CAD软件中的应用。与介绍专业CAD软件用法的书籍不同,本书对软件功能的介绍是围绕所罗列的基础理论进行的,目的是让读者根据软件操作更好地理解基础理论体系中的基本概念和算法。
3. 教学建议
本书的内容应该尽量在多媒体教室讲授。其中所有算例的计算结果(包括数据和图形)都应该尽量在教学现场实时产生,以便学生能亲眼目睹教师的操作,感受操作过程;对于涉及MATLAB内容较多的章节,不宜采用PowerPoint制作的幻灯片作为电子讲稿,编者建议学生直接阅读课本,听教师讲解其中的程序结构和语句,并观看教师的程序操作演示;学习本书的每个学生都应该在计算机上亲手演练其中的算例。在掌握和理解算法原理的基础上,要特别重视调试程序的技巧和方法。
全书的理论授课时间为28~36小时,教师编程辅导时间为8小时左右,学生独立编程训练时间不少于20小时。
课程考核以基础理论考试为主,学生须全面掌握这些基础知识,为后续学习打下基础。本书在有关自由曲线曲面造型内容的每章后给出了练习题,教师应让学生独立完成,使其把握基础理论的重点和相关解题方法。
4. 致 谢
为了编写本书,张丽艳、刘胜兰、张臣老师提供了他们多年教学用的幻灯片以及在教学过程中使用的相关资料,刘浩、刘胜兰和张臣老师拟定了本书的内容和章节安排,刘浩老师根据给定的章节安排对教学幻灯片和相关资料进行了分析和整理,重新编写了理论内容、MATLAB程序和CATIA
软件操作的内容。王小平老师对本书的内容进行了审校。本书的初稿先后在五年的教学中使用,并根据教学效果进行了修改和补充。在编写和修改的过程中,本课程的教师与学生以及其他相关课程的教师提出了宝贵意见。硕士研究生刘睿、刘磊对全书的内容进行了初步排版和查错。本书在编写过程中,先后得到江苏高校品牌专业建设工程资助项目(Top-notch Academic
Programs Project of Jiangsu Higher Education Institutions,英文简称:TAPP,项目号PPZY2015A021)、校级十三五重点教材建设项目、机电学院2017年课程与教材资源建设项目的支持。
感谢北京航空航天大学出版社对本书的支持! 北京航空航天大学出版社联合MATLAB中文论坛(http://www.iLoveMatlab.cn)为本书设立了在线交流板块,地址:http://www.ilovematlab.cn/forum-273-1.html欢迎广大读者在此交流! 编者会第一时间在MATLAB中文论坛勘误(地址http://www.ilovematlab.cn/thread-562063-1-1.html),也会根据读者要求陆续上传更多的示例程序和相关知识链接。希望这本不断成长的书能最大限度地解决您在学习、研究和工作中遇到的CAD几何建模算法和编程问题。
由于编者的阅历、水平和时间有限,书中难免有疏漏和不足之处,敬请广大读者不吝指正。
编 者
2018年9月
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