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书名：CAD/CAE/CAM方法与技术

书号：9787302217091

作者：杜平安、范树迁

定价：35元

出版日期：2010-3-1

出版社：清华大学出版社

内容简介

本书系统阐述了机械CAD/CAE/CAM的基础理论、基本方法、关键技术及其集成方法。全书共3篇14章，第1篇为CAD技术，第2篇为CAE技术，第3篇为CAM技术，书中以目前广泛应用的Pro/E、ANSYS、Mastercam为例，介绍了三种技术的一体化应用方法。

本书强调理论与应用相结合，既重视方法与理论体系的建立，同时结合CAD/CAE/CAM技术的最新发展动态，注重知识的先进性、新颖性和

可操作性。本书可作为高等院校机械类各专业的教材，也可供相关专业的工程技术人员参考。

前言

随着计算机科学技术的发展，CAD/CAE/CAM技术在产品研发过程中得到了广泛应用，使产品从设计、分析到制造的整个过程发生了深刻变化，极大地提高了产品质量和研发效率，已成为企业技术创新和开拓市场的重要技术手段。

本书系统介绍CAD/CAE/CAM的基础理论、基本方法、关键技术及其集成方法，强调三种技术的集成和综合应用。培养学生掌握CAD/CAE/CAM的方法体系和基本理论，掌握最新的CAD/CAE/CAM软件系统，以使学生具备产品研发的基本能力和技能。本书基础理论与应用技术并重，可操作性强，强调方法与技术的结合。本书既注重学生知识体系的建立，更重视应用技能的培养。

本书共3篇14章。第1篇介绍CAD技术，包括第2~6章，分别介绍CAD的基本概念和方法以及参数化建模技术、特征建模技术和装配建模技术，并介绍了Pro/E软件的基本功能和使用方法。第2篇介绍CAE技术，包括第7~10章，分别介绍有限元法的基本概念、原理和有限元建模方法，并介绍了ANSYS软件的基本功能和使用方法。第3篇介绍CAM技术，包括第11~13章，分别介绍数控技术基础和数控编程方法，并介绍了Mastercam软件的基本功能和使用方法。第1章是对CAD/CAE/CAM的总体介绍，第14章介绍了CAD/CAE/CAM的集成方法。

本书第1章由4位作者共同编写，第2~6章和第14章由范树迁编写，第7~9章由杜平安编写，第10章由刘建涛编写，第11~13章由葛森编写。杜平安负责全书的统稿。

电子科技大学王启美教授认真审阅了全书的内容，并提出了许多宝贵的修改意见，在此表示衷心感谢！

由于编者水平有限，书中难免存在不当之处，恳请读者批评指正！

编者

2009年12月

目录

目录

CONTENTS

第1章绪论

1.1产品开发过程

1.2CAD/CAE/CAM技术

1.3CAD/CAE/CAM的集成与一体化应用

1.4CAD/CAE/CAM的集成方法

1.5常见CAD/CAE/CAM系统

第1篇CAD技术

第2章CAD概论

2.1CAD概述

2.1.1CAD定义

2.1.2CAD技术的发展历程

2.1.3CAD系统的组成

2.2现代CAD的技术特征

2.2.1参数化建模技术

2.2.2基于特征的建模技术

2.2.3全数据相关技术

2.2.4智能导航技术

2.3三维造型基础

2.3.1几何造型方法

2.3.2实体表示方法

思考题

第3章参数化建模技术

3.1参数化建模概述

3.1.1参数化设计的约束

3.1.2参数化设计中的约束分类

3.2约束驱动的草图绘制

3.2.1草图的概述

3.2.2草图中的约束驱动与约束类型

3.2.3草图的绘制

3.3三维参数化设计

3.3.1参数化设计中的形状控制

3.3.2参数化设计方法

思考题

第4章特征建模技术

4.1特征概述

4.1.1广义特征

4.1.2特征的分类与表达

4.2特征建模

4.2.1参数化设计软件中的特征

4.2.2特征建模方法

4.3特征建模技术的应用

思考题

CAD/CAE/CAM方法与技术

目录

第5章装配建模

5.1装配建模概述

5.1.1装配建模原理

5.1.2装配建模方法

5.1.3装配建模的特点

5.1.4装配模型的表达

5.2装配约束分类

5.2.1匹配

5.2.2对齐

5.2.3插入

5.2.4相切

5.2.5坐标系

5.2.6线上点

5.2.7曲面上的点

5.2.8曲面上的边

5.2.9自动

5.2.10创建约束的注意问题

5.3零件的装配过程

5.3.1设置工作目录

5.3.2创建装配文件

5.3.3上板与下板的装配

5.3.4下板与螺栓的装配

5.3.5垫圈与螺栓、上板的装配

5.3.6螺母与螺栓、垫圈的装配

思考题

第6章CAD的应用

6.1Pro/E软件简介

6.1.1Pro/E的特点

6.1.2Pro/E的模块

6.1.3Pro/E的界面组成

6.2应用实例

思考题

第2篇CAE技术

第7章有限元法概论

7.1概述

7.2有限元法的基本概念

7.3有限元分析的基本过程

7.4有限元法的应用特点

7.5有限元法的应用

思考题

第8章平面问题有限元法

8.1弹性力学有关知识

8.1.1弹性力学中的物理量

8.1.2弹性力学基本方程

8.1.3平面问题

8.2平面问题的有限元法

8.2.1结构离散

8.2.2单元分析

8.2.3单元集成

8.2.4载荷移置

8.2.5约束处理

8.2.6求解线性方程组

8.2.7计算其他物理量

8.2.8计算结果处理

8.2.9结果显示、打印、分析

8.2.10小结

思考题

第9章有限元建模方法

9.1有限元建模概述

9.1.1有限元分析的三个阶段

9.1.2有限元建模的重要性

9.1.3有限元模型的定义

9.1.4有限元建模的基本原则

9.1.5有限元建模的一般步骤

9.2几何模型的建立

9.2.1几何模型的定义

9.2.2形状处理方法

9.3单元类型及单元特性

9.3.1单元类型

9.3.2单元形状

9.3.3单元特性

9.4网格划分方法

9.4.1网格划分原则

9.4.2网格划分方法

9.5边界条件定义

9.5.1位移约束

9.5.2载荷

思考题

第10章有限元法的应用

10.1有限元分析系统的发展与主要功能

10.1.1有限元分析软件的发展

10.1.2有限元分析系统的主要功能

10.2ANSYS简介

10.2.1ANSYS的技术特点

10.2.2ANSYS用户界面

10.2.3ANSYS文件概述

10.3ANSYS的主要功能

10.3.1ANSYS前处理模块（PREP7）

10.3.2ANSYS求解模块（Solution）

10.3.3ANSYS后处理模块（POST1和POST26）

10.4应用实例

10.4.1CAD系统的接口

10.4.2有限元网格划分

10.4.3边界条件定义

10.4.4有限元计算

10.4.5结果显示

第3篇CAM技术

第11章数控技术基础

11.1绪论

11.1.1发展历史

11.1.2数控机床的工作原理和组成

11.1.3数控机床分类

11.1.4数控机床特点与适用范围

11.2插补原理

11.2.1插补的基本知识

11.2.2逐点比较插补法

11.2.3数字积分插补法

思考题

第12章数控编程

12.1数控加工工艺分析

12.1.1数控机床坐标系

12.1.2刀具和切削用量的选择

12.1.3对刀点与换刀点的确定

12.1.4工序的划分及走刀路线的确定

12.1.5工艺文件的编制方法

12.2数控编程基础

12.2.1常用编程指令的应用

12.2.2数控加工编程的数值计算

12.2.3数控语言自动编程技术

12.2.4APT语言

12.2.5图形交互自动编程技术

12.2.6数控加工过程仿真与验证

12.2.7后置处理与DNC

思考题

第13章数控自动编程系统

13.1Mastercam系统简介

13.1.1Mastercam X的主要功能模块

13.1.2Mastercam X工作界面

13.1.3Mastercam数控编程的步骤

13.2Mastercam的共同参数

13.2.1设置加工工件毛坯

13.2.2设置加工刀具

13.2.3加工路径操作管理器

13.3二维铣削加工

13.4三维曲面加工

13.5综合加工实例

思考题

第14章CAD/CAE/CAM集成技术

14.1CAD/CAE/CAM集成

14.1.1CAD/CAE/CAM集成技术背景

14.1.2CAD/CAE/CAM集成的方式

14.1.3CAD/CAE/CAM集成中的产品数据交换标准

14.2CAD/CAE/CAM单元系统集成方法的应用

14.2.1Pro/E的集成方法

14.2.2ANSYS的集成方法

14.2.3Mastercam的集成方法

思考题

参考文献

部分章节

第

1章

绪论

1.1产品开发过程

产品开发过程大体分为设计、分析和制造三个主要环节，如图1?1所示。

图1?1产品开发过程

设计是对产品的功能、性能、材料等内容进行定义，其主要结果是对产品形状和大小的几何描述。传统设计的几何描述方式是工程视图，载体为图纸。现代设计的几何描述方式主要采用三维几何模型，载体为计算机。

分析是对产品的功能和性能进行预测和验证，以保证产品在制造以后能够实现预期功能和满足各种性能指标。分析是保证产品质量的重要环节，是评估设计方案、优化产品结构的重要手段。

制造是利用生产系统将设计结果转化为产品实物的过程，主要包括工艺设计、生产调度、加工、装配、检测等环节。

1.2CAD/CAE/CAM技术

计算机技术的发展推动了各个行业的信息化，制造业也不例外。CAD、CAE、CAM技术是分别支撑设计、分析和制造环节的信息化方法和手段，见图1?1。

1. CAD技术

CAD是计算机辅助设计(computer aided design)的简称，是利用计算机协助人进行设计的一种方法和技术。它用计算机代替传统的图板，充分借助计算机的高速计算、大容量存储和强大的图像处理功能分担人的部分劳动，以使设计者将主要精力集中于设计的创造性工作，从而大大提高设计效率。

早期CAD的概念比较广泛，主要包括图形表示、工程计算和设计管理等工作。图形表示描述产品的结构(形状和尺寸)，是CAD的基础和核心。工程计算是对产品性能进行分析，以保证产品质量。设计管理是对设计数据和过程进行信息化管理，以提高设计效率。随着计算机技术的深入研究和应用范围的不断拓宽，人们又将工程分析内容纳入CAE、把设计数据和过程管理纳入PDM(product data management)进行专门研究，所以CAD的内容主要集中在产品结构的图形表示方面。因此CAD系统的主要任务是建立产品的几何模型，内容包括模型的表示、建立、存储、变换、运算、显示等。

2. CAE技术

CAE是计算机辅助工程(computer aided engineering)的简称，是利用计算机从事工程分析的方法和技术。CAE实质上是一种数值计算方法，是在计算机上完成的“分析”，因此又称为数值仿真技术，其作用是预测产品性能，为产品结构优化提供依据和手段。

CAD/CAE/CAM方法与技术

第1章绪论

工程分析的内容很多，如产品的运动与动力学特性分析、强度与刚度分析、振动特性分析、热特性分析、电磁屏蔽特性分析等，而不同的内容基于不同的原理和数值方法，因此广义的CAE技术可能包括种类繁多的分析方法。有限元法作为一种有效的数值方法，可用于结构、流体、温度、电磁等物理场的分析，已在航空航天、汽车、机械、电子等行业得到广泛应用，成为目前应用最广的一种数值计算方法。因此，在软件业内CAE软件被很多人直接认为是有限元分析软件，或将有限元分析软件称为CAE软件。为此本书将介绍有限元法的基本原理和应用。

3. CAM技术

CAM是计算机辅助制造(computer aided manufacturing)的简称，是利用计算机协助人进行制造活动的一种方法和技术。广义的CAM是指利用计算机所完成的一切与制造过程相关的方法和技术，涵盖工艺设计、生产规划、制造执行等过程。由于这些环节又有专门的技术和方法，如计算机辅助工艺规划(CAPP)、企业资源规划(ERP)、制造执行系统(MES)等，因此目前广泛采用狭义的CAM概念。狭义的CAM是指利用计算机辅助完成零件数控加工程序的编制，主要内容包括工艺参数设置、加工方法选择、加工路径定义、加工过程仿真与碰撞检验、加工代码生成与后处理等。

1.3CAD/CAE/CAM的集成与一体化应用

图1?2CAD、CAE、CAM系统的关系

CAD、CAE、CAM是分别支撑设计、分析和制造环节的单元信息化技术，它们具有各自独特的功能，同时具有内在的联系。将CAD、CAE、CAM技术有机集成，实现三种技术的一体化应用，是进一步提高产品开发效率的有效途径。

在三种技术中，CAD系统提供产品的几何模型(包括零件模型和产品装配模型)，CAE系统基于几何模型定义分析模型(如有限元网格的自动划分)，CAM系统则利用几何模型定义刀具轨迹，因此几何模型是三者联系的纽带，如图1?2所示。

由图1?2可见，产品的几何模型是CAE、CAM系统工作的基础。如果三种系统彼此孤立(称为自动化孤岛)，CAE、CAM系统在工作之前势必重新建立几何模型，这就会造成大量重复劳动，从而降低产品开发效率。因此人们自然希望CAD系统产生的几何模型能为CAE、CAM系统所重用，即CAD模型能够完整地自动传送到CAE、CAM系统，这种自动传送的机制就是CAD/CAE/CAM的集成方法。

对于集成的CAD/CAE/CAM系统，几何模型能在三种系统之间自动传送和共享，因此设计、分析、制造过程能够有机联系在一起。设计结果很快能得到分析和制造工艺的验证，分析结果也能及时指导设计方案的修改，因此形成了以几何模型为中心的CAD/CAE/CAM一体化应用。

对于Pro/E、I?DEAS、UG、CATIA等集成化应用软件，其内部本身包括设计、分析和制造功能，三种活动可以在统一的平台下同时运行，且内部统一的数据结构保证了设计数据、分析数据和制造数据的一致性和相关性，因此保证了三种过程的联动。即设计数据的更改会自动影响分析模型和制造数据，同时分析、制造环节对设计数据的修改也会自动反映到设计模型，这种产品数据的全相关性是实现网络环境下并行设计的基础。

1.4CAD/CAE/CAM的集成方法

CAD/CAE/CAM集成的关键是CAD、CAM、CAE各系统之间的信息自动交换与共享。集成化的CAD/CAE/CAM系统借助于工程数据库技术、网络通信技术以及标准格式的产品数据接口技术，把分散于不同机型的各个CAD、CAE、CAM子系统高效、快捷地集成起来，实现软、硬件资源共享，保证整个系统内信息的流动畅通无阻。

CAD/CAE/CAM系统的数据交换和集成方法通常有松散集成方法、中性文件集成方法以及共享数据库集成方法，每种方法在系统集成技术的应用和发展过程中都具有重要的作用。

松散集成方式也称接口集成方式，是指各系统建立的产品模型各不相同，相互间的数据交换需要在每两个系统间建立专用的一对一接口进行数据格式转换。

中性文件集成方式是指存在一个与各系统无关的中性文件格式(如IGES、STEP等规范文件格式)，各系统的数据均转变成标准格式的中性文件，每个系统只与标准格式文件有关，而与其他系统的细节无关。

共享数据库方式是指各个系统在一个统一的产品数据模型指导下，通过数据库存取接口在集成的产品数据库内存取各种产品数据，同一对象的数据在数据库中只存在一份，各系统对它操作的一致性由数据库保证。

详细的集成方法介绍请见第14章。

1.5常见的CAD/CAE/CAM系统

CAD/CAE/CAM技术已诞生了半个多世纪，随着计算机技术的飞速发展，CAD/CAE/CAM技术也得到了快速发展。特别是进入20世纪90年代以来，三维CAD技术、具有自动分网功能的有限元分析技术、图形化NC编程技术得到广泛应用，涌现了一批功能强大的CAD/CAE/CAM系统，推动了CAD/CAE/CAM技术进入了一个新的技术水平和应用阶段。

目前全球有很多商业化的CAD/CAE/CAM系统，它们具有各自的技术特点和优势，并在不同行业都得到应用。从功能角度来看，这些系统可以分为两类。

一类是以单一功能为主的CAD、CAE或CAM系统，如AutoCAD、SolidEdge、SolidWorks等主要以设计为主，ANSYS、MSC/Nastran、ABAQUS等为专业有限元分析软件，Mastercam则主要面向制造。这类系统的特点是专业化强、功能突出，特别是专业有限元分析软件的分网和计算能力很强。

另一类为集成的CAD/CAE/CAM软件系统，如Pro/E、I?DEAS、UG、CATIA等，这类软件以设计功能为主，集成了部分分析和制造功能。其特点是几种功能统一在同一软件平台下，各类数据传输方便，功能无缝集成，易于实现设计、分析和制造的并行，但分析和制造功能不及专业软件强。

表1?1列出了目前世界上常见的CAD/CAE/CAM系统。

表1?1常见的CAD/CAE/CAM系统

系统名称开发公司类别特点

Pro/E美国PTC公司集成化应用软件率先推出参数化设计技术，设计以参数化为特点，基于特征的参数化设计功能，大大提高了产品建模效率。兼有有限元分析和NC编程功能，但分析能力一般

UG美国UGS公司(现被西门子公司收购)集成化应用软件采用将参数化和变量化技术与实体、线框和表面功能融为一体的复合建模技术，有限元分析功能需借助专业分析软件的求解器，CAM专用模块的功能强大

CATIA法国DS公司与美国IBM公司集成化应用软件率先采用自由曲面建模方法用于三维复杂曲面建模，其加工编程方面极具优势，有限元分析功能需借助专业分析软件的求解器

I?DEAS美国SDRC公司(被UGS公司收购，UGS现被西门子公司收购)集成化应用软件采用业界最具革命性的VGX超变量化技术，率先推出主模型技术实现设计、分析与制造环节的无缝集成，在CAD/CAE/CAM一体化技术方面一直居世界首位

SolidWorks美国SolidWorks公司集成化应用软件具有特征建模功能，自上而下和自下而上的多种设计方式； 可动态模拟装配过程，在装配环境中设计新零件； 兼有有限元分析和NC编程功能，但分析和数控加工能力一般

续表

系统名称开发公司类别特点

ANSYS美国ANSYS公司专业有限元分析软件可进行多场和多场耦合分析，包括结构、电磁、热、声、流体等物理场特性的计算，是目前应用非常广泛的一种通用有限元分析软件

Nastran美国MSC公司专业有限元分析软件采用模块化组装方式，不但拥有很强的分析功能，而且具有较好的灵活性, 用户可根据自己的工程问题和系统需求，通过模块选择、组合获取最佳的应用系统。不但适用于中小型项目，对于处理大型工程问题也同样非常有效，已成功地解决了超过5000000自由度以上的实际问题

ABAQUS美国ABAQUS公司专业有限元分析软件广泛应用于非线性及线性结构的数值计算，解题范围广泛而深入。但对使用者的理论基础和物理现象认识要求较高

LS?DYNA美国LSTC公司专业有限元分析软件世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟各种复杂问题，可求解二维、三维结构的高速碰撞、爆炸和金属成形等非线性动力冲击问题，同时可求解传热、流体及流固耦合问题

ADINA美国ADINA R&D公司专业有限元分析软件适用于机械、土木建筑等众多领域，可进行结构强度设计、可靠性分析评定、科学前沿研究，其非线性问题稳定求解、多物理场仿真等功能一直处在全球领先地位

ALGOR美国ALGOR公司专业有限元分析软件大型通用工程仿真软件，用于各行业的设计、有限元分析、机械运动仿真。在汽车、电子、航空航天、医学、日用品生产、军事、电力系统、石油、大型建筑以及微电子机械系统等领域中均有广泛应用

ProCAST美国USE公司专业有限元分析软件采用有限元方法对铸件充型、凝固和冷却过程中的流场、温度场、应力场进行模拟分析

AutoCAD美国AutoDesk公司专业CAD

软件二维绘图功能强大，是应用最早的二维CAD软件。目前在全球应用非常广泛，在国内拥有巨大的用户群

SolidEdge美国EDS公司专业CAD软件独有的内置PDM系统使设计者的工作效率大大提高； 拥有目前业界公认的最出色的钣金设计模块和一套优秀高效的完整解决方案； 专业化的设计环境使软件易学易用，且具有简单的动静态分析功能

ADAMS美国Mechanical Dynamics 公司专业数值仿真软件集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件，是目前世界上使用最多的机械系统仿真分析软件，可产生复杂机械系统的虚拟样机，真实仿真其运动过程，并快速分析比较多参数方案，以获得优化的工作性能，从而减少物理样机制造及试验次数，提高产品质量并缩短产品研制周期

Mastercam美国CNC公司CAD/CAM软件具有强劲的曲面粗加工及灵活的曲面精加工功能，提供了多种先进的粗加工技术。多轴加工功能为零件加工提供了更多的灵活性，刀具路径校验能模拟零件加工的整个过程，模拟中不但能显示刀具和夹具，还能检查刀具和夹具与被加工零件的干涉、碰撞情况

CAD实质上是将设计意图转化为计算机表示的可视化模型方法，其作用是表达工程产品的外形结构，为产品评估、分析和制造提供依据。

工程设计的内容很多，如建筑设计、机械产品设计、电路设计等。本篇将介绍用于机械产品零部件设计的CAD的基本原理和方法。

第

2章

CAD概论

2.1CAD概述

2.1.1CAD定义

CAD是计算机辅助设计的简称，是利用计算机协助人进行设计的一种方法和技术。它用计算机代替传统的图板，充分借助计算机的高速计算、大容量存储和强大的图像处理功能分担人的部分劳动，以使设计者更多地将主要精力集中于创造性工作上。

尽管现代CAD系统具有一定智能(实际上是人灌输的)，能对设计起一定参谋作用，但毕竟产品类型千变万化，要用计算机完全代替人而独立从事设计是不可能的。因此，在CAD中“人”仍然是设计的主体，而“计算机”仅是一种设计工具，其作用是帮助人更好、更快地完成设计，而不是用计算机取代人。所以“辅助(aided)”一词对人和计算机的地位作了明确界定。

1. 广义CAD

根据上述描述，在产品设计过程中凡是利用计算机所完成的工作均可视为CAD，这是CAD的广义概念。它主要包括图形表示、工程计算和设计管理三类工作。图形表示描述产品结构(形状和尺寸)，是CAD的基础和核心。工程计算是对产品性能进行分析，以保证产品质量和性能。设计管理是对设计过程和数据进行管理，以提高设计效率。

2. 狭义CAD

随着计算机应用技术的研究不断深入和应用范围的拓宽，人们将工程分析内容纳入CAE技术，把设计过程和数据的管理纳入PDM技术进行专门研究，所以CAD的概念缩小到了产品结构的图形表示方面。由于方案对产品的重要性，人们又专门开展了概念设计的研究，形成了概念设计方法和技术，即计算机辅助概念设计(computer aided conceptual design，CACD)。但严格来讲，CACD仍属于图形表示范畴，可作为CAD的一个分支。目前狭义的CAD主要是指产品的几何建模及其相关技术，即如何在计算机中描述产品的形状和大小。现有集成软件(如I?DEAS、UG)也都是按这种定义进行模块划分的。

广义和狭义CAD的定义如图2?1所示。

图2?1广义和狭义CAD的定义

为突出重点，本书采用了狭义CAD概念，介绍的内容也限于这方面。

从技术原理出发，CAD是一种方法，它具有完整的理论支撑体系，计算机图形学、计算机辅助几何设计(computer aided geometric design， CAGD)、数据库理论是其重要的理论基础。从工程应用角度来看，CAD是一种技术，是支撑设计的一种手段，要实现这种技术需要计算机硬件和软件的支撑。本书是为大专院校的机械工程专业学生提供教学参考书，因此在内容取舍上主要考虑应用层面的技术实用性，在底层原理性的理论推导方面未作深入介绍。

2.1.2CAD技术的发展历程

CAD/CAE/CAM方法与技术

第2章CAD概论

在CAD发展初期，其含义仅仅是图板的替代品，即computer aided drawing(或 drafting)，而不是computer aided design。

早期，CAD技术以二维绘图为主要目标，这一状况一直持续到20世纪70年代初期，而此后二维绘图作为CAD技术的一个分支而相对独立、平稳地发展，现在有许多设计工作仍然在二维系统中进行，常见的如AutoCAD、CAXA电子图板、开目CAD等。实际上，在今天的CAD用户中，特别是入门级的CAD用户中，二维绘图仍然占有相当大的比重。

CAD的发展历程可以根据四次重大技术革命划分。

1. 贵族化的曲面造型系统

20世纪60年代出现的三维CAD系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAM及CAE均无法实现。