2.1 现代设计技术的内涵与体系结构

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1、第 二 章2021/6/16 1现 代 设 计 技 术 、 先 进 制 造 工 艺 、加 工 自 动 化 技 术 、 先 进 制 造 生 产 模 式 、现 代 生 产 管 理 技 术 。第 二 章2021/6/16 2第 二 章 现 代 设 计 技 术2.1 现 代 设 计 技 术 的 内 涵 与 体 系 结 构2.2 计 算 机 辅 助 设 计 (CAD)技 术2.3 有 限 元 分 析2.4 现 代 设 计 方 法第 二 章2021/6/16 3第 二 章 现 代 设 计 技 术2.1 现 代 设 计 技 术 的 内 涵 与 体 系 结 构2.2 计 算 机 辅 助 设 计 (CAD)技

2、术2.3 有 限 元 分 析2.4 现 代 设 计 方 法第 二 章2021/6/16 42.1 现 代 设 计 技 术 内 涵 与 体 系 结 构2.1.1 机 械 设 计 发 展 的 基 本 历 程2.1.2 现 代 设 计 技 术 的 内 涵 和 特 点2.1.3 现 代 设 计 技 术 体 系 结 构 第 二 章2021/6/16 5 (1).设 计 、 设 计 技 术 的 定 义设 计 技 术设 计第 二 章2021/6/16 6第 二 章2021/6/16 7动 态 、 科 学 、 主 动 、 现 代 方 法 和 手 段传 统 设 计 技 术 的 继 承 和 发 展 ， 多 专 业

3、和 多 学 科 交 叉 ， 综 合 性 技 术 。现 代 设 计技 术静 态 、 经 验 、 被 动 、 手 工传 统 设 计技 术第 二 章2021/6/16 8（ 3 ） .现 代 设 计 技 术 的 特 点1. 产 品 结 构 分 析 的 定 量 化 ；2. 产 品 工 作 状 态 分 析 的 动 态 化 ；3. 产 品 质 量 分 析 的 可 靠 化 ；4. 产 品 设 计 结 果 的 最 优 化 ；5. 产 品 设 计 过 程 的 高 效 化 和 自 动 化 。引 入 有 限 元 及 边 界 元方 法 ， 实 现 对 任 何 产品 的 定 量 化 分 析利 用 理 论 及 测 试 数

4、 据建 造 与 实 际 工 况 相 符合 的 数 学 模 型 ， 通 过计 算 机 分 析 计 算 ， 预测 产 品 的 动 态 性 能 和改 进 效 果把 零 部 件 或 整 机 中 各种 具 有 离 散 性 的 性 能及 参 数 均 视 为 随 机 变量 。 基 于 概 率 论 建 造模 型 并 进 行 分 析 计 算 ，从 而 定 量 地 作 出 产 品质 量 的 可 靠 性 预 测根 据 产 品 的 设 计 目 标 、性 能 及 要 求 构 造 数 学模 型 ， 应 用 数 学 规 划理 论 和 数 值 计 算 方 法 ，通 过 计 算 机 求 得 最 优化 结 果教 会 计 算 机

5、， 让 计 算机 完 成 设 计 过 程 的 高效 化 和 自 动 化第 二 章2021/6/16 9主 体 技 术基 础 技 术支 撑 技 术应 用 技 术 传 统 设 计 理 论与 方 法各 产 品 领 域 知 识 与 技 术计 算 机 辅 助 设 计 技 术现 代 设 计 方 法 学可 信 性 设 计 技 术设 计 试 验 技 术相关学科与技术先 进 制 造 工 艺材 料 科 学自 动 化 技 术系 统 管 理 技 术自 然 科 学政 治 经 济文 化 社 会 科 学市 场 营 销 学 . 现 代 设 计 技 术 体 系 结 构 框 图（ 4） . 现 代 设 计 技 术 体 系现 代

6、设 计 技 术 由 4个 不 同 层 次 的 技 术 所 组 成 ， 计 算 机 辅 助 设 计 技 术 CAD是现 代 设 计 技 术 的 主 体 技 术CAD技 术 、 优 化 设 计 、 有 限 元 分 析 、虚 拟 设 计 和 工 程 数 据 库 。系 统 设 计 、 模 块 化 设 计 、 反 求 工程 、 绿 色 设 计 、 模 糊 设 计 和 工 业设 计 等 。 可 靠 性 设 计 、 安 全 性 设 计 、 动 态设 计 、 疲 劳 设 计 、 耐 腐 蚀 设 计 、健 壮 设 计 和 人 机 工 程 设 计 等 。产 品 的 性 能 试 验 、 可 靠 性 试 验 、数 字

7、 仿 真 试 验 和 虚 拟 试 验 等 。第 二 章2021/6/16 10第 二 章2021/6/16 11第 二 章2021/6/16 12第 二 章2021/6/16 13 是 以 计 算 机 为 工 具 ， 处 理 产 品 设 计 过 程 中 的 图形 和 数 据 信 息 ， 辅 助 完 成 产 品 设 计 过 程 的 综 合 计算 机 应 用 技 术2.2.1 计 算 机 辅 助 设 计 的 基 本 概 念计 算 机 辅 助 设 计 概 念2.2 计 算 机 辅 助 设 计 （ CAD） 技 术第 二 章2021/6/16 14 零 件 造 型 、 产 品 装 配 、 工 程 图

8、绘 制 、 文 档 设 计 产 品 渲 染 、 动 态 显 示 工 程 分 析 ， 如 有 限 元 分 析 、 优 化 设 计 、 可 靠 性设 计 、 运 动 学 及 动 力 学 仿 真2.2.1 计 算 机 辅 助 设 计 的 基 本 概 念CAD技 术 主 要 功 能第 二 章2021/6/16 15第 二 章2021/6/16 163DMAX第 二 章2021/6/16 17第 二 章2021/6/16 182.2.2 计 算 机 辅 助 设 计 的 产 生 背 景第 二 章2021/6/16 191、 产 品 造 型 建 模 技 术 线 框 模 型 ： 以 顶 点 和 棱 边 描 述

9、 三 维 形 体 ， 为 两 表 结 构 ； 表 面 模 型 ： 以 表 面 描 述 形 体 方 法 ， 为 三 表 结 构 ； 实 体 建 模 ： 能 完 整 表 示 三 维 的 几 何 信 息 和 拓 扑 信 息 ， 有 扫 描 表 示 法 、 边 界 表 示 法 、 构 造 实 体 几 何 法 等 结 构 形 式 ； 特 征 模 型 ： 以 具 有 工 程 语 义 的 各 类 特 征 来 定 义 描 述 形 体的 方 法 ， 便 于 CAD/CAM技 术 的 集 成 。2、 单 一 数 据 库 与 相 关 性 设 计单 一 数 据 库 ： 与 设 计 相 关 数 据 来 自 同 一 数

10、据 库 ， 实 现 产 品相 关 性 设 计 ， 提 高 设 计 质 量 ， 缩 短 开 发 周 期 。相 关 性 设 计 ： 任 何 设 计 改 动 ， 都 将 及 时 反 映 到 其 它 相 关 环节 上 。 如 ： 零 件 图 -产 品 装 配 图 -零 件 数 控 程 序 -二 维 工 程 图 ；左 视 图 -主 视 图 -俯 视 图 -三 维 实 体 模 型 ；特 征 建 模第 二 章2021/6/16 203、 NURBS曲 面 造 型 技 术 NURBS（ Non-Unifrom Rational B-Splines） 可 统 一 自 由 曲 线 /曲 面和 规 则 曲 线 /曲

11、 面 的 数 学 模 型 ， 简 化 系 统 结 构 ， 有 利 于 曲 线 、 曲 面 操 作和 修 改 。4、 CAD与 CAX集 成 技 术 CAD与 CAX集 成 涉 及 建 模 技 术 、 工 程 数 据 管 理 、 数 据 交 换 接 口 等 技术 。 包 括 如 下 集 成 ： CAD/CAE/CAPP/CAM-工 程 设 计 领 域 集 成 ； CAD/ERP-与 管 理 系 统 集 成 ； 异 地 、 异 构 系 统 企 业 间 CAD集 成 ， 如 全 球 化 设 计 、 虚 拟 设 计 、 虚拟 制 造 及 虚 拟 企 业 等 。5、 标 准 化 技 术 目 的 ： 支

12、持 异 构 、 跨 平 台 的 工 作 环 境 。 如 ： IGES（ Initial Graghical Exchange System)图 形 交 换 标 准 ； STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)产 品 数 据 模 型 交 换 标 准 。第 二 章2021/6/16 21计 算 机 辅 助 产 品 的 概 念 设 计 难 题 ： 建 模 和 推 理计 算 机 支 持 的 协 同 设 计 难 题 ： 信 息 实 时 可 靠 交 换 ； 异 构 环 境 下 可 靠 运 行 ； 通 讯 方 法 与 手段海 量 信 息 处

13、理 存 储 、 管 理 和 检 索 技 术 智 能 CAD技 术 ： 将 人 工 智 能 技 术 与 CAD技 术 融 为 一 体 ， 难 题 ： 解 决 人类 思 维 模 型 建 立 和 表 达 CAD与 虚 拟 现 实 （ VR） 技 术 的 集 成 VR向 设 计 者 提 供 视 觉 、 听 觉 、 触 觉 等 直 观 、 自 然 、 实 时 的 感 知 ，目 前 VR所 需 软 硬 件 价 格 昂 贵 ， 技 术 开 发 难 度 大计 算 机 安 全 技 术 保 密 ， 防 病 毒 感 染第 二 章2021/6/16 22多 用 途 车 概 念 设 计 基 本 结 构 平 台多 用 途

14、 车 概 念 设 计 矿 山 运 输 车多 用 途 车 概 念 设 计 油 罐 车多 用 途 车 概 念 设 计 集 装 箱 运 输 车第 二 章2021/6/16 23装 甲 车 辆 概 念 设 计第 二 章2021/6/16 24机 车 概 念 设 计第 二 章2021/6/16 25第 二 章2021/6/16 26 建 立 物 理 问 题 的 数 学 方 程 和 寻 求 所 建 立 方 程 的 解 算 方 法 是 数 学 、 物 理界 最 主 要 的 工 作 之 一 。 有 限 元 法 是 求 解 微 分 方 程 的 一 种 数 值 方 法 。 微 分 方 程 的 重 要 性 决 定

15、了 有 限 元 的 理 论 及 工 程 意 义 。一 元 N次 方 程（ 直 接 求 解 、数 值 迭 代 ） 常 微 分 方 程（ 直 接 积 分 ， Euler法 ，Runge-Kutta法 ， 差 分 法 ） 偏 微 分 方 程（ 差 分 法 ， 边 界 元 法 ， Ritz法 ， Galerkin法 ,有 限 元 法 ) .方 程 （ 解 法 ）第 二 章2021/6/16 27有 限 元 法 有 限 元 法 FEM（ Finite Element Method） 一 种 求 解 工 程 数 学 物 理问 题 近 似 解 的 数 值 分 析 方 法 ， 有 限 元 分 析 FEA（ F

16、inite Element Analysis） 则 是 采 用 有 限 元 法 来 近 似 求 解 数 学 物 理 问 题 的 过 程 。 有 限 元 法 的 基 本 思 想 是 将 物 体 （ 即 连 续 求 解 域 ） 离 散 成 有 限 个 且按 一 定 方 式 相 互 连 接 在 一 起 的 单 元 组 合 ， 来 模 拟 或 逼 近 原 来 的 物 体 ，从 而 将 一 个 连 续 的 无 限 自 由 度 问 题 简 化 为 离 散 的 有 限 自 由 度 问 题 进 行求 解 。第 二 章2021/6/16 28性 能 仿 真 分 析 发 动 机 热 力 循 环 仿 真 模 型 动

17、 力 传 动 系 统 模 型 结 构 参 数 、 计 算 参 数 求 解 各 构 件 转 速 仿 真 结 果 外 加 激 励 、 计 算 参 数 第 二 章2021/6/16 29运 动 学 动 力 学 仿 真 分 析 活 塞 运 动 规 律 活 塞 侧 击 力 曲 线 发 动 机 输 出 扭 矩 曲 线 某 型 号 发 动 机 运 动 学 动 力 学 仿 真 模 型 第 二 章2021/6/16 30结 构 分 析 三 维 实 体 模 型 网 格 模 型 及 主 应 力 分 析 结 果 三 维 实 体 模 型 网 格 模 型变 形 结 果曲 轴 连 杆 应 力 变 化第 二 章2021/6/

18、16 31机 床 动 刚 度 分 析 位 移 云 图x y z zy x第 二 章2021/6/16 32齿 轮 接 触 应 力 分 析第 二 章2021/6/16 33流 体 动 力 学 分 析 双 层 水 腔 气 缸 盖 的 三 维 实 体 模 型 双 层 水 腔 气 缸 盖 的 水 流 计 算 网 格 冷 却 水 流 入 口 流 量 对 冷 却 效 果 影 响 的 规 律 曲 线 气 缸 盖 温 度 分 布 图 冷 却 水 流 涡 流 分 布 图 冷 却 水 流 的 总 压 力 分 布 图 冷 却 水 流 的 速 度 矢 量 分 布 图 Gulf 球 头 的 流 体 分 析 仿 真第 二

19、 章2021/6/16 34热 分 析 第 二 章2021/6/16 35马 蹄 形 磁 铁 的 磁 场 有 限 元 分 析 汽 车 磁 场 分 布 分 析 图第 二 章2021/6/16 36PAM-CRASH分 析 轿 车 安 全气 囊 轿 车 侧 撞 有 限 元 仿 真 模 拟 之 一轿 车 侧 撞 有 限 元 仿 真 模 拟 之 二轿 车 侧 撞 有 限 元 仿 真 模 拟 之 三 汽 车 碰 撞第 二 章2021/6/16 37多 物 理 场 耦 合 仿 真 双 层 水 腔 气 缸 盖 三 维 模 型 双 层 水 腔 气 缸 盖 水 流 计 算 网 格 模 型 气 缸 盖 温 度 场

20、 分 布 图 气 缸 盖 实 体 模 型 单 缸 预 紧 工 况 下 耦 合 分 析 结 果 单 缸 爆 发 工 况 下 耦 合 分 析 结 果 第 二 章2021/6/16 38控 制 系 统 仿 真 分 析 第 二 章2021/6/16 39制 造 系 统 仿 真 分 析 缸 盖 仿 真 铸 型 缸 盖 型 腔 网 格 模 型 充 型 过 程 温 度 场 温 度 梯 度 场 铸 造 过 程 模 拟冲 压 仿 真 铸 件 凝 固 过 程 的 仿 真冲 压 有 限 元 仿 真 模 拟第 二 章2021/6/16 40第 二 章2021/6/16 41第 二 章2021/6/16 42第 二 章

21、2021/6/16 43机 构 分 析 、 虚 拟 样 机 仿 真 采 用 机 构 运 动 学 和 动 力 学 分 析 ， 计 算 运 动 件 运 动 历 程 和 运 动 副力 传 递 历 程 。 进 行 多 体 系 统 分 析 ， 考 虑 结 构 件 的 柔 度 和 阻 尼 等 条 件 。 根 据 工 作 过 程 动 态 模 拟 ， 进 行 装 配 干 涉 分 析 。 第 二 章2021/6/16 44发 动 机 运 动 件 模 拟控 制 机 构 运 动 分 析发 动 机 工 作 过 程 仿 真第 二 章2021/6/16 45加 工 与 成 形 过 程 建 模 和 仿 真 加 工 过 程

22、的 建 模 和 仿 真 目 前 应 用 最 多 的 是 切 削 加 工 过 程 的 运 动学 仿 真 ， 主 要 用 于 刀 具 路 径 轨 迹 规 划 和 运 动 过 程 的 干 涉 检 测 ， 很 多商 品 化 如 Rro-E、 UG等 CAD软 件 都 提 供 了 该 项 功 能 ； 为 了 实 现 对 加 工 过 程 的 动 力 学 仿 真 和 精 度 仿 真 ， 需 要 针 对 不 同 切削 加 工 方 法 ， 如 车 、 铣 、 钻 、 镗 等 ， 建 立 由 相 应 机 床 、 刀 具 、 工 装 、工 件 等 组 成 的 切 削 系 统 动 力 学 模 型 及 误 差 分 析

23、模 型第 二 章2021/6/16 46刀 具 路 径 轨 迹 规 划 垂 直 进 刀 步 进 进 刀 斜 线 进 刀 之 字 形 进 刀 螺 旋 进 刀 不 同 的 切 入 方 式以 被 加 工 件 曲 率 为 依 据 ， 以 走 刀 路径 最 大 长 度 为 目 标 的 刀 具 路 径 优 化 刀 具 路 径 速 度 变 化 图 不 同 层 之 间 切 削 刀具 以 螺 旋 方 式 运 动 第 二 章2021/6/16 47 车 削 成 形 过 程 的 仿 真 可 对 切 削 力 、 切 削 温 度 进 行 预 测 ，基 于 ALE方 法 的 模 型 对 切 削 力 的 预 测 误 差 在

24、 10 以 内 第 二 章2021/6/16 48高 速 切 削 过 程 的 变 形 仿 真第 二 章2021/6/16 49第 二 章2021/6/16 50第 二 章2021/6/16 51第 二 章2021/6/16 52第 二 章2021/6/16 53第 二 章2021/6/16 54测 量 技 术第 二 章2021/6/16 55点数据处理过程第 二 章2021/6/16 56曲线处理过程第 二 章2021/6/16 57曲面处理过程第 二 章2021/6/16 58第 二 章2021/6/16 59第 二 章2021/6/16 60第 二 章2021/6/16 61三 维 扫 描

25、 仪 对 物 体 多 方 位 多角 度 进 行 拍 摄 利 用 被 测 物 体 表 面 的 特 征点 或 者 标 记 点 自 动 拼 接 后获 得 的 完 整 点 云 数 据 经 过 对 原 始 数 据 进 行 除噪 、 取 样 后 获 得 高 质 量的 点 云 数 据从 点 云 数 据 中 提 取 特 征线 、 边 界 线 逆 向 软 件 中 建 成模 型 在 逆 向 件 中 数 模 对 比 分 析 ，检 验 产 品 第 二 章2021/6/16 62第 二 章2021/6/16 63第 二 章2021/6/16 64第 二 章2021/6/16 65绿 色 设 计第 二 章2021/6/1

26、6 66第 二 章2021/6/16 67优化设计步骤 第 二 章2021/6/16 68（ 1） 设 计 变 量 设 计 变 量 的 不 同 参 数 表 示 不 同 的 设 计 方 案 。 设 计 变 量 必 须 是 一 组 相 互 独 立 的 变 量 ， 将 其 表 示成 X， 即 ： X=（ x1,x2, ,xn)T 其 中 n是 设 计 变 量 的 个 数 ， 也 称 为 维 数 。 设 计 变 量 的 取 值 ： 一 是 连 续 变 化 量 ， 另 一 是 离 散量 比 如 齿 轮 的 模 数 。 由 n个 设 计 变 量 所 组 成 一 个 向 量 空 间 ， 称 之 为 设计 空

27、 间 。 第 二 章2021/6/16 69N=1, 设 计 空 间 为 一 根 实 数 轴 ， 称 为 一 维 优化 问 题N=2, 设 计 空 间 为 一 平 面 ， 称 为 二 维 优化 问 题N=3, 设 计 空 间 为 三 维 立 体 ， 称 为 三 维 立体 。N3, 设 计 空 间 为 超 越 空 间 。一 个 设 计 方 案 相 当 于 设 计 空 间 中 的 一 个 点 。第 二 章2021/6/16 70（ 2） 目 标 函 数 每 一 个 设 计 问 题 ， 都 有 一 个 或 多 个 设 计 中 所 追求 的 目 标 。 用 设 计 变 量 的 函 数 来 表 示 。

28、目 标 函 数 是准 则 性 函 数 ， 又 称 为 评 价 函 数 。 可 表 示 为 ：F(X)=F(x1,x2,xn)T 优 化 设 计 的 目 的 ： 按 要 求 选 择 所 需 的 设 计 变 量 ，使 目 标 函 数 达 到 最 佳 值 。 最 佳 值 可 能 是 极 大 值 ，也 可 能 是 极 小 值 。 如 求 产 值 最 大 、 效 率 最 高 等 问题 ， 属 于 求 极 大 值 问 题 ，maxF(X)第 二 章2021/6/16 71 产 品 的 重 量 最 轻 、 成 本 最 低 等 问 题 ， 即 为求 目 标 函 数 的 极 小 值 问 题 ， 属 于 求 目

29、标 函 数 的极 大 值 问 题 ， 记 为 minF(X) 为 了 优 化 算 法 与 处 理 程 序 的 统 一 ， 可 将 目标 函 数 均 规 格 化 为 求 极 小 化 问 题 ， 即 minF(X)=-maxF(X)或 mixF(x)=1/maxF(X)第 二 章2021/6/16 72(3)设 计 约 束 与 可 行 域 优 化 设 计 不 仅 要 使 所 选 择 方 案 的 设 计 指 标 达到 最 佳 值 ， 同 时 还 必 须 满 足 一 系 列 的 附 加 设 计 条件 ， 这 些 附 加 设 计 都 构 成 对 设 计 变 量 取 值 的 限 制 ，在 优 化 设 计

30、中 被 称 为 设 计 约 束 。设 计 约 束 有 两 种 ： 一 种 是 不 等 式 约 束 ， 另 一 种 是等 式 约 束 。 不 等 式 约 束 形 式 ： gu(x)=0 等 式 约 束 形 式 ： hv(x)=0第 二 章2021/6/16 73 由 于 设 计 约 束 的 存 在 ， 在 整 个 设 计空 间 范 围 内 被 分 为 可 行 域 和 非 可 行 域 两个 不 同 的 区 域 。 g（ X） =0g（ X） 0g（ X） 0 非 可 行 域可 行 域x1x20约 束 变 量 影 响 设 计 空 间 可 行 域 第 二 章2021/6/16 74第 二 章2021/

31、6/16 753） 优 化 设 计 的 步 骤第 二 章2021/6/16 76常 用 优 化 求 解 方 法第 二 章2021/6/16 77第 二 章2021/6/16 78 BDxx21X设 计 变 量 ：确 定 目 标 函 数 ： DBHLDBWXF 0578.02min 22 第 二 章2021/6/16 79 033 13 xBXg 088 14 xBXg 02525 25 xDXg 06060 26 xDXg 强 度 约 束 条 件 压 应 力 不 大 于 屈 服 极 限 s： 稳 定 性 约 束 条 件 压 应 力 不 大 于 压 杆 稳 定 的 临 界 应 力 k： 边 界

32、约 束 条 件 限 制 尺 寸 取 值 的 约 束 条 件 ： 确 定 约 束 条 件求 解 结 果 ： B=4mm, D=44.4mm W=10.26KgsDBHHLP 22 035062152)( 211 xxXg)(8 )( 22 222 HL HDEk 0189.062152)( 2221212 xxxxXg第 二 章2021/6/16 80第 二 章2021/6/16 81第 二 章2021/6/16 82 。第 二 章2021/6/16 83 第 二 章2021/6/16 84：第 二 章2021/6/16 85 从 产 品 功 能 考 虑 从 产 品 成 本 考 虑 ： 从 企

33、业 外 部 环 境 考 虑第 二 章2021/6/16 86本 章 小 结 从 系 统 工 程 的 观 点 分 析 ， 现 代 设 计 技 术 是 一 个 由 时 间维 、 逻 辑 维 和 方 法 维 共 同 组 成 的 三 维 系 统 ； 现 代 设 计 技 术 由 4个 不 同 层 次 的 技 术 所 组 成 ， 计 算 机辅 助 设 计 技 术 CAD是 现 代 设 计 技 术 的 主 体 技 术 ； CAD技 术 经 历 了 萌 芽 期 、 成 长 期 、 发 展 期 、 普 及 期 ，现 已 进 入 CAD与 其 它 信 息 技 术 集 成 的 年 代 ； 介 绍 了 应 用 较 为 广 泛 、 相 对 比 较 成 熟 的 几 种 产 品 设 计计 算 方 法 ， 包 括 ： 优 化 设 计 、 可 靠 性 设 计 、 价 值 工 程 、反 求 工 程 和 绿 色 设 计 。第 二 章2021/6/16 87谢 谢 大 家 ！第 二 章 若 有 不 当 之 处 ， 请 指 正 ， 谢 谢 ！