第1章CAD理论基础及应用(第一次课)

1CAD理论基础部分和计算机辅助机械工程的几个实用高级软件。包括三种软件：Pro/Engineer(高级设计制造软件)；Pro/EngineerCAM技术（数控加工）；ANSYS有限元分析软件；【ADAMS；】机构动态仿真分析第1章CAD理论基础及应用（知识性内容）§1.1CAD系统的概述CAD是计算机科学与工程设计学科相结合形成的新技术，是先进制造技术的重要组成部分。一、MCAE（计算机辅助机械工程）概述MCAE—ComputerAidedMechanicalEngineering计算机辅助机械工程主要内容：CAD基础知识；Pro/Engineer；ANSYS；【ADAMS；】（一）计算机辅助机械工程内容计算机辅助机械工程是一新兴学科，也是机械系统辅助工程。它包括:计算机辅助设计、计算机辅助绘图、计算机辅助制造、计算机辅助工艺设计、有限元结构分析、机构动态分析、反求技术等。1.CAD的内函CAD是先进制造技术的重要组成部分；CAD技术的开发与应用水平，是衡量一个国家制造业现代化程度的重要标志之一；CAD也是计算机集成制造系统（CIMS：设计、分析、加工工艺、制造一个集成体系）的一项核心技术。（1）CAD字面两种含义★CAD—ComputerAidedDesign计算机辅助设计内含丰富：包括设计理论基础、造型（绘图）、分析等。★CAD—ComputerAidedDrawing计算机辅助绘图Drafting(草图)★通常所说的CAD软件大多指的是计算机辅助绘图软件。（2）代表软件AutoCAD（美国Autodesk公司开发的作图软件包）；Pro/Engineer（美国PTC参数公司）（专门重点学习）；CAXA-CAD/CAM北航海尔软件公司，是北航大、海尔、美国C-MOLD三家联手开发的CAD软件。Solidworks；Solidedge；开目KMCAD，国产二维CAD。（3）我国CAD软件大多国产CAD软件都以AutoCAD为平台所开发的软件。3.CAM—ComputerAidedManufacture计算机辅助加工（制造）Pro/Engineer软件之中包括计算机辅助制造功能。【2002.11,人民邮电出版社，《Pro/EngineerCAM技术》。】RPM（RapidPrototypingManufacturing）—快速成形技术。在Pro/E造型模块中构造零件图形，在加工模块中进行毛坯处理、加工艺处理、选刀具、定义加工路径，加工过程仿真过程演示，转换成自动加工中心接受的加工程序。(造型方法直接影响加工过程)现在广泛宣传的CAM软件有：MasterCAM专门加工软件。优点：干净的操作界面、刀具路径参数化、加工参数设定的模块化、丰富的后处理连接库、铣床和车床刀具路径等特色，易学易用。TopSolidCAD/CAM系统：设计模块实现与UG、SoliEdege和SolidWork等数据交换；CAXA-CAD/CAM制造工程师。4.CAPP—ComputerAidedProcessPlanning计算机辅助工艺设计（规程）【最新调查国内企业，CAPP的应用仍为空白。】用计算机辅助制订产品制造过程中规范化的工艺计划，包括制造所需的环境、条件、资源消耗、工作流程及时间节拍。在机械产品的加工过程中应用计算机辅助手段，制订机械加工过程中规范化的工艺计划，其中包括工艺路线卡、工序卡（含工序图）以及检验工序卡等。此系统实质上就是一个工艺过程技术文件档案管理系统。根据零件的相似性，将零件分类和编号，系统把零件分为若干零件族，经专家优化出方案以技术文件存放、调用。在已有典型工艺过程的基础上修改，生成一个新工艺规程。必须有丰富的实际经验。5.CIMS—ComputerIntegrateManufactureSystem(计算机集成制造系统)（1）CIM与CIMS的区别与联系CIM是CAD（计算机辅助设计）、CAPP（计算机辅助工艺规划）、CAM（计算机辅助制造）、MAP（制造资源规划）等的集成。CIMS则是CIM包括的集成内容建立的制造系统，通过计算机及其软件把制造过程中各种分散的自动化系统有机地集成起来。（2）CIMS的体系结构及组成CIMS包括：营销管理、工程设计、产品制造、质量保证和物资保障等五个功能系统，包括有效连接这些系统的支持环境，即计算机网络和数据库系统。26.ANSYS—ANalysisSYStem分析系统（专门学习）7.ADAMS—机构动态学仿真（有正版软件）机械机构的动力与运动分析软件。美国MDI(MechanicalDynamicsInc.)公司开发的虚拟样机技术商业软件。ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem）软件。★★ADAMS是世界上最具权威性的，使用广范的机械系统动力学分析软件。★使用ADAMS软件，可以自动生成包括机—电—液一体化在内的、任意复杂系统的多体动力学数字化虚拟样机模型。★为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果。★缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量。★★应用AMAMS完成：“液压往复泵系统仿真”、“双驴头抽油机系统仿真分析”两篇硕士论文。★★上海航天局805所，1995年用ADAMS软件设计分析了“神舟”飞船太阳电池阵及驱动机构。★应用ADAMS软件，进行了多项空间与地面机构的仿真研究。★利用ADAMS软件，完成的“导弹发射车模态分析·计算与测试”课题，获得了部级科技成果三等奖。§1.4关于CAD系统的几个概念1．有关CAD典型代表意义（1）计算机绘图（ComputerGraphics）简称CG；（2）计算机辅助设计（ComputerAidedDesign）简称CAD；（3）计算机辅助工艺规划（ComputerAidedProcessPlanning）简称CAPP;（4）计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing）简称CAM;（5）计算机辅助工程分析（ComputerAidedEngineering）简称CAE；（6）计算机辅助质量（ComputerAidedQuality）简称CAQ；（7）计算机辅助设计与制造CAD/CAM；（8）管理信息系统（ManagementInformationSystem）简称MIS；（9）产品数据管理（ProductDataManagement）简称PDM；（10）计算机集成制造系统（ComputerIntegrateManufacturingSystem）简称CIMS;（11）智能制造系统（IntelligentManufacturingSystem）简称IMS;（12）虚拟制造系统（VirtualManufacturingSystem）简称VMS。2．CAD定义的实质CAD概念的实质在于：①人机各尽所长。利用计算机高速运算、存储信息量大并迅速检索的特长；人能进行创造思维。②人机互交结合。设计者与CAD系统构成闭环系统。设计者向系统送入设计数据，系统输出有产品性能特征与产品信息。③最佳设计效率。④CAD与设计自动化。3．产品设计基本步骤①需求描述；②概念设计；③设计规划；④初步设计；⑤详细设计；⑥综合分析；⑦总体设计。4．CAD工作过程①通过CAD系统人机互交界面输入设计要求，构造出产品的几何模型，并将信息存于数据库中。②利用计算机方法库计算分析—有限元和优化设计。③通过互交方式，对设计结果评价决策和实时修改。④设计阶段可进入CAPP或CAM。5．CAD系统涉及到基础知识是产品建模技术、图形处理技术、工程分析技术、数据库与数据交换技术、文档处理技术、软件设计技术。6．CAD技术的标准体系由国际标准组织第一联合技术委员会制定。计算机图形标准体系；CAD数据库标准体系；产品数据表示与交换标准体系；工程制图文件管理标准；标准件库标准体系。7．CAD技术主要特点①先导性：提前进行“样品设计”或“虚拟设计”。让用在屏幕上见到新产品外观与性能。先定货，后生产。②演绎性：模拟装配和运动仿真，运动分析和干涉分析。③并行性：各独立系统同时进行。④动态性：对设计实时修改。⑤三、绘制草图步骤⑥1.绘制草图；⑦2.修改尺寸；⑧3.修改约束条件（几何定位）；⑨4.重新生成；⑩5.完成。⑪单元选择对话框⑫（1）点单元（质量）：例名，MASS213⑬（2）线单元：⑭①梁单元，可承受弯曲。例名BEAM3为弹性二维梁；BEAM23为塑性二维；BEAM4为弹性三维梁，在刚架分析中使用。⑮②杆单元，不能承受弯曲。例LINK1为二维杆（spar）；LINK10为只能受拉空间杆件。⑯③管单元，可承受拉、压、弯曲载荷，例弹性管单元PIPE16。⑰（3）壳单元（SHELL）薄壁结构，厚为主要尺寸1/10。例SHELL181可以分析塑性薄壳。⑱（4）平面单元（PLANE）⑲PLANE42为4节点平面单元⑳PLANE82为8节点平面单元（增加插值节点，计算精度提高。）21平面单元有：22平面应力单元(PLANE42→Planestress)，Z向应力为0,薄板；23平面应变单元(PLANE42→Planestrain)，Z向应变为0,厚壁筒、水坝；24轴对称用平面单元（定义单元为PLANE42，单元类型选项为Axisymmetric）。25（5）三维实体块单元（SOLID）26例SLOID45，用于计算普通结构三维实体分析。27SOLID117用于分析三维电磁场。285.计算精度29单元8节点的精度较4节点高，插值函数不同，8节点单元去掉4个中间点不如直接用4节点单元精度高。306.单位统一31只能通过命令输入，无菜单。Command:/UNITS,BFT（英尺）327.实常数33梁单元是建立成线单元，截面尺寸、转动惯量等通过实常数给出；壳单元的厚度、平面应力问题可有板厚度通过实常数给出；管单元的内外直径也是通过实常数给出。34第四节ANSYS建模354.1分析的基本步骤361.建模、网格划分—前处理372.加载、求解—solution383．获取结果—后处理394.2建模方式40Keypoint→Line→Areas→Volumes41实体模型与有限元模型区别42点、线、面为实体，几何形状；43有限元模型：节点和单元442.体素概念—常用几何形状453.建立过程