数字化设计及仿真

1数字化设计及仿真祝楷天（盐城工学院优集学院江苏盐城224051）摘要：制造业信息化的发展促使许多企业建立起了相应的CAD/CAM软件环境平台，并应用CAD/CAM软件进行产品的设计、分析、加工仿真与制造，取得了显著的效果。利用计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)软件系统来完成机床夹具设计过程是加速夹具设计效率、提高设计质量的一种重要手段。但现有的通用CAD/CAM软件没有针对机床夹具设计的完整技术手册资料和三维标准件图库系统，设计人员仍然需要使用传统的纸质工具手册书籍进行资料查询和标准件三维实体图绘制工作，影响了机床夹具设计的效率和质量。因此，研究机床夹具数字化设计手册软件和三维标准件图库系统对满足数字化时代工程技术人员的需要具有重要的作用。关键词：机械产品；数字化；设计仿真。DigitaldesignandsimulationZHUKai-tian（UGSCollege，YanchengInstituteofTechnology，Yancheng，Jiangsu224051）Abstract:ThedevelopmentofmanufacturingindustryhasledmanyenterprisestosetupthecorrespondingCAD/CAMsoftwareenvironmentplatform,andtheapplicationofCAD/CAMsoftwareforproductdesign,analysis,processingsimulationandmanufacturing,hasachievedremarkableresults.Usingcomputeraideddesignandmanufacturing(CAD/CAM)softwaresystemtoaccomplishmachinetoolfixturedesignprocessisanimportantmeanstoacceleratefixturedesignefficiencyandimprovedesignquality.ButtheexistinggeneralCAD/CAMsoftwaredoesnothavethecompletetechnicalmanualdataandthe3Dstandardpartlibrarysystemforthemachinetoolfixturedesign,thedesignpersonnelstillneedtousethetraditionalpapertoolsmanualbookstoinquireandthestandardpiecethree-dimensionalentitychartdrawingwork,hasaffectedtheefficiencyandthequalityofthemachinetooljigdesign.Therefore,itisimportanttostudythesoftwareand3Dstandardpartlibrarysystemofthedigitaldesignofmachinetoolfixturetomeettheneedsofengineeringandtechnicalpersonnelinthedigitalage.Keywords:Mechanicalproducts,Digitization,Designsimulation.2数字化设计及仿真...........................................................................................................................1Digitaldesignandsimulation.................................................................................................10引言..............................................................................................................................................21什么是机械数字化设计...............................................................................................................22数字化设计与制造的历史进程...................................................................................................23数字化设计技术发展趋势...........................................................................................................34数字化仿真分析技术...................................................................................................................45结语..............................................................................................................................................4参考文献：......................................................................................................................................50引言随着全球经济一体化的进程加快以及信息技术的迅猛发展，现代制造企业环境发生了重大的变化，其变化的主要特征为，产品生命周期缩短;交货期成为主要竞争因素;大市场和大竞争己基本形成;用户需求个性化，多品种小批量生产比例增大。为此，制造企业的战略从20世纪50年代和60年代资源经济的“规模效益第一”，经过70年代和80年代“价格竞争第一”和质量竞争第一“发展到90年代”市场响应速度第一”及面向21世纪知识经济的技术创新第一”。与此同时，现代制造业随之出现了适应这种发展的新模式和新哲理，其核心在于:在制造企业中全面推行数字化设计与制造技术，通过在产品全生命周期中的各个环节普及与深化计算机辅助技术、系统及集成技术的应用，使企业的设计、制造、管理技术水平全面提升，促进传统产业在各个方面的技术更新，使企业在持续动态多变、不可预测的全球性市场竞争环境中生存发展并不断地扩大其竞争优势。数字化设计与制造是计算机辅助技术、系统及集成技术的重要组成部分，它是向网络化制造和虚拟化技术发展的基础，它使原有的传统制造业变成了智力型的工业，使企业主要通过资源要素如劳动力、设备、资金竞争逐渐变为以创新能力知本型为焦点的竞争。这正是知识经济时代最重要的特征。1什么是机械数字化设计机械数字化设计与制造主要包括用于企业计算机辅助设计CAD数字化仿真及其相应文档的设计建立机械数字化设计的内涵是支持企业的产品开发全过程、支持企业的产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持企业产品开发流程与优化等。归纳起来就是产品建立模块是基础，优化设计是主题，机械数据化技术是工具，数据管理是核心。由于通过CAM及其与CAD集成技术与机械工具的研究，在产品加工方面逐渐得到解决，具体是制造状态与过程的数字化描述、非符号化制造知识的表述、制造信息的可靠性获取与传递、制造信息的定量化、质量、分类与评价的确定以及生产过程的全面数字化控制等关键技术得以解决，促使机械数字化制造技术得以迅速发展。2数字化设计与制造的历史进程CAD技术起步于20世纪50年代后期，60年代，随着计算机软硬件技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可行，CAD开始迅速发展。人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、费时、3精度低的传统手工绘图，即甩图板。此时CAD技术的出发点是用传统的三视图的方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术。在CAD软件开发初期，CAD的含义仅仅是ComputerAidedDrawing，而非现在我们经常讨论的（CADComputerAidedDesign）。CAD技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期。近10年来占据绘图市场主导地位的是AutoDesk公司的AutoCAD软件。60年代初期出现的三维CAD系统只是极为简单的线框系统。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，CAE及CAM均无法实现。进入70年代，正直飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。此间飞机及汽车制造过程中遇到大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图，特征纬线的方式来近似表达所设计的自由曲面。由于三视图方法表达的不完整性，经常发生设计完成后，制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况，这样大大拖延了产品研发时间。此时法国人提出了贝塞尔算法，使人们用计算机处理曲线及曲面问题变得可行，同时也使得法国达索飞机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统CADAM的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统CATIA。它的出现标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式解放出来，首次实现计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得CAM技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统CATIA为人类带来了第一次CAD技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式。20世纪70年代末到80年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAE，CAM技术也开始有了较大发展。SDRC公司在当时星球大战计划背景下，由美国宇航局支持及合作，开发出了许多专用分析模块，用以降低巨大的太空实验费用，而UG则侧重在曲面技术的基础上发展CAM技术，用以满足麦道飞机零部件的加工需求。有了表面模型，CAM的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特征，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利，最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对于CAD/CAE一体化技术发展的探索，一些公司完成了基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件开发与研制。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD,CAE,CAM的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。可以说，实体造型技术的普及应用标志着CAD发展史上的第二次技术革命。进入80年代中期，CV公司提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法—参数化实体造型方法。它具有基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改的特征。可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次革命。此时众多CAD/CAM/CAE软件开发公司群雄逐鹿。80年代后期到90年代，CAD向系统及集成化方向发展，这将引起CAD发展史的第四次革命。3数字化设计技术发展趋势先进机械制造技术发展总趋势是精密化、柔性化、虚拟化、网络化、智能化、集成化及管理的创新，而数字化设计与制造技术是先进制造技术的基础随着计算机技术的不断提高，Internet网络技术的普及应用，以及用户的需求，CAM,CAE,PDM等技术的发展，必将4有力促进数字化设计技术的进一步发展。数字化设计技术发展趋势主要有:（1）单项技术向完善化发