CAD-CAM课件第一章(2010年修改)

材料加工CAD/CAM基础材料科学与工程学院李欣主要内容材料加工CAD/CAE/CAM技术的基本概念、原理和方法。CAD/CAE/CAM技术在材料液态成型、塑性成型、连接（焊接）成型等制造领域的具体应用。材料加工领域主流的CAD/CAE/CAM系统的特点、功能和使用方法（Dynaform,AutoCAD）。第一章CAD/CAE/CAM技术概论第一节CAD/CAE/CAM基本概念第二节CAD/CAE/CAM在材料加工中的应用第三节CAD/CAE/CAM发展历史第四节CAD/CAE/CAM发展趋势展望第一节CAD、CAE、CAM基本概念一、计算机辅助设计（CAD）计算机辅助设计（ComputerAidedDesign,CAD）是以计算机为主要手段来辅助设计者完成某项设计工作的建立、修改、分析和优化、输出信息等全部任务的综合性高新技术。作为现代先进设计与制造技术的基础，CAD是多学科相交叉、知识密集型的高新技术，是现代企业不可缺少的设计手段。CAD概念的实质在于：（1）人机交互结合；（2）人机各尽所长；（3）最佳设计效率。CAD技术的主要作用如下:（1）提高设计质量和设计效率。（2）能够充分发挥设计人员创造性。（3）缩短产品的设计周期。CAD的主要研究内容计算机辅助设计的主要内容包括造型功能、优化设计、综合评价和信息交换等主要方面，其中造型功能运用最为广泛。AutoCAD、CATIA、UG、Pro/ENGINEER等。(1)造型功能以各种数字化的图形来表达设计方案，因此图形的处理和表达是CAD技术研究的基础与关键。从二维向三维，从简单的几何元素(直线、圆弧)向复杂的几何元素(体、曲线、曲面)，从单一的几何信息向反映工艺信息在内的产品全面信息，从静态设计向以参数化特征造型为基础的动态设计发展。二维模型→三维线框模型→曲线模型→实体模型鼠标曲面模型车床刀架线框造型鼠标实体造型底座二维零件图(2)优化分析工程设计中力学、传热学、流体力学等的分析，允许设计者在设计的同时就能够进行充分的分析和优化设计方案。例如：外载荷作用下结构件的应力、应变计算，基于有限差分的传热和流动分析。提供分析的专用软件已集成到CAD应用软件中：三维造型CAD系统Pro/E、UG、I-DEAS等都具备有限元分析能力。(3)综合评价对完成的设计方案进行校核和评价，包括尺寸校核、外观分析、内部结构剖析、碰撞检验及材料加工中的各种缺陷预测等，为设计方案的修改提供指导。现代先进的CAD系统可以提供分块、分层或剖切功能，三维CAD系统还能提供实时旋转、缩放功能，分析内部结构，进行校核和评价，改进设计方案。对于多个零件组成的机构，可以仿真装配过程，检查干涉情况。(4)信息交换CAD与CAD系统之间、CAD与其他系统（如CAM，CAE，CAPP，RPM）之间，以及通过互联网进行的远程的、异地的信息沟通与资源共享。传统机械产品设计方法用纸、铅笔或二维绘图软件建造实验环境，用传感器测量载荷、变形和运动状态设计绘图制造实物样机实物样机实验产品定型生产制造实物零件并装配发现问题、重新修改设计现代机械产品设计方法产品概念设计三维结构设计运动学、动力学仿真分析有限元分析、尺寸、结构优化虚拟样机验证产品中的运动机构原理是否正确验证产品是否有强刚度振动等问题运动学问题动力学问题三、计算机辅助设计的优点表1-1人与计算机机械设计能力的比较计算机辅助设计的优越性(1)可以提高设计生产率、缩短产品开发周期由于计算机高速计算能力、数据库快速检索能力及工程图样绘制的自动化，可使设计效率大大提高。CAD可以使机械产品的设计周期缩短65%-70%，工艺设计周期缩短80%-90%，经济效益明显。例如：美国波音777飞机的设计制造，由于应用了CAD／CAM技术，使开发周期由原来的9～10年缩短为4～5年。波音727的开发。14(2)可以大大提高设计质量在计算机系统内存储了各种综合性知识和数据，这为产品的设引提供了科学的基础。计算机与设计者的交互作用，有利于发挥人和机的各自特长，使设计更加合理。CAD采用的优化设计软件工具有助于工艺参数和产品结构的优化。15（3）设计与分析的统一同一个CAD系统完成设计与分析的全过程，设计分析是实时交互的，达到最佳状态。例：美国通用电气公司设计T700喷气发动机时，采用一套CAD系统，该系统在设计人员设计出任何一个部分后，即自动计算出该部分的重量，而重量是设计喷气式发动机最为关键的参数之一。该系统的应用提高工效75%，实现了设计与分析的统一16(4)可以较大幅度地降低生产成本。CAD技术简化了产品的开发环节，减少了废品和次品率，能有效地降低生产成本，增强企业的竞争能力。(5)CAD技术能够将技术人员从繁重的计算、绘图、修改工作中解放出来这样，可将精力更多地集中投入到具有创造性的活动中。应该指出，CAD／CAM技术不能代替人的设计和制造行为，而只是实现这些行为的先进手段。人的设计制造行为，要由专业技术人员的创造能力和工作经验以及现代设计方法等所提供的科学思维方法和实施办法来确定。CAD系统不可能也没有必要涉及产品设计的所有环节。如在产品功能设计和概念设计阶段，通常是由具有巨大创造性的人来完成，而由CAD系统辅助来完成技术设计或详细设计过程。CAD技术应用实例图示二、计算机辅助工程CAE计算机辅助工程(ComputerAidedEngineering----CAE)，指用计算机对工程和产品的功能、性能与安全可靠性进行计算、优化设计，对未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真，及早发现设计缺陨，改进和优化设计方案，证实未来工程/产品的可用性与可靠性。CAE属于广义CAD的重要部分。CAE核心是有限元理论和数值计算方法。CAE=在产品的研发过程中，利用计算机进行建模及性能仿真分析性能仿真的内容涉及产品（或系统）的力学性能（变形，应力）、热学性能、流动性能、振动特性和噪声控制等可替代大多数昂贵而费时的物理样机实验，即用数字化样机取代传统的物理样机实验广泛应用于各工业领域CAE系统的核心思想是结构的离散化，即将实际结构离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。“离散化”基本过程将一个形状复杂的连续体的求解区域分解为有限的形状简单的子区域，即将一个连续体简化为由有限个单元组合的等效组合体；通过将连续体离散化，把求解连续体的场变量(应力、位移、压力和温度等)问题简化为求解有限的单元节点上的场变量值。此时得到的基本方程是一个代数方程组，而不是原来描述真实连续体场变量的微分方程组。求解后得到近似的数值解，其近似程度取决于所采用的单元类型、数量以及对单元的插值函数。有限元FiniteElement1）物体离散化2）单元特性分析3）求解近似变分方程有限单元法的基本思想是一分一合，分是为了就进行单元分析，合则为了对整体结构进行综合分析。为什么要采用CAE波音777的研发过程中采用CAE数字化样机技术，节省了大量物理样机试飞次数，仅一次试飞即获得成功，每次物理样机实验需花费1亿美元。开发周期由原来的9～10年缩短为4～5年。CAE技术在汽车工业中的应用，使新车开发周期由原来的5~6年缩减到现在的1~2年为什么要采用CAE美国NASA的喷气推进实验室（JPL）应用CAE技术成功地实现了火星探测器“勇气号”、“机遇号”在火星上的软着陆仿真分析。仿真结果预测到由于制动火箭和火星风的相互作用，使探测器在着陆时可能出现翻滚，从而改进了技术方案，保证了登陆成功在机械工程中的应用CAE系统的功能CAE系统是包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真等在内的综合系统。1、建模为了实现CAE系统的分析功能，首先需创建实体的分析、模拟或仿真模型。通常称此过程为CAE的前处理。1）通过CAD与CAE软件的接口，利用CAD建模的数据文件直接导入CAE，生产所需仿真分析模型。(方便高效、精度高、不易修改几何尺寸)2）在CAE系统中进行参数化建模，包括参数设计、变量定义和约束分析。(简单建模、便于模拟)2.工程分析运用CAE的分析方法，来分析产品在工作环境中的受力变形、振动及运动情况，以便评定产品是否满足设计要求，这是CAE最重要的部分，其核心是有限元分析。常用软件DEFORM、ANSYS等。3.模拟仿真（CAE的后处理）CAE的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出，如生成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图，表示应力、温度、压力分布的彩色明暗图，以及随机械载荷和温度载荷变化生成位移、应力、温度、压力等分布的动态显示图。用CAE仿真模拟零件、部件、装置(整机)乃至生产线、工厂的运动和运行状态根据经验，CAE各阶段所用的时间为：40%～45%用于模型的建立和数据输入，50%～55%用于分析结果的判读和评定，而真正的分析计算时间只占5%左右。CAE软件1、Hyperworks，主要做前处理（分单元加载荷加约束）和后处理（看输出结果和仿真）2、I-DEAS，同时也做CAD3、Ansys，很经典的CAE，国内应用最广，客户成熟度最高，尤其是在高校科研领域。4、AutoForm，钣金冲压，特别是拉深分析软件。5、ADINA,强大的非线性功能、全球唯一能做直接流固耦合的软件，最为可靠的CAE软件。6、Abaqus，强大的非线性复杂动态问题求解器，专门汽车分析模块，7、LS-DYNA，强大的动态问题求解器，专门汽车分析模块。8、Nastran，线性问题求解器9、Pamcrash，专门的碰撞研究软件10、Madymo，汽车安全系统，如气囊，安全带整车碰撞性能分析软件三、计算机辅助制造（CAM）计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing，CAM）CAM有广义和狭义两种定义广义CAM是指借助计算机来完成从生产准备到产品制造出来过程中的各项活动，包括工艺辅助过程设计(ComputerAidedProcessPlan，简称CAPP)、工装设计、计算机辅助数控加工编程、生产作业计划、制造过程控制、质量检测与分析等。狭义CAM通常是指数控(NumericalControl，简称NC)程序编制，包括刀具路径规划、刀位文件生成、刀具轨迹仿真及NC代码生成等。1．CAM直接应用将计算机直接与制造过程连接，并对它进行监视和控制。2．CAM间接应用计算机并不直接与制造过程连接，只是用计算机对制造过程进行支持。MasterCAM8.0软件进行凸轮块数控加工过程的仿真图计算机辅助工艺设计(ComputerAidedProcessPlan，简称CAPP)主要是确定零件的加工方法、加工顺序和所用设备。近年来，计算机辅助工艺设计（CAPP）已经逐渐形成了一门独立的技术分支，而不再归类于CAM范畴。三、CAD/CAM系统集成随着材料加工CAD、CAM技术的进步，一些领域已经实现了CAD/CAM的集成化，计算机辅助设计与辅助制造（CAD/CAM），是指以计算机为主要手段，帮助人们处理各种信息，进行产品的设计与制造。它能够将传统的设计与制造彼此相对独立的工作作为一个整体来考虑，实现信息处理的高度一体化。CAD/CAM技术是由CAD和CAM两部分组成的，将两个功能不同的系统有机地结合起来，用统一的执行控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，保证系统内部信息的畅通并协调两个系统有效地运行。CAD系统的效益不在于其自身，而是通过CAM系统体现出来。CAM系统如果没有CAD系统的支持，数字化的制造设备也很难得到有效的利用。研究范围：CAD/CAM数据交换标准;各种CAD/CAM应用软件;CAD/CAM工作站、加工系统。CAD/CAM集成系统模式CAD／CAM系统的主要原理是产生一个公用数据库，用于设计和制造全过程。表示集成化CAD/CAM集成系统要求设计信息能自动地转换成CAM系统的信息为了真正地实现CAD/CAM系统的集成，目前正在开展以工程数据库系统和网络通信技术等为主要技术内容的集成化技术的研