第2次课计算机辅助产品设计方法(1)

2019/8/25计算机辅助产品设计的方法1第三章计算机辅助产品设计的方法1.概述2.计算机辅助设计过程分析3.计算机辅助概念设计4.参数化与模块化设计5.产品设计的可视化技术2019/8/25计算机辅助产品设计的方法2设计是设计者根据生产和生活的需要，通过思维规则分析和决策过程，最终将设想变为现实的技术方案。设计的本质是创新，目的是寻求满足用户需求的最佳方案。设计的结果对产品的功能、性能、质量、价格都有着至关重要的影响。1.概述基本概念2019/8/25计算机辅助产品设计的方法3设计方法学是研究产品设计规律和方法的学科，研究的目的是为使长期处于经验设计的设计活动变得更合理化、科学化、规律化，是利用计算机辅助人类完成更多设计活动的前提。1.概述2019/8/25计算机辅助产品设计的方法4计算机辅助产品设计系统以计算机硬件、软件为支持环境，用先进的设计方法，通过各个功能模块实现对产品的描述、计算、分析、优化、绘图、工艺设计。以及对各类数据的存储、传递、加工功能。在运行过程中，结合人的经验、知识及创造性，形成人机交互、各尽所长、紧密配合的过程。1.概述2019/8/25计算机辅助产品设计的方法52.计算机辅助设计过程分析2.1设计过程及阶段划分2.2设计类型及计算机应用2019/8/25计算机辅助产品设计的方法62.1设计过程及阶段划分设计方法学将设计过程划分为若干个设计阶段，各设计阶段又可划分为若干个设计步骤。完成设计从抽象到具体，从定性到定量，从全局到局部，从系统的上层结构到下层结构的过程。2019/8/25计算机辅助产品设计的方法72.概念设计阶段产品功能原理的实现阶段。系统总功能功能元功能元的解系统原理解组合求解分解需求分析可行性分析制定设计任务书2.1设计过程及阶段划分1.任务规划阶段开始2019/8/25计算机辅助产品设计的方法82.1设计过程及阶段划分3.结构设计阶段功能原理解产品结构草图产品装配草图具体化分析计算优化4.详细设计阶段零件分解设计优化绘制技术图样工艺规程设计模型试验用户试用2019/8/25计算机辅助产品设计的方法92.1设计过程及阶段划分5.定型生产阶段设计定型生产规划生产制造产品结束2019/8/25计算机辅助产品设计的方法102.2设计类型及计算机应用设计任务划分（一）1.功能设计2.布局设计3.参数设计4.公差设计2019/8/25计算机辅助产品设计的方法112.2设计类型及计算机应用设计任务划分（二）1.新设计——24%2.适应性设计——56%3.参数化设计——20%设计方法、手段的科学化、系统化、现代化，实现CAD非常必要。2019/8/25计算机辅助产品设计的方法122.2设计类型及计算机应用计算机辅助创新设计（ComputerAidedInnovation）在概念设计阶段应用计算机辅助人类从事创新性研究能大大促进创新设计技术。CAI商品化软件TechOpitimizer，InnovationWorkbench，InnovatoinTools。2019/8/25计算机辅助产品设计的方法133.计算机辅助概念设计3.1产品概念设计内涵3.2计算机辅助概念设计的关键技术3.3基于知识的产品创新设计3.4产品概念设计中的美学设计2019/8/25计算机辅助产品设计的方法143.1产品概念设计内涵概念设计一词首先是由德国的Palh和Beitza提出。定义：在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合，确定出基本求解途径，得出求解方案。2019/8/25计算机辅助产品设计的方法153.1产品概念设计内涵产品创新的核心是构思创新产品概念，产品的概念设计在产品创新中具有决定作用。产品设计的60％～70％是由概念设计决定的，而概念设计的花费成本和时间只占总设计周期的20％。产品的概念设计过程中，方案选择的自由度大，创新的空间大，决策风险也大，它决定着产品最终价值的80%。2019/8/25计算机辅助产品设计的方法16设计自由度与开发成本的关系设计自用度开发成本设计自用度开发成本概念设计详细设计设计过程时间产品设计的早期重视概念设计至关重要，将计算机技术用于概念设计阶段，可快速、高效地响应市场需求。2019/8/25计算机辅助产品设计的方法173.2计算机辅助概念设计的关键技术1.原理方案设计产品创新的关键，体现在基于设计目标的原理方案求解和基于知识的原理方案设计专家系统。2.概念设计建模技术计算机辅助概念设计的核心，主要是从概念设计的方法和过程性出发，研究面向概念设计的产品模型和过程模型的建立方法。2019/8/25计算机辅助产品设计的方法183.设计创新技术3.2计算机辅助概念设计的关键技术4.并行和协同概念设计研究概念设计过程中需遵循的原则、规范和创新技术。（创新设计智能模型）现代设计的发展趋势之一。如并行环境下的设计过程，面向并行工程的设计建模技术。2019/8/25计算机辅助产品设计的方法193.3基于知识的产品创新设计基于知识的产品创新设计是知识过程与产品设计相结合的产物，它依赖于知识系统的推广和知识的重用，解决基于知识的产品设计等问题。知识：手册、技能、经验、原理和规范。2019/8/25计算机辅助产品设计的方法203.3基于知识的产品创新设计产品创新设计分类1.渐进性产品创新2.根本性产品创新2019/8/25计算机辅助产品设计的方法213.3基于知识的产品创新设计基于功能分解与重组的创新设计方法一种自顶向下、逐步分解功能元的方法。其创新性体现在功能抽象的描述及功能与结构的映射方法。功能描述的抽象程度越高，其概念设计的求解空间就越大，涉及结果的创新性就越高，知识、技术含量就越高。2019/8/25计算机辅助产品设计的方法223.3基于知识的产品创新设计基于功能分解与重组的创新设计方法步骤：1.功能分类2.功能分析3.功能综合4.功能评价2019/8/25计算机辅助产品设计的方法233.3基于知识的产品创新设计基于知识的辅助创新理论——TRIZTRIZ(TheTheoryofInventionProblemSolving)是俄文中发明问题解决理论的词头。该理论是前苏联G.S.Altshuler及其领导的一批研究人员，自1946年开始，花费1500年/人的时间，在分析研究世界各国近250万件高水平发明专利的分析研究，总结出人类进行发明创造解决技术问题过程所遵循的40个原理和法则。建立一个由解决技术问题，实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系，简称TRIZ。2019/8/25计算机辅助产品设计的方法243.3基于知识的产品创新设计基于知识的辅助创新理论——TRIZAltshuler经过分析250万件世界专利发现任何领域的产品改进、技术的变革、创新和生物系统一样，都存在产生、生长、成熟、衰老、灭亡的过程，是有规律可循的。发现并确认了技术从结构上进化的趋势，即技术进化模式与进化路线；而且还发现，在一个工程领域中总结出的进化模式与进化路线可在另一工程领域实现，即技术进化模式与进化路线具有可传递性。2019/8/25计算机辅助产品设计的方法253.3基于知识的产品创新设计TRIZ中的技术进化模式1：技术系统的生命周期分为出生、成长、成熟、退出四个阶段，用来确定各不同子系统的相对成熟度。2：增加理想化水平。3：子系统的不均衡发展导致冲突的出现。4：增加动态性及可控性。(例)5：通过集成增加系统功能。6：部件的匹配与不匹配交替出现。7：由宏观系统向微观系统进化。8：增加自动化程度，减少人的介入。2019/8/25计算机辅助产品设计的方法263.4产品概念设计中的美学设计商品化的CAD软件现大多提供较强的全面造型及色彩渲染、光照等可视化技术，可使产品的结构设计与美学设计有机地结合起来。体现一种设计思想和设计理念。2019/8/25计算机辅助产品设计的方法273.4产品概念设计中的美学设计色彩渲染2019/8/25计算机辅助产品设计的方法284.参数化与模块化设计参数化与模块化设计概念参数化、变量化设计的实现方法模块化设计方法2019/8/25计算机辅助产品设计的方法294.1参数化与模块化设计概念尺寸驱动：几何模型可以通过更改尺寸达到更改设计的目的的方法。几何模型各分量的数目及其相互间的连接关系。如：表示点、线、面之间的连接关系、邻近关系及边界关系的拓扑元素构成几何模型的拓扑关系。拓扑关系：2019/8/25计算机辅助产品设计的方法304.1参数化与模块化设计概念设计图形的拓扑关系不变，图形的尺寸形状由一组程序化的参数进行约束，绘图时，修改不同的尺寸参数即可得到不同规格的图形。参数化设计：参数化设计是规格化、系列化产品设计的简单、高效、优质的设计方法。参数化设计代表性软件:Pro/E2019/8/25计算机辅助产品设计的方法31优势：利用一系列定义好的参数对模型进行顺序计算，速度快。缺点：必须提供几何元素的全部尺寸、位置信息，然后才能定义下一个元素。4.1参数化与模块化设计概念参数化设计：2019/8/25计算机辅助产品设计的方法324.1参数化与模块化设计概念设计图形的驱动尺寸用复杂的几何图形约束和工程方程耦合方程组来表达，变量化造型通过求解联立方程组来得到结果。设计图形的修改自由度不仅是尺寸形状参数，包括拓扑结构关系，甚至工程计算条件。变量化设计：变量化技术代表性软件：I—DEAS。2019/8/25计算机辅助产品设计的方法334.1参数化与模块化设计概念变量化设计：优点：它允许欠约束的几何设计—不必将模型进行完全约束。允许用户不必关心约束设置的顺序，这符合用户的设计习惯，为设计者提供了更加灵活的修改空间。变量化技术实际上是参数化技术的“超集”。2019/8/25计算机辅助产品设计的方法344.1参数化与模块化设计概念参数化与变量化的异同点：相同点：在约束的基础上驱动产生新的设计结果。不同点：约束自由度不同。变量化约束自由度：尺寸形状参数、拓扑结构关系参数化约束自由度：尺寸形状参数2019/8/25计算机辅助产品设计的方法354.2参数化、变量化设计的实现方法参数化模型的设计步骤1）建立几何拓扑模型2）进行参数化定义3）推导参数表达式4）编制程序2019/8/25计算机辅助产品设计的方法36六角螺母主要尺寸特征有D、s、m，可将这三个尺寸作为主要参数驱动螺母图形。偏置倒角，偏置值＝(e/2-s/2），角度为30度。参数化模型的设计步骤2019/8/25计算机辅助产品设计的方法37通过改变D、s、m三个尺寸参数，可驱动生成系列螺母图形。参数化模型的设计步骤2019/8/25计算机辅助产品设计的方法384.2参数化、变量化设计的实现方法参数化设计应遵循的原则1）注重参数序列的设计含义；2）参数标注与工程图样标注一致；3）参数序列与几何图形尺寸序列数据库结构具有映射关系；4）关键尺寸应作为自变量参数；5）参数定义不能出现干涉，过约束。2019/8/25计算机辅助产品设计的方法394.2参数化、变量化设计的实现方法参数化设计的实现方法利用参数化建模功能，能够方便编辑修改，加速设计进程。在相关参数化模型基础上，可以快速准确地创建标准件、通用零件及产品系列化设计的三维模型库。2019/8/25计算机辅助产品设计的方法404.2参数化、变量化设计的实现方法变量化设计的实现原则1）整体求解法；将几何约束转变为一系列以特征点为变元的非线性方程组的方法。2）局部求解法；作图过程中同步建立结构图形约束的方法。3）几何推理法；4）辅助线求解法。2019/8/25计算机辅助产品设计的方法41草图几何约束尺寸约束过约束2019/8/25计算机辅助产品设计的方法424.2参数化、变量化设计的实现方法实现技术说明虽然大多数CAD/CAM系统都综合应用了参数化设计和变量化设计，两者之间还是存在技术差异。参数化设计方法定义的几何元素之间的关系可以用一种定向图来表示。该方法用一种过程性的方式来表达几何元素的尺寸和位置。（通过捕捉模型中的参