现代CAD设计技术的内涵及其发展

1现代CAD设计技术的内涵及其发展—现代设计技术的集成化、网络化、智能化刘子建教授快眼看书主要内容•设计技术的含义与现代设计方法•数字化设计技术的发展•现代CAD技术•计算机仿真设计技术•现代设计中知识的作用•结束语3一、设计技术的意义和方法1、设计的含义•引言设计→过程，研究解决怎样设计（HOW）的问题方法论描述特性设计程序创造性思维设计→结果，研究解决设计应该怎样（WHY）的问题社会价值特性经济文化{{4有限的资源设计环境有限的理性——入道者成“师”，不入道者成“匠”“以技入道”设计师的成长“由理入道”{{5•设计的定义•Archer（阿切尔）“设计是围绕目标的问题求解活动”，以心理学研究为基础问题的定义问题的求解过程问题的求解策略评价设计的标准：设计思维过程的合理性设计工作的目标性{6•Asimow（阿西莫夫）——“设计是高风险，高不确定条件下的决策过程”设计本质特性是“多方案选择”→有限理性希望“足够满意”不求“唯一最佳方案”•Booker（鲍克）——“设计是获得足够把握前，对未来产品尽可能多地模拟”实物模型强调模型的作用数字模型计算机模仿真型{{7•Gregory(葛雷佳利)——“设计是拿出使人满意的产品”→设计以人为本的思想•Reswick（李斯威克）——“设计是从无到有的创造”，创造新的有用的事物：科学是研究已有的东西设计是创造新的有用的东西设计知识是科学→用科学活动解释设计设计是艺术，尽管用到了科学知识{8•V.Hubka的学术思想（功能和结构设计）以人的需求为根据，利用系统分析的方法经过“技术过程”→“技术系统”→“功能结构图”→“形态学矩阵”→多个可行方案→综合择优等过程，确定尺寸、结构设计的根据。人→设计主体设计包含了物→设计对象时间→设计过程客观科学知识设计的哲学（科学性和艺术性）主观创新精神{{9•我们的定义：设计是利用必要的的资源和手段，通过人类创造性思维与研究活动，促使理性构想达成“物化”的过程。资源——知识、经验、材料、信息、环境（人文、社会、经济等）手段——设计方法、工具、软硬件思维与研究——知识形成、综合、升华、飞跃理性构思——符合实际环境条件和设计目标的方案，并经过验证102、传统设计的特点•方法——类比、经验、模型实验（依赖于经验）•过程——初步设计技术设计详细设计（串联方式按部就班进行）•环境——手工方法、设计手册、模型、经验•思维方式——收敛式思维，强调局部•设计结果——少方案，设计费用低113、现代设计的特点•系统性——视设计对象为系统，考虑内、外联系，力求整体最佳•创造性——重视人的创造潜力，以创新为目的和标志•综合性——市场需求为导向，兼顾生产、管理、销售、用户因素，探索多种解决问题的途径•多解性——可短期提供多个方案，保证设计结果相对最优12•设计的环境——信息极为丰富，知识高度融合，新材料、新工艺层出不穷，计算机软、硬件技术为设计提供了前所未有的良好环境，市场经济的高度发达，产品的激烈竞争，成为推动现代设计方法发展的社会背景•设计观念——经验的、类比的、局部的，变成逻辑的、推理的、系统的•思维方式——静态的、少变量和方案的、收敛的变成动态的、多变量的、多方案的、扩散的。13•设计手段——依赖于经验、手工、实物模型变为依靠分析、计算机软、硬件功能、数学模型与仿真。•设计方法——优化设计、可靠性设计、计算机仿真设计、多刚体动力学分析、有限元分析、现代工业设计、价值工程、反求工程、相似设计，绿色设计等•实用设计技术——CAID、CAD、仿真设计、网络协同设计、虚拟现实与数字化样机等14机电产品现代设计实例15161718Ribs192021二、数字化设计技术的发展1、设计模型及其发展•模型——数字化设计技术的基础，在现代设计中起作核心作用•模型的种类静态模型实物模型动态模型{22几何模型符号模型物理模型化学模型等•产品设计中模型的作用信息的载体：几何拓扑、物理特性、工艺装配、功能维护设计表现形式：外观视觉、操作性能、结构特点、销售价值•设计信息的载体——产品设计模型的特征{{23•线框模型（WireFrameModel）——支持简单的图形表示•表面模型（SurfaceModel）——准确表示物体表面，如曲线、曲面•实体模型（SolidModel）——几何和拓扑意义上完备的设计模型•特征模型（FeatureModel）——真正意义上的产品信息载体模型（可包含零部件和产品的表面质量、结构、工艺、装配、维护等信息，对设计、制造、管理过程意义重大）24•自由曲线（面）的描述A、水下的船体——物理样条（1）二阶连续，小挠度（2）三类边界条件（3）无几何不变性()()EIKxMx()()EIKxMx23/2()(1)yKxy()MxyEI()MxyEI□□□□25B、三次参数曲线0=t=1(1)(1)便于矢量和矩阵表示，规格化变量(2)形状仅与型值点位置有关，与坐标系无关(3)形状数学描述的标准形式（Ferguson,1964）32()()1()xyzxyzxyzxyzaaaxtbbbyttttcccztddd26C、三次参数曲线的Hermite形式•已知参数曲线端点位置和切矢即可定义Hermite曲线，如图由（1）可得（2）——Hermite矩阵——Hermite几何矢量1P1R()Pt2P2R1t2t1232122211()3321()()10010()1000PxtPPtyttttRztR()hhPtTMGhMhG27D、Bezier曲线的秘密若：，；；则（2）中的可表示为0(0)PP3(1)PP10(0)3()PPP32(1)3()PPP0P(0)P3P(1)P1P2P＋＋＋＋hG28•代入（2），令0123(0)1000(1)00013300(0)0033(1)ihhbPPPPGMPPPPP1331363033001000bhhbMMM29则i=0,1,2,3.0=t=1(3)为三次Bezier曲线的矩阵形式。•Bezier曲线的参数方程可写为0=t=1(4)式中称为Bernstein基函数当n=3时（4）式即为（3）式()biPtTMP,1()()niiniPtPBt,()inBt,()(1)iiniinnBtCtt!!()!innCini30三、现代CAD技术一、先进制造技术对CAD的需求•T、Q、C、S、E需求T--最快的上市速度（Timetomarket）Q--最好的质量(Quality)C--最低的成本(Cost)S--最优的服务(Service)E--最清洁的环境(Environment)31•由于设计阶段决定了产品成本的70%以上，采用先进制造技术的企业必然将产品设计这个环节视作其生命线，先进设计技术必然成为先进制造技术的核心之一。•CAD(ComputerAidedDesign)是使用计算机系统来辅助一项产品或工程设计的建模、修改、分析和优化的过程和技术.它是一种新的设计方法，也是一门多学科综合应用新技术。32CAD技术发展的几个阶段•第一代CAD系统出现于60年代，技术特点是利用解析几何的方法定义点、线、圆等图素,主要用于平面绘图。•第二代CAD系统始于70年代，技术特点是交互式技术及几何造型系统。三维线框模型、表面模型、实体模型和Sweep、CSG、B-rep等表示法可用于复杂结构的设计.•第三代CAD系统始于80年代中期，特征建模和基于约束的参数化和变量化建模方法是其技术特点，保证了二、三维模型修改时的相互关联性，以及CAD/CAM信息集成。33二、先进制造技术对CAD的影响•CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)的影响----信息的集成解决异构环境下信息集成的三个关键问题（1）产品建模问题（2）数据交换问题（3）工程数据管理问题34•并行工程(ConcurrentEngineering,CE)的影响------过程的集成对CAD技术提出了以下要求:(1)支持开发过程的重构和建模。(2)实现协同设计的环境，支持多学科队伍的协同工作。(3)提供功能集成、信息集成的支持并行设计的CAx(CADCAPPCAM…)和DFx工具.35•敏捷制造(AgileManufacturing,AE)的影响-------企业的集成敏捷制造模式必须具有敏捷设计的模式:（1）提供实现产品敏捷设计的使能技术,如资源共享、信息服务、合作建模、联盟内的数据管理与设计过程管理等技术。（2）提供支持产品敏捷设计的网络通信平台及相关技术的解决方案36三、现代CAD技术的提出•先进制造技术经历了信息集成—过程集成—企业集成的发展历程，现代CAD技术也在沿着信息集成—过程集成—企业集成的道路发展。•现代CAD技术是指在复杂的大系统环境下,支持产品自动化设计的设计理论和方法、设计环境、设计工具各相关技术的总称，它们能使设计工作实现集成化、网络化和智能化，达到提高产品设计质量、降低产品成本和缩短设计周期的目的。37现代CAD技术研究的主要问题•研究现代设计理论与方法学•并行设计、协同设计、虚拟设计、大规模定制设计、绿色设计•协同设计环境的支持技术•协同设计的管理技术•产品数字化定义及建模技术•基于PDM产品数据管理与工作流（过程）管理技术•发展集成的CAx和DFx工具和计算机仿真技术38四、现代CAD与计算机仿真技术在机械设计中的应用与展望例：高速卷烟机械的特点•高速、高效的自动化机器•灵巧机械与快速测量、控制的综合系统•高速、动态、高可靠性机电一体化典型•加工对象材料特殊39烟草机械的发展趋势•更高的速度和可靠性,更好的动态性能•大量使用数字化技术,完成动作及位置的控制,实现柔性调整•新的材料输送原理和技术(如气动送丝等)•新的烟支成型与加工原理•新的高速动态检测原理和技术40烟支切割装置的特征建模41424344研究的主要相关成果（1）在Pro/E环境下用FB—ABMS系统完整地建立了猎豹越野车一个车型的车身和底板各块曲面零件的三维CAD特征模型，并实现了上述各零件的三维装配;部件分离图内部广角视图123445成果用于车身改型设计基于猎豹越野车整车三维模型的工程应用仿真研究：◆车身改型设计46多刚体与有限元耦合仿真47烟支切割装置仿真分析4849SAAB900车安全防护装置仿真研究50安全气囊气体压力分布仿真分析51研究的主要相关成果（4）6000米深海集矿机运动仿真（中国大洋协会组织的专家鉴定意见：“用多刚体动力学对复杂的深海集矿机系统进行运动和动力学仿真技术属国际先进水平”）5253546000深海集矿机运动和动力分析556000深海集矿机运动和动力分析56深海集矿机仿真57585960616263讨论和结语•设计分析技术的集成化,网络化对设计模型提出了新的要求----并行设计PDMSTEP协同设计.三维特征模型和技术是重要发展方向之一.•多刚体动力学和有限元方法的有机结合形成了机电产品计算机仿真的基础,两者不可偏废.•加强各学科的融合与交叉,在创新的基础上实现超越式发展是我国机械工业发展必经之路.