1、第2章 现代设计技术,2.1 概述 2.2 并行设计 2.3 反求工程 2.4 工业设计技术 2.5 计算机辅助设计(CAD)技术 2.6 有限元分析 2.7 绿色产品设计 复习思考题,2.1 概 述 工程设计的最终目的是创造满足用户需求的产品。产品所达到的质量、性能、时间、成本、寿命等综合指标主要是在设计阶段决定的。 传统的工程设计，根据工作性质与内容不同，将设计过程划分为方案设计、技术设计和工艺设计。 现代工程设计技术已扩展到产品规划、制造、检测、实验、营销、运行、维护、报废、回收等全过程的设计。,2.1 概 述,2.1.1 现代设计技术定义与特点1. 现代设计技术的定义现代设计技术是以满
2、足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。,2.1 概 述,2.1.1 现代设计技术定义与特点1. 现代设计技术的定义 内涵：1）现代设计技术是多学科交叉融合的产物 现代设计方法学，计算机辅助设计技术，可信性设计技术，试验设计技术等。 各学科间相互独立又相互联系、相互渗透。 2）现代设计技术是传统设计技术的继承、延伸和发展。,2.1 概 述,2.1.1 现代设计技术定义与特点1. 现代设计技术的定义 从系统工程观点分析 3）现代设计技术时间维、逻辑维和方法
3、维共同组成的三维系统。 时间维：产品规划-方案设计-技术设计-施工设计 逻辑维：分析-综合-评价-决策 方法维：现代设计方法，设计过程中的各种思维方法和工作方法。,2. 现代设计技术的特点 系统性：德国的抽象到具体的发散思维， 美国的创造性设计学，想象，辩证思维 传统的设计是经验类比的，收敛性的思维。 (2) 社会性。 (3) 创造性。 (4) 计算机化。 (5) 并行化、最优化、虚拟化和自动化。 (6) 主动性。,2.1.2 现代设计技术体系现代设计技术的整个体系好比一棵大树，由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个层次组成，如图2-2所示。,图2-1 现代设计技术的体系及与其它学科的关
4、系,1. 基础技术基础技术是指传统的设计理论与方法，运动学、静力学与动力学、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等。,2. 主体技术现代设计技术的诞生和发展与计算机技术的发展息息相关、相辅相成。计算机科学与设计技术结合产生计算机辅助设计、智能CAD(Intelligent CAD，ICAD)、优化设计、有限元分析程序、模拟仿真、虚拟设计和工程数据库等技术。运用现代设计技术的多种理论与方法如优化设计、可靠性设计、模糊设计等理论构造的数学模型，来编制计算机应用程序，可以更广泛、更深入地模拟人的推理与思维，从而提高计算机的“智力”。而计算机辅助设计技术正是以它对数值计算和对信
5、息与知识的独特处理能力，成为现代设计技术群体的主干，即主体技术。 “计算机学习不断线 ”,3. 支撑技术现代设计方法学、可信性设计技术、试验设计技术为设计信息的处理、加工、推理与验证提供了多种理论，方法和手段的支撑。1)现代设计方法学涉及的内容很广，如并行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配制、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象设计、工业造型设计等。2)可信性设计主要指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、健壮设计、耐环境设计等。3)设计试验技术包括可靠性试验、环保性能试验与控制，以及运用计算机技术的数字仿真试验和虚拟试验等。,4. 应用技术应用技术是针对实
6、用目的解决各类具体产品设计问题的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械的现代设计内容可以看作是现代设计技术派生出来的具体技术群。现代设计已扩展到产品规划、制造、营销、运行、回收等各个方面，除了必要的传统设计理论与方法的基础知识外，相关的学科与技术，尤其是制造工艺、自动化技术、系统管理技术、材料知识与经验及广泛的自然科学知识等也是十分必要的。此外，设计产品总是以满足社会需求为目的的，因此，设计人员还应具备政治、经济、法律、人文社会、艺术等方面的知识与素养。,2.2 并 行 设 计-现代设计方法学之一,2.2.1并行工程定义并行工程CE（concurrent engineering)的定义目前国际
7、上有多种提法，被普遍采用的是美国防务研究所1988年12月在第一届CE专题研讨会上给出的定义：“并行工程：是一种对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行的、一体化设计的系统化工作模式。这种工作模式可使产品开发人员一开始就能考虑到从产品概念设计到消亡的整个产品生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进度和用户要求。”,2.2 并 行 设 计-现代设计方法学之一,2.2.1并行设计定义“并行设计：是一种对产品及其相关过程(包括设计制造过程和相关的支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模式。与传统的串行设计相比，并行设计更强调在产品开发的初期阶段，要求产品的设计开发者从一开始就要考虑产品
8、整个生命周期（从产品的工艺规划、制造、装配、检验、销售、使用、维修到产品的报废为止）的所有环节，建立产品寿命周期中各个阶段性能的继承和约束关系及产品各个方面属性间的关系，以追求产品在寿命周期全过程中其性能最优。通过产品每个功能设计小组，使设计更加协调，使产品性能更加完善。从而更好的满足客户对产品综合性能的要求，并减少开发过程中产品的反复，进而提高产品的质量、缩短开发周期并大大的降低产品的成本。,图2-8 串行工程基本概念示意图,传统的制造系统，新产品的开发从概念设计到产品出厂的整个过程是按顺序(即串行)进行的。（“泰勒制”产品开发进程）过程：产品图纸设计-样机试制，图纸修改，同时整理试制工艺，
9、设计制造工艺装备，-小批量生产，考核工艺规程和工装的正确性，并进行必要的修改。特点：只有在小批量试制通过验证后，才能正式批量投产。,适用范围：串行工程方式适用于批量较大和市场寿命较长的产品. 缺点：不合理设计和错误设计只有通过试制过程才能发现，有时某些问题甚至是无法修改的，修改设计就意味着部分或全部报废，造成不必要的人力和物力浪费。,并行设计采用并行方式，在产品设计阶段就集中产品研制周期中的各有关工程技术人员，同步地设计或考虑整个产品生命周期中的所有因素，对产品设计、工艺设计、装配设计、检验方式、售后服务方案等进行统筹考虑，协同进行。经系统的仿真和分析评估，对设计对象进行反复修改和完善，力争后
10、续的制造过程一次成功(Do Right First)。,特点：1）及时修改，设计阶段完成后一般能保证后面阶段如制造、装配、检验、销售和维护等活动顺利进行，前馈信息在过程传递之前即预发布至各后续工作环节，反馈信息能在过程传递之前送至前序环节，使之能及时修改。特殊情况下，并行设计中也需要对设计方案甚至产品模型进行修改。,2.2.2并行设计的特点,并行工程特点：2）采用团队工作(Team Work)方式,并行工程设计网络,特点：3）协调机制：在并行工程运行模式下，每个设计者可以像在传统的CAD工作站上一样进行自己的设计工作。借助于适当的通信工具，在公共数据库、知识库的支持下，设计者之间可以相互通信，
11、根据目标要求既可随时应其它设计人员要求修改自己的设计，也可要求其它设计人员响应自己的要求。通过协调机制，设计小组的多种设计工作可以并行协调地进行,“运筹于帷幄之中,决胜于千里之外” 设计具备预见性和预防性,优点: 缩短产品投放市场的时间。 降低成本。并行技术不同于传统的“反复试制样机”的作法,强调“一次达到目的”。采用仿真技术,模拟产品的工作过程,对其“软样品”进行仿真实验,实现优化设计, 省去了昂贵的样机试制。 提高质量。并行设计在一开始就已经注意到产品的制造问题,可面优化产品设计和过程设计,使所设计的产品便于制造,易于维护,避免返工和废品,降低产品故障率。这就为质量的“零缺陷”提供了基础,
12、使得制造出来的产品甚至用不着检验就可上市;,设计具备预见性和预防性,优点: 产品符合市场或用户的需求。由于在设计过程中,同时有销售人员参加,甚至还包括顾客,所以设计出的产品能够反映用户的需求,从而提高了产品的可靠性和实用性。技术能较快地推出适销对路的产品并投放市场,增强了企业的市场竞争能力。,并行设计方法与串行设计方法的主要区别：(1) 串行设计方法是一个时间做一件工作，各项工作顺序进行，并行设计方法则是一个时间做多项工作，有关工作同时推进。(2) 串行设计方法的工作区间相互独立，并行设计方法则存在工作区间的相互交叉和重叠，因此并行设计可较好地考虑后期工作。(3) 串行设计是多专业小组相互独立
13、地工作，并行设计则是多专业组成的多功能小组协同一致地工作。(4) 串行设计中各过程间的信息交换较少，特别是时间上靠前的设计过程更难以得到后面过程的信息（因为后续过程还没开始）。并行设计中可通过信息流的多层次反复交互，与各个过程的全部状态的及时反馈，从而赢得系统设计的快速完成并一次成功；(5) 串行设计需耗费较多时间资源，但节约了空间资源，并行设计方法则以空间资源来换取时间资源，从而加快了设计工作的速度。,并行设计方法,并行设计方法强调协同性，交互性，预见性，可较好地避免串行设计方法存在的设计改动量大，系统开发周期长，设计实施成本高等问题。,2.2.3 并行设计中的关键技术,1.产品并行开发过程
14、中的建模及优化2.支持并行设计的计算机信息系统 3. 模拟仿真技术 虚拟制造，虚拟装配，结构有限元计算，产品静动态性能仿真，虚拟现实技术等 4.产品性能评价和决策系统 5.并行设计中的管理技术,并行设计中的关键技术,1.产品并行开发过程中的建模及优化并行设计作的核心准则是“最优化”。但并行设计不完全追求单个部门、局部过程和单个部件的最优,而是追求全局优化,追求产品整体的竞争能力。对产品而言,这种竞争能力就是指产品的TQCS 综合指标交货期(time) 、质量(quality) 、价格(cost) 和服务( service) 。在不同情况下,侧重点不同。在某阶段,交货期可能是关键因素,也可能是质
15、量,也可能是价格,有时是它们中的几个综合指标。对每一个产品而言,企业都对它有一个竞争目标的合理定位,因此并行设计是围绕这个目标来进行整个产品开发活动。只要达到整体优化和全局目标即可,而并不追求每个部门的工作最优。,2.2.4 并行设计的案例：飞机制造：DELMIA三维数字化装配工艺设计与仿真技术应用研究2.发达国家制造业中STEP的典型应用 麦道 波音 通用 德国的宝马 奔驰、大众、欧宝,2.2.4 并行设计的案例：飞机制造： DELMIA三维数字化装配工艺设计与仿真技术应用研究,飞机制造：飞机结构设计和工装设计并行工程。 工装的设计依据来源于飞机产品数据，要在最终产品数据还未确定的情况下进行
16、工装设计，工装的部分结构必须独立于产品数据。工装和产品并行设计的一个基本思路是改变传统的工装结构，将其划分为独立于产品数据或只需要基本数据的标准结构和依赖于最终产品数据的专用结构件两部分。装配型架的标准结构部分主要有立柱、底座、辅助支撑等，专用部分主要有用于定位桁条的刻度板、接头定位件等。 专用件一般尺寸较小，设计、加工制造周期很短，并且不需专门的大型加工设备。标准结构尺寸大，结构复杂，往往需要专用大型加工设备，其设计、制造周期长。标准结构的设计不需要最终产品数据或只需一些基本数据，因此在飞机产品设计的初期就可进行设计制造，当产品最终版本发放后只需较短的时间就可完成专用结构的设计制造。标准件和
17、专用件采用确定装配设计方法，装配非常方便，并且不需专用安装工具，装配周期短。这样，在产品设计完成后很短时间内型架就可投入产品装配。,2.2.4 并行设计的案例：,2.3 反 求 工 程 -现代设计方法学之二,2.3.1 反求工程的定义2.3.2 反求工程的研究对象和研究内容2.3.3 产品反求工程的基本步骤2.3.4 反求工程的关键技术2.3.5 反求工程的应用实例,2.3 反 求 工 程 -现代设计方法学之二,2.3.1 反求工程的定义正向工程：从市场需求出发，历经产品的概念设计结构设计加工制造装配检验等产品开发过程，称为产品开发的正向工程。反求工程(reverse engineering,
18、RE):也叫逆向工程、反向工程。以产品为基础，进行消化、吸收进行创新改进，使之成为新产品。 成功事例：日本的“吸收性战略”。,2.3 反 求 工 程 -现代设计方法学之二,2.3.1 反求工程的定义反求工程(reverse engineering,RE):以先进产品设备的实物、样件、软件（包括图样程序，技术文件等）或影像（图像、照片等）作为研究对象，应用相待设计方法学、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统分析和研究，探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产品的技术。包括形状（几何）反求，工艺反求和材料反求等方面。,2.3 反 求 工 程 -现代设计方法学之二,1. 零件反求零件反求
19、实质上是零件复制。对于结构复杂和要求精确的关键零件，如果复制不精确，将直接影响所开发机器的性能。因此，精确测量拟复制零件，并在此基础上逆向生成精确的零件CAD模型，这是反求工程的关键。反求工程中采用的测量方法有两类： 1）采用坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，CMM)的接触式测量， 2）采用激光或机器视觉系统进行图像扫描的光学非接触式测量。,2.3.2 反求工程的研究对象和研究内容,图2-11 零件反求工程系统原理图,2. 整机反求整机反求的工作内容：(1) 探索样机的设计思想。事实上在选择引进样机时就有一个指导思想，例如是选择功能齐全的还是造价便宜的，是注
20、重高科技含量还是可持续发展性(如节约资源、不污染环境和模块化设计等)。根据这个指导思想去分析样机的特点，判断此指导思想是否与需求相吻合，这样才能为反求以后的产品发展打下良好的基础，避免引进错误。,(2) 功能剖析。每种产品都有其特定功能，这是引进样机和发展产品的核心问题。因此，必须对样机的功能进行深入的研究剖析，特别是关键性的功能，必须掌握其基本原理，才能在此基础上设计自己的产品。(3) 性能试验。对样机的性能必须进行全面的试验和测定，反复验算，深入分析，掌握它的运动特性和动、静态力学特性，找出它可能存在的薄弱环节，以便于在自行设计开发时加以改进，使反求产品优于样机。,(4) 结构分析。零部件
21、的结构与功能原理和机械性能直接有关，并同生产成本和使用性能关系密切，也影响产品的可制造性和可维护性。因此，必须充分了解功能零部件的结构特点及其作用，精确反求，否则会危及产品的稳定性和可靠性，达不到样机的使用性能。(5) 形体尺寸及精度测定。对于关键零件，必须采用先进而精确的反求手段和仪器，精确测定样件的形体和相关精度(尺寸、形状和相互位置精度)，并分析它们的作用，否则，反求设计的产品将达不到样机的质量要求。,(6) 工艺分析。这是反求工程中至关重要的一步。反求产品往往可以做到同样机“形似”，但由于工艺问题没有解决而达不到“神似”，即产品性能总达不到或不能超过样机。因此，在工艺问题上必须特别重视
22、分析和掌握其工艺诀窍，这样才能真正达到反求工程的目标。(7) 材料分析。零件的材料及其处理方法是决定零件的功能和使用性能的关键因素之一。一般情况下，可通过外观对比、密度确定、理化分析、硬度测定和光谱分析等各种方法来测定材料的物理性能、化学成分，分析对它的热处理和表面处理方法及工艺方法。,(8) 使用和维修分析。以用户的目光审视样机的使用方便性和易维修性，充分理解和掌握样机在这方面的设计思想。(9) 相关辅料分析。样机中使用的冷却液、润滑剂、密封件等也会影响产品的使用性能，在反求工程中同样不能轻视。除上述反求工作外，样机的造型设计、色彩配置、包装技术等也不能忽视，这将影响用户对产品的直觉印象和市
23、场效应。,图2-12 产品反求工程的工作流程,2.3.3 产品反求工程的基本步骤,分析阶段-再设计阶段-反求产品的制造阶段,2.3.4 反求工程的关键技术 1.反求对象的数字化方法和技术2.模型重构技术 数据测量问题：标定，精度，可观性，阻碍，固定，多视图，噪声级不完整性，零件的统计分布，表面粗糙度，数据通信，探头半径补偿。,2.3.4 反求工程的关键技术 1.反求对象的数字化方法和技术 用硬测头采集简单点数据，用激光扫描头采集曲面上的点（每秒至少采集13000个数据点）效率高 。 LASER SCANARM 具有所有6轴测量臂，还具有以下特点：非接触式灵活快速扫描，获取曲线曲面的点云数据，点
24、云无分层。非触式测量，把握关键特征尺寸与轮廓的精度。非接触式与接触式测量在同一坐标系下完美结合，扫描没有任何分层。 专为扫描设计的7轴测量臂及手柄，让扫描过程更加轻松，方便快捷。 扫描头与测量臂适用同一数据线和电源线，无额外的线缆缠绕。 扫描头与测量臂及测量软件同为FARO公司产品，技术完全共享，服务更加方便。,2.3.4 反求工程的关键技术 1.反求对象的数字化方法和技术,2.3.4 反求工程的关键技术 1.反求对象的数字化方法和技术,2.3.4 反求工程的关键技术 2.模型重构技术：定义见书！ 特点：海量数据处理 分类：有序数据的模型重构散乱数据的模型重构 基本步骤：1）数据预处理：过滤，
25、筛选，去噪，平滑，编辑 2）网格模型生成 3）网格模型后处理,2.3.4 反求工程的关键技术 2.模型重构技术 2）网格模型生成,2.3.4 反求工程的关键技术 2.模型重构技术 2）网格模型生成,2.3.4 反求工程的关键技术 2.模型重构技术 3）网格模型后处理：三角网格模型简化，修补孔洞、缝隙和重叠等缺陷,2.3.5 反求工程应用实例：人工关节,2.3.5 商品化的反求工程软件 UG的技术特点：,2.5 计算机辅助设计(CAD)技术,2.5.1 计算机辅助设计技术的产生及发展 2.5.2 计算机辅助设计的关键技术 2.5.3 CAD系统软件与应用,2.5 计算机辅助设计(CAD)技术,2
26、.5.1 计算机辅助设计技术的产生及发展 (1) 20世纪50年代 CAD技术的萌芽期。 (2) 20世纪60年代 CAD技术的成长期。 (3) 20世纪70年代 CAD技术的发展期。 (4) 20世纪80年代 CAD技术的普及期。 (5) 20世纪90年代 CAD技术集成化期。,2.5.2 计算机辅助设计的关键技术1. 产品的几何造型技术2. 单一数据库与相关性设计3. CAD与其他CAX系统的集成技术4. 标准化技术,2.5.2 计算机辅助设计的关键技术1. 产品的几何造型技术CAD的几何造型过程也就是对被设计对象进行描述，并用合适的数据结构存储在计算机内，以建立计算机内部模型的过程。被设
27、计对象的造型建模技术的发展，经历了线框模型、表面(曲面)模型、实体建模、特征造型、特征参数模型、产品数据模型的演变过程，主要模型类型如图2-2所示。,图2-2 三维几何模型类型 (a) 线框模型；(b) 表面模型；(c) 实体模型,1) 线框模型线框模型由一系列空间直线、圆弧和点组合而成，用来描述产品的轮廓外形(见图2-2(a)。这种模型曾广泛应用于工厂或车间布局、三视图生成、运动机构的模拟和有限元网络的自动生成等方面，但它无法产生剖面图、消除隐藏线以及求解两个形体间的交线，也无法根据线框模型进行物性计算和数控加工指令的编制等作业。,2) 表面模型表面模型的数据结构在线框模型的基础上，增加了有
28、关面的信息和棱边的连接方向等内容。表面造型又分为“多边平面造型”和“曲面造型”两种。多边平面造型只能构建平面主体，描述能力不强，故较少采用(见图2-2 (b)。曲面造型则发展非常迅速，它可以用于构建具有复杂自由曲面和雕塑曲面的物体模型(见图2-3)，因此广泛应用于汽车、飞机、船舶等制造工业中。常用的建模方法有贝塞尔(Beizer)曲面技术和B样条(Bspline)曲面技术。表面模型能求解两个形体的交线、消除隐藏线等，但无法定义厚度及内部几何体，故无法生成形体的剖面图以及进行物性的计算。,图2-3 曲面造型典型模型,3) 实体模型实体模型较完整地反映了三维实体的几何信息(见图2-2 (c)，它既
29、能消除隐藏线，产生有明暗效应的立体图像，又能进行物性计算，进行装配体或运动系统的空间干涉检查，进行有限元分析的前后处理以及多至五轴的数控编程等作业。常用的实体造型方法有“边界表示”(Boundary Representation，B-rep)法和“构造实体几何”(Constructive Solid Geometry，CSG)法。边界表示法把一个物体被看作是由有界的平面或曲面片子集构成的，每个面又由它的边界边和顶点组成(见图2-4)，经过各种几何运算和操作，最后达到构成物体的目的。,图2-4 边界表示法实体模型,CSG法的基本思想认为任何几何形体都是由简单的“实体细胞”组成的，这种实体细胞可称
30、为“体素”。CAD系统中常用的体素有：长方体、圆柱、圆锥、球、圆台、楔、椭圆锥等。系统通过布尔运算可以将这些几何体素组成所需要的物体。高档的CAD系统还允许用户根据需要自己定义一些参数化的几何体素。复杂的几何物体是由体素组成的，通过正实体、负实体的定义，二维多边形的扫描、移动、旋转、挖切和镜像等操作来实现物体的创建。图2-5就是用此方法生成的复杂零件图。,图2-5 CSG法实体模型,4) 特征造型所谓特征，就是描述产品信息的集合，也是构成零、部件设计与制造的基本几何体，它既反映了零件的几何信息，又反映了零件的加工工艺信息。常用的零件特征包括：形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、装配特征等。
31、与实体模型相比较，特征造型能更好地表达统一、完整的产品信息；能更好地体现设计意图，使产品模型便于理解和组织生产；有助于加强产品设计、分析、加工制造、检验等各个部门之间的联系。因此，基于特征的建模技术更适合于CAD/CAM的集成和CIMS的建模需要。,2. 单一数据库与相关性设计单一数据库是指与设计相关的全部数据信息来自同一个数据库。所谓相关性设计，是指任何设计改动都将及时地反映到设计过程的其他相关环节上。例如，修改二维零件工程图样中的某个尺寸，则与该零件工程图样相关联的产品装配图、加工该零件的数控程序等也将会自动跟随更新；修改二维图样左视图中的某个尺寸，其主视图、俯视图以及三维实体模型中相应的
32、尺寸和形状也会随之变化。建立在单一数据库基础上的产品开发，可以实现产品的相关性设计。单一数据库和相关性设计技术的应用有利于减少设计中的差错，提高设计质量，缩短开发周期。,3. CAD与其他CAX系统的集成技术CAD技术为产品的设计开发提供了基本的数据化模型，然而，它只是计算机参与产品生产制造的一个环节。为了使产品生产后续的作业环节有效地利用CAD作业所构造的产品信息模型，充分利用已有的信息资源，提高综合生产效率，必须将CAD技术与其他CAX技术进行有效的集成，包括CAD/CAM技术的集成、CAD与CIMS其他功能系统的集成等。CAD技术的主要功能是进行产品的设计造型，为其他功能系统提供共享的产
33、品数据模型，它已成为CIMS或其他制造系统的基础和关键。,CAD技术的集成体现在以下几个方面：(1) CAD与CAE集成、CAD与CAPP/CAM集成、CAD与PDM集成、CAD与ERP等软件模块集成。CAD与这些系统模块的集成为企业提供了产品生产制造一体化解决方案，推动了企业的信息化进程。(2) 将CAD技术的算法、功能模块以至整个系统以专用芯片的形式加以固化，这样一方面可以提高CAD系统的运行效率，另一方面可以供其他系统直接调用。(3) CAD在网络计算环境下实现异地、异构系统的企业间集成，如全球化设计、虚拟设计、虚拟制造以及虚拟企业就是该集成层次的具体体现。,4. 标准化技术由于CAD软
34、件产品众多，为实现信息共享，相关软件必须支持异构、跨平台的工作环境。该问题的解决主要依靠CAD技术的标准化。国际标准化组织(ISO)制定了“产品数据模型交换标准”(Standard for the Exchange of Product Model Data，STEP)。STEP采用统一的数字化定义方法，涵盖了产品的整个生命周期，是CAD技术最新的国际标准。目前，主流的CAD软件系统都支持ISO标准及其他工业标准，面向应用的标准构件及零部件库的标准化也成为CAD系统的必备内容，为实现信息共享创造了条件。,2.5.3 CAD系统软件与应用(系统软件，支撑软件，应用软件）1. 系统软件系统软件主要
35、用于计算机管理、维护、控制、运行以及计算机程序的翻译和执行，分为以下几类：(1) 操作系统。操作系统的主要功能是管理文件及各种输入输出设备。微机上常用的操作系统有DOS、Windows、UNIX、OS/2等。目前较为流行的操作系统是Windows，它是32位多窗口、多任务操作系统，提供了对多媒体和网络的软件支持。工作站主要采用UNIX操作系统，提供支持X协议的多窗口环境。,(2) 编译系统。编译系统是将用高级语言编制的程序转换成可执行指令的程序。我们所熟知的高级语言如FORTRAN、BASLC、PASCAL、COBOL、LISP，C/C+等，都有相应的编译程序或集成开发环境。(3) 图形接口及
36、接口标准。为实现图形向设备的输出，必须向高级语言提供相应的接口程序(函数库)。Windows的CGI计算机图形接口编码面向应用软件开发，先后推出了GKS、GKS-3D、PHIGS、GL/OPENGL等图形接口标准。利用这些标准所提供的接口函数，应用程序可以方便地输出二维和三维图形。在各种以图形为基础的CAD软件相继推出后，为了满足不同应用系统产品数据模型的交换、共享需要，又制定了IGES、DXF、STEP等图形(产品)信息交换标准。,2. 支撑软件1) 计算机分析软件(1) 常用数学方法库及其可视化软件。 (2) 有限元分析软件。目前，有限元理论和方法已趋成熟，除应用于弹性力学和流体力学外，也
37、应用于流动分析、电磁场分析等方面。商品化的有限元分析软件很多，如SAP-5、ADINA、NASTRAN、ANSYS、COSMOS等，一些软件还具有较强的前、后置处理功能。 (3) 优化设计软件。优化设计建立在最优化数学理论和现代计算技术的基础上，通过迭代寻求设计的最优方案。目前已有不少成熟的优化程序库，如LBM公司的ODL，我国自主知识产权的“优化方法程序库OPB-2”等。,2) 集成化CAD/CAM软件集成化CAD/CAM软件支持在二维和三维图形方式下进行产品及其零件的定义。早期的集成化CAD/CAM软件主要致力于实现交互式绘图，如CADAM、AutoCAD、MEDUSA的早期版本均主要以二
38、维交互式绘图为主。20世纪80年代中期开始，实体造型技术日趋完善，不少CAD系统转向采用实体造型技术定义产品零件的几何模型，进行分析、数控加工、输出工程图等。,目前较流行的CAD集成系统有：美国 PTC(Parametric Technology Corporation)公司的Pro/Engineer，美国麦道飞机公司的UG(Unigraphics)，Autodesk公司的AutoCAD及MDT；中国科学院北京软件工程研制中心开发的参数智能化CAD系统PICAD，高华计算机有限公司开发研制的集成智能化CAD系统，清华大学和华中理工大学共同开发的CAD-MLS等。,3) 数据库管理系统(DBMS
39、)数据库管理系统用于管理庞大的数据信息，提供数据的增删、查询、共享、安全维护等操作，是用户与数据之间的接口。数据库管理系统使用三种数据模型，即层次模型、网状模型和关系模型。目前流行的数据库管理系统有DBASE、FOXBASE、FOXPRO、ORACI.E、SYBASE等。,4) 网络软件采用微机和工作站局域网形式的CAD系统已成为20世纪90年代CAD软硬件配置的首选方案。网络服务软件为这些系统在网络上的传输和共享文件提供了条件。最常用的网络软件是Novell公司的NETWARE，它包括服务器操作系统、文件服务器软件、通信软件等。Microsoft的Windows 95以上操作系统可直接支持绝
40、大多数的网络互连服务。,3. 应用软件应用软件是在系统软件、支撑软件的基础上，针对某一专门应用领域的需要而研制的软件。这类软件通常由用户结合当前设计工作需要自行开发，也称“二次开发”。例如，模具设计软件、电器设计软件、机械零件设计软件、飞机气流分析软件等均属应用软件。专家系统也是一种应用软件。在设计过程中，有相当一部分工作不是仅通过计算或绘图就可以完成的，而必须依赖该领域专家丰富的实践经验和专门知识，经过专家们的思考、推理和判断才能够完成。为使计算机模拟专家解决问题的工作过程而编制的智能型计算机程序称为专家系统。,2.6 有 限 元 分 析,1960年，克拉夫(Clough)首先提出“有限元法
41、”这个概念。30多年来，有限元法得到了很大的发展。应用：(有限元法已成为工程结构设计阶段的重要工具） 计算静力学模型，动力学模型求解；计算稳态温度场的物体热力学响应，非稳态热源下的时间响应，电磁场的力学分析等；刚件结构的受载变形过程分析，设计轮胎、橡胶零件等非刚性物体，找出它们结构设计中的薄弱环节。,秦凯维奇(. . Zienkiewicz)教授在他的名著有限元法中给出的有限元法定义：把连续体看成是有限个部分(有限元)的集合体，其性态由有限个参数所规定，在求解离散成有限元的集合体时，其有限单元应满足连续体所遵循的规则。,图2-6 有限元实体模型,图2-7 受力弯曲有限元图,有限元法的产品结构模
42、型与CAD几何造型的模型是有区别的。有限元法将连续体的结构模型分解成数目有限的小块体(见图2-6)，这些小块体称为有限元，它们彼此之间用有限个结点相互联结，再在这些结点上引进等效力代替作用到单元上的外力，通过计算这些单元阵点力和位移之间的关系来解决连续体的力学问题。有限元法实质上就是把无限个自由度的连续体理想化为只有有限个自由度的单元集合体，使复杂问题简化为适合于数值解法的结构型问题。,2.7 绿色产品设计,1. 绿色产品及特点绿色产品是指在产品全生命周期内(包括原材料准备、设计、制造、包装、运输、使用、回收、再用或再生等过程)能节约资源和能源，对生态环境无危害或少危害，并对生产者及使用者具有
43、良好保护性的产品。因此，绿色产品设计可定义为面向不损害产品质量、功能及其制作过程的，能与环境相容的设计。 从“摇篮到摇篮”,绿色产品的特点：(1) 优良的环境友好性，即产品从生产到使用乃至废弃回收处理的各个环节都对环境无害或危害极小。这就要求企业在生产过程中选用清洁的原料、清洁的工艺过程，生产出清洁的产品；使用产品时不对使用者造成危害；报废产品在回收处理过程中很少产生废弃物。(2) 最大限度地利用材料资源。(3) 最大限度地节约能源。,2. 绿色产品设计的主要内容(1) 绿色产品的描述与建模：准确全面地描述绿色产品，建立系统的绿色产品评价模型是绿色产品设计的关键。(2) 绿色产品设计的材料选择
44、：绿色产品设计要求设计人员改变传统的选材程序和步骤，选材时不仅要考虑产品的使用要求和性能，还应考虑环境约束准则，同时必须了解材料对环境的影响，应选用无毒、无污染材料以及易回收、可重用、易降解材料。,(3) 面向拆卸性设计：传统设计方法多考虑产品的装配性，很少考虑产品的可拆卸性。绿色产品设计要求把可拆卸性作为产品结构设计的一项评价准则，使产品在报废以后其零部件能够高效地、不加破坏地被拆卸，这有利于零部件的重新利用和材料的循环再生，达到节省资源、保护环境的目的。,产品类型千差万别，不同产品的拆卸性设计不尽相同。总体上，可拆卸性设计的原则包括： 实现零件的多功能性，减少应拆卸零部件的数目，减少拆卸工
45、作量； 避免有相互影响的材料组合，避免零件的污损； 易于拆卸，易于分离； 实现零部件的标准化、系列化、模块化，减少零件的多样性。,(4) 产品的可回收性设计：在设计时要充分考虑产品各零部件回收再利用的可能性、回收处理方法、回收费用等问题，达到节省材料、节约能源、尽量减小环境污染的目的。可回收性设计的内容包括： 可回收材料的识别及标志； 回收处理工艺方法： 可回收性的结构设计； 可回收性的经济分析与评价。可回收性设计的主要原则有： 避免使用有害于环境及人体的材料； 减少产品所使用的材料种类； 避免使用与循环利用过程不相兼容的材料或零件； 使用便于重用的材料； 使用可重用的零部件。,(5) 绿色产
46、品的成本分析：与传统成本分析不同，绿色产品成本分析应考虑污染物的处理成本、产品拆卸成本、重复利用成本、环境成本等，以达到经济效益与环境质量双赢的目的。(6) 绿色产品设计数据库：这是一个庞大复杂的数据库，该数据库对绿色产品的设计过程起到举足轻重的作用。数据库包括产品全生命周期中环境、经济等有关的一切数据，如材料成分、各种材料对环境的影响、材料自然降解周期、人工降解时间和费用，以及制造、装配、销售、使用过程中所产生的附加物数量及其对环境的影响等环境评估准则所需的各种判断标准。,复 习 思 考 题,2-1 试论述现代设计技术的内涵及特点。2-2 描述现代设计技术的体系结构。为什么说计算机辅助设计技术是现代设计技术的主体？它与其它技术的关系如何？2-3 计算机辅助设计技术包括哪些主要内容？分析其中的关键技术。2-4 叙述反求工程的含义，分析反求工程作业的基本步骤。2-5 试论述串行工程、并行工程的工作方式与优缺点。2-6 叙述绿色产品设计的主要内容。,
