第二章产品数字化建模(新)ppt课件

1、第二章 产品数字化建模 Product Digital Modeling2022/7/142第二章 产品数字化建模 产品模型的描画与表示 数字样机 产品建模的根本方法产品模型的显示产品模型数据的交换 内容简介产品数字化模型产品信息的载体，包含了产品功能信息、性能信息、构造信息、零件几何信息、装配信息、工艺和加工信息等。 数字化产品模型中，产品生命周期中不同阶段的人员都可以获得所需的内容。 本章主要引见了如下方面内容：2022/7/143产品构成过程昨天-今天-明天产品规划概念设计消费预备详细设计昨天过程序列产品规划 概念设计 详细设计 消费预备PDM数字模型过程管理明天过程流产品规划概念设计详

2、细设计消费预备PDM今天过程链第一节 产品模型的描画与表示 2022/7/144产品的设计结果表达在两个方面，一方面是产品的几何信息，它存储在IDM系统中的数据集中；另一方面是产品的非几何信息，包括产品构造树和工艺信息，它存储于APL系统中。这两部分信息亲密相关、不可分割，其相关性是经过产品图号或零件号来实现的，由一致的系统来管理。产品数字化模型几何信息非几何信息IDMAPL图号、零件号2022/7/145采用一个单一的零件模型贯穿一直是不能够的 设计过程的零件模型为主模型 产品模型是一组有相互关系、反映不同阶段操作的模型组。2022/7/146分析仿真概念设计构造设计几何设计产品设计产品设计

3、的根本过程一、产品设计阶段的模型描画与表示2022/7/147产品装配模型概念设计阶段的模型零件几何模型产品仿真模型产品设计模型产品设计阶段模型2022/7/1481、概念设计阶段的模型在产品概念设计阶段，主要从功能需求分析出发，初步提出产品的设计方案，此时并不涉及产品的准确外形和几何参数设计。概念设计模型包括产品的方案构图、创新设计等。从数字化角度看，概念设计是在一定的设计规范下，以方案报告、草图等方式完成设计的。这个阶段产生的方案视不同的产品对象而不同。Guidelines2022/7/1492、零件几何模型几何模型是产品详细设计的中心，是将概要设计进展详细化的关键内容，是一切后续任务的根

4、底，也是最适宜计算机表示的产品模型。 几何模型用二维或三维模型表示。 在集成化CAD系统中，二维模型可以从三维模型投影得到，以便与三维模型坚持一致性。除此之外，几何模型的非几何信息以属性表示。属性信息的定义以文本阐明，并具有一定的构造。零件几何模型是详细设计阶段消费的信息模型，是其他各阶段设计的信息载体，通常作为主模型。所谓主模型是指以该模型为独一数据源，其他模型以它为根底，派生出其他各种模型。派生的过程实现了模型的演化。2022/7/14103、产品仿真模型功能与性能仿真是利用计算机的计算才干，采用数值计算的方法模拟产品的功能或者性能，普通不能直接在详细设计阶段产生的零件几何模型上进展，必需

5、进展一定的转换或者处置，建立符合仿真分析的模型。例如，有限元分析必需对CAD实体模型进展前置处置，将其进展简化，网格划分，再赋予资料和施加载荷，然后才干进展求解计算，结果那么经过后置处置显示。 产品仿真模型表达了仿真分析阶段的信息，对产品性能进展校验，阶段成果包括图形、表格、数据、文本阐明等各种方式。仿真分析的充分利用，可以减少实践物理实验的次数，从而大大降低研制本钱。仿真技术广泛运用在产品设计、制造阶段，如设计阶段的各种有限元分析、运动机构分析等仿真系统，在制造阶段的铸造浇注仿真、锻造磨具仿真、数控加工过程仿真、装配仿真等。2022/7/1411Meshing几何实体模型有限元模型在关键点处

6、约束实体模型沿线均布的压力在关键点加集中力在节点处约束FEA 模型沿单元边境均布的压力在节点加集中力2022/7/14124、产品装配模型 装配模型需求表示产品的构造关系、装配的物料清单、装配的约束关系、面向实践装配的顺序和途径规划等。 (1) 装配构造树：装配构造模型反映产品 总体构造，初始设计可以不涉及详细的几何信息，而仅仅表示产品的功能构造、层次构造以及设计的关键参数。 装配体子装配体2子装配体1子装配体3零件1零件2零件3零件4零件5零件6零件7装配构造树2022/7/14132属性信息表：属性信息用来表示产品的非几何信息。例如，产品称号、规格、零件资料、加工方法、分量、模型设计者等。

7、 3装配约束模型：装配约束模型包括装配特征描画、装配关系描画、装配操作描画以及装配约束参数。4装配规划模型：装配规划模型用于装配顺序规划和途径规划，前者给出一个实践可行的零件装配顺序，后者给出零件装配的可行途径，并对装配设计进展分析和评价。 2022/7/1414数控加工模型工艺信息模型工装模型产品制造阶段模型产品制造阶段模型二、产品制造阶段的模型描画与表示2022/7/14151、工艺信息模型工艺信息模型为CAPP提供根本信息，涉及工艺过程、数据繁杂、种类多，不同企业的工艺信息模型差别大，具有不同的模型构造和内容。根据零件加工要求和尺寸、粗糙度、公差、基准、加工方法等信息，建立工艺信息模型。

8、这些根本模型信息构成了编制工艺规划的根底数据。 工艺设计的数据来源于详细设计阶段产生的几何模型、装配模型，在此根底上，还需求设备资源、工装资源等来实现工序的编制。2、工装模型工装设计包括刀具、夹具、模具、量具的设计以及产品零件在制造过程中的不断演化产生的中间形状模型。在工装设计过程中，根据零件在加工过程中的变化，需求建立相应的模型之间的关系。工装模型包含了两大部分： 工装设备模型：刀具、夹具、模具、量具的设计和制造模型。 产品过程模型：零件在制造过程演化的模型。包括几何外形和其他相关的工艺信息。2022/7/1416工艺信息模型-加工工艺流程刀路2022/7/14173、数控加工模型数控加工模

9、型是指数控加工涉及的模型和产生的相应NC程序。一个复杂零件的数控加工程序生成，按照加工方法，有数控车、数控铣等加工；按照工艺要求，有粗加工、精加工、清根等各种操作；其中程序内部蕴含了工艺信息和加工方法，如粗糙度、公差选择、加工方式、加工道路、刀具等。程序最后计算得出加工刀具轨迹，并经过后置处置产活力床代码。这些信息构成了加工模型。复杂产品的上述各种信息模型是非常庞大的，相关关系也非常复杂，通常在PDM平台上进展一致管理。2022/7/1418第二节 数字样机 数字样机Digital MockUp，DMU的概念目前还没有一致的定义，它是相对于物理样机在计算机上表达的产品数字化模型。在计算机上与样

10、机相关的产品数字化模型的称号有数字样机、电子样机、虚拟样机等，这些都是直接利用了模型的表达方式电子化、数字化、虚拟模型而得出的。一、物理样机与数字样机用物质资料制造的产品模型普通称为物理模型或物理样机与实物样机 。2022/7/1419管路设计强度分析构造分析数字预装配CAM装配过程仿真装配过程仿真2022/7/1420 一个完好的产品虚拟样机应包含如下几个内容： 一切零部件的三维CAD模型及各级装配体。三维模型应参数化、适宜于变形设计、适宜于部件模块化。 与三维CAD模型相关联的二维工程图。 三维装配体适宜运动构造分析、有限元分析、优化设计分析。 构成基于三维CAD的PDM构造体系。 从虚拟

11、样机制造过程中探求出定制产品的开发方式及所遵照的规律。 虚拟样机的制造过程就是基于三维CAD的产品开发体系建立的过程。 三维整机的检测与实验。二、数字样机的主要内容2022/7/1421 初期 应以三维CAD例如CATIA、UG等为设计平台，建立典型产品的全参数化三维实体模型，进展干涉和碰撞检查、装配规划等。包括由三维模型转化建立完全关联的二维工程图；建立描画产品的物理数据，如根本属性、明细表信息等，为PDM管理提供根底数据。 三、建立产品数字样机的过程2022/7/1422 中期：建立基于三维模型的产品分析、加工及管理过程，进展产品的运动和动力学分析，了解运动构件任务时的运动协调关系、运动范

12、围、能够的运动干涉、产品动力学性能、强度和刚度等；实现虚拟加工，对加工工艺进展模拟，以检验产品设计的合理性、可加工性，加工方法、机床和工艺参数的选用，以及加工过程中能够出现的加工缺陷，为CAM提供数据模型。并且经过PDM系统实现产品开发过程管理，在一个设计周期内跟踪一切设计事务和数据的活动，并为设计进程的自动管理提供必要的支持。 2022/7/1423 远期：经过虚拟样机显示产品的外观、内部构造、装配和维修过程、运用方法、任务过程、任务性能等。有关人员可以阅读产品的图形与非图形数据，充分发扬三维模型的作用。如利器具有真实效果的产品结果显示和效果配置功能的效果图，可来探测、确定各类用户对产品规格

13、、性能、外观等的需求，实现用户驱动、用户定制；在互联网上发布需求的配套零部件，获得供应商的电子数据，进展电子模装，验证产品的正确性。2022/7/1424四、虚拟现实VR技术虚拟现实 Virtual Reality，VR 技术，交融了数字图像处置、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而大大推进了计算机技术的开展。虚拟现实系统就是要利用各种先进的硬件技术及软件工具，设计出合理的硬件、软件及交互手段，使参与者能交互式地察看和支配系统生成的虚拟世界。 2022/7/1425多感知性(Multi-Sensory)所谓多感知是指除了普通计算机技术所具有的视觉感知之外，还有听觉感知、

14、力觉感知、触觉感知、运动感知，甚至包括味觉感知、嗅觉感知等。 浸没感(Immersion)指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。 交互性(Interactivity)指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反响的自然程度(包括实时性)。 想象性(Imagination)强调虚拟现实技术应具有宽广的可想像空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也可以随意想象客观不存在的甚至是不能够发生的环境。 虚拟现实技术的主要特征2022/7/1426虚拟现实系统表示图2022/7/1427五、虚拟现实运用举例虚拟维修性分析系统框架 2022/7/1428虚拟维修性分析系统原理202

15、2/7/1429沉浸式虚拟现实演示系统 2022/7/1430简单的虚维修实例演示 -负重轮，平衡肘的装配 序号任务内容数量工具1选定负重轮2端盖螺母装配虚拟人装配一个，其他表示6套筒，扳手3卸下端盖14卸下内部花螺母15拆下负重轮置于地面16拧下支撑套上的螺栓7卸下平衡肘8悬挂拉臂2022/7/1431 图2 虚拟人的性别、身高、体重参数 首先建立虚拟维修环境如图1所示：其中采用的虚拟人的性别、身高、体重等如图2所示： 图1 虚拟维修环境2022/7/1432根据装配方案，采用的维修工具为套筒、扳手，它们的体积，质量，密度分别如图3、图4所示： 图3 套筒参数 图4 扳手参数2022/7/1

16、4331、可视性分析：当虚拟人的目光集中在图5位置时，得到虚拟人的在当前维修姿态下可视范围如图6所示，可见，维修部分全在可视范围内：图5 视点图图6 可视范围 2022/7/1434 2、可达性分析：虚拟人的在当前维修姿态下，右手拿维修工具，此时右手的可达范围如图7所示，可见，右臂可以到达负重轮中维修需求接触的各个部分，但是，当要装配平衡肘时，虚拟人曾经够不到悬挂拉臂的部位，如图8所示，因此，维修人员需求在卸下负重轮后，向前挪动，才干进展平衡肘的装配任务： 图7 右手可达范围 图8 右手可达范围2022/7/14353、受力和力矩分析：在接受外载荷的情况下，人体各关节的受力力矩情况，对判别能否

17、完成维修义务至关重要。图9、图10为人体在该种姿态下，右臂的受力和力矩情况。 图 9 虚拟人当前形状 图 10受力和力矩 2022/7/14364、疲劳分析：在一定的任务时间内，给出义务循环的次数，完成义务的时间以及间歇时间，分析人体能否有足够的时间恢复疲劳，在该次义务完成过程中，结果如图11所示，在规定时间内维修人员可以恢复疲劳： 图11 分析结果 2022/7/1437 随着计算机技术的开展，目前曾经可以用计算机建立全机的外形数学模型，用来准确地定义飞机的几何外形，在此阶段可以省去制造一些规范样件。这是建立飞机产品三维数字模型的第一步。今后可使飞机产品包括制造工装全部进展三维数字化几何建模

18、，加上产品构造产品构造树的建模，构成真正的电子产品样件，可以方便地进展数字化预装配，为虚拟制造构筑良好的环境。数字样机在飞机方面的运用2022/7/14382022/7/1439第三节 产品建模的根本方法一、参数化特征建模1、几何模型类型鼠标实体外型图车床刀架线框外型图鼠标曲面模型图二维设计线框建模曲面模型实体建模2022/7/14401线框模型立方体的线框模型图 立方体棱边和顶点的关系 2022/7/1441线框模型的顶点表 顶点坐标值V1V2V7V8100111000011线框模型的棱线表棱线顶点号e1e2e3e10e11e121233412347852022/7/1442 线框建模的优点

19、 所需信息最少，数据运算简单，所占存贮空间较小，硬件的要求不高，容易掌握，处置时间短。 线框建模的局限性几何意义的二义性。 构造体的空间定义缺乏严密性 拓扑关系缺乏有效性 描画的构造体无法进展消隐、干涉检查、物性计算2022/7/14432外表模型外表建模的过程 2022/7/1444外表建模举例阐明面号 面上线号 线数 I 4、3、2、1 4 II 8、12、4、9 4 III 8、7、6、5 4 IV 6、11、2、10 4 V 7、11、3、12 4 VI 5、9、1、10 4 立方体的面表2022/7/1445外表建模的特点 1表达了零件外表和边境定义的数据信息，有助于对零件进展渲染等

20、处置，有助于系统直接提取有关面的信息生成数控加工指令。 2在物体性能计算方面，外表建模中面信息的存在有助于对物性方面与面积有关的特征计算，同时对于封锁的零件来说，采用扫描等方法也可实现对零件进展与体积等物理性能有关的特征计算。3外表建模方式生成的零部件及产品可分割成板、壳单元方式的有限元网格。4曲面建模现实上是以蒙面的方式构造零件形体，因此容易在零件建模中漏掉某个甚至某些面的处置，这就是常说的“丢面。同时依托蒙面的方法把零件的各个面贴上去，往往会在两个面相交处出现缺陷，如重叠或间隙，不能保证零件的建模精度。 所以外表建模不具备零件的实体特征,不能进展物理特性计算。2022/7/14463实体模

21、型1定义 实体建模是定义一些根本体素，经过根本体素的集合运算或变形操作生成复杂形体的一种建模技术，其特点在于三维立体的外表与其实体同时生成。 由于实体建模可以定义三维物体的内部构造外形，因此能完好地描画物体的一切几何信息和拓扑信息，包括物体的体、面、边和顶点的信息。 2实体建模的优点 1. 可以提供实体完好的信息； 2. 可以实现对可见边的判别，具有消隐的功能； 3. 能顺利实现剖切、有限元网格划分、直到NC刀具轨迹的生成。 3实体建模的方法 按照物体生成的方法不同可分为 体素法 扫描法 2022/7/14474实体模型的表示方法 与外表建模不同，三维实体建模在计算机内部存贮的信息不是简单的边

22、线或顶点的信息，而是准确、完好、一致地记录了生成物体的各个方面的数据。 5常见的实体建模表示方法 边境表示法构造立体几何法混合表示法空间单元表示法2022/7/1448 1特征建模定义 特征建模是一种建立在实体建模的根底上，利用特征的概念面向整个产品设计和消费制造过程进展设计的建模方法，它不仅包含与消费有关的信息，而且还能描画这些信息之间的关系。 2 特征的图例 2、特征建模2022/7/14493特征建模中特征分类外形特征资料特征 装配特征 精度特征 、尺寸公差特征 、外形公差特征 、位置公差特征 、外表粗糙度特征2022/7/14504特征建模系统2022/7/14513、特征建模举例 所

23、谓“基于特征是指，在Pro/E中，用户是经过按顺序定义假设干特征来创建零件模型的，这些特征包括拉伸Protrusion、扫描Sweep、孔Hole、圆角Round等。下面图片所示的零件即由3个特征构成，它们分别是旋转特征、圆角特征和孔特征。 2022/7/1452根据零件的根本外形绘制截面图2022/7/1453利用旋转特征创建零件主体2022/7/1454为零件的选定边缘添加圆角特征2022/7/1455经过阵列孔特征为零件添加孔2022/7/14564、参数化设计 1985年，德国的Dornier GmbH公司与CADAM公司胜利开发了CADAM系统。其中，IPD软件系统是最初的二维参数化

24、CAM系统，它的运用使设计效率大为提高；而后将参数化真正运用于消费实践的那么是美国PTC公司的Pro/E软件。 Pro/E是第一款引入参数化设计的模型设计软件。 参数化设计普通是指设计对象的构造外形根本不变，而用一组参数来商定尺寸关系。参数与设计对象的控制尺寸有显式对应关系，设计结果的修正受尺寸驱动，因此参数的求解较简单。 参数化设计的主要特点如下：基于特征。全尺寸约束。 尺寸驱动实现设计修正。全数据相关。2022/7/1457最初的截面外形与尺寸此时创建的零件2022/7/1458修正截面外形与尺寸2022/7/1459零件的外形被自动修正2022/7/14605、变量化设计 变量化技术是在

25、参数化技术的根底上作了进一步改良后提出的设计思想，它保管了参数化技术基于特征、全数据相关和尺寸驱动的优点，但在约束定义上做了根本改动，变量化技术将参数化技术中所需定义的尺寸参数进一步区分为外形约束和尺寸约束，在设计的初始阶段，允许欠尺寸约束项。 参数化和变量化外型方法都是运用约束来定义和修正模型，所不同的是参数化外型运用“全约束方法构造模型，而变量化外型运用“欠约束方法构造模型。 2022/7/1461二、数字化定义数字化定义是对产品模型进展详细定义，甚至包括数字化流程的定义。不同阶段的模型定义内容不同，所提供的功能和定义工具亦不同。在详细设计阶段的定义工具比较容易用计算机实现，而有些定义必需

26、用规范和规范的方式确定。2022/7/1462产品数字化定义流程图2022/7/1463三、装配建模1自底向上设计Bottom-up该方法是模拟产品的实践消费过程的装配方法，即先制造零件，后进展装配。自底向上设计1装配建模方法2022/7/14642自顶向下设计Top-down该方法是模拟产品的开发过程，先定义产品的功能要求与整体外形，再逐层划分组成产品的部件，并勾画出这些部件的大致构造与尺寸，直到最下层的零件。 自顶向下设计过程 2022/7/14652装配方式1多组件装配Multi-Pares多组件装配将参与装配零件的一切数据复制到装配中，装配模型中的零件与被复制的零件没有关联性。同时，由

27、于装配模型要复制一切零件的数据，需占用较大的内存空间，当组件较多时，会影响装配速度。2虚拟装配Virtual Assembly虚拟装配是利用零部件之间的援用和链接关系构成的装配。具有如下优点：1由于是链接零件而不是复制零件到装配，装配时需求的内存空间小；2装配中不需求编辑的下层零件可简化显示，提高了显示速度；3当组成装配的零件修正时，装配会自动更新。2022/7/14663装配构造关系表达在装配外型过程中，各个零部件之间的关系经过装配构造关系进展反映。装配体中的层次和约束等构造关系可以用装配树来表达。 装配树2022/7/1467第四节 产品模型的显示一、图形显示在数字化产品中的作用图形显示技术是数字化产品开发的重要方法，它将产品以不同的方式显示呈现给用户。1、产品可视化根据工程需求，产品模型的可视化可以采用不同的显示方法，这些方法都是利用图形学原理将几何模型变换成图像信息。2022/7/14681线框图2022/7/14692隐藏线为虚