第二章 CIMS组成与体系CADCAE

第二章：CIMS组成与体系

工程设计与制造分系统

CAD/CAE黄刚机械学院工业工程系2004年9月现代集成制造系统（5）主要内容CAD，CAE，CAPP，CAAPCAMCAD/CAPP/CAM集成PDMCAD/CAPP/CAM/PDM-iCAPP

CAD子系统CAD定义CAD技术简史

CAD的组成CAD的功能CAD定义CAD指工程技术人员以计算机为工具，用各自的专业知识对产品进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。即，设计者向计算机输入根据设计要求建立的数学模型、设计参数等，通过计算机检索相关计算、优化，以图形方式显示设计结果，设计人员可对结果进行放大、缩小、旋转、平移、变换等处理，直到获得满意结果，最后将结果以图形或数据形式输出的过程。CAD定义计算机辅助设计包括的内容：概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机辅助绘图、计算机辅助设计过程管理等。

完整的CAD系统包括：科学计算、图形系统和工程数据库。

CAD技术简史

——CAD建模的发展历程线框造型:Wire-FrameModeling曲面造型:SurfaceModeling实体造型:SolidModeling特征造型:FeatureModeling变量化造型：VariableModeling线框造型（60年代）

线框建模是最简单的建模系统，物体只通过棱边（直线、圆弧、园）来描述。优点：数据结构简单，易于实现，所需信息量少，所占存贮空间也最少。缺点：没有面的信息，有些情况下信息不完整，存在多义性。

表面只有几何表示，没有定义，由于缺乏形体的表面信息，不能用于加工，CAE及CAM均无法实现。

曲面造型（70年代）

表面建模是通过对物体各种表面或曲面进行描述的建模方法。表面建模常用于其表面不能用简单的数学模型进行描述的物体。

。常用的方法:贝塞尔(Bezier)曲面B样条(Bspline)Coons曲面NUBERS曲面

曲面造型CADAM——美国洛克希德(Lochheed)公司CALMA——美国通用电气(GE)公司CV——美国波音(Boeing)公司IDEAS——美国国家航空及宇航局(NASA)/SDRCUG——美国麦道(MD)公司CATIA——法国达索(Dassault)公司SURP——大众汽车公司PDGS——福特汽车公司EUCLID——雷诺汽车公司曲面造型优点：避免了二义性，有完整的表面和边界，适合自动生成NC加工指令。CAM的问题可以基本解决。

缺点：由于表面模型只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利，最大的问题在于分析的前处理特别困难。

不能优效处理不规则区域的曲面、无法定义曲面厚度。不存在各个表面之间相互关系的信息

曲面造造型开发出出来的的软件件商品品化程程度较较军方方支持持的系系统要要低，，功能能覆盖盖面和和软件件水平平亦相相差较较大。。价格格昂昂贵贵实体体造造型型（（80年年代代初初期期））三维维实实体体建建模模是是目目前前应应用用最最多多的的一一种种技技术术，，它它在在运运动动学学分分析析、、物物理理特特性性计计算算、、装装配配干干涉涉检检验验、、有有限限元元分分析析方方面面都都已已成成为为不不可可缺缺少少的的工工具具。。SDRC公司司于于1979年发发布布了了世世界界上上第第一一个个完完全全基基于于实实体体造造型型技技术术的的大大型型CAD/CAE软件件———I-DEAS。实体体造造型型三维维实实体体建建模模是是目前前应应用用最最多多的的一一种种技技术术，，它它在在运运动动学学分分析析、、物物理理特特性性计计算算、、装装配配干干涉涉检检验验、、有有限限元元分分析析方方面面都都已已成成为为不不可可缺缺少少的的工工具具。。常用用的的方方法法:边界界表表示示法法BoundaryRepresentation——B-rep构造造实实体体几几何何法法ConstructiveSolidGeometry-CSG空间间单单元元表表示示法法边界界模模型型B-rep：：用用边边界界表表面面表表示示一一个个几几何何形形体体，，边边界界表表面面再再分分为为边边和和点点等等底底层层几几何何元元素素比线线框框建建模模方方便便的的图图形形交交互互功功能能难于于建建立立复复杂杂的的几几何何体体模模型型CSG法法CSG法又又称称布布尔尔模模型型，，它是是通通过过基基本本体体素素及及它它们们之之间间的的布布尔尔运运算算（（相相加加、、相相减减、、相相交交））来来表表示示的的。。CSG法法将任何何几何形形体都看看成是由由简单的的“体素素”（如如长方体体、圆柱柱体、球球体、圆圆锥体、、环状体体）组成成，通过过布尔运运算系统统将这些些体素组组成所需需的几何何体。空间单元元表示法法空间单元元表示法法是通过具具有一定定大小的的立方体体（称为为单元））组合起起来表示示物体的的一种方方法。通过定义义各个单单元的位位置是否否被占用用来表达达物体，，因而是是一种近近似表示示法。并并且，单单元的大大小直接接影响到到模型的的分辨率率。单元表示示法要求的存存贮空间间大，且且不能表表示物体体各部分分之间的的关系，，也没有有点、线线、面的的概念。。优点是是算法简简单，便便于物理理性计算算和有限限元分析析。实体造型型实体造型型技术带带来了算算法改进进和未来来发展的的希望的的同时，，也带来来了数据据计算量量的极度度膨胀。。由于以实实体模型型为基础础的CAE本身就属属于高层层次技术术，普及及面窄。。算法和系系统效率率的矛盾盾使实体体造型技技术因此此没能在在整个行行业迅速速推广。。CV公司司最先在在曲面算算法上取取得突破破，计算算速度提提高很大大。特征造型型参数化技技术公司司（ParametricTechnologyCorp.PTC）——Pro/ENGINEER的参数化化软件进入90年代，以以参数化化技术为为特点的的特征造造型变得得比较成成熟起来来，充分分体现出出其在许许多通用用件、零零部件设设计上存存在的、、简便易易行的优优势。特征造型型(80年代中中期)特征造型型：使实体造造型中的的几何体体被赋予予较高层层次（相相对于几几何、拓拓扑等较较低层次次信息而而言）的的工程信信息（如如定位基基准、公公差、粗粗糙度或或其他设设计制造造信息）），提供供参数化化尺寸驱驱动的特特征造型型功能。。特点：基基于特征征、全尺尺寸约束束、全数数据相关关、尺寸寸驱动设设计修改改。特征造型型的特点点设计员操操作的是是产品的的功能要要素，如如定位孔孔，键槽槽等，而而不再是是线条和和体素。。特征的引引入体现现了设计计人员的的设计意意图，使使模型更更易理解解和组织织生产，，设计图图易修改改。将公差、、粗糙度度等工艺艺信息建建立在特特征模型型中，使CAPP和CAM可可直接提提取所需需信息，为开发发基于统统一产品品信息模模型的CAD/CAPP/CAM集集成系统统创造了了条件特征造型型的问题题复合建模模技术，，并非完完全基于于实体，，难以全全面应用用参数化化技术。。CV、CATIA、UGSDRC公司在1990前摸索了了几年参参数化技技术后，，也面临临着同样样的抉择择：采用逐步步修补的的方式，，继续将将其I-DEAS软件参数数化下去去？全部改写写？特征造型型的问题题SDRC的开发人人员发现现参数化化技术（（特征造造型）有有许多不不足。全尺寸约约束的硬硬性规定定干扰和和制约着着设计者者创造力力和想象象力的发发挥。如在设计计中关键键的拓扑扑关系发发生改变变，失去去了某些些约束特特征也会会造成系系统数据据混乱。。变量化造造型SDRC的开发人人员大胆胆地提出出了一种种更为先先进的实实体造型型技术——变量化技技术。从1990年到到1993年，，SDRC公司司投资一一亿美元元，于1993年推出出了全新新体系结结构的I-DEASMasterSeries软件件。在早早期的大大型CAD软件件中，这这是唯一一一家在在90年年代将软软件彻底底重写的的厂家。。变量化造造型变量化技技术既保保持了参参数化技技术的原原有优点点，同时时又克服服了它的的许多不不足之处处。截止到2002，SDRC的市场排排名已由由I-DEASMS1发布时的的第九名名，上升升至第三三位。无疑，变变量化技技术成就就了SDRC，也驱动动了CAD发展史上上的第四四次技术术革命。。CAD子子系统的的组成一个CAD系统由两两部分组组成：高性能的的硬件功能强大大的软件件CAD子子系统的的组成CAD硬件的组组成计算机分为大型型机，中中、小型型机，工工作站和和微机四四大类。。外围设备备包括鼠标、键键盘、扫描仪仪等输入设备备和显示器、、打印机、绘绘图仪、拷贝贝机等输出设设备。网络系统包括中继器、、网桥、路由由器、网关、、Modem方式连接到网网络上，以实实现资源共享享。先进的CAD系统都是以网网络的形式出出现的，特别是在并行行工程环境中中，为了进行行产品的并行行设计，网络络更是必不可可少的。CAD子系统统的组成CAD软件的的组成CAD子系统统的组成CAD软件的的组成：支撑软件：操作系统，程程序设计语言言及其编辑系系统，数据库库管理系统和和图形支撑软软件。应用软件：它是根据本领领域工程特点点，利用支撑撑软件系统开开发的解决本本工程领域特特定问题的应应用软件系统统。设计计算方法法库(常用数学方方法库、统计计数学方法库库、常规设计计计算方法库库、优化设计计方法库、可可靠性设计软软件、动态设设计软件)各种专业程序序库（常用机械零零件设计计算算方法库、常常用产品设计计软件包等））CAD子系统统实现模型CAD的功能能建立几何模型型计算机辅助绘绘图动态模拟工程分析CAD的功能能建立几何模型型几何模型：包括形体各部部分的几何形形状及空间布布置（几何信信息），及各各部分间的连连接关系（拓拓扑结构）几何信息：指物体在欧氏氏空间中的形形状、位置和和大小拓扑信息：指物体各分量量的数目及其其相互间的联联接关系目前常用的建建模系统是三三维几何建模模系统，一般般常用三种建建模方式：线框建模、表表面建模和实实体建模。CAD的功能能计算机辅助绘绘图计算机辅助绘绘制二维图形形常用的方法法：1)直接利用用图形支撑软软件提供的各各种功能，利利用人机交互互方式将图形形一笔一笔地地画出来。主要缺点是速速度慢，绘图图工作量大CAD的功能能计算机辅助绘绘图计算机辅助绘绘制二维图形形常用的方法法：2)利用图图形支撑软件件提供的尺寸寸驱动方式进进行绘图（又又称参数化绘绘图）采用“HandFree”方式随随手勾画出零零件的拓扑结结构然后再给拓扑扑结构添加几几何和尺寸约约束，系统会会自动将拓扑扑结构按照给给定的约束转转换成零件的的几何形状和和几何大小这种方式大大大提高了绘图图效率，它也也支持快速的的概念设计CAD的功能能计算机辅助绘绘图计算机辅助绘绘制二维图形形常用的方法法：3）利用图形支撑撑软件提供的的二次开发工工具，将一些些常用的图素素参数化，并并将这些图素素存在图库中中。根据需要从图图库中按菜单单调用有关图图素，并将之之拼装成有关关的零件图形形。由于图素已经经参数化，可可以方便地修修改尺寸。这种利用参数数化图素拼装装成零件的绘绘图方法可以以极大地提高高绘图效率。。CAD的功能能计算机辅助绘绘图计算机辅助绘绘制二维图形形常用的方法法：4）采用三维造型型系统完成零零件的三维立体模型型，然后采用投投影和剖切方方式由三维模型生生成二维图形形，最后再对二二维图形进行行必要的修改改和补充并标标注尺寸、公公差和其它技技术要求。目前比较先进进的CAD系统都具有这这种功能。这这是最为理想想的绘图方法法。这种绘图图方式一般均均可提供相关关修改功能。。CAD的功能能计算机辅助设设计还包括很很多其它内容容，如优化设设计、智能CAD、概念设计、、工程数据库库、计算机分分析和仿真、、CAD/CAM集成及接口技技术等。一个完善的CAD系统，应包括括交互式图形形程序库、工工程数据库和和应用程序库库。对于产品品或工程的设设计，借助CAD技术，可以大大大缩短设计计周期，提高高设计效率。。CAD技术正向着开开放、集成、、智能和标准准化的方向发发展CAD的功能能建立几何模型型计算机辅助绘绘图动态模拟工程分析工程分析——计算机辅助助工程(CAE)CAE的功能能：产品几何形状状的模型化和工程分析与仿仿真。常见的工程分分析包括：对质量、体积积、惯性力矩矩、强度等的的计算分析；；对产品的运动动精度，动、、静态特征等等的性能分析析；对产品的应力力、变形等的的结构分析。。计算机辅助工工程(CAE)CAE的内容容：有限元分析优化设计动力学分析有限元分析有限元分析技技术是最重要要的工程分析析技术之一。。它广泛应用于于弹塑性力学学、断裂力学学、流体力学学、热传导等等领域。有限元方法是是60年代以来发展展起来的新的的数值计算方方法，是计算算机时代的产产物。有限元分析主要内容：构造线框、表表面和立体几几何元素以及及有限元网格格自动生成，，特别是复杂杂的三维模型型有限元网格格的自动化分分；定义各种载荷荷、物理和材材料性能及边边界条件；对产品进行多多种快速而精精确的分析计计算，如结构构的静、动态态特性、强度度、振动、热热变形分析等等。有限元分析有限元方法的的基本思想是是将结构离散散化，用有限限个容易分析析的单元来表表示复杂的对对象，单元之之间通过有限限个节点相互互连接，然后后根据变形协协调条件综合合求解。由于于单元的数目目是有限的，，节点的数目目也是有限的的，所以称为为有限元法。。这种方法灵活活性很大，只只要改变单元元的数目，就就可以使解的的精确度改变变，得到与真真实情况无限限接近的解。。有限元分析有限元模型和和单元类型有限元分析工作流程有限元分析有限元的前置置处理包括：选择所所采用的单元元类型，单元元的划分，确确定各节点和和单元的编号号及坐标，确确定载荷类型型、边界条件件、材料性质质等。这些工作不但但繁琐、费时时，也容易产产生错误其中最重要的的是网格划分分有限元分析在有限元分分析结束后后，由于节节点数目非非常多，输输出的数据据量大得惊惊人。一个优秀的的有限元分分析程序都都有一个后置处理器器来自动处理理分析结果果，并根据据操作者的的要求以各各种方式将将结果显示示出来。例如，它可可以显示在在载荷作用用下零件的的变形，零零件各部分分的应力、、应变或温温度场的分分布等情况况。优化设计通过定义特特性规范或或约束条件件（如载荷荷、材料强强度、位移移和自然频频率），把把握设计功功能极限，，优化设计计方案。关键是建立立正确的数数学模型。。优化算法：：线性规划划、非线性性规划、动动态规划和和最优控制制问题等求求解。优化设计工程优化设设计过程：：初始方案x0——计算数学模模型中的各各个函数值值——判断断是否达到到最优？———若没有有，则通过过优化途径径产生修改改值Δx(k)，得新的方方案x(k+1)=x(k)+Δx(k)。反复执行这这一迭代过过程——结结果收敛———模值|