第2章现代设计技术

第2章现代设计技术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.现代设计技术的特点(1)系统性。(2)动态性。(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2-1所示。1.基础技术基础技术是指传统的设计理论与方法，特别是运动学、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(IntelligentCAD，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。3.支撑技术支撑技术主要有现代设计方法学、可信性设计技术、试验设计技术。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。可信性设计是广义的可靠性设计的扩展，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。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计算机辅助设计(CAD)技术

2.1.1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。

1950年美国麻省理工学院研制出旋风型图形显示设备(2)20世纪60年代—CAD技术的成长期。

1962年SketchPAD图形系统、首次提出了计算机图形学；1965年美国洛克希德飞机公司推出CAD/CAM(3)20世纪70年代—CAD技术的发展期。三维建模及绘图工具，曲面模型得到初步应用(4)20世纪80年代—CAD技术的普及期。复杂曲面描述技术，实体建模技术趋于成熟。(5)20世纪90年代—CAD技术集成化期。

网络环境下的CAD系统成为主流的设计平台。

2.2.2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。

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(B－spline)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。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”(BoundaryRepresentation，B-rep)法和“构造实体几何”(ConstructiveSolidGeometry，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。

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。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。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”(StandardfortheExchangeofProductModelData，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。2.2.3CAD系统软件与应用1.系统软件系统软件主要用于计算机管理、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(ParametricTechnologyCorporation)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)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Windows95以上操作系统可直接支持绝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。2.3有限元分析

1960年，克拉夫(Clough)首先提出“有限元法”这个概念。30多年来，有限元法得到了很大的发展。它不仅可用于计算静力学模型，也可用于动力学模型求解；既可以计算稳态温度场的物体热力学响应，也可以用于非稳态热源下的时间响应，还能用于电磁场的力学分析等；既可以用于分析刚件结构的受载

变形过程，也可以用于设计轮胎、橡胶零件等非刚性物体，找出它们结构设计中的薄弱环节。因此，有限元法已成为工程结构设计阶段不可缺少的工具。秦凯维奇(Ｏ.Ｃ.Zienkiewicz)教授在他的名著《有限元法》中给出的有限元法定义是：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。有限元法的产品结构模型与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。图2-6有限元实体模型

图2-7受力弯曲有限元图

2.4并行设计关于并行工程的定义目前国际上有多种提法，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。”

在传统的制造系统中，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。在产品图纸设计完成后，必须进行样机试制，再根据试制中发现的问题对图纸进行修改，同时整理试制工艺，设计制造工艺装备，然后再进行小批量生产，考核工艺规程和工装的正确性，并进行必要的修改。只有在小批量试制通过验证后，才能正式批量投产。这种串行工程方式对批量较大和市场寿命较长的产品来说，不失为一种行之有效的方法。但是，许多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，其缺点是显而易见的。因此，对于面向定单的单件及小批量生产，这种串行工作方式就完全不适用了。图2-8(a)、(b)为产品设计及技术准备阶段串行工程与并行工程的基本概念示意图。在串行工程中，前馈信息随着过程传递，反馈信息总滞后于过程，返工浪费很难避免。并行工程采用并行方式，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，力争后续的制造过程一次成功(DoRightFirst)。这样，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，并行工程中也需要对设计方案甚至产品模型进行修改。

并行工程在实施中采用团队工作(TeamWork)方式(见图2-9)，将各类专业人员在产品设计的开始时就组织在一起协同工作。初期人们采用集体办公模式实现团队工作，而在企业的计算机信息网络建立起来后，可以将各功能部门的计算机系统联网并通过相应的管理控制软件，使团队成员在异地共享信息，协同工作，实现更大范围内的并行工程模式。图2-9企业范围内的并行工程模式

在上述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，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(见图2-10)。2.5反求工程反求工程(ReverseEngineering)又称逆向工程或逆向设计。这是近年来为消化并提高引进高新技术而发展起来的一项综合性技术。它以已有的产品或技术为对象，用现代化的手段和理论，解剖并掌握所研究对象的关键技术，在充分研究对象的基础上实现再创造，开发新产品，实行“样品-反求-再创造设计-产品”的新产品设计开发过程。具有关文献统计，反求工程可以缩短新产品开发周期40%以上，是提高新产品开发能力的有效手段。反求工程可分为零件反求，部件反求（或整机反求）。1.零件反求零件反求实质上是零件复制。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，精确测量以复制零件，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。在反求工程中采用的测量方法可归纳为两类：

一类为采用坐标测量机(CoordinateMeasuringMachine，CMM)的接触式测量，另一类是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。下面以采用CMM测量的反求工程为例说明零件反求的过程。零件反求工程系统原理图如图2-11所示。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如下：

(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场效应。

2.6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。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)