现代设计技术的内涵与体系结构

现代设计技术的内涵与体系结构演示文稿现在是1页\一共有86页\编辑于星期日现代设计技术的内涵与体系结构现在是2页\一共有86页\编辑于星期日第二章现代设计技术2.1现代设计技术的内涵与体系结构 2.2计算机辅助设计(CAD)技术2.3有限元分析2.4现代设计方法

现在是3页\一共有86页\编辑于星期日第二章现代设计技术2.1现代设计技术的内涵与体系结构 2.2计算机辅助设计(CAD)技术2.3有限元分析2.4现代设计方法

现在是4页\一共有86页\编辑于星期日2.1现代设计技术内涵与体系结构2.1.1机械设计发展的基本历程2.1.2现代设计技术的内涵和特点2.1.3现代设计技术体系结构

现在是5页\一共有86页\编辑于星期日2.1.1现代设计技术的内涵与特点

(1).设计、设计技术的定义设计技术：设计过程中解决具体设计问题的各种方法和手段

设计：人类改造自然的一种基本活动，也是一种复杂的创造性思维过程。现在是6页\一共有86页\编辑于星期日(2).设计技术的发展传统设计技术现代设计技术主要依靠设计者的经验，并参考类似的机械设计经验，即通过类比分析的方法进行设计以电子计算为手段，建立在现代管理技术之上，运用工程设计的新理念和新方法，实现计算结果最优化、设计过程高效化和自动化的设计技术。现在是7页\一共有86页\编辑于星期日动态、科学、主动、现代方法和手段传统设计技术的继承和发展，多专业和多学科交叉，综合性技术。现代设计技术静态、经验、被动、手工传统设计技术传统技术难以满足设计的要求。现在是8页\一共有86页\编辑于星期日（3

）.现代设计技术的特点1.产品结构分析的定量化；2.产品工作状态分析的动态化；3.产品质量分析的可靠化；4.产品设计结果的最优化；5.产品设计过程的高效化和自动化。引入有限元及边界元方法，实现对任何产品的定量化分析利用理论及测试数据建造与实际工况相符合的数学模型，通过计算机分析计算，预测产品的动态性能和改进效果把零部件或整机中各种具有离散性的性能及参数均视为随机变量。基于概率论建造模型并进行分析计算，从而定量地作出产品质量的可靠性预测根据产品的设计目标、性能及要求构造数学模型，应用数学规划理论和数值计算方法，通过计算机求得最优化结果教会计算机，让计算机完成设计过程的高效化和自动化现在是9页\一共有86页\编辑于星期日主体技术基础技术支撑技术应用技术传统设计理论与方法各产品领域知识与技术计算机辅助设计技术现代设计方法学可信性设计技术设计试验技术相关学科与技术先进制造工艺材料科学自动化技术系统管理技术自然科学政治经济文化社会科学市场营销学……….现代设计技术体系结构框图（4）.现代设计技术体系现代设计技术由4个不同层次的技术所组成，计算机辅助设计技术CAD是现代设计技术的主体技术CAD技术、优化设计、有限元分析、虚拟设计和工程数据库。系统设计、模块化设计、反求工程、绿色设计、模糊设计和工业设计等。可靠性设计、安全性设计、动态设计、疲劳设计、耐腐蚀设计、健壮设计和人机工程设计等。产品的性能试验、可靠性试验、数字仿真试验和虚拟试验等。现在是10页\一共有86页\编辑于星期日1.基础技术（理论基础+发展源泉）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（主干）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”。

因此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。现在是11页\一共有86页\编辑于星期日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。试验设计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。现在是12页\一共有86页\编辑于星期日4.应用技术应用技术是针对使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。现在是13页\一共有86页\编辑于星期日是以计算机为工具，处理产品设计过程中的图形和数据信息，辅助完成产品设计过程的综合计算机应用技术2.2.1计算机辅助设计的基本概念计算机辅助设计概念2.2计算机辅助设计（CAD）技术现在是14页\一共有86页\编辑于星期日零件造型、产品装配、工程图绘制、文档设计产品渲染、动态显示工程分析，如有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动学及动力学仿真2.2.1计算机辅助设计的基本概念CAD技术主要功能现在是15页\一共有86页\编辑于星期日现在是16页\一共有86页\编辑于星期日3DMAX现在是17页\一共有86页\编辑于星期日UG有限元分析现在是18页\一共有86页\编辑于星期日(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计算机辅助设计的产生背景现在是19页\一共有86页\编辑于星期日1、产品造型建模技术

线框模型：以顶点和棱边描述三维形体，为两表结构；

表面模型：以表面描述形体方法，为三表结构；

实体建模：能完整表示三维的几何信息和拓扑信息，有扫描表示法、边界表示法、构造实体几何法等结构形式；

特征模型：以具有工程语义的各类特征来定义描述形体的方法，便于CAD/CAM技术的集成。2、单一数据库与相关性设计单一数据库：与设计相关数据来自同一数据库，实现产品相关性设计，提高设计质量，缩短开发周期。相关性设计：任何设计改动，都将及时反映到其它相关环节上。如：零件图-产品装配图-零件数控程序-二维工程图；左视图-主视图-俯视图-三维实体模型；2.2.3计算机辅助设计的关键技术特征建模现在是20页\一共有86页\编辑于星期日2.2.3计算机辅助设计的关键技术3、NURBS曲面造型技术NURBS（Non-UnifromRationalB-Splines）可统一自由曲线/曲面和规则曲线/曲面的数学模型，简化系统结构，有利于曲线、曲面操作和修改。4、CAD与CAX集成技术CAD与CAX集成涉及建模技术、工程数据管理、数据交换接口等技术。包括如下集成：①CAD/CAE/CAPP/CAM--工程设计领域集成；②CAD/ERP--与管理系统集成；③

异地、异构系统企业间CAD集成，如全球化设计、虚拟设计、虚拟制造及虚拟企业等。5、标准化技术

目的：支持异构、跨平台的工作环境。如：IGES（InitialGraghicalExchangeSystem)图形交换标准；STEP(StandardfortheExchangeofProductModelData)产品数据模型交换标准。现在是21页\一共有86页\编辑于星期日CAD技术的研究热点计算机辅助产品的概念设计

难题：建模和推理计算机支持的协同设计

难题：信息实时可靠交换；异构环境下可靠运行；通讯方法与手段海量信息处理

存储、管理和检索技术

智能CAD技术：将人工智能技术与CAD技术融为一体，难题：解决人类思维模型建立和表达CAD与虚拟现实（VR）技术的集成

VR向设计者提供视觉、听觉、触觉等直观、自然、实时的感知，目前VR所需软硬件价格昂贵，技术开发难度大计算机安全

技术保密，防病毒感染现在是22页\一共有86页\编辑于星期日计算机辅助设计软件的应用多用途车概念设计－基本结构平台多用途车概念设计－矿山运输车多用途车概念设计－油罐车多用途车概念设计－集装箱运输车现在是23页\一共有86页\编辑于星期日装甲车辆概念设计计算机辅助设计软件的应用现在是24页\一共有86页\编辑于星期日机车概念设计计算机辅助设计软件的应用现在是25页\一共有86页\编辑于星期日数控车铣中心透视汽车的内部结构虚拟检修工飞机底舱的复杂管路虚拟人检验飞机的可维修性摩托车外观的艺术渲染计算机辅助设计软件的应用现在是26页\一共有86页\编辑于星期日建立物理问题的数学方程和寻求所建立方程的解算方法是数学、物理界最主要的工作之一。有限元法是求解微分方程的一种数值方法。微分方程的重要性决定了有限元的理论及工程意义。2.3有限元分析一元N次方程（直接求解、数值迭代）常微分方程（直接积分，Euler法，Runge-Kutta法，差分法）偏微分方程（差分法，边界元法，Ritz法，Galerkin法,有限元法).......方程（解法）现在是27页\一共有86页\编辑于星期日有限元法2.3.1有限元法的基本概念和特点

有限元法FEM（FiniteElementMethod）一种求解工程数学物理问题近似解的数值分析方法，有限元分析FEA（FiniteElementAnalysis）则是采用有限元法来近似求解数学物理问题的过程。

有限元法的基本思想是将物体（即连续求解域）离散成有限个且按一定方式相互连接在一起的单元组合，来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题进行求解。现在是28页\一共有86页\编辑于星期日性能仿真分析

有限元分析－性能仿真现在是29页\一共有86页\编辑于星期日运动学动力学仿真分析有限元分析－运动学动力学仿真现在是30页\一共有86页\编辑于星期日结构分析

三维实体模型

网格模型及主应力分析结果

有限元分析－结构分析三维实体模型网格模型变形结果飞机齿轮的应力及应变分析凸轮轴的应力和应变分析曲轴连杆应力变化现在是31页\一共有86页\编辑于星期日有限元分析－结构分析机床动刚度分析－位移云图并联运动机床的应力与应变分析现在是32页\一共有86页\编辑于星期日齿轮接触应力分析有限元分析－结构分析现在是33页\一共有86页\编辑于星期日流体动力学分析

有限元分析－流体动力学仿真Gulf球头的流体分析仿真管路中的流速分析现在是34页\一共有86页\编辑于星期日热分析

有限元分析－热分析电熨斗在恒温控制时的热场电熨斗在恒温控制时的热场现在是35页\一共有86页\编辑于星期日有限元分析－电磁场分析电磁场分析马蹄形磁铁的磁场有限元分析汽车磁场分布分析图现在是36页\一共有86页\编辑于星期日PAM-CRASH分析轿车安全气囊两辆轿车横向相撞有限元分析－碰撞仿真碰撞动力学分析轿车侧撞有限元仿真模拟之一轿车侧撞有限元仿真模拟之二轿车侧撞有限元仿真模拟之三汽车碰撞现在是37页\一共有86页\编辑于星期日多物理场耦合仿真

有限元分析－耦合仿真现在是38页\一共有86页\编辑于星期日控制系统仿真分析

有限元分析－控制系统仿真现在是39页\一共有86页\编辑于星期日制造系统仿真分析

有限元分析－制造系统仿真铸造过程模拟冲压仿真铸件凝固过程的仿真冲压有限元仿真模拟现在是40页\一共有86页\编辑于星期日一汽“小红旗”轿车油底壳一次深拉延模拟与模面优化设计有限元分析－制造系统仿真现在是41页\一共有86页\编辑于星期日一汽“小红旗”轿车油底壳一次深拉延模拟与模面优化设计有限元分析－制造系统仿真

整型件一次拉深件延成功实验结果现在是42页\一共有86页\编辑于星期日一汽“小红旗”轿车油底壳一次深拉延模拟与模面优化设计有限元分析－制造系统仿真KMAS软件模拟冲压过程的三个阶段实际冲压过程对应的三个阶段现在是43页\一共有86页\编辑于星期日机构分析、虚拟样机仿真有限元分析－机构分析采用机构运动学和动力学分析，计算运动件运动历程和运动副力传递历程。进行多体系统分析，考虑结构件的柔度和阻尼等条件。根据工作过程动态模拟，进行装配干涉分析。

现在是44页\一共有86页\编辑于星期日发动机运动件模拟有限元分析－机构分析控制机构运动分析发动机工作过程仿真现在是45页\一共有86页\编辑于星期日加工与成形过程建模和仿真有限元分析－加工成形过程仿真加工过程的建模和仿真目前应用最多的是切削加工过程的运动学仿真，主要用于刀具路径轨迹规划和运动过程的干涉检测，很多商品化如Rro-E、UG等CAD软件都提供了该项功能；

为了实现对加工过程的动力学仿真和精度仿真，需要针对不同切削加工方法，如车、铣、钻、镗等，建立由相应机床、刀具、工装、工件等组成的切削系统动力学模型及误差分析模型现在是46页\一共有86页\编辑于星期日刀具路径轨迹规划有限元分析－加工成形过程仿真①垂直进刀②步进进刀③斜线进刀④之字形进刀⑤螺旋进刀不同的切入方式以被加工件曲率为依据，以走刀路径最大长度为目标的刀具路径优化刀具路径速度变化图不同层之间切削刀具以螺旋方式运动现在是47页\一共有86页\编辑于星期日有限元分析－加工成形过程仿真车削成形过程的仿真可对切削力、切削温度进行预测，基于ALE方法的模型对切削力的预测误差在10％以内

三轴数控加工模具现在是48页\一共有86页\编辑于星期日有限元分析－加工成形过程仿真高速切削过程的变形仿真现在是49页\一共有86页\编辑于星期日2.4现代设计方法2.4.1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从产品的关键技术进行全面现在是50页\一共有86页\编辑于星期日考虑，以达到降低成本、提高产品质量和缩短开发周期的目的。并行设计在设计阶段综合考虑产品生命周期中工艺、制造、装配、测试、维修等环节的因素，全面评价产品设计，及时反馈改进意见，迅速改进产品设计，使产品设计、工艺设计、制造一次成功。现在是51页\一共有86页\编辑于星期日2.4.2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。它指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法，重构实物的CAD模型，从而实现产品设计与制造的过程。现在是52页\一共有86页\编辑于星期日反求技术以已有的先进产品或设备的实物、软件（图样、程序、技术文件等）或影像（图片、照片等）为研究对象，应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，进行创新，开发出新产品，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。现在是53页\一共有86页\编辑于星期日现在是54页\一共有86页\编辑于星期日反求工程的关键技术：1.数据测量技术:传统的接触式测量法（三坐标测量机法）；非接触测量法（投影光栅法、激光三角法、工业CT法、核磁共振法、自动断层扫描法）2.数据预处理技术噪声点过滤、数据点区分、数据点精简、数据点平滑3.模型重构及产品制造技术测量技术现在是55页\一共有86页\编辑于星期日点数据处理过程2.数据预处理技术现在是56页\一共有86页\编辑于星期日曲线处理过程现在是57页\一共有86页\编辑于星期日曲面处理过程现在是58页\一共有86页\编辑于星期日应用领域

(1)新零件的设计，主要用于产品的改型或彷型设计。

(2)已有零件的复制，再现原产品的设计意图。

(3)损坏或磨损零件的还原。

(4)数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较。

现在是59页\一共有86页\编辑于星期日应用领域

民用领域

三维彩色数字摄影、三维型面检测

人体数字化、服装CAD、人体建模、人体数字雕塑、三维面容识别

医学仿生、医学测量与模拟、整形美容及正畸的模拟与评价

三维彩色数字化、数字博物馆、有形文物及档案的管理、鉴定与复制

三维动画影片的制作、3D游戏建模、三维游戏中三维模型的输入与建立

公安刑侦、脚印、工具痕迹、弹痕采集及数字化

现在是60页\一共有86页\编辑于星期日应用领域

工业领域工业产品的检测与测量、产品及模具的逆向工程(汽车，航空，家电工业)

零部件形状变形检测、形状测量、研究测量、工业在线检测

工业产品造型中的逆向三维重构

设计物理模型转换到数字模型

工业产品及零部件的质量检测

工业品的解析与仿制

工业研究实验的检测工具

模具设计与检测领域

现在是61页\一共有86页\编辑于星期日某汽车模具厂现场扫描的实例

三维扫描仪对物体多方位多角度进行拍摄

利用被测物体表面的特征点或者标记点自动拼接后获得的完整点云数据

经过对原始数据进行除噪、取样后获得高质量的点云数据从点云数据中提取特征线、边界线

逆向软件中建成模型

在逆向件中数模对比分析，检验产品

现在是62页\一共有86页\编辑于星期日实例现在是63页\一共有86页\编辑于星期日人体数据扫描、三角面片处理、雕塑快速成型加工制作的整套解决方案

现在是64页\一共有86页\编辑于星期日

2.4.3模块化设计

模块化设计概念

模块化设计是指对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。模块特征：

相对独立性、互换性、通用性现在是65页\一共有86页\编辑于星期日

2.4.4绿色产品设计

绿色设计概念

绿色设计是指在产品全生命周期内，着重考虑产品环境属性(自然资源的利用、环境影响及可拆卸性、可回收性、可重复利用性等)，并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，并行地考虑产品应有的基本功能、使用寿命、经济性和质量等。绿色产品的特点：(1)扩大了产品生命周期。(2)有利于环境保护，降低资源要求。绿色设计现在是66页\一共有86页\编辑于星期日2.4.5优化设计优化设计概念优化设计是根据一般的设计方法，把工程问题转变成数学模型，再应用优化设计和计算机找到最优的设计方案。优化设计的步骤(1)分析设计对象，确定设计变量(2)确定设计约束条件，建立目标函数(3)选择优化求解方法，分析优化结果现在是67页\一共有86页\编辑于星期日优化设计步骤

现在是68页\一共有86页\编辑于星期日（1）设计变量

设计变量的不同参数表示不同的设计方案。设计变量必须是一组相互独立的变量，将其表示成X，即：X=（x1,x2,…,xn)T其中n是设计变量的个数，也称为维数。设计变量的取值：一是连续变化量，另一是离散量比如齿轮的模数。

由n个设计变量所组成一个向量空间，称之为设计空间。

现在是69页\一共有86页\编辑于星期日N=1,设计空间为一根实数轴，称为一维优化问题N=2,设计空间为一平面，称为二维优化问题N=3,设计空间为三维立体，称为三维立体。N>3,设计空间为超越空间。一个设计方案相当于设计空间中的一个点。现在是70页\一共有86页\编辑于星期日（2）目标函数每一个设计问题，都有一个或多个设计中所追求的目标。用设计变量的函数来表示。目标函数是准则性函数，又称为评价函数。可表示为：F(X)=F(x1,x2,…,xn)T

优化设计的目的：按要求选择所需的设计变量，使目标函数达到最佳值。最佳值可能是极大值，也可能是极小值。如求产值最大、效率最高等问题，属于求极大值问题，maxF(X)现在是71页\一共有86页\编辑于星期日产品的重量最轻、成本最低等问题，即为求目标函数的极小值问题，属于求目标函数的极大值问题，记为minF(X)为了优化算法与处理程序的统一，可将目标函数均规格化为求极小化问题，即

minF(X)=-maxF(X)或mixF(x)=1/maxF(X)现在是72页\一共有86页\编辑于星期日(3)设计约束与可行域

优化设计不仅要使所选择方案的设计指标达到最佳值，同时还必须满足一系列的附加设计条件，这些附加设计都构成对设计变量取值的限制，在优化设计中被称为设计约束。设计约束有两种：一种是不等式约束，另一种是等式约束。不等式约束形式：gu(x)<=0或gu(x)>=0等式约束形式：hv(x)=0现在是73页\一共有86页\编辑于星期日由于设计约束的存在，在整个设计空间范围内被分为可行域和非可行域两个不同的区域。g（X）=0g（X）>0g（X）<0非可行域可行域x1x20约束变量影响设计空间可行域

现在是74页\一共有86页\编辑于星期日2）优化方法的分类按目标函数数量：单目标优化和多目标优化按设计变量数量(n)：

n=2-10小型优化

n=10-50中型优化n>50大型优化按约束条件：无约束优化和有约束优化；求解方法：准则法、数学规划法线性规划、非线性规划和动态规划。现在是75页\一共有86页\编辑于星期日设计对象的分析设计变量和设计约束条件的确定目标函数的建立、合适的优化计算方法的选择优化结果分析3）优化设计的步骤现在是76页\一共有86页\编辑于星期日常用优化求解方法一维搜索法黄金分割法多项式逼近法无约束非线性规划算法间接法梯度法（最速下降法）牛顿法（二阶梯度法）DFP变尺度法直接法Powell法（方向加速）单纯形法有约束非线性规划算法直接法网格法随机方向法复合形法间接法拉格郎日乘子法罚函数法可变容差法现在是77页\一共有86页\编辑于星期日4)优化设计举例如图对称两杆桁架：2P＝300KN，2L＝1500mm，H＝900mm，E＝2.1×105N/mm，ρ＝7.85×103Kg/m3，σs＝350N/mm2，D＝25-60mm、B＝3-8mm。求解：满足强度前提下桁架重量最轻