《数字化设计与制造》第03章课件

数字化设计与制造第三章产品数字化设计1设计是产品生命周期中的第一个环节，也是最重要的环节。工程研究与实践表明：整个产品生命周期约80％的费用是由产品设计阶段(从产品定义到制造之前)的工作所决定的，而这一阶段本身所需费用则占不到总费用的3％。人类的创造性活动在整个产品设计过程中最为活跃，其工作对后续工作具有决定性影响。2

75%的修改工作由产品设计阶段引起

80%的修改工作在产品制造阶段或后续阶段完成0102030405060产品定义产品设计工艺规划制造检验应用发生错误修改错误75%成本%80%3本章首先对具有代表性的典型设计理论与方法进行介绍，在此基础之上阐述传统设计与数字化设计的差异及产品数字化设计的基本知识与流程，并介绍数字化设计过程中采用的设计手段与方法，最后讲述数字化设计中的过程管理。4内容提纲第一节概述第二节数字化设计过程

第三节数字化设计实现方法和手段第四节设计过程管理5第一节概述

设计方法学是在深入研究设计过程本质的基础上，以系统工程的观点研究设计的一般进程、规律及设计中思维和工作方法的一门综合性学科。设计方法学的研究成果包括设计理论和设计方法。设计理论是研究设计人员在产品设计过程的思维方式和基本规律。设计方法是产品设计的具体手段，如功能—结构方法、并行设计、面向X的设计、可靠性设计、虚拟设计、智能设计等。

一、典型设计理论与方法6第一节概述

一、典型设计理论与方法

1．欧洲流派的系统设计方法学2．美国流派的公理化设计方法3．苏联流派的发明问题解决理论体系4．日本流派的通用设计理论7第一节概述

第二次世界大战结束后，德国意识到经济复苏的关键在于产品设计水平的提高，并积极开展设计知识获取与运用的研究，尤其是在设计理论方面成为世界发源地。20世纪70年代，德国学者G．Pahl和W.Beitz提出了具有代表性、权威性和系统性的产品设计方法学。他们将工程设计过程主要分为4个阶段；明确任务阶段、概念设计阶段、具体化设计阶段和详细设计阶段，主张将从专业设计人员长期的设计实践中归纳总结出来的各种方法作为工程设计流程中各个环节的手段，贯穿到整个设计过程中。同时，他们将归纳和总结出来的大量工程设计知识经过系统化的整理，以设计目录的形式保存、传递和运用

一、典型设计理论与方法

1．欧洲流派的系统设计方法学背景8第一节概述

系统设计方法学认为产品设计可以看成是有步骤地分析与综合，不断从定性到定量问题的求解过程。强调对原有产品设计经验和设计实践的整理，形成产品设计的准则性知识；强调对产品设计阶段的划分，产品设计是不同阶段之间在知识支撑下的映射和反馈过程；以设计经验抽象、整理出来的设计知识和准则指导设计者进行产品开发。

一、典型设计理论与方法

1．欧洲流派的系统设计方法学

特点这个过程很典型地代表了串行的产品设计与开发模式。9第一节概述

公理化设计(AxiomaticDesign,AD)是由美国麻省理工学院的NamP.Suh教授等学者于20世纪70年代提出的产品设计公理体系。它成为美国设计理论均设计方法研究思想的代表之一。公理设计是通过对大量成功设计实例进行分析归纳、抽象设计过程的本质而形成的，是对产品设计的一种概念性的、抽象的描述。

一、典型设计理论与方法

2．美国流派的公理化设计方法背景10第一节概述

公理化设计的出发点是将传统以经验为主的设计转换到以科学公理、法则为基础的公理体系。其主要特点为：试图确立主导所有设计的一般规律；为设计建立科学基础，向设计者提供设计的科学依据以提供产品设计能力；提高设计的创造性，减少设计的随意性和设计中的错误和不合理性。

一、典型设计理论与方法

2．美国流派的公理化设计方法特点11第一节概述

一、典型设计理论与方法

2．美国流派的公理化设计方法公理化设计过程顾客需求┆┆功能要求┆┆设计参数┆┆过程变量┆┆映射映射映射用户域功能域结构域过程域12第一节概述

发明问题解决理论（TRIZ理论)方法的研究始于1946年，以G.S.Altshuller为首的由苏联的大学、研究所和企业所组成的数百人的研究组织分析研究了世界近250万件发明专利、综合多个学科领域的原理、法则形成了TRIZ理论体系。其主要目的是研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则。

一、典型设计理论与方法3．苏联流派的发明问题解决理论体系背景13第一节概述

无论是一个简单产品还是复杂的技术系统，其核心技术的发展都是遵循着客观的规律发展演变的，即具有客观的进化规律和模式。各种技术难题、冲突和矛盾的不断解决是推动这种进化过程的动力。技术系统发展的理想状态是用尽量少的资源实现尽量多的功能。

一、典型设计理论与方法

3．苏联流派的发明问题解决理论体系核心思想

14第一节概述

以日本东京大学吉川弘之教授为首的日本学者自20世纪70年代起提出了采用数学形式来表达设计过程的思想，并将处理人类思维活动领域内的设计操作表示为知识处理的概念模型。通用设计理论(GeneralDesignTheory，GDT)试图将一般的设计本质在严密的数学原理基础上予以阐述，从而得到有别于各具体领域设计的一般设计理论。

一、典型设计理论与方法4．日本流派的通用设计理论背景15第一节概述

GDT引入了元模型(Metamodel)和元模型空间(MetamodelSpace)来描述设计中的映射过程。元模型用一组有限的属性来描述设计对象在设计过程特定阶段的状态、设计对象组成实体间的相互关联与依赖关系。元模型集合构成的元模型空间是逐步完善的设计过程的具体反映。

一、典型设计理论与方法

4．日本流派的通用设计理论

方法16第一节概述

都从不同的角度强调设计的原理、准则和知识的重要性；都强调设计是一个映射过程，即知识与产品或产品部件、细节之间的映射，以及产品设计不同阶段之间的映射(系统设计方法理论和公理设计理论尤为如此)。

二、产品设计一般程序1．产品设计理论与方法的共性问题由于映射是建立在映射规则和各映射空间的知识基础上的，所以原有设计知识和设计规则对产品设计具有极其重要的作用。17第一节概述

二、产品设计一般程序

2．产品设计过程任务阐明任务书制定要求表评审总体方案设计研究试验绘制草图方案设计评审修正总体方案设计计算主要零部件设计提出特殊外购件和特殊材料技术设计评审全部零件设计图样及技术文件审查确定产品文件转入制造结束再设计再设计不通过不通过不通过再设计再设计否通过通过通过是产品定义方案设计技术设计详细设计18内容提纲第一节概述

第二节数字化设计过程

第三节数字化设计实现方法和手段第四节设计过程管理19

一、传统设计与数字化设计

传统设计数字化设计设计方式手工绘图计算机绘图设计工具绘图板、丁字尺、圆规、铅笔、橡皮等计算机、网络、CAD及CAE软件、绘图仪、打印机等产品表示二维工程图纸、各种明细表等三维CAD模型、二维CAD电子图纸、BOM等设计方法经验设计、手工计算、封闭收敛的设计思维基于三维的虚拟设计、智能设计、可靠性设计、有限元分析、优化设计、动态设计、工业造型设计等现代设计方法工作方式串行设计、独立设计并行设计、协同设计管理方式纸质图档、技术文档管理基于PDM的产品数字化管理仿真方式物理样机数字样机、物理样机特点过早进入物理样机阶段，从设计到物理样机反复迭代修正由个人经验、手工计算带来的设计误差，设计周期长，成本高形象直观，干涉检查、强度分析、动态模拟、优化设计、外观及色彩设计等采用数字样机实现，设计错误少，设计周期短、成本低第二节数字化设计过程20第二节数字化设计过程

二、设计过程模型

设计过程模型的选择有赖于设计过程中各项活动所采用的设计手段、设计方式、产品模型的表达方式、管理模式和设计理念等。明确了产品设计的阶段划分后，目前存在着以下几种不同的产品设计过程模型：顺序过程模型以设计为中心的模型并行设计模型动态模型21第二节数字化设计过程

二、设计过程模型

1．顺序过程模型

传统的设计过程模型为顺序模型，企业选择该类模型的支配因素是为了保证产品的质量与降低成本。按这种模型，新产品设计在交给制造部门之前，按照图中顺序在企业的不同部门内完成。经过试验或后续的制造发现设计的不合理之处，再返回到设计的某个阶段，如详细设计阶段，进行再设计，一直到满足要求为止。22第二节数字化设计过程

二、设计过程模型

2．以设计为中心的模型企业选择该类模型的支配因素也是产品的质量与成本。该模型与上述顺序过程模型的不同点是设计人员在设计阶段要更详细地考虑到制造(DFM)、装配(DFA)、环境(DFE)、全生命周期的成本(Life-CycleCosting，LCC)等具体问题，使设计反复的过程尽可能短。分析是该类模型的重要特征。有限元计算、运动学与动力学仿真、加工过程仿真、装配过程仿真等都是分析的内容。

23第二节数字化设计过程

二、设计过程模型

3．并行设计模型企业选择该类模型的支配因素是产品质量及推向市场的时间。该模型与以设计为中心的模型的不同点为：该模型为小组工作方式，小组成员要具有不同的知识结构，要有产品开发的下游人员参加，为了共同的目的——尽快开发出新产品，而共同努力。

该类模型不仅适用于具备网络环境的大中型企业，也适用于不具备网络环境的小企业。24第二节数字化设计过程

二、设计过程模型

4．动态模型与并行设计模型相比，各个设计阶段一起开始，小组之间的信息交流更加重要，因此需要更好的设计与过程的集成环境。企业选用这种模型的驱动力是产品推向市场的时间。25第二节数字化设计过程

三、串行设计与并行设计1．串行设计过程特点：以顺序过程为前提，即前一阶段完成后，下一阶段才能开始。由于各个阶段应用不同的开发系统，系统之间数据交换困难。经常的数据修改，使产品设计费用增加。设计时间长，不能满足市场的需求。需求结构设计工艺设计制造串行过程26第二节数字化设计过程

三、串行设计与并行设计

2．并行设计过程(1)并行设计的产生背景和基本概念背景：20世纪90年代，出现了一种新的产品生命周期管理方法。这种方法把时间作为关键因素，以缩短产品上市时间为目标，全方位地解决从设计到产品报废的整个产品生命周期的管理，力图使开发者从一开始就考虑到产品全生命周期中的所有因素，包括质量、成本、进度与用户需求，这种管理过程就是并行工程。27第二节数字化设计过程

三、串行设计与并行设计

2．并行设计过程(1)并行设计的产生背景和基本概念概念：所谓并行设计就是指在产品开发的设计阶段就要考虑产品生命周期中的工艺规划、制造、装配、测试、维修等其他后续环节的影响，通过各环节的并行集成，以缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量。并行设计将下游环节的可靠性、技术、生产条件等作为设计环节的约束条件，以避免或减少产品开发进行到晚期才发现错误，再返回到设计初期进行修改，延长产品上市时间，增加产品成本。28第二节数字化设计过程

三、串行设计与并行设计

2．并行设计过程(1)并行设计的产生背景和基本概念并行设计过程并行设计是一个持续地改善产品性能的过程，它是在不影响产品性能的前提下，最大限度地不断改进产品设计的工艺性、质量与成本的控制和相应的管理规划，以减少制造成本、缩短产品开发周期、提高设计效率，努力做到设计一次成功。29第二节数字化设计过程

三、串行设计与并行设计

2．并行设计过程优点：并行设计的实质就是把传统设计的“设计－评价－再设计”的大循环转变为多次的“设计一评价一再设计”的小循环，通过信息反馈，使设计团队中不同专业的人员及早参加设计。这样做的优点是，来自各方面的人在产品设计开发的初期就可以从其各自工作部分的角度出发，对设计的合理性、可行性、经济性等因素加以控制，以便一开始就能致力于发现、寻找能满足新产品性能的技术，能满足目标成本的材料和合理的生产工艺等，并且可以及早发现和改正设计错误。(1)并行设计的产生背景和基本概念30第二节数字化设计过程

三、串行设计与并行设计

(2)并行设计中的关键技术2．并行设计过程过程建模和仿真技术并行设计的集成平台产品数据管理技术综合协调技术产品性能综合评价和决策并行设计中的管理技术31第二节数字化设计过程

三、串行设计与并行设计

(2)并行设计中的关键技术2．并行设计过程(ⅰ)过程建模和仿真技术

并行工程要求及时了解产品生命周期中各个过程的反映，如可制造性、可装配性等。因此，必须建立各种相关模型，如产品模型、装配模型、成本模型、资源模型，从而进行生产过程的结构化分析和绘制数据流向图，简化操作过程，并运用仿真技术对产品性能及相关过程进行仿真分析，给出评价结果和改进意见。

32第二节数字化设计过程

三、串行设计与并行设计

(2)并行设计中的关键技术2．并行设计过程(ⅱ)并行设计的集成平台集成平台是支撑并行设计的基本框架，为所有的产品设计人员提供协同工作环境。该框架突破了原有企业的边界，成为一种可以跨越地域、文化、组织，在时间上并行的产品开发环境，实现面向过程的集成与协同。在集成平台下，设计成员可以在共享的环境下协同工作、交互协商、分工合作，共同完成设计任务。33第二节数字化设计过程

三、串行设计与并行设计

(2)并行设计中的关键技术2．并行设计过程(ⅲ)产品数据管理技术信息共享是实现制造业信息化的基础，也是实现并行工程的基础。产品数据管理的目标是对并行设计中共享的数据与过程进行统一规范管理，保证全局数据的一致性、安全性，并提供统一的数据库操作界面，使设计成员在统一的界面下工作，而不必要关心应用程序在什么平台上以及数据的物理位置。34第二节数字化设计过程

三、串行设计与并行设计

(2)并行设计中的关键技术2．并行设计过程(ⅳ)综合协调技术产品的并行设计过程中，不同专业的设计人员分散在不同地区或部门下协同工作，所用的计算机软件、硬件环境往往也是异构的。此外，不同人员看待问题、处理问题的侧重点不同，他们之间可能存在不一致、不和谐、不稳定，甚至发生冲突。因此，为保证产品设计的顺利进行，使并行设计的效益得以充分发挥，需要有协调管理技术的支持。并行设计的协调管理应提供有效的冲突消解机制，处理多学科设计成员在并行设计环境下出现的各种冲突。35第二节数字化设计过程

三、串行设计与并行设计

(2)并行设计中的关键技术2．并行设计过程(ⅴ)产品性能综合评价和决策并行设计作为现代设计方法，其核心准则是“最优化”。它是在对产品各项性能，包括可加工性、可装配性、可检验性、易维护性，以及材料成本、加工成本、管理成本，模拟仿真的基础上选优。因此产品性能综合评价和决策是并行设计中不可缺少的模块。36第二节数字化设计过程

三、串行设计与并行设计

(2)并行设计中的关键技术2．并行设计过程(ⅵ)并行设计中的管理技术并行设计是一项复杂的系统工程，不仅涉及技术科学，而且还涉及管理科学。目前的企业组织机构是建立在产品开发的串行模式基础上的，并行设计的实施势必导致企业的机构设置、运行方式、管理手段发生较大的改变。37第二节数字化设计过程

四、数字化设计过程的特点(1)广泛采用CAx工具：CAx软件的应用是数字化产品设计的基础，这些软件工具的应用表明制造业已经开始利用现代信息技术来改进传统的产品设计过程，标志着数字化设计的开始。(2)面向产品全生命周期：数字化产品设计必须考虑产品生命周期的各个环节，包括设计、分析、装配、试验、加工、维修、销售、服务等。设计过程中，各环节的相关人员从各自角度及早发现问题，并提出修改意见。(3)基于知识的设计：产品设计的每一步都渗透着设计者的知识和经验，知识获取是其中最为重要、最为繁重，也是最需要在大范围中进行广泛合作的过程。38第二节数字化设计过程

四、数字化设计过程的特点

(4)跨地域：制造的全球化使得参与设计过程各个阶段的设计人员分别来自不同的部门、地区，甚至不同的国家，为了实现设计过程中的相互协作，产品设计人员可以在PDM支持的网络环境下，并行协同地完成产品设计、制造活动。(5)并行性：在产品设计过程中，下游设计人员，如工艺设计人员，可以对产品模型的可制造、可装配性进行评价，通过PDM向设计人员及时反馈评价结果或修改建议；生产制造人员可以通过对加工过程的仿真模拟来检验工艺路线的可行性和合理性，向工艺人员反馈仿真结果或修改意见。39第二节数字化设计过程

四、数字化设计过程的特点(6)协同性：在设计过程中，不同阶段、不同学科或是不同部门、不同地区的设计人员经常需要进行协同交互，因此，数字化设计需要在线交互的通信工具的支持。(7)群体性：产品设计过程中，涉及多领域、多学科知识的集成，整个开发过程往往不是一个人、一个部门或是一个企业所能完成的，而是多个领域的设计专家共同协作完成的。(8)异构性：数字化设计中所采用的操作系统及相应的CAD／CAE／CAPP／CAM等软件工具可能是不相同的，计算机配置、网络环境等硬件平台也可能是不相同的。因此，数字化设计是在异构环境中运行的。40内容提纲第一节概述

第二节数字化设计过程

第三节数字化设计实现方法和手段

第四节设计过程管理41第三节数字化设计实现方法和手段

数字化产品设计离不开先进的设计理论、方法和数字化设计手段的支持。设计理论是对设计过程的系统行为和基本规律的科学总结；设计方法是指导产品设计的具体实施指南，是使产品满足设计原则的依据；设计手段是实现人的创造性思想的工具和技术。在现代设计方法中，计算机技术、信息技术、软件技术、数据库技术和网络技术的发展对设计方法和设计手段的变革起到了决定性的作用。42第三节数字化设计实现方法和手段

CAD(ComputerAidedDesign)技术是一种应用计算机软、硬件系统在工程和产品设计的各个阶段和过程中，为设计人员提供各种快速、有效的产品设计工具和手段，加快和优化设计过程和设计结果，以达到最佳设计效果的一种技术，是工程技术人员以计算机与CAD软件为工具，结合各自的专业知识，对产品进行设计、分析和编写技术文档、优化设计方案，并绘制出产品或零件图的过程。

一、计算机辅助设计技术

定义43第三节数字化设计实现方法和手段

CAD习惯上指应用于几何建模和结构设计的计算机辅助设计技术，其功能一般有几何建模、特征建模、特性计算等，以及一般软件使用操作，数据存储、显示和输出等。CAD系统的发展和应用使传统的、依靠手工绘图的产品设计方法发生了深刻的变化，产生了巨大的社会经济效益。

一、计算机辅助设计技术

功能44第三节数字化设计实现方法和手段

一、计算机辅助设计技术

1．三维建模三维模型展现了产品在三维空间中的真实形状，是设计过程中设计思想的直观反映。三维模型的建立是基于计算机几何造型技术发展起来的，它是在设计方案确定以后，借助CAD系统提供的造型方法确定产品零部件的结构形状、数量和相互配置关系，并以一定的方式在计算机内部存储起来，同时把设计结果呈现给设计者进行修改判定。45第三节数字化设计实现方法和手段

一、计算机辅助设计技术

2．计算机辅助工业设计计算机辅助工业设计（CAID）技术是工业设计理论与CAD技术的有机结合，它是与工业设计的特点及工业设计师的设计思维和习惯相适应的一种计算机辅助设计技术。CAID技术以工业设计知识为核心，以计算机为辅助工具，运用工业设计的理念和方法，实现形态、色彩、宜人性设计和美学原则的定量化描述，充分发挥计算机快速、高效的优点，以及设计人员的创造性思维、审美能力和综合分析能力。46第三节数字化设计实现方法和手段

一、计算机辅助设计技术

2．计算机辅助工业设计在数字化产品设计中，工业设计的思想贯穿于设计的各个阶段.在产品的定义阶段就需要考虑产品的外观、色彩等多样性特征；在方案设计阶段，将产品的工业造型、色彩等外形特征提前呈现给顾客；在技术设计和详细设计阶段则需要考虑在满足产品外观、材质、宜人性等约束下的原理和结构设计。47第三节数字化设计实现方法和手段

一、计算机辅助设计技术

3．数字化预装配

产品数字化预装配是在产品数字化定义的基础上，利用计算机模拟产品装配的过程，检查产品的可装配性。它主要用于产品设计过程中及时进行静动态界面设计和干涉检查、工艺性检查、可拆卸性检查和可维护性检查等。通过数字化预装配过程，可以使设计者在开发的初期阶段就能够对所设计的产品进行分析与协调，提高设计的速度与质量。定义48第三节数字化设计实现方法和手段

一、计算机辅助设计技术

3．数字化预装配数字化预装配是数字样机和虚拟设计的重要组成部分。预装配的内容包括产品的装配建模、装配零件之间的约束关系及间隙分析、装配规划、可装配性分析与评价等。内容49第三节数字化设计实现方法和手段

一、计算机辅助设计技术

3．数字化预装配实现虚拟装配过程的协调和管理，以可视化的形式规划、展示和验证虚拟装配工艺过程，通过人机协同的装配工艺规划算法，生成装配顺序与路径，进行装配过程的仿真与协调，实现各级工作的有序进行；实现数字样机的分析与优化，使设计人员能够对数字预装配的数字样机进行浏览、检查和运动模拟，分析并优化装配件的设计，实现结构分析、运动模拟和数字样机优化，包括空间结构优化、装配模拟优化以及数字样机的综合优化。功能50第三节数字化设计实现方法和手段

一、计算机辅助设计技术

4．虚拟现实技术

虚拟现实（VirtualReality，VR）是将人的想象力与电子学、信息科学相结合的一项综合技术，利用计算机技术构建一种特殊的仿真环境，这种环境并不是真实存在的，但用户可以借助各种传感系统（如立体头盔、数据手套、立体眼镜、投影幕墙等）与它进行自然的交互，仿佛身临其境一般。概念51第三节数字化设计实现方法和手段

一、计算机辅助设计技术

4．虚拟现实技术立体头盔数据手套立体眼镜立体显示器52第三节数字化设计实现方法和手段

一、计算机辅助设计技术

4．虚拟现实技术虚拟现实技术具备自主性、交互性和沉浸感三个基本特征。虚拟设计是以虚拟现实技术为基础，结合产品设计CAD的一种手段，应用前景十分广阔。在产品的方案设计和技术设计阶段，通过三维虚拟环境，设计人员能够直接操纵产品和零件，进行各种形状的建模和修改，利用虚拟现实的漫游特性和实时交互性，相关人员可以对产品原型的各个方面（包括视觉效果、零部件之间的比例关系等）进行评价。这样在产品的设计初期就可以得到各方面的意见，从而保证了设计质量。特点53第三节数字化设计实现方法和手段

一、计算机辅助设计技术

5．计算机辅助工艺规划计算机辅助工艺规划CAPP(ComputerAidedProcessPlanning）是实现CAD/CAM一体化，建立集成制造系统的桥梁。CAPP是一种通过计算机技术，以系统化、标准化的方法，辅助确定零件或产品从毛坯到成品的制造工艺流程规划方法与技术。它通过加工工艺信息（材料、热处理、批量等）的输入，利用人机交互方式或由计算机自动生成零件的工艺路线和工序内容等工艺文件。54第三节数字化设计实现方法和手段

二、计算机辅助工程分析

计算机辅助工程分析CAE(ComputerAidedEngineering)指利用计算机系统提供的强大计算和分析工具，对产品模型进行工程分析计算、校核和仿真模拟的技术。借助于CAE，可取代相同部分的传统物理试件和试验，设计人员能够更快捷、更容易地判断所设计的产品功能、性能和各种指标的优劣，进行设计方案的校验、评价分析和仿真优化，甚至能够实现某些物理试验难以做到的分析评价及仿真，减少物理试验及试件的制作，从根本上改变传统设计中依赖试凑、类比和定性分析的原始做法，实现迅速、直观、准确的量化评价和预测。55第三节数字化设计实现方法和手段

二、计算机辅助工程分析1．有限元分析技术有限元法是根据变分法原理来求解数学物理问题的一种数值计算方法。由于工程上的需要，特别是高速电子计算机的发展与应用，有限元法才在结构分析矩阵方法的基础上，迅速地发展起来，并得到越来越广泛的应用。有限元分析一段分为3个阶段：(1)前处理：该处理实际上是为以后的数值分析作数据准备。(2)解算：根据前处理生成的网格模型及附加条件，构造数值方程后解算出数值解。(3)后处理：将数值解与零件的几何模型联系在一起，以彩色等值线或零件变形图把数值形象地表示出来。56第三节数字化设计实现方法和手段

二、计算机辅助工程分析2．优化技术

优化设计(OptimalDesign)是20世纪60年代初期发展起来的一门新的学科，它是最优化技术和计算机计算技术在设计领域应用的结果。优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法，在解决复杂设计问题时，它能够从众多的设计方案中找到尽可能完善的或最适宜的设计方案。最优化技术是优化设计全过程中各种方法、技术的总称。它主要包含两部分内容：优化设计问题的建模技术和优化设计问题的求解技术。57第三节数字化设计实现方法和手段

二、计算机辅助工程分析3．仿真技术计算机仿真技术是指借助计算机，用系统的模型对真实系统或设计中的系统进行试验，以达到分析、研究与设计该系统的目的。利用仿真技术不但可以预示或再现系统的运动规律和运动过程，而且可以对无法直接进行试验的系统进行仿真试验研究。通过仿真可以将产品在制造或使用过程中可能发生的问题提前到设计阶段处理，它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥着巨大作用。58第三节数字化设计实现方法和手段

二、计算机辅助工程分析3．仿真技术在数字化产品设计过程中，仿真技术贯穿各个设计阶段，如在产品方案设计和技术设计阶段，进行机构之间的连接与碰撞运动学仿真；在详细设计阶段，进行零部件的加工过程仿真、刀位轨迹仿真等。汽车碰撞仿真

挖掘机工作循环

59第三节数字化设计实现方法和手段

三、快速成形技术快速成形(RapidPrototyping，RP)技术是将计算机辅助设计、计算机数控技术(CNC)、激光技术及先进材料技术等的发展加以综合的一种新型制造技术。概念能直接根据产品的CAD数据快捷地制造出具有一定结构和功能的原型甚至产品，而不需要任何工装夹具。快速成形技术是先进制造技术的重要分支，无论在思想上还是实现方法上都有很大的突破。利用快速成形技术可对产品设计进行迅速评价、修改，并自动快速地将设计转化为具有相应结构和功能的原型产品或直接制造出零件。特点60第三节数字化设计实现方法和手段

三、快速成形技术

1．快速成形技术的原理快速成形技术采用离散／堆积成形的原理，通过离散获得堆积的路径及切片信息，通过层层堆积的方式形成三维实体。其过程是：先由三维CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型，然后根据工艺要求，将其按一定厚度进行分层，把原来的三维电子模型变成二维平面信息(截面信息)，即离散的过程；再将分层后的数据进行一定的处理，加入加工参数，产生数控代码，在微机控制下，数控系统以平面加工方式有序地连续加工出每个薄层并使它们自动黏结而成形，这就是材料堆积的过程。61第三节数字化设计实现方法和手段

三、快速成形技术

1．快速成形技术的原理快速成形系统被形象地比作是一台“立体打印机”。RP技术用“增长法”替代传统的“去除法”，实现无模制造，对制造业发展产生具有革命性的意义。62第三节数字化设计实现方法和手段

三、快速成形技术

2．快速成形的主要工艺方法(1)选择性液体固化：选择性液体固化的原理是将激光聚集到液态光固化材料(如光固化树脂)表面、令其有规律地固化，由点到线再到面，完成一个层面的建造，而后升降移动一个层片厚度的距离，重新覆盖一层液态材料，再建造一个层面，由此层层叠加成为一个三维实体。该方法的典型实现工艺有立体光刻(Stereolithography，SL)，实体磨固化(SolidGroundCuring，SGC)，激光光刻(LightSculpting,LS)，总的来说，都以选择性固化液体树脂为特征。63第三节数字化设计实现方法和手段

三、快速成形技术

2．快速成形的主要工艺方法64第三节数字化设计实现方法和手段

三、快速成形技术

2．快速成形的主要工艺方法(2)选择性层片黏结：选择性层片黏结采用激光或刀具对箔材进行切割。首先切割出工艺边框和原型的边缘轮廓线，而后将不属于原型的材料切割成网络状。通过升降平台的移动和箔材的送给可以切割出新的层片并将其与先前的层片黏结在一起，这样层层叠加后得到下一个块状物，最后将不属于原型的材料小块剥除，就获得所需的三维实体。层片添加的典型工艺是分层实体制造（LaminatedObjectManufacturing，LOM）。这里所说的箔材可以是涂覆纸（涂有黏结剂覆层的纸）、涂覆陶瓷箔、金属箔或其他材质基的箔材。65第三节数字化设计实现方法和手段

三、快速成形技术

2．快速成形的主要工艺方法66第三节数字化设计实现方法和手段

三、快速成形技术

2．快速成形的主要工艺方法(3)选择性粉末熔接/黏结：是指对于粉末铺成的有好密实度和平整度的层面，有选择地直接或间接地将粉末溶化或黏结，形成一个层面，铺粉压实，再熔结或黏结成另一个层面并与原层面熔结或黏结，如此层层叠加为一个三维实体。所谓直接熔接是将粉末直接熔化而连接；间接熔结是指仅熔化粉末表面的黏结涂层，以达到互相黏结的目的。黏结则是指将粉末采用黏结剂黏结。其典型工艺有选择性激光烧结（SelectiveLaserSintering，SLS）和三维印刷（3DPrinting，3DP）等。无木模铸型（PatternlessCastingMold，PCM）工艺也属于这类方法。67第三节数字化设计实现方法和手段

三、快速成形技术

2．快速成形的主要工艺方法68第三节数字化设计实现方法和手段

三、快速成形技术

2．快速成形的主要工艺方法(4)挤压成形：是指将热熔性材料（ABS、尼龙或蜡）通过加热器熔化，挤压喷出并堆积一个层面，然后将第二个层面用同样的方法建造出来，并与前一个层面熔结在一起，如此层层堆积而获得一个三维实体。采用熔融挤压成形的典型工艺为熔融沉积成形（FusedDepositionModeling，FDM）。(5)喷墨印刷（Ink-JetPrinting）：是指将固体材料熔融，采用喷墨打印原理（气泡法和晶体振荡法）将其有序地喷出，一个层面又一个层面地堆积建造而形成一个三维实体。69第三节数字化设计实现方法和手段

三、快速成形技术3．快速成形技术在产品设计中的应用(1)产品开发：快速成形技术在产品开发中的关键作用和重要意义是很明显的，它不受复杂形状的任何限制，可迅速地将显示于计算机屏幕上的设计变为可进一步评估的实物。根据原型可对设计的正确性、造型合理性、可装配性进行具体的检验。对形状较复杂而贵重的零件（如模具），如果直接依据CAD模型不经原型阶段就进行加工制造，这种简化的做法风险极大，往往需要多次反复才能成功，不仅延误了开发的进度，而且往往需花费更多的资金。通过原型的检验可将此种风险降到最低的限度。70第三节数字化设计实现方法和手段

三、快速成形技术3．快速成形技术在产品设计中的应用(2)快速模具制造（RapidTooling）：模具是企业生产的关键问题，机电产品中的多数零件是模具成形的。模具的形状复杂，加工精度要求高，基本都是单件生产，因此模具的制造周期一般较长，费用也较高，往往成为产品及早上市的瓶颈环节。利用快速成形技术进行模具的快速设计与制造，无需任何专用工装、工具和加工，便可直接根据原型将复杂的模具和型腔出来。与传统的机械加工方法相比，采用RP技术进行模具制造，可以缩短周期和降低成本1/3左右。71第三节数字化设计实现方法和手段

三、快速成形技术3．快速成形技术在产品设计中的应用72第三节数字化设计实现方法和手段

三、快速成形技术3．快速成形技术在产品设计中的应用73第三节数字化设计实现方法和手段

四、逆向工程技术1．概述传统设计方法（正向设计）是从构思到数字模型，再到产品（实物）的演化过程；设计信息可用参数精确描述74第三节数字化设计实现方法和手段

四、逆向工程技术

1．概述逆向工程技术的产生75第三节数字化设计实现方法和手段

四、逆向工程技术

1．概述逆向（反求）工程是实物到数字模型，再到产品（实物）的演化过程；形面构成复杂，设计信息难以用参数精确描述

逆向工程是将实物模型转变为CAD模型的相关数字化测量技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。76第三节数字化设计实现方法和手段

四、逆向工程技术

1．概述逆向工程的一般过程77第三节数字化设计实现方法和手段

四、逆向工程技术

2．逆向工程常用测量方法接触式测量78第三节数字化设计实现方法和手段

四、逆向工程技术

2．逆向工程常用测量方法激光扫描测量79第三节数字化设计实现方法和手段

四、逆向工程技术

2．逆向工程常用测量方法结构白光测量80第三节数字化设计实现方法和手段

四、逆向工程技术

3．测量数据预处理点云数据拼合81第三节数字化设计实现方法和手段

四、逆向工程技术

3．测量数据预处理点云数据拼合82第三节数字化设计实现方法和手段

四、逆向工程技术

4．三维模型重建曲面的逆向重构过程点云分割选择适当的造型方法生成曲面曲面质量评价（精度、光顺性）曲面裁剪、生成外表面外表面光顺性评价83第三节数字化设计实现方法和手段

四、逆向工程技术

4．三维模型重建自由曲面建模手段目前逆向工程研究中自由曲面建模手段以曲线、曲面为基础的曲面拟合方法。应用对象主要是由复杂曲面组成的产品，如汽车、飞机、船舶等，这类产品既不是完全由简单的二次曲面组成，也不像人脸那样毫无规律而言。以三角曲面为基础的曲面构造方法；最适合表现无规则、复杂型面的物体，特别是玩具、艺术品这类对象。84第三节数字化设计实现方法和手段

85第三节数字化设计实现方法和手段

86内容提纲第一节概述

第二节数字化设计过程

第三节数字化设计实现方法和手段第四节设计过程管理87第四节设计过程管理

产品的设计过程中，包含了若干不同的工作流程，如新产品开发流程、审批流程和更改流程等;每个工作过程都包含不同内容、不同性质的活动，有的工作过程中还可以嵌套另一个工作过程，如产品开发过程中包含有审批和更改流程。在执行这些工作流程中，产品信息不断产生与完善，最终成为有效的、可用于指导生产和支持维修服务的产品数据。88第四节设计过程管理

一、设计过程管理的三个要素设计过程是对产品数据的处理过程，产品数据是设计过程中管理的基本对象，而产品数据是在设计过程中逐渐产生和完善的。从时序上看，设计过程包含一系列相互关联的活动，设计人员在这些活动中利用专业工具来处理产品数据，产品数据也随着活动的进行而不断丰富。因此，设计过程中的活动、数据和人构成设计过程的三个要素。89第四节设计过程管理

一、设计过程管理的三个要素

1．设计活动产品设计是设计者进行创造性思维的一个过程。这一过程由一系列活动构成，通常分为不同的设计阶段，如方案设计、技术设计和详细设计等几个阶段。不同阶段的各种活动往往都持续一定的时间，并产生一定的结果，如制订计划、下达任务、绘图、审核、讨论等活动，其成果物分别是工作计划、任务书、产品图纸、审核意见、讨论纪要等、这些都是与产品相关的信息。产品数据即是在这些活动中由设计人员处理，并不断丰富、细化和完善，直至形成最终的产品结构。90第四节设计过程管理

一、设计过程管理的三个要素2．产品数据设计过程中的活动需要处理各种各样的设计信息，包括产品支持数据、产品定义数据和设计过程数据。产品支持数据包括各种标准规范、标准件、通用件数据、销售数据等；产品定义数据包括产品定义模型、产品图、BOM表、设计文件、计算书、工艺文件和NC程序等；设计过程数据是指反映设计进程中设计数据的发放、变更、审批等的数据。91第四节设计过程管理

一、设计过程管理的三个要素

3．设计人员在设计过程中，不同的任务要由不同的人来执行。为完成一个任务，可临时指定由不同专业和技术背景的人员动态地形成一个多功能的集成产品开发团队(IPT)。IPT的负责人负责某个任务的技术目标、任务分配等事务。IPT是为了完成特定任务动态组织起来的，当一个新任务出现时，就会产生新的团队。随着任务的完成，团队就会解散。设计过程就是由不同设计阶段中不同专业人员的动态组织完成一定任务而实现的。92第四节设计过程管理

工作流程是为达到一定的目标，项目组成员按照规范化的一组活动顺序完成一定任务的过程。工作流程可以分解为若干个活动或工作步骤，每个工作步骤完成若干个操作。各活动之间，根据所要完成任务的性质，有一定的先后顺序。PDM系