基于ProMechanica的数控立铣刀优化设计-毕业论文

天津工程师范学院2008届本科生毕业设计PAGEPAGE4第一章CAD/CAE/CAM的简述1.1CAD/CAE/CAM的发展历程1963年美国教授I.E.Suterland成功研制出了世界上第1套实时交互的计算机图形系统SKETCHPAD，它标志着CAD技术的诞生。在1952年美国MIT试制成功了世界上第1台数控铣床，解决了复杂零件的加工自动化，促使了数控编程技术的发展。20世纪50年代中期，MIT研制开发了自动编程语言(APP)提出了被加工零件的描述、刀具轨迹的计算、后置处理及数控指令自动生成等CAM基本技术。从此以后，CAD技术与CAM技术便相辅相成地发展起来，在过去的40多年中，CAD/CAM技术经历了如下四个主要发展阶段【14~15】：①20世纪50年代的初始准备阶段美国麻省理工学院(MIT)于1950年在“旋风”计算机上采用阴极射线管(CRT)做成图形终端，并能显示图形。50年代后半期出现了光笔，由此开始了交互式计算机图形学的研究。②20世纪60年代前期的研制试验阶段此阶段是交互式计算机图形学发展的最重要时期。该时期较著名的交互式系统有：1963年美国学者Ivan.Sutherland研究的“sketchpad”系统；1964年美国通用汽车公司的“DAC一1”系统；1965年洛克希德公司推出的“CAD/CAM”系统，贝尔电话公司的“GRAPHIC一1”系统等，但当时刷新式显示器价格十分昂贵，CAD系统因此难以普及。③20世纪60年代末至70年代的商品化阶段交互图形技术日益成熟并得到广泛应用，此时期CAD/CAM的发展着重于绘图技术，几何模型化及工程分析研究工作，仍以分离的单个软件应用为主。此时它们大多是6位机上的三维线框系统及二维绘图系统，只能解决一些简单的产品设计问题。④20世纪80年代后的迅速发展阶段20世纪80年代工业界开始认识到CAD/CAM新技术的重要性，大量推出新原理、新方法、新软件，并把单一功能软件集成，使之不但能绘制工程图形，而且能进行自由曲面设计、有限元分析、三维造型、机构及机器人分析与仿真等多种应用。与此同时，计算机硬件及输人、输出设备也有较大发展，32位的工作站可以和小型机、甚至中型机相媲美，价格低廉的彩色光栅图形显示器占据统治地位，计算机网络获得以广泛应用，所有这些都大大促进了CAD/CAM的更大发展。30年来，工业发达国家的CAD技术不断创新、完善，逐步发展形成一个从研究开发、生产制造到推广应用和销售服务的完整的高技术产业。CAE技术比起CAD、CAM发展得晚，在20世纪60-70年代，处于探索阶段，有限元技术主要针对结构分析问题进行发展，以解决航空航天技术发展过程中所遇到的结构强度、刚度以及模拟实验和分析。20世纪70-80年代是CAE技术蓬勃发展时期，出现了大量的机械软件，软件的开发主要集中在计算精度、硬件及速度平台的匹配、计算机内存的有效利用及磁盘空间利用上，而且有限元分析技术在结构和场分析领域获得了很大的成功。20世纪90年代CAE技术逐渐成熟壮大，软件的发展向与各CAD软件的专用接口和增强软件的前后置处理能力方向发展，使CAE走上了CAD/CAE/CAM集成的道路。1.2CAD/CAE/CAM的概念、作用和关系CAD在早期是英文ComputerAidedDrafting（计算机辅助绘图）的缩写，随着计算机软、硬件技术的发展，人们逐步地认识到单纯使用计算机绘图还不能称之为计算机辅助设计，真正的设计是整个产品的设计，它包括产品的构思、功能设计、结构分析、加工制造等。二维工程图设计只是产品设计中的一小部分，于是CAD的缩写也由ComputerAidedDrafting改为ComputerAidedDesign，CAD也不再仅仅是辅助绘图，而是整个产品的辅助设计。CAE（ComputerAidedEngineering）通常指有限元分析和机构的运动学及动力学分析。有限元分析可完成力学分析（线性、非线性、静态、动态）、场分析（热场、电场、磁场等）、频率响应和结构优化等。机构分析能完成机构内零部件的位移、速度、加速度和力的计算，机构的运动模拟及机构参数的优化。CAM（ComputerAidedManufacture）可完成自动生成零件加工的数控代码，并可进行加工过程的动态模拟、干涉和碰撞检查等。是为数控机床服务的。CAD是CAE和CAM的基础。在CAE中无论是单个零件、还是整机的有限元分析及机构的运动分析，都需要CAD为其造型、装配；在CAM中，则需要CAD进行曲面设计、复杂零件造型和模具设计。在CAD中对零件及部件所做的任何改变，都会在CAE和CAM中有所反应。所以如果CAD开展的不好，CAE和CAM就很难做好。1.3CAD系统概述先进的CAD系统均由硬件和软件两大系统组成。硬件系统是由计算机及其外围设备和网络组成。软件系统是由支持软件和应用软件组成。按照设计模型的不同，CAD系统分为二维CAD和三维CAD系统。二维建模是最初的CAD技术依赖几何模型来解决二维绘图问题的，之后发展为三维的几何建模技术。三维几何建模方法有线框建模、表面建模和实体建模。由于三维CAD系统的建模包含了很多的实际结构特征，使用三维CAD造型工具进行产品结构设计时，更能反映实际产品的构造及制造过程。随着几何建模技术的发展和应用的要求，出现了参数化和变量化的建模技术，并日趋广泛使用。当设计对象的结构形状比较定型时，多采用参数化建模技术，而当设计对象需要更大的修改自由度时，则采用变量化建模技术。（1）面向对象、面向工艺特征的结构体系传统CAM曲面为目标的体系结构将被改变成面向整体模型（实体）、面向工艺特征的结构体系。系统将能够按照工艺要求自动识别并提取所有的工艺特征及具有特定工艺特征的区域，使CAD/CAE/CAM的集成化、自动化、智能化达到一个新的水平。（2）基于知识的智能化系统

未来的CAM系统不仅可继承并智能化地判断工艺特征，而且具有模型对比、残余模型分析与判断功能，使刀具路径更优化，效率更高。同时也具有对工件包括夹具的防过切、防碰撞功能，提高操作的安全性，更符合高速加工的工艺要求，并开放工艺相关联的工艺库、知识库、材料库和刀具库，使工艺知识积累、学习、运用成为可能。（3）提供更方便的工艺管理手段

CAM的工艺管理是数控生产中至关重要的一环，未来CAM系统的工艺管理树结构，为工艺管理及即时修改提供了条件。较领先的CAM系统已经具有CAPP开发环境或可编辑式工艺模板，可由有经验的工艺人员对产品进行工艺设计，CAM系统可按工艺规程全自动批次处理。据报道，未来的CAM系统将能自动生成图文并茂的工艺指导文件，并能以超文本格式进行网络浏览。1.6本课题的提出和研究内容高精度数控刀具结构非常复杂，而且在精度、可靠性和寿命等方面都有很高的要求。想要实现对它的建模和分析，必须要有一个集CAD、CAM及CAE于一体的软件，才能完好的实现。Pro/E是一套具有优秀的三维造型功能、强大的参数化设计和同意数据库管理等特点的CAD软件。本课题提出了“基于Pro/MECHANICA的立铣刀有限元分析”的研究课题。以高精度数控刀具——以二齿平头、四齿平头、二齿球头等数控立铣刀为研究对象，将有限元设计方法引入高精度复杂刀具的强度、刚度分析中，进行基于Pro/MECHANICA的刀具优化设计。具体研究内容如下：（1）建立数控立铣刀的三维设计模型；（2）在三维模型的基础上，基于Pro/MECHANICA模块完成数控立铣刀结构的有限元分析。具体包括：1）通过静力分析，得到铣刀的受力和变形的初步分析结果；2）通过局部灵敏度分析，挑选出对刚度影响较大的参数；3）通过全局灵敏度分析，挑选出影响刚度的参数变化范围。（3）对有限元结果进行分析，得到优化的设计模型，完成刀具结构的优化设计。第二章基于Pro/E的有限元分析原理2.1CAE子系统的框架及实现流程图2.1高精度数控刀具CAD/CAM系统框架Fig2.1The图2.1高精度数控刀具CAD/CAM系统框架Fig2.1TheFrameworkOfHighAccuracyNCCuttingOfCAD/CAMSystem高精度数控刀具CAD/CAM系统的框架如图2.1所示，系统从功能上可分为：系统集成框架、CAD子系统、CAE子系统、CAM子系统及共用产品数据库等模块，各模块的功能描述如下：（1）系统集成框架：基于VisualC++6.0开发完成的。其主要功能是根据用户的不同工作要求实现对系统资源（如产品数据库、文件库等）的合理配置、调用、检索、管理以及对各系统模块的协调和管理等。（2）CAD子系统：基于Pro/E开发环境，利用Pro/Toolkit和ACCESS开发工具VisualC++6.0语言开发的相对独立的“CAD子系统”。其主要功能是基于Pro/E强大的参数化功能，在Pro/Toolkit的模块环境中，实现了立铣刀三维造型的参数化设计。（3）CAE子系统：使用Pro/MECHANICA分析软件将Pro/E产生的刀具模型与数据导入系统用灵敏度分析的方法对刀具强度进行分析，以及分析刀具结构的合理性，获得最优截形参数。（4）CAM子系统：基于VisualC++6.0、ACCESS数据库管理系统开发的一个相对独立的子系统模块。该模块主要实现以下几项功能：1)完成刀具的工艺设计，系统可以生成工艺过程卡的各工序内容；2)将数控加工的工序内容自动转化为相应的NC宏程序；3)实现对报表的打印和NC代码传输等功能。（5）共用产品数据库：用于存放结构设计与工艺设计中所需的各种数据。2.1.2CAE子系统的框架及实现流程CAE子系统框架图如图2.2所示。本文对立铣刀进行静态有限元分析，在此基础上进行局部灵敏度分析和全局灵敏度分析，挑选出对模型刚度影响最大的参数，进行优化设计。灵敏度分析是对优化设计作铺垫，优化设计是由用户指定研究目标、约束条件、设计参数，然后在参数的给定范围内求解满足研究目标和约束条件的最佳方案。图2.2CAE子系统框架Fig.2.2TheFrameworkOfCAESubsystem2.2基于Pro/MECHANICA的有限元分析原理2.2.1Pro/ENGINEER1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/ENGINEER2000i2。PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。下面就Pro/ENGINEER的特点及主要模块进行简单的介绍。

1.主要特性

（1）全相关性：Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。

（2）基于特征的参数化造型：Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。

装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。

数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。

（3）装配管理：Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。

（4）易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。2.常用模块

Pro/DESIGNIER

是工业设计模块的一个概念设计工具，能够使产品开发人员快速、容易的创建、评价和修改产品的多种设计概念。可以生成高精度的曲面几何模型，并能够直接传送到机械设计和/或原型制造中。

Pro/PERSPECTA-SKETCH

能够使产品的设计人员从图纸、照片、透视图或者任何其它二维图象中快速的生成一个三维模型。

Pro/ASSEMBLY

构造和管理大型复杂的模型，装配体可以按不同的详细程度来表示，从而使工程人员可以对某些特定部件或者子装配体进行研究，同时在整个产品中使设计意图保持不变。Pro/FEATURE

允许产品设计人员创建高级特征（例如高级的扫描和轮廓混合）利用简便的设计工具，在很短的时间内就可以实现。

Pro/SCAN-TOOLS

满足工业上使用物理模型作为新设计起点的需求。把模型数字化，它的形状和曲面就可以以点数据的形式输入到Pro/SCAN-TOOLS中，因此能产生高质量的与物理原型非常匹配的模型。

Pro/SURFACE

能够使设计人员和工程人员直接对Pro/ENGINEER的任一实体零件中的几何外形和自由形式的曲面进行有效的开发，或者开发整个的曲面模型。Pro/MECHANICA

进行有限元分析。Pro/MESH

对Pro/ENGINEER中创建的实体模型和薄壁模型进行自动的有限元网格划分，能够使拥护快速的评价不同描写在各种条件下的不同模型构造。一旦网格划分完成，模型可以输出到先导FEA程序中。

Pro/MFG

扩展了完全关联的Pro/ENGINEER环境，使其包含了铣、车、线切割EDM以及轮廓线加工等制造过程。生成加工零件所需的加工路线并显示其结果，通过精确描述加工工序提供NC代码。

Pro/MOLDESIGN

为模具设计师和塑料制品工程师提供使用方便的工具来创建模腔的几何外形；产生模具模芯和腔体；产生精加工的塑料零件和完整的模具装配体文件。除此以外还有很多模块，由于篇幅限制，就不赘述了。2.2.2有限元分析（Pro/MECHANICA）简介Pro/MECHANICA是美国PTC（ParametricTechnologyCoporation，参数技术公司）开发的有限元软件。该软件可以实现和Pro/ENGINEER的完全无缝集成。同其他有限元软件相比，Pro/ENGINEER软件可以完全实现几何建模和有限元分析的集成。绝大部分有限元软件的几何建模功能比较弱，这些有限元软件通常通过IGES格式或者STEP格式进行数据交换，而这样做最大的弊端在于容易造成数据的丢失，因此常常需要花费大量的时间与精力进行几何模型的修补工作。使用Pro/MECHANICA恰好可以克服这一点，该软件可以直接利用Pro/ENGINEER的几何模型进行有限元分析。由于Pro/ENGINEER具有强大的参数化功能，那么在Pro/MECHANICA中就可以利用这种参数化工具的优点，进行模型的灵敏度分析和优化设计，具体地说，当模型的一个或多个参数在一定范围内变化时，求解出满足一定设计目标（如质量最小、应力最小等）的最佳化几何形。因此，可以说Pro/MECHANICA软件可以真正使工程师们将精力集中在设计工作中，在设计初期就将设计和分析结合起来，从而实现智能设计。使用Pro/MECHANICA不需要较深的有限元知识，用户只要略懂材料属性和应力应变基础就可以进行复杂模型的分析工作。2.2.3基于Pro/M的有限元分析任务在Pro/M中，将每一项能够完成的工作称之为设计研究。所谓设计研究是指针对特定模型用户定义的一个或者一系列要解决的问题。在Pro/M中，每一个分析人物都可以看作成一项设计研究。Pro/M的设计研究种类可以分为以下三种类型：（1）标准分析：最基本、最简单的设计研究类型，至少包含一个分析任务。在此种设计研究中，用户需要制定几何模型、划分有限元网格、定义材料、定义载荷和约束、定义分析类型和计算收敛方法、计算并显示结果。（2）灵敏度分析：可以根据不同的目标设计参数或者无形参数的改变计算数列的结果。除了进行标准分析的各种定义外，用户需要定义设计参数、制定参数的变化范围。用户可以用灵敏度分析来研究哪些设计参数对模型的应力或质量影响较大。（3）优化设计分析：在基本分析的基础上，用户指定研究目标、约束条件、设计参数，然后在参数的给定范围内求解出满足研究目标和约束条件的最佳方案。概括地说，Pro/MSTRUCTURE能够完成的任务可以分为两大类：A.设计验证，或者称之为设计校核。在Pro/M中，完成这种工作需要一次进行以下步骤：a.创建几何模型。b.简化模型。c.设定单位和材料属性。d.定义约束。e.定义分析载荷。f.定义分析任务。g.运行分析。h.显示、平价计算结果。B.模型的设计优化，这是Pro/M区别于其他有限元软件最显著的特征。在Pro/M中进行模型的设计优化需要完成以下工作：a.创建几何模型。b.简化模型。c.设定单位和材料属性。d.定义约束。e.定义载荷。f.定义设计参数。g.运行灵敏度分析。h.运行优化分析。i.根据优化结果改变模型。第三章铣刀的特性与参数3.1刀具材料3.1.1刀具材料的发展状况刀具材料对进一步发展高速切削技术具有决定性的意义。现有高速切削刀具材料PCD、CBN、陶瓷刀具、金属陶瓷、涂层刀具和超细硬质合金刀具等仍将起主导作用，并将得到新的发展。进一步发展新型高温力学性能和高抗热震性能的高可靠性的刀具材料(包括自润滑刀具材料)，特别是为加工超级合金和高性能新型工程材料和高速干切削的刀具材料是发展的重点[12]。刀具材料的发展，高速切削技术发展的历史，也就是刀具材料不断进步的历史。高速切削的代表性刀具材料是立方氮化硼(CBN)。端面铣削使用CBN刀具时，其切削速度可高达5000m/min，主要用于灰口铸铁的切削加工。聚晶金刚石(PCD)刀具被称之为21世纪的刀具，它特别适用于切削含有SiO2的铝合金材料，而这种金属材料重量轻、强度高，广泛地应用于汽车、摩托车发动机、电子装置的壳体、底座等方面。目前，用聚晶金刚石刀具端面铣削铝合金时，5000m/min的切削速度已达到实用化水平，此外陶瓷刀具也适用于灰口铸铁的高速切削加工。涂层刀具:CBN和金刚石刀具尽管具有很好的高速切削性能，但成本相对较高。用涂层技术能够使切削刀具既价格低廉，又具有优异性能，可有效降低加工成本。现在高速加工用的立铣刀，大都用TiAIN系的复合多层涂镀技术进行处理，如目前在对铝合金或有色金属材料进行干式切削时，DLC(DiamondLikeCarbon)涂层刀具就受到极大的关注，预计其场前景十分可观。3.1.2刀具材料的选择依据切削工具的硬度必须是工件硬度的2~4倍。如图3.1所示为以碳钢（210HV左右）和模具钢（370HV左右）作为被加工材料，选用立铣刀材料。若立铣刀主要损伤形态是磨损，为提高立铣刀寿命，可选择更硬的材料，直到钎焊CBN刀片的立铣刀，价格当然较贵。立铣刀若是因缺损、破损而不能再用，则需反过来选韧性好的材料，直至高速钢立铣刀。若选用高速钢，则切削速度必须下降，工件硬度过高，高速钢可能无法切削、耐磨性不能保证、耐折损性不足和表面粗糙度值高。图3.1选择立铣刀材料的依据Fig.3.1TheGistOfChoosingCutterMaterial3.2铣刀的铣削方式我们所要研究的就四齿平头铣刀、二齿平头铣刀和二齿球头铣刀。铣刀的铣削方式有很多种，如下所示：（1）顺铣和逆铣圆周铣削有顺铣和逆铣两种方式。逆铣铣削时，在铣刀与工件的接触点处，铣刀速度有与进给速度方向相同的分量。由于铣刀刀刃切入工件时的切削厚度不同，刀齿与工件的接触长度不同，所以顺铣和逆铣时给铣刀造成的磨损程度也不同。实践表明，顺铣时，铣刀使用寿命比逆铣提高2～3倍，表面粗糙度也可减小。（2）对称铣削与不对称铣削①对称铣削为端铣的一种方式。它切入切出时，切削厚度相同，有较大的平均切削厚度。铣淬硬刚时应采用这种方式。②不对称逆铣为端铣的另一种方式。切入时厚度最小，切出时最大。铣削碳钢和合金钢时，可减小切入冲击，提高使用寿命。③不对称顺铣切入时厚度较大，切出时厚度较小。实践证明不对称顺铣用于加工不锈钢和耐热金属时，可是切削速度提高40%～60%，并可减少硬质合金的热烈磨损。3.3高精度刀具的设计参数立铣刀的几何参数不同，其变形量及刚度值也不相同，在其它参数相同的情况下:随着铣刀直径的增大，其刚度值逐渐变大，随着螺旋角的增大，应力逐渐减少，而刚度逐渐增大。利用这种方法，可以优选出使变形最小、刚度最大的刀具几何参数，从而提高其切削性能。下面以二齿平头立铣刀为例，介绍它的设计参数。1.刀体设计刀体设计参数见表3.1，未注明单位为mm，刀体模型如图3.2所示。表3.1铣刀设计参数表Table3.1TheParameterTableofEndMillingCutter参数序号1刃径(d1)DR114(mm)柄径(d2)DB216颈径(d3)DJ314总长(l)LL90颈长(l1)L160颈角(θ)ST15°倒角(k)K1.5图3.图3.2刀体Fig.3.2TheBody2．螺旋沟槽1及周刃前角设计设计参数见表3.2，草绘截面如图3.3所示。表3.2沟槽1设计参数Table3.2TheParameterOfFluteOne参数半径14（mm）周刃前角(Zγ)ZGAM7°芯厚1(dx1)DXH19.1芯厚2(dx2)DXH211.62容屑槽半径(r1)R12齿背弧半径(r2)R26切削刃长（l2）L230

3．螺旋沟槽2及周刃后角设计设计参数见表3.3，草绘截面如图3.4所示。表3.3沟槽2设计参数Table3.3TheParameterOfFluteTwo参数序号14（mm）周刃后角1(Zα1)ZALF110°周刃后角2(Zα2)ZALF230°芯厚3(dx3)DXH2312.24芯厚2(dx2)Dxh211.62幅宽1(f1)F11.0幅宽2(f2)F22.2容屑槽半径(r3)R37.5切削刃长（l2）L230图3.图3.4草绘2Fig.3.4SketchTwo图3.图3.3草绘1Fig.3.3SketchOne四齿平头立铣刀和二齿球头立铣刀设计参数分别见附录1。第四章高精度数控立铣刀建模及有限元分析过程4.1二齿平头立铣刀建模及有限元分析过程4.1.1二齿平头立铣刀在Pro/E环境下的建模及参数化1.建模过程采用混成法建立三维模型，步骤如下［１～２，４，６，８］：（1）运行Pro/E2.0软件，选取零件模块，进入用户界面。（2）设定工作目录。（3）建模，步骤如下：A.用旋转命令生成刀体。如图4.1所示。B.选择插入-混合-切口，来绘制沟槽。a.在菜单管理器中选择“一般，草绘截面，完成”然后选择“光滑，完成”再选草绘平面“TOP面，正向，缺省”进入草绘界面。b.选择“草绘-数据来自文件”，选择草绘截面1--打开，将草绘截面放置位置如图4.2所示。然后点击，系统提示是否继续下一截面，回答Yes。再次打开草绘图4.1三维刀体截面1，点击，输入第二个截面的旋转角度为-3Fig.4.1MillingCutter图4.3剪切2Fig图4.3剪切2Fig.4.3CuttingTwo图4.2剪切1图4.2剪切1Fig.4.2CuttingOnec、同样方法剪切草绘截面2，放置位置如图4.3所示。2.模型的参数化（1）设置参数：单击“工具-参数”，按照前面的设计参数填写此表，填写完毕，单击确定，完成参数的设置。（2）设置关系：选择“工具-关系”输入刀体切换尺寸以后表示的字母与表示设计参数的字母一一对应的关系，单击确定。关系如图4.4所示。图4.4关系对话框Fig.4.4ThedialogueofRelationship4.1.2有限元分析界面如图4.6所示图4.6有限元分析界面Fig.4.6TheInterfaceofFEA4.1.31.定义材料选择图标弹出如图4.7所示对话框：在左侧列表中选取材料，选中STEEL，然后单击，再单击Edit，对材料特性编辑，设置杨氏模量为2.07E+09，泊松比为0.3，单击Assign-Part按钮，选择刀体模型，然后单击鼠标中键返回Materials对话框，单击Close按钮关闭对话框。2.定义约束：由于刀体在加工过程中被夹具固定，所以将6个自由度完全固定。（1）单击工具栏中施加面约束的按钮，出现约束对话框，接受默认的名称constraints1如图4.8所示，点选reference中的surface选择Notselected前边的箭头，然后选择刀柄表面。（2）单击鼠标中键返回约束对话框，要对刀柄完全约束,因此接受默认的方式，单击ok按钮完成约束定义。图4.7材料定义话框图4.8约束定义对话框Fig.4.8TheDialogueofConstraintsDefinition图4.9载荷定义对话框Fig.4.9TheDialogueOfLoadDefinition3.定义载荷：（1）单击工具栏施加载荷的按钮，弹出如图4.9对话框，接受默认名称Load1，在reference下选择point(s)，选择刀刃顶点。（2）单击鼠标中键返回载荷定义对话框，在force一栏输入径向载荷272、轴向载荷1586和切向力-1983。（3）单击ok按钮完成载荷定义。4.1.41.网格划分：（1）改变AutoGEM参数设置：点选“自动几何-设置”，打开AutoGEMSETTING对话框，再次对话框的中上部选择Limits，然后将允许的最小角度由原来的值5都改为16，单击ok完成设置的修改。（2）点选“自动几何-创建”，打开网格划分对话框，点击create，开始网格的划分，会出现一个information对话框，单击确定，然后开始划分网格，最终网格划分结果如图4.10所示。图4.10划分网格结果对话框图4.11静态分析任务定义对话框Fig.4.10AutoGEMSummaryFig.4.11Staticstateanalyse2.建立、运行静态分析任务：（1） 在MECSTRUCT菜单中选择图标，在弹处的AnaltesandDesignStudies对话框中选择File-NewStatic，弹出静态分析任务定义对话框。 （2） 在Method中选择Single-passAdaptive，建立新的静态分析任务Analysis1，如图4.11所示。（3） 单击ok按钮完成经态分析任务的定义。（4） 单击图标，开始分析计算。3.显示静态计算结果：（1）选择图标，系统弹出结果后处理主界面。（2）单击上方工具栏中的图标，系统弹出ResultWindowDefinition对话框，如图4.12所示，选择上面完成的分析Analysis1，接受默认的显示应力（vonMises）的结果窗口Window1，在DisplayOption选项中勾选ContinousTone。图4.12结果定义（3）单击ok按钮完成应力结果窗口定义。Fig4.12ResultWindowDefinition（4）单击上方工具栏的图标，系统弹出ResultWindowDefinition对话框，选择上面完成的分析Analysis1，接受默认的显示变形（Displacement）的结果窗口Window2，在DisplayOption选项中勾选ContinousTone。（5）单击ok按钮完成变形结果窗口的定义。（6）显示应力图如图4.13所示。从图4.13中可以看出，最大应力为3.011e+07MPA。（7）显示变形图如图4.16所示。从图4.14可以看出，最大变形为6.508e+04mm。图4.13应力图4.14变形4.1.51.灵敏度分析分类（1）局部灵敏度分析（LocalSensitivity）可以对设计参数在偏离名义值较小时进行局部灵敏度分析，并且可视化显示特定设计参数的改变是否对研究目标有较大影响。进行局部灵敏度分析，可以较容易地知道那些参数对性能影响较大，从而缩小研究范围。（2）全局灵敏度分析（GlobalSensitivity）使用这种方法可以选择一个或多个模型参数在一定范围内变化进行灵敏度分析，并以图形的方式显示研究目标随着设计参数的变化情况。进行全局灵敏度分析，可以确定参数对模型某一性能的整体影响，尤其对于参数在变化过程中可能引起性能发生突变时，该方法就显得尤为重要了。一个模型的参数有很多，如果每一个参数都进行全局灵敏度分析，必然导致计算增加；另一方面，众多的模型参数对模型的影响程度不一样，对于那些对模型性能影响程度小的参数，完全没有必要进行全局灵敏度分析。因此，如果将全局灵敏度分析和局部灵敏度分析结合起来，就取得事半功倍的效果。通过上述分析可以得出灵敏度分析的一般思路：（1）进行局部灵敏度分析，确定主要参数对模型性能的影响程度。（2）对于那些对模型性能影响大的参数，进行全局灵敏度分析。2．局部灵敏度分析步骤一：定义设计参数a.在菜单栏选择“分析-DesignControl-DesignParams”，系统弹出DesignParameter对话框，如图4.15所示。b.单击Create...按钮新建一个设计参数，系统弹出设计参数对话框，如图4.16所示。c.在图4.16所示的设计参数定义对话框中，确定Type设置为Pro/ENGINEER…，然后单击右侧的Select…按钮，系统提示选择一个尺寸。d.选择参数中的周刃前角ZGAM，点击Accept.e.系统返回设计参数定义对话框。图4.15参数设置图4.16设计参数Fig4.15DesignParameterFig4.16DesignParameterDefinition重复上述步骤，创建芯厚1，芯厚2，周前角，一次后角和二次后角这些参数。单击DONE按钮，完成设计参数定义。步骤二：建立、运行灵敏度分析任务a.选择图标，系统弹出AnalyseandDesignStudies对话框。b.在AnalyseandDesignStudies对话框中选择File-NewDesignStudy…c.系统弹出设计分析定义对话框，如图4.17所示。图4.17分析定义图4.18结果定义对话框Fig4.17DefinitionofanalyseFig4.18ResultWindowDefinitiond.在StudyName中输入分析名称local1，在Type中选择LocalSensitivity，在Analyses中选择前面所建立的静态分析任务Analysis1，勾选所有已建立的参数，并根据前面的参数值给一个初值。e.单击Accept按钮完成局部灵敏度的定义，返回到分析设计研究对话框，新建的灵敏度分析任务已经出现在对话框中。f.单击图标开始分析计算。步骤三：显示局部灵敏度分析结果a.点击图标，系统弹出ResultWindowDefinition对话框，选择上面完成的局部灵敏度分析local1打开。b.单击图标，选择要显示的结果。选择max_stress_vm，如图4.19所示.c.单击Accept按钮完成选择，系统返回到ResultWindowDefinition对话框。d.确认GraphLocation的选项为DesignVar，选择下方的设计参数ZGAM。e.单击ok按钮完成结果窗口1的定义。按上述步骤，定义其他结果窗口。f.定义ZALF1结果窗口。g.定义ZALF2结果窗口。h.定义DXH1结果窗口。i.定义DXH2结果窗口。图4.19测量Fig.4.19Measure 图4.19测量Fig.4.19Measure图4.20结果显示窗口Fig.4.20DisplayReasultj.单击结果窗口中的图标，弹出如图4.20所示对话框。k.在图4.20中选择，Window1，Window2和Window3，Window4，Window5对模型应力的影响曲线，如图4.21所示。图4.21.1图4.21.1周前角Fig.4.21.1ZGAM图4.21.4图4.21.4芯厚1Fig.4.21.4DXH1图4.21.3二次后角Fig.4.21.3ZALF2 图4.21.5芯厚2图4.21中，五个影响曲线图的纵坐标变化范围不相同，不方便进行比较。为此将每一幅图的纵坐标都设置为从1.6e+007到-2e+006。具体方法如下：左键单击图ZGAM_STRESS，选择Format-Graph，出现GraphWindowOptions对话框，如图4.22所示。在Range选项中设置最小值为1.6e+007，最大值为-2e+006。单击OK按钮完成设置，同理设置其它曲线图的纵坐标。完成设置后的曲线图如图4.23所示。图4.23.4图4.23.4芯厚1Fig.4.23.4DXH1图4.23.3二次后角Fig4.23.3ZALF2图图4.23.5芯厚2Fig.4.23.5DXH2从这些图中可以看出，一次后角和芯厚2对应力几乎没有影响，周前角，芯厚1和二次后角对模型所受的应力影响非常显著。根据以上分析结果，选出对应力影响最大周前角，芯厚1和二次后角，进行进一步的全局灵敏度分析。3.全局灵敏度分析步骤一：建立全局灵敏度分析任务在局部灵敏度分析中已经粗略地研究了模型应力随参数的变化而发生变化情况，并筛选了两个参数做进一步研究。在全局灵敏度分析中，要分别研究模型应力随参数ZGAM，DXH1和ZALF2的改变而发生变化的情况，为此针对每个设计参数建立一个灵敏度分析任务。a.选择图标，系统弹出AnalyseandDesignStudies对话框。b.在AnalyseandDesignStudies对话框中选择File-NewDesignStudy…c.系统弹出设计分析定义对话框。d.在StudyName中输入分析名称global_zgam，在Type中选择GlobalSensitivity，在Analyses中选择前面所建立的静态分析任务Analysis1，勾选ZGAM，在Start和End中输入数值。e.完成后的效果图如图4.24所示，单击Accept按钮完成任务global_zgam的定义。返回到分析设计研究对话框。如图4.25所示。步骤二：运行全局灵敏度分析任务a.在图4.25所示的对话框中选择global_zgam。b.单击图标开始分析计算。步骤三：显示全局灵敏度分析结果c.选择图标，系统弹出结果后处理主界面。d.选择上方工具栏中的图标，如图4.26所示。e.单击DesignStudy下方的按钮，选择上面完成的分析global_zgam，单击打开按钮。f.系统返回到ResultWindowDefinition对话框。g.在Displaytype中选择Graph，在Quality中选择Measure。h.单击下方图标，选择要显示的结果，选择max_stress_vm。i.单击Accept按钮完成选择，系统返回结果窗口定义对话框。j.确认GraphLocation的选项为DesignVar，在下方选择设计参数ZGAM。k.单击Accept按钮接受选择，系统返回结果定义对话框。l.单击OK按钮完成结果窗口的定义。m.单击结果窗口上的命令图标，在弹出的结果对话框中选要显示的窗口。n.单击OK按钮，显示结果如图4.27所示o.同样方法对二次后角做灵敏度分析，如图4.28所示。图4.28图4.28二次后角Fig4.28ZALF2图4.27图4.27周前角Fig4.27ZGAM图4.29芯厚1图4.29芯厚1Fig4.29DXH1通过图4.27，4.28和4.29可以准确确定铣刀模型底应力对周前角、二次后角和芯厚1尺寸变化的灵敏程度。4.1.6优化设计为了保证模型受应力最小，形状尽可能合理，我们需要对其进行优化。优化参数：周前角(zgam)，芯厚1（dxh1）和二次后角（zalf2）步骤一：建立、运行优化任务a.选择图标，系统弹出AnalyseandDesignStudies对话框。b.在AnalyseandDesignStudies对话框中选择File-NewDesignStudy…c.系统弹出设计分析定义对话框，如图4.30所示。d.在StudyName中输入分析名称optimization，在Type中选择Optimization，e.Goal右侧的下拉菜单中有4种选项，我们接受默认的Minimize。f.单击Goal右侧的Select按钮，出现如图4.31所示对话框，我们选择测量值max_stress_vm。单击Accept按钮，返回4.30对话框。g.Goal下面的LimitsOnmeasures选项是确定优化时的约束条件。h.在Parameters区域中勾选ZALF2、ZGAM和DXH1，在Min，Int和Max中输入数值。i.勾选RepeatP_LoopConvergence，其他选项接受默认值。j.单击Accept按钮完成优化分析任务，返回分析设计研究对话框，如图4.31所示。k.在图4.31中选择optimization，单击图标，开始分析计算。步骤二：查看运算过程信息单击图标查看运算信息如图4.32所示。运算信息最后给出优化结果。周前角值为5.14805，芯厚1的值为10，二次后角的值为50时模型受应力最小。图4.30设计分析Fig.4.29TheDesignofAnalyse图4.33测量图4.33测量Fig.4.30Measure步骤三：显示结果窗口a.选择图标，系统弹出结果后处理主界面。b.选择图标，系统弹出ReasultWindowDefinition对话框。c.接受默认名字。单击按钮，选择上面完成的优化分析optimization，单击打开按钮，系统返回到ReasultWindowDefinition对话框。d.在Displaytype中选择Fringe，在Quantity中选择Stress（Displacement），在Component中选择vonMises，在DisplayOption选项中勾选ContinuousTone.e.单击okandshow按钮显示结果，如图4.33所示。优化前后模型比较：如图4.34所示。图4.34.1优化前图4.34.2优化后Fig.4.34.1BeforeoptimizationFig.4.34.2Afteroptimization4.2二齿球头立铣刀建模及有限元分析过程4.2.1二齿球头立铣刀在Pro/E环境下的建模及参数化1.建模过程和二齿平头立铣刀建模过程一样，采用混成法建立三维模型，然后阵列以得到最终的模型，与之不同的是在利用混成法扫沟槽的时候，二齿平头立铣刀仅用了两步混成，而二齿球头立铣刀用了多步混成才实现了建模，然而，原理是一样的，在此就不再赘述了。2.模型的参数化参数化的步骤与原理与前面所介绍的二齿平头立铣刀的参数化设计是一样的，过程也不再讲述了。最终的关系如图4.35所示。4.2.2如图4.36所示，为二齿球头立铣刀的有限元分析界面。图4.36有限元分析界面Fig.4.36TheInterfaceofFEA4.2.31.定义材料定义材料与二齿平头立铣刀过程一样，材料选的相同，这里也不再叙述了。2.定义约束：定义材料与二齿平头立铣刀过程一样，材料选的相同，这里也不再叙述了。3.定义载荷：（1）单击工具栏施加载荷的按钮，弹出如图4.9对话框，接受默认名称Load1，在reference下选择point(s)，选择PNT2（PNT2是我们做的基准点，为球头铣刀的顶点），由于球头立铣刀受力与平头铣刀受力不同，球头铣刀受力集中在球头的顶部，有由于其顶部几乎不受切向的力，所以我们这里把切向力设为0。（2）单击鼠标中键返回载荷定义对话框，在force一栏输入径向载荷1983、轴向载荷-1586和切向力0。（3）单击ok按钮完成载荷定义。4.2.4划分网格与静态分析的过程与二齿平头立铣刀一样，在这也不细述了。最后静态分析后得出结果如图4.39和图4.40所示，可以看出，最大应力为1.248e+04N/mm2，最大变形为5.458e-06mm。图4.39应力图4.40变形Fig.4.39TheStressFig.4.40TheDisplacement4.2.51．局部灵敏度分析定义设计参数，建立、运行灵敏度分析任务，显示局部灵敏度分析结果同二齿平头立铣刀的步骤一样，不再祥述。最终的出结果如图4.47所示。图4.47.2图4.47.2芯厚2Fig.4.47.2DXH2ZR1_DRGC1图4.47.1芯厚1Fig.4.47.1DXH1ZR1_DRGC1图图4.47.3周前角Fig.4.47.3ZGAMZR1_DRGC1在图4.47中，三个影响曲线图的纵坐标变化范围不相同，不方便进行比较。为此将每一幅图的纵坐标的设置都相应的改动一下，改动的原则与方法参见二齿平头立铣刀，横坐标改为4e+007，纵坐标改为-5e+006。完成设置后的曲线图如图4.48所示。图4.48.2图4.48.2芯厚2Fig.4.48.2DXH2ZR1_DRGC1图4.48.1芯厚1Fig.4.48.1DXH1ZR1_DRGC1图图4.48.3周前角Fig4.48.3ZGAMZR1_DRGC1从这些图中可以看出，周前角对应力几乎没有影响，芯厚2对应力有一定影响，芯厚1对模型所受的应力影响非常显著。根据以上分析结果，选出对应力影响较大芯厚1和芯厚2，进行进一步的全局灵敏度分析。3.全局灵敏度分析步骤与二齿平头立铣刀全局灵敏度分析一样，在此也不细说。分别对芯厚1和芯厚2做全局灵敏度分析后，所得结果如图4.49和图4.50。图4.50芯厚2Fig图4.50芯厚2Fig4.50DXH2ZR1_DRGC1图4.49芯厚1Fig4.49DXH1ZR1_DRGC1通过图4.49和4.50可以准确确定铣刀模型底应力对芯厚1和芯厚2尺寸变化的灵敏程度。4.2.6优化设计和二齿平头的分析步骤也一样，这里也不祥述。优化结果如图4.51所示。图4.51优化结果Fig4.51Reasult优化后的模型所受应力和变形如图4.52所示。图4.52.2图4.52.2变形Fig4.52.2TheDisplacement图4.52.1应力Fig4.52.1TheStress优化前与优化后模型如图4.53所示。图4.53.1优化前图4.53.2优化后Fig.4.53.1BeforeoptimizationFig.4.53.2Afteroptimization结果分析通过以上分析，我们可以看出，应用有限元分析的方法可以通过优化参数大小以达到优化模型的效果。在我们分析的过程中，我们可以很清晰的看出一些参数对于铣刀性能的影响很大，通过对其进行全局灵敏度分析，我们可以看到它们对铣刀性能的具体影响，进而进行优化分析，便可得到最优的模型。从优化后模型的受力和变形分析中可以看出相比优化前，模型所受应力和变形有所下降，这说明我们所得出的结果符合实际情况，结果很合理。第五章结论通过此次设计，我们可以得到以下结论：在变形图，应力云图中，我们可以很清楚的看到了在三维立铣刀模型图中，刀齿在受到切向和径向力及轴向力的作用下，有了明显的变形，基本符合我们的设想，应力云图中，刀尖附近应力集中，实际生产中刀具刀尖部位最易损坏，所以分析结果符合实际情况。从变形图来看，刀齿在切向力的方向上的变形最大，这和刀齿所受切向方向的力最大有关。而刀齿在径向的变形则比较小，这与径向力在三个力中最小有关，说明了铣刀建模的合理。在计算分析过程当中，难免会有一些误差，这种误差便会影响分析结果，所以今后再计算，我们应选择更佳的计算方法来减小或避免误差。附录：英文资料及翻译计算机辅助设计（CAD）计算机辅助设计系统基本上是一种设计工具，计算机是用来分析所设计的产品的各个方面。CAD系统支持各种阶段的设计过程—设计构想、初步设计及最终设计。设计者然后可在各种环境条件，比如温度的变化或不同机械压力下检验产品的状况。尽管CAD系统并非一定要包含计算机绘图，但能将设计的产品显示在屏幕上是CAD系统的最有价值的特征之一。物体的图形通常显示在阴极线管屏幕上（CRT）。计算机图形功能使设计者可用多种办法研究物体：将物体在计算机屏幕上旋转、将其分成几段、将物体局部放大以仔细研究以及在运动程序的帮助下研究机构的运动。大多数CAD系统使用互动式图形系统。互交式图形系统使用户可直接和计算机通过交互作用以对图形进行调整及修改。对CAD系统来说，交互式图形系统就算不是必要的，也已经是很有价值的工具。许多CAD系统的最终产品是在与计算机连接的绘图仪中产生的图形。在CAD图形中，最难解决的问题之一是消去那些被挡住的线。计算机生成的图形是线框图线。由于计算机定义物体时没有考虑图的透视效果，它显示出物体的所有面，而不考虑这些面是在朝向观测者的一面还是位于通常人眼无法看到的背面。可使用多种不同办法在计算机屏幕上生成图形。一种办法是采用几何模板形式，这种办法是用基本形状和基本的元素创建图形，元素的长度及半径可以修改。例如，圆柱是一个基本元素，在已显示的零件上去掉一个规定半径和长度的圆柱就可以生成一个孔。但是每次变化都保留零件所有的几何特征。另外，CAD系统使用成组技术设计零件。成组技术是在功能、结构相同或加工方法相似的工件基础上采用分组编码的一种加工方法。采用成组技术可使工厂减少所用零件得数量，并使零件在工厂中的制造、运输效率更高。最近的CAD系统使用了压力有限元分析法。在用这种方法时，待分析物体用很多有压力及弯曲特征的小元素组成的模型表示。这种分析办法要求同时分解许多方程，用计算机执行一项任务，物体的弯曲可以通过生成动画的方式显示在计算机屏幕上。采用这些办法中的任一种或其它常用办法，CAD系统在设计段生成了单个的几何数据库，它可用于设计的各个阶段及其后的制造、装配和检验过程。二维绘图CAD使多视图的二维绘图成为可能，视图空间可以从微米到米的比例范围内无限变化。它提供给机械设计师放大的功能，即使在恰当配合的装配零件中最小的元件也能看清楚，设计程序甚至能自动辨认CAD装配图中的潜在问题。针对具有不同特征的零件，如运动的或静止的，在显示时可以被指定成不同的颜色。为了有利于工程设计的变化，可使用带有自动尺寸变化的系统对零件进行尺寸标注。三维绘图随着三维建模的出现，设计者具有了更多的自由度。他们可以生成三维零件图并且可以无限制地修改以获得所需的结果。通过有限元分析，应力加到计算机模型上，并且以图形化的方式显示其结果，在产品物理模型真正生产之前，对设计中的任何内在问题给设计者一个快速的反馈。三维模型可用线框、曲线或实体方式生成。在线框模型中，直线和圆弧构成了模型边界。结果是一个可以从任何位置观察的三维模型，但仍只是一个框架形式。创建曲面犹如在骨架上包上皮。一旦这样生成后，模型就可以被渲染，使得图形看上去更逼真。曲面模型普遍用于构建板金的展开和重叠以用于制造。实体模型是最复杂的建模层次，并且用于建立实体模型的程序在一段时期内只用在大型计算机上。只有近年来微型计算机才达到这个能力水平，也可运行复杂的算法，生成实体模型。计算机“认为”实体模型是一种具有实体质量的模型，所以它可被“钻孔“加工”“焊接”，好象它是一个实际的零件。它能够由任何材料构成并呈现其材料特性，因此，能够进行质量计算。计算机辅助设计/制造系统计算机辅助设计（CAD）意思是用计算机帮助设计单个零件或设计系统，如航空器。设计过程经常包括计算机绘图。计算机辅助制造（CAM）意思是用计算机来帮助制造零件。CAM可分为两种主要类型：（1）在线应用，即用计算机实时控制加工系统，比如计算机数字控制（CNC）以及机床的自适应（AC）；（2）离线应用，即在产品的规划以及非实时辅助零件加工时使用计算机。CAD/CAM是一个统一的软件系统，其中CAD部分是在计算机内与CAM连接在一起的。当今CAD/CAM系统的最终结果通常是程序列或穿孔带形式的零件程序。先进的CAD/CAM系统中，零件程序可直接输入到控制数控机床的计算机及检验站中。CAD/CAM系统中的主要构想是生成可用于所有设计及加工动作的通用数据库。这其中包括：产品的规格化、设计构想、最终设计、绘图、加工及检验。在次过程中的每一个阶段，数据都可以添加、修改、使用以及分配给工作站的终端和计算机中。单个数据库从实质上减少了认为误差，极大的缩短了从产品设计构想到制造出最终产品所需的时间。所需计算机系统的大小及容量取决于产品的复杂程度。在航空航天工业中，要用CAD/CAM处理器完成航天器设计，系统必须能够容纳从不同用户处得到的新的数据以及对数据的修改。因此，它们所用的系统必须有强大的数据处理能力。与之相对，如果公司设计的产品简单，所需的CAD/CAM只需一个计算机终端即可。如今CAD/CAM系统的主要用户是航天工业及汽车工业。但是随着CAD/CAM系统价格的降低，也增加了其他方面用户的数量。先进的CAD/CAM系统除了有线框方式图形外还包括固体几何模块功能。当CAM系统中涉及数控检验程序以及加工时要求同时观测零件的变化状况时，固体几何模块描述就很重要。最近几年CAD/CAM技术已经提高了工业生产率。CAD/CAM技术是朝向未来工厂设计方向迈出的重要一步。有限元优化的应用在结构日益复杂的情况下，当工程师们工作时，他们需要合理的、可靠的、快速而经济的设计工具。过去二十多年里，有限元分析法已经成为判别和解决涉及这些复杂设计课题时的最常用方法。因为工程中的大多数设计任务都是可定量的，所以实践上，为了快速找到一些可供选择的设计方案。计算机令繁琐的重复设计过程发生了深刻的变革。但是，即使是现在，许多工程师仍然使用人工的试凑法。这样一种方法使得即使是很简单的设计任务也变的困难，因为通常它要花更长的时间，需要广泛的人一机交互配合，且偏于用设计组的经验来设计。优化设计是以理论数学的方法为基础，改进那些对于工程师来说过于复杂的设计，使其设计过程自动化。如果在一部台式计算机平台上能实现自动优化设计，那就可以节省大量的时间和金钱。优化设计的目的就是要将对象极大化或极小化，例如，重量或基频，主要受到频响和设计参数方向的约束。尺寸和结构形状决定着优化设计的方法。观察一下作为零件优化设计过程，使它变的更容易理解。第一步，包括预处理分析和后处理分析，正像惯常使用的有限元分析（FEA）和计算机辅助设计（CAD）程序应用。（CAD的特点在于根据设计参数建立了课题的几何图形）。第二步，定义优化目标和响应约束。而最后一步，反复自动调节设计作业。优化设计程序将允许工程师们监督该设计步骤和进度，必要时停止设计，改变设计条件和重新开始。一项优化设计程序的功力取决于有效的预处理和分析能力。二维和三维设计的应用既需要自动进行也需要设计参数的结网性能。因为在优化循环过程中，课题的几何条件和网格会改变，所以优化程序必须包含误差估计和自适应控制。修改、重配网格和重新估算模式以期获得特定目标的实现是以输入初始设计数据开始的。接着，是规定合格的公差并形成约束条件以获得最优结果，或最后改进设计，解决问题。为了使产品从简单轮廓图形到三维实体模型系统化、系列化，设计者必须广泛接触设计目标和特性约束条件。为了易于确定而利用下列参数作为约束和目标函数的附加特性条件，也将是需要的：重量、体积、位移、应力、应变、频率、翘曲安全系数、温度、温度梯度和热通量。此外，工程师们应该能够通过多学科的不同类型的优化分析使多种约束条件结合起来。例如设计者为了应力分析，可以进行热力分析和加热以变更温度，也可将多种约束条件，诸如最高温度、最大应力和变形联系在一起进行研究，然后规定一个所希望的基本频率范围。目标函数代表着整体模式或部分模式。甚至更重要的是通过说明重量或者成本应因素，就应该能反映该模式的各个部分的重要性。计算机辅助绘图的好处用计算机完成绘图及设计任务的好处是令人难忘的：提高速度、提高准确性、减少硬拷贝存储空间及易于恢复信息、加强信息传递能力、改善传输质量和便于修改。速度工业用计算机能以平均每秒3300万次完成一项任务；更新的计算机起速度更快。用计算机计算零件的变形量是一个重要功绩。当理论上的载荷力加到零件上时、通过计算机进行有限元分析或者在监视器上显示一个城市的整体规划时，这两者都是既费时又计算最大的任务。AutoCAD软件可根据需要多次复制所需模型的形状和几何尺寸，快速自动地进行剖面填充及尺寸标注。准确AutoCAD程序依靠操作系统及计算机平台每点具有14位的精度。这在用数字计算诸如一个圆的线段数、程序必须圆整线段数时是十分重要的。存储计算机能够在物理中存储上千幅图，这空间能够存储上百幅手工图。而且计算机能够很容易地搜索和找到一幅图，只要操作者拥有正确的文件名。传输由于计算机的数据是以电子形式存储，它能被送到各个位置。最明显的位置是监视器。计算机可以在屏幕上以不同方式显示数据，如图形，并能方便地将数据转换成可读图形。这些数据也可被传送给绘图机，打印出常见的图纸，通过直接连接到计算机辅助制造机床或电话线传到地球的任何地方。你可以不再冒损坏或丢失的危险去邮寄图纸，现在图纸可以通过电信网立即发送到目的地。质量计算机总是从最初生成的数据形式保存数据。它可以不顾疲劳的不断地重复同一个数据输出。线型将总是鲜明和清晰的，具有一致的线宽，而文本也总是清晰明了的。计算机不会改变输出质量，因为计算机不会像人那样因周末的郊游或深夜观看娱乐节目而疲劳。修改计算机以某种便于修改的形式存储数据并且不断地提供反馈给用户。某些图形一旦画成，它就不必再画，因为物体可以被复制、延伸、改变尺寸并且在不重画的情况下，可以多种形式加以修改。除了最初购买CAD工作站的花费，CAD的唯一缺点是它是一个小软件，而它能容易被克服。由于图形是以电子格式存储而不是图纸格式，所以有可能会容易地删除绘图文件。这就是为什么强调要培养自己一个好的绘图习惯以避免意外地删除绘图文件。一盎司的保护等于一磅的治疗。如果你按照正确的顺序操作，则有很多种成功恢复文件的方式。如此轻松！Computer-AidedDesign(CAD)ACADsystemisbasicallyadesigntoolinwhichthecomputerisusedtoanalyzevariousaspectsofadesignedproduct.TheCADsystemsupportsthedesignprocessatalllevels—conceptual,preliminary,andfinaldesign.Thedesigncanthentesttheproductinvariousenvironmentalconditions,suchastemperaturechanges,orunderdifferentmechanicalstress.AlthoughCADsystemsdonotnecessarilyinvolvecomputergraphics,thedisplayofthedesignedobjectonascreenisoneofthemostvaluablefeaturesofCADsystems.Thepictureoftheobjectisusuallydisplayedonthesurfaceofcathode-raytube(CRT).Computergraphicsenablesthedesignertostudytheobjectbyrotatingitonthecomputerscreen,separatingitintosegments,enlargingaspecificportionoftheobjectinordertoobserveitindetail,andstudyingthemotionofmechanismswiththeaidofprograms.MostCADsystemsareusinginteractivegraphicssystem.Interactivegraphicsallowstheusertointeractdirectlywiththecomputerinordertogeneratemanipulate,andmodifygraphicdisplays.Interactivegraphicshasbecomeavaluabletool,ifnotanecessaryprerequisite,ofCADsystem.TheendproductsofmanyCADsystemsaredrawinggeneratedonaplotterinterfacedwiththecomputer.OneofthemostdifficultproblemsinCADdrawingistheeliminationofhiddenlines.Thecomputerproducesthedrawingaswireframediagram.Sincethecomputerdefinestheobjectwithoutregardtoone’sperspective,itwilldisplayalltheobject’ssurfaces,regardlessofwhethertheyarelocatedonthesidefacingtheviewerorontheback,whichnormallytheeyecannotsee.Variousmethodsareusedtogeneratethedrawingofthepartonthecomputerscreen.Onemethodistouseageometricmodelingapproach,inwhichfundamentalshapesandbasicelementsareusedtobuildthedrawing.Thelengthsandradiioftheelementscanbemodified.Forexample,acylinderisabasicelement,thesubtractionofacylinderwithaspecificradiusandlengthwillcreateholeinthedisplayedpart.Eachvariation,however,maintainstheoverallgeometryofthepart.OtherCADsystemsusegrouptechnologyinthedesignofparts.Grouptechnologyisamethodofcodingandgroupingpartsonthebasisofsimilaritiesinfunctionorstructureorinthewaystheyareproduced.Applicationofgrouptechnologycanenableacompanytoreducethenumberofpartsinuseandtomaketheproductionofpartsandtheirmovementintheplantefficient.RecentlyCADsystemsareusingthefinite-elementmethod(FEM)ofstressanalysis.Bythisapproachtheobjecttobeanalyzedisrepresentedbyamodelconsistingofsmallelements,eachofwhichhasstressanddeflectioncharacteris