现代设计方法2

《现代设计方法》主讲教师：张洪丽SDJTU11、现代设计方法概念的界定；2、现代设计与传统设计。复习二战以后，电子计算机技术及相关技术的开展和成熟是现代设计方法产生的前提。〔1〕设计方案的表达工具——手工绘图、AutoCAD。〔2〕工程问题的解析求解——传统设计的计算依赖工程问题的解析求解方法、现代设计是CAE技术。〔3〕传统设计——串行设计；现代设计——并行设计。2共84页2计算机辅助设计CAD2.2现代CAD技术的主要内容2.1概述2.4数据库及应用2.3工程数据的处理3共84页第二讲：内容提要CAD的涵义；CAD过程；CAD、计算机绘图与计算机图形学;工程数据处理方法：程序化和建立工程数据库；数据表格和线图的处理方法；数据库开展及应用。重点难点CAD、计算机绘图、计算机图形学的区别与联系；工程数据处理方法：程序化和建立工程数据库。学习目标掌握CAD、计算机绘图、计算机图形学的区别与联系；了解CAD技术的内容;熟悉工程数据的处理方法：程序化和建立工程数据库；4共84页计算机辅助设计〔ComputerAidedDesign，CAD〕指利用计算机软件、硬件系统辅助工程技术人员对产品或工程进行设计、分析、修改以及交互式显示输出的一种方法〔或手段〕，是一门多学科的综合性应用技术。概述一、CAD技术的内涵、功能和任务1、定义5共84页工程设计的过程包括设计需求分析、概念设计、设计建模、设计分析、设计评价和设计表示，CAD的功能就是在工程设计的过程中起相应的作用。将产品的物理模型转化为产品的数据模型，并把建立的数据模型存储在计算机内供后续的计算机辅助技术所共享，驱动产品生命周期的全过程。如以下图所示。概述6共84页概述市场信息设计需求分析可行性研究与分析设计过程设计结果设计评价设计优化设计分析设计建模和仿真概念设计CAD过程制造7共84页CAD是一个设计过程：在产品概念设计的根底上从事产品的几何造型分析，完成产品几何模型的建立，然后抽去模型中的有关数据进行工程分析和计算，例如有限元分析、仿真模拟等，根据计算结果断定是否对设计结果进行修改，修改满意后编辑全部文档，输出工程图。概述2、功能8共84页

(1)可以提高设计效率，缩短设计周期，减少设计费用。概述3、CAD系统的优越性(2)为产品最优设计提供了有效途径和可靠保证。(3)便于修改设计。(4)利于设计工作的标准化、系列化和标准化。(5)可为计算机辅助制造和检测〔CAM，CAT〕提供数据准备。(6)有利于设计人员创造性的充分发挥。9共84页

(1)完成设计信息的计算机存贮和管理。概述4、CAD的主要任务(2)开发工程设计的应用程序。(3)建立一个专用图形系统或利用一个通用图形系统，完成产品造型和工程图绘制等任务。(4)将工程数据库、应用程序以及图形系统等有机地组成为一个完整的CAD系统，以适应反复建立模型、评价模型和修改模型这种设计过程的需要。10共84页内涵：使用图形软件和硬件进行绘图及有关标注的一种方法和技术。概述二、计算机绘图11共84页内涵：研究通过计算机将数据转换为图形，并在专用设备上显示的原理、方法和技术的科学。

概述三、计算机图形学12共84页计算机绘图是CG中的一个分支——工程图形绘制，是CAD技术的根底之一；CG是一门独立的学科，与CAD有明显的区别，但它的有关图形处理的理论与方法构成了CAD技术的重要根底。概述四、三者之间的关系13共84页21世纪，市场竞争异常剧烈——竞争的根源是资源、经济。要在竞争中获胜就要有先进的制造技术，不断创新的新产品。与此相适应，多种先进制造模式应运而生。然而，好的产品设计是赢得市场的重要前提和关键，因此，制造技术的开展必然影响CAD技术并对其开展提出新的要求。概述五、先进制造技术对CAD技术的影响14共84页简单介绍CIMS：CIMS是基于CIM〔哲理的数字化、信息化、智能化、绿色化、集成优化〕的制造系统，是信息时代的一种新型生产制造模式。它强调企业内部的信息集成，将企业中各个自动化孤岛之间的信息交换与共享。概述1.CIMS的影响15共84页(1)产品建模问题要建立产品的数字化模型，便于信息共享与交换。概述(2)数据交换问题产品模型数据表达采用标准的数据交换标准，不同应用软件之间做好接口。(3)工程数据管理问题建立良好的工程数据库，便于数据的共享。对CAD技术提出的要求：16共84页简单介绍CE：并行工程是对产品及其相关过程进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。信息集成，过程集成。并行设计、设计与制造、DFM、DFA、DFQ等。概述2.并行工程成功案例：轰动全球的波音777客机的跨国设计及其较短的研发周期。17共84页概述51公里11个地区7000多人27个月无图纸生产18共84页概述19共84页概述20共84页(1)支持开发过程的重构和建模设计阶段考虑制造性等因素的影响，及时修改。概述(2)协同设计。(3)开发必要的工具：CAx〔CAD、CAPP、CAM等〕，DFX〔DFP、DFA、DFM等〕。对CAD技术提出的要求：是一个设计团队为了共同实现或完成一个设计目标或工程而进行配合、沟通和协作。协同设计是并行工作下，提高工程设计进度和质量的关键。协同设计是一个知识共享和集成的过程，共同设计某一目标的成员必须共享数据、信息和知识。21共84页简单介绍AM：动态联盟、柔性生产、高素质人才全面集成，跨国组织。信息集成、过程集成、企业集成

概述3.敏捷制造北京第一机床厂22共84页(1)提供实现产品敏捷设计的技术资源共享、信息效劳、联盟内的管理决策等。概述(2)网络技术—支持敏捷设计WWW技术、邮件通信、远程传输与管理、平安保密。对CAD技术提出的要求：23共84页CAD技术的核心和根底是计算机图形处理技术，因此，CAD技术的开展跟计算机图形学的开展密切相关，并伴随计算机及其外围设备的开展而开展。现代CAD技术的内容一、现代CAD技术的开展24共84页作为美国麻省理工学院(MIT)研制的旋风I号(WhirlwindI)计算机的附件，第一台图形显示器诞生。该显示器可以显示一些简单的图形，但因其只能进行显示输出，故称之为“被动式〞图形处理。1.20世纪50年代——图形显示器的诞生现代CAD技术的内容25共84页现代CAD技术的内容1951年旋风I号(WhirlwindI)计算机26共84页现代CAD技术的内容旋风I号(WhirlwindI)计算机CRT器件27共84页现代CAD技术的内容通过光笔操作旋风计算机28共84页现代CAD技术的内容1946年第一台电子计算机——ENIAC29共84页现代CAD技术的内容光电阅读机将记录在穿孔卡片上数据读入计算机，计算的结果那么利用打孔机在卡片上打出的一些小孔，就表示输出的数据。穿孔卡片派生出的穿孔纸带30共84页现代CAD技术的内容电子管电子管线图31共84页现代CAD技术的内容用ENIAC进行“程序设计〞，需要插拔N多的插头32共84页该时代是交互式计算机图形学和以其为根底的CAD技术开展的重要时期。美国的一些大公司和实验室开展了计算机图形学的大规模研究，并开始出现CAD这一技术术语。2.20世纪60年代——交互式图形系统的出现与CAD技术的形成20世纪60年代后期，出现了具有实用功能的CAD系统。美国通用汽车公司用于汽车车身三维曲面设计的DAC-1系统。

现代CAD技术的内容33共84页现代CAD技术的内容IBM开发的用于汽车设计的CAD系统DAC-134共84页现代CAD技术的内容世界上第一台光笔交互式图形显示器IBM225035共84页现代CAD技术的内容36共84页交互式计算机图形处理技术日趋成熟，在此期间出现了大量的研究成果，计算机绘图技术也得到了广泛的应用。3.20世纪70年代——CAD技术的开展时期随着一些研究机构和大型公司的积极参与，开始出现商用CAD系统，以及以汽车和飞机为代表的工业企业开始大量采用CAD技术。现代CAD技术的内容37共84页现代CAD技术的内容38共84页随着工程工作站和微型计算机的出现，计算机图形学进入了一个新的开展时期，并推动了CAD技术的普及。4.20世纪70年代末到80年代——CAD技术的突破CAD技术由绘制二维工程图，开展到三维造型、自由曲面设计、有限元分析、机构分析与仿真等工程应用，出现了许多成熟的CAD软件。现代CAD技术的内容中国银河—Ⅰ号巨型计算机39共84页现代CAD技术的内容40共84页现代CAD技术的内容41共84页为了提高CAD软件的与设备无关性和可移植性，同时为满足不同CAD系统间的数据交换要求，在此期间相继推出了有关的图形标准：〔1〕计算机图形接口(CGI)〔2〕图形核心系统(GKS)〔3〕程序员层次交互式图形系统(PHIGS)〔4〕以及初始图形交换标准(IGES)〔5〕产品模型数据转换标准(STEP)现代CAD技术的内容42共84页CAD的造型技术不断完善，广泛采用了特征造型和基于约束的参数化和变量化造型方法，并向集线框、外表、实体造型统一表示的非流形形体造型开展。基于几何模型的各种计算机辅助设计功能,如分析、制造、工程、优化等CAx相关技术得到了全面、深入的开展。5.20世纪90年代以来——CAD技术的高速开展时期随着信息技术的开展，CAD技术也由过去的单机或局局部布式联网工作方式向基于网络的设计开展。同时，计算机技术的飞速开展，也为CAD技术的应用提供了强大的硬件支持环境。现代CAD技术的内容43共84页机械产品设计是一个复杂的、弱理论支持的过程，属于强经验、弱理论的技术领域，很多设计知识和经验很难用规那么表达，而这些知识和经验往往决定了企业的生存和开展。6.当前CAD技术的研究热点—基于知识的CAD技术应用机械产品设计知识内涵丰富，包括来自各种设计文献资料的方法规定、各种工业标准、设计经验、设计公理、公式和专利等，但更重要的是企业及其设计人员长期积累的设计经验和技能。现代CAD技术的内容44共84页目前，CAD技术仍在不断开展。未来的CAD技术将为新产品设计提供一个综合性的环境支持系统，它能全面支持异地的、数字化的、采用不同设计哲理与方法的设计工作。近年来，先进制造技术的快速开展带动了先进设计技术的同步开展，使传统的CAD技术有了很大的拓展，CAD技术正经历着由传统技术向现代技术的转变。为此，清华大学童秉枢教授等学者提出了“现代CAD技术〞这一概念。现代CAD技术的内容二、现代CAD技术的概念与研究内容45共84页现代CAD技术是指在复杂的大系统下，支持产品自动化设计的设计理论和方法、设计环境和设计工具各相关技术的总称，它们能使设计工作实现集成化、网络化和智能化，到达提高产品设计质量、降低产品本钱和缩短设计周期的目的。现代CAD技术的内容1、现代CAD技术的概念46共84页集成化——支持信息集成、过程集成与企业集成，其涉及的技术主要包括数字化建模、产品数据管理、过程协调与管理、产品数据交换及各种CAx(CAD、CAM等技术的总称)工具等。现代CAD技术的内容

网络化——支持动态联网中协同设计所需的环境与设计技术。

智能化——在实现集成化和网络化时采用的智能技术，如人工智能、专家系统技术等。47共84页〔1〕设计理论和方法现代CAD技术的内容2、现代CAD技术的研究内容深入研究并行设计、协同设计、虚拟设计、大规模定制设计、分形设计的概念。〔2〕设计环境协同设计环境的支持技术，如B/S、C/S结构的计算机系统以及平台体系；协同设计管理。〔3〕设计工具产品数字化建模，STEP；PDM技术；开发CAx和DFx工具。48共84页CAD技术应用实例49共84页CAD技术应用实例50共84页CAD技术应用实例51共84页CAD技术应用实例52共84页CAD技术应用实例53共84页CAD技术应用实例54共84页CAD技术应用实例55共84页CAD技术应用实例国产大客机C919外形样机2023年交付使用56共84页CAD技术应用实例国产C919客机前段机身特写57共84页CAD技术应用实例C919飞机机身特写58共84页从总体上说，处理工程数据的方法有以下三种：工程数据的处理1．程序化处理3．数据库管理2．文件化处理59共84页工程数据的处理1．程序化处理在编程时将数据以一定的形式直接放于程序中。特点：程序与数据结合在一起。缺点：数据无法共享，增大程序的长度。60共84页工程数据的处理2．文件化处理将数据放于扩展名为.DAT的数据文件中，需要数据时，由程序来翻开文件并读取数据。特点：数据与程序作了初步的别离，实现了有条件的数据共享。缺点：〔1〕文件只能表示事物而不能表示事物之间的联系。〔2〕文件较长。〔3〕数据与应用程序之间仍有依赖关系。〔4〕平安性和保密性差。61共84页工程数据的处理3．数据库管理将工程数据存放到数据库中，可以克服文件化处理的缺乏。特点：〔1〕数据共享。〔2〕数据集中。〔3〕数据结构化，既表示了事物，又表示了事物之间的联系。〔4〕数据与应用程序无关。〔5〕平安性和保密性好。方式的选择原那么是：有利于提高CAD作业的效率，降低开发的本钱。62共84页有公式（理论计算公式、经验公式）不能获得公式的离散数据（实验获得）。工程数据的处理一、数据表格的程序处理数表分类两种处理方法有公式的将公式编入程序，通过公式计算即可；没有公式可依的采用数组形式存储于程序中。这里只讲述数组存储的形式。63共84页工程数据的处理1．一维数表的处理定义：由一个变量查取所需数据的表格，称为一维数表。例：表3-1为由小链轮齿数Z查取齿数系数K的一维数表，试对其进行程序化处理。Z9111315171921K0.4460.5550.6670.7750.8931.001.12Z23252729313335K1.231.351.461.581.701.811.9464共84页用TurboC语言编程如下：main(){inti,Z1,ip=20;intZ[14]={9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29,31,33,35};floatK[14]={0.446,0.555,0.667,0.775,0.893,1.00,1.12,1.23,1.35,1.46,1.58,1.70,1.81,1.94};printf(“请输入链轮齿数Z1：〞);scanf(“%d〞,&Z1);for(i=0;i<14;i++)if(Z[i]==Z1){ip=i;i=15;}if(ip<20)printf(“\n当Z=%d时，K=%f〞,z[ip],k[ip]);elseprintf(“\n输入错误！〞);}工程数据的处理65共84页工程数据的处理2．二维数表的处理定义：需由二个条件才能确定一个未知数据的表格，称为二维数表。例：链轮设计中，由节距t和链轮齿数z查取链轮轴孔最大直径dkmax和齿侧凸缘最大直径dh，进行程序化处理。66共84页工程数据的处理节距t9.52512.7015.87519.0525.40齿数zdhdkdhdkdhdkdhdkdhdk112211301837224527603813281538224830573677511535204628583770469361174124543468458253110741947296341795194621268421533371478959107721429523593779519965119801591092565428757109731318817512067共84页节距t31.7538.1044.4550.863.50齿数zdhdkdhdkdhdkdhdkdhdk117650916010671121801521031396641167913591155105193132151178014095164111187129235163171379316511219313222015227519319158108189129221153253177316224211781222141482501752852003572542319913723816527819731822439827825219152263184307217335249438310工程数据的处理68共84页取变量：齿数z——Z[i]i=1,2,3,……8节距t——T[i]i=1,2,3,……10dh——DH[i,j]i=1,2,3,…,8j=1,2,3,…,10dk——DK[i,j]i=1,2,3,…,8j=1,2,3,…,10工程数据的处理69共84页用TurboC语言编程如下：main(){inti,j,Z1,ip=20,jp=20;floatT1;intZ[8]={11,13,15,17,19,21,23,25};floatT[10]={9.525,12.7,15.875,19.05,25.4,31.75,38.1,44.45,50.8,63.5};intDH[8][10]={22,30,37,45,60,76,91,106,121,152,28,38,48,57,77,96,116,135,155,193,35,46,58,70,93,117,140,164,187,235,41,54,68,82,110,137,165,193,220,275,47,63,79,94,126,158,189,221,253,316,53,71,89,107,142,178,214,250,285,357,59,79,99,119,159,199,238,278,318,398,65,87,109,131,175,219,263,307,315,438,};工程数据的处理70共84页intDK[8][10]={11,18,22,27,38,50,60,71,80,103,15,22,30,36,51,64,79,91,105,132,20,28,37,46,61,80,95,111,129,163,24,34,45,53,74,93,112,132,152,193,29,41,51,62,84,108,129,153,177,224,33,47,59,72,95,122,148,175,200,254,37,51,65,80,109,137,165,196,224,278,42,57,73,88,120,152,184,217,249,310};printf(“请输入链轮齿数Z1：〞);scanf(“%d〞,&Z1);for(i=0;i<8;i++)if(Z[i]==Z1){ip=i;i=9;}工程数据的处理71共84页printf(“请输入节距T1：〞);scanf(“%f〞,&T1);for(j=0;j<10;j++)if(T[j]==T1){jp=j;j=11;}if(ip<20&&jp<20)printf(“\n当z=%d,t=%f时，dh=%d,dkmax=%d〞,Z[ip],T[jp]),DH[ip][jp],DH[ip][jp]);elseprintf(“\n输入错误！〞);}工程数据的处理72共84页工程数据的处理3．一维数表的插值处理由于一维数表只给出了结点X1，X2，…，Xn对应的函数值Y1，Y2，…，Yn，而对于非结点上的函数值，如下表，欲取非结点Z1=18或Z1=24时的K值，那么必须用插值法解决。Z9111315171921K0.4460.5550.6670.7750.8931.001.12Z23252729313335K1.231.351.461.581.701.811.9473共84页工程数据的处理〔1〕线性插值法：两点〔X1，Y1〕，〔X2，Y2〕求：位于X1，X2之间的X坐标对应的Y。可用如下的线性插值公式：74共84页工程数据的处理〔2〕拉格朗日二次插值〔抛物线插值〕：三点〔X1，Y1〕，〔X2，Y2〕，〔X3，Y3〕求：位于X1，X2之间或X2，X3之间的X坐标对应的Y。可用如下的抛物线插值公式：75共84页线图的处理方法有两种：一种是将其转换成表格，对非表格节点采用插值法求得；另一种是将其写成公式表示。工程数据的处理二、线图的处理76共84页工程数据的处理1．线图的表格化处理如果能把线图转换成表格，那么就可以使用数表的处理方法