先进制造技术 课件 第二章 先进设计方法与技术

第二章先进设计方法与技术Advanceddesignmethodandtechnology先进制造技术Contents2.1先进设计技术概述2.3先进设计技术应用的软件2.2先进设计技术2.4本章小结2.1先进设计技术概述-4-2.1先进设计技术概述先进设计技术（AdvancedDesignTechnology）是先进制造技术的基础。它是以满足产品的质量、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，以多种科学方法及技术为手段；是在研究、改进、创造产品的活动过程中所用到的技术群体的总称。直觉设计经验设计半理论半经验设计先进设计技术产品设计发展历程先进设计技术的内涵-5-2.1先进设计技术概述1.先进设计技术是对传统设计理论与方法的继承、延伸与扩展2.先进设计技术是多种设计技术理论与方法的交叉与融合3.先进设计技术实现了设计手段的计算机化与设计结果的精确化4.先进设计技术实现了设计过程的并行化、智能化5.先进设计技术实现了面向产品全生命周期过程的可信性设计6.先进设计技术是对多种设计实验技术的综合运用先进设计技术已经扩展到产品的规划、制造、营销和回收各个方面。先进设计技术具有以下一系列特点：先进设计技术的特点2.1先进设计技术概述先进设计技术分支学科很多，其基本体系结构及其与相关学科的关系如图所示。先进制造工艺自然科学自动化技术系统管理技术材料科学政治经济学文化社会科学市场营销学相关学科与技术现代设计技术各种产品设计领域应用技术基础技术传统的设计理论与方法支撑技术现代设计理论与方法设计实验技术主体技术计算机辅助技术先进设计技术的技术体系-6-2.2先进设计技术计算机辅助设计(ComputerAidedDesign，CAD)是自20世纪50年代以来，随着计算机技术的高速发展而随之产生与发展的一门综合性计算机应用技术。-8-CAD几何建模图形处理工程分析仿真模拟工程数据的管理与共享CAD系统的基本功能计算机辅助设计2.2先进设计技术面向性能的设计(Designforperformance,DFP)：按性能要求获得的最佳设计方案，求解出理想或理论设计参量(材料、结构、运动形式等参量)。面向制造的设计(Designformanufacturing,DFM)，对DFP完成的设计，依据产品性能与材料、结构、几何、制造工艺、使役工况等参量之间的关系及敏度分析，确定出最为可行的制造工艺，并合理分配各环节的制造允差。面向性能/制造的设计2.2先进设计技术-9-可靠性工程是指为了达到产品可靠性要求而进行的设计、管理、实验和生产等一系列工作的总和，与产品全生命周期内的全部可靠性活动有关。-10-产品可靠性的要素可靠性工程规定的条件产品规定的时间规定的功能能力可靠性设计2.2先进设计技术反求工程又称逆向工程或反求设计，反求工程类似于反向推理，属于逆向思维体系。它以社会方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有的产品进行解剖、分析、重构和再创造，以下是反求工程的优缺点。优点缺点能够快速建立设计图样和3D模型执行难度大，需要高精度的设备和技术；可以降低设计时间和成本，提高设计效率成本高，需要购买专业的测量设备和软件精度高、准确性高，可以确保生产制造的质量数模与实物不一定完全一致，需要进行模拟和验证可以在不拆卸现有设备的情况下进行测量，不会对原设备产生影响需要充分的技术和理论知识支持反求工程2.2先进设计技术-11-反求工程技术的研究对象多种多样，主要可以分为以下三大类。实物类：主要指先进产品设备的实物本身。软件类：包括先进产品设备程序、技术文件等。影像类：包括先进产品设备的图片、照片或以影像形式出现的资料。反求工程2.2先进设计技术-12-反求工程中常用的测量方法一般分成两类：接触式与非接触式。接触式：坐标测量机法、层析法。非接触式：基于光学三角形原理的逆向工程扫描法、基于相位偏移测量原理的莫尔条纹法、基于工业CT断层扫描法。工业CT断层扫描法坐标测量机反求工程2.2先进设计技术-13-绿色设计(也称为面向环境的设计，Designforenvironment)是指系统地考虑环境影响并集成到产品最初设计过程中的技术和方法。绿色制造是指在制造过程中减少对环境的负面影响，提高资源利用效率，降低能源消耗和废耗物的生成，实现绿色、环保、可持续的制造过程。绿色设计2.2先进设计技术-14-绿色设计与传统设计的根本区别在于：绿色设计要求设计人员在设计构思阶段就要把降低能耗、易于拆卸、再生利用和保护生态环境与保证产品的性能、质量、寿命、成本的要求列为同等的设计目标，并保证在生产过程中能够顺利实施。绿色设计具体有以下几种原则：绿色设计2.2先进设计技术-15-绿色材料的选择是一个系统性和综合性很强的复杂问题。美国卡耐基梅龙大学的Rosy提出了一种将环境因素融入材料选择的方法，该方法在满足功能、几何形状、材料等特性和环境要求的前提下使零件的成本最低。该材料选择方法的流程图所示。绿色设计2.2先进设计技术-16-拓扑优化是指根据指定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。其目标是通过对设计范围内的外力、荷载条件、边界条件、约束以及材料属性等因素进行数学建模和优化，从而最大限度地提高零件的性能。（b）拓扑优化后零件（a）原始零件

拓扑优化设计示意图拓扑优化设计2.2先进设计技术-17-由于拓扑优化生成的自由形式的设计通常难以用传统工业制造手段进行制造，但是在先进的3D打印技术支持下，拓扑优化的设计输出可以直接交给3D打印机来完成，极大地拓展了拓扑优化的工业化进程。拓扑优化骨科植入物拓扑优化设计金属结构节拓扑优化设计连杆拓扑优化设计2.2先进设计技术-18-拓扑优化设计过程定义外部荷载、边界条件、约束条件以及材料属性等输入信息。利用有限元分析考虑应用负载点、安装位置以及约束区域；使用有限元创建网格，根据定义的要求测试每个有限元的刚度、柔度、应力、挠度，确定多余的材料区域；最后，有限元分析将各个部件编织在一起组成设计终稿。拓扑优化设计过程拓扑优化设计2.2先进设计技术-19-拓扑优化优缺点优点：优化设计材料使用的最小化具有成本效益减少对环境的影响缺点：强度降低成本提高，制造难度提升2.2先进设计技术拓扑优化设计-20-2.3先进设计技术中应用的软件2.3先进设计技术中应用的软件先进设计技术中应用的软件设计软件有限元仿真软件AutoCADSolidWorksPro/EngineerMastercamUnigraphicsNXCATIAANSYSADINAABAQUSMSC系列COMSOLMultiphysics先进设计技术中应用的软件分类-22-AutoCAD软件界面

AutoCAD是由美国欧特克有限公司(Autodesk)出品的一款计算机辅助设计软件，可以用于二维制图和基本三维设计。AutoCAD的基本功能主要包括平面绘图、图形编辑、三维绘图。AutoCAD尽管有强大的图形功能，但表格处理功能相对较弱，而在实际工作中，往往需要在AutoCAD中制作各种表格，如工程数量表等。

未来AutoCAD技术将向着标准化、开放式、集成化、智能化方向发展。2.3先进设计技术中应用的软件AutoCAD设计软件-23-Pro/Engineer软件界面

Pro/Engineer是美国PTC公司旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者。Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一。Pro/Engineer最早进入中国市场的版本大概是ProE18版，其后经过了十几年的发展和完善。2.3先进设计技术中应用的软件Pro/Engineer设计软件-24-SolidWorks软件界面

SolidWorks是达索系统(DassaultSystems)下的子公司研发的设计软件。SolidWorks软件是基于Windows系统下的原创的三维设计软件。SolidWorks公司的研发部门设法从不同的角度对大型装配体的装载速度进行了改进，包括分布式数据的处理和图形压缩技术的运用，使得大型装配体的性能提高了几十倍。2.3先进设计技术中应用的软件SolidWorks设计软件-25-UnigraphicsNX软件界面

UG(UnigraphicsNX)是SiemensPLMSoftware公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。该软件可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构，适用于对大型的汽车、飞机等产品建立复杂的数学模型。

它在诞生之初主要是基于工作站，但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长，已经成为模具行业三维设计的一个主流应用软件。2.3先进设计技术中应用的软件UnigraphicsNX设计软件-26-Mastercam软件界面

Mastercam是美国CNCSoftware公司开发的基于PC平台的CAD/CAM软件。包括美国在内的各工业大国皆一致采用该系统。作为设计、加工制造的标准，以美国和加拿大教育单位来说，共计有2500多所高中、专科大学院校使用此软件进行机械制造及数控编程，在中国台湾及大陆其在工业界及教育单位也有领先之地位。2.3先进设计技术中应用的软件Mastercam设计软件-27-CATIA软件界面

CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。自1999年以来，市场上广泛采用它的数字样机流程，从而使之成为世界上最常用的产品开发系统。2.3先进设计技术中应用的软件CATIA设计软件-28-ANSYS软件界面

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程(CAE)软件，能与多数计算机辅助设计软件对接，实现数据的共享和交换。ANSYS功能强大，操作简单方便，已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA评比中都名列第一。2.3先进设计技术中应用的软件ANSYS仿真软件-29-ADINA软件界面

ADINA软件出现于20世纪70年代，以有限元理论为基础，通过求解力学线性、非线性方程组的方式获得固体力学、结构力学、温度场问题的数值解。

ADINA在机械行业的应用十分广泛，例如在往复式活塞泵、往复式压缩机、轴承、减速机、工程机械类、冶金机械类、矿山机械类产品设计中都到有不同程度的应用，尤其在离心泵等流体机械中的流固耦合分析计算中应用最多。2.3先进设计技术中应用的软件ADINA仿真软件-30-COMSOLMultiphysics软件界面

COMSOLMultiphysics是由COMSOL集团于1998年发布的大型高级数值仿真软件。它包括了多个应用领域的专业模块，例如力学、电磁场、流体、传热、化工、MEMS、声学等；同时也包含了一系列与第三方软件的接口软件，其中包含常用CAD软件、MATLAB，和Excel软件等的同步链接产品，使得COMSOLMultiphysics软件能够与主流CAD软件工具无缝集成。2.3先进设计技术中应用的软件COMSOLMultiphysics仿真软件-31-

MSC系列有限元仿真软件由MSC.Software公司(MSCSoftwareCorporation，MSC)设计，该公司是世界著名的有限元分析和计算机仿真预测应用软件CAE供应商和虚拟产品开发(VirtualProductDevelopment，VPD)概念的倡导者。MSC系列软件应用广泛，包括航空、航天、汽车、船舶、通用机械、兵器、电子、核能、土木、医疗器械、生物力学、铁道、运输等。MSC软件的仿真结果示意图2.3先进设计技术中应用的软件MSC系列仿真软件-32-近几年，各类核心设计软件均已出现本土企业，如中望软件、天河智能、安怀信、华天软件等企业陆续崛起。以中望软件为例，坚持走自主研发与创新道路并在2021年3月份在上交所科创板成功上市，具备了与国际软件巨头竞争的实力。而在关键核心技术上，中望软件拥有自主三维几何建模内核，让中国工业软件摆脱对国外技术的“依赖”成为了可能，增强产业发展的自主性。自2014年以来，全球先进设计软件市场规模以每年5%~6%左右速度增长。发达国家在工业软件领域有着较强的先发优势，工业软件市场份额主要被北美和欧洲占据。随着工业软件技术趋于成熟，为了更好地发展，先进设计软件提供商需要向发展中国家和地区渗透。2.3先进设计技术中应用的软件我国先进设计软件现状-33-高端技术人才匮乏市场环境混乱无序核心技术不足投入到深层次的软件开发和应用研究的高端人才严重不足，造成了基层人才扎堆，中层人才断代，高层人才严重不足的现状。设计软件技术的知识产权得不到有效的保护，恶意抄袭和复制极大地打击了软件开发企业的积极性；各中小企业没有形成规模化和集约化效应，龙头企业数量相对较少，规模相对较小。在核心技术的研究和开发上同西方发达国家相比仍然存在不小的差距，在技术基础、成本投入、长远规划上等都有很大的发展空间。