吴青老师《工程设计软件介绍》.doc

CADCAE技术概论及工程设计软件介绍第一节 CAD概念的产生和发展 CAD(Computer Aided Design)指使用计算机系统进行设计的全过程，包括资料检索、方案构思、零件造型、工程分析、工程制图、文档编制等。在设计的各个阶段计算机都能发挥它的辅助作用，因此CAD概念一产生，就成为一门新兴的学科，引起了工程界的关注和支持，迅速地得到发展并日益地完善起来。 20世纪60年代初，美国麻省理工学院MIT，开发了名为Sketchpad的计算机交互图形处理系统，并描述了人机对话设计和制造的全过程，这就是CADCAM的雏型，形成了最初的CAD概念：科学计算、绘图。随着计算机软、硬件的发展，计算机逐步应用于设计过程，形成了CAD系统，同时给CAD概念加入新的含义，逐步形成了当今应用十分广泛的CADCAECAM集成的CAD系统。从CAD概念产生至今，CAD经历了多个发展时期。 从20世纪60年代初到70年代中期，CAD从封闭的专用系统走向商品化，主要技术特点是二维、三维线框造型，只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系，需配备大型计算机系统，价格昂贵。此时期有代表性的产品是：美国通用汽车公司的DAC-1，洛克希德公司的CADAM系统。CAD开始进入应用阶段。 20世纪70年代后期，进入发展时期。由于集成电路的问世，CAD系统价格下降。同时，此时正值飞机和汽车工业蓬勃发展时期，飞机和汽车制造中遇到了大量的自由曲面何题，法国达索飞机制造公司率先开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统CATIA，采用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达自由曲面。该阶段的主要技术特点是自由曲面造型。曲面造型系统为人类带来了第一次CAD技术革命。一些受到国家财政支持的军用工业相继开发了CAD软件，如美国洛克希德公司的CADAM、美国通用电气公司的CALMA、美国波音公司的CV、美国国家航空及宇航局(NASA)支持开发的I-DEAS、美国麦道公司开发的UG等。 20世纪80年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAE、CAM技术也开始有了较大的发展，由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确地表达零件韵其他属性，如质量、质心、惯性矩等，对CAE十分不利，最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对CADCAE一体化技术发展的探索，SDRC公司第一个开发了基于实体造型技术的CADCAE软件I-DEAS。由于实体造型技术能够精确地表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，因此称之为CAD发展史上的第二次技术革命。但由于当时的硬件条件还不能满足实体造型技术所带来的数据计算量极度膨胀的需求，使实体造型技术没能很快在整个行业中全面推广开来。 20世纪80年代中期，CV公司的一些人提出了参数化实体造型方法，其特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改等。策划参数化技术的这些人成立了一个参数技术公司(Parametric Technology Corp.PTC)，开始研制ProENGINEER的参数化软件。进入20世纪90年代，PTC在CAD市场份额中名列前茅。可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上第三次技术革命。 20世纪90年代初期，SDRC公司在摸索了几年参数化技术后，开发人员发现参数化技术尚存在许多不足之处。“全尺寸约束”这一硬性规定就干扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥。为此，SDRC的开发者捉出了一种此参数化技术更为先进的实体造型技术变量化技术，并历经3年时间，投资一亿多美元，推出了全新体系的I-DEAS Master Serise软件。变量化技术成就了SDRC，也驱动了CAD技术发展的第四次技术革命。 目前，CAD技术日益完善，许多发达国家相继推出成熟的CADCAFCAM集成化的商品软件，在设计理论、设计方法、设计环境、设计工具等各方面出现许多成熟的现代CAD技术。当今CAD技术是计算机在工程中最有影响的应用技术，它作为现代工程制造技术的重要组成部分，是促进科研成果的开发和转化，促进传统产业和学科的更新与改造，实现设计自动化，增强企业及其产品在市场上的竞争力，加强国民经济发展的一项关键性高新技术。CAD概念在各个时期有所不同，1973年国际信息联合会给出“CAD是将人和机器混编在解题作业中的一种技术，从而使人和机器的最好特性联系起来。”的定义。到20世纪80年代初，第二届国际CAD会议上认为CAD是一个系统的概念，包括计算、图形、信息自动交换、分析和文件处理五个方面的内容。1984年召开的国际设计及综合讨论会上，认为CAD不仅是设计手段，而且是一种新的设计方法和思维。可见CAD概念是一个变化的、不断发展的概念。 第二节 CAE概念的产生和发展 CAE是Computer Aided Engineering(计算机辅助工程)的缩写，是以现代计算力学为基础，以计算机仿真为手段的工程分析技术，是实现产品优化设计的主要支持模块。CAE技术的主要内容包括有限元分析法、边界法、运动机构分析、气动或流场分析、电磁场分析等，其中有限元分析在机械CAD中应用最广泛。几十年来，有限元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题；分析的对象由弹性材料扩展到塑性粘塑性和复合材料等；分析的领域从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域；在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计，并且和计算机辅助设计技术的结合越来越紧密，因此，有些学者认为，CAE应属于广义CAD的重要组成部分。 CAE技术的发展大体经历了以下三个阶段： 20世纪6070年代，CAE技术处在探索发展阶段。这一时期的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问题。1963年DrRichard MacNeal和MrRobert Schwndler投资成立MSC公司，开发了称之为SADSAM(Structural Analysis by Digital Simulation of Analog Methods)的结构分析软件。1967年在美国NASA支持下，SDRC公司成立，并于1968年发布世界上第一个动力学测试及模态分析软件包。1971年推出商用有限元分析软件Supertab(后并入I-DEAS)。1970年SASI公司成立(后来重组改称ANSYS公司)，开发了ANSYS软件。 20世纪7080年代是CAE技术蓬勃发展时期。1977年MDI公司成立，致力于发展机械系统仿真软件，其软件ADAMS应用于机械系统运动学、动力学仿真分析。1978年，ABAQUS软件应用于结构非线性分析。1982年CSAR成立，其CSANastran软件主要针对大结构，流固耦合、热及噪声分析。1987年LSTC成立，其产品LSDYNA及LSNIKE3D用隐式算法求解低高速动态及特征问题。1989年Engineering Software Kesemoch and Development公司成立，致力发展P法有限元程序。这一时期CAE发展有以下几个特点： 1. 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。 2. 有限元分析技术在结构分析和场分析领域获得了很大的成功。从电学模型开始拓展到各种物理场(如温度场、电磁场、声波场等)的分析。从线性分析向非线性分析(如材料的非线性、几何大变形导致的非线性、接触行为引起的边界条件非线性等)发展。从单一场的分析向几个场的耦合分析发展。出现了许多著名的分析软件，如Nastran、I-DEAS、ANSYS、ADINA、SAP系列、DYNA3D、ABAQUS、NIKE3D与WECAN等。 20世纪90年代是CAE技术成熟壮大阶段。CAE软件发展商积极发展与各CAD软件的专用接口并增强软件的前后置处理能力。如MSCNastran在1994年收购了Patran作为自己的前后置处理软件，并先后开发了与CATIA、UG等CAD软件的数据接口。同样，ANSYS也在大力发展其软件ANSYSPrepost前后置处理功能，而SDRC公司利用I-DEAS自身CAD功能强大的优势，积极开发与别的设计软件的CAD模型传输接口，先后投放了ProE to I-DEAS、CATIA to I-DEAS、UG to I-DEAS等专用接口，在此基础上再增强I-DEAS的前后置处理功能。CAE走上了CADCAECAM集成的道路。 CAE技术的发展趋势： (1)应用领域越来越宽。使用对象从以专家为主转向普通设计者和开发工程师。 (2)集成程度越来越高。软件功能从单一CAE功能转向CADCAE设计分析一体化。 (3)分析人员的工作重点转向前后置处理。如果把整个分析过程分解为前处理、求解和后处理，则前处理包括建立几何模型、几何模型输入输出准备、网格划分、定义边界条件，而求解和后处理相对简单。1997年SDRC公司对分析人员整个分析过程中各个阶段所占的时间百分比做了调查。由于计算机硬件速度的提高以及分析软件计算方法的改进，求解时间仅占4。前处理占用了87的时间，后处理占用了9的时间。由此可见目前影响分析效率的主要环节是前后置处理。解决的方法有： 1. 采用CADCAE一体化软件，解决大多数的分析任务。 2. 提高分析软件的前后置处理能力，压缩整个分析过程的前后置处理时间。 3. 采用同一有限元模型进行多种分析。目前在产品开发中，产品评估(PE)的概念已经开始广为人们接受。产品评估要求在整个产品开发过程中，从用户需求概念设计产品设计产品及零件详细设计工艺性分析产品性能验证生产维护的各个阶段，对产品进行及时有效的分析。采用评估与产品开发过程并行的方式，保证分析结果更为客观，更为可靠。CAE技术将发挥越来越重要的作用。第三节 工程设计软件介绍 目前，已有许多商用工程设计软件，现分别简介一些著名的工程设计软件。 一、CATIA软件 CATIA(Computer Aided Three-dimensional Interface Application)是法国达索飞机公司子公司达索系统公司与IBM合作研究开发的CADCAECAM软件系统。它是千个先进的自动化设计、制造及工程分析软件，主要用于机械制造、工程设计和电子行业。 主要特点：根据工业生产的工艺过程，提供用户从概念设计、风格设计、详细设计、工程分析、设备及系统工程、制造乃至应用软件开发等面向过程的设计思想和解决方案；采用115次Bezier曲线面和非均匀有理B样条计算方法；具有很强的三维复杂曲面造型和加工编程能力，适用于飞机，汽车等复杂机械产品外形几何设计和数控加工编程；提供统一的用户界面数据管理，完全兼容的模块数据和应用程序接口。 产品功能模块：三维设计、实体几何、高级曲面、绘图、影像设计、建库、数控铣削、数控车削、导管安装和管子成形、机器人、建筑设计和设备布置、结构设计和钢结构件、原理图、运动学、有限元分析、接口模块、交互式图形接口、服务管理访问等。 二次开发接口：几何接口、用户接口、图形交互接口、工业标准数据转换、数据双向转换接口等。 二、UG软件 UG(UNIGRAPHICS)是EDS公司的产品，它是一个集CAD、CAE和CAM为一体的计算机辅助机械设计系统，适用于航空航天飞行器、汽车、通用机械以及模具的设计、分析和制造。 主要特点：提供特征化、参数化和变量化的概念设计；采用非均匀B样条作为曲面造型的数学基础；采用区别于多面体的曲面实体造型，使线框模型、曲面模型和实体模型融为一体；提供可以独立运行的面向对象的集成管理数据库系统，使CAD、CAE、CAM各部分的能够自由切换：具有良好的二次开发接口和工具。 产品功能模块：概念设计、基本设计绘图、细节绘图、实体模型、高级曲面造型、组合件及部件、机械结构、图形有限元模型、塑料流动、图形交互式语言、平面铣削、型腔铣切、车削加工、钣金成形、下料排样、冲压激光、综合仿真、工程数据库、计算机辅助工艺过程设计。 二次开发接口：用户接口及开发工具，GRLP把UG的图形功能与高级语言的计算功能相结合；Parasolid与UG集成的三维实体建模的子程序为用户设计新产品和复杂曲面几何的实体建模提供进一步开发工具；User Function提供UG和其他软件系统接口的软件库，允许用户在UG中增加功能，存取UG数据库，并将其他用户写的程序连接到UG。工业标准数据转换接口：LGES双向接口，还有与其他CAD系统的数据交换接口。 三、I-DEAS软件 I-DEAS是SDRC(Structural Dynamics Research Corporation)公司开发的产品，其I-DEAS Master Series为I-DEAS的所有应用模块提供精确的、并行的数据资源。它具有非常直观的用户界面，同时保持与老版本的兼容性。它是一个用于工程部门的具有设计、绘图、工程分析、塑料模、数控编程和测试集成功能的综合机械设计自动化软件系统。它主要应用于汽车、摩托车制造业，机械产品的设计、分析和制造、仪器仪表、塑料产品的设计、分析和制造。 主要特点：I-DEAS Master具有70多个紧密集成的模块，使设计、绘图、仿真测试到制造的整个机械产品开发过程实现自动化；具有在产品初始设计阶段对产品的性能进行实际模拟的能力，从而可以优化产品性能和工艺性；以实体模型为基础，具有先进的图形功能和基于人工智能技术的“动态引导器”；用户界面采用变量设计和开放性结构，集成用户内部的应用程序，以实现模块之间的并行关联；采用工程关系数据库将I-DEAS的几何元素分析数据和测试数据传输到其他应用程序，I-DEAS具有很强的工程分析和工程测试能力。 产品功能模块：Master造型器和装配设计、钣金件设计、机构设计、公差分析、电缆设计、绘图符号库、查询及标记、标准件库和模架库、多坐标数控编程、数控通用后置处理、后置程序编写器和线切割电火花加工、高级有限元模型建立、线性模型解算、非线性模性解算优化、梁造型、叠层复合材料、系统动态分析、模型响应和复杂热场分析、公共测试特征与功能、信号处理基础、标准后处理、高级后处理、谐波后处理、标准测量、时序追踪、测试数据显示、疲劳寿命分析、结构修改、相关性分析、塑料模具分析、流动分析、冷却分析、收缩及翘曲分析、熔合缝探测分析和热固性塑料注射成型、材料数据管理系统、项目组数据管理、数据管理控制系统和文档管理等。 四、ProENGINEER ProENGINEER是美国PTC公司(Parametric Technology Corporation)开发的一套机械设计自动化软件系统，它是新一代CADCAECAM软件，实现了产品零件或组件从概念设计到制造全过程设计的自动化，提供了以参数化为基础，基于特征的实体造型技术，主要用于汽车及运输机械、宇航和飞机制造、电子及计算机设备行业以及其他行业。 主要特点：将产品整个设计至生产全过程集为一体的新一代自动化机械设计(MDA)软件，其核心技术是采用参数化和特征化的实体模型系统，具有独特的功能结合能力。系统是建立在统一的富有关联性的数据库基础上的，任何一处有更改，其他有关地方都会相应地自动修改，提供了工程的“完全关联性”。 产品功能模块：基本模块、曲面造型、特征定义、装配设计、组件设计、工程制图、图表设计、电缆设计、电缆制造、模具设计、钣金设计、有限元网络、加工编程、数据校验、标准件库；数据管理、报表生成、读图等。二次开发接口：用户接口有hoDEVELOP，为用户开发工具提供C语言编程的函数库；有ProLANGVGE，对菜单和辅助说明信息提供语言翻译能力；有ProPLOT，提供符合工业标准的输入，输出设备的软件接口。工业标准数据转换接口及其他接口有hoINTERFACE，是一个完整的工业标准数据转换系统；数据交换功能包括IGES40、IGESl28、SET、DXF、SLA、NEUTRAL、PATRAN Geom、SUPERTAB Geom、VDA。与其它CAD系统的数据交换接口有ProCAT与CATIA系统的双向数据交换接口、ProCDT与PROFESSLONAL CADAM的双向数据交换接口、ProECAD与电子CAD(ECAD)系统之间的数据交换接口。第四节 CATIACATIA是英文 Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application 的缩写，也是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM 一体化软件。 CATIA是从法国达索飞机公司发展出的法国Dassault System公司开发的CAD/CAE/CAM一体化高档软件，居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。目前在中国由IBM公司代理销售。 在上世纪70年代Dassault Aviation 成为了第一个用户，CATIA 也应运而生。法国 Dassault Aviation 是世界著名的航空航天企业。其产品以幻影2000和阵风战斗机最为著名。CATIA的产品开发商Dassault System 成立于1981年。而如今其在CAD/CAE/CAM 以及PDM 领域内的领导地位，已得到世界范围内的承认。其销售利润从最开始的一百万美元增长到现在的近二十亿美元。雇员人数由20人发展到2，000多人。 CATIA 提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括:从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。在世界上有超过13,000的用户选择了CATIA。CATIA 源于航空航天业，但其强大的功能以得到各行业的认可，在欧洲汽车业，已成为事实上的标准。CATIA 的著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业。其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。波音飞机公司使用CATIA完成了整个波音777的电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了CATIA 在CAD/CAE/CAM 行业内的领先地位。CATIA的新产品的开发非常的迅速。目前的CATIA覆盖了产品开发的整个周期，并且一直保持着其技术领先的优势。 CATIA的主要特点是：根据工业生产的工艺过程，提供用户从概念设计、风格设计、详细设计、工程分析、设备及系统工程、制造乃至应用软件开发等面向过程的设计思想和解决方案；采用115次Bezier曲线面和非均匀有理B样条计算方法；具有很强的三维复杂曲面造型和加工编程能力，适用于飞机，汽车等复杂机械产品外形几何设计和数控加工编程；提供统一的用户界面数据管理，完全兼容的模块数据和应用程序接口。 CATIA的产品功能模块有：三维设计、实体几何、高级曲面、绘图、影像设计、建库、数控铣削、数控车削、导管安装和管子成形、机器人、建筑设计和设备布置、结构设计和钢结构件、原理图、运动学、有限元分析、接口模块、交互式图形接口、服务管理访问等。 从1982年到1988年，CATIA 相继发布了1版本、2版本