现代机械工程设计的特点及CAD-技术的走向浅析.docx

现代机械工程设计的特点及CAD技术的走向摘要：本文基于机械设计领域的工作模式和特点，从基本原理、设计方法、设计效果等几个方面探讨了CAD技术在机械设计方面的应用。实践证明，CAD技术在机械设计领域的发展起到了至关重要的作用，使机械设计提高到了全新的水平。现代机械工程设计的特征及现代设计中最具活力的计算机辅助设 计(CAD)技术的发展方向, 对于把握现代机械工程设计技术领域的新动向、开发和使用新方法新技术、改革传统设计模式, 具有一定的意义。机械设计是为实现某一使用功能, 同时考虑其运动可能性、制造可能性、经济可能性, 从而构思一种具有一定创新的机械产品的过程。人工智能在CAD 技术的智能化中起着突出的作用,人工智能与CAD 技术相结合的一切研究, 几乎都围绕着提高CAD 系统的创造力而展开。关键词：机械设计，特点，CAD技术，发展趋势，分析一般认为:机械设计是为实现某一使用功能, 同时考虑其运动可能性、制造可能性、经济可能性, 从而构思一种具有一定创新的机械产品的过程。传统的机械设计过程是:(1)市场(用户)对产品的需求调查;(2)工程设计问题的归纳定义;(3)工程设计问题的综合;(4)设计问题的分析和方案的优化;(5)已有设计方案的反复评价修改;(6)绘制工程图样和撰写设计文件。上述设计过程分别涉及以下各方面的工作和相关的技术人员:市场预测、科学思维方法学、相似理论和模型试验、价值工程、可靠性设计、测试与分析技术、类比设计和设计信息管理。传统的设计技术受低劣的设备条件和落后的技术方法所限, 只能在保守的观念下, 依据粗略的验算甚至估计, 通过大量的简化和静止化假设完成机械工程设计, 它必然使设计存在随意性、对个人的经验和习惯的依赖性极大, 极难实现合理、准确和高效的设计。现代设计技术充分利用了当今迅速发展起来的计算机技术、计算技术、应用数学和力学、电子学、测试和分析技术, 使设计技术有可能从经验的、静止的和随意性很大的传统设计变为基于计算数据、知识工程或专家系统的、动态的现代设计。这需要充分收集、分析和检索必要的信息、快速的数值运算和方案寻优, 因而必然大规模地使用CAD 技术和人工智能技术、数据库技术等。现代设计虽然大体上继承了传统设计的原则和步骤、价值分析法则和指标、造型设计标准和观念、类比设计思想、组合/ 分解方法等, 但科技发展对设计技术的促进使之不可能一成不变地沿袭旧有模式, 而是几乎在产品设计全周期的各阶段, 都应引入现代科技成果和工具,使用各学科的新发现、新观念。由此可见, 现代设计技术的相关学科领域除上述传统设计过程中涉及的技术门类外, 还融进了计算机仿真技术、随机振动与动态载荷分析、模块化设计、优化设计、计算机辅助设计、有限元分析、动态试验及其强化、计算机信息交换方法和标准等, 其中, 动态、优化和计算机化是其核心。综上所述, 现代设计技术具有以下特点:(1)智能化:大型复杂机械的设计必须完成“ 分析分解 综合” 的过程, 其中包含了大量创造性思维过程和智能活动。(2)经济性:市场的竞争、用户的选择使对产品的经济性要求越来越高。(3)并行性:必须超前考虑后续过程, 实现DFM 、DFA, 以压缩废品、库存的消耗, 确保上述经济性。(4)集成化:即树立人 机一体化、机 电一体化、硬件 软件一体化观念, 综合多方面测试分析数据指导、评价设计, 融多种现代科技成果和技术, 特别是CAD 技术于机械产品之中。(5)精确性:这是机械工程产品复杂度、综合性提高的必然结果, 现代先进的计算技术、计算理论和计算分析工具的使用也使之得以迅速提高。(6)动态性:不仅分析设计对象要从动态的观点出发, 设计组织的合作协调也具有动态性, 后者要求设计数据集成、设计系统无缝连接。CAD 技术作为机械工程设计中最具活力的技术手段, 从目前的情况来看, 它主要应用于机械设计的以下诸方面:几何建模、工程分析(如结构分析中的应力/ 应变计算, 动态特性、热传导特性分析等)、设计审查与评价(如公差分配审查、干涉检查、运动仿真等)、计算机辅助绘图、工程数据库的建立及其操作、工程设计信息的处理、检索和交换等。然而, 机械设计是一种反复改进、分析评价的创造过程, 这一过程具有以下特征:创造性 针对市场需求或用户需求构思出具有一定创意的产品模型;多解性建模中材料、用户对象、设计标准、经济指标等的差异均可导致迥然不同的设计结果;近似性 不论计算手段多么先进、设计工具多么强有力, 也必须进行必要的简化近似。这些特性在机械设计过程中非常突出, 但又没有确定的数学模型, 也难以得出明确的解答, 现有CAD 技术因此在其中尚无用武之地。由于具有上述特征的工作基本上集中在设计过程的早期, 其中构思的优劣、设计目标选择的合理与否, 对后续工作的影响不论在深度还是广度上都非常大。为了在机械工程设计的早期最大限度地将工程技术人员从繁琐无序的摸索尝试中解放出来, 从而充分发挥人类卓越的创造力, 同时综合运用人类多年积累的知识成果, 发挥设计组织的集体智慧, 必须将繁杂的数值计算、知识信息的传送处理和检索、简单而又众多的判断等工作尽可能地交给计算机完成因此, CAD 技术必须向智能化、信息集成化、信息交换接口标准化和CAD/CAM 一体化方向发展。可以预见, 随着近年来人工智能、知识库数据库技术、信息集成与交换技术的飞速发展和信息交换标准的拟定、发展与完善, CAD 技术正在向智能化、信息集成化、信息交换接口标准化方向发展, 它在机械设计过程中的应用也趋于向设计早期深入。人工智能在CAD 技术的智能化中起着突出的作用,人工智能与CAD 技术相结合的一切研究, 几乎都围绕着提高CAD 系统的创造力而展开。基于范例推理的设计、基于约束满足的设计等方法的广泛应用, 导致了智能CAD 技术的产生和发展。其中具有一定智能的专家系统主要以两种形式存在, 即用于方案综合和设计评价。近年来还出现了处理设计条件描述不充分问题的基于神经网络的设计方案推导系统, 以及针对机械工程设计多解性的模糊设计、模糊评判方法。信息集成通常是指MIS(管理信息系统)、DSS(决策支持系统)、CIMS(计算机集成制造系统)的数据共享及其完整性、安全性和一致性维护。但随着工程设计项目规模和设计队伍的扩大、设计周期的缩短以及DFM 、DFA模式的引入, 关于设计系统内部信息共享的要求日益迫切。然而, 实现这一目标的特殊困难在于:设计中大量存在非结构化、非定长的多媒体信息, 如工程图样、产品样品图象、关于用户调查及产品评价的录音等, 对他们的有效管理必须借助于多媒体数据库。虽然目前用于商业和教育的多媒体数据库系统已进入实用阶段, 但支持工程设计的多媒体工程数据库(EDB)还有许多问题尚待研究。众所周知, 多媒体信息数据量极大, 而EDB 又往往是分布式的, 并具有版本管理能力、长事务处理能力等多方面的要求。因此, 为了减轻网络负载, 必须解决Client/ Server环境下智能化多库协同问题, 多媒体信息传输、播放的同步问题等。CAD 系统集成化的另一途径是信息交换接口的标准化。为此, 已先后产生了IGES、PDES 、STEP 等信息交换标准, 目前它们还在进一步发展完善中。通过以上分析, 我认为:由于现代机械设计技术的智能化、集成化、并行性、动态性等特点, CAD 技术作为其中最具活力的组成部分, 必须与人工智能、专家系统等技术相结合以逐步实现其本身的智能化, 与多媒体工程数据库技术相结合以支持现代工程设计的综合性、并行性,遵循信息交换标准并采用信息交换标准化的成果, 以保证CAD 系统的开放性, 进而实现设计过程中各计算机支持系统间的集成。总结综上所述，机械制造业的发展实质是传统机械设计与制造技术与现代信息技术、自动化技术等技术的不断融合与发展，CAD技术的进步必将推动机械设计与制造技术的进步，尽管目前我国的CAD技术取得了喜人的成就，但与国外水平相比仍具有较大的