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第二章 CIMS组成与体系工程设计与制造分系统CAD CAE huanggang 2004年9月 现代集成制造系统 5 主要内容 CAD CAE CAPP CAAPCAMCAD CAPP CAM集成PDMCAD CAPP CAM PDM iCAPP CAD子系统 CAD定义CAD技术简史CAD的组成CAD的功能 CAD定义 CAD指工程技术人员以计算机为工具 用各自的专业知识对产品进行总体设计 绘图 分析和编写技术文档等设计活动的总称 即 设计者向计算机输入根据设计要求建立的数学模型 设计参数等 通过计算机检索相关计算 优化 以图形方式显示设计结果 设计人员可对结果进行放大 缩小 旋转 平移 变换等处理 直到获得满意结果 最后将结果以图形或数据形式输出的过程 CAD定义 计算机辅助设计包括的内容 概念设计 优化设计 有限元分析 计算机仿真 计算机辅助绘图 计算机辅助设计过程管理等 完整的CAD系统包括 科学计算 图形系统和工程数据库 CAD技术简史 CAD建模的发展历程 线框造型 Wire FrameModeling曲面造型 SurfaceModeling实体造型 SolidModeling特征造型 FeatureModeling变量化造型 VariableModeling 线框造型 60年代 线框建模是最简单的建模系统 物体只通过棱边 直线 圆弧 园 来描述 优点 数据结构简单 易于实现 所需信息量少 所占存贮空间也最少 缺点 没有面的信息 有些情况下信息不完整 存在多义性 表面只有几何表示 没有定义 由于缺乏形体的表面信息 不能用于加工 CAE及CAM均无法实现 曲面造型 70年代 表面建模是通过对物体各种表面或曲面进行描述的建模方法 表面建模常用于其表面不能用简单的数学模型进行描述的物体 常用的方法 贝塞尔 Bezier 曲面B样条 Bspline Coons曲面NUBERS曲面 曲面造型 CADAM 美国洛克希德 Lochheed 公司CALMA 美国通用电气 GE 公司CV 美国波音 Boeing 公司IDEAS 美国国家航空及宇航局 NASA SDRCUG 美国麦道 MD 公司CATIA 法国达索 Dassault 公司SURP 大众汽车公司PDGS 福特汽车公司EUCLID 雷诺汽车公司 曲面造型 优点 避免了二义性 有完整的表面和边界 适合自动生成NC加工指令 CAM的问题可以基本解决 缺点 由于表面模型只能表达形体的表面信息 难以准确表达零件的其它特性 如质量 重心 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 不能优效处理不规则区域的曲面 无法定义曲面厚度 不存在各个表面之间相互关系的信息 曲面造型 开发出来的软件商品化程度较军方支持的系统要低 功能覆盖面和软件水平亦相差较大 价格昂贵 实体造型 80年代初期 三维实体建模是目前应用最多的一种技术 它在运动学分析 物理特性计算 装配干涉检验 有限元分析方面都已成为不可缺少的工具 SDRC公司于1979年发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD CAE软件 I DEAS 实体造型 三维实体建模是目前应用最多的一种技术 它在运动学分析 物理特性计算 装配干涉检验 有限元分析方面都已成为不可缺少的工具 常用的方法 边界表示法BoundaryRepresentation B rep构造实体几何法ConstructiveSolidGeometry CSG空间单元表示法 边界模型 B rep 用边界表面表示一个几何形体 边界表面再分为边和点等底层几何元素比线框建模方便的图形交互功能难于建立复杂的几何体模型 CSG法 CSG法又称布尔模型 它是通过基本体素及它们之间的布尔运算 相加 相减 相交 来表示的 CSG法将任何几何形体都看成是由简单的 体素 如长方体 圆柱体 球体 圆锥体 环状体 组成 通过布尔运算系统将这些体素组成所需的几何体 空间单元表示法 空间单元表示法是通过具有一定大小的立方体 称为单元 组合起来表示物体的一种方法 通过定义各个单元的位置是否被占用来表达物体 因而是一种近似表示法 并且 单元的大小直接影响到模型的分辨率 单元表示法要求的存贮空间大 且不能表示物体各部分之间的关系 也没有点 线 面的概念 优点是算法简单 便于物理性计算和有限元分析 实体造型 实体造型技术带来了算法改进和未来发展的希望的同时 也带来了数据计算量的极度膨胀 由于以实体模型为基础的CAE本身就属于高层次技术 普及面窄 算法和系统效率的矛盾使实体造型技术因此没能在整个行业迅速推广 CV公司最先在曲面算法上取得突破 计算速度提高很大 特征造型 参数化技术公司 ParametricTechnologyCorp PTC Pro ENGINEER的参数化软件进入90年代 以参数化技术为特点的特征造型变得比较成熟起来 充分体现出其在许多通用件 零部件设计上存在的 简便易行的优势 特征造型 80年代中期 特征造型 使实体造型中的几何体被赋予较高层次 相对于几何 拓扑等较低层次信息而言 的工程信息 如定位基准 公差 粗糙度或其他设计制造信息 提供参数化尺寸驱动的特征造型功能 特点 基于特征 全尺寸约束 全数据相关 尺寸驱动设计修改 特征造型的特点 设计员操作的是产品的功能要素 如定位孔 键槽等 而不再是线条和体素 特征的引入体现了设计人员的设计意图 使模型更易理解和组织生产 设计图易修改 将公差 粗糙度等工艺信息建立在特征模型中 使CAPP和CAM可直接提取所需信息 为开发基于统一产品信息模型的CAD CAPP CAM集成系统创造了条件 特征造型的问题 复合建模技术 并非完全基于实体 难以全面应用参数化技术 CV CATIA UGSDRC公司在1990前摸索了几年参数化技术后 也面临着同样的抉择 采用逐步修补的方式 继续将其I DEAS软件参数化下去 全部改写 特征造型的问题 SDRC的开发人员发现参数化技术 特征造型 有许多不足 全尺寸约束的硬性规定干扰和制约着设计者创造力和想象力的发挥 如在设计中关键的拓扑关系发生改变 失去了某些约束特征也会造成系统数据混乱 变量化造型 SDRC的开发人员大胆地提出了一种更为先进的实体造型技术 变量化技术 从1990年到1993年 SDRC公司投资一亿美元 于1993年推出了全新体系结构的I DEASMasterSeries软件 在早期的大型CAD软件中 这是唯一一家在90年代将软件彻底重写的厂家 变量化造型 变量化技术既保持了参数化技术的原有优点 同时又克服了它的许多不足之处 截止到2002 SDRC的市场排名已由I DEASMS1发布时的第九名 上升至第三位 无疑 变量化技术成就了SDRC 也驱动了CAD发展史上的第四次技术革命 CAD子系统的组成 一个CAD系统由两部分组成 高性能的硬件功能强大的软件 CAD子系统的组成 CAD硬件的组成计算机分为大型机 中 小型机 工作站和微机四大类 外围设备包括鼠标 键盘 扫描仪等输入设备和显示器 打印机 绘图仪 拷贝机等输出设备 网络系统包括中继器 网桥 路由器 网关 Modem方式连接到网络上 以实现资源共享 先进的CAD系统都是以网络的形式出现的 特别是在并行工程环境中 为了进行产品的并行设计 网络更是必不可少的 CAD子系统的组成 CAD软件的组成 CAD子系统的组成 CAD软件的组成 支撑软件 操作系统 程序设计语言及其编辑系统 数据库管理系统和图形支撑软件 应用软件 它是根据本领域工程特点 利用支撑软件系统开发的解决本工程领域特定问题的应用软件系统 设计计算方法库 常用数学方法库 统计数学方法库 常规设计计算方法库 优化设计方法库 可靠性设计软件 动态设计软件 各种专业程序库 常用机械零件设计计算方法库 常用产品设计软件包等 CAD子系统实现模型 CAD的功能 建立几何模型计算机辅助绘图动态模拟工程分析 CAD的功能 建立几何模型几何模型 包括形体各部分的几何形状及空间布置 几何信息 及各部分间的连接关系 拓扑结构 几何信息 指物体在欧氏空间中的形状 位置和大小拓扑信息 指物体各分量的数目及其相互间的联接关系目前常用的建模系统是三维几何建模系统 一般常用三种建模方式 线框建模 表面建模和实体建模 CAD的功能 计算机辅助绘图计算机辅助绘制二维图形常用的方法 1 直接利用图形支撑软件提供的各种功能 利用人机交互方式将图形一笔一笔地画出来 主要缺点是速度慢 绘图工作量大 CAD的功能 计算机辅助绘图计算机辅助绘制二维图形常用的方法 2 利用图形支撑软件提供的尺寸驱动方式进行绘图 又称参数化绘图 采用 HandFree 方式随手勾画出零件的拓扑结构然后再给拓扑结构添加几何和尺寸约束 系统会自动将拓扑结构按照给定的约束转换成零件的几何形状和几何大小这种方式大大提高了绘图效率 它也支持快速的概念设计 CAD的功能 计算机辅助绘图计算机辅助绘制二维图形常用的方法 3 利用图形支撑软件提供的二次开发工具 将一些常用的图素参数化 并将这些图素存在图库中 根据需要从图库中按菜单调用有关图素 并将之拼装成有关的零件图形 由于图素已经参数化 可以方便地修改尺寸 这种利用参数化图素拼装成零件的绘图方法可以极大地提高绘图效率 CAD的功能 计算机辅助绘图计算机辅助绘制二维图形常用的方法 4 采用三维造型系统完成零件的三维立体模型 然后采用投影和剖切方式由三维模型生成二维图形 最后再对二维图形进行必要的修改和补充并标注尺寸 公差和其它技术要求 目前比较先进的CAD系统都具有这种功能 这是最为理想的绘图方法 这种绘图方式一般均可提供相关修改功能 CAD的功能 计算机辅助设计还包括很多其它内容 如优化设计 智能CAD 概念设计 工程数据库 计算机分析和仿真 CAD CAM集成及接口技术等 一个完善的CAD系统 应包括交互式图形程序库 工程数据库和应用程序库 对于产品或工程的设计 借助CAD技术 可以大大缩短设计周期 提高设计效率 CAD技术正向着开放 集成 智能和标准化的方向发展 CAD的功能 建立几何模型计算机辅助绘图动态模拟工程分析 工程分析 计算机辅助工程 CAE CAE的功能 产品几何形状的模型化和工程分析与仿真 常见的工程分析包括 对质量 体积 惯性力矩 强度等的计算分析 对产品的运动精度 动 静态特征等的性能分析 对产品的应力 变形等的结构分析 计算机辅助工程 CAE CAE的内容 有限元分析优化设计动力学分析 有限元分析 有限元分析技术是最重要的工程分析技术之一 它广泛应用于弹塑性力学 断裂力学 流体力学 热传导等领域 有限元方法是60年代以来发展起来的新的数值计算方法 是计算机时代的产物 有限元分析 主要内容 构造线框 表面和立体几何元素以及有限元网格自动生成 特别是复杂的三维模型有限元网格的自动化分 定义各种载荷 物理和材料性能及边界条件 对产品进行多种快速而精确的分析计算 如结构的静 动态特性 强度 振动 热变形分析等 有限元分析 有限元方法的基本思想是将结构离散化 用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象 单元之间通过有限个节点相互连接 然后根据变形协调条件综合求解 由于单元的数目是有限的 节点的数目也是有限的 所以称为有限元法 这种方法灵活性很大 只要改变单元的数目 就可以使解的精确度改变 得到与真实情况无限接近的解 有限元分析 有限元模型和单元类型 有限元分析 工作流程 有限元分析 有限元的前置处理包括 选择所采用的单元类型 单元的划分 确定各节点和单元的编号及坐标 确定载荷类型 边界条件 材料性质等 这些工作不但繁琐 费时 也容易产生错误其中最重要的是网格划分 有限元分析 在有限元分析结束后 由于节点数目非常多 输出的数据量大得惊人 一个优秀的有限元分析程序都有一个后置处理器来自动处理分析结果 并根据操作者的要求以各种方式将结果显示出来 例如 它可以显示在载荷作用下零件的变形 零件各部分的应力 应变或温度场的分布等情况 优化设计 通过定义特性规范或约束条件 如载荷 材料强度 位移和自然频率 把握设计功能极限 优化设计方案 关键是建立正确的数学模型 优化算法 线性规划 非线性规划 动态规划和最优控制问题等求解 优化设计 工程优化设计过程 初始方案x0 计算数学模型中的各个函数值 判断是否达到最优 若没有 则通过优化途径产生修改值 x k 得新的方案x k 1 x k x k 反复执行这一迭代过程 结果收敛 模值 x k 达到很小 终点值x 就是该设计问题的最佳解 动力学分析 模态分析 在系统动力学模型的基础上 根据系统受到的外部激励和实际工作条件分析研究系统的动态特性 从而达到提高整个产品动态性能的目的 主要内容 系统固有特性分析和动力响应分析 模态分析可以使设计师获得较好的机械结构的动特征 动力学分析 目的 避免发生共振或出现有害的振型对系统进行响应分析位移 速度 加速度响应动态应力和动态位移 使用寿命 工作性能 噪音 模态分析 所谓模态分析 是指把软件和硬件结合在一起 构成一个模态分析器 模态分析器可得出系统的固有频率和振动模型 并可把振动以动画方式在图形终