计算机辅助创新设计与制造读书报告

计算机辅助创新设计与制造计算机辅助创新设计与制造 读书报告读书报告 姓姓 名 名 王王 建建 城城 学学 号 号 201210301254201210301254 时时 间 间 2015 6 132015 6 13 昆明理工大学 机电工程学院 机自 122 班 目录目录 第 1 章 概述 1 1 1 CAD CAM 技术的发展及应用 1 1 2 现代设计及制造 3 1 3 创新设计 6 第 2 章 建模技术 7 2 1 几何建模和造型技术概述 7 2 2 常用 CAD 软件三维造型功能简介 8 2 3 Pro E 建模实例 浴霸建模及模具设计 9 第 3 章 计算机辅助工程分析 11 3 1 CAE 及有限元分析法 11 3 2 Pro E 有限元分析概述 12 3 3 实例 相机壳有限元分析 12 第 4 章 计算机辅助制造及 MasterCAM 14 4 1 计算机辅助制造的概念 14 4 2 Master cam 二维铣床加工 14 4 3 浴霸下模加工 15 小结 18 参考文献 19 1 第第 1 1 章章 概述概述 1 11 1 CAD CAMCAD CAM 技术的发展及应用技术的发展及应用 1 1 11 1 1 CAD CAMCAD CAM 定义以及特点定义以及特点 CAD 的全名是 computer aided design 即计算机辅助设计 CAM 的全名是 computer aided manufacturing 即计算机辅助制造 其中 CAD 技术着重于设计 它利用计算机的快速数据处理技术以及大量的存储能力与人类特有的逻辑判断 能力 综合分析能力相结合 从而加快产品的开发速度 缩短产品的设计和制 造周期 该技术的应用在提高产品设计质量的同时也增强了企业的市场竞争力 CAM 着重产品的制造 其功能主要是选择加工工具 得到加工时的加工路径以 及干涉的检查和仿真加工 CAM 适用于小批量 高精度以及对产品的加工一致 性要求较高的产品的加工 1 1 21 1 2 CAD CAMCAD CAM 技术的发展技术的发展 21 世纪以 CAD CAM 技术为代表的制造业的基本特征是高度集成化 智能化 柔性化和网络化 追求的目标是在最快的时间内 以最低的成本生产出满足用 户需求的产品 具体表现出以下几个特征 1 集成化 集成化是 CAD CAM 技术发展的一个最为显著的趋势 它是指把 CAD CAE CAPP CAM 以至 PPC 生产计划与控制 等各种功能不同的软件有机 地结合起来 用统一的执行控制程序来组织各种信息的提取 交换 共享和处 理 保证系统内部信息流的畅通并协调各个系统有效地运行 国内外大量的经 验表明 CAD 系统的效益往往不是其本身 而是通过 CAM 和 PPC 系统体现出来 反过来 CAM 系统如果没有 CAD 系统的支持 花巨资引进的设备往往很难得到 有效利用 PPC 系统如果没有 CAD 和 CAM 的支持 既得不到完整 及时和准确 的数据作为计划的依据 订出的计划也较难贯彻执行 所谓的生产计划和控制 将得不到实际效益 因此 人们着手将 CAD CAE CAPP CAM 和 PPC 等系统有 机地 统一地集成在一起 从而消除 自动化孤岛 取得最佳的效益 2 智能化 智能型 CAD CAM 系统是人工智能技术应用在产品的设计 分析 制造中 尤其是机器人技术和专家系统技术 专家系统是一种问题求解智能软件系统 在某些专业领域内 它把人类专家的知识和经验转换成计算机能够处理和接收 的符号形式 按照专家的控制策略和推理方式 解决该领域内原来只有专家才 能解决的问题 CAD CAM 系统应用逐步深入 逐渐提出智能化需求 设计是一 个含有高度智能的人类创造性活动 智能 CAD CAM 是发展的必然方向 智能设 计在运用知识化 信息化的基础上 建立基于知识的设计仓库 及时准确地向 设计师提供产品开发所需的知识和帮助 智能地支持设计人员 同时捕获和理 解设计人员意图 自动检测失误 回答问题 提出建议方案等 并具有推理功 能 使设计新手也能做出好的设计来 现代设计的核心是创新设计 人们正试 图把创新技法和人工智能技术相结合应用到 CAD 技术中 用智能设计 智能制 2 造系统去创造性解决新产品 新工程和新系统的设计制造 这样才能使我们的 产品 工程和系统有创造性 3 网络化 21 世纪 制造业从获取需求信息 到产品分析设计 选购原辅材料和零部 件 进行加工制造 直至营销 整个生产过程都将实现全球化 CAD CAM 系统 的网络化是能使设计人员对产品方案在费用 流动时间和功能上并行处理的并 行化产品设计应用系统 是能提供产品 进程和整个企业性能仿真 建模和分 析技术的拟实制造系统 是能开发自动化系统 产生并优化工作计划和车间级 控制 支持敏捷制造的制造计划和控制应用系统 是能对生产过程中物料进行 管理的物料管理应用系统等 随着计算机网络技术的不断完善 CAD CAE CAM 系统的网络化已成为不可阻挡的发展趋势 网络化可以充分发挥系统的总体优 势 使一个项目在多台计算机上协作完成 借助现有的网络 不同设计人员可 以通过网络交流设计数据 同时对产品的设计与制造进行操作和评价 4 绿色化 绿色化现已成为 CAD CAM 技术的新趋势 当前 全球环境的恶化程度与日 俱增 制造业一方面是创造人类财富的支柱产业 但同时又是环境污染的主要 源头 因此 无论从技术发展 还是从需求推动的角度 绿色制造已经在影响 和引导当今的技术发展方向 从产品设计到制造技术 从企业组织管理到营销 策略的制定 一批绿色制造技术的概念已经在发展之中 5 综合化 未来产品的开发设计是机械科学的理论知识与电磁学 光学 控制理论等 多学科知识的有机结合 未来的 CAD CAM 技术最主要应该是与材料粒子或熔融 状态下的模具成型技术有机地结合在一起 运用 CAD CAM 技术设计完成产品的 制造流程后 连接 CAD CAM 主机的制造系统 粒子填充机或熔融储存器 就会立 即在自生系统内运用被无限细分后的小方块特殊板材 耐高温 高压 生成 CAD CAM 所设计的零件形状 然后根据在 CAD CAM 系统中设计好的材料的粒子 或熔融态物质进行填充 填充满后进行冷却即得到所需的零件 当然 这其中 还会涉及到粒子或熔融物质填充时的气泡消除技术 粒子或液态物资的冷却技 术等相关模具化技术 1 1 21 1 2 CAD CAMCAD CAM 技术的应用技术的应用 目前市场上 CAD CAM 软件有很多种 其中 CAD solidworks UG Pro E CATIA 和 Inventor 的应用较为广泛 但是在国 内外的应用有着很大的差别 下面将分别介绍 CAD CAM 在国内外的使用状况 CAD CAM 在国外的应用较早 主要用于产品的设计开发和工程的设计 在 美国从事 CAD CAM 系统开发和销售的公司有几千家 销售量也在以每年 20 30 的速度增长 20 世纪 50 年底第一台数控铣床的应用标志着 CAD 技术 应用的开始 20 世纪 60 年代 自动编程语言 APT 的诞生使得 CAD 和 CAM 产生了 最初的集成 MIT 人机对话图形通信系统论文的宣读 标志着交互式 CAD 的开 端 20 世纪 70 年代 进入 CAD CAM 的早期实用阶段 主要用于机械 建筑以 及船舶和电子等大中型企业中 比较著名的系统有英国的 Romuous 系统 80 年 代起计算机技术有了大幅度的提高 CAD CAM 技术向着实体造型和特征建模方 向发展 随着工程数据库的发展 商品化的软件也在这时相运而生 到 90 年代 3 该技术已经向着更加智能化 标准化和集成化的方向发展 并且在各个相关行 业中得到了广泛的应用 20 世纪 60 年代我国才开始从国外引进该技术 直到 70 年代才开始应用 但是由于计算机水平的限制 该技术仅仅被用来做产品设计时的分析计算 90 年代我国开始自主开发 CAD CAM 软件 并且得到了快速的发展 据统计 1992 年 申报参加 CAD 软件测评的企业超过 350 家 经过不断的发展和市场竞争 CAD 软件的功能日臻完善 但是到 99 年申报测评的 CAD 软件已经不多于 5 家企业 这时国内软件与国外软件共同分割市场 进入 21 世纪 国家政策的改变 使得 我国制造业开始具备在现有软件的基础上根据自身企业的特点 开发适合自身 使用的计算机辅助设计 制造 管理系统 从而国内 CAD 产品也向着产业化 系 统化和集成化的方向发展 1 21 2 现代设计及制造现代设计及制造 1 2 11 2 1 现代设计概念及特征现代设计概念及特征 设计是人类运用已有知识和技术解决问题或创造新事物以满足社会需要的 活动 产品设计过程可分成四个设计域 用户域 功能域 物理域 过程域 而设计过程实际上就是求解这四个设计域之间的映射关系 其中 顾客域和功 能域之间的映射关系建立即为产品定义阶段 功能域和物理域之间的映射关系 建立即为产品设计阶段 物理域和过程域之间的映射关系建立即为过程设计阶 段 与传统设计相比 现代设计是传统设计的深入 丰富和完善 而非独立于 传统设计的全新设计 可从以下特征来理解 1 以计算机技术为核心 这是现代设计的主要特征 具体表现为以下几方面 1 设计手段的更新 计算机技术推动了设计手段从 手工 向 自动 的转变 2 产品表示的改变 计算机技术推动了产品表示从 二维 向 三维 的转变 3 设计方法的发展 促进了一些新的设计方法的出现 高性能的计算机 硬件和先进的软件技术是这些方法实施的保证 4 工作方式的变化 计算机技术促进了设计方式从 串行 到 并行 的变化 5 设计与制造一体化 产品模型加强了设计与制造两个环节的连接 提 高了产品开发的效率 6 管理水平的提高 产品设计是一个复杂的系统工程 设计过程中涉及 大量设计数据和设计行为的管理 7 组织模式的开放 网络技术的发展加快了数据通讯速度 缩短了企业 之间的距离 2 以设计理论为指导 现代设计方法是基于理论形成的方法 利用这种方法指导设计可减小经验 设计的盲目性和随意性 提高设计的主动性 科学性和准确性 因此 现代设 计是以理论指导为主 经验为辅的一种设计 4 1 2 21 2 2 传统设计与现代设计传统设计与现代设计 传统设计是一种经历了直觉设计 经验设计 半理论经验设计 3 个发展阶 段并于 20 世纪 50 年代后期形成的 是以经验总结为基础 运用长期设计实践 和理论计算而形成的经验 公式 图表 设计手册等作为设计依据 通过经验 公式 近似系数或类比等方法进行设计 随着计算机技术的高速发展 设计工作包括机械产品的设计过程产生了质 的飞跃 另外 许多现设计技术与方法是在吸取了传统设计技术中的思想 观 点 方法之精华而发展起来的 如系统设计 功能设计 模块化设计 优化设 计 并行设计等 因此 可以说现代设计技术是在传统设计方法基础上继承和 发展起来的 是一门多专业和多学科交叉综合性很强的基础技术科学 现代设计与传统设计关系 1 继承关系 现代设计是在传统设计的基础上发展起来的 它继承了传统 设计的精华之处 克服了传统设计的一些不足 是传统设计的继承 延伸和发 展 2 共存与突破的关系 设计方法的发展 从直觉设计到经验设计以至现代 设计 都有时序性 继承性和两种方法在一定时期内共存性的关系 1 2 31 2 3 现代设计技术原则现代设计技术原则 现代设计原则是传统设计原则的扩充和完善 两者并无本质区别 可归纳 为以下几类 1 功能保证原则 产品设计的目的是构造能够实现规定功能的产品 如果 产品不具备要求的功能 设计就失去价值 因此满足功能是各类产品设计的必 要原则 2 质量保障原则 保证质量是产品设计的重要原则 产品质量主要由性能 和可靠性决定 设计力求技术上先进 但更要保证使用中的可靠性 3 工艺优良原则 指设计能够且容易通过生产过程实现 它包括 1 可制 造性 2 可装配性 3 可测试性 4 经济合理原则 要求产品具有较低的开发成本和使用费用 力求做到经 济合理 也就是说 在满足用户提出的功能要求下 有效地节约能源 降低成 本 5 社会使用原则 考虑产品投放市场后的表现行为 包括 1 环境友好性 2 环境适应性 3 人机友好性 4 可维修性 5 安全性 6 可安装性 7 可 拆卸性 8 可回收性 6 创新设计原则 设计本身就是创造性思维活动 只有大胆创新才能有所 发明 有所创造 1 2 41 2 4 现代制造技术定义现代制造技术定义 按照人们所需的目的 运用知识和技能 利用客观物资工具 将原材料物 化为人类所需产品的工程技术称为制造技术 即 使原材料成为产品而使用的 一系列技术的总称 信息技术 传统制造技术的发展 现代管理技术 现代制造技术 5 1 2 51 2 5 现代制造技术的组成技术现代制造技术的组成技术 1 基础技术 包括精密下科 精密成形 精密加工 精密测量 毛坯强韧化 少 无 氧化热处理 气体保护焊及埋弧焊 功能性防护涂层等 2 新型制造单元技术 在市场需求及新兴产业的带动下 制造技术与电子 信息 新材料 新能 源 环境科学 系统工程 现代管理等高新技术结合而形成了崭新的制造单元 技术 3 现代制造集成技术 是应用信息 计算机和系统管理技术对上述两个层次技术进行局部或系统 集成而形成的现代制造技术的高级阶段 如柔性制造系统 FMS 计算机集成 制造系统 CIMS 智能制造系统 IMS 等 1 2 61 2 6 现代制造技术的分类现代制造技术的分类 现代制造技术主要沿着 大制造 或称 广义制造 的方向发展 通常可 分为现代制造系统设计技术 现代制造工艺技术 制造自动化技术 以及现代 制造系统与生产管理技术等四个方面 1 2 71 2 7 我国现代制造技术的发展现状我国现代制造技术的发展现状 目前我国制造业仍然存在着自主创新能力薄弱 能源资源消耗高 污染排 放严重 区域产业结构趋同 服务增值率低 高水平人才短缺等一系列亟待解 决的问题 1 超高速加工方面 仍处于低级阶段 还没有形成完整 系统的研究体系和方法 国内磨削砂 轮的线速度一般在 45 60m s 尚未超过 80 m s 超高速切削 磨削技术和其机床装备 与国际先进水平相比 还有较大差距 2 超精密加工方面 国内研发的超精密切削机床 无论性能稳定性和可靠性 还是精度指标 与国外产品相比 还有较大差距 而且国外的商品化机床都配有精度补偿软件 3 特种加工方面 国内在电加工 激光加工 超声加工 聚焦离子束和电子束加工等方面 与国际先进水平相比 还有较大差距 4 微纳加工方面 与国外相比 基础研究还很落后 高水平的装备和仪器大都依赖进口 5 自动化技术方面 我国目前尚处在单机自动化 刚性自动化阶段 柔性制造单元和系统仅在 少数企业中使用 6 现代生产管理方面 国内只有少数大型企业局部采用了计算机辅助管理 多数中 小型企业仍 处于经验管理阶段 与国际先进水平相比 还有较大差距 6 7 创新能力方面 我国在经费投入强度 技术水平 技术引进 生产能力等体现企业核心竟 争力和持续发展能力方面 远低于工业发达国家 8 完整的体系方面 目前我国绝大多数企业技术开发能力薄弱 尚末成为技术创新的主体 还 缺乏一支精干 相对稳定的力量从事产业共性技术的研究与开发 1 31 3 创新设计创新设计 1 3 11 3 1 创新设计基本概念创新设计基本概念 创新设计属于技术创新范畴 其要求比对设计的要求提高了许多 不仅是 一种创造性的主活动 还是一个具有经济性 时效性的活动 归纳起来创新设 计具有如下特点 1 创新设计是涉及到多种学科 包括设计学 创造学 经济学 社会学 心理学等的复合型工作 其结果的评价也是多指标 多角度的 2 创新设计中相当一部分工作是非数据性 非计算机性的 而是要依靠对 各学科知识的综合理创新学是研究人类创造发明及其一般规律的科学 其宗旨 在于通过对人们创新活动和创新发明方法的研究 揭示人类创新发明的一般规 律 并用以有效促进人们的各种创造和发明 促进科学技术进步和社会生产力 的发展 解与交融 对已有经验的归纳与分析 运用创造性的思维方法与创造 学的基本原理开展工作 3 创新设计不只是因为问题而设计 更重要的是提出问题 解决问题 4 创新设计是多种层次的 不在乎规模的大小 也不在乎理论的深浅 注 重的是新颖 独创 及时 5 创新设计的最终目的在于应用 1 3 21 3 2 创新思维创新思维 现在的创新学主要是从行为学角度来认识人类创造性思维德特点 创新性 思维的思维形式 思维方式 思维模式及其思维的规律 同时也研究如何对一 般人进行更有效的创新性思维培养和训练 1 创新思维特点 由于人们对于自身的创造性思维往往了解不多 研究得不够深入 因而对 于创造性思维特点的看法也极不一致 总的来说 创造性思维具有如下特点 1 创新思维具有开放性特点 2 创新思维具有求异性特点 3 创新思维具有突发性特点 4 创新思维是逻辑与非逻辑思维的有机结合 2 创新思维类型 创新思维是多种成对的辩证思维类型的综合 认识成对的辩证思维类型 特别是其中对创新影响较大的思维类型 有助于锻炼发展自己的创新思维 1 形象思维和抽象思维 2 发散思维和收束思维 3 逻辑思维和非逻辑思维 7 4 定向思维和逆向思维 1 3 31 3 3 创新技法创新技法 创新技法源于创造学的理论与规则 是以创新思维为基础 通过实践总结 出一些创造发明的技巧和方法 1 组合法 组合创新是很重要的创新方法 是任意的 各种各样的事物要素都可以进 行组合 1 同物组合 同物组合是指把若干同类事物组合在一起 用以创新 2 异物组合 异物组合指把两种不同类事物组合在一起从而得到创新 异物组合设计法的运用也非常广泛 3 辐射组合 辐射组合是以一种新技术或令人感兴趣的技术为中心 同 多方面的传统技术结合起来 形成技术辐射 从而导致多种技术创新的发明创 造方法 2 类比法 所谓类比发明法 就是一种确定二个以上事物间同异关系的思维过程和方 法 3 移植法 移植法是发明者把某一技术领域中的技术手段和方法 移植应用到另一技 术领域 用以变革和创新 从而搞出新发明 4 联想法 联想发明是依据人的心理联想发明的一种创造方法 由联想捕获设计构思 的方法就是联想设计法 它是易于操作且易出效果的设计方法 5 换元法 换元法是指对不能直接解决的问题采用 替代 手段 使问题得到以解决或 使创新活动深入开展 6 模仿法 模仿法是指以某一模仿原型为参照 在此基础上加以变化产生新事物的方 法 7 创造需求法 例如 1 观察生活法 2 顺应潮流法 3 艺术升格法 4 引 伸需求链条法 5 预测需求法等 8 三思法 三思法是对某一具体方案从积极 消极 和兴趣感触等三个方面思考后再 作出决策的方法 三思法将使方案更趋完善 执行中更具稳健 第第 2 2 章章 建模技术建模技术 2 12 1 几何建模和造型技术概述几何建模和造型技术概述 几何造型技术是研究在计算机中 如何表达物体模型形状的技术 几何造 型通过对点 线 面 体等几何元素的数学描述 经过平移 旋转 变比等几 何变换和并 交 差等集合运算 产生实际的或想象的物体模型 8 建模 对于现实世界中的物体 从人们的想象出发 到完成它的计算机内 部表示的这一过程称之为建模 现实中的物体是三维的 连续的 而计算机内 部是一维的 离散的 有限的 所谓计算机内部表示 就是在计算机内部采用 什么样的数据模型来描述 存储 表达现实中的物体及其相关的属性 模型一 般由数据 数据结构 算法三个部分组成 因此 CAD CAM 建模技术研究的是产 品数据模型在计算机内部的建立方法 过程及采用的数据结构和算法 几何建模方法即物体的描述和表达是建立在几何信息和拓扑信息处理基础 上的 几何信息是物体在欧氏几何空间中的形状 位置和大小 最基本的几何元 素是点 直线 面 但只用几何信息难以准确描述物体 存在有物体表达上的 二义性问题 要完整的描述物体 还必须同时给出其拓扑信息 拓扑信息是指 拓扑元素 点 线 面 的数量及其相互间的连接关系 根据描述方法及存储的几何信息 拓扑信息的不同 三维几何建模系统可 分为三种不同层次的建模类型 线框建模 表面建模 实体建模 2 22 2 常用常用 CADCAD 软件三维造型功能简介软件三维造型功能简介 2 2 12 2 1 常用常用 CADCAD 软件软件 目前常用 CAD 软件有 I DEAS UG Pro ENGINEER CATIA SolidWorks Inventor 等 2 2 22 2 2 三维造型功能简介三维造型功能简介 EDS 的 I DEAS 软件 I DEAS 软件在建立三维实体模型时 采用了草图设计的概念 软件的人 机界面能尽可能地模拟设计人员所用习惯采用的概念化思维过程 比较易学易 用 I DEAS 软件的曲面造型完全基于 NURBS 几何定义的 它提供了一组丰富 的曲线曲面生成工具用以放样 扫掠 缝合曲面 能对曲面形状进行灵活控制 EDS 的 UG 软件 UG 软件采用基于约束的特征建模和传统的几何建模为一体的复合建模技术 特别是使用参数化造型 客户只要简单地修改模型的尺寸标注 就能看到该零 件各种不同的形状和尺寸 而使用系统化造型 客户就能够通过改变产品中任 何工件 进行各种变形 来查看完整的产品及其生产过程 PTC 的 Pro ENGINEER 软件 Pro ENGINEER 软件采用全参数化造型技术 比较适于零件相对简单 部件 结构比较复杂的产品设计 Pro ENGINEER 使用用户熟悉的特征作为产品几何模 型的构造要素 这些特征是一些普通的机械对象 并且可以按预先设置很容易 的进行修改 例如 设计特征有弧 圆角 倒角等等 它们对工程人员来说是 很熟悉的 因而易于使用 装配 加工 制造以及其它学科都使用这些领域独 特的特征 通过给这些特征设置参数 不但包括几何尺寸 还包括非几何属性 然后修改参数很容易的进行多次设计叠代 实现产品开发 Dassau1t 的 CATIA 软件 CATIA 软件可以帮助用户完成大到飞机小到螺丝刀的设计及制造 它提供 9 了完备的设计能力 从 2D 到 3D 到技术指标化建模 SolidWorks 软件 SolidWorks 在零件建模提供了无与伦比的 基于特征的实体建模功能 通 过拉伸 旋转 薄壁特征 高级抽壳 特征阵列以及打孔等操作来实现产品的 设计 通过对特征和草图的动态修改 用拖拽的方式实现实时的设计修改 三 维草图功能为扫描 放样生成三维草图路径 或为管道 电缆 线和管线生成 路径 在曲面建模带控制线的扫描 放样 填充以及拖动可控制的相切操作产 生复杂的曲面 可以直观地对曲面进行修剪 延伸 倒角和缝合等曲面的操作 Autodesk Inventor 在一个超值软件包中同时提供最佳的二维和三维设计技术 它的设计非常 灵活 用户不必放弃目前使用的二维系统 就能体验 Autodesk Inventor 软件 的最新三维技术 2 32 3 Pro EPro E 建模实例 浴霸建模及模具设计 建模实例 浴霸建模及模具设计 2 3 12 3 1 浴霸建模浴霸建模 1 新建零件并拉伸一个长 宽 高 380mm 380mm 50mm 的实体 如图所示 2 在实体正面创建一个边界混合曲面 对实体的四个棱边倒角 偏移实体 如图所示 3 在曲面上进行偏移 草绘 拔模及抽壳 如图所示 10 4 在面罩上进行拉伸通孔 如图所示 建模完成 2 3 22 3 2 浴霸模具设计浴霸模具设计 1 调入模具参照模型 设置收缩率 设计毛坯工件 如图所示 11 2 设计分型面 分割体积块 如图所示 3 抽取模具元件 铸模 开模 如图所示 模具设计完成 第第 3 3 章章 计算机辅助工程分析计算机辅助工程分析 3 13 1 CAECAE 及有限元分析法及有限元分析法 CAE 是计算机辅助工程 Computer Aided Engineering 的英文简称 随着 计算技术的发展 企业可以建立产品的数字样机 并模拟产品及零件的工况 对零件和产品进行工程校验 有限元分析和计算机仿真 在产品开发阶段 企 业应用 CAE 能有效地对零件和产品进行仿真检测 确定产品和零件的相关技术 参数 发现产品缺陷 优化产品设计 并极大降低产品开发成本 在产品维护 检修阶段能分析产品故障原因 分析质量因素等 有限元分析在 CAE 中运用最 广 有限单元法的基本思想是将物体 即连续的求解域 离散成有限个简单单 元的组合 用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体 从而将一个连续的无 限自由度问题简化为离散的有限自由度问题 物体被离散后 通过对其中各个 单元进行单元分析 最终得到对整个物体的分析结构 随着单元数目的增加 解的近似程度将不断增大和逼近真实情况 有限元分析 FEA Finite Element Analysis 是用较简单的问题代替复 杂问题后再求解 它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成 对每一单元假定一个合适的 较简单的 近似解 然后推导求解这个域总的满足 条件 如结构的平衡条件 从而得到问题的解 这个解不是准确解 而是近似 12 解 因为实际问题被较简单的问题所代替 由于大多数实际问题难以得到准确 解 而有限元不仅计算精度高 而且能适应各种复杂形状 因而成为行之有效 的工程分析手段 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元 有限元的概念 早在几个世纪前就已产生并得到了应用 例如用多边形 有限个直线单元 逼 近圆来求得圆的周长 但作为一种方法而被提出 则是最近的事 有限元法最 初被称为矩阵近似方法 应用于航空器的结构强度计算 并由于其方便性 实 用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣 经过短短数十年的努 力 随着计算机技术的快速发展和普及 有限元方法迅速从结构工程强度分析 计算扩展到几乎所有的科学技术领域 成为一种丰富多彩 应用广泛并且实用 高效的数值分析方法 3 23 2 Pro EPro E 有限元分析概述有限元分析概述 3 2 13 2 1 Pro MECHANICAPro MECHANICA 有限元分析的基本步骤有限元分析的基本步骤 1 建立几何模型 在 Pro ENGINEER 中创建几何模型 2 识别模型类型 将几何模型由 Pro ENGINEER 导入 Pro MECHANICA 中 此 步需要用户确定模型的类型 默认的模型类型是实体模型 我们为了减小模型 规模 提高计算速度 一般用面的形式建模 3 定义模型的材料物性 包括材料 质量密度 弹性模量 泊松比等 4 定义模型的载荷 5 定义模型的约束 6 有限元网格的划分 由 Pro MECHANICA 中的 Auto GEM 自动网格划分器 工具完成有限元网格的自动划分 7 定义分析任务 运行分析 8 根据设计变量计算需要的项目 9 图形显示计算结果 3 33 3 实例 相机壳有限元分析 实例 相机壳有限元分析 模拟环境 相机不慎从 1 5m 高出坠落 正面触及地面 相机重量 0 5kg 1 导入已经建好的相机壳零件模型 如图所示 2 定义材料为 PVC 定义相机外壳的安装面被完全约束 通过分析计算 在相机壳正面施加施加 270N 的均布载荷 如图所示 13 3 分析计算并查看结果 如图所示 应力 位移 应变 分析完成 14 第第 4 4 章章 计算机辅助制造及计算机辅助制造及 MasterCAMMasterCAM 4 14 1 计算机辅助制造的概念计算机辅助制造的概念 计算机辅助制造 CAM Computer Aided Manufacturing 有狭义和广义的 两个概念 CAM 的狭义概念指的是从产品设计到加工制造之间的一切生产准备 活动 它包括 CAPP NC 编程 工时定额的计算 生产计划的制订 资源需求计 划的制订等 这是最初 CAM 系统的狭义概念 到今天 CAM 的狭义概念甚至更 进一步缩小为 NC 编程的同义词 CAPP 已被作为一个专门的子系统 而工时定 额的计算 生产计划的制订 资源需求计划的制订则划分给 MRP ERP 系统来 完成 CAM 的广义概念包括的内容则多得多 除了上述 CAM 狭义定义所包含的 所有内容外 它还包括制造活动中与物流有关的所有过程 加工 装配 检验 存贮 输送 的监视 控制和管理 4 24 2 MasterMaster camcam 二维铣床加工二维铣床加工 Master cam 二维加工 主要指 Master cam 外形铣削 挖槽加工 钻孔加工 以及平面铣削等 1 外形铣削也称为轮廓铣削 其特点是沿着零件的外形即轮廓线生成切削 加工的刀具轨迹 轮廓可以是二维的 也可以是三维的 二维轮廓产生的刀具 路径的切削深度是固定不变的 而三维轮廓线产生的刀具路径的切削深度是随 轮廓线的高度位置变化的 二维轮廓线的外形铣削是一种 2 5 轴的铣床加工 它在加工中产生在水平 方向的 XY 两轴联动 而 Z 轴方向只在完成一层加工后进入下一层时才作单独的 动作 外形加工在实际应用中 主要用于一些形状简单的 模型特征是二维图 形决定的 侧面为直面或者倾斜度一致的工件 如凸轮外轮廓铣削 简单形状 的凸模等 使用这种方法可以用简单的二维轮廓线直接进行编程 快捷方便 2 挖槽加工或者称为口袋加工 主要用来切除一个封闭外形所包围的材料 或切削一个槽 其特点是移除封闭区域里的材料 其定义方式由外轮廓与岛屿 所组成 挖槽加工与外形铣削最大的区别是 挖槽加工是大量地去除一个封闭 轮廓内的材料 另外通过轮廓与轮廓之间的嵌套关系 去除欲加工的部分 而 外形铣削虽然也可以选择多个轮廓 但他们是不存在嵌套关系 虽然也可以大 量地去轮廓外或轮廓内的材料 通过设定较多的毛坯余量和侧向步距 但不适 用于毛坯余量不均匀的轮廓 挖槽加工是一种 2 5 轴的铣床加工 它在加工中产生在水平方向的 XY 两轴 联动 而 Z 轴方向只在完成一层加工后进入下一层时才作动作 挖槽加工在实 际应用中 主要用于一些形状简单的 图形特征是二维图形决定的 侧面为直 面或者倾斜度一致的工件粗加工 如模具的镶块槽等 使用这种方法可以以简 单的二维轮廓线直接进行编程 快捷方便 3 Master cam 提供了丰富的钻孔方式 而且可以自动输出对应的钻孔固定 循环加工指令 如钻孔 铰孔 镗孔和攻丝等加工方式 Master cam 提供了七 种孔加工的各种标准固定循环方式 而且允许用户自定义符合自身要求的循环 方式 15 4 平面铣削用于对工件毛坯顶部平面进行铣削 此方式并不用于铣削已用 面域定义好的表面 曲面 它的平面是对位于同一构图平面内的 用基本轮廓 图素临时串接起来的 平面铣削的范围是由串连图素所覆盖起来的面积范围 4 34 3 浴霸下模加工浴霸下模加工 4 3 14 3 1 导入浴霸下模导入浴霸下模 IGESIGES 类型文件类型文件 操作 File Converters IGES Read file 打开浴霸下模 IGES 类型文件 如图所示 4 3 24 3 2 模型的坐标转换模型的坐标转换 操作 Xform Rotate All Entities Done Origin 在 Rotation anlge 栏中输入 90 OK 此时转动了 Z 轴 如图所示 4 3 34 3 3 加工坯料及对刀点加工坯料及对刀点 1 Level 输入 2 OK 2 Creat Next Menu Bound box 去掉 center point OK 3 Creat Line Endpoint 选两对角点 P1 P2 绘直 线 如图所示 16 4 Xform Translate 转移几何体 All Entities Done