数字化设计技术

1、1 机电工程与自动化学院 CIMS专题 数字化设计技术 第一章 概念 第二章 数字化设计技术的发展历程 第三章 数字化设计技术之虚拟样机 第四章 数字化设计技术的应用机身外形设计 第五章 数字化设计技术的总结 2 机电工程与自动化学院 CIMS专题 第一章第一章 概念概念 3 机电工程与自动化学院 CIMS专题 1.数字化设计 数字化设计是指将计算机技术应用于产品设计领域， 通过基于产品描述的数字化平台，建立数字化产品模 型并在产品开发过程应用，达到减少或避免使用实物 模型的一种产品开发技术。数字化设计具有以下两个 显著优点： 4 机电工程与自动化学院 CIMS专题 （1）减少设计过程中实物模

2、型的制造。传统设计 在产品研制中需经过反复多次的“样机生产-样机 测试-修改设计”的过程，这不仅耗费物力、财力， 还使得产品研制周期延长。数字化设计则在制造物 理样机之前，针对数字化模型进行仿真分析与测试， 可排除某些设计不合理性； （2）易于实现设计的并行化。相对与传统设计 过程的串行化，数字化设计可以让一项设计工作由 多个设计队伍在不同的地域分头并行设计、共同装 配，这在提高产品设计质量与速度方面具有重要的 意义。 5 机电工程与自动化学院 CIMS专题 第二章第二章 数字化设计技术的发展历程数字化设计技术的发展历程 第一阶段： CAx工具应用阶段。各种CAx工具（CAD /CAE /CA

3、M /CAT等）开始出现并逐步得到应用，标志 着数字化设计的开始。 6 机电工程与自动化学院 CIMS专题 CAD CAE CAPP CAQ CAFD CATD CAT CAX/设计工具 设计工具/信息集成信息集成 7 机电工程与自动化学院 CIMS专题 第二阶段：并行工程应用阶段。具体体现在PDM（产 品数据管理）技术及DFx（如DFM、DFA等）技术在产 品设计阶段的应用。并行工程是在CAD、CAM、CAPP等 技术的支持下，将原来分别依次进行的工作在时间和 空间上交叉、重叠，利用原有技术，吸收了计算机技 术、信息技术的成果，成为产品数字化设计的重要手 段和先进制造技术的基础。 8 机电工

4、程与自动化学院 CIMS专题 使能技术与工具使能技术与工具 产品数字化建模、信息集成产品数字化建模、信息集成 CAxCAx、DFxDFx 、PDMPDM 开发过程重组开发过程重组 过程建模、分析、改进、过程建模、分析、改进、 监控等监控等 集成产品集成产品 开发团队开发团队 计算机网络计算机网络 数据库数据库 CSCWCSCW 协调与冲突仲裁协调与冲突仲裁 组织环境组织环境 协同工作环境协同工作环境 并行并行 工程工程 9 机电工程与自动化学院 CIMS专题 第三阶段：虚拟样机技术应用阶段。虚拟样机技术是 一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是CAx/DFx建 模/仿真技术、现代信息技术、先进设

5、计制造技术和 现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周 期、全系统，并对它们进行综合管理。虚拟样机技术 强调系统的观点，涉及产品全生命周期，支持对产品 的全方位测试、分析与评估，强调不同领域的虚拟化 的协同设计。 10 机电工程与自动化学院 CIMS专题 Time = $ 11 机电工程与自动化学院 CIMS专题 第三章第三章 数字化设计技术之虚拟样机数字化设计技术之虚拟样机 虚拟样机是由分布的、不同工具开发的、甚至异构 的子模型组成的模型联合体： 12 机电工程与自动化学院 CIMS专题 虚拟样机虚拟样机支持产品开发制造的全生命周期 需求分析和定义 概念设计 详细设计 生产制造 测试评

6、估 使用 维护训练 直至销毁等不同阶段 概念设计 详细设计 测试评估 使用 维护训练 需求分析 和定义 销毁 13 机电工程与自动化学院 CIMS专题 在产品全生命周期中的虚拟样机 14 机电工程与自动化学院 CIMS专题 需求样机 需求样机是根据用户需求建立的未来产品的可视化和 数字化描述，描述产品功能和外部行为的结构模型 进行未来产品的功能仿真，给设计部门演示和说明产 品功能的具体要求和使用环境。 给出未来产品的性能要求及其粗略框架，框架由有待 填充、细化和完善的功能模块组成。 15 机电工程与自动化学院 CIMS专题 概念样机 概念样机是根据需求样 机的要求，对所提出未 来产品的方案设想

7、的可 视化和数字化描述。 细化了功能模块和模 块间的信息流动关系。 为产品的性能和外部 行为提供物理细节和 更详细的可视化描述。 对产品的可制造性、 可装配性及其可维护 性进行概略评估。 16 机电工程与自动化学院 CIMS专题 工程样机 工程样机是概念样机的进一步 细化，主要由产品的各种物理 性能模型、CAD模型以及其他 模型（成本、维护等）组成 开展产品的各种仿真试验 工作，评估详细设计方案 的优缺点，以及可制造性、 可装配性、可维护性等。 根据评估结果，对产品的 开发和生产进度、成本、 质量提出更为全面的要求。 17 机电工程与自动化学院 CIMS专题 最终样机 在产品生产、装配和使用前

8、，虚 拟样机在工程上基本定型。原型 样机是将原有样机与实际使用环 境相结合，检验产品的实际使用 效果，评估进一步改进设计方案 的可能性。 加入可靠性模型、维护模型和 可用性模型，支持产品的虚拟 维护。 加入虚拟仿真模型和操作模型， 支持产品的使用训练模拟。 18 机电工程与自动化学院 CIMS专题 并行工程并行工程是虚拟样机技术是虚拟样机技术指导思想指导思想， 建模建模/ /仿真仿真是虚拟样机技术的是虚拟样机技术的核心，核心， 协同仿真协同仿真是虚拟样机技术的是虚拟样机技术的关键，关键， CAx/ DFxCAx/ DFx/ /仿真虚拟样机技术的仿真虚拟样机技术的工具工具。 19 机电工程与自动

9、化学院 CIMS专题 虚拟设计与传统设计 传统设计： 设计对象：物理样机 设计环境：真实环境，以图纸上的线条、线框表 述设计对象 特点：步骤清晰、责任明确，但反复的过程中消 耗较大的人力物力和时间 虚拟设计： 设计对象：虚拟样机 设计环境：虚拟环境，在计算机上方便进行交互、 实时、可视化的修改，并能马上看到结果。 特点：并行工程，协同工作、异地设计、资源共 享、优势互补，缩短周期 20 机电工程与自动化学院 CIMS专题 第四章第四章 数字化设计技术的应用数字化设计技术的应用机身外形设计机身外形设计 创建机身几何外形是飞机设计的核心,它是气动力计算、 总体布置、结构和电气布置等的设计基础, 机

10、身几何外 形的质量直接影响飞机设计的质量。 数字化机身设计方法有线框模型设计方法和曲面模型设 计方法等。 21 机电工程与自动化学院 CIMS专题 本章基于ZX1 型旋翼机机身线框模型设计方法步 骤如下： 1) 依照设计要求、使用要求和人机关系等进行 协调布置； 2) 确定机身主要参数及纵向轮廓和横向轮廓参 数； 3) 根据机身参数生成用 NURBS 曲线表示的机身 边界曲线：根据机身参数点生成用 NURBS曲线表 示的剖截面轮廓线和纵向曲线，利用曲率图,检 查曲线的光顺性,交互修改或自动光顺这些曲线, 直至曲线光顺为止； 22 机电工程与自动化学院 CIMS专题 4）由各剖截面轮廓和纵向控制

11、线生成机身线框模型 5）利用线框模型生成机身曲面，并检查曲面光顺性， 如果不光顺再反馈给第 3）步，直到光顺为止； 6）结合各曲面块，完成机身曲面外形； 23 机电工程与自动化学院 CIMS专题 相对于短翼、尾梁的造型, 机身的造型要复杂得多， 这主要是由于机身内部装有众多的系统和设备, 协调 关系非常复杂。机身外形构造的关键在于如何设计机 身的控制截面及其位置。从气动角度看, 机身截面面 积越小, 机身的气动阻力就越小。但是从使用角度看， 机身截面面积越小，机身空间的体积就越小，机身内 部一些系统的可达性和开敞性就越差。显然这是一个 相互矛盾的过程，因此机身截面的确定需要综合考虑 这两方面的

12、约束。既要有足够的空间容纳系统, 同时 也需要满足最小气动力要求。 24 机电工程与自动化学院 CIMS专题 4.1利用人机关系进行机身内部布置： 人体模型是飞机内部布置的重要工具之一。利用人体 模型可以进行乘坐舒适性校核，同时可以检查踏板、 驾驶杆、座椅等部件布置的合理性。人体模型通常被 用来检查飞机内部空间如头部空间、膝部空间、肩部 空间、肘部空间等。目前人体尺寸多是以百分位的形 式给出的。最简单的百分位分为三档：第 5 百分位、 第 50 百分位、第 95 百分位，分别对应小个子身材， 中等个子身材，大个子身材。 25 机电工程与自动化学院 CIMS专题 4.2机身总布局及主要约束条件和

13、参数的确定 机身外形特征尺寸参数主要包括：总长、总宽、总高； 这些参数存储在机身的主模型中，用做机身总体布置， 总体尺寸要求 ZX1 型旋翼机的总体布局思路是：机身前部是并排双座 驾驶舱，中部为双座或三座乘员舱，后部安装一台莱康 明八缸活塞式发动机和三叶推力螺旋桨。该发动机体积 较大，外形尺寸为1180870560 mm，发动机上部安 装旋翼传动系统和发动机冷却系统，为减少机身对螺旋 桨的阻塞，机身造型时将机身后部切面尽量缩小。对旋 翼机身进行了总体布局后，确定进行三维造型设计，确 定全机尺寸和焦点数据。利用数字化设计手段协调分析 （见图 4.1、图 4.2、图 4.3）。 26 机电工程与自

14、动化学院 CIMS专题 图4.1机身总布置图 27 机电工程与自动化学院 CIMS专题 图 4.2 座舱空间视图 28 机电工程与自动化学院 CIMS专题 图 4.3 正、副驾驶员操作区域协调图 经协调后确定了机身主要特征尺寸为：机身总长 5070mm；机身最大宽度定为 1450 毫米，机身最大高 度 1560mm；旋翼轴距机头 3550mm。 29 机电工程与自动化学院 CIMS专题 4.3机身剖截面设计 为减少机身的制造难度，降低制造成本，机身底部平面 采用直线形状；机身顶点和机身两侧有一定的弧度，使 外形美观、流线、气动阻力小，当控制截面外形初步确 定以后, 就需要确定这些截面的具体尺寸

15、位置。 机身切面外形由上部弧线（R1）、两侧弧线（R2）和底 部直线相交并倒角（r1、r2）而成，如图 4.4 所示。 上表面半径 R1 中心距中心轴 1350 mm，顶部 A 点按 图 4.5中侧面视图切面位置确定，两侧半径 R2 中心距 中心轴 1675 mm，B 点位置按图 4.5 中俯视图中切面 位置确定。截面设计关键在确定各部分圆弧半径及中心 坐标。 30 机电工程与自动化学院 CIMS专题 图4.4机身切面理论外形示意图 31 机电工程与自动化学院 CIMS专题 图4.5机身侧面和俯视图 32 机电工程与自动化学院 CIMS专题 4.4机身纵向约束控制线 一般初步设计出的控制截面从

16、纵向看可能是凹凸不平的, 这时通过把机身横向截面的一些特殊位置上的控制点用 纵向曲线连接起来, 光顺这些纵向曲线， 就可以得到 光顺的机身造型。这些参数通常选择在机身的上、下顶 点、最大宽度点和机身截面曲线斜率不连续的地方。机 身纵向曲线的设计, 可以采用的曲线设计方法很多, 可 以是具有解析形式的二次曲线和指数曲线,也可以是具 有插值形式的三次样条曲线和 B 样条曲线。 33 机电工程与自动化学院 CIMS专题 在纵向曲线光顺机身截面的过程中, 需要特别注意机身 截面的协调问题。一般来说, 纵向曲线的控制点应选择 在机身控制截面上, 这样既可以提高参数的使用效率, 又可以控制机身外形的变化。

17、在机身的横向截面位置通 过纵向曲线确定下来以后, 机身的整体外形构造就由这 些控制曲线确定下来（见图 4.6）。 34 机电工程与自动化学院 CIMS专题 4.6各主要控制截面及纵向曲线设计图 35 机电工程与自动化学院 CIMS专题 4.5机身外形曲面及光顺评价 在构造曲面块的时候，最重要的一步是曲率检查， 曲线是否广顺，直接关系到曲面造型的质量。编辑曲线， 使其显示曲率的变化情况。 图 4.7为机身截面轮廓线曲率检查，可以看出曲平滑 光顺。如果曲线很不光滑或曲率变化很大，就要对曲线 进行曲率编辑。首先是粗调组成该曲线上的点，使其曲 率梳都在曲线弧的外部，接下来的就是曲率的细调，使 其曲率梳

18、平滑光顺。设置更小的显示比率，将曲率梳的 幅值放大，然后在显示屏上局部放大，以便清晰地调节 该曲线的曲率，最终要达到在局部放大曲率梳的情况下， 曲率梳光滑连续。 36 机电工程与自动化学院 CIMS专题 图4.7机身截面曲率检查 37 机电工程与自动化学院 CIMS专题 第五章第五章 数字化设计的总结数字化设计的总结 随着计算机和网络技术的发展,使得基于多媒体计算机系统和通 信网络的数字化设计技术为现代制造系统的并行作业、分布式运 行、虚拟协作、远程操作与监视等提供了可能。数字化设计技术 与产品的发展趋势如下: (1)制造信息的数字化,将实现CAD /CAPP /CAM /CAE的一体化,使 产品向无图纸设计方向发展。 (2)通过局域网实现企业内部并行工程,通过Internet建立跨地区 的虚拟企业,实现资源共享,优化配置,使设计业向互联网辅助设 计方向发展; (3