先进制造技术现代设计技术

先进制造技术第二章现代设计技术一.现代设计技术概述一.现代设计技术概述(1)现代设计技术的内涵与特点系统性、动态性、创造性、计算机化、并行化、最优化、虚拟化和自动化、主动性现代设计技术设计技术设计过程中解决具体设计问题的各种方法和手段静态、经验、被动、手工传统设计技术先进制造技术一.现代设计技术概述现代设计技术是以满足应市产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。先进制造技术一.现代设计技术概述从现代设计技术的内涵分析，现代设计技术具有如下一系列特点：①系统性现代设计技术强调用系统的观点处理设计问题，从整体上把握设计对象，考虑对象与外界（人、环境）的联系。②动态性不仅要考虑产品的静态特性，还要考虑产品在实际工作状态下的动态特征，考虑产品与周围环境的物质、能量及信息的交互。③创造性现代设计技术建立在先进的设计理论及设计工具基础上，能充分发挥设计者的创造性思维能力和集体智慧，运用各种创造方法和手段，开发出具有创新性的产品。先进制造技术一.现代设计技术概述④计算机化计算机已经渗透到产品设计开发的各个环节，很多现代设计技术的实现都依赖于计算机，如优化设计、有限元分析、系统仿真等。它们充分利用计算机快捷的数值计算功能、严密的逻辑推理能力和巨大的信息存储及处理能力，弥补自然人存在的天生不足，实现人机优势的互补。先进制造技术一.现代设计技术概述⑤并行化、最优化、虚拟化和自动化在产品的设计阶段就综合考虑产品全生命周期中的所有因素，强调对产品设计及其相关过程并行地、集成地、一体化地进行设计。在设计过程中，通过优化的理论与技术，对产品进行方案优选、结构优选和参数优选，力争实现系统的整体性能最优化，以获得功能全、性能好、成本低、价值高的产品。设计过程自动化的实现主要依托于各种不同的计算机辅助设计技术、自动建模技术，以及一批功能强大的商品化CAD软件的支撑。设计手段虚拟化，是以虚拟现实的设计系统进行三维建模，使设计者能在虚拟的设计环境下观察CAD设计内容，从而实现设计的可视化、评估设计产品的性能及其可实现性，灵活方便地修改设计，大大提高设计效果与质量。先进制造技术一.现代设计技术概述⑥主动性科学技术的发展使得在产品设计的早期，就可对产品全生命周期的各种性能作出准确预测．有利于及早发现产品的潜在缺陷，将各种失误、可能发生的故障减少到最低程度，体现了主动性的特征，也有利于缩短开发周期、降低生产成本、提高产品质量。先进制造技术一.现代设计技术概述(2)现代设计技术的定义从系统工程的观点分析，现代设计技术是一个由时间维、逻辑维和方法维共同组成的三维系统…方法维产品规划方案设计技术设计施工设计分析综合评价决策时间维逻辑维可靠性设计优化设计

模块化设计

先进制造技术一.现代设计技术概述①现代设计技术的时间维：产品规划--需求分析、市场预测、可行性分析、总体参数、制约条件和设计要求；方案设计--功能原理设计，确定原理方案；技术设计--将产品的功能原理具体化为机器产品及其零部件的具体结构；施工设计--指工程图绘制，工艺文件编写，说明书编写等。先进制造技术一.现代设计技术概述②.现代设计技术的逻辑维：分析--明确设计任务本质；综合--综合各种因素，探求解决方案；评价--对多种方案进行比较和评定，方案调整和改进；决策--确定最佳的设计方案先进制造技术一.现代代设设计计技技术术概概述述(3)现代代设设计计技技术术的的体体系系结结构构现代代设设计计技技术术由由4个不不同同层层次次的的技技术术所所组组成成，，计计算算机机辅辅助助设设计计技技术术CAD是现现代代设设计计技技术术的的主主体体技技术术主体体技技术术基础础技技术术支撑撑技技术术应用用技技术术传统统设设计计理理论论与方方法法各产产品品领领域域知知识识与与技技术术计算算机机辅辅助助设设计计技技术术现代代设设计计方方法法学学可信信性性设设计计技技术术设计计试试验验技技术术相关关学学科科与与技技术术先进进制制造造工工艺艺材料料科科学学自动动化化技技术术系统统管管理理技技术术自然然科科学学政治治经经济济文化化社社会会科科学学市场场营营销销学学…………….先进进制制造造技技术术二.数字字化化设设计计与与数数字字化化产产品品开开发发现代代设设计计技技术术的的整整个个体体系系由由基基础础技技术术、、主主体体技技术术、、支支撑撑技技术术和和应应用用技技术术四四个个层层次次组组成成。。①基础础技技术术是指指传传统统的的设设计计理理论论与与方方法法，，特特别别是是运运动动学学、、静静力力学学与与动动力力学学、、材材料料力力学学、、结结构构力力学学、、热热力力学学、、电电磁磁学学、、工工程程数数学学的的基基本本原原理理与与方方法法等等方方面面。。先进进制制造造技技术术二.数字化设计与与数字化产品品开发②主体技术术计算机科学与与设计技术结结合产生计算算机辅助设计计、智能CAD、优化设计、、有限元分析析程序、模拟拟仿真、虚拟拟设计和工程程数据库等，，运用现代设设计技术的多多种理论与方方法如优化设设计、可靠性性设计、模糊糊设计等理论论构造的数学学模型，来编编制计算机应应用程序，可可以更广泛、、更深入地模模拟人的推理理与思维，从从而提高计算算机的“智力力”。而计算算机辅助设计计技术正是以以它对数值计计算和对信息息与知识的独独特处理能力力，成为现代代设计技术群群体的主干。。先进制造技术术二.数字化设计与与数字化产品品开发③支撑技术术指现代设计方方法学、可信信性设计技术术、试验设计计技术。现代代设计方法学学涉及内容很很广，如并行行设计、系统统设计、功能能设计、模块块化设计、价价值工程、质质量功能配制制、反求工程程、绿色设计计、模糊设计计、面向对象象的设计、工工业造型设计计等。可信性性设计是广义义的可靠性设设计扩展，主主要指可靠性性与安全性设设计、动态分分析与设计、、防断裂设计计、健壮设计计、耐环境设设计等。设计计试验技术包包括可靠性试试验、环保性性能试验与控控制，以及运运用计算机技技术的数字仿仿真试验和虚虚拟试验等。。先进制造技术术二.数字化设计与与数字化产品品开发④应用技术术是针对实用目目的解决各类类具体产品设设计领域的技技术，如机床床、汽车、工工程机械、精精密机械的现现代设计内容容，可以看作作是现代设计计技术派生出出来的具体技技术群。先进制造技术术二.数字化设计与与数字化产品品开发二.数字化设计与与数字化产品品开发1.数字化设计的的特点(1)具有统一的产产品定义模型型数字化设计通通过建立产品品设计到制造造的单一数字字化产品定义义模型，也是是面向PLM的基础。先进制造技术术二.数字化设计与与数字化产品品开发(2)实现并行设计计传统设计在产产品定型生产产前需经过““样机生产—样机测试—修改设计”的的过程，且需需反复多次，，这不仅耗费费物力、财力力，还使得产产品上市周期期延长。数字化设计则则在制造实物物模型之前，，先进行计算算机仿真分析析与测试，排排除某些设计计不合理性。。先进制造技术术二.数字化设计与与数字化产品品开发(3)设计过程中减减少或避免实实物模型的制制造传统设计在产产品定型生产产前需经过““样机生产—样机测试—修改设计”的的过程，且需需反复多次，，这不仅耗费费物力、财力力，还使得产产品上市周期期延长。数字化设计则则在制造实物物模型之前，，先进行计算算机仿真分析析与测试，排排除某些设计计不合理性。。先进制造技术术二.数字化设计与与数字化产品品开发2.数字化产品开开发方法21世纪产品的特特征是个性化化、多样化、、绿色化、微微型化、智能能化、综合化化数字化产品开开发的概念不不仅仅指产品品数据模型、、数值分析、、仿真及其产产品数据管理理，更重要的的，它是一种种新的产品开开发概念数字化产品开开发是信息时时代新的开发发模式，它与与计算机技术术、信息技术术在制造中的的应用密切相相关，以产品品数据模型的的数据处理、、变换、传递递、共享和可可视化为基础础利用数据的可变性性、离散性、、共享性、可可视性产生了支持产产品创新的四四种方法，这这四种方法可可分别支持变变异创新、模模仿创新、协协同创新和自自由创新先进制造技术术二.数字化设计与与数字化产品品开发数字化产品定义可变参数化模块化设计可视虚拟产品开发方法可控数控技术与数控机床共享异地协同设计制造反求与快速原型制造离散引发装备重大大革命，数字字化制造奠定定基础20世纪制造技术术的重大突破破引发全球制造造模式和跨国国企业出现将人的观察、、思维、想象象和操作集为为一体实现快速设计计，保证设计计质量先进制造技术术二.数字化设计与与数字化产品品开发(1)数据据的可变性－－参数化、变变量化、模块块化设计产品设计大多多数是从已有有产品进化而而来的，据统统计，典型定定单产品中的的标准件、外外购件或变型型件占90%，全新零件只只占10%左右;利用参数化、、变量化、模模块化建模技技术，可方便便地修改设计计，提高设计计的效率，保保证设计的质质量和可靠性性;CAD中的尺寸驱动动法是利用参参数化、变量量化技术修改改设计的有力力工具;利用用广广义义相相似似理理论论，，通通过过对对功功能能单单元元、、结结构构单单元元的的重重组组可可以以获获得得不不同同结结构构形形式式的的系系列列化化产产品品;参数数化化、、变变量量化化技技术术也也是是配配置置设设计计和和按按定定单单设设计计的的基基础础。。先进进制制造造技技术术二.数字字化化设设计计与与数数字字化化产产品品开开发发先进进制制造造技技术术二.数字字化化设设计计与与数数字字化化产产品品开开发发(2)数据据的的离离散散性性----反求求工工程程和和快快速速原原型型技技术术设计计复杂杂产产品品的的模模仿仿创创新新是是一一条条减减少少风风险险投投入入，，加加快快产产品品创创新新的的有有效效途途径径。反求求工工程程是是利利用用某某些些测测量量方方法法（（如如三三坐坐标标测测量量、、CT、、核核磁磁共共振振、、自自动动断断层层扫扫描描法法等等）），，在在实实测测数数据据的的基基础础上上，，重重构构产产品品三三维维数数据据模模型型的的方方法法。快速速原原型型技技术术是是20世世纪纪末末期期制制造造领领域域的的重重大大突突破破，，它它直直接接利利用用CAD的的离离散散数数据据，，简简单单、、快快速速、、准准确确地地将将人人的的思思想想转转化化成成功功能能原原型型或或零零件件，，淡淡化化了了设设计计与与制制造造的的界界线线。先进进制制造造技技术术二.数字字化化设设计计与与数数字字化化产产品品开开发发ScanningPointcloudCAD

DrawingSolid

Model先进进制制造造技技术术二.数字字化化设设计计与与数数字字化化产产品品开开发发(3)数据据的的共共享享性性----异地地协协同同设设计计网络络化化技技术术的的发发展展为为实实现现数数字字化化信信息息的的传传递递和和共共享享提提供供了了技技术术手手段段。不仅有利于于顾客的参参与，更有有利于快速速获得合作作伙伴和竞竞争对手的的信息，从从而打破了了传统的闭闭关自守的的开发方法法。开放的异地地协同设计计方法可以以充分利用用合作伙伴伴的技术和和资源，实实现优势互互补、资源源共享和双双赢方针。先进制造技技术二.数字化设计计与数字化化产品开发发先进制造技技术二.数字化设计计与数字化化产品开发发先进制造技技术二.数字化设计计与数字化化产品开发发(4)数数据的可视视性----虚拟产产品开发方方法虚拟产品开开发技术（（VirtualProductDevelopment））是在信息息技术、网网络技术、、仿真技术术和虚拟现现实技术基基础上出现现的最新数数字化产品品开发技术术。虚拟产品开开发是实际际产品开发发、制造、、使用、维维护在计算算机上的本本质表现，，虚拟产产品开发要要求全面的的产品数据据描述和各各种可视化化的仿真工工具及人机机交互操作作工具。虚拟产品即即存储在计计算机内部部的产品数数据模型，，亦称数字字化原型或或数字化样样机（DigitalMock-up）。先进制造技技术二.数字化设计计与数字化化产品开发发虚拟产品开开发不是简简单的数字字化建模和和仿真，它它更强调虚虚拟技术的的应用，通通过虚拟现现实的交互互性，沉浸浸性和想象象性达到虚虚拟产品开开发环境的的高速逼真真化，并可可对虚拟原原型直接进进行操作，，产生身临临其境的感感觉数字化样机机是描述产产品功能和和行为特性性的产品数数字化模型型，它支持持产品的多多学科优化化设计及产产品运动学学、动力学学和使用性性能仿真，，通过对模模型的评估估、测试和和优化，可可以预先了了解相应物物理样机的的特性随着虚拟现现实技术的的发展，在在数字化样样机的基础础上提出了了虚拟样机机的概念，，它更强调调仿真技术术和VR技技术的应用用，通过VR环境中中人对虚拟拟原型的操操作，可有有效地发挥挥人的创造造性，提高高了概念设设计和总体体设计中的的分析、决决策能力。。先进制造技技术二.数字化设计计与数字化化产品开发发巨型挖土机先进制造技技术二.数字化设计计与数字化化产品开发发数字化车身身空气动力学学数值风洞人机工程学学先进制造技技术二.数字化设计计与数字化化产品开发发载重卡车的数字原型先进制造技技术三.CAD技术及应用用三.CAD技术及应用用计算机辅助助设计（ComputerAidedDesign，CAD）是20世纪50年代代末发展起起来的综合合性计算机机应用技术术。它是以以计算机为为工具，处处理产品设设计过程中中的图形和和数据信息息，辅助完完成产品设设计过程的的技术。CAD技技术包含的的内容有；；①利用计计算机进行行产品的造造型、装配配、工程图图绘制以及及相关文档档的设计；；②进行产产品渲染、、动态显示示；③对产产品进行工工程分析，，如有限元元分析、优优化设计、、可靠性设设计、运动动学及动力力学仿真等等。先进制造技技术三.CAD技术及应用用三.CAD技术及应用用CAD技术术的主要功功能零件造型、、产品装配配产品渲染、、动态显示示、运动仿仿真工程分析，，如有限元元分析、优优化设计、、可靠性设设计绘制工程图图样、编制制物料清单单（BOM，BillofMaterial)先进制造技技术三.CAD技术及应用用1.CAD的关键技术术(1)产品造型建建模技术线框模型：：以顶点和和棱边描述述三维形体体，为两表表结构；表面模型：：以表面描描述形体方方法，为三三表结构；；实体建模：：能完整表表示三维的的几何信息息和拓扑信信息，有扫扫描表示法法、边界表表示法、构构造实体几几何法等结结构形式；；特征造型：：以具有工工程语义的的各类特征征来定义描描述形体的的方法，便便于CAD/CAM技术的集集成。先进制造技技术三.CAD技术及应用用(2)单一数据库库与相关性性设计单一数据据库：与与设计相相关数据据来自同同一数据据库，实实现产品品相关性性设计，，提高设设计质量量，缩短短开发周周期。相关性设设计：任任何设计计改动，，都将及及时反映映到其它它相关环环节上。。如：零零件图-产品装装配图-零件数数控程序序-二维维工程图图；左视视图-主主视图-俯视图图-三维维实体模模型；先进制造造技术三.CAD技术及应应用(3)NURBS曲面造型型技术NURBS（Non-UnifromRationalB-Splines）可统一一自由曲曲线/曲面和规规则曲线线/曲面的数数学模型型，简化化系统结结构，有有利于曲曲线、曲曲面操作作和修改改。(4)CAD与CAX集成技术术CAD与CAX集成涉及及建模技技术、工工程数据据管理、、数据交交换接口口等技术术。包括括如下集集成：①CAD/CAE/CAPP/CAM--工程设计计领域集集成；②CAD/ERP--与管理系系统集成成；③

异地地、异构构系统企企业间CAD集成，如如全球化化设计、、虚拟设设计、虚虚拟制造造及虚拟拟企业等等。先进制造造技术三.CAD技术及应应用先进制造造技术三.CAD技术及应应用先进制造造技术三.CAD技术及应应用2.CAD技技术的的研究热热点计算机辅辅助产品品的概念念设计：：建模和和推理计算机支支持的协协同设计计：信息息实时可可靠交换换；异构构环境下下可靠运运行；通通讯方法法与手段段海量信息息处理：存储、管管理和检检索技术术智能CAD技术术：将人人工智能能技术与与CAD技术融融为一体体，难题题：解决决人类思思维模型型建立和和表达CAD与与虚拟现现实（VR）技技术的集集成：VR向设设计者提提供视觉觉、听觉觉、触觉觉等直观观、自然然、实时时的感知知先进制造造技术四.CAE技技术及及应用四.CAE技术及应应用CAE仿真技术术是以数数学理论论、相似似原理、、计算方方法、评评估理论论为基本本理论，，以计算算机技术术、信息息技术、、图形图图像技术术、系统统工程技技术以及及与仿真真应用领领域有关关的专业业技术为为基础，，以计算算机和各各种物理理效能设设备为工工具，利利用系统统模型对对实际的的或设想想的系统统进行动动态试验验研究的的一门多多学科综综合性交交叉技术术先进制造造技术