先进设计技术(第一部分)

先进设计技术(第一部分)1计算机辅助设计计算机辅助设计（ComputerAidedDesign——CAD）是指在设计活动中，利用计算机作为工具，帮助工程技术人员进行设计的一切适用技术的总和。

人CAD计算机主观能动力应用交互支持环境先进设计技术(第一部分)先进设计技术(第一部分)先进设计技术(第一部分)先进设计技术(第一部分)CAD的功能与含义是以计算机为工具，处理产品设计过程中的图形和数据信息，过程的辅助完成产品设计技术。产品的造型、装配、工程图绘制；产品渲染、动态显示；工程分析，如有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动仿真等。内容包括与大CAD技术的核心是几何模型的建立。CAD系统为用户提供了颜色、网格、图层等辅助功能，提供了缩放、平移、旋转等各种图形变换工具，提供了各种渲染、动画等可视化操作。计算机辅助设计的概念先进设计技术(第一部分)CAD技术的特征CAD技术强调产品设计过程中计算机的支持和参与

强调计算机的辅助作用

CAD系统不可能也没有必要涉及产品设计的所有环节CAD技术的优越性大大提高设计质量

提高设计生产率，缩短产品开发周期

较大幅度地降低生产成本

将技术人员从繁重的计算、绘图、修改工作中解放出来

先进设计技术(第一部分)产品的造型建模技术

CAD的关键技术CAD的造型建模过程也就是对被设计对象进行描述，并用合适的数据结构存储在计算机内．以建立计算机内部模型的过程。被设计对象的造型建模技术的发展，经历了线框模型、表面(曲面)模型、实体建模(SolidModelling)、特征造型(FeatureModelling)、特征参数模型、产品数据模型的演变过程。特征造型具有：①能更好地表达统一完整的产品信息；②能更好地体现设计意图，使产品模型便于理解和组织生产；③有助于加强产品设计、分析、加工制造、检验等各个部门之间的联系。

先进设计技术(第一部分)单一数据库就是与设计相关的全部数据信息来自同一个数据库。所谓的相关性设计就是任何设计改动，都将及时地反映到设计过程的其他相关环节上，例如：修改二维零件工程图样中某个尺寸，则与该零件工程图样相关联的产品装配图、加工该零件的数控程序等也将会自动跟随更新；修改二维图样的左视图中某个尺寸，其主视图、俯视图以及三维实体模型中相应的尺寸和形状也会随之变化。单一数据库和相关性设计技术的应用，有利于减少设计中差错，提高设计质量，缩短开发周期。单一数据库与相关性设计先进设计技术(第一部分)CAD的关键技术NURBS曲面造型技术

非均匀有理B样条(Non-UniformRationalB-Splines，NURBS)，是一种用来定义CAD模型中复杂的曲线、曲面的描述方法。运用NURBS造型技术可以采用统一的数学模型，精确地表示自由曲线、曲面，以及如直线、圆、抛物线、双曲线等这类规则的曲线和曲面，简化了系统结构和数据的管理，有利于对曲线曲面进行局部操作和修改，提高了对曲线和曲面的构造能力和编辑修改能力。先进设计技术(第一部分)

CAD技术的集成体现在以下几个方面

CAD与CAE集成、CAD与CAPP／CAM的集成、CAD与PDM的集成、CAD与ERP等软件模块集成，为企业提供了产品生产制造一体化解决方案，推动企业信息化进程。将CAD技术的算法、功能模块以至整个系统，以专用芯片的形式加以固化，一方面可提高CAD系统的运行效率，另一方面可供其他系统直接调用。

CAD在网络计算环境下实现异地、异构系统的企业间集成，如全球化设计、虚拟设计、虚拟制造以及虚拟企业就是该集成层次的具体体现。

CAD的关键技术CAD与其它CAX系统的集成技术先进设计技术(第一部分)标准化技术

CAD的关键技术国际标准化组织(ISO)制定了“产品数据模型交换标准”(StandardfortheExchangeofProductModelData,STEP)。STEP采用统一的数字化定义方法，涵盖了产品的整个生命周期，是CAD技术最新的国际标准。目前，主流的CAD软件系统都支持ISO标准及其他工业标准，面向应用的标准构件及零部件库的标准化也成为CAD系统的必备内容，为实现信息共享创造了条件。先进设计技术(第一部分)计算机辅助产品的概念设计

CAD的研究热点

概念设计涉及产品的基本功能、动作原理和结构要素，需要考虑产品的价格、性能、可靠性、安全性等目标；概念设计所涉及的设计需求和各种约束往往是不精确的或未知的。概念设计的上述特征和要求，给CAD技术在该领域的应用带来很大难度和挑战。为使CAD技术有效地支持概念设计，需要解决建模和推理两大技术难题。

建模技术，是需要对产品的功能、动作和结构等要素及其相互间的关系进行完整、清晰描述

推理就是根据用户的需求和给定的条件进行产品的功能设计，生成和选择合适的产品设计方案。先进设计技术(第一部分)计算机支持的协同设计

CAD的研究热点

计算机支持的协同设计，便于设计成员间的思想交流，能及时发现各设计组成部分之间的矛盾和冲突，并能及时地加以协调和解决。协同设计有利于避免或减少设计工作的反复，提高产品设计的效率和质量。计算机支持的产品协同设计必须解决以下几个难题：群体成员间多媒体信息传输实用的协同设计系统必须能在异构环境中运行，包括数据传输、工具集成，还有跨平台的交互界面等，这需要通过标准化工作来解决。

人—人交互目前自动发现矛盾和冲突，并进行自动协调和解决的技术还不成熟，因此人一人交互的手段成为必要先进设计技术(第一部分)海量信息的存储、管理和检索技术如何快速、有效地对海量信息进行存储、管理和检索，成为人们关注的焦点。传统的关系型数据库管理系统已难以适应日益增长的数据管理的要求。智能CAD技术产品的设计是人类的一种创造性的活动，设计过程智能化是CAD发展的必然选择。虽然，当前的CAD系统也体现了一些智能的特点，这些智能与人们所期望值相比还有很大的距离。智能CAD就是将人工智能技术与CAD技术融为一体而建立的系统，而人类的思维模型的建立和表达还有待继续予以研究和完善。CAD的研究热点

先进设计技术(第一部分)专家系统是一个能在某个特定领域内，用人类专家的知识、经验和能力去解决该领域中复杂困难问题的计算机程序系统。它不同于通常的问题求解系统，其基本思想是使计算机的工作过程能尽量模拟领域专家解决实际问题的过程。先进设计技术(第一部分)专家系统在CAD作业中适时给出智能化提示，告诉设计人员下一步该做什么，当前设计存在的问题，建议解决问题的几何途径；或模拟人的智慧，根据出现的问题提出合理的解决方案。专家系统是基于知识的系统，专家系统技术是知识获取、处理和运用的技术。先进设计技术(第一部分)先进设计技术(第一部分)CAD技术与虚拟现实技术的集成虚拟现实(VirtualReality，VR)技术是利用计算机生成的一种模拟现实环境的技术，通过数据头盔(HeadMountedDisplay)、数据手套(DataGlove)、数据衣(DataSuit)等多种传感设备构造虚拟环境，向设计者提供诸如视觉、听觉、触觉等各种直观而又自然实时的感知。

CAD技术与VR技术的有机结合，能够快速地显示设计内容、显示设计对象性能特征，以及设计对象与周围环境的关系，设计者可与虚拟设计系统进行自然的交互，灵括方便地修改设计，大大提高设计效果与质量。目前，VR技术所需的软硬件价格还相当昂贵。技术开发的复杂性和难度还较大，VR技术与CAD技术的集成还有待进一步研究和完善。CAD的研究热点

先进设计技术(第一部分)基于特征的设计

特征设计是用易于识别的、包含加工信息的几何单元，如孔、槽，倒角等，来取代以往设计中所用的纯几何描述，如直线、圆弧等。特征是构造零件的最基本的单元要素，它们能以较高的抽象级别、不需要解释的方式来标示一个产品。它既反映零件的几何信息，又反映零件的加工工艺特征信息。先进设计技术(第一部分)例如，对孔的设计，非特征的系统常采用圆柱体与某个实体进行逻辑运算来实现，计算机仅仅知道哪些部分没有材料而已，并不能“认识”哪是一个孔。对基于特征的设计系统，孔是一个特征，具有直径、长度、公差、表面粗糙度、位置等属性，并包括它在装配图中的情况。每一个特征基本上对应的一组加工制造方法。特征的“语义”，使设计人员和工艺人员对同一特征有相同的理解，并且特征定义显式地包含了所有几何和非几何信息。因此，基于特征的设计更适合于CAD/CAM的集成和CIMS中的建模需要。先进设计技术(第一部分)先进设计技术(第一部分)第1层第2层预先存在实体正特征负特征先进设计技术(第一部分)先进设计技术(第一部分)2．虚拟设计

虚拟产品开发(VirtualProduct

Development,VPD)是虚拟制造研究领域中的一个重要内容，是以计算机仿真、建模为基础，集计算机图形学、智能技术、并行工程、虚拟现实技术和多媒体技术为一体，由多学科知识组成的综合系统技术。它是现实产品开发环境下的映射。

先进设计技术(第一部分)它将现实产品开发环境和全过程的一切活动及产品演变成基于数字化的摸型，对产品开发的行为进行预测和评价。应用虚拟现实技术，可以达到虚拟产品开发环境的高度真实化，并使之和人有着全面的感官接触和交融。先进设计技术(第一部分)虚拟产品开发将从根本上改变设计、试验、修改设计和规模生产、维护的传统摸式.

在产品真正制造和销售之前，首先在虚拟开发环境中生成数字化产品原型成软产品原型。软产品(softprototype)代替传统的硬样件(hardprototype)，进行测试，对其性能、可销售性、可维护性、成本和外观等进行预测和评价，从而缩短产品开发周期，降低开发成本，提高企业快速响应市场变化的能力。先进设计技术(第一部分)设计是一个建立在决策理论上的、基于规则的决策过程。对设计的评价需要各方面的分析，如有限元分析、传热分析、流体分析等，所使用的技术主要依赖计算机技术，而虚拟设计（VirtualDesign）就是未来有潜力的进行设计决策评价的有效工具。先进设计技术(第一部分)模态分析先进设计技术(第一部分)模态分析先进设计技术(第一部分)模态分析先进设计技术(第一部分)模态分析频率Hz结构修改前结构修改后1阶53.169.02阶1431533阶1812104阶1962385阶2653346阶285372最大变形结构修改前结构修改后1阶5.28E+013.77E+012阶5.43E+013.94E+013阶7.56E+014.94E+014阶6.06E+013.69E+015阶4.82E+013.45E+016阶9.01E+015.26E+01先进设计技术(第一部分)侧滑工况最大主应力分布图先进设计技术(第一部分)有限元分析先进设计技术(第一部分)CAD通常只考虑产品各个子部件的几何特征和相互间的几何约束。而虚拟技术在虚拟现实（VR）的环境中，将安全性、人机工程学、易维护性和装配标准等多种所需满足的条件集成到设计过程中一并考虑。这一技术以信息技术、仿真技术、虚拟现实技术为支持，在产品进入物质流程以前，在信息流程中通过对虚拟环境下的软产品原型进行感受、试验，对产品将来的性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短设计开发周期，降低开发成本，提高企业的快速响应能力。

先进设计技术(第一部分)虚拟设计将制造信息加入到产品设计与工艺设计过程中，以优化产品设计及工艺过程，其发展趋势有：先进设计技术(第一部分)虚拟设计将制造信息加入到产品设计与工艺设计过程中，以优化产品设计及工艺过程，其发展趋势有：先进设计技术(第一部分)（1）产品及工艺建模通过映射、抽象等方法提取产品实施中各活动所需的模型，建立将工艺参数与影响制造功能的产品设计属性联系起来的工艺模型（包括物理和数学模型、统计模型、计算机工艺仿真、制造数据表和制造规则）。

先进设计技术(第一部分)先进设计技术(第一部分)先进设计技术(第一部分)先进设计技术(第一部分)先进设计技术(第一部分)先进设计技术(第一部分)（2）仿真技术利用产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思维过程和设计交互行为仿真，对设计结果进行评价，实现设计过程的早期反馈。先进设计技术(第一部分)（3）以互联网为基础，建立虚拟研究开发中心、虚拟企业，将异地的研究开发力量和经济实体联系起来，以联合设计和资源共享为制造提供全球性的技术支持。

先进设计技术(第一部分)3多学科设计优化设计多学科设计优化（MultidisciplinaryDesignOptimization，简称MDO）思想为复杂系统的设计提供了有效的解决途径——利用各个学科或子系统之间的相互作用的协同效应，获得系统的整体最优解。先进设计技术(第一部分)先进设计技术(第一部分)先进设计技术(第一部分)集成（Integration）连接商业的和拥有使用权的设计与计算工具支配现有的设计与计算工具柔性的连接方法自动化（Automation）使目前的“设计—评价—再设计”这一手动过程自动化设计开发工具（DesignExplorationTools）实验设计（DesignofExperiments）优化（Optimization）近似（Approximations）质量工程方法（QualityEngineeringMethods）求解过程监视（SolutionMonitoring）先进的数据分析技术先进设计技术(第一部分)多学科设计平台：iSIGHT

iSIGHT是由美国Engineious公司出品的过程集成、优化设计和稳健性设计的软件。

iSIGHT系统软件被称为智能软件机器人，能够实现CAD、CAE、CAM以及PDM等各种操作系统的自动化和集成化，并为产品设计及开发提供最优化设计及稳健设计功能。

先进设计技术(第一部分)迄今为止，iSIGHT已经在汽车、航空航天、工业制造、电子及国防工业等多种领域广泛应用。许多财富500强和跨国企业已经开始采用和实施iSIGHT设计框架，并在许多有案可查的工程设计和制造项目中给企业带来了数千万美元的效益。先进设计技术(第一部分)多学科设计平台：iSIGHTiSIGHT为易擎（