数字化设计与制造 课件 何洁 第6-11章 数字化分析技术 -基于软件的数控加工

数字化设计与制造数字化分析技术目录CONTENTS01技术概述02有限元法03运动仿真分析04本章小结技术概览01数字化分析的定义虚拟模拟与深度分析其核心在于运用先进的数字化技术，精心构建与现实系统高度契合的虚拟模型，精准地仿真模拟其运行状态、行为规律以及可能产生的潜在结果。数字化分析技术可为设计优化、精准预测以及科学决策提供有力支持，助力各领域实现高效发展与创新突破。特点高度虚拟化高效性与低成本多学科协同可重复性与可控性预测与优化能力基本步骤数字化分析技术的过程通常涉及前期准备、数据与算法、执行验证以及成果应用等阶段，包含多个相互衔接的步骤，共同构成了一个完整的仿真工作流程有限元法02应用场景结构工程领域在工程设计中，应力分析和模态分析是确保结构性能的关键手段。应力分析通过精确计算结构在不同载荷下的应力分布，为预测结构强度和安全性提供重要依据，从而保障结构在实际使用中的可靠性和耐用性。热传导与热流体领域热传导分析与热流体耦合分析是优化设备热性能的关键手段。热传导分析通过模拟物体内部的温度分布，精确预测热传导过程，提高热传导效率，确保设备在正常温度范围内稳定运行。电磁工程领域通过计算复杂几何结构中的电磁场分布情况，为天线设计和电磁屏蔽等工程应用提供关键数据支持，满足不同设备的电磁性能需求。多物理场耦合问题热—结构耦合主要研究温度变化对结构应力的影响，例如热膨胀引起的应力分析，为高温环境下工作的结构设计提供了重要参考。求解步骤结构离散化单元位移分析单元力学特性分析等效节点力计算整体刚度分析引入载荷与边界条件后求解运动仿真分析03多体系统分类多体系统与运动仿真运动仿真分析探究机械系统的运动特性，其目的在于评估系统在各种条件下的运动表现，并据此优化设计。由于刚体、柔性体和刚柔耦合系统的基本属性存在差异，因此各自的运动仿真分析方法也不尽相同。运动仿真分析主要分为运动学和动力学两个维度，其中运动学负责描述物体在空间中的运动路径，动力学则专注于分析力和力矩对物体运动的影响。多刚体系统运动学定义坐标系建立运动描述构建运动方程分析运动约束求解运动方程多刚体系统动力学定义坐标系和参考系建立动力学模型进行受力分析构建动力学方程分析运动约束求解动力学方程本章小结04本章知识体系回顾与梳理理论基础回顾数字化分析技术的概述，明确了其定义并介绍了基本的分析步骤。有限元法梳理有限元法的基本概念和求解步骤。运动仿真分析总结运动仿真分析，包括多体系统分类、运动学和动力学的基本原理和分析方法。作用掌握数字化分析的基本理论和方法，还能够了解这些理论如何应用于实际的工程，为进一步的实践打下坚实的理论基础。感谢您的观看THANK

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AI时间:2025/01/01数字化设计与制造基于软件的有限元分析目录CONTENTS01基本操作02结构静力分析03疲劳分析04接触应力分析基本操作01有限元分析环境进入有限元环境启动NX软件后，打开分析对象的三维实体主模型文件。首先单击功能区选项【应用模块】，选择仿真组的【前/后处理】命令，进入有限元仿真环境。。仿真资源区仿真导航器用于管理整个仿真流程的前处理阶段，包括模型准备、网格划分、边界条件定义以及解算方案设置；通过树状结构展示模型文件与解算结果之间的结构关系、节点的具体内容，以及这些内容是否处于工作状态。后处理导航器用于管理和可视化仿真结果，支持对计算结果（如应力、应变、位移、温度等）进行深度分析、对比和报告生成。建模注意事项主模型（XXX.prt）是原始的、完整的三维几何模型，通常由数字化设计完成，包含所有制造细节（如孔、倒角、螺纹等）和设计特征，是产品设计和制造的基础有限元模型（XXX.fem）将理想化部件的几何模型离散化为节点和单元，并赋予材料属性、网格类型、单元类型及大小的数值模型。理想化模型（XXX_i.prt）是对主模型进行几何简化和特征去除后的模型，目的是消除对仿真结果影响较小的细节，以提高分析效率。仿真模型（XXX.sim）在有限元模型的基础上，配置仿真对象类型、约束条件及载荷，并设置解算方案和求解方式等的完整仿真设置。结构静力分析02实例分析分析条件垫板中央有一个圆形沉头通孔，用于穿过螺栓实现固定。顶面上分布有5MPa的压力；4个小孔在装配过程中作为对齐的参考点，确保垫板的正确对齐和安装；垫板材料为钢。分析结果疲劳分析03实例分析分析条件小型悬臂选用了工字型结构钢（简称工字钢）。其臂架的一端与立柱或基座固定相连，而另一自由端的50mm范围内悬挂吊钩，用以承担20kN的吊装载荷。分析结果接触应力分析04实例分析分析条件一对啮合的齿轮，均为20CrMoH钢。在工作中，小齿轮承受500N·m的扭矩，并将其传递至大齿轮。分析结果感谢您的观看THANK

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WATCHING数字化设计与制造基于软件的运动仿真分析目录CONTENTS01基本操作02运动副03耦合副04接触基本操作01运动仿真分析环境进入环境启动NX软件，打开分析对象的三维实体主模型文件，首先单击功能区选项【应用模块】→【motion】命令，便可进入运动仿真分析环境。。导航器运动导航器管理整个运动仿真分析，涵盖连杆、运动副、驱动器以及解算方案等内容。采用树状结构来直观展示和分析运动学和动力学特性，从而为用户提供了一种高效且直观的方式来理解和优化运动系统的行为。后处理导航器管理和可视化运动仿真结果，支持导入计算结果（如速度、加速度、力、力矩等）进行深度分析、对比和报告生成。XY函数导航器定义和管理运动仿真中的驱动函数、力、位移等随时间变化的变量，也用于创建数学表达式或表格数据，以及定义运动副（如旋转副、滑动副）的驱动方式（位移、速度、加速度）。运动体运动体是不可变形的刚性部件，用于表示实际机械中的运动或静止零件（如齿轮、轴、机架等）。每个连杆需关联几何体（如实体或片体）并赋予质量属性，在NX软件中创建的实体，通常默认为普通碳素钢。功能区选项【主页】→功能区【机构命令组】→【运动体】命令。上边框条中【菜单】→【插入】→【运动体】命令运动副02运动副是用于连接两个或多个运动体的约束机制，规定运动体之间的相对运动方式运动副定义与类型实例分析分析条件创建5个运动体，并设置5个旋转副与2个滑动副，以及设置驱动在曲轴的旋转副内。耦合副03用于定义两个或多个运动副之间运动关系的特殊约束。如旋转副和滑动副，通过特定的比例或方向关系进行位移或速度上的关联耦合副定义与类型实例分析分析条件构建5个运动体，并设置5个旋转副与1个耦合副，驱动在蜗杆的旋转副内。接触04用于定义机械系统中物体相互作用的关键功能，能够有效防止几何体之间的相互穿透，确保模型的物理行为符合现实世界的力学规律接触定义与类型实例分析分析条件构建4个运动体，并设置1个旋转副、2个滑动副以及1个3D接触，驱动在摇臂转盘的旋转副内。感谢您的观看THANK

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WATCHING数字化设计与制造数字化制造技术目录CONTENTS01技术概述02计算机辅助工艺03数控加工技术04本章小结技术概览01数字化制造的定义数字化制造技术是一种先进的制造理念通过整合数字技术来对整个制造流程进行精确的仿真和优化，实现产品设计与生产执行的无缝对接和智能决策。这一过程涵盖了从原材料到成品制造的各个环节，包括计算机辅助工艺设计、数字化加工技术等关键环节。数字化制造的核心优势在于能够实现物理制造系统与虚拟数字空间的深度融合。技术架构数字化制造技术架构以工艺设计层、制造执行层、物理设备层为核心链路，通过数据驱动和智能化工具，实现工艺设计与制造加工的高效协同。其本质是从经验驱动到数据驱动的转型，为复杂产品制造提供精度、效率与可持续性的保障计算机辅助工艺02设计方法01变异式基于历史工艺模板进行复用，其核心理念在于通过检索与新零部件相似的已有工艺方案，进而针对具体需求进行适应性调整，从而高效、快速地生成新的工艺文件配。02混合式结合变异式和创成式的特点，根据具体需求动态选择最适合的工艺生成方式。03创成式通过特征识别、规则库和智能算法，从设计数据出发，结合系统中的工程数据和决策规则，自动生成全新的工艺方案。模型分类设计模型指零部件或装配体设计完成时的模型，未经过任何加工工艺。工序模型不仅体现结构特征、形状尺寸和公差要求，还包含详细的工艺过程和操作方法等工艺信息，能够指导工人完成本工序的操作。工艺模型基于设计模型，表达零部件加工技术要求和加工技术状态、装配体装配要求的三维集成模型。工序尺寸数控加工技术03数控机床坐标系坐标系及方向制造商预先设定的固有坐标系，用于确定机床各运动轴的原点和方向，是数控加工中所有坐标系的基础，确保机床运动与编程指令精准对应。该坐标系采用右手直角笛卡尔坐标系。手掌朝上时，拇指指向+X轴正方向，食指指向+Y轴正方向，中指指向+Z轴正方向，三轴相互垂直。围绕X、Y、Z轴的回转运动分别用A、B、C表示，其方向遵循右手螺旋定则，即四指弯曲方向为旋转正方向，拇指指向直线轴正方向。数控加工程序组成O0001N10G54X40Y10；N20G00G90X-110F150S500T01M03；N30G01Z-15；N40X10；N50Y-23；N60X-110；N70G00Z50；N80M05M02；第一段“O0001”为程序号，是数控程序的开始部分，不同数控系统的编号格式不尽相同，要根据数控机床说明书的规定使用；中间为程序内容，是数控程序的核心部分，以“N”开头，以分号结束；最后一段为程序结束，一般以指令“M02”或“M30”作为程序结束的符号，用来结束零部件加工本章小结04本章知识体系回顾与梳理理论基础对数字化制造技术进行了阐述，明确了其定义并介绍了技术架构，为理解数字化制造技术提供了基础框架。计算机辅助工艺详细讨论了计算机辅助工艺，包括计算机辅助工艺设计的方法、基于三维模型的工艺设计以及工序尺寸的确定，这些内容对于优化数字化制造过程和提高生产效率至关重要。数控加工技术从数控加工技术基础到数控机床的坐标系，再到数控加工程序的组成及其数字化流程，详细介绍了数控加工的关键技术和应用流程。作用不仅能够掌握数字化制造技术的基本理论和方法，还能够了解这些理论如何应用于实际的制造过程中，为提高制造效率和质量，以及对数字化制造技术的实践应用打下坚实的基础。感谢您的观看THANK

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AI时间:2025/01/01数字化设计与制造基于模型的工艺设计目录CONTENTS01工艺模型02工序模型03本章小结工艺模型01工艺模型工艺模型标注启动NX软件并打开分析对象的三维实体主模型文件后，首先单击功能区选项卡中的【PMI】，即可开启PMI标注功能。。MBD资源区产品制造信息通过列表的形式，对嵌入三维模型中的传统二维图纸的制造信息进行管理，这些信息包括尺寸（含几何公差）、注释、基准以及形位公差等。视图管理以列表的形式通过模型视图对产品制造信息进行分组管理。标准视图为软件默认，用户也可以创建新的截面存储信息。每个视图所存储的制造信息各不相同，从而实现高效且精准的信息分类与调用。尺寸标注以清晰且直观的方式将设计意图精准地呈现出来，这对于零部件的加工成本和质量有着极为关键的影响。上边框条中【菜单】→【PMI】→【尺寸】→【快速】、【线性】、【镜像】、【角度】命令，或【孔和螺纹】命令；功能区选项【主页】→功能区【尺寸】→【快速】命令注释标注以结构化和参数化的语义呈现非几何信息，对实现全数字化制造技术和无纸化生产至关重要。上边框条中【菜单】→【PMI】→【注释】命令。功能区选项【PMI】→功能区【注释】→【注释】命令实例与规范标注的要点一是标注时要将尺寸和公差关联到相应的几何特征上，以确保模型变化时标注能自动更新并保持一致性；二是合理选择视图进行标注，使尺寸和公差表达清晰直观，便于查看和理解；三是严格按照设计要求和制造精度标注尺寸和公差，避免因标注错误导致制造缺陷，且重要尺寸和公差要多次核对；四是规范添加表面粗糙度和形位公差，确保其含义清晰完整，避免歧义；五是通过注释对特殊制造要求或注意事项进行详细说明，为制造和检验人员提供完整信息。实例与规范标注的要点在进行三维标注时，应遵循“视图即画布”的原则，即切换模型视图等同于更换当前工作画布。凡在当前工作视图中创建的标注，仅在该视图中可见。工序模型02工序模型工序模型环境启动NX软件后，打开分析对象的工艺模型文件，并首先单击功能区选项卡【应用模快】，选择加工组【更多】下的“分阶段模型”命令，图10-28所示，进入工序模型（分阶段模型）环境。。资源区工序通过列表的形式，对零部件加工过程中的所有工序进行树状排列。工序名称前有实心（实际为绿色）圈状图形表明该工序为当前的工作工序，否则则为非工作工序。工序实体工作工序针对模型的操作信息，包括从上一工序链接的几何体以及工作工序对几何的编辑情况。工序尺寸工作工序创建的所有PMI信息。编辑几何体在分阶段模型中用于编辑几何体的一系列命令，其核心目的是管理、组织和跟踪针对几何体的变更操作，主要包括移动、删除和偏置命令。实例分析注意事项（1）工艺路线的规划先于工序模型的创建。也就是说，必须先设计出合理的制造工艺路线（包括明确加工余量），才能依据产品的设计模型，在工艺模型的基础上，反向推导出每个制造工序的具体模型。（2）在进行工序模型的“链接几何体”操作时，通常会选取上一道工序的模型几何体作为基础几何体。然后利用“移动”“删除”“偏置”等模型操作指令，精准构建出当前工序的模型。（3）“重用PMI”命令可精准选取视图上的部分标注进行引用，而“重用模型视图”命令则会将所选视图上的全部标注一并引用。实例分析注意事项（1）在使用“重用PMI”命令时，可通过“替换原视图”选项，灵活切换重用模型中的不同视图，并从中选择相应的标注进行引用。（2）当对模型执行“移动”或“偏置”操作后，工序模型的尺寸会发生相应改变，此时便无法直接引用工艺模型中原本的尺寸标注。本章小结03本章知识体系回顾与梳理理论基础介绍了工艺模型的构建，包括工艺模型的标注和三维标注的实例。工序模型与工艺模型工序模型的创建和操作，从基本操作到具体的零件工艺设计实例，详细阐述了如何将工艺模型应用于实际的制造流程中。注意制造分为零件的加工制造和产品的装配制造，因此工艺设计也分为零部件的加工工艺设计和产品的装配工艺设计。本章所指的工艺设计指面向零件制造的工艺设计，而基于数字化的产品装配工艺设计可分为模型准备、装配设计、运动仿真和动画生成4个步骤，这与本书第5章以及第8章的内容相似，此处不再赘述。作用不仅能够理解工艺模型和工序模型在数字化制造技术中的重要性，还能够掌握如何利用这些模型来完成工艺设计。感谢您的观看THANK

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WATCHING数字化设计与制造基于软件的数控加工目录CONTENTS01数控加工基本操作02平面加工03曲面加工04孔加工05车削加工数控加工基本操作01加工环境进入加工环境启动NX软件后，打开分析对象的三维实体主模型文件，然后单击功能区选项卡【应用模块】，并选择加工组的“加工”命令，进入加工环境。工序导航器程序顺序视图类似于文件夹，用于对工序进行分类和排序。几何视图又称为几何体视图，显示已定义的加工坐标系、工件几何体、加工几何体以及使用这些加工几何体的工序。机床试图又称为刀具视图，按刀具组织工序，显示每把刀以及使用这些刀具的工序名称。加工方法视图显示已定义的加工方法以及使用这些加工方法的工序。创建程序顺序程序顺序定义了数控加工中各工序的执行次序，合理规划其可实现高效、安全的数控加工。【菜单】→【插入】→【程序】。在功能区“主页”选项卡的“插入”命令组中选择【创建程序】命令创建刀具通过创建刀具的几何参数（如直径、刃长、圆角半径），可使生成的刀轨与实际刀具的切削能力完全匹配。【菜单】→【插入】→【刀具】。在功能区“主页”选项卡的“插入”命令组中选择【创建刀具】命令创建几何体通过创建几何体，不仅可明确加工对象的形状与尺寸，还可控制刀具的运动范围，确保整个加工过程的安全与精准。【菜单】→【插入】→【几何体】；在功能区“主页”选项卡的“插入”命令组中选择【创建几何体】命令创建加工方法加工方法是切削参数和工艺策略的集合，用于管理不同加工阶段（如粗加工、半精加工、精加工）的工艺规则，确保加工效率、表面质量和刀具寿命的平衡。【菜单】→【插入】→【方法】。在功能区“主页”选项卡的“插入”命令组中选择【创建方法】命令。平面加工02子类型平面加工在铣削领域应用广泛，覆盖了从粗加工到半精加工，再到精加工的平面加工流程，并且不仅包含基本的切削操作，还包括在平面上进行图案雕刻或文字标记等精细作业。。实例分析工艺设计由于加工面是一个平面（底面）且有凸台（壁），因此选择平面加工子工序类型的底壁铣。考虑到本实例仅涉及对加工面的粗加工，选用直径为20mm的平底铣刀作为加工工具。这种刀具足以应对粗加工的需求，同时保证了加工过程的效率和经济性曲面加工03子类型曲面加工主要用于复杂曲面零部件的制造，即通过刀具沿着预定的刀具路径进行切削，然后沿垂直方向运动进入下一个水平切削层，逐层加工零件的表面。曲面加工通常为3轴加工方式，但可扩展至多轴的联动加工，以实现对复杂几何形状的精确加工。。实例分析工艺设计本实例要求在直径580mm，高度80mm的圆柱体上加工腔体