现代设计方法

1、现代设计方法,主讲教师：张洪丽,SDJTU,共84页,2,1、现代设计方法概念的界定；,2、现代设计与传统设计。,复 习,二战以后，电子计算机技术及相关技术的发展和成熟是现代设计方法产生的前提。,（1）设计方案的表达工具手工绘图、AutoCAD。 （2）工程问题的解析求解传统设计的计算依赖工 程问 题的解析求解方法、现代设计是CAE技术。 （3）传统设计串行设计；现代设计并行设计。,共84页,3,2 计算机辅助设计CAD,2.2 现代CAD技术的主要内容,2.1 概述,2.4 数据库及应用,2.3 工程数据的处理,共84页,4,第二讲：,内容提要 CAD的涵义；CAD过程； CAD、计算机绘图

2、与计算机图形学; 工程数据处理方法：程序化和建立工程数据库； 数据表格和线图的处理方法； 数据库发展及应用。 重点难点 CAD、计算机绘图、计算机图形学的区别与联系； 工程数据处理方法：程序化和建立工程数据库。 学习目标 掌握CAD、计算机绘图、计算机图形学的区别与联系； 了解CAD技术的内容; 熟悉工程数据的处理方法：程序化和建立工程数据库；,共84页,5,计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）指利用计算机软件、硬件系统辅助工程技术人员对产品或工程进行设计、分析、修改以及交互式显示输出的一种方法（或手段），是一门多学科的综合性应用技术。,概 述,一、CAD技术的

3、内涵、功能和任务,1、定义,共84页,6,工程设计的过程包括设计需求分析、概念设计、设计建模、设计分析、设计评价和设计表示，CAD的功能就是在工程设计的过程中起相应的作用。将产品的物理模型转化为产品的数据模型，并把建立的数据模型存储在计算机内供后续的计算机辅助技术所共享，驱动产品生命周期的全过程。如下图所示。,概 述,共84页,7,概 述,共84页,8,CAD是一个设计过程：在产品概念设计的基础上从事产品的几何造型分析，完成产品几何模型的建立，然后抽去模型中的有关数据进行工程分析和计算，例如有限元分析、仿真模拟等，根据计算结果决定是否对设计结果进行修改，修改满意后编辑全部文档，输出工程图。,概

4、 述,2、功能,共84页,9,(1) 可以提高设计效率，缩短设计周期，减少设计费用。,概 述,3、CAD系统的优越性,(2) 为产品最优设计提供了有效途径和可靠保证。,(3) 便于修改设计。,(4) 利于设计工作的规范化、系列化和标准化。,(5) 可为计算机辅助制造和检测（CAM，CAT）提供数 据准备。,(6) 有利于设计人员创造性的充分发挥。,共84页,10,(1) 完成设计信息的计算机存贮和管理。,概 述,4、CAD的主要任务,(2) 开发工程设计的应用程序。,(3) 建立一个专用图形系统或利用一个通用图形系 统，完成产品造型和工程图绘制等任务。,(4) 将工程数据库、应用程序以及图形系

5、统等有机地组成 为一个完整的CAD系统，以适应反复建立模型、评价 模型和修改模型这种设计过程的需要。,共84页,11,内涵：使用图形软件和硬件进行绘图及有关标注的一种方法和技术。,概 述,二、计算机绘图,共84页,12,内涵：研究通过计算机将数据转换为图形，并在专用设备上显示的原理、方法和技术的科学。,概 述,三、计算机图形学,共84页,13,计算机绘图是CG中的一个分支工程图形绘制，是CAD技术的基础之一； CG是一门独立的学科，与CAD有明显的区别，但它的有关图形处理的理论与方法构成了CAD技术的重要基础。,概 述,四、三者之间的关系,共84页,14,21世纪，市场竞争异常激烈竞争的根源是

6、资源、经济。要在竞争中获胜就要有先进的制造技术，不断创新的新产品。与此相适应，多种先进制造模式应运而生。然而，好的产品设计是赢得市场的重要前提和关键，因此，制造技术的发展必然影响CAD技术并对其发展提出新的要求。,概 述,五、先进制造技术对CAD技术的影响,共84页,15,简单介绍CIMS：CIMS是基于CIM（哲理的数字化、信息化、智能化、绿色化、集成优化）的制造系统，是信息时代的一种新型生产制造模式。它强调企业内部的信息集成，将企业中各个自动化孤岛之间的信息交换与共享。,概 述,1. CIMS的影响,共84页,16,(1) 产品建模问题 要建立产品的数字化模型，便于信息共享与交换。,概 述

7、,(2) 数据交换问题 产品模型数据表达采用标准的数据交换规范，不同应用软件之间做好接口。,(3) 工程数据管理问题 建立良好的工程数据库，便于数据的共享。,对CAD技术提出的要求：,共84页,17,简单介绍CE：并行工程是对产品及其相关过程进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。信息集成，过程集成。并行设计、设计与制造、DFM、DFA、DFQ等。,概 述,2. 并行工程,成功案例：轰动全球的波音777客机的跨国设计及其较短的研发周期。,共84页,18,概 述,51公里 11个地区 7000多人 27个月 无图纸生产,共84页,19,概 述,共84页,20,概 述,共84页,21,(1)

8、支持开发过程的重构和建模 设计阶段考虑制造性等因素的影响，及时修改 。,概 述,(2) 协同设计 。,(3) 开发必要的工具：CAx（CAD、CAPP、CAM等），DFX（DFP、DFA、DFM等） 。,对CAD技术提出的要求：,是一个设计团队为了共同实现或完成一个设计目标或项目而进行配合、沟通和协作。 协同设计是并行工作下，提高工程设计进度和质量的关键。 协同设计是一个知识共享和集成的过程，共同设计某一目标的成员必须共享数据、信息和知识。,共84页,22,简单介绍AM：动态联盟、柔性生产、高素质人才全面集成，跨国组织。信息集成、过程集成、企业集成,概 述,3. 敏捷制造,北京第一机床厂,共8

9、4页,23,(1)提供实现产品敏捷设计的技术 资源共享、信息服务、联盟内的管理决策等 。,概 述,(2) 网络技术支持敏捷设计 WWW技术、邮件通信、远程传输与管理、安全保密。,对CAD技术提出的要求：,共84页,24,CAD技术的核心和基础是计算机图形处理技术，因此，CAD技术的发展跟计算机图形学的发展密切相关，并伴随计算机及其外围设备的发展而发展。,现代CAD技术的内容,一、现代CAD技术的发展,共84页,25,作为美国麻省理工学院(MIT)研制的旋风I号(Whirlwind I)计算机的附件，第一台图形显示器诞生。该显示器可以显示一些简单的图形，但因其只能进行显示输出，故称之为“被动式”

10、图形处理。,1. 20世纪50年代图形显示器的诞生,现代CAD技术的内容,共84页,26,现代CAD技术的内容,1951年 旋风I号(Whirlwind I)计算机,共84页,27,现代CAD技术的内容,旋风I号(Whirlwind I)计算机CRT器件,共84页,28,现代CAD技术的内容,通过光笔操作旋风计算机,共84页,29,现代CAD技术的内容,1946年 第一台电子计算机ENIAC,共84页,30,现代CAD技术的内容,光电阅读机将记录在穿孔卡片上数据读入计算机，计算的结果则利用打孔机在卡片上打出的一些小孔，就表示输出的数据。,穿孔卡片派生出的穿孔纸带,共84页,31,现代CAD技术

11、的内容,电子管,电子管线图,共84页,32,现代CAD技术的内容,用ENIAC进行“程序设计”，需要插拔N多的插头,共84页,33,该时代是交互式计算机图形学和以其为基础的CAD技术发展的重要时期。美国的一些大公司和实验室开展了计算机图形学的大规模研究，并开始出现CAD这一技术术语。,2. 20世纪60年代交互式图形系统的出现与CAD技术 的形成,20世纪60年代后期，出现了具有实用功能的CAD系统。美国通用汽车公司用于汽车车身三维曲面设计的DAC-1系统。,现代CAD技术的内容,共84页,34,现代CAD技术的内容,IBM开发的用于汽车设计的CAD系统DAC-1,共84页,35,现代CAD技

12、术的内容,世界上第一台光笔交互式图形显示器IBM2250,共84页,36,现代CAD技术的内容,共84页,37,交互式计算机图形处理技术日趋成熟，在此期间出现了大量的研究成果，计算机绘图技术也得到了广泛的应用。,3. 20世纪70年代CAD技术的发展时期,随着一些研究机构和大型公司的积极参与，开始出现商用CAD系统，以及以汽车和飞机为代表的工业企业开始大量采用CAD技术。,现代CAD技术的内容,共84页,38,现代CAD技术的内容,共84页,39,随着工程工作站和微型计算机的出现，计算机图形学进入了一个新的发展时期，并推动了CAD技术的普及。,4. 20世纪70年代末到80年代CAD技术的突破

13、,CAD技术由绘制二维工程图，发展到三维造型、自由曲面设计、有限元分析、机构分析与仿真等工程应用，出现了许多成熟的CAD软件。,现代CAD技术的内容,中国银河号巨型计算机,共84页,40,现代CAD技术的内容,共84页,41,现代CAD技术的内容,共84页,42,为了提高CAD软件的与设备无关性和可移植性，同时为满足不同CAD系统间的数据交换要求，在此期间相继推出了有关的图形标准：,（1）计算机图形接口(CGI),（2）图形核心系统(GKS),（3）程序员层次交互式图形系统(PHIGS),（4）以及初始图形交换规范(IGES),（5）产品模型数据转换标准(STEP),现代CAD技术的内容,共8

14、4页,43,CAD的造型技术不断完善，广泛采用了特征造型和基于约束的参数化和变量化造型方法，并向集线框、表面、实体造型统一表示的非流形形体造型发展。基于几何模型的各种计算机辅助设计功能 ,如分析、制造、工程、优化等CAx相关技术得到了全面、深入的发展。,5. 20世纪90年代以来CAD技术的高速发展时期,随着信息技术的发展，CAD技术也由过去的单机或局部分布式联网工作方式向基于网络的设计发展。同时，计算机技术的飞速发展，也为CAD技术的应用提供了强大的硬件支持环境。,现代CAD技术的内容,共84页,44,机械产品设计是一个复杂的、弱理论支持的过程，属于强经验、弱理论的技术领域，很多设计知识和经

15、验很难用规则表达，而这些知识和经验往往决定了企业的生存和发展。,6. 当前CAD技术的研究热点基于知识的CAD技术应用,机械产品设计知识内涵丰富，包括来自各种设计文献资料的方法规定、各种工业标准、设计经验、设计公理、公式和专利等，但更重要的是企业及其设计人员长期积累的设计经验和技能。,现代CAD技术的内容,共84页,45,目前，CAD技术仍在不断发展。未来的CAD技术将为新产品设计提供一个综合性的环境支持系统，它能全面支持异地的、数字化的、采用不同设计哲理与方法的设计工作。近年来，先进制造技术的快速发展带动了先进设计技术的同步发展，使传统的CAD技术有了很大的拓展，CAD技术正经历着由传统技术

16、向现代技术的转变。为此，清华大学童秉枢教授等学者提出了“现代CAD技术”这一概念。,现代CAD技术的内容,二、现代CAD技术的概念与研究内容,共84页,46,现代CAD技术是指在复杂的大系统下，支持产品自动化设计的设计理论和方法 、设计环境和设计工具各相关技术的总称，它们能使设计工作实现集成化、网络化和智能化，达到提高产品设计质量、降低产品成本和缩短设计周期的目的。,现代CAD技术的内容,1、现代CAD技术的概念,共84页,47,集成化支持信息集成、过程集成与企业集成，其涉及的技术主要包括数字化建模、产品数据管理、过程协调与管理、产品数据交换及各种CAx(CAD、CAM等技术的总称)工具等。,

17、现代CAD技术的内容,网络化支持动态联网中协同设计所需的环境与设计技术。,智能化在实现集成化和网络化时采用的智能技术，如人工智能、专家系统技术等。,共84页,48,（1）设计理论和方法,现代CAD技术的内容,2、现代CAD技术的研究内容,深入研究并行设计、协同设计、虚拟设计、大规模定制设计、分形设计的概念。,（2）设计环境,协同设计环境的支持技术，如B/S、C/S结构的计算机系统以及平台体系；协同设计管理。,（3）设计工具,产品数字化建模，STEP；PDM技术； 开发CAx和DFx工具。,共84页,49,CAD技术应用实例,共84页,50,CAD技术应用实例,共84页,51,CAD技术应用实例

18、,共84页,52,CAD技术应用实例,共84页,53,CAD技术应用实例,共84页,54,CAD技术应用实例,共84页,55,CAD技术应用实例,共84页,56,CAD技术应用实例,国产大客机C919外形样机 2016年交付使用,共84页,57,CAD技术应用实例,国产C919客机前段机身特写,共84页,58,CAD技术应用实例,C919飞机机身特写,共84页,59,从总体上说，处理工程数据的方法有以下三种：,工程数据的处理,1程序化处理,3数据库管理,2文件化处理,共84页,60,工程数据的处理,1程序化处理,在编程时将数据以一定的形式直接放于程序中。,特点：程序与数据结合在一起。,缺点：数

19、据无法共享，增大程序的长度。,共84页,61,工程数据的处理,2文件化处理,将数据放于扩展名为.DAT的数据文件中，需要数据时，由程序来打开文件并读取数据。,特点：数据与程序作了初步的分离，实现了有条件的数据共享。,缺点： （1）文件只能表示事物而不能表示事物之间的联系。 （2）文件较长。 （3）数据与应用程序之间仍有依赖关系。 （4）安全性和保密性差。,共84页,62,工程数据的处理,3数据库管理,将工程数据存放到数据库中，可以克服文件化处理的不足。,特点： （1）数据共享。 （2）数据集中。 （3）数据结构化，既表示了事物，又表示了事 物之间的联系。 （4）数据与应用程序无关。 （5）安全

20、性和保密性好。,方式的选择原则是：有利于提高CAD作业的效率， 降低开发的成本。,共84页,63,工程数据的处理,一、数据表格的程序处理,数表分类,两种处理方法,共84页,64,工程数据的处理,1一维数表的处理,定义：由一个已知变量查取所需数据的表格，称为一维数表。,例：表3-1为由小链轮齿数Z查取齿数系数K的一维数表，试对其进行程序化处理。,共84页,65,用Turbo C语言编程如下： main( ) int i,Z1,ip=20; int Z14=9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29,31,33,35; float K14=0.446,0.555,0.667,0

21、.775,0.893,1.00,1.12,1.23, 1.35 , 1.46,1.58,1.70,1.81,1.94; printf(“请输入链轮齿数Z1：”); scanf(“%d”, ,工程数据的处理,共84页,66,工程数据的处理,2二维数表的处理,定义：需由二个已知条件才能确定一个未知数据的表 格，称为二维数表。,例：链轮设计中，由节距t和链轮齿数z查取链轮轴孔最大直径dkmax和齿侧凸缘最大直径dh，进行程序化处理。,共84页,67,工程数据的处理,共84页,68,工程数据的处理,共84页,69,取变量： 齿数zZi i=1,2,3,8 节距t Ti i=1,2,3,10 dhDHi

22、,j i=1,2,3,8 j=1,2,3,10 dkDKi,j i=1,2,3,8 j=1,2,3,10,工程数据的处理,共84页,70,用Turbo C语言编程如下： main( ) int i,j,Z1,ip=20,jp=20; float T1; int Z8=11,13,15,17,19,21,23,25; float T10=9.525,12.7,15.875,19.05,25.4,31.75,38.1,44.45, 50.8,63.5; int DH810=22,30,37,45,60,76,91,106,121,152, 28,38,48, 57,77,96, 116,135,1

23、55,193,35,46,58,70,93,117,140,164, 187,235,41, 54,68,82,110,137,165,193,220,275, 47, 63,79,94,126,158, 189,221,253,316, 53,71,89,107, 142,178, 214,250,285,357, 59,79,99,119,159,199, 238,278,318,398,65,87,109,131,175, 219,263,307,315,438,;,工程数据的处理,共84页,71,int DK810=11,18,22,27,38,50,60,71,80,103, 15,

24、22,30,36,51,64,79,91, 105,132, 20,28,37,46,61,80,95,111,129, 163, 24,34,45,53, 74,93,112,132,152,193,29,41,51,62,84,108,129,153,177, 224,33,47,59,72,95,122,148,175,200,254, 37,51,65,80,109, 137,165,196,224,278, 42,57,73,88,120,152,184,217,249,310; printf(“请输入链轮齿数Z1：”); scanf(“%d”, ,工程数据的处理,共84页,72,p

25、rintf(“请输入节距T1：”); scanf(“%f”, ,工程数据的处理,共84页,73,工程数据的处理,3一维数表的插值处理,由于一维数表只给出了结点X1，X2，Xn对应的函数值Y1，Y2，Yn，而对于非结点上的函数值，如下表，欲取非结点Z1=18或Z1=24时的K值，则必须用插值法解决。,共84页,74,工程数据的处理,（1）线性插值法,已知：两点（X1，Y1），（X2，Y2） 求： 位于X1，X2之间的X坐标对应的Y。 可用如下的线性插值公式：,共84页,75,工程数据的处理,（2）拉格朗日二次插值（抛物线插值）,已知：三点（X1，Y1），（X2，Y2），（X3，Y3） 求：位于X1，X2之间或X2，X3之间的X坐标对应的Y。 可用如下的抛物线插值公式：,共84页,76,线图的处理方法有两种：一种是将其转换成表格，对非表格节点采用插值法求得；另一种是将其写成公式表示。,工程数据的处理,二、线图的处理,共84页,77,工程数据的处理,1线图的表格化处理,如果能把线图转换成表格，那么就可以使用数表的处理方法对其进行处理。现有下图所示线图，下面对其进行表格化处理：,共84页,78,工程数据的处理,在线图上取n个节点（X1，Y1）（X2，Y2）（Xn,Yn），将其制成表格下表所示。节点数取得越多，精度就越高。节点的选取