1、1现代现代CAD设计技术的内涵设计技术的内涵及其发展及其发展 现代设计技术的集成化、现代设计技术的集成化、网络化、智能化网络化、智能化2主要内容主要内容 设计技术的含义与现代设计方法 数字化设计技术的发展 现代CAD技术 计算机仿真设计技术 现代设计中知识的作用 结束语3一、设计技术的意义和方法一、设计技术的意义和方法 1、设计的含义 引言 设计过程，研究解决怎样设计（HOW）的问题 方法论 描述特性 设计程序 创造性思维 设计结果，研究解决设计应该怎样（WHY）的 问题 社会 价值特性 经济 文化4 有限的资源 设计环境 有限的理性 入道者成“师”，不入道者成“匠”“以技入道”设计师的成长
2、“由理入道”5 设计的定义 Archer（阿切尔）“设计是围绕目标的问题求解活动”，以心理学研究为基础 问题的定义 问题的求解过程 问题的求解策略 评价设计的标准：设计思维过程的合理性 设计工作的目标性 6 Asimow（阿西莫夫）“设计是高风险，高不确定条件下的决策过程”设计本质特性是“多方案选择”有限理性 希望“足够满意”不求“唯一最佳方案”Booker（鲍克）“设计是获得足够把握前，对未来产品尽可能多地模拟”实物模型 强调模型的作用 数字模型 计算机模仿真型7 Gregory(葛雷佳利)“设计是拿出使人满意的产品”设计以人为本的思想 Reswick（李斯威克）“设计是从无到有的创造”，创
3、造新的有用的事物：科学是研究已有的东西 设计是创造新的有用的东西 设计知识是科学 用科学活动解释设计 设计是艺术，尽管用到了科学知识 8 V.Hubka的学术思想（功能和结构设计）以人的需求为根据，利用系统分析的方法经过“技术过程”“技术系统”“功能结构图”“形态学矩阵”多个可行方案 综合择优等过程，确定尺寸、结构设计的根据。人设计主体 设计包含了 物设计对象 时间设计过程 客观科学知识 设计的哲学（科学性和艺术性）主观创新精神9 我们的定义：设计是利用必要的的资源和手段，通过人类创造性思维与研究活动，促使理性构想达成“物化”的过程。资源知识、经验、材料、信息、环境（人文、社会、经济等）手段设
4、计方法、工具、软硬件 思维与研究 知识形成、综合、升华、飞跃 理性构思符合实际环境条件和设计 目标的方案，并经过验证102、传统设计的特点 方法类比、经验、模型实验（依赖于经 验）过程初步设计 技术设计 详细设计 （串联方式按部就班进行）环境手工方法、设计手册、模型、经验 思维方式收敛式思维，强调局部 设计结果少方案，设计费用低113、现代设计的特点 系统性视设计对象为系统，考虑内、外 联系，力求整体最佳 创造性重视人的创造潜力，以创新为目 的和标志 综合性市场需求为导向，兼顾生产、管 理、销售、用户因素，探索多种 解决问题的途径 多解性可短期提供多个方案，保证设计 结果相对最优12 设计的环
5、境信息极为丰富，知识高度融合，新材料、新工艺层出不穷，计算机软、硬件技术为设计提供了前所未有的良好环境，市场经济的高度发达，产品的激烈竞争，成为推动现代设计方法发展的社会背景 设计观念经验的、类比的、局部的，变成逻辑的、推理的、系统的 思维方式静态的、少变量和方案的、收 敛的变成动态的、多变量的、多方案的、扩散的。13 设计手段依赖于经验、手工、实物模型 变为依靠分析、计算机软、硬 件功能、数学模型与仿真。设计方法优化设计、可靠性设计、计算 机仿真设计、多刚体动力学分 析、有限元分析、现代工业设 计、价值工程、反求工程、相 似设计，绿色设计等 实用设计技术CAID、CAD、仿真设计、网络协同设
6、计、虚拟现实与数字化样机等 14机电产品现代设计实例机电产品现代设计实例15161718192021二、数字化设计技术的发展二、数字化设计技术的发展1、设计模型及其发展 模型数字化设计技术的基础，在现代设 计中起作核心作用 模型的种类 静态模型 实物模型 动态模型22 几何模型 符号模型 物理模型 化学模型等 产品设计中模型的作用 信息的载体：几何拓扑、物理特性、工艺装配、功能维护 设计表现形式：外观视觉、操作性能、结构特点、销售价值 设计信息的载体产品设计模型的特征23 线框模型（Wire Frame Model）支持简单的图形表示 表面模型（Surface Model）准确表示物体表面，如
7、曲线、曲面 实体模型（Solid Model）几何和拓扑意义上完备的设计模型 特征模型（Feature Model）真正意义上的产品信息载体模型（可包含零部件和产品的表面质量、结构、工艺、装配、维护等信息，对设计、制造、管理过程意义重大）24 自由曲线（面）的描述 A、水下的船体物理样条 （1）二阶连续，小挠度 （2）三类边界条件 （3）无几何不变性()()EIK xM x()()EI K xM x23/2()(1)yK xy()M xyEI()M xyEI25B、三次参数曲线 0=t=1 (1)(1)便于矢量和矩阵表示，规格化变量(2)形状仅与型值点位置有关，与坐标系无关(3)形状数学描述的
8、标准形式（Ferguson,1964）32()()1()xyzxyzxyzxyzaaax tbbby ttttcccz tddd26C、三次参数曲线的Hermite形式 已知参数曲线端点位置和切矢即可定义Hermite曲线，如图由（1）可得 （2）Hermite矩阵 Hermite几何矢量1P1R()P t2P2R1t 2t 1232122211()3321()()10010()1000Px tPP ty ttttRz tR()hhP tT MGhMhG27D、Bezier曲线的秘密 若：，；则（2）中的 可表示为0(0)PP3(1)PP10(0)3()PPP32(1)3()PPP0P(0)P
9、3P(1)P1P2PhG28 代入（2），令0123(0)1000(1)00013300(0)0033(1)ihhbPPPPGMPPPPP1331363033001000bhhbMMM29则 i=0,1,2,3.0=t=1 (3)为三次Bezier曲线的矩阵形式。Bezier曲线的参数方程可写为 0=t=1 (4)式中 称为Bernstein基函数当n=3时（4）式即为（3）式()biP tT MP,1()()nii niP tPBt,()i nBt,()(1)iin ii nnBtCtt!()!innCi ni30三、现代三、现代CADCAD技术技术一、先进制造技术对一、先进制造技术对CAD
10、的需求的需求 T、Q、C、S、E需求需求 T-最快的上市速度（最快的上市速度（Time to market）Q-最好的质量最好的质量(Quality)C-最低的成本最低的成本(Cost)S-最优的服务最优的服务(Service)E-最清洁的环境最清洁的环境(Environment)31 由于设计阶段决定了产品成本的由于设计阶段决定了产品成本的70%以上，以上，采用先进制造技术的企业必然将产品设计这采用先进制造技术的企业必然将产品设计这个环节视作其生命线，个环节视作其生命线，先进设计技术必然成先进设计技术必然成为先进制造技术的核心之一为先进制造技术的核心之一。CAD(Computer Aided
11、 Design)是使用计算机是使用计算机系统来辅助一项产品或工程设计的系统来辅助一项产品或工程设计的建模、修建模、修改、分析和优化改、分析和优化的过程和技术的过程和技术.它是一种新的它是一种新的设计方法，也是一门多学科综合应用新技术。设计方法，也是一门多学科综合应用新技术。32 CAD技术发展的几个阶段技术发展的几个阶段 第一代第一代CAD系统出现于系统出现于60年代，技术特点是利用解年代，技术特点是利用解析几何的方法定义点、线、圆等图素析几何的方法定义点、线、圆等图素,主要用于主要用于平平面绘图面绘图。第二代第二代CAD系统始于系统始于70年代，技术特点是年代，技术特点是交互式技交互式技术及
12、几何造型系统术及几何造型系统。三维线框模型、表面模型、实。三维线框模型、表面模型、实体模型和体模型和Sweep、CSG、B-rep等表示法可用于复等表示法可用于复杂结构的设计杂结构的设计.第三代第三代CAD系统始于系统始于80年代中期，年代中期，特征建模和基于特征建模和基于约束的参数化和变量化建模约束的参数化和变量化建模方法是其技术特点，保方法是其技术特点，保证了二、三维模型修改时的相互关联性，以及证了二、三维模型修改时的相互关联性，以及CAD/CAM信息集成。信息集成。33二、先进制造技术对二、先进制造技术对CADCAD的影响的影响 CIMS(Computer Integrated Manu
13、facturing System)的影响的影响-信息的集成信息的集成 解决异构环境下信息集成的三个关键问题 （1）产品建模问题产品建模问题 （2）数据交换问题数据交换问题 （3）工程数据管理问题工程数据管理问题34 并行工程并行工程(Concurrent Engineering,CE)的影响的影响 -过程的集成过程的集成 对CAD技术提出了以下要求:(1)支持开发过程的支持开发过程的重构和建模重构和建模。(2)实现实现协同设计协同设计的环境，支持多学科队的环境，支持多学科队 伍的协同工作。伍的协同工作。(3)提供功能集成、信息集成的支持并行提供功能集成、信息集成的支持并行 设计的设计的CAx(
14、CAD CAPP CAM)和和DFx 工具工具.35 敏捷制造敏捷制造(Agile Manufacturing,AE)的影响的影响-企业的集成企业的集成 敏捷制造模式必须具有敏捷设计的模式:（1）提供实现产品敏捷设计的使能技术）提供实现产品敏捷设计的使能技术,如如 资源共享、信息服务、合作建模、联资源共享、信息服务、合作建模、联 盟内的数据管理与设计过程管理盟内的数据管理与设计过程管理等技术。等技术。（2）提供支持产品敏捷设计的）提供支持产品敏捷设计的网络通信平台网络通信平台 及相关技术及相关技术的解决方案的解决方案 36三、现代三、现代CADCAD技术的提出技术的提出 先进制造技术经历了信息
15、集成先进制造技术经历了信息集成过程集成过程集成企业集企业集成的发展历程，现代成的发展历程，现代CAD技术也在沿着技术也在沿着信息集成信息集成过程集成过程集成企业集成企业集成的道路发展。的道路发展。现代现代CAD技术技术是指在复杂的大系统环境下是指在复杂的大系统环境下,支持产支持产品自动化设计的品自动化设计的设计理论和方法、设计环境、设计设计理论和方法、设计环境、设计工具工具各相关技术的总称，它们能使设计工作实现各相关技术的总称，它们能使设计工作实现集集成化、网络化和智能化成化、网络化和智能化，达到提高产品设计质量、，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。降低产品成本和缩短设计
16、周期的目的。37现代现代CADCAD技术研究的主要问题技术研究的主要问题 研究现代设计研究现代设计理论与方法学理论与方法学 并行设计、协同设计、虚拟设计、大规模定制设计、并行设计、协同设计、虚拟设计、大规模定制设计、绿色设计绿色设计 协同设计环境协同设计环境的支持技术的支持技术 协同设计的管理协同设计的管理技术技术 产品数字化定义及产品数字化定义及建模技术建模技术 基于基于PDM产品数据管理与工作流（过程）管理技术产品数据管理与工作流（过程）管理技术 发展集成的发展集成的CAx和和DFx工具和工具和计算机仿真计算机仿真技术技术 38四、现代四、现代CADCAD与计算机仿真技术在机械设计中与计算
17、机仿真技术在机械设计中的应用与展望的应用与展望 例：高速卷烟机械的特点高速卷烟机械的特点 高速、高效的高速、高效的自动化机器自动化机器 灵巧灵巧机械机械与快速与快速测量测量、控制控制的综合系统的综合系统 高速、高速、动态、动态、高可靠性高可靠性机电一体化典型机电一体化典型 加工对象加工对象材料特殊材料特殊39 烟草机械的发展趋势烟草机械的发展趋势 更高的更高的速度速度和和可靠性可靠性,更好的更好的动态性能动态性能 大量使用大量使用数字化技术数字化技术,完成动作及位置的控制完成动作及位置的控制,实现柔性调整实现柔性调整 新的新的材料输送原理材料输送原理和技术和技术(如如气动送丝气动送丝等等)新的
18、烟支新的烟支成型与加工原理成型与加工原理 新的新的高速动态检测原理和技术高速动态检测原理和技术40烟支切割装置的特征建模烟支切割装置的特征建模41424344研究的主要相关成果（1）在Pro/E环境下用FBABMS系统完整地建立了猎豹 越野车一个车型的车身和底板各块曲面零件的三维CAD特征模型，并实现了上述各零件的三维装配;部件分离图 45成果用于车身改型设计 基于猎豹越野车整车三维模型的工程应用仿真研究：车身改型设计46多刚体与有限元耦合仿真多刚体与有限元耦合仿真47烟支切割装置仿真分析烟支切割装置仿真分析4849SAAB900车安全防护装置仿真研究50安全气囊气体压力分布仿真分析安全气囊气
19、体压力分布仿真分析51研究的主要相关成果（4）6000米深海集矿机运动仿真（中国大洋协会组织的专中国大洋协会组织的专家鉴定意见：家鉴定意见：“用多刚体动力学对复杂的深海集矿机用多刚体动力学对复杂的深海集矿机系统进行运动和动力学仿真技术属国际先进水平系统进行运动和动力学仿真技术属国际先进水平”）5253546000深海集矿机运动和动力分析556000深海集矿机运动和动力分析56深海集矿机仿真深海集矿机仿真57585960616263 讨讨 论论 和和 结结 语语 设计分析技术的集成化设计分析技术的集成化,网络化对设计模型提出了网络化对设计模型提出了新的要求新的要求-并行设计并行设计 PDM STEP PDM STEP 协同设计协同设计.三维特征模型和技术三维特征模型和技术是重要发展方向之一是重要发展方向之一.多刚体动力学多刚体动力学和和有限元方法有限元方法的有机结合形成了机电的有机结合形成了机电产品计算机仿真的基础产品计算机仿真的基础,两者不可偏废两者不可偏废.加强各学科的加强各学科的融合与交叉融合与交叉,在创新的基础上实现超在创新的基础上实现超越式发展越式发展是我国机械工业发展必经之路是我国机械工业发展必经之路.
