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1、 对计算机辅助机械设计的认识计算机辅助机械设计的含义 计算机辅助机械设计(Computer Aided Machine Design)是指计算机辅助设计(Computer Aided Design，简称CAD)技术在机械设计过程中的应用，以计算机作为工具，将人的创造性思维与计算机的高速数据处理、数据存储等功能相结合，完成对产品或工程的设计、绘图、工程分析和文档制作等，并达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本的目的设计活动的设计方法，属于汁算机辅助设计技术的主要应用领域之一。计算机辅助机械设计目前从功能上一般可以归纳为辅助设计人员进行初步设计和方案决策、性能分析和模拟仿真、交互式或
2、自动绘图等，它贯穿于机械设计的各个阶段。充分利用计算机数值运算速度快、存储信息量大、图形图像显示逼真等特点，可以大大减轻机械设计人员的没计工作量，加快设计进度。科。从机械设计的观点来看，计算机辅助机械设计是众多机械设计方法中的一种，它利用计算机系统辅助完成机械设计任务，属于机械设计范畴；从另一角度看，由于现在的常规设计方法已经相当成熟，计算机辅助机械设计不是去研究常规机械设计方法本身，而是研究机械设计软件的开发方法，也就是研究计算机系统中的软件开发这一组成部分，属于软件开发范畴。因此，计算机辅助机械设计是一门交叉学科或边缘学科，是机械设计学科与软件设计学科相互交叉而形成的一门学科，产生了诸如“
3、组合式设计”技术、“数据接口”技术、“参数传递”技术等新兴技术内容。计算机辅助机械设计的功能 计算机辅助机械设计的任务是开发集设计计算、资料处理、数据管理及自动绘图等多项功能于一体的应用软件。下面简要介绍目前计算机辅助机械设计常用的部分功能。一、初步设计1设计计算机械设计过程中经常需要进行大量的初步设计计算和校核计算，如主要几何参数计算、受力分析、强度和寿命计算、刚度计算等，都涉及大量的数值计算。对于这些常规的重复性的设计计算工作，由计算机辅助来完成这些计算量，可以使设计人员从繁重的计算工作中解脱出来。由于初步设计和校核计算涉及范围广，涉及行业较多，目前设计计算方面的应用程序大多针对性较强，还
4、没有形成比较通用和完整的软件包。2优化设计机械设计过程中，经常需要设计人员根据给定的设计条件和功能要求肘机械零件的许多主要参数进行数值选择。不同的数值组合，对机械零件的功能乃至整个计算机辅助机械设计的机械系统的性能影响极大，设计人员非常希望在众多选择中确定一组趋近合理的最好的主要参数。优化设计技术就是利用计算机的极高的运算速度完成“选择一评价一再选择”的过程，直至得到趋于最好的结果。目前的优化设计技术已经形成比较完整的原理和算法，设计者的主要任务是将具体的机械设计问题模型化，即建立优化设计数学模型，便可以选择算法甚至程序很快得出结果。3设计资料查询机械设计过程中需要引用和查询大量的标准、规范、
5、性能等基础数据。“数据库管理”技术就是利用计算机的存储信息量大、查询速度快的特点，将这些基础数据按照一定规则组织存储在计算机中，可以结合知识库和推理机提供快速的推理、判断、检验和查询等手段，使设计者能够方便快速地得到这些数据。目前已经形成了比较成熟的通用数据库管理和工程数据库管理软件系统，随着机械设计数据库的逐渐丰富和完善，设计资料查询将变得方便快捷。4结构设计机械设计过程中需要进行大量的结构设计和图形绘制，这是设汁人员常规繁重的设计工作。利用计算机的几何造型功能，设计人员通过人机交互可以直观和快速地进行机械结构的三维设计，并能够很方便地修改。目前已经出现了许多比较成熟的几何造型软件，它们都提
6、供三维几伺建模工具，可以快捷方便地生成各种机械结构。对于成熟的机械零部件结构，可以建立参数化图形库，设计者只需输入少量的特征数据，由计算机完成结构类型选择、结构尺寸计算、图形生成、干涉检验等工作。甚至借助快速成型机，可以得到零部件的实物模型，使设计者在设计阶段便可以观察到产品的最终结构形状。二、性能分析和模拟仿真1运动仿真机械设计过程中要对机械的运动方案进行设计，需要了解机械在各个瞬时的运动特性，这些工作涉及大量的运动分析数值计算。利用计算机运算速度快和直观的图形显示功能，可以使设计者清楚地了解各个机械运动的瞬时特性，包括姿态、轨迹、速度、加速度、受力变化情况等。2有限元分析有限元分析通过将整
7、个机械结构划分成有限元网格，通过数值计算，可以比较精确地分析机械结构中任意点处的应力和位移等数值，已经被广泛应用于位移分析、应力分析、温度场分析振动分析与仿真等。目前已经有许多成熟的有限元分析软件，设计者的主要工作是载荷分析和机械结构的离散化，以及计算结果的分析修正等。3可靠性分析。可靠性分析就是将设计参数视为随机变量，利用概率统计的理论和方法对机械零部件的可靠度进行分析。这种分析过程通常需要利用计算机辅助分析的方法来完成。4，动态分析与仿真动态分析主要是采用离散有限元方法，分析机械系统本身的各阶固有频率，阻尼特性、对应于各阶固有频率的振型和机械系统在动载荷下的响应等，为机械系统振动特性分析和
8、动强度分析提供依据、5外观设计与仿真利用真实感三维造型技术进行机械产品的外观造型设计和仿真，可以直观获得最终产品的视觉效果；利用计算机仿真技术可以进行机械产品外观的气体动力学、液体动力学分析和三维温度场分析等。三、交互式和自动绘图1交互式绘图一般的交互式绘图软件都提供基本的工程图样绘制工具，使设计者可以完成二维工程图样的绘制工作，并提供增添、修改和尺寸标注等功能。2参数化零件图库对于一些成熟的零部件，其结构原理相同，只是各部分尺寸大小不同，可以建立参数化零件图库。设计者利用参数化零件图库只需输入少量数据，便可由计算机自动生成相应的设计图样，有些软件还具有自动拼接分析功能，使各个局部图样相互拼接
9、成较大图样。3图样自动生成通常指根据设计结果自动生成工程图样，包括由机械结构的三维造型自动生成二维工程图样。计算机辅助机械设计的特点1、 利用三维计算机辅助设计完全符合设计者的设计思维过程。2、 设计者可以直接在计算机上建立全参数化的三维模型，直观、完整地反映出设计者意图。3、 设计者可以直接在三维模型上进行讨论、修改、更新，并建立其完整的三维模型数据。4、 设计者对所建立的三维模型可直接进行应力分析、应变分析，制作质量的品质分析、空间运动分析、装配干涉分析，NC加工分析，外观色彩和造型效果评价及商品广告造型与动画生成等。5、 可以直接由三维模型生成产品二维工程图样。计算机辅助机械设计的意义1
10、、 彻底的改变了传统的设计手段，实现了产品设计的革命性变化。2、 提供了可供下游CAE（计算机辅助工程分析）、CAPP（计算机辅助工艺规划）、CAM（计算机辅助制造）、PDM（产品数据管理）、ERP（企业资源计划）使用的产品三维数字化模型，是计算机辅助机械设计成为计算机集成制造系统（CIMS）工程的核心。3、 有效的提高了企业的创新能力，缩短了产品的开发周期，提高了产品的质量，从而增强了企业的竞争能力。计算机辅助机械设计的发展科学技术的突飞猛进使应用计算机进行产品开发的设计方法和设计手段不断更新，而产品的需求向个性化、多样化方向发展，要求开发周期短、上市时间快，对计算机辅助机械设计提出了新的要
11、求，也决定了计算机辅助机械设计的发展方向。1、 三维化三维模型能够直观全面的反映设计者设计意图，设计者可直接在三维模型基础上进行零件装配、干涉检验、有限元分析、运动分析等高级设计工作。2、 参数化将产品模型的参量便量化，是参数之间建立一定的约束关系，这样可以通过软件中的尺寸驱动方法修正和控制产品几何形状，从而生成产品的精确模型，同时实现设计数据的相互关联。3、 智能化机械设计活动中很多工作是非数据、非算法的，他需要根据设计人员的经验和知识做出判断和决策。可将人工智能技术、专家系统技术等应用于CAD系统中，形成智能的CAD系统，使其具有推理、联想和判断功能，从而解决那些之前必须由专家才能解决的设
12、计问题。4、 集成化集成就是向企业提供产品一体化的解决方案，实现产品设计制造系统数据的共享。CAD处于产品生命周期管理中的源头，要提高系统的集成，就要进行产品设计信息、设计过程、设计资源、设计技术、设计方法、设计管理、设计人员等的集成。5、 网络化应用网络技术，可以使产品设计人员、工程技术人员以及供应链上各个合作伙伴、客户和企业等通力协作，连成一个设计、生产、制造、销售网络，便于协同作业。6、 并行化应用并行化设计方法可以使产品开发人员从一开始就考虑到产品从概念设计到消亡的整个生命周期的所有因素，可以并行地、集成的实现产品需求分析、设计、开发、加工及其销售等环节，实现信息流的双向及设计制造中各种问题的协同解决。7、 标准化随着CAD系统的网络化和集成化，越来越多的用户需要将产品数据在不同应用系统间进行交换，制定各种产品设计、测评和数据交换的标准势在必行。应用这些标准，能完整表达产品信息，并独立于具体应用软件，允许采用不同的实现技术，便于产品数据存取、传输和归档，保证在多种应用和不同系统中的一致性。
