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1、第2章 现代设计技术重点提示：-论述现代设计技术内涵特征及体系结构-介绍最常用现代设计方法：.计算机辅助设计.优化设计.可靠性设计.价值工程.反求工程.绿色设计2.1.1 现代设计技术内涵2.1.2 现代设计技术特点2.1.3 现代设计技术体系结构2.1 概述1、现代设计技术内涵对传统设计技术的继承和发展，多专业 和多学科交叉的综合性技术。静态、经验、被动、手工、单一解决设计过程中具体设计问题的 各种方法和手段设计技术传统设计 技术现代设计 技术产品规划方案设计技术设计施工设计综 合评 价决 策分 析可靠性设计优化设计模块化设计 逻辑维方法维时间维现代设计技术的三维系统框架现代设计技术可看成一
2、个三维技术集成系统：1）时间维 反映设计过程在时间上的顺序性。-产品规划 产品设计活动起点，包括需求分析、市场预测、可行性分析、确定总体参数、制定约束条件和设计要求等设计任务。-方案设计 是整个产品设计的关键，方案设计阶段投入的费用往往只占总成本的1%，却决定了产品总成本70%的性能特征。-技术设计 将产品功能原理化为具体机械结构，决定产品最终形态和性能。-施工设计 指零部件和产品工程图绘制以及工艺文件和说明书编写。2）逻辑维 设计过程中解决问题的逻辑步骤。-分析 明确设计任务，是解决设计问题的前提；-综合 是探求解决方案的创新过程，可采用抽象、发散、逆向等思维方法寻求尽可能多的方案解；-评价
3、 对多种方案进行比较和评定，对方案不断进行调整和改进，直到较满意的结果；-决策 在综合和评价基础上选择综合指标最佳设计方案。3）方法维 设计过程所采用的各种先进设计理论、方法和工具。1）系统性 强调用系统的观点处理设计问题，从整体上把握设计对象。2）动态性 考虑产品动态特征及与周围环境的物质、能量及信息的交互 。 3）创造性 发挥设计者创造思维和集体智慧，运用先进设计方法和手段，开发出具有创新性的产品。4）计算机化 应用计算机快捷的数值计算功能、严密的逻辑推理能力和巨大的信息存储及处理能力，弥补了人不足。5）并行化、最优化、虚拟化和自动化 -并行化 在产品设计阶段综合考虑产品全生命周期中的所有
4、因素。-最优化 对产品进行方案优选、结构优选和参数优选，实现系统整体性能最优化。-虚拟化 利用虚拟现实技术，在虚拟环境下评估产品性能。-自动化 应用CAD/CAM等工具，完成建模、分析、测试、评价任务 。 6）主动性 对产品全生命周期各种性能作出准确预测，及早发现产品潜 在缺陷，将设计失误减少到最低程度。2、现代设计技术特征3、现代设计技术体系结构1）基础技术 是指传统设计理论与方法，包括运动学、静力学、动力学、 材料力学、热力学、电磁学、工程数学等。2）主体技术 即计算机辅助设计技术，没有CAD、有限元分析、优化设计、 模拟仿真、虚拟设计和工程数据库等计算机辅助技术，就没有现代设计 。3）支
5、撑技术 为设计过程的信息处理、加工、推理与验证提供支撑。-现代设计方法学：包括系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程 、反求工程、绿色设计、模糊设计等；-可信性设计：包括可靠性设计、安全性设计、动态设计、疲劳设计、 耐腐蚀设计、耐环境设计等；-设计试验技术：包括性能试验、可靠性试验、仿真试验和虚拟试验等 。4）应用技术 是解决具体产品设计领域的技术和方法，如汽车、飞机、船 舶、机床、工程机械、精密机械、模具等专业产品设计的知识和技术。5）其它相关技术 包括政治、经济、法律、人文科学、艺术科学等。现代设计技术的体系结构2.2 计算机辅助设计技术2.2.1 计算机辅助设计内涵与发展2.2.2 计
6、算机辅助设计的关键技术2.2.3 计算机辅助设计的研究热点1、计算机辅助设计内涵与发展1）CAD技术内涵CAD：以计算机为工具，处理产品设计过程的图像和数据信息，辅助完成产品设计的过程。CAD技术内容：-几何建模：在计算机内建立设计对象的三维数字模型；-图形图像处理：产品三维图像渲染、二维/三维图形生成；-设计分析：进行结构、运动学、动力学、热力学仿真分析，进行产品性能优化和可靠性设计。CAD技术核心：产品几何模型建立（几何造型）。2）CAD技术特征-强调设计过程的计算机支持 充分利用计算机信息存储、逻辑推理、长 时间重复工作、快速精确计算、方便快捷修改编辑等能力和特长，极大 提高了设计效率和
7、设计质量。-强调人的主导和控制作用 计算机仅作为一种辅助设计工具，现在 和将来都不会完全取代人的主导和控制作用。 -没必要从事设计的所有环节 目前CAD主要辅助完成产品技术设计或 详细设计工作，产品功能设计和概念设计通常还是由人来完成。 3）CAD技术优越性-提高设计效率，缩短开发周期 由于计算机高速计算能力、快速检索数 据能力及自动绘制工程图样能力，使设计效率大大提高。-提升了设计质量 自动检索设计数据；充分发挥人和计算机各自特长； 优化设计工具使设计结构和工艺参数更为合理。-降低了开发成本 简化了产品开发环节，减少了设计失误，有效降低 了生产成本。-减轻了设计者繁杂重复劳动 将技术人员从繁
8、杂计算、绘图、修改等 重复劳动中解脱出来。4）CAD技术发展50年代CAD萌芽期： 1950图形显示器问世，1958绘图仪问世；60年代CAD成长期：1962Sketch PAD图形系统问世，1965 CADAM系统，1966 GRAPHIC系统，60年代末，美国CAD 工作站200多台套。70年代CAD发展期：线框模型、曲面模型成熟，图形交换标准IGES发表，各种CAD功能模块已基本形成。80年代CAD普及期：基于PC微机和工作站CAD系统广泛应用，实体建模成熟，美国CAD/CAM 系统达63000套。90年代CAD集成期 实现了CAD系统之间、CAD与CAM之间以至CAD与其他CAX系统间
9、的数据共享和信息集成。目前CAD成为主体设计技术和设计工具2、计算机辅助设计关键技术1、产品的造型建模技术CAD造型：是对设计对象进行描述，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。CAD造型建模技术发展：经历了线框模型、表面/曲面模型、实体建模、特征造型、特征参数模型、产品数据模型的演变过程。线框模型、表面/曲面模型和实体建模均属于实体模型。特征模型：适应CAD/CAM集成需要。能表达统一完整的产品信息；便于理解和组织生产；有助于加强产品设计、分析、加工制造、检验等各部门间联系。 2、单一数据库与相关性设计单一数据库：即与设计相关的全部数据信息来自同一个数据库。相关性设计：
10、任何设计改动都将及时反映到其他相关设计环节。如：修改左视图，其主视图、俯视图及相关联产品装配图、三维实体模型会自动跟随更新。单一数据库和相关性设计，有利于减少设计差错，利于协同设计。3）NURBS 曲面造型技术NUBRBS：是针对复杂曲线/曲面的一种建模方法，可对自由曲线/曲面和规则曲线/曲面采用统一的数学模型，简化系统结构和数据管理，利于对曲线/曲面的构建和编辑修改。4）有限元分析及动态仿真技术有限元分析：一种工程分析的数值计算方法，其步骤：-建立模型 借助于三维几何模型进行单元划分，建立负载和约束模型；-有限元计算 在负载作用下对设计对象进行结构位移、应力和应变分析；在温升作用下进行结构热
11、传递、热分布、热变形分析，等；-评判修改 根据计算结果对设计对象进行评判修改，优化设计方案。动态仿真：通过动力学仿真，可获得系统运动学和动力学工作状态。-过程：首先对设计对象进行抽象简化建立系统分析模型，根据多体动力学计算方法，调用求解器对模型进行动态仿真试验，根据试验结果对设计对象进行修改和完善。5 ）CAD与其他CAX系统集成技术包括：CAD/CAE/CAPP/CAM设计系统间的集成；CAD与PDM、ERP等经营管理系统间的集成；将CAD功能模块以专用芯片形式加以固化，供其他系统调用；在网络环境下实现异地、异构CAD系统集成。6）标准化技术IGES：图形交换标准（ Initial Grag
12、hical Exchange System) ；STEP：产品数据模型交换标准（Standard for the Exchange of Product Model Data）。计算机辅助产品的概念设计 需要解决概念设计建模和推理难题，需 要解决产品设计功能要求映射为合适的产品结构关键技术。 计算机支持的协同设计 需解决：群体成员间信息实时可靠交换； 异构环境下可靠地运行；设计冲突协调技术。智能CAD技术：将人工智能技术与CAD技术融为一体，难题：解决人类 思维模型建立和表达 基于工程图纸的三维形体重建 现有技术主要针对多面体、二次曲面 体等简单形体，任意曲面体的三维形体重建仍是未解决的世界难
13、题。 CAD与虚拟现实(VR)技术的集成 VR技术提供视觉、听觉、触觉等直 观、自然、实时感知，目前VR所需软硬件价格昂贵，技术开发难度大基于图像的建模技术 是一种不依赖三维几何造型技术，通过离散图 像经过处理生成的真实实体模型，具有快捷、简单、逼真的优点，适 用于难以用几何造型所建立的具有真实感自然环境的模型，这是目前 国际上研究热点之一。3、计算机辅助设计的研究热点2.3.1 优化设计数学模型 2.3.2 优化方法的分类 2.3.3 优化设计步骤 2.3.4 优化设计实例2.3 优化设计优化：是对问题寻优的过程，以期得到一个理想的目标。优优化设计设计 ：在工程设计 过程中，从众多方案中找到
14、尽可能完善的设计 方案。设计变量： X= x1, x2, xn T目标函数： min F（X）设计约束： gu(x)0 u=1,2,mhv(x)=0 v=1,2,p50-设计空间：每个设计方案由一组设计变量构成，相当于设计空间中一个设计点，优化设计即为在设计空间的寻优过程。n=1：设计空间为一实轴，一维优化n=2：设计空间为一平面，二维优化n=3：设计空间为三维立体n3：设计空间为超越空间为q个优化目标2）目标函数目标函数可为极大值也可为极小值统一规格化为求极小值问题：式中 ： 为权重单目标优化：目标函数仅包含一个设计指标，易于求解。 多目标优化：目标函数包含多个设计指标，常将之转化为但目标优
15、化：3）设计约束与可行域设计约束：使设计指标达到最佳值所满足的附加设计条件。不等式约束：等式约束：可行域：指设计变量所允许取值的设计空间，即在该区域内满足设计约束条件；而非可行域：不允许设计变量取值的空间。x1g（X）=0g（X）0g（X）100的优化问题 ，是有效的无约束优化方法，但所需的存储空间较 大 直接 法Powell法 （方向加速法）具有直接法的共同优点，即不必对目标函数求导，具有二次收敛性，收敛速度快， 适合于中小型问题 （n0.99- 损失不大时，R（t）0.90- 无后果： R（t）00zRPFz02、机械零件可靠性设计设：某零件所受应力为 Y，零件强度为 X，则应满足：ZX-
16、Y0应力Y、强度X及可靠度Z的概率密度分布曲线如下图，其干涉区即为零 件可能失效区域，其干涉区越小，可靠度越高。可靠度R= P(Z=X-Y0) 1）系统可靠度预测计算 已知各组成单元的可靠度计算系统可靠度。目的：检验设计系统是否满足给定的可靠性指标；比较不同设计方案的系统可靠度；调整设计系统性能参数，提高系统可靠性；找出设计系统薄弱环节，提出改进措施。串联系统可靠性计算：只要一个元件失效，系统就不能完成规定功能。3、机械系统可靠度设计12n-1n由n个元件组成的串联系统可靠度RS：例: 若R1=0.99, R2=0.90, R3=0.85,则：RS = R1 *R2 *R3 = 0.99 * 0.90 * 0.85 = 0.757串联系统可靠度比系统中最不可靠的元件可靠度还低。12n并联系统可靠度计算：在所有元件全部失效
