第2章 现代设计技术 2.1 概 述 2.1.1 现代设计技术定义与特点 1. 现代设计技术的定义 现代设计技术是以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研,究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称 2. 现代设计技术的特点 (1) 系统性 (2) 动态性 (3) 创造性 (4) 计算机化 (5) 并行化、最优化、虚拟化和自动化 (6) 主动性2.1.2 现代设计技术体系 现代设计技术的整个体系好比一棵大树，由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个层次组成，如图2-1所示1. 基础技术 基础技术是指传统的设计理论与方法，特别是运动学、静力学与动力学、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等 2. 主体技术 现代设计技术的诞生和发展与计算机技术的发展息息相关、相辅相成计算机科学与设计技术结合产生计算机辅助设计、智能CAD(Intelligent CAD，ICAD)、优化设计、有限元分析程序、模拟仿真、虚拟设计和工程数据库等技术运用现代设计技术的多种理论与方法如优化设计、可靠性设计、模糊设计等理论构造的数学模型，来编制计算机应用程序，可以更广泛、更深入地模拟人的推理与思维，从而提高计算机的“智力”。
而计算机辅助设计技术正是以它对数值计算和对信息与知识的独特处理能力，成为现代设计技术群体的主干，即主体技术 3. 支撑技术 支撑技术主要有现代设计方法学、可信性设计技术、试验设计技术现代设计方法学涉及的内容很广，如并行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配制、反求工程、绿色设计、模糊设计、,面向对象设计、工业造型设计等可信性设计是广义的可靠性设计的扩展，主要指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、健壮设计、耐环境设计等设计试验技术包括可靠性试验、环保性能试验与控制，以及运用计算机技术的数字仿真试验和虚拟试验等4. 应用技术 应用技术是针对实用目的解决各类具体产品设计问题的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械的现代设计内容可以看作是现代设计技术派生出来的具体技术群 现代设计已扩展到产品规划、制造、营销、运行、回收等各个方面，除了必要的传统设计理论与方法的基础知识外，相关的学科与技术，尤其是制造工艺、自动化技术、,系统管理技术、材料知识与经验及广泛的自然科学知识等也是十分必要的此外，设计产品总是以满足社会需求为目的的，因此，设计人员还应具备政治、经济、法律、人文社会、艺术等方面的知识与素养。
2.2 计算机辅助设计(CAD)技术 2.1.1 计算机辅助设计技术的产生及发展 (1) 20世纪50年代 — CAD技术的萌芽期 1950年美国麻省理工学院研制出旋风型图形显示设备,(2) 20世纪60年代— CAD技术的成长期 1962年SketchPAD图形系统、首次提出了计算机图形学；1965年美国洛克希德飞机公司推出CAD/CAM (3) 20世纪70年代— CAD技术的发展期 三维建模及绘图工具，曲面模型得到初步应用 (4) 20世纪80年代— CAD技术的普及期 复杂曲面描述技术，实体建模技术趋于成熟 (5) 20世纪90年代— CAD技术集成化期 网络环境下的CAD系统成为主流的设计平台2.2.2 计算机辅助设计的关键技术 1. 产品的几何造型技术 CAD的几何造型过程也就是对被设计对象进行描述，并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被设计对象的造型建模技术的发展，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，,主要模型类型如图2-2所示1) 线框模型 线框模型由一系列空间直线、圆弧和点组合而成，用来描述产品的轮廓外形(见图2-2(a))。
这种模型曾广泛应用于工厂或车间布局、三视图生成、运动机构的模拟和有限元网络的自动生成等方面，但它无法产生剖面图、消除隐藏线以及求解两个形体间的交线，也无法根据线框模型进行物性计算和数控加工指令的编制等作业2) 表面模型 表面模型的数据结构框模型的基础上，增加了有关面的信息和棱边的连接方向等内容表面造型又分为“多边平面造型”和“曲面造型”两种多边平面造型只能构建平面主体，描述能力不强，故较少采用(见图2-2 (b))曲面造型则发展非常迅速，它可以用于构建具有复杂自由曲面和雕塑曲面的物体模型(见图2-3)，,因此广泛应用于汽车、飞机、船舶等制造工业中常用的建模方法有贝塞尔(Beizer)曲面技术和B样条(B－spline)曲面技术表面模型能求解两个形体的交线、消除隐藏线等，但无法定义厚度及内部几何体，故无法生成形体的剖面图以及进行物性的计算3) 实体模型 实体模型较完整地反映了三维实体的几何信息(见图2-2 (c))，它既能消除隐藏线，产生有明暗效应的立体图像，又能进行物性计算，进行装配体或运动系统的空间干涉检查，进行有限元分析的前后处理以及多至五轴的数控编程等作业常用的实体造型方法有“边界表示”(Boundary Representation，B-rep)法和“构造实体几何”(Constructive Solid Geometry，CSG)法。
边界表示法把一个物体被看作是由有界的平面或曲面片子集构成的，每个面又由它的边界边和顶点组成(见图2-4)，经过各种几何运算和操作，最后达到构成物体的目的CSG法的基本思想认为任何几何形体都是由简单的“实体细胞”组成的，这种实体细胞可称为“体素”CAD系统中常用的体素有：长方体、圆柱、圆锥、球、圆台、楔、椭圆锥等系统通过布尔运算可以将这些几何体素组成所需要的物体高档的CAD系统还允许用户根据需要自己定义一些参数化的几何体素复杂的几何物体是由体素组成的，通过正实体、负实体的定义，二维多边形的扫描、移动、旋转、挖切和镜像等操作来实现物体的创建图2-5就是用此方法生成的复杂零件图4) 特征造型 所谓特征，就是描述产品信息的集合，也是构成零、部件设计与制造的基本几何体，它既反映了零件的几何信息，又反映了零件的加工工艺信息常用的零件特征包括：形状特征、精度特征、技术特征、材料特征、装配特征等与实体模型相比较，特征造型能更好地表达统一、完整的产品信息；,能更好地体现设计意图，使产品模型便于理解和组织生产；有助于加强产品设计、分析、加工制造、检验等各个部门之间的联系因此，基于特征的建模技术更适合于CAD/CAM的集成和CIMS的建模需要。
2. 单一数据库与相关性设计 单一数据库是指与设计相关的全部数据信息来自同一个数据库所谓相关性设计，是指任何设计改动都将及时地反映到设计过程的其他相关环节上例如，修改二维零件工程图样中的某个尺寸，则与该零件工程图样相关联的产品装配图、加工该零件的数控程序等也将会自动跟随更新；修改二维图样左视图中的某个尺寸，其主视图、俯视图以及三维实体模型中相应的尺寸和形状也会随之变化建立在单一数据库基础上的产品开发，可以实现产品的相关性设计单一数据库和相关性设计技术的应用有利于减少设计中的差错，提高设计质量，缩短开发周期 3.CAD与其他CAX系统的集成技术 CAD技术为产品的设计开发提供了基本的数据化模型，然而，它只是计算机参与产品生产制造的一个环节为了使产品生产后续的作业环节有效地利用CAD作业所构造的产品信息模型，充分利用已有的信息资源，提高综合生产效率，必须将CAD技术与其他CAX技术进行有效的集成，包括CAD/CAM技术的集成、CAD与CIMS其他功能系统的集成等CAD技术的主要功能是进行产品的设计造型，为其他功能系统提供共享的产品数据模型，它已成为CIMS或其他制造系统的基础和关键CAD技术的集成体现在以下几个方面： (1) CAD与CAE集成、CAD与CAPP/CAM集成、CAD与PDM集成、CAD与ERP等软件模块集成。
CAD与这些系统模块的集成为企业提供了产品生产制造一体化解决方案，推动了企业的信息化进程 (2) 将CAD技术的算法、功能模块以至整个系统以专用芯片的形式加以固化，这样一,方面可以提高CAD系统的运行效率，另一方面可以供其他系统直接调用 (3) CAD在网络计算环境下实现异地、异构系统的企业间集成，如全球化设计、虚拟设计、虚拟制造以及虚拟企业就是该集成层次的具体体现4. 标准化技术 由于CAD软件产品众多，为实现信息共享，相关软件必须支持异构、跨平台的工作环境该问题的解决主要依靠CAD技术的标准化国际标准化组织(ISO)制定了“产品数据模型交换标准”(Standard for the Exchange of Product Model Data，STEP)STEP采用统一的数字化定义方法，涵盖了产品的整个生命周期，是CAD技术最新的国际标准目前，主流的CAD软件系统都支持ISO标准及其他工业标准，面向应用的标准构件及零部件库的标准化也成为CAD系统的必备内容，为实现信息共享创造了条件 2.2.3 CAD系统软件与应用 1. 系统软件 系统软件主要用于计算机管理、维护、控制、运行以及计算机程序的翻译和执行，分为以下几类：,(1) 操作系统 操作系统的主要功能是管理文件及各种输入输出设备。
微机上常用的操作系统有DOS、Windows、UNIX、OS/2等目前较为流行的操作系统是Windows，它是32位多窗口、多任务操作系统，提供了对多媒体和网络的软件支持工作站主要采用UNIX操作系统，提供支持X协议的多窗口环境2) 编译系统 编译系统是将用高级语言编制的程序转换成可执行指令的程序我们所熟知的高级语言如FORTRAN、BASLC、PASCAL、COBOL、LISP，C/C++等，都有相应的编译程序或集成开发环境 (3) 图形接口及接口标准 为实现图形向设备的输出，必须向高级语言提供相应的接口程序(函数库)Windows的CGI计算机图形接口编码面向应用软件开发，先后推出了GKS、GKS-3D、PHIGS、GL/OPENGL等图形接口标准利用这些标准所提供的接口函数，应用程序可以方便地输出二维和三维图形在各种以图形为基础的CAD软件相继推出后，为了满足不同应用系统产品数据模型的交换、共享需要，又制定了IGES、DXF、STEP等图形(产品)信息交换标准2. 支撑软件 1) 计算机分析软件 (1) 常用数学方法库及其可视化软件 (2) 有限元分析软件目前，有限元理论和方法已趋成熟，除应用于弹性力学和流体力学外，也应用于流动分析、电磁场分析等方面。
商品化的有限元分析软件很多，如SAP-5、ADINA、NASTRAN、ANSYS、COSMOS等，一些软件还具有较强的前、后置处理功能3) 优化设计软件 优化设计建立在最优化数学理论和现代计算技术的基础上，通过迭代寻求设计的最优方案目前已有不少成熟的优化程序库，如LBM公司的ODL，我国自主知识产权的“优化方法程序库OPB-2”等 2) 集成化CAD/CAM软件 集成化CAD/CAM软件支持在二维和三维图形方式下进行产品及其零件的定义早期的集成化CAD/CAM软件主要致力于实现交互式绘图，如CADAM、AutoCAD、MEDUSA的早期版本均主要以二维交互式绘图为主20世纪80年代中期开始，实体造型技术日趋完善，不少CAD系统转向采用实体造型技术定义产品零件的几何模型，进行分析、数控加工、输出工程图等目前较流行的CAD集成系统有：美国 PTC(Parametric Technology Corporation)公司的Pro/Engineer，美国麦道飞机公司的UG(Unigraphics)，Autodesk公司的AutoCAD及MDT；中国科学院北京软件工程研制中心开发的参数智能化CAD系统PICAD，高华计算机有限公司开发研制的集成智能化C。