机械CADCAE专业技术教材机械CADCAE

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1、机械 CAD/CAE应用技术基础第一章 绪论第一节机械CAD/CAE技术概述一、机械 CAD/CAE 既念在机械产品开发过程中， 设计人员迫切需要一种对所做的设计进行精确评价和分析的工 具，而不 再仅仅依靠以往积累的经验和知识去估计 . 鉴于这种目的，人们希望将工程领域里 广泛应用的有限元 分析方法与CAD技术集成，共同实现设计一评价一再设计”任务的自动 化，以提高设计的精确程度和 效率 .机械 CAD/CAE （Computer Aided Design/ Computer Aided Engineering） 技术就是通过 计算机及图形输入 / 输出设备进行机械产品的交互设计，并建立产品的

2、数字模型，然后在统 一的产品 数字模型下进行结构的计算分析、性能仿真、优化设计、 自动绘图。 它是用于支持 机械产品开发的计 算机辅助设计、 分析的理论、 方法与工具等各相关技术的总称， 它包括现 代设计理论与方法学 （例 如并行设计、 协同设计、虚拟设计、大规模定制设计、 分形设计等） ， 与设计工具相关的技术（例 如产品数字化定义及建模技术、基于PDM勺产品数据管理与过程管理技术、集成的CAx和DFx工具、智能技术等），它们能使设计工作实现信息化、集成化、网络化和智能化，以达到产品设计质量高、成本低和周期短的目标。以机械CAD/CAE为基础，还可以将产品的数字模型高效及时传送并应用到整个企

3、业产品价值链所 涉及的各个重要环节，包括工艺规划、工装设计、生产、加工、质量控制、编制技 术文档、供应、销售 和服务，实现人、财、物、产、供、销信息的集成管理、科学决策。它 正在从根本上改变从设计到产品 整个过程的传统工作方式和管理方法，给设计和制造领域带来深刻的变革。随着WT0的加入，制造业企业不得不参与国际市场竞争，传统的产品开发方式已不再适 应企业对产 品的时间、质量、成本的要求，特别是基于二维CAD的设计过程，只能处理二维图形信息， 无法直观的得到三维实体产品模型，进行产品的装配分析、工程分析、 物理特性计算等。而机械CAD/CAE设计分析平台，以建立全参数化三维实体模型为基础，再用有

4、限元分析等方法进行关键零、 部件的强度、 稳定性以及整机或部件的运动性能和动力性能仿真分 析。为企 业建立起一套产品开发体系。 它能支持 自顶向下和自底向上 等设计方法， 使设 计更加符合实际 设计过程， 比使用二维 CAD 设计质量提高， 设计原型错误减少 80%、重复设 计减少 50%，节省时间 和资金，可以大批量生产的速度生产定制产品，缩短产品开发周期， 便于企业增进全球性合作。因 此，机械CAD/CAE是一种崭新的设计模式，制造企业应从设计和管理两方面分析考虑， 通过产品设计手段与设计过程的数字化和智能化， 缩短产品开发 周期，促 进产品的数字化，提高企业的产品创新能力。1.机械CAD

5、/CAE应包含如下几个内容：1）建立机械产品所有零部件及各级部件和整机的三维CAD模型，并且三维模型应参数化、适合于变形设计和部件模块化设计。2 ）与三维CAD莫型相关联的二维工程图。3 ）部件和整机的三维CAD莫型能适合运动分析、动力分析和优化设计。4 ）机械CAD/CAE勺过程就是基于三维CAD的产品开发体系建立的过程，要形成基于三 维CAD的 PDM结构体系。5 ）从机械CAD/CAE过程中摸索出定制产品的开发模式及所遵循的规律。6 ）为了验证和修正CAD/CAE模型，需要与整机和部件的检测与试验相结合。二、机械 CAD/CAS! 成的关键技术在CAD与CAE技术的集成中，目前存在的主要

6、困难是：1）如何实现从几何模型到CAE分析模型的自动转换；2）如何从CAE分析的结果出发评价和修改设计产生有限元分析模型需要把CAD建立的几何模型经过简化，并进行网格划分，载荷、约束和 材料的定义。而这种模型抽象化的过程常常要依赖于有经验的分析人员，而且需要花费大量的时间和精力。虽然各种有限元分析软件的后处理器凭借优异的图形功能， 能以等高 线、矢量、阴影、动画、多模型、多窗口、图表、表格等方式，高速表现解析 结果，但都不具备 对有限元分析结果进行解释和评价的功能。同时，对设计的修改也要由设计者经过分析和判断后自行给出方案， 而没有利用计算机强大的计算和推理功能对 设计的修改进行优化指导。因此

7、，有必要应用人工智能技术，将先前积累的知识和经验 建立一个 有限元分析模型的建立、分析和解释的专家系统，并加入到CAD与有限元分析集成系统中，在“机器专家”的指导下， 自动完成有限元分析模型的建立、 分析和解释 有限元计算结果，并评价和修改设计。进一步丰富和完善前后处理功能，使其与设计者共同完成设计的优化。机械系统自动动力学分析软件 ADAMSAutomatic Dyn amic ofMecha nicalSystem） 、 动力学分析和设计系统软件 DADS （DynamicAnalysis and Design System） 等，它们集成 了多体系统仿真的基本步骤动力学理论成果、 参数化

8、的建模工具、 可以进行静力学、 运 动学和动力学分析的求解器、功能强大的后处理模块和可视化界面等，极大地提高机械系统仿真的效率。然而由于这些软件重点是在力学分析上 ，在建模方面还是有很多不足 ， 尤其是一些复杂机械系统零、部件的三维建模很难实现 ，所以很有必要利用CAD软件建 模来解决这个问题，同时需要合适的接口程序来完成。特征造型是几何造型技术的延伸， 它是从工程的角度，对形体的各个组成部分的形 状、尺寸及其结构、材料和精度等特征进行定义，使所描述的形体信息具有工程意义。 特征模型 既包含了低层几何信息，又能为下游的分析、加工提供高层语义信息.因此，实现特征建模是实现CAD与CAE集成的关键

9、。CAD与CAE技术集成系统的结构如图1 - 1所示。分孕A it人丄档能 P *5 M itt T W ft tt PKif Iff加供WW H if u LP图1 1 CAD与CAE技术集成系统的结构图（1）特征造型.设计者通过调用特征库里的特征（必要时自定义特征） 进行产品特征建模在特征造型过程中，设计者要全面周到的考虑设计对象，尽可能地将以后各种 应用(如分 析、加工等)所要用到的特征信息输入.(2) 有限元分析建模从特征的观点看，就是将设计特征转换成有限元分析特征；从集成的观点看，就是有限元分析的前处理部分 在建模过程中，专家系统访问建模知 识库，禾U用其中存储的规则进行判断推理；访

10、问基于特征的产品数据库，利用其中的数据信息进行逐步计算，最终形成分析模型 (3) 有限元分析.目前，有限元求解算法已经比较完善和成熟，工程化的分析软件也不少，可直接应用。(4) 分析结果解释和评价. 在解释评价知识库的指导下， 对分析结果进行解释， 对本次设计进行评价该模块决定是否对本次设计进行修改如果不修改设计，则系统将各种数据存入产品数据库，并将任务交给别的CAX系统.如果需要修改设计，则任务转入修改设计模 块。(5) 指导再设计.根据优化知识库中的规则作出判断，对产品数据库中的特征信息进行修改，同时对于多种修改方案进行优化选择从机械CAD/CAE总体构架来看，CAD与CAE集成系统有两方

11、面工作要做：一个是基 于特征的 有限元前处理；另一个是基于特征的有限元后处理系统存在3个知识库和一个基于特征的产品数据库建模知识库与前处理相联系，解释评价知识库和优化设计知识库与后处 理发生作用通过规则，这3个数据库分别对前处理、后处理进行驱动基于特征的产品数据库与集成系统的整个过程相联系， 为各个模块提供所需的各种信息。 在 知识库和产品数据库的支持下，作为后台核心的专家系统控制整个过程的运行，与设计者共同完成“设计一分析一再设计”任务。、机械 CAD/CAE 技术的应用近年来由于市场竞争日益激烈，因而提高产品及相关过程质量，降低产品成本和缩短产 品开发周 期就成为企业生存和发展的关键，因此

12、研究先进的设计方法和理论具有极其重要的意义。CAD/CAE集成技术引起了学术界和企业界的广泛关注，成为研究的热点之一，它对产品设计影响 深远，典型的例子有：波音777整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完 成的，使其 开发周期从过去8年时间缩短到5年；欧洲空中客车采用CAD/CAE集成技术，改变传统产品研制及开发方法，把空中客车试制周期从4年缩短为2.5年，不仅提前投放市场，而且显著降低了研制费用及生产成本，大大增强了全球竞争能力。作为制造业的中坚，汽车工业一直是CAD/ CAE系统应用的先锋。CAD技术的应用，有效地推动了汽车制造业的前进；汽车业的需求也极大地带动了

13、CAD技术的发展。福特公司通过设施C3P(CAD/CAM/CAE/PDM，用一个产品数据管理PDM把CAD CAE CAM集成起来， 融汇到一个遍布全球的公用数据系统之中。一个新车型的开发周期从过去的 36个月缩短到18个月乃至 12个月，新车开发的后期设计修改减少50%原型车制造和测试成本减少50%投资收益提高 30%我国的模具制造业 20年前是以传统的手工设计、有经验的钳工师傅为主导的技艺 型生产方式为主，模具工业年产值只有约 20亿元，模具进出口总额只有约 2600万美元，进 出口之比是18 :1。而如今，通过CAD/CAE/CA M技术的应用我国模具制造业已进入到现代模 具工业生产 的

14、时代，数字化、信息化、CAD/ CAM/CAE技术和数控加工机床已普遍采用，成了技术密集型和资金密 集型的高技术产业。模具制造水平有了很大的提高， 生产的模具精度已达到微米级 ，模具寿命提高了几十倍 ， 模具生产周期缩短了约 3/ 4 ， 模具标准件的使用覆盖 率从几 乎是零到现在的 45 %左右，模具工业年产值现在已达到 450 亿元以上，进出口总额 达到 17 亿美元 ,进出口之比达到 4 :1 。第二节机械CAD/CAE技术的发展、CAD/CAE技术发展的历史50-60年代初CAD八术处於准备和酝酿时期，被动式的计算机绘图是这阶段CAD技术的 特征。60年 代，交互式计算机图形学的创立为

15、CAD技术的进一步发展和应用打下了理论基础，不断成熟的图形输入/输出设备的出现推动了 CAD技术的蓬勃发展。70年代CAD技术进 入广泛使用 时期，1970年美国Applicon公司首先推出了面向企业的CAD商品化系统。80年代CAD技术进入迅猛发展时期，这阶段的技术特征是CAD技术从大中企业向小企业扩展；从发达国家向发展中国家扩展；从用於产品设计发展到用於工程设计和工艺设计。90 年代以后CAD技术进入开放式、标准化、集成化和智能化的发展时期，这阶段的CAD技术都具有 良好的开放 性，图形接口、功能日趋标准化。微机加视窗操作系统与工作站加Unix 操作系统在因特网的环境下构成CAD系统的主流工作平台，同时网络技术的发展使得CAD/CAE/CAM集成化体 系摆脱空间的约束，能够更好地适应现代企业的生产布局及生产管理的要求。在CAD系统中，正文、图 形、图像、语音等多媒体技术和人工智能、专家系统等高新技术得到综合应用，大大提高了 CAD自动 化设计的程度，智能CAD应运而生。智能CAD把工程数据库 及管理系统、知识库及专家系统、拟人化 用户介面管理系统集於一体。CAD体系结构大体可分为基础层、 支撑层和应用层三个层次。 基础层由计算机及外围设备和系统软件组成。 随