第2章現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)

第2章現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)2.1概述2.1.1現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)定義與特點(diǎn)

1.現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的定義現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)是以滿足市場產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、時(shí)間、成本、價(jià)格綜合效益最優(yōu)為目的，以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)為主體，以知識(shí)為依托，以多種科學(xué)方法及技術(shù)為手段，研究、改進(jìn)、創(chuàng)造產(chǎn)品活動(dòng)過程所用到的技術(shù)群體的總稱。2.現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的特點(diǎn)(1)系統(tǒng)性。(2)動(dòng)態(tài)性。(3)創(chuàng)造性。(4)計(jì)算機(jī)化。(5)并行化、最優(yōu)化、虛擬化和自動(dòng)化。(6)主動(dòng)性。2.1.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)體系現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的整個(gè)體系好比一棵大樹，由基礎(chǔ)技術(shù)、主體技術(shù)、支撐技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)四個(gè)層次組成，如圖2-1所示。1.基礎(chǔ)技術(shù)基礎(chǔ)技術(shù)是指傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論與方法，特別是運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)、工程數(shù)學(xué)的基本原理與方法等。2.主體技術(shù)現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的誕生和發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)、相輔相成。計(jì)算機(jī)科學(xué)與設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、智能CAD(IntelligentCAD，ICAD)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析程序、模擬仿真、虛擬設(shè)計(jì)和工程數(shù)據(jù)庫等技術(shù)。運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的多種理論與方法如優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、模糊設(shè)計(jì)等理論構(gòu)造的數(shù)學(xué)模型，來編制計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序，可以更廣泛、更深入地模擬人的推理與思維，從而提高計(jì)算機(jī)的“智力”。

而計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)正是以它對(duì)數(shù)值計(jì)算和對(duì)信息與知識(shí)的獨(dú)特處理能力，成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)群體的主干，即主體技術(shù)。3.支撐技術(shù)支撐技術(shù)主要有現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)、可信性設(shè)計(jì)技術(shù)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)涉及的內(nèi)容很廣，如并行設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、價(jià)值工程、質(zhì)量功能配制、反求工程、綠色設(shè)計(jì)、模糊設(shè)計(jì)、面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)、工業(yè)造型設(shè)計(jì)等?？尚判栽O(shè)計(jì)是廣義的可靠性設(shè)計(jì)的擴(kuò)展，主要指可靠性與安全性設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)分析與設(shè)計(jì)、防斷裂設(shè)計(jì)、健壯設(shè)計(jì)、耐環(huán)境設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)試驗(yàn)技術(shù)包括可靠性試驗(yàn)、環(huán)保性能試驗(yàn)與控制，以及運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)字仿真試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)等。4.應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用技術(shù)是針對(duì)實(shí)用目的解決各類具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題的技術(shù)，如機(jī)床、汽車、工程機(jī)械、精密機(jī)械的現(xiàn)代設(shè)計(jì)內(nèi)容可以看作是現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)派生出來的具體技術(shù)群。現(xiàn)代設(shè)計(jì)已擴(kuò)展到產(chǎn)品規(guī)劃、制造、營銷、運(yùn)行、回收等各個(gè)方面，除了必要的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與方法的基礎(chǔ)知識(shí)外，相關(guān)的學(xué)科與技術(shù)，尤其是制造工藝、自動(dòng)化技術(shù)、

系統(tǒng)管理技術(shù)、材料知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)及廣泛的自然科學(xué)知識(shí)等也是十分必要的。此外，設(shè)計(jì)產(chǎn)品總是以滿足社會(huì)需求為目的的，因此，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)具備政治、經(jīng)濟(jì)、法律、人文社會(huì)、藝術(shù)等方面的知識(shí)與素養(yǎng)。

2.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)

2.1.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的產(chǎn)生及發(fā)展

(1)20世紀(jì)50年代—CAD技術(shù)的萌芽期。

1950年美國麻省理工學(xué)院研制出旋風(fēng)型圖形顯示設(shè)備(2)20世紀(jì)60年代—CAD技術(shù)的成長期。

1962年SketchPAD圖形系統(tǒng)、首次提出了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)；1965年美國洛克希德飛機(jī)公司推出CAD/CAM(3)20世紀(jì)70年代—CAD技術(shù)的發(fā)展期。三維建模及繪圖工具，曲面模型得到初步應(yīng)用(4)20世紀(jì)80年代—CAD技術(shù)的普及期。復(fù)雜曲面描述技術(shù)，實(shí)體建模技術(shù)趨于成熟。(5)20世紀(jì)90年代—CAD技術(shù)集成化期。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的CAD系統(tǒng)成為主流的設(shè)計(jì)平臺(tái)。

2.2.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)1.產(chǎn)品的幾何造型技術(shù)CAD的幾何造型過程也就是對(duì)被設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行描述，并用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)，以建立計(jì)算機(jī)內(nèi)部模型的過程。被設(shè)計(jì)對(duì)象的造型建模技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了線框模型、表面(曲面)模型、實(shí)體建模、特征造型、特征參數(shù)模型、產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的演變過程，主要模型類型如圖2-2所示。

1)線框模型線框模型由一系列空間直線、圓弧和點(diǎn)組合而成，用來描述產(chǎn)品的輪廓外形(見圖2-2(a))。這種模型曾廣泛應(yīng)用于工廠或車間布局、三視圖生成、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的模擬和有限元網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)生成等方面，但它無法產(chǎn)生剖面圖、消除隱藏線以及求解兩個(gè)形體間的交線，也無法根據(jù)線框模型進(jìn)行物性計(jì)算和數(shù)控加工指令的編制等作業(yè)。2)表面模型表面模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在線框模型的基礎(chǔ)上，增加了有關(guān)面的信息和棱邊的連接方向等內(nèi)容。表面造型又分為“多邊平面造型”和“曲面造型”兩種。多邊平面造型只能構(gòu)建平面主體，描述能力不強(qiáng)，故較少采用(見圖2-2(b))。曲面造型則發(fā)展非常迅速，它可以用于構(gòu)建具有復(fù)雜自由曲面和雕塑曲面的物體模型(見圖2-3)，因此廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、船舶等制造工業(yè)中。常用的建模方法有貝塞爾(Beizer)曲面技術(shù)和B樣條(B－spline)曲面技術(shù)。表面模型能求解兩個(gè)形體的交線、消除隱藏線等，但無法定義厚度及內(nèi)部幾何體，故無法生成形體的剖面圖以及進(jìn)行物性的計(jì)算。3)實(shí)體模型實(shí)體模型較完整地反映了三維實(shí)體的幾何信息(見圖2-2(c))，它既能消除隱藏線，產(chǎn)生有明暗效應(yīng)的立體圖像，又能進(jìn)行物性計(jì)算，進(jìn)行裝配體或運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的空間干涉檢查，進(jìn)行有限元分析的前后處理以及多至五軸的數(shù)控編程等作業(yè)。常用的實(shí)體造型方法有“邊界表示”(BoundaryRepresentation，B-rep)法和“構(gòu)造實(shí)體幾何”(ConstructiveSolidGeometry，CSG)法。

邊界表示法把一個(gè)物體被看作是由有界的平面或曲面片子集構(gòu)成的，每個(gè)面又由它的邊界邊和頂點(diǎn)組成(見圖2-4)，經(jīng)過各種幾何運(yùn)算和操作，最后達(dá)到構(gòu)成物體的目的。

CSG法的基本思想認(rèn)為任何幾何形體都是由簡單的“實(shí)體細(xì)胞”組成的，這種實(shí)體細(xì)胞可稱為“體素”。CAD系統(tǒng)中常用的體素有：長方體、圓柱、圓錐、球、圓臺(tái)、楔、橢圓錐等。系統(tǒng)通過布爾運(yùn)算可以將這些幾何體素組成所需要的物體。高檔的CAD系統(tǒng)還允許用戶根據(jù)需要自己定義一些參數(shù)化的幾何體素。

復(fù)雜的幾何物體是由體素組成的，通過正實(shí)體、負(fù)實(shí)體的定義，二維多邊形的掃描、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、挖切和鏡像等操作來實(shí)現(xiàn)物體的創(chuàng)建。圖2-5就是用此方法生成的復(fù)雜零件圖。4)特征造型所謂特征，就是描述產(chǎn)品信息的集合，也是構(gòu)成零、部件設(shè)計(jì)與制造的基本幾何體，它既反映了零件的幾何信息，又反映了零件的加工工藝信息。常用的零件特征包括：形狀特征、精度特征、技術(shù)特征、材料特征、裝配特征等。與實(shí)體模型相比較，特征造型能更好地表達(dá)統(tǒng)一、完整的產(chǎn)品信息；

能更好地體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖，使產(chǎn)品模型便于理解和組織生產(chǎn)；有助于加強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析、加工制造、檢驗(yàn)等各個(gè)部門之間的聯(lián)系。因此，基于特征的建模技術(shù)更適合于CAD/CAM的集成和CIMS的建模需要。2.單一數(shù)據(jù)庫與相關(guān)性設(shè)計(jì)單一數(shù)據(jù)庫是指與設(shè)計(jì)相關(guān)的全部數(shù)據(jù)信息來自同一個(gè)數(shù)據(jù)庫。

所謂相關(guān)性設(shè)計(jì)，是指任何設(shè)計(jì)改動(dòng)都將及時(shí)地反映到設(shè)計(jì)過程的其他相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，修改二維零件工程圖樣中的某個(gè)尺寸，則與該零件工程圖樣相關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品裝配圖、加工該零件的數(shù)控程序等也將會(huì)自動(dòng)跟隨更新；修改二維圖樣左視圖中的某個(gè)尺寸，其主視圖、俯視圖以及三維實(shí)體模型中相應(yīng)的尺寸和形狀也會(huì)隨之變化。

建立在單一數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上的產(chǎn)品開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的相關(guān)性設(shè)計(jì)。單一數(shù)據(jù)庫和相關(guān)性設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用有利于減少設(shè)計(jì)中的差錯(cuò)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短開發(fā)周期。3.CAD與其他CAX系統(tǒng)的集成技術(shù)

CAD技術(shù)為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了基本的數(shù)據(jù)化模型，然而，它只是計(jì)算機(jī)參與產(chǎn)品生產(chǎn)制造的一個(gè)環(huán)節(jié)。為了使產(chǎn)品生產(chǎn)后續(xù)的作業(yè)環(huán)節(jié)有效地利用CAD作業(yè)所構(gòu)造的產(chǎn)品信息模型，充分利用已有的信息資源，提高綜合生產(chǎn)效率，必須將CAD技術(shù)與其他CAX技術(shù)進(jìn)行有效的集成，包括CAD/CAM技術(shù)的集成、CAD與CIMS其他功能系統(tǒng)的集成等。CAD技術(shù)的主要功能是進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)造型，為其他功能系統(tǒng)提供共享的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，它已成為CIMS或其他制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。CAD技術(shù)的集成體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)CAD與CAE集成、CAD與CAPP/CAM集成、CAD與PDM集成、CAD與ERP等軟件模塊集成。CAD與這些系統(tǒng)模塊的集成為企業(yè)提供了產(chǎn)品生產(chǎn)制造一體化解決方案，推動(dòng)了企業(yè)的信息化進(jìn)程。

(2)將CAD技術(shù)的算法、功能模塊以至整個(gè)系統(tǒng)以專用芯片的形式加以固化，這樣一方面可以提高CAD系統(tǒng)的運(yùn)行效率，另一方面可以供其他系統(tǒng)直接調(diào)用。

(3)CAD在網(wǎng)絡(luò)計(jì)算環(huán)境下實(shí)現(xiàn)異地、異構(gòu)系統(tǒng)的企業(yè)間集成，如全球化設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造以及虛擬企業(yè)就是該集成層次的具體體現(xiàn)。4.標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)由于CAD軟件產(chǎn)品眾多，為實(shí)現(xiàn)信息共享，相關(guān)軟件必須支持異構(gòu)、跨平臺(tái)的工作環(huán)境。該問題的解決主要依靠CAD技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)制定了“產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型交換標(biāo)準(zhǔn)”(StandardfortheExchangeofProductModelData，STEP)。STEP采用統(tǒng)一的數(shù)字化定義方法，涵蓋了產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，是CAD技術(shù)最新的國際標(biāo)準(zhǔn)。

目前，主流的CAD軟件系統(tǒng)都支持ISO標(biāo)準(zhǔn)及其他工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，面向應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件及零部件庫的標(biāo)準(zhǔn)化也成為CAD系統(tǒng)的必備內(nèi)容，為實(shí)現(xiàn)信息共享創(chuàng)造了條件。2.2.3CAD系統(tǒng)軟件與應(yīng)用1.系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件主要用于計(jì)算機(jī)管理、維護(hù)、控制、運(yùn)行以及計(jì)算機(jī)程序的翻譯和執(zhí)行，分為以下幾類：

(1)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的主要功能是管理文件及各種輸入輸出設(shè)備。微機(jī)上常用的操作系統(tǒng)有DOS、Windows、UNIX、OS/2等。目前較為流行的操作系統(tǒng)是Windows，它是32位多窗口、多任務(wù)操作系統(tǒng)，提供了對(duì)多媒體和網(wǎng)絡(luò)的軟件支持。工作站主要采用UNIX操作系統(tǒng)，提供支持X協(xié)議的多窗口環(huán)境。(2)編譯系統(tǒng)編譯系統(tǒng)是將用高級(jí)語言編制的程序轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行指令的程序。我們所熟知的高級(jí)語言如FORTRAN、BASLC、PASCAL、COBOL、LISP，C/C++等，都有相應(yīng)的編譯程序或集成開發(fā)環(huán)境。(3)圖形接口及接口標(biāo)準(zhǔn)為實(shí)現(xiàn)圖形向設(shè)備的輸出，必須向高級(jí)語言提供相應(yīng)的接口程序(函數(shù)庫)。

Windows的CGI計(jì)算機(jī)圖形接口編碼面向應(yīng)用軟件開發(fā)，先后推出了GKS、GKS-3D、PHIGS、GL/OPENGL等圖形接口標(biāo)準(zhǔn)。利用這些標(biāo)準(zhǔn)所提供的接口函數(shù)，應(yīng)用程序可以方便地輸出二維和三維圖形。在各種以圖形為基礎(chǔ)的CAD軟件相繼推出后，為了滿足不同應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的交換、共享需要，又制定了IGES、DXF、STEP等圖形(產(chǎn)品)信息交換標(biāo)準(zhǔn)。2.支撐軟件1)計(jì)算機(jī)分析軟件(1)常用數(shù)學(xué)方法庫及其可視化軟件。(2)有限元分析軟件。目前，有限元理論和方法已趨成熟，除應(yīng)用于彈性力學(xué)和流體力學(xué)外，也應(yīng)用于流動(dòng)分析、電磁場分析等方面。商品化的有限元分析軟件很多，如SAP-5、ADINA、NASTRAN、ANSYS、COSMOS等，一些軟件還具有較強(qiáng)的前、后置處理功能。

(3)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)建立在最優(yōu)化數(shù)學(xué)理論和現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過迭代尋求設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。目前已有不少成熟的優(yōu)化程序庫，如LBM公司的ODL，我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“優(yōu)化方法程序庫OPB-2”等。2)集成化CAD/CAM軟件集成化CAD/CAM軟件支持在二維和三維圖形方式下進(jìn)行產(chǎn)品及其零件的定義。

早期的集成化CAD/CAM軟件主要致力于實(shí)現(xiàn)交互式繪圖，如CADAM、AutoCAD、MEDUSA的早期版本均主要以二維交互式繪圖為主。20世紀(jì)80年代中期開始，實(shí)體造型技術(shù)日趨完善，不少CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)向采用實(shí)體造型技術(shù)定義產(chǎn)品零件的幾何模型，進(jìn)行分析、數(shù)控加工、輸出工程圖等。

目前較流行的CAD集成系統(tǒng)有：美國PTC(ParametricTechnologyCorporation)公司的Pro/Engineer，美國麥道飛機(jī)公司的UG(Unigraphics)，Autodesk公司的AutoCAD及MDT；中國科學(xué)院北京軟件工程研制中心開發(fā)的參數(shù)智能化CAD系統(tǒng)PICAD，高華計(jì)算機(jī)有限公司開發(fā)研制的集成智能化CAD系統(tǒng)，清華大學(xué)和華中理工大學(xué)共同開發(fā)的CAD-MLS等。3)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)用于管理龐大的數(shù)據(jù)信息，提供數(shù)據(jù)的增刪、查詢、共享、安全維護(hù)等操作，是用戶與數(shù)據(jù)之間的接口。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)使用三種數(shù)據(jù)模型，即層次模型、網(wǎng)狀模型和關(guān)系模型。目前流行的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有DBASE、FOXBASE、FOXPRO、ORACI.E、SYBASE等。4)網(wǎng)絡(luò)軟件采用微機(jī)和工作站局域網(wǎng)形式的CAD系統(tǒng)已成為20世紀(jì)90年代CAD軟硬件配置的首選方案。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)軟件為這些系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸和共享文件提供了條件。最常用的網(wǎng)絡(luò)軟件是Novell公司的NETWARE，它包括服務(wù)器操作系統(tǒng)、文件服務(wù)器軟件、通信軟件等。Microsoft的Windows95以上操作系統(tǒng)可直接支持絕大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)互連服務(wù)。3.應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是在系統(tǒng)軟件、支撐軟件的基礎(chǔ)上，針對(duì)某一專門應(yīng)用領(lǐng)域的需要而研制的軟件。這類軟件通常由用戶結(jié)合當(dāng)前設(shè)計(jì)工作需要自行開發(fā)，也稱“二次開發(fā)”。例如，模具設(shè)計(jì)軟件、電器設(shè)計(jì)軟件、機(jī)械零件設(shè)計(jì)軟件、飛機(jī)氣流分析軟件等均屬應(yīng)用軟件。

專家系統(tǒng)也是一種應(yīng)用軟件。在設(shè)計(jì)過程中，有相當(dāng)一部分工作不是僅通過計(jì)算或繪圖就可以完成的，而必須依賴該領(lǐng)域?qū)＜邑S富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和專門知識(shí)，經(jīng)過專家們的思考、推理和判斷才能夠完成。為使計(jì)算機(jī)模擬專家解決問題的工作過程而編制的智能型計(jì)算機(jī)程序稱為專家系統(tǒng)。2.3有限元分析

1960年，克拉夫(Clough)首先提出“有限元法”這個(gè)概念。30多年來，有限元法得到了很大的發(fā)展。它不僅可用于計(jì)算靜力學(xué)模型，也可用于動(dòng)力學(xué)模型求解；既可以計(jì)算穩(wěn)態(tài)溫度場的物體熱力學(xué)響應(yīng)，也可以用于非穩(wěn)態(tài)熱源下的時(shí)間響應(yīng)，還能用于電磁場的力學(xué)分析等；既可以用于分析剛件結(jié)構(gòu)的受載

變形過程，也可以用于設(shè)計(jì)輪胎、橡膠零件等非剛性物體，找出它們結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)。因此，有限元法已成為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段不可缺少的工具。秦凱維奇(Ｏ.Ｃ.Zienkiewicz)教授在他的名著《有限元法》中給出的有限元法定義是：把連續(xù)體看成是有限個(gè)部分(有限元)的集合體，其性態(tài)由有限個(gè)參數(shù)所規(guī)定，在求解離散成有限元的集合體時(shí)，其有限單元

應(yīng)滿足連續(xù)體所遵循的規(guī)則。有限元法的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型與CAD幾何造型的模型是有區(qū)別的。有限元法將連續(xù)體的結(jié)構(gòu)模型分解成數(shù)目有限的小塊體(見圖2-6)，這些小塊體稱為有限元，它們彼此之間用有限個(gè)結(jié)點(diǎn)相互聯(lián)結(jié)，再在這些結(jié)點(diǎn)上引進(jìn)等效力代替作用到單元上的外力，通過計(jì)算這些單元陣點(diǎn)力和位移之間的關(guān)系來解決連續(xù)體的力學(xué)問題。

有限元法實(shí)質(zhì)上就是把無限個(gè)自由度的連續(xù)體理想化為只有有限個(gè)自由度的單元集合體，使復(fù)雜問題簡化為適合于數(shù)值解法的結(jié)構(gòu)型問題。圖2-6有限元實(shí)體模型

圖2-7受力彎曲有限元圖

2.4并行設(shè)計(jì)關(guān)于并行工程的定義目前國際上有多種提法，被普遍采用的是美國防務(wù)研究所1988年12月在第一屆CE專題研討會(huì)上給出的定義：“并行工程是一種對(duì)產(chǎn)品及其相關(guān)過程(包括制造過程和支持過程)進(jìn)行并行的、一體化設(shè)計(jì)的工作模式。這種工作模式可使產(chǎn)品開發(fā)人員一開始就能考慮到從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)到消

亡的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中的所有因素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度和用戶要求?！?/p>

在傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)中，新產(chǎn)品的開發(fā)從概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品出廠的整個(gè)過程是按順序(即串行)進(jìn)行的。在產(chǎn)品圖紙?jiān)O(shè)計(jì)完成后，必須進(jìn)行樣機(jī)試制，再根據(jù)試制中發(fā)現(xiàn)的問題對(duì)圖紙進(jìn)行修改，同時(shí)整理試制工藝，設(shè)計(jì)制造工藝裝備，然后再進(jìn)行小批量生產(chǎn)，考核工藝規(guī)程和工裝的正確性，并進(jìn)行必要的修改。只有在小批量試制通過驗(yàn)證后，才能正式批量投產(chǎn)。這種串行工程方式對(duì)批量較大和市場壽命較長的產(chǎn)品來說，不失為一種行之有效的方法。但是，許多不合理設(shè)計(jì)和錯(cuò)誤設(shè)計(jì)只有通過試制過程才能發(fā)現(xiàn)，有時(shí)某些問題甚至是無法修改的，修改設(shè)計(jì)就意味著部分或全部報(bào)廢，造成不必要的人力和物力浪費(fèi)，其缺點(diǎn)是顯而易見的。因此，對(duì)于面向定單的單件及小批量生產(chǎn)，這種串行工作方式就完全不適用了。圖2-8(a)、(b)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)及技術(shù)準(zhǔn)備階段串行工程與并行工程的基本概念示意圖。在串行工程中，前饋信息隨著過程傳遞，反饋信息總滯后于過程，返工浪費(fèi)很難避免。并行工程采用并行方式，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就集中產(chǎn)品研制周期中的各有關(guān)工程技術(shù)人員，同步地設(shè)計(jì)或考慮整個(gè)產(chǎn)品生命周期中的所有因素，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)方式、售后服務(wù)方案等進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，協(xié)同進(jìn)行。經(jīng)系統(tǒng)的仿真和分析評(píng)估，對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行反復(fù)修改和完善，力爭后續(xù)的制造過程一次成功(DoRightFirst)。這樣，設(shè)計(jì)階段完成后一般能保證后面階段如制造、裝配、檢驗(yàn)、銷售和維護(hù)等活動(dòng)順利進(jìn)行，

前饋信息在過程傳遞之前即預(yù)發(fā)布至各后續(xù)工作環(huán)節(jié)，反饋信息能在過程傳遞之前送至前序環(huán)節(jié)，使之能及時(shí)修改。特殊情況下，并行工程中也需要對(duì)設(shè)計(jì)方案甚至產(chǎn)品模型進(jìn)行修改。

并行工程在實(shí)施中采用團(tuán)隊(duì)工作(TeamWork)方式(見圖2-9)，將各類專業(yè)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的開始時(shí)就組織在一起協(xié)同工作。初期人們采用集體辦公模式實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)工作，而在企業(yè)的計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)建立起來后，可以將各功能部門的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)并通過相應(yīng)的管理控制軟件，使團(tuán)隊(duì)成員在異地共享信息，協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的并行工程模式。圖2-9企業(yè)范圍內(nèi)的并行工程模式

在上述并行工程運(yùn)行模式下，每個(gè)設(shè)計(jì)者可以像在傳統(tǒng)的CAD工作站上一樣進(jìn)行自己的設(shè)計(jì)工作。借助于適當(dāng)?shù)耐ㄐ殴ぞ?，在公共?shù)據(jù)庫、知識(shí)庫的支持下，設(shè)計(jì)者之間可以相互通信，根據(jù)目標(biāo)要求既可隨時(shí)應(yīng)其它設(shè)計(jì)人員要求修改自己的設(shè)計(jì)，也可要求其它設(shè)計(jì)人員響應(yīng)自己的要求。通過協(xié)調(diào)機(jī)制，設(shè)計(jì)小組的多種設(shè)計(jì)工作可以并行協(xié)調(diào)地進(jìn)行(見圖2-10)。2.5反求工程反求工程(ReverseEngineering)又稱逆向工程或逆向設(shè)計(jì)。這是近年來為消化并提高引進(jìn)高新技術(shù)而發(fā)展起來的一項(xiàng)綜合性技術(shù)。它以已有的產(chǎn)品或技術(shù)為對(duì)象，用現(xiàn)代化的手段和理論，解剖并掌握所研究對(duì)象的關(guān)鍵技術(shù)，在充分研究對(duì)象的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)再創(chuàng)造，開發(fā)新產(chǎn)品，實(shí)行“樣品-反求-再創(chuàng)造設(shè)計(jì)-產(chǎn)品”的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程。具有關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，反求工程可以縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期40%以上，是提高新產(chǎn)品開發(fā)能力的有效手段。反求工程可分為零件反求，部件反求（或整機(jī)反求）。1.零件反求零件反求實(shí)質(zhì)上是零件復(fù)制。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜和要求精確的關(guān)鍵零件，如果復(fù)制不精確，將直接影響所開發(fā)機(jī)器的性能。因此，精確測量以復(fù)制零件，并在此基礎(chǔ)上逆向生成精確的零件CAD模型，這是反求工程的關(guān)鍵。在反求工程中采用的測量方法可歸納為兩類：

一類為采用坐標(biāo)測量機(jī)(CoordinateMeasuringMachine，CMM)的接觸式測量，另一類是采用激光或機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行圖像掃描的光學(xué)非接觸式測量。下面以采用CMM測量的反求工程為例說明零件反求的過程。零件反求工程系統(tǒng)原理圖如圖2-11所示。圖2-11零件反求工程系統(tǒng)原理圖

2.整機(jī)反求整機(jī)反求的工作內(nèi)容如下：

(1)探索樣機(jī)的設(shè)計(jì)思想。事實(shí)上在選擇引進(jìn)樣機(jī)時(shí)就有一個(gè)指導(dǎo)思想，例如是選擇功能齊全的還是造價(jià)便宜的，是注重高科技含量還是可持續(xù)發(fā)展性(如節(jié)約資源、不污染環(huán)境和模塊化設(shè)計(jì)等)。根據(jù)這個(gè)指導(dǎo)思想去分析樣機(jī)的特點(diǎn)，判斷此指導(dǎo)思想是否與需求相吻合，這樣才能為反求以后的產(chǎn)品發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)，避免引進(jìn)錯(cuò)誤。

(2)功能剖析每種產(chǎn)品都有其特定功能，這是引進(jìn)樣機(jī)和發(fā)展產(chǎn)品的核心問題。因此，必須對(duì)樣機(jī)的功能進(jìn)行深入的研究剖析，特別是關(guān)鍵性的功能，必須掌握其基本原理，才能在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)自己的產(chǎn)品。

(3)性能試驗(yàn)對(duì)樣機(jī)的性能必須進(jìn)行全面的試驗(yàn)和測定，反復(fù)驗(yàn)算，深入分析，掌握它的運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)、靜態(tài)力學(xué)特性，找出它可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，以便于在自行設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)加以改進(jìn)，使反求產(chǎn)品優(yōu)于樣機(jī)。(4)結(jié)構(gòu)分析零部件的結(jié)構(gòu)與功能原理和機(jī)械性能直接有關(guān)，并同生產(chǎn)成本和使用性能關(guān)系密切，也影響產(chǎn)品的可制造性和可維護(hù)性。因此，必須充分了解功能零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其作用，精確反求，否則會(huì)危及產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性，達(dá)不到樣機(jī)的使用性能。

(5)形體尺寸及精度測定對(duì)于關(guān)鍵零件，必須采用先進(jìn)而精確的反求手段和儀器，精確測定樣件的形體和相關(guān)精度(尺寸、形狀和相互位置精度)，并分析它們的作用，否則，反求設(shè)計(jì)的產(chǎn)品將達(dá)不到樣機(jī)的質(zhì)量要求。

(6)工藝分析這是反求工程中至關(guān)重要的一步。反求產(chǎn)品往往可以做到同樣機(jī)“形似”，但由于工藝問題沒有解決而達(dá)不到“神似”，即產(chǎn)品性能總達(dá)不到或不能超過樣機(jī)。因此，在工藝問題上必須特別重視分析和掌握其工藝訣竅，這樣才能真正達(dá)到反求工程的目標(biāo)。

(7)材料分析零件的材料及其處理方法是決定零件的功能和使用性能的關(guān)鍵因素之一。一般情況下，可通過外觀對(duì)比、密度確定、理化分析、硬度測定和光譜分析等各種方法來測定材料的物理性能、化學(xué)成分，分析對(duì)它的熱處理和表面處理方法及工藝方法。(8)使用和維修分析。以用戶的目光審視樣機(jī)的使用方便性和易維修性，充分理解和掌握樣機(jī)在這方面的設(shè)計(jì)思想。(9)相關(guān)輔料分析。樣機(jī)中使用的冷卻液、潤滑劑、密封件等也會(huì)影響產(chǎn)品的使用性能，在反求工程中同樣不能輕視。除上述反求工作外，樣機(jī)的造型設(shè)計(jì)、色彩配置、包裝技術(shù)等也不能忽視，這將影響用戶對(duì)產(chǎn)品的直覺印象和市場效應(yīng)。

2.6綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)1.綠色產(chǎn)品及特點(diǎn)綠色產(chǎn)品是指在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)(包括原材料準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用、回收、再用或再生等過程)能節(jié)約資源和能源，對(duì)生態(tài)環(huán)境無危害或少危害，并對(duì)生產(chǎn)者及使用者具有良好保護(hù)性的產(chǎn)品。因此，綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)可定義為面向不損害產(chǎn)品質(zhì)量、功能及其制作過程的，能與環(huán)境相容的設(shè)計(jì)。綠色產(chǎn)品的特點(diǎn)：(1)優(yōu)良的環(huán)境友好性，即產(chǎn)品從生產(chǎn)到使用乃至廢棄回收處理的各個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)環(huán)境無害或危害極小。這就要求企業(yè)在生產(chǎn)過程中選用清潔的原料、清潔的工藝過程，生產(chǎn)出清潔的產(chǎn)品；使用產(chǎn)品時(shí)不對(duì)使用者造成危害；報(bào)廢產(chǎn)品在回收處理過程中很少產(chǎn)生廢棄物。

(2)最大限度地利用材料資源。

(3)最大限度地節(jié)約能源。2.綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

(1)綠色產(chǎn)品的描述與建模：準(zhǔn)確全面地描述綠色產(chǎn)品，建立系統(tǒng)的綠色產(chǎn)品評(píng)價(jià)模型是綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

(2)