現(xiàn)代設計方法2

《現(xiàn)代設計方法》主講教師：張洪麗SDJTU11、現(xiàn)代設計方法概念的界定；2、現(xiàn)代設計與傳統(tǒng)設計。復習二戰(zhàn)以后，電子計算機技術及相關技術的開展和成熟是現(xiàn)代設計方法產(chǎn)生的前提?！?〕設計方案的表達工具——手工繪圖、AutoCAD?！?〕工程問題的解析求解——傳統(tǒng)設計的計算依賴工程問題的解析求解方法、現(xiàn)代設計是CAE技術。〔3〕傳統(tǒng)設計——串行設計；現(xiàn)代設計——并行設計。2共84頁2計算機輔助設計CAD2.2現(xiàn)代CAD技術的主要內容2.1概述2.4數(shù)據(jù)庫及應用2.3工程數(shù)據(jù)的處理3共84頁第二講：內容提要CAD的涵義；CAD過程；CAD、計算機繪圖與計算機圖形學;工程數(shù)據(jù)處理方法：程序化和建立工程數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)表格和線圖的處理方法；數(shù)據(jù)庫開展及應用。重點難點CAD、計算機繪圖、計算機圖形學的區(qū)別與聯(lián)系；工程數(shù)據(jù)處理方法：程序化和建立工程數(shù)據(jù)庫。學習目標掌握CAD、計算機繪圖、計算機圖形學的區(qū)別與聯(lián)系；了解CAD技術的內容;熟悉工程數(shù)據(jù)的處理方法：程序化和建立工程數(shù)據(jù)庫；4共84頁計算機輔助設計〔ComputerAidedDesign，CAD〕指利用計算機軟件、硬件系統(tǒng)輔助工程技術人員對產(chǎn)品或工程進行設計、分析、修改以及交互式顯示輸出的一種方法〔或手段〕，是一門多學科的綜合性應用技術。概述一、CAD技術的內涵、功能和任務1、定義5共84頁工程設計的過程包括設計需求分析、概念設計、設計建模、設計分析、設計評價和設計表示，CAD的功能就是在工程設計的過程中起相應的作用。將產(chǎn)品的物理模型轉化為產(chǎn)品的數(shù)據(jù)模型，并把建立的數(shù)據(jù)模型存儲在計算機內供后續(xù)的計算機輔助技術所共享，驅動產(chǎn)品生命周期的全過程。如以下圖所示。概述6共84頁概述市場信息設計需求分析可行性研究與分析設計過程設計結果設計評價設計優(yōu)化設計分析設計建模和仿真概念設計CAD過程制造7共84頁CAD是一個設計過程：在產(chǎn)品概念設計的根底上從事產(chǎn)品的幾何造型分析，完成產(chǎn)品幾何模型的建立，然后抽去模型中的有關數(shù)據(jù)進行工程分析和計算，例如有限元分析、仿真模擬等，根據(jù)計算結果斷定是否對設計結果進行修改，修改滿意后編輯全部文檔，輸出工程圖。概述2、功能8共84頁

(1)可以提高設計效率，縮短設計周期，減少設計費用。概述3、CAD系統(tǒng)的優(yōu)越性(2)為產(chǎn)品最優(yōu)設計提供了有效途徑和可靠保證。(3)便于修改設計。(4)利于設計工作的標準化、系列化和標準化。(5)可為計算機輔助制造和檢測〔CAM，CAT〕提供數(shù)據(jù)準備。(6)有利于設計人員創(chuàng)造性的充分發(fā)揮。9共84頁

(1)完成設計信息的計算機存貯和管理。概述4、CAD的主要任務(2)開發(fā)工程設計的應用程序。(3)建立一個專用圖形系統(tǒng)或利用一個通用圖形系統(tǒng)，完成產(chǎn)品造型和工程圖繪制等任務。(4)將工程數(shù)據(jù)庫、應用程序以及圖形系統(tǒng)等有機地組成為一個完整的CAD系統(tǒng)，以適應反復建立模型、評價模型和修改模型這種設計過程的需要。10共84頁內涵：使用圖形軟件和硬件進行繪圖及有關標注的一種方法和技術。概述二、計算機繪圖11共84頁內涵：研究通過計算機將數(shù)據(jù)轉換為圖形，并在專用設備上顯示的原理、方法和技術的科學。

概述三、計算機圖形學12共84頁計算機繪圖是CG中的一個分支——工程圖形繪制，是CAD技術的根底之一；CG是一門獨立的學科，與CAD有明顯的區(qū)別，但它的有關圖形處理的理論與方法構成了CAD技術的重要根底。概述四、三者之間的關系13共84頁21世紀，市場競爭異常劇烈——競爭的根源是資源、經(jīng)濟。要在競爭中獲勝就要有先進的制造技術，不斷創(chuàng)新的新產(chǎn)品。與此相適應，多種先進制造模式應運而生。然而，好的產(chǎn)品設計是贏得市場的重要前提和關鍵，因此，制造技術的開展必然影響CAD技術并對其開展提出新的要求。概述五、先進制造技術對CAD技術的影響14共84頁簡單介紹CIMS：CIMS是基于CIM〔哲理的數(shù)字化、信息化、智能化、綠色化、集成優(yōu)化〕的制造系統(tǒng)，是信息時代的一種新型生產(chǎn)制造模式。它強調企業(yè)內部的信息集成，將企業(yè)中各個自動化孤島之間的信息交換與共享。概述1.CIMS的影響15共84頁(1)產(chǎn)品建模問題要建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型，便于信息共享與交換。概述(2)數(shù)據(jù)交換問題產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)表達采用標準的數(shù)據(jù)交換標準，不同應用軟件之間做好接口。(3)工程數(shù)據(jù)管理問題建立良好的工程數(shù)據(jù)庫，便于數(shù)據(jù)的共享。對CAD技術提出的要求：16共84頁簡單介紹CE：并行工程是對產(chǎn)品及其相關過程進行并行、一體化設計的一種系統(tǒng)化的工作模式。信息集成，過程集成。并行設計、設計與制造、DFM、DFA、DFQ等。概述2.并行工程成功案例：轟動全球的波音777客機的跨國設計及其較短的研發(fā)周期。17共84頁概述51公里11個地區(qū)7000多人27個月無圖紙生產(chǎn)18共84頁概述19共84頁概述20共84頁(1)支持開發(fā)過程的重構和建模設計階段考慮制造性等因素的影響，及時修改。概述(2)協(xié)同設計。(3)開發(fā)必要的工具：CAx〔CAD、CAPP、CAM等〕，DFX〔DFP、DFA、DFM等〕。對CAD技術提出的要求：是一個設計團隊為了共同實現(xiàn)或完成一個設計目標或工程而進行配合、溝通和協(xié)作。協(xié)同設計是并行工作下，提高工程設計進度和質量的關鍵。協(xié)同設計是一個知識共享和集成的過程，共同設計某一目標的成員必須共享數(shù)據(jù)、信息和知識。21共84頁簡單介紹AM：動態(tài)聯(lián)盟、柔性生產(chǎn)、高素質人才全面集成，跨國組織。信息集成、過程集成、企業(yè)集成

概述3.敏捷制造北京第一機床廠22共84頁(1)提供實現(xiàn)產(chǎn)品敏捷設計的技術資源共享、信息效勞、聯(lián)盟內的管理決策等。概述(2)網(wǎng)絡技術—支持敏捷設計WWW技術、郵件通信、遠程傳輸與管理、平安保密。對CAD技術提出的要求：23共84頁CAD技術的核心和根底是計算機圖形處理技術，因此，CAD技術的開展跟計算機圖形學的開展密切相關，并伴隨計算機及其外圍設備的開展而開展?，F(xiàn)代CAD技術的內容一、現(xiàn)代CAD技術的開展24共84頁作為美國麻省理工學院(MIT)研制的旋風I號(WhirlwindI)計算機的附件，第一臺圖形顯示器誕生。該顯示器可以顯示一些簡單的圖形，但因其只能進行顯示輸出，故稱之為“被動式〞圖形處理。1.20世紀50年代——圖形顯示器的誕生現(xiàn)代CAD技術的內容25共84頁現(xiàn)代CAD技術的內容1951年旋風I號(WhirlwindI)計算機26共84頁現(xiàn)代CAD技術的內容旋風I號(WhirlwindI)計算機CRT器件27共84頁現(xiàn)代CAD技術的內容通過光筆操作旋風計算機28共84頁現(xiàn)代CAD技術的內容1946年第一臺電子計算機——ENIAC29共84頁現(xiàn)代CAD技術的內容光電閱讀機將記錄在穿孔卡片上數(shù)據(jù)讀入計算機，計算的結果那么利用打孔機在卡片上打出的一些小孔，就表示輸出的數(shù)據(jù)。穿孔卡片派生出的穿孔紙帶30共84頁現(xiàn)代CAD技術的內容電子管電子管線圖31共84頁現(xiàn)代CAD技術的內容用ENIAC進行“程序設計〞，需要插拔N多的插頭32共84頁該時代是交互式計算機圖形學和以其為根底的CAD技術開展的重要時期。美國的一些大公司和實驗室開展了計算機圖形學的大規(guī)模研究，并開始出現(xiàn)CAD這一技術術語。2.20世紀60年代——交互式圖形系統(tǒng)的出現(xiàn)與CAD技術的形成20世紀60年代后期，出現(xiàn)了具有實用功能的CAD系統(tǒng)。美國通用汽車公司用于汽車車身三維曲面設計的DAC-1系統(tǒng)。

現(xiàn)代CAD技術的內容33共84頁現(xiàn)代CAD技術的內容IBM開發(fā)的用于汽車設計的CAD系統(tǒng)DAC-134共84頁現(xiàn)代CAD技術的內容世界上第一臺光筆交互式圖形顯示器IBM225035共84頁現(xiàn)代CAD技術的內容36共84頁交互式計算機圖形處理技術日趨成熟，在此期間出現(xiàn)了大量的研究成果，計算機繪圖技術也得到了廣泛的應用。3.20世紀70年代——CAD技術的開展時期隨著一些研究機構和大型公司的積極參與，開始出現(xiàn)商用CAD系統(tǒng)，以及以汽車和飛機為代表的工業(yè)企業(yè)開始大量采用CAD技術?，F(xiàn)代CAD技術的內容37共84頁現(xiàn)代CAD技術的內容38共84頁隨著工程工作站和微型計算機的出現(xiàn)，計算機圖形學進入了一個新的開展時期，并推動了CAD技術的普及。4.20世紀70年代末到80年代——CAD技術的突破CAD技術由繪制二維工程圖，開展到三維造型、自由曲面設計、有限元分析、機構分析與仿真等工程應用，出現(xiàn)了許多成熟的CAD軟件?，F(xiàn)代CAD技術的內容中國銀河—Ⅰ號巨型計算機39共84頁現(xiàn)代CAD技術的內容40共84頁現(xiàn)代CAD技術的內容41共84頁為了提高CAD軟件的與設備無關性和可移植性，同時為滿足不同CAD系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換要求，在此期間相繼推出了有關的圖形標準：〔1〕計算機圖形接口(CGI)〔2〕圖形核心系統(tǒng)(GKS)〔3〕程序員層次交互式圖形系統(tǒng)(PHIGS)〔4〕以及初始圖形交換標準(IGES)〔5〕產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉換標準(STEP)現(xiàn)代CAD技術的內容42共84頁CAD的造型技術不斷完善，廣泛采用了特征造型和基于約束的參數(shù)化和變量化造型方法，并向集線框、外表、實體造型統(tǒng)一表示的非流形形體造型開展。基于幾何模型的各種計算機輔助設計功能,如分析、制造、工程、優(yōu)化等CAx相關技術得到了全面、深入的開展。5.20世紀90年代以來——CAD技術的高速開展時期隨著信息技術的開展，CAD技術也由過去的單機或局局部布式聯(lián)網(wǎng)工作方式向基于網(wǎng)絡的設計開展。同時，計算機技術的飛速開展，也為CAD技術的應用提供了強大的硬件支持環(huán)境。現(xiàn)代CAD技術的內容43共84頁機械產(chǎn)品設計是一個復雜的、弱理論支持的過程，屬于強經(jīng)驗、弱理論的技術領域，很多設計知識和經(jīng)驗很難用規(guī)那么表達，而這些知識和經(jīng)驗往往決定了企業(yè)的生存和開展。6.當前CAD技術的研究熱點—基于知識的CAD技術應用機械產(chǎn)品設計知識內涵豐富，包括來自各種設計文獻資料的方法規(guī)定、各種工業(yè)標準、設計經(jīng)驗、設計公理、公式和專利等，但更重要的是企業(yè)及其設計人員長期積累的設計經(jīng)驗和技能?，F(xiàn)代CAD技術的內容44共84頁目前，CAD技術仍在不斷開展。未來的CAD技術將為新產(chǎn)品設計提供一個綜合性的環(huán)境支持系統(tǒng)，它能全面支持異地的、數(shù)字化的、采用不同設計哲理與方法的設計工作。近年來，先進制造技術的快速開展帶動了先進設計技術的同步開展，使傳統(tǒng)的CAD技術有了很大的拓展，CAD技術正經(jīng)歷著由傳統(tǒng)技術向現(xiàn)代技術的轉變。為此，清華大學童秉樞教授等學者提出了“現(xiàn)代CAD技術〞這一概念?，F(xiàn)代CAD技術的內容二、現(xiàn)代CAD技術的概念與研究內容45共84頁現(xiàn)代CAD技術是指在復雜的大系統(tǒng)下，支持產(chǎn)品自動化設計的設計理論和方法、設計環(huán)境和設計工具各相關技術的總稱，它們能使設計工作實現(xiàn)集成化、網(wǎng)絡化和智能化，到達提高產(chǎn)品設計質量、降低產(chǎn)品本錢和縮短設計周期的目的?，F(xiàn)代CAD技術的內容1、現(xiàn)代CAD技術的概念46共84頁集成化——支持信息集成、過程集成與企業(yè)集成，其涉及的技術主要包括數(shù)字化建模、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、過程協(xié)調與管理、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換及各種CAx(CAD、CAM等技術的總稱)工具等?，F(xiàn)代CAD技術的內容

網(wǎng)絡化——支持動態(tài)聯(lián)網(wǎng)中協(xié)同設計所需的環(huán)境與設計技術。

智能化——在實現(xiàn)集成化和網(wǎng)絡化時采用的智能技術，如人工智能、專家系統(tǒng)技術等。47共84頁〔1〕設計理論和方法現(xiàn)代CAD技術的內容2、現(xiàn)代CAD技術的研究內容深入研究并行設計、協(xié)同設計、虛擬設計、大規(guī)模定制設計、分形設計的概念?！?〕設計環(huán)境協(xié)同設計環(huán)境的支持技術，如B/S、C/S結構的計算機系統(tǒng)以及平臺體系；協(xié)同設計管理?！?〕設計工具產(chǎn)品數(shù)字化建模，STEP；PDM技術；開發(fā)CAx和DFx工具。48共84頁CAD技術應用實例49共84頁CAD技術應用實例50共84頁CAD技術應用實例51共84頁CAD技術應用實例52共84頁CAD技術應用實例53共84頁CAD技術應用實例54共84頁CAD技術應用實例55共84頁CAD技術應用實例國產(chǎn)大客機C919外形樣機2023年交付使用56共84頁CAD技術應用實例國產(chǎn)C919客機前段機身特寫57共84頁CAD技術應用實例C919飛機機身特寫58共84頁從總體上說，處理工程數(shù)據(jù)的方法有以下三種：工程數(shù)據(jù)的處理1．程序化處理3．數(shù)據(jù)庫管理2．文件化處理59共84頁工程數(shù)據(jù)的處理1．程序化處理在編程時將數(shù)據(jù)以一定的形式直接放于程序中。特點：程序與數(shù)據(jù)結合在一起。缺點：數(shù)據(jù)無法共享，增大程序的長度。60共84頁工程數(shù)據(jù)的處理2．文件化處理將數(shù)據(jù)放于擴展名為.DAT的數(shù)據(jù)文件中，需要數(shù)據(jù)時，由程序來翻開文件并讀取數(shù)據(jù)。特點：數(shù)據(jù)與程序作了初步的別離，實現(xiàn)了有條件的數(shù)據(jù)共享。缺點：〔1〕文件只能表示事物而不能表示事物之間的聯(lián)系?！?〕文件較長。〔3〕數(shù)據(jù)與應用程序之間仍有依賴關系。〔4〕平安性和保密性差。61共84頁工程數(shù)據(jù)的處理3．數(shù)據(jù)庫管理將工程數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫中，可以克服文件化處理的缺乏。特點：〔1〕數(shù)據(jù)共享?！?〕數(shù)據(jù)集中?！?〕數(shù)據(jù)結構化，既表示了事物，又表示了事物之間的聯(lián)系?！?〕數(shù)據(jù)與應用程序無關?！?〕平安性和保密性好。方式的選擇原那么是：有利于提高CAD作業(yè)的效率，降低開發(fā)的本錢。62共84頁有公式（理論計算公式、經(jīng)驗公式）不能獲得公式的離散數(shù)據(jù)（實驗獲得）。工程數(shù)據(jù)的處理一、數(shù)據(jù)表格的程序處理數(shù)表分類兩種處理方法有公式的將公式編入程序，通過公式計算即可；沒有公式可依的采用數(shù)組形式存儲于程序中。這里只講述數(shù)組存儲的形式。63共84頁工程數(shù)據(jù)的處理1．一維數(shù)表的處理定義：由一個變量查取所需數(shù)據(jù)的表格，稱為一維數(shù)表。例：表3-1為由小鏈輪齒數(shù)Z查取齒數(shù)系數(shù)K的一維數(shù)表，試對其進行程序化處理。Z9111315171921K0.4460.5550.6670.7750.8931.001.12Z23252729313335K1.231.351.461.581.701.811.9464共84頁用TurboC語言編程如下：main(){inti,Z1,ip=20;intZ[14]={9,11,13,15,17,19,21,23,25,27,29,31,33,35};floatK[14]={0.446,0.555,0.667,0.775,0.893,1.00,1.12,1.23,1.35,1.46,1.58,1.70,1.81,1.94};printf(“請輸入鏈輪齒數(shù)Z1：〞);scanf(“%d〞,&Z1);for(i=0;i<14;i++)if(Z[i]==Z1){ip=i;i=15;}if(ip<20)printf(“\n當Z=%d時，K=%f〞,z[ip],k[ip]);elseprintf(“\n輸入錯誤！〞);}工程數(shù)據(jù)的處理65共84頁工程數(shù)據(jù)的處理2．二維數(shù)表的處理定義：需由二個條件才能確定一個未知數(shù)據(jù)的表格，稱為二維數(shù)表。例：鏈輪設計中，由節(jié)距t和鏈輪齒數(shù)z查取鏈輪軸孔最大直徑dkmax和齒側凸緣最大直徑dh，進行程序化處理。66共84頁工程數(shù)據(jù)的處理節(jié)距t9.52512.7015.87519.0525.40齒數(shù)zdhdkdhdkdhdkdhdkdhdk112211301837224527603813281538224830573677511535204628583770469361174124543468458253110741947296341795194621268421533371478959107721429523593779519965119801591092565428757109731318817512067共84頁節(jié)距t31.7538.1044.4550.863.50齒數(shù)zdhdkdhdkdhdkdhdkdhdk117650916010671121801521031396641167913591155105193132151178014095164111187129235163171379316511219313222015227519319158108189129221153253177316224211781222141482501752852003572542319913723816527819731822439827825219152263184307217335249438310工程數(shù)據(jù)的處理68共84頁取變量：齒數(shù)z——Z[i]i=1,2,3,……8節(jié)距t——T[i]i=1,2,3,……10dh——DH[i,j]i=1,2,3,…,8j=1,2,3,…,10dk——DK[i,j]i=1,2,3,…,8j=1,2,3,…,10工程數(shù)據(jù)的處理69共84頁用TurboC語言編程如下：main(){inti,j,Z1,ip=20,jp=20;floatT1;intZ[8]={11,13,15,17,19,21,23,25};floatT[10]={9.525,12.7,15.875,19.05,25.4,31.75,38.1,44.45,50.8,63.5};intDH[8][10]={22,30,37,45,60,76,91,106,121,152,28,38,48,57,77,96,116,135,155,193,35,46,58,70,93,117,140,164,187,235,41,54,68,82,110,137,165,193,220,275,47,63,79,94,126,158,189,221,253,316,53,71,89,107,142,178,214,250,285,357,59,79,99,119,159,199,238,278,318,398,65,87,109,131,175,219,263,307,315,438,};工程數(shù)據(jù)的處理70共84頁intDK[8][10]={11,18,22,27,38,50,60,71,80,103,15,22,30,36,51,64,79,91,105,132,20,28,37,46,61,80,95,111,129,163,24,34,45,53,74,93,112,132,152,193,29,41,51,62,84,108,129,153,177,224,33,47,59,72,95,122,148,175,200,254,37,51,65,80,109,137,165,196,224,278,42,57,73,88,120,152,184,217,249,310};printf(“請輸入鏈輪齒數(shù)Z1：〞);scanf(“%d〞,&Z1);for(i=0;i<8;i++)if(Z[i]==Z1){ip=i;i=9;}工程數(shù)據(jù)的處理71共84頁printf(“請輸入節(jié)距T1：〞);scanf(“%f〞,&T1);for(j=0;j<10;j++)if(T[j]==T1){jp=j;j=11;}if(ip<20&&jp<20)printf(“\n當z=%d,t=%f時，dh=%d,dkmax=%d〞,Z[ip],T[jp]),DH[ip][jp],DH[ip][jp]);elseprintf(“\n輸入錯誤！〞);}工程數(shù)據(jù)的處理72共84頁工程數(shù)據(jù)的處理3．一維數(shù)表的插值處理由于一維數(shù)表只給出了結點X1，X2，…，Xn對應的函數(shù)值Y1，Y2，…，Yn，而對于非結點上的函數(shù)值，如下表，欲取非結點Z1=18或Z1=24時的K值，那么必須用插值法解決。Z9111315171921K0.4460.5550.6670.7750.8931.001.12Z23252729313335K1.231.351.461.581.701.811.9473共84頁工程數(shù)據(jù)的處理〔1〕線性插值法：兩點〔X1，Y1〕，〔X2，Y2〕求：位于X1，X2之間的X坐標對應的Y?？捎萌缦碌木€性插值公式：74共84頁工程數(shù)據(jù)的處理〔2〕拉格朗日二次插值〔拋物線插值〕：三點〔X1，Y1〕，〔X2，Y2〕，〔X3，Y3〕求：位于X1，X2之間或X2，X3之間的X坐標對應的Y。可用如下的拋物線插值公式：75共84頁線圖的處理方法有兩種：一種是將其轉換成表格，對非表格節(jié)點采用插值法求得；另一種是將其寫成公式表示。工程數(shù)據(jù)的處理二、線圖的處理76共84頁工程數(shù)據(jù)的處理1．線圖的表格化處理如果能把線圖轉換成表格，那么就可以使用數(shù)表的處理方法