数字化设计技术总结

1、广义的数字化设计技术涵盖以下内容:
1) 产品的概念化设计、几何造型、虚拟装配、工程图生成及相关文档编写。

2) 进行产品外形、结构、材质、颜色的优选及匹配，满足顾客的个性化需求，实现最佳的产品设计效果。

3) 分析产品公差、计算质量、计算体积和表面积、分析干涉现象等。

4) 对产品进行有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动学及动力学仿真验证等，以实现产品拓扑结构和性能特征的优化。

2、曲线二阶参数连续性，二阶几何连续性含义及其之间的关系？
二阶参数连续性，记作C2连续，是指两个曲线段在交点处有一阶和二阶导数的方向相同，大小相等。

二阶几何连续性，记为G2连续，指两个曲线段在交点处其一阶、二阶导数方向相同，但大小不等。

关系：1）曲线面造型中，一般只用到一阶和二阶连续性；2）同级参数连续必能保证同级几何连续，同级几何连续不能保证同级参数连续；3）二者形成的曲线面形状有差别。

3、实体造型优缺点：
优点：完整定义三维形体，确定物体的物性参数，方便的生成三维物体的多视图和剖视图，可以消除隐藏线和面，直接进行数控加工编程。

缺点：不能适应形体的动态修改，缺乏产品在产品设计开发整个生产周期中所需的所有信息，难以实现CAD/CAM/CAPP集成。

4、参数化造型的含义和特点
参数化造型使用约束来定义和修改几何模型。

约束反映了设计时要考虑的因素，包括尺寸约束、拓扑约束及工程约束(如应力、性能)等。

参数化设计中的参数与约束之间具有一定关系。

当输入一组新的参数数值，而保持各参数之间原有的约束关系时，就可以获得一个新的几何模型。

5、逆向工程有哪些关键技术及其主要内容
实物逆向工程的关键技术:逆向对象的坐标数据测量、测量数据处理模型重构数据处理及模型重构技术等
主要内容：1）根据实物模型的结构特点，做出可行的测量规划，选择合适的数据采集，设备，将实物模型数据化。

2）初步处理：剔除误差明显偏大的数据点，补测某些关键点，测量数据分块处理，产品功能结构分析以及数据曲率分布，定义曲面边界，提取边界线，对测量数据进行分块，对边界进行规则化处理，提高边界拟合曲线由于疏密不均的数据精度。

3）根据所采集的样本几何数据在计算机内重构样本模型的过程，根据点数据特征分析，确定构建特征曲线所需的数据点，构造曲线网格，控制曲线的准确性和平滑度，编辑曲面间的连续性和光滑性，形成逆向对象的曲面和实体造型。

6、数字化仿真的基本步骤: 系统建模，仿真实验，仿真结果分析
1）在计算机上将描述实际系统几何、数学模型转化为能被计算机求解的仿真模型2）运行仿真过程，进行仿真研究过程，对所建立的仿真模型进行试验求解的过程3）仿真结果分析：从试验中提取有价值的信息以指导实际系统的开发
7、有限元分析方法的基本原理
将形状复杂的连续体离散化为有限个单元组成的等效组合体，单元之间通过有限个节点相互连接;根据精度要求，用有限个参数来描述单元的力学或其他特性，连续体的特性就是全部单元体特性的叠加;根据单元之间的协调条件，可以建立方程组，联立求解就可以得到所求的参数特征。

5/数字化开发技术：以计算机辅助设计CAD、计算机辅助工程分析CAE为基础的数字化设计DD和计算机辅助制造CAM为基础的数字化制造DM技术，是产品数字化开发技术的核心内容。

4/数字化开发技术的意义：
产品的数字化开发技术深刻地改变了产品设计、制造和生产组织模式，成为加快产品更新换代、提高企业竞争力、推进企业技术进步的关键技术和有效工具。

3/数字化制造技术包括：
用于编制零件的制造工艺的成组技术GT及计算机辅助工艺规划CAPP技术；
控制刀具和机床的相对运动，进而实现零件加工的数控NC编程及数控加工技术；实现产品快速开发的快速原型制造RPM技术；实现快速复制的逆向工程RE技术1. 什么是数字化设计，涵盖哪些环节和内容?
数字化设计(DD)是以实现新产品设计为目标，以计算机软硬件技术为基础，以数字化信息为辅助手段，支持产品建模、分析、修改、优化以及生成设计文档的相关技术的有机集合.
2. 论述数字化设计、制造与产品开发之间的关系。

从产品开发的角度，数字化设计和数字化制造之间具有密切的双向联系：只有与数字化制造技术结合，产品数字化设计模型的信息才能被充分利用；只有基于产品的数字化设计模型，才能充分体现数字化制造的高效性。

3.产品设计模型与产品分析模型之间的区别是什么?
产品设计模型是产品的概念化设计方案，而概念化设计方案是设计人员对各种可能方案进行讨论和评价的结果，可以勾勒出产品初步的布局和草图，定义出产品各部件之间的内在联系及约束关系，而产品设计模型以定量方法对概念化设计模型进行描述而在分析，优化，评价后，并种鸽各方面的因素，决定的最终产品设计方案。

4.论述数字化设计与CAD技术之间的关系。

(以CAD/CAM技术为基础，考虑对产品开发、制造及售后等环节的信息集成，就形成了计算机集成制造系统CIMS；以产品的数字化模型为载体，改变传统的串行开发模式、实现产品并行开发的并行工程CE技术；实现产品全生命周期管理技术PLM等。

) 数字化设计技术起步于计算机图形学经历了计算机辅助设计（CAD）阶段，最终形成涵盖产品设计大部分环节的数字化设计。

5.试论述数字化仿真与DD、DM之间的关系。

①计算机和网络技术是数字化设计的基础②计算机只是产品数字化设计辅助工具③数字化设计能有效地提高产品质量、缩短开发周期、降低生产成本
④数字化设计只涵盖产品生命周期的某些环节
6.与传统的产品设计与制造方法相比，数字化设计与数字化制造有哪些优势?
与传统的产品开发相比，数字化设计建立在计算机技术之上。

它充分利用了计算机的优点，如强大的信息存储能力、逻辑推理能力、重复工作能力、快速准确的计算能力、高效的信息处理功能等，极大地提高了产品开发的效率和质量。

6.什么是特征? 特征是如何分类的?
广义的特征是指产品开发过程中各种信息的载体，如零件几何信息、拓扑信息、形位公差、材料、装配、热处理、表面粗糙度等。

狭义的特征则是指具有一定拓扑关系的一组实体体素构成的特定形体。

特征造型的特点
1) 特征造型更好地表达产品完整的技术及生产管理信息，便于建立产品的集成信息模型服务。

2) 操作对象是产品的功能要素，如螺纹孔、定位孔、键槽等。

特征的引用直接体现了设计意图，使得所建立的产品模型更容易为别人理解、所设计的图样更容易修改，也有利于组织生产，从而使设计人员可以有更多精力进行创造性构思
3)特征造型有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、装配、检验各部门之间的联系，更好地将产品设计意图贯彻到后续环节，并及时得到后者的反馈信息。

4)特征造型有助于推行行业内产品设计和工艺方法的规范化、标准化和系列化，在产品设计中及早考虑制造要求，保证产品结构具有良好的工艺性。

5)特征造型有利于推动行业及专业产品设计，有利于从产品设计中提炼出规律性知识及规则，促进产品智能化设计和制造的实现
激烈的市场竞争对制造企业提出了新的挑战，主要表现如下：
1. 产品复杂性不断增强；
2. 产品开发时间提出更高的要求；
3. 设计风险和各种不确定因素增加；
4. 产品设计要更多地考虑环境和社会等因素。

企业竞争取胜的关键是：
交货期更短、质量更高、成本更低、服务质量更优、满足环保要求。

正确、适时地运用高新技术，可以使企业获得高额的利润；反之，对高新技术的不适当投入和对市场的不当预测，会使企业面临巨大的风险。

1.什么是产品造型技术?它经历了那些发展阶段？
研究如何以数学方法在计算机中表达物体的形状、属性及其相互关系，以及如何在计算机中模拟模型的特定状态。

三个发展阶段：60年代,研究重点是线框造型技术；70年代,研究重点是曲面造型和实体造型技术；80年代后,研究重点是参数化造型和特征造型技术。

1. 计算机和网络技术是数字化设计的基础
数字化设计建立在计算机技术之上。

它充分利用了计算机的优点，如强大的信息存储能力、逻辑推理能力、重复工作能力、快速准确的计算能力、高效的信息处理功能等，极大地提高了产品开发的效率和质量。

1什么是产品开发的正向工程和逆向工程？
正向工程是一个从无到有的过程：设计人员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利用CAD技术建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期。

逆向工程是一个“从有到无”的过程：根据已经存在的产品模型，反向推出产品的设计数据的过程。

2以实物逆向为例，描述逆向工程的基本步骤及每个步骤所涉及到的主要内容？
分析阶段(1)确定技术指标和设计要求（2）逆向对象分析（3）逆向工程的可行性分析报告再设计阶段1）样本零件数据的获取2）测量数据修正3）逆向对象模型重构4）产品的变形设计和创新制造阶段1）制造工艺规划2）零件加工3）检验测试3根据信息来源的不同，逆向工程是如何进行分类的，它们分别具有什么特点？(1)实物逆向信息源：需对实物模型进行测量的基础上，在计算机中重建、修改模型，并生成数控加工程序，以完成零件的复制，即实物逆向的目标是实物本身。

(2)软件逆向信息源：产品的工程图样、流程、算法、数控程序代码、技术文件等，即根据上述软件来复制实物。

(3)影像逆向信息源：图片、照片或影像等资料，即根据影像复制出实物。

(4)局部逆向：对于破损艺术品的复原或缺乏备件的损坏零件的修复等，往往不需要对整个零件原型进行复制，而是借助逆向工程技术提取零件原型的设计思想，完成复原工作，也称为局部逆向技术。

4.与传统的物理仿真方法相比，数字化仿真有哪些优点?
采用数学仿真可研究实际系统的性能的话，将能显著地降低模型试验的时间及成本
1.试论述仿真的定义及分类方法
仿真是通过对系统模型的试验，研究己存在的或设计中的系统性能的方法及其技术按仿真模型（物理仿真、数学仿真以及物理数学仿真），系统状态（连续系统和离散事件系统），应用性质（系统研制和系统应用）
8.论述Bezier曲线、B样条曲线以及NURBS曲线的特点、区别及联系。

Bezier曲线的起点和终点与该多边形的起点、终点重合，多边形的其余顶点用来定义曲线的导数、阶次和形状，多边形的第一条边和最后一条边表示曲线在起点和终点的切矢量方向，分别与曲线在起点和终点处相切。

Bezier曲线的形状趋于多边折线的形状，改变多边折线的顶点位置可以控制曲线形状的变化Bezier曲线存在的不足:①特征多边形的顶点个数决定了Bezier曲线的阶数。

当n较大时，多边形对曲线形状的控制将减弱;②Bezier曲线不能作局部修改，即改变其中任一个顶点的位置，将会对整条曲线产生影响。

B样条曲线保持了Bezier曲线的优点；B样条曲线是分段组成的，特征多边形顶点对曲线的控制更加直观、逼近性更好，样条曲线可以局部修改，多项式阶次较低。

Bezier曲线和B样条曲线都只能近似而不能精确地表示除抛物线以外的二次曲线，由此产生了设计误差。

非均匀有理B样条(Bezier曲线和B样条曲线都只能近似而不能精确地表示除抛物线以外的二次曲线，由此产生了设计误差。

例如：不能画圆。

)NURBS可以统一地表示初等解析曲线和曲面，有理和非有理Bezier曲线和曲面以及B样条曲线和曲面，形状控制灵活。

因此，NURBS己成为当前曲线、曲面设计中的通用技术。

参数化曲面的表达方法与参数化曲线相似，可以由两个方向的特征多边形来决定。

两个方向的特征多边形构成特征网格，特征多边形的顶点就是特征网格的顶点。

6.什么是规则曲线(曲面)，什么是自由曲线(曲面)?
规则曲线和曲面：圆、抛物线、螺旋线等曲线和球、圆柱、圆锥等曲面都可以用数学方程式表示，一般称为规则曲线和规则曲面。

自由曲线和曲面：有些曲线和曲面的形状不规则，如飞机机翼、汽车车身、人体外形、卡通形象等，难以用数学方程式表示，一般称为自由曲线和自由曲面。

光顺光顺的含义是指曲线的拐点不能太多。

对于平面曲线而言，光顺的条件是: ①具有二阶几何连续(G2);②不存在多余拐点和奇异点;③曲率变换较小。

光滑光滑是指曲线、曲面在切矢量上的连续性或曲率的连续性。

1.曲面模型的概念：它以“面”来定义对象模型，能够精确地确定对象面上任意一个点的X, Y, Z坐标值。

曲面模型的描述方式有两种:①以线框模型为基础的面模型;②以曲线、曲面为基础构成的面模型。

5.曲面造型与实体造型各有哪些方法?
(1)扫描曲面1) 线性拉伸面2) 旋转面3) 扫成面
(2)直纹面圆柱面、圆锥面都是典型的直纹面。

(3)复杂曲面生成原理是:先确定曲面上特定的离散点(型值点)的坐标位置，通过拟合使曲面通过或逼近给定的型值点，得到相应的曲面。

曲线和曲面的参数方程的优点:
1) 与坐标系无关。

2) 参数方程对变量个数不限。

3) 参数化方程可以更自由地控制曲线、曲面的形状。

4) 有利于减少计算量5) 便于处理斜率无限大的问题
在参数化方程中，可以用对参数求导，从而避免计算的中断。

7.形体的层次结构形体的几何元素间存两种信息:
①几何信息:用以表示几何元素的性质和度量关系，如位置、大小、方向等;
②拓扑信息:用以表示各几何元素之间的连接关系。

形体在计算机内部是由几何信息和拓扑信息共同定义的。

拓扑信息只考虑构成几何实体的各几何元素的数目及其相互之间的连接关系。

拓扑关系允许三维实体作弹性运动、可以随意地伸张扭曲。

对于两个形状、大小不一样的实体，它们的拓扑关系却有可能等价。

两者几何信息不同，但拓扑特性等价。

从拓扑信息的角度:顶点、边、面是构成模型的三种基本几何元素。

从几何信息的角度:则分别对应于点、直线(或曲线)、平面(或曲面)。

非参数化造型（静态造型系统或几何驱动系统）
采用传统造型方法建立的几何模型具有确定的形状及大小。

模型建立后，零件的形状和尺寸的编辑、修改过程繁琐，难以满足产品变异设计和系列化开发的要求。

7.试论述参数化造型以及参数化特征造型的概念及其特点。

参数化造型使用约束来定义和修改几何模型。

约束反映了设计时要考虑的因素，包括尺寸约束、拓扑约束及工程约束(如应力、性能)等。

参数化设计中的参数与约束之间具有一定关系。

当输入一组新的参数数值，而保持各参数之间原有的约束关系时，就可以获得一个新的几何模型。

将参数化造型的思想应用到特征造型过程中，用尺寸驱动或变量设计的方法定义特征并进行相关操作，就形成了参数化特征造型。

特点：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改。

优点：可快速设计出形状相似仅尺寸不同的一组零件。

具有动态修改几何模型的能力.给设计者带来的方便性。

缺点：一般不能改变图形的拓扑结构，。

仿真是通过对系统模型的试验，研究己存在或设计中的系统性能的方法及其技术。

仿真可以再现系统的状态、动态行为及性能特征，用于分析系统配置是否合理、性能是否满足要求，预测系统可能存在的缺陷，为系统设计提供决策支持和科学依据。

4.线框模型、曲面模型与实体模型各有什么优缺点?
二维线框模型用户需要逐点、逐线地构造模型。

二维线框造型的目标是用计算机代替手工绘图。

三维物体: 用它的顶点以及边的集合来描述。

(视图拓扑二义性) 每个线框模型都包含有两张表: 顶点表棱线表线框模型在计算机内存储的数据结构原理。

5.论述有限元分析方法的基本原理和求解步骤，有限元软件主要由哪些模块组成? 将形状复杂的连续体离散化为有限个单元组成的等效组合体，单元之间通过有限个节点相互连接;根据精度要求，用有限个参数来描述单元的力学或其他特性，连续体的特性就是全部单元体特性的叠加;根据单元之间的协调条件，可以建立方程组，联立求解就可以得到所求的参数特征。

（1）结构离散（2）单元分析（3）单元应变及力分析（4）整体刚度矩阵叠加（5）基本方程和边界条件（6）位移和应力的求解
a前置处理模块b有限元分析模块c后置处理模块d数字管理模块
1) 结构静力分析2) 结构动力学分析3) 结构非线性分析4) 动力学分析5) 热分析6) 电磁场分析7) 流体动力学分析8) 声场分析9)压电分析10) 金属成形过程11) 整车碰撞分析12) 焊接过程分析13) 耦合场分析
6.什么是优化设计，优化设计的数学模型由哪几部分组成?优化设计的一般步骤是? 产品优化设计是优化设计的一个分支，它将数学规划理论、计算技术和机械设计三者有机结合，按照一定的逻辑格式优选受各种因素影响和制约的设计方案，以确定最佳方案，使所设计的产品最优。

优化设计的数学模型由设计变量、约束条件和目标函数三个部分组成。

确定目标函数，确定设计变量，确定约束条件（包括强度约束条件，稳定性约束条件，边界约束条件）
9.什么是虚拟样机设计技术?与传统的物理样机试验相比，虚拟样机有哪些优点?
它的基本含义是以产品的数字化模型为基础，在计算机中对模型的各种动态性能进行分析、测试和评估，并根据分析结果改进设计方案，从而达到以虚拟产品模型代替传统的实物样机试验的目的
优点：由于虚拟样机技术面向产品及系统的全生命周期，可以综合考虑产品的设计、制造、使用及工作环境，并通过全生命周期的仿真、分析及优化来降低技术风险，因此，它可以显著地缩短开发周期、降低开发成本。

4、有限元理论静力学和动力学仿真分析的主要内容。

1) 结构静力分析。

求解外载荷引起的位移、应力和力。

不仅可以进行线性分析，还可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析等。

2) 结构动力学分析。

求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响，需要考虑随时间变化的力载荷以及对阻尼、惯性的影响。

包括:瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析等。

连续系统是指系统状态随时间发生连续变化，如化工、电力、液压气动系统、铣削加工等。

离散事件系统是指在离散的时间点上发生，系统状态才发生变化的系统，它的数学模型通常为差分方程。

变量化设计，采用约束驱动方式改变由几何约束和工程约束混合构成的几何模型。

它将尺寸约束扩展为包括工程约约束在内的范围更加广泛的约束驱动方式，给设计增加了更大的自由度，例如可以根据功率和扭矩来驱动轴直径的修改。

（力、扭矩、刚度、应力）
参数化造型软件系统可以分为两类:1.尺寸驱动系统2.变量设计系统
参数化设计，采用尺寸驱动的方式改变几何约束构成的几何模型，一般要求全约束。

其几何模型指：（1）拓扑约束（2）尺寸约束，（3）参数约束。

1、切矢量在曲线的参数表示中，切矢量表示为当参数t递增一个单位时，三个坐标变量的变化量。

定义曲线在t处的切矢量的方向与曲线的变化方向一致。

调和函数的作用是:通过端点及其切矢量产生整个t值范围内的其余各点的坐标，并且只与参数t有关。

通过修改边界条件可以改变曲线的形状。

4.曲线连续性定义几何形体往往是由多段曲线或多张曲面片拼接而成的，这就要求在拼接处具有一定的连续性。

常见的复杂曲面有孔斯曲面、贝塞尔曲面、B样条曲面。

常见的实体造型方法有:1.扫描变换法2.边界表示法3.体素构造法
数字化建模是利用计算机实现图形的生成、存储、处理、显示和管理。

计算机绘图软件的基本功能：
1）图形输入2）数据存储3）计算功能4）显示和输出5）交互
根据维度分为一维坐标系、二维坐标系、三维坐标系。

根据坐标系之间的空间关系分为直角坐标系、圆柱坐标系、球坐标系。

特征造型就是以实体模型为基础，用具有一定设计或加工功能的特征为造型的基本单元，如各种槽、圆孔、口坑、凸台、螺纹孔、倒角、沉头孔等，来建立零部件几何模型的造型技术。

参数化特征造型技术特点：1) 三维零件模型是基本部件2) 特征是三维模型的基本元素3) 二维草图是生成特征的基础
特征的分类: (1)形状特征 (2)装配特征 (3)精度特征(4)材料特征(5)性能分析特性(6)补充特征
产品开发包括数字化设计和制造两个阶段，产品的数字化开发包括数字化设计和数字化制造两大技术群。

参数化曲线和曲面是指用参数作为自变量的函数曲线和曲面。

参数可以具有某种几何意义，也可以不具有几何意义，可以是时间、长度、角度等。

有限元法分析结构时两种基本方法位移法和力法。

根据系统状态变化是否连续，可以将系统分为连续系统和离散事件系统。

根据仿真模型的不同，仿真可以分为物理仿真、数学仿真以及物理数学仿真。

根据应用性质的不同，仿真系统可以分为系统研制和系统应用两大类。

系统研制:用于系统分析、设计、制造、装配、检测及优化等. 系统应用:用于系统操作及管理人员的培训等。

1.产品数字化开发技术的核心内容是以计算机辅助设计CAD、计算机辅助工程分析CAE为基础的数字化设计DD和计算机辅助制造CAM为基础的数字化制造DM技术。

3.产品数据交换标准是指各种数字化开发软件之间进行数据传送，通信的数据格式和接口标准，以及供软件应用程序调用的子程序功能及其格式标准等。

6.优化设计中每个方案均由一组设计变量构成，相当于设计空间中的一个点，设计空间就是设计方案的集合。

7.在ADAMS 中运动副可以分为低副、高副和基本副。

8.结构离散就是将求解区域分割成具有某种几何形状的单元，也称为划分网格。

9.逆向工程中坐标数据处理和模型重构可以分为点数据处理，曲线数据处理和曲面数据处理等三个阶段。

显式方程不能表示多值曲线。

隐式方程规定了各坐标变量之间的关系，不要求变量之间是一(或多)对一的。

2/数字化开发的基本过程。

1、建立三维数字化模型2、仿真和检验3、生成产品的设计文档4、制造过程
1/数字化仿真具有以下优点: 1.有利于提高产品质量 2.有利于缩短产品开发周期3.有利于降低产品开发成本 4.可以完成复杂产品的操作、使用训练
产品开发分为设计过程和制造过程。

设计过程分为综合阶段和分析阶段。

制造过程包括从工艺规划到产品上市的完整过程。