2.1 现代设计技术的内涵与体系结构

第二章


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。
常微分方程 （直接积分，Euler法， Runge-Kutta法，差分法）
偏微分方程 （差分法，边界元法，Ritz 法，Galerkin法,有限元法)
.......
第二章
2.3.1 有限元法的基本概念和特点
有限元法
有限元法FEM（Finite Element Method）一种求解工程数学物理 问 题 近 似 解 的 数 值 分 析 方 法 ， 有 限 元 分 析 FEA （ Finite Element Analysis）则是采用有限元法来近似求解数学物理问题的过程。
有限元法的基本思想是将物体（即连续求解域）离散成有限个且 按一定方式相互连接在一起的单元组合，来模拟或逼近原来的物体， 从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题进行 求解。
第二章
有限元分析－性能仿真
性能仿真分析
结构参数、计算参数
外加激励、计算参数
求解
发动机热力循环仿真模型
动力传动系统模型
第二章
计算机辅助设计软件的应用
多用途车概念设计－基本结构平台 多用途车概念设计－油罐车 多用途车概念设计－矿山运输车 多用途车概念设计－集装箱运输车
第二章
计算机辅助设计软件的应用
装甲车辆概念设计
第二章
计算机辅助设计软件的应用
机车概念设计
第二章
计算机辅助设计软件的应用
透视汽车的内部结构 虚拟人检验飞机的可维修性
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。
第二章
2.2 计算机辅助设计（CAD）技术 2.2.1 计算机辅助设计的基本概念
第二章
第二章 现代设计技术
2.1 现代设计技术的内涵与体系结构 2.2 计算机辅助设计(CAD)技术 2.3 有限元分析 2.4 现代设计方法
第二章
2.1 现代设计技术内涵与体系结构
2.1.1 机械设计发展的基本历程 2.1.2 现代设计技术的内涵和特点 2.1.3 现代设计技术体系结构
第二章
1. 2. 3. 4. 5.
第二章
（4）. 现代设计技术体系 可靠性设计、安全性设计、动态
设计、疲劳设计、耐腐蚀设计、 现代设计技术由4个不同层次的技术所组成，计算机辅助设计技术 CAD是 系统设计、模块化设计、反求工 健壮设计和人机工程设计等。 现代设计技术的主体技术 程、绿色设计、模糊设计和工业 设计等。 产品的性能试验、可靠性试验、 先进制造工艺 应用技术 各产品领域知识与技术 数字仿真试验和虚拟试验等。
飞机底舱的复 杂管路
虚拟检修工
数控车铣中心 摩托车外观的艺术渲染
第二章
2.3 有限元分析
• 建立物理问题的数学方程和寻求所建立方程的解算方法是数学、物理 界最主要的工作之一。 • 有限元法是求解微分方程的一种数值方法。 • 微分方程的重要性决定了有限元的理论及工程意义。
方程（解法）
一元N次方程 （直接求解、 数值迭代）
材料科学 自动化技术 系统管理技术 自然科学 政治经济 文化社会科学 相 关 学 科 与 技 术 现代设计方法学 支撑技术 可信性设计技术 设计试验技术 主体技术 基础技术 计算机辅助设计技术 传统设计理论 与方法
市场营销学
„„„.
CAD技术、优化设计、有限元分析、 现代设计技术体系结构框图 虚拟设计和工程数据库。
第二章
复习回顾

1.先进制造技术的特点？
系统性、集成性、广泛性、高精度、实用性 2.本书将先进制造技术归纳为哪几个大类？ 现代设计技术、先进制造工艺、 加工自动化技术、先进制造生产模式、 现代生产管理技术。
第二章
第二章 现代设计技术
2.1 现代设计技术的内涵与体系结构 2.2 计算机辅助设计(CAD)技术 2.3 有限元分析 2.4 现代设计方法
气缸盖实体模型
第二章
有限元分析－控制系统仿真
(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
第二章
2.2.3 计算机辅助设计的关键技术
以电子计算为手段，建立在现代管 理技术之上，运用工程设计的新理 念和新方法，实现计算结果最优化、 设计过程高效化和自动化的设计技 术。
第二章
传统设计 技术
静态、经验、被动、手工
传统技术难以满足设计的要求。
现代设计 技术
动态、科学、主动、现代方法和手段 传统设计技术的继承和发展，多专业 和多学科交叉，综合性技术。
1、产品造型建模技术
线框模型：以顶点和棱边描述三维形体，为两表结构； 表面模型：以表面描述形体方法，为三表结构； 实体建模：能完整表示三维的几何信息和拓扑信息，有 扫描表示法、边界表示法、构造实体几何法等结构形式； 特征模型：以具有工程语义的各类特征来定义描述形体 的方法，便于CAD/CAM技术的集成。
计算机辅助设计概念 • 是以计算机为工具，处理产品设计过程中的图 形和数据信息，辅助完成产品设计过程的综合计 算机应用技术
第二章
2.2.1 计算机辅助设计的基本概念
CAD技术主要功能 • 零件造型、产品装配、工程图绘制、文档设计 • 产品渲染、动态显示 • 工程分析，如有限元分析、优化设计、可靠性 设计、运动学及动力学仿真
冷却水流的速 度矢量分布图
冷却水流 涡流分布图
冷却水流的 总压力分布图
Gulf 球头的流体分析仿真 管路中的流速分析
第二章 热分析
有限元分析－热分析
电熨斗在恒温控制时的热场
电熨斗在恒温控制时的热场
第二章
有限元分析－电磁场分析
电磁场分析
马蹄形磁铁的磁场有限元分析
汽车磁场分布分析图
第二章
有限元分析－碰撞仿真
2.1.1 现代设计技术的内涵与特点
(1).设计、设计技术的定义
设计：人类改造自然的一种基本活动，也 是一种复杂的创造性思维过程。 设计技术：设计过程中解决具体设计问题的 各种方法和手段
第二章
(2). 设计技术的发展

传统设计技术

现代设计技术
主要依靠设计者的经验，并参考类 似的机械设计经验，即通过类比分 析的方法进行设计
碰撞动力学分析
两辆轿车横向相撞 PAM-CRASH 分析轿车安全 气囊
轿车侧撞有限元仿真模拟之一 轿车侧撞有限元仿真模拟之二
轿车侧撞有限元仿真模拟之三
汽车碰撞
第二章
有限元分析－耦合仿真
多物理场耦合仿真
双层水腔气缸盖三维模型
双层水腔气缸盖水流计算网格模型
气缸盖温度场分布图
单缸爆发工况下耦合分析结果 单缸预紧工况下耦合分析结果
第二章


1. 基础技术（理论基础+发展源泉）
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（主干）
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。 wk.baidu.com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”。 因此计 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。
曲轴连杆应力变化
第二章
有限元分析－结构分析
机床动刚度分析－位移云图
并联运动机床的应力与应变分析
第二章
有限元分析－结构分析
齿轮接触应力分析
第二章
有限元分析－流体动力学仿真
流体动力学分析
双层水腔气缸盖 的三维实体模型
双层水腔气缸盖 的水流计算网格
冷却水流入口流量对冷 却效果影响的规律曲线
气缸盖温 度分布图
第二章
CAD 技术的研究热点
计算机辅助产品的概念设计 难题：建模和推理 计算机支持的协同设计 难题：信息实时可靠交换；异构环境下可靠运行；通讯方法与手 段 海量信息处理 存储、管理和检索技术
智能CAD技术：将人工智能技术与CAD技术融为一体，难题：解决人 类思维模型建立和表达
CAD与虚拟现实（VR）技术的集成 VR向设计者提供视觉、听觉、触觉等直观、自然、实时的感知， 目前VR所需软硬件价格昂贵，技术开发难度大 计算机安全 技术保密，防病毒感染

试验设计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。
第二章


4. 应用技术
应用技术是针对使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
第二章 利用理论及测试数据 引入有限元及边界元 （ 3 ）.现代设计技术的特点 建造与实际工况相符 把零部件或整机中各 方法，实现对任何产 合的数学模型，通过 品的定量化分析 种具有离散性的性能 计算机分析计算，预 产品结构分析的定量化； 及参数均视为随机变 测产品的动态性能和 根据产品的设计目标、 量。基于概率论建造 改进效果 性能及要求构造数学 产品工作状态分析的动态化； 模型并进行分析计算， 模型，应用数学规划 从而定量地作出产品 质量的可靠性预测 产品质量分析的可靠化； 理论和数值计算方法， 通过计算机求得最优 化结果 产品设计结果的最优化； 教会计算机，让计算 机完成设计过程的高 产品设计过程的高效化和自动化。 效化和自动化
第二章
第二章
3DMAX
第二章
UG 有限元分析
第二章
2.2.2 计算机辅助设计的产生背景
(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、NURBS曲面造型技术 NURBS（Non-Unifrom Rational B-Splines）可统一自由曲线/曲面 和规则曲线/曲面的数学模型，简化系统结构，有利于曲线、曲面操作 和修改。 4、 CAD与CAX集成技术 CAD与CAX集成涉及建模技术、工程数据管理、数据交换接口等技 术。包括如下集成： ① CAD/CAE/CAPP/CAM--工程设计领域集成； ② CAD/ERP--与管理系统集成； ③ 异地、异构系统企业间CAD集成，如全球化设计、虚拟设计、虚 拟制造及虚拟企业等。 5、标准化技术 目的：支持异构、跨平台的工作环境。如：IGES（Initial Graghical Exchange System)图形交换标准；STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)产品数据模型交换标准。
2、单一数据库与相关性设计
单一数据库：与设计相关数据来自同一数据库，实现产品 相关性设计，提高设计质量，缩短开发周期。 相关性设计：任何设计改动，都将及时反映到其它相关环 节上。如：零件图-产品装配图-零件数控程序-二维工程图； 左视图-主视图-俯视图-三维实体模型；
特征建模
第二章
2.2.3 计算机辅助设计的关键技术
各构件转速仿真结果
第二章
有限元分析－运动学动力学仿真
运动学动力学仿真分析
某型号发动机运动学动力学仿真模型
发动机输出扭矩曲线
活塞运动规律
活塞侧击力曲线
第二章 结构分析
有限元分析－结构分析
飞机齿轮的应力及应变分析
三维实体模型
网格模型及主应力分析结果
三维实体模型
变形结果 网格模型
凸轮轴的应力和应变分析