工程机械设计

第8章 CAD/CAE技术在工程机械设计中的应用

8.1 CAD/CAE技术概述

8.1.1 CAD/CAE概念

CAD（Computer Aided Design）是指使用计算机系统进行设计的全过程,包括资料检索、方案构思、零件造型、工程分析、工程制图、文档编制等。在设计的各个阶段计算机都能发挥它的辅助作用，因此CAD概念一产生，就成为一门新兴的学科，引起了工程界的关注和支持，迅速的得到发展并日益地完善起来。

20世纪60年代初，美国麻省理工学院MIT开发了名为Sketchpad的计算机交互图形处理系统，并描述了人机对话设计和制造的全过程，这就是CAD/CAM的雏形，形成了最初的CAD概念：科学计算、绘图。随着计算机软、硬件的发展，计算机应用于设计过程，形成了CAD系统，同时给CAD概念加入了新的含义，逐步形成了当今应用十分广泛的CAD/CAE/CAM 集成的CAD系统。从CAD概念产生至今，CAD经历了多个发展时期。

从20世纪60年代初到70年代中期，CAD从封闭的专用系统走向商品化，主要技术特点是二维、三维线框造型，只能表达基本的几何信息，不能表达几何数据间的拓扑关系，需配备大型计算机系统，费用昂贵。这段时期有代表性的产品是：美国通用汽车公司的DAC-1，洛克希德公司的CADAM系统。CAD开始进入应用阶段。

20世纪70年代后期，由于微电子技术的迅猛发展，集成电路的问世，CAD系统价格下降，CAD系统进入了发展时期。同时，随着此时正值飞机和汽车工业蓬勃发展，飞机和汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题，法国达索飞机制造公司率先开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统CATLA,采用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达自由曲面。该阶段的主要技术特点是自由曲面造型。自由曲面造型系统为人类带来了第一次CAD技术革命。一些国家也相继开发了CAD软件，如美国洛克希德公司的CADAM，美国通用电气公司的CALMA、美国波音公司的CV、美国国家航空及宇宙局（NASA）支持开发的I-DEAS、美国麦道公司开发的UG等。

20世纪80年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAE，CAM技术也开始有了较大发展。由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，很难精确表达零件的其他属性，如质量、质心、惯性矩等。SDRC公司首次开发了基于实体造型技术的CAD/CAE软件I-DEAS。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD,CAE,CAM的模型表达，因而称为CAD发展史上的第二次技术革命。但由于受当时的计算机硬件条件限制，难以满足实体造型技术所带来的庞大计算量的需求，使其实体造型技术没能在整个行业中全面推广开来。

20世纪80年代中期，CV公司提出了参数化实体造型方法，其特点是：基于特征，全尺

寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改等。该公司策划参数化技术的这部分人成立了一个参数技术公司（Parametric Technology Corp PTC），开始研制Pro/ENGINEER的参数化软件。进入90年代，PTC在CAD市场份额中名列前茅。参数化技术的应用导致了CAD发展史上的第三次革命。

20世纪90年代初期，SDRC公司鉴于参数化技术存在的不足之处，如“全尺寸约束”的硬性规定就制约了设计者创造力及想象力的发挥。为此，SDRC的开发者提出了一项比参数化技术更为先进的实体造型技术---变量化技术，推出了全新体系的I-DEAS Master Serise 软件，推动了CAD技术发展的第四次技术革命。

CAE是Computer Aided Engineering(计算机辅助工程)的缩写，是以现代计算力学为基础，以计算机仿真为手段的工程分析技术，是实现产品优化设计的主要支撑模块。CAE技术的主要包括有限元分析法、边界法、运动机构分析、气动与流场分析、电磁场分析等内容。CAE应属于广义CAD的重要组成部分。

8.1.2 常用 CAD/CAE软件介绍

经过多年的发展，已经有了许多常用的CAD/CAE软件系统，现在分别介绍一些比较著名的CAD/CAE软件。

一、CATIA软件

CATIA（Computer Aided Three-dimensional Interface Application）是法国达索飞机公司的子公司达索系统公司与IBM合作开发的CAD/CAE、CAM软件系统。它是一个先进的自动化设计、制造与工程分析软件，主要用于机械制造、工程设计和电子行业。

主要特点：软件能根据工业生产的工艺要求，给用户提供从概念设计、风格设计、详细设计、工程分析、设备及系统工程、制造乃至应用软件开发等面向过程的设计思想和解决对策。

产品功能模块：三维设计、实体几何、高级曲面、图纸绘制、影像设计、建库、数控铣削、数控车削、导管安装与管子成型、机器人、建筑设计和设备布置、结构设计和钢结构件、原理图、运动学、有限元分析、接口模块、交互式图形接口、服务管理访问等。

二次开发接口：几何接口、用户接口、图形交互接口、工业标准数据转换、数据双向转换接口等。

二、Pro/ENGINEER

Pro/ENGINEER是美国PTC公司（Parametric Technology Corporation）开发的一套机械设计自动化软件系统，它是新一代CAD/CAE/CAM软件，实现了产品零件或组件从概念设计到制造全过程设计的自动化，提供了以参数化为基础，基于特征的实体造型技术，主要用于汽车及运输机械、宇宙和飞机制造、电子及计算机设备行业以及其他行业。

主要特点：将产品整个设计与生产全过程集合为一体的新一代自动化机械设计（MDA）软件，其核心技术是采用参数化和特征化的实体模型系统，具有独特的功能结合能力。系统是建立在统一的富有关联性的数据库基础之上，任何一处更改，都会引起其他地方相应地自动修改，提供了工程的“完整关联性”。

产品功能模块：基本模块、曲面造型、特征定义、装配设计、组件设计、工程制图、图标设计、电缆设计、电缆制造、模具设计、钣金设计、有限元网络、加工编辑、数据校核、标准件库、数据管理、报表生成、读图等。

二次开发接口：用户接口有Pro/DEVELOP，为用户开发工具提供C语言编程的数据库；有Pro/LANGVGE，对菜单和辅助说明信息提供语言翻译功能；有Pro/PLOT,提供符合工业标准的输入、输出设备接口；工业标准数据转换接口及其他接口是Pro/INTERPACE，是一个完整的工业标准数据转换系统。

三、I-DEAS软件

I-DEAS软件是SDRC（Structural Dynamics Research Corporation）公司开发的产品，其I-DEAS Master Series 为I-DEAS的所有应用模块提供精确的并行的数据资源。I-DEAS 具有非常直观的用户界面，同时保持与老版本的良好兼用性。它是一个适用于工业工程部门的具有设计、制图、工程分析、塑料模、数控编程和测试集成功能的综合机械设计自动化软件系统。I-DEAS主要应用于汽车、摩托车制造业，机械产品的设计、分析和制造，仪器仪表、塑料产品的设计、分析和制造。

主要特点：I-DEAS Master具有70多个紧密集成的模块，使设计、制图、仿真测试到制造的整个机械产品开发过程实现自动化，具有在产品初始设计阶段对产品的性能进行实际模拟的能力，从而可以优化产品性能和工艺性；以实体模型为基础，具有先进的图形功能和基于人工智能技术的“动态引导器”；用户界面采用变量设计和开放性结构，集成用户内部的应用程序，以实现模块之间的并行关联；采用工程关系数据库将I-DEAS的几何元素分析数据传输到其他运用程序，I-DEAS具有很强的工程分析和工程测试能力。

产品功能模块：Master造型器和装配设计、钣金件设计、机构设计、公差分析、电缆设计、绘图符号库、查询及标记、标准件库和模型库、多坐标数控编程、数据通用后置处理、后置程序编写器和线切割电火花加工、高级有限元模型建立、线性模型解算、非线性模型解算优化、梁造型、叠层复合材料、系统动态分析、模型响应和复杂热场分析、公共测试特征与功能、信号处理基础、标准后处理、高级后处理、标准测量、时序追踪、测试数据显示、疲劳寿命分析、结构修改、相关性分析、塑料模具分析、波动分析、冷却分析、收缩及翘曲分析、熔合缝探测分析和热固性塑料注塑成型、材料数据管理系统、项目组数据管理、数据管理控制系统和文档管理等。

二次开发接口：包括几何接口、用户接口、工业标准接口及其他CAD系统的接口。其中