计算机辅助设计过程与概念设计
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❖ 计算机辅助产品设计：
将计算机科学与工程领域的专业技术以及人的智慧和经 验以现代科学方法为指导结合起来，在设计的全过程中 各尽所长，尽可能地利用计算机系统来完成那些重复性 高、劳动量大、计算复杂以及单纯靠人工难以完成的工 作，辅助而非代替工程技术人员完成整个设计过程。
设计过程需要合理化、科学化、算法化、规律化
块 模块组合 产品性能分析 编写技术文件
3.现有产品的模块化改造设计过程
市场调研 用户需求分析与分类 拟定产品系列型谱 参数范围及主参数确定 已有产品的模块化分析与模块化程度评价 确定模块化系列类型（横、纵、跨、全） 模块划分 各模块详细设计 模块综合 产品性能分析 编写技术文件
❖ 市场调查与分析 ❖ 模块的划分 ❖ 模块标准化 ❖ 拟定产品系列型谱 ❖ 模块的管理
一、图形生成技术与算法 二、图形变换技术 三、真实感图形显示技术 四、数据可视化技术
1. 基本图形元素的生成算法 2.自由曲线和曲面的生成 3.图形元素的求交以及集合运算 4.不同字体中、西文的点阵表示及矢量字符的
❖ 工程图中的关键尺寸应 作为自变量参数
❖ 参数定义不能出现过约 束
❖ 建立模型过程中，直接将参数序列定义其中；
❖ 利用草图器绘制草图，然后再加约束，定义 参数；
❖ 对成熟的、定型的、常用的产品图形，将模 型建成参数化图素。
❖ 设置缺省尺寸值
❖ 预先设计建立系列化变量值表，绘图时从表 中取值
❖ 由用户实时修改输入
一、产品概念设计内涵 二、概念设计的过程模型 三、计算机辅助概念设计的关键技术 四、基于知识的产品创新设计 五、产品概念设计中的美学设计
❖ 概念设计
是由分析用户需求到生成概念产品的一系列有序 的、可组织的、有目标的设计活动，它表现为一 个由粗到精、由模糊到清晰、由抽象到具体、不 断进化的过程。
产品设计的60%~70% 成本和时间占20%以下
一、设计过程及阶Байду номын сангаас划分
1.任务规划阶段（需求分析、可行性论证、制订任务书）
2.概念设计阶段（构造设计模型、功能划分、确定方案、审 查评价）
3.结构设计阶段（结构草图设计、分析计算优化、审查评价、 确定装配草图）
4.详细设计阶段（技术图样绘制、工艺设计、性能试验、用 户使用、鉴定）
5.定型生产阶段（设计定型、生产规划、生产制造）
D={I,P,Q,O,Φ}
例如：P2为概念设计过程={需求分析，功能求解， 寻求子原理解，概念产品评价}
Q2解={答需}求说明书，功能解答，原理解答，概念产品
概念设计的特点：方案选择自由度大，创新空间大， 决策风险大，决定产品最终价值的80%。
❖ 定义：
以计算机为手段从事符合人类进行产品创新设计 的思维过程，支持产品概念设计及设计决策。
❖ 参数化
记录建模过程和其中的变量，是顺序化的。速度快。但 用户必须提供几何元素的全部尺寸、位置信息，然后才 能定义下一个元素。
❖ 变量化
模型的驱动尺寸用复杂的方程组来表达，通过求解联立 方程组来得到结果。允许用户不必关心约束设置的顺序， 允许欠约束的几何设计。
变量化系统是对逐渐用属性进行约束的自由轮廓进行求 解，而不是对造型步骤进行记录。
❖ 创新设计方法：
基于功能分解与重组的设计方法 TRIZ理论
❖ 概念车
最大限度地利用已有设计成果，修改不合要求的部分.
一、 参数化与模块化设计概念 二、 参数化、变量化设计的实现方法 三、模块化设计方法
❖ 研究目的：
将只有几何图素的“死图”变为含设计构思、设计信息的产 品几何模型。
1.参数化和变量化设计的基本概念
生成
➢ 直线
➢ DDA、Bresenham算法
➢ 圆弧
➢ 正负法、多边形逼近法
➢ 区域填充
➢ 多边填充 ➢ 种子填充
❖ 规则曲线、曲面
按参数方程画出
❖ 不规则曲线、曲面
离散数据插值 曲线拟合（例如贝塞尔曲线）
几何 核心 拼合 基础 几何
建模
算法
运算
❖ 几何运算：
求交运算 面面，面线，线线
检验几何元素位置的运算 点在物体
点在线，点在面，
❖ 字符库
储存了每个字符的形状信息 分类：
❖矢量型 ❖点阵型
❖ 字型压缩技术
（一）窗、视变换 （二）图形几何变换的基本原理 （三）二维图形的几何变换 （四）三维图形的几何变换
相同：在约束的基础上驱动产生新的设计结果 不同：约束自由度的范围。参数化设计方法中要严格的逐个
连续求解参数；变量化设计中则是方程式的联立求解。
❖ 概念：
对产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一 系列相对通用的功能模块，通过模块的选择和组 合可以构成不同功能或相同功能不同性能、不同 规格的产品，以满足市场的不同需求。
❖ 新产品模块化设计 ❖ 变型产品模块化设计 ❖ 现有产品模块化改造设计
1.新产品模块化设计
市场调研 功能分析 模块化产品总体设计 模块划分 模块划分方案初步评价 各模块详细设计 模块综合 产品性能分析 模块设计方案详细评价 编写技术文件
2.变型产品模块化设计
用户需求分析 查询模块库 模块选择与替换/设计新模
参数化设计 是指设计图形拓朴关系不变，尺寸形状由一组参 数进行约束，参数与图形的控制尺寸有显式对应，不同的参 数值产生不同的图形。适应于规格化、系列化产品设计。
变量化设计 是指设计图形的修改自由度不仅是尺寸形状参数， 还有拓朴结构关系，甚至工程计算条件，设计结果受到一组 约束方程控制和驱动。适应新产品的开发。
❖ 人机工作分配：
计算机：有规律的设计工作，创造性主要体现在 依据规则和知识对问题求解的分析综合。
人：原创性的设计工作
❖ 原理方案设计技术 ❖ 概念设计建模技术 ❖ 设计创新技术
❖ 并行和协同概念设计 技术
❖ 概念设计本质：推理与决策的过程
❖ 概念设计的基础：应用合理有效的知识处理 （表达、获取、推理），进行创新
例如：组合夹具、系列化机床、家具
参数化绘图：参数化定 义与标注
一般绘图：计算各点坐 标值，逐点连线
1.参数化设计的步骤
建立几何拓朴模型 进行参数化定义 推导参数表达式 编制程序
❖ 注重参数序列的设计含 义
❖ 参数标注与工程图标注 一致
❖ 参数序列与几何图形尺 寸序列数据结构具有对 应关系
将计算机科学与工程领域的专业技术以及人的智慧和经 验以现代科学方法为指导结合起来，在设计的全过程中 各尽所长，尽可能地利用计算机系统来完成那些重复性 高、劳动量大、计算复杂以及单纯靠人工难以完成的工 作，辅助而非代替工程技术人员完成整个设计过程。
设计过程需要合理化、科学化、算法化、规律化
块 模块组合 产品性能分析 编写技术文件
3.现有产品的模块化改造设计过程
市场调研 用户需求分析与分类 拟定产品系列型谱 参数范围及主参数确定 已有产品的模块化分析与模块化程度评价 确定模块化系列类型（横、纵、跨、全） 模块划分 各模块详细设计 模块综合 产品性能分析 编写技术文件
❖ 市场调查与分析 ❖ 模块的划分 ❖ 模块标准化 ❖ 拟定产品系列型谱 ❖ 模块的管理
一、图形生成技术与算法 二、图形变换技术 三、真实感图形显示技术 四、数据可视化技术
1. 基本图形元素的生成算法 2.自由曲线和曲面的生成 3.图形元素的求交以及集合运算 4.不同字体中、西文的点阵表示及矢量字符的
❖ 工程图中的关键尺寸应 作为自变量参数
❖ 参数定义不能出现过约 束
❖ 建立模型过程中，直接将参数序列定义其中；
❖ 利用草图器绘制草图，然后再加约束，定义 参数；
❖ 对成熟的、定型的、常用的产品图形，将模 型建成参数化图素。
❖ 设置缺省尺寸值
❖ 预先设计建立系列化变量值表，绘图时从表 中取值
❖ 由用户实时修改输入
一、产品概念设计内涵 二、概念设计的过程模型 三、计算机辅助概念设计的关键技术 四、基于知识的产品创新设计 五、产品概念设计中的美学设计
❖ 概念设计
是由分析用户需求到生成概念产品的一系列有序 的、可组织的、有目标的设计活动，它表现为一 个由粗到精、由模糊到清晰、由抽象到具体、不 断进化的过程。
产品设计的60%~70% 成本和时间占20%以下
一、设计过程及阶Байду номын сангаас划分
1.任务规划阶段（需求分析、可行性论证、制订任务书）
2.概念设计阶段（构造设计模型、功能划分、确定方案、审 查评价）
3.结构设计阶段（结构草图设计、分析计算优化、审查评价、 确定装配草图）
4.详细设计阶段（技术图样绘制、工艺设计、性能试验、用 户使用、鉴定）
5.定型生产阶段（设计定型、生产规划、生产制造）
D={I,P,Q,O,Φ}
例如：P2为概念设计过程={需求分析，功能求解， 寻求子原理解，概念产品评价}
Q2解={答需}求说明书，功能解答，原理解答，概念产品
概念设计的特点：方案选择自由度大，创新空间大， 决策风险大，决定产品最终价值的80%。
❖ 定义：
以计算机为手段从事符合人类进行产品创新设计 的思维过程，支持产品概念设计及设计决策。
❖ 参数化
记录建模过程和其中的变量，是顺序化的。速度快。但 用户必须提供几何元素的全部尺寸、位置信息，然后才 能定义下一个元素。
❖ 变量化
模型的驱动尺寸用复杂的方程组来表达，通过求解联立 方程组来得到结果。允许用户不必关心约束设置的顺序， 允许欠约束的几何设计。
变量化系统是对逐渐用属性进行约束的自由轮廓进行求 解，而不是对造型步骤进行记录。
❖ 创新设计方法：
基于功能分解与重组的设计方法 TRIZ理论
❖ 概念车
最大限度地利用已有设计成果，修改不合要求的部分.
一、 参数化与模块化设计概念 二、 参数化、变量化设计的实现方法 三、模块化设计方法
❖ 研究目的：
将只有几何图素的“死图”变为含设计构思、设计信息的产 品几何模型。
1.参数化和变量化设计的基本概念
生成
➢ 直线
➢ DDA、Bresenham算法
➢ 圆弧
➢ 正负法、多边形逼近法
➢ 区域填充
➢ 多边填充 ➢ 种子填充
❖ 规则曲线、曲面
按参数方程画出
❖ 不规则曲线、曲面
离散数据插值 曲线拟合（例如贝塞尔曲线）
几何 核心 拼合 基础 几何
建模
算法
运算
❖ 几何运算：
求交运算 面面，面线，线线
检验几何元素位置的运算 点在物体
点在线，点在面，
❖ 字符库
储存了每个字符的形状信息 分类：
❖矢量型 ❖点阵型
❖ 字型压缩技术
（一）窗、视变换 （二）图形几何变换的基本原理 （三）二维图形的几何变换 （四）三维图形的几何变换
相同：在约束的基础上驱动产生新的设计结果 不同：约束自由度的范围。参数化设计方法中要严格的逐个
连续求解参数；变量化设计中则是方程式的联立求解。
❖ 概念：
对产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一 系列相对通用的功能模块，通过模块的选择和组 合可以构成不同功能或相同功能不同性能、不同 规格的产品，以满足市场的不同需求。
❖ 新产品模块化设计 ❖ 变型产品模块化设计 ❖ 现有产品模块化改造设计
1.新产品模块化设计
市场调研 功能分析 模块化产品总体设计 模块划分 模块划分方案初步评价 各模块详细设计 模块综合 产品性能分析 模块设计方案详细评价 编写技术文件
2.变型产品模块化设计
用户需求分析 查询模块库 模块选择与替换/设计新模
参数化设计 是指设计图形拓朴关系不变，尺寸形状由一组参 数进行约束，参数与图形的控制尺寸有显式对应，不同的参 数值产生不同的图形。适应于规格化、系列化产品设计。
变量化设计 是指设计图形的修改自由度不仅是尺寸形状参数， 还有拓朴结构关系，甚至工程计算条件，设计结果受到一组 约束方程控制和驱动。适应新产品的开发。
❖ 人机工作分配：
计算机：有规律的设计工作，创造性主要体现在 依据规则和知识对问题求解的分析综合。
人：原创性的设计工作
❖ 原理方案设计技术 ❖ 概念设计建模技术 ❖ 设计创新技术
❖ 并行和协同概念设计 技术
❖ 概念设计本质：推理与决策的过程
❖ 概念设计的基础：应用合理有效的知识处理 （表达、获取、推理），进行创新
例如：组合夹具、系列化机床、家具
参数化绘图：参数化定 义与标注
一般绘图：计算各点坐 标值，逐点连线
1.参数化设计的步骤
建立几何拓朴模型 进行参数化定义 推导参数表达式 编制程序
❖ 注重参数序列的设计含 义
❖ 参数标注与工程图标注 一致
❖ 参数序列与几何图形尺 寸序列数据结构具有对 应关系