《数字化设计与制造》第04章
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三、数字化设计系统构成
3．数字化设计工具集 在设计阶段，数字化设计工具集主要包括： 数字化产品定义系统、工程分析系统、样机 分析系统等。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
3．数字化设计工具集
(1)数字化产品定义系统 数字化产品定义系统主要实现三个方面的功能： 数字化产品概念设计、零件数字化定义和装配体数字 化定义，因此数字化产品定义系统通常由计算机辅助 概念设计(Computer Aided Concept Design，CACD) 系统、计算机辅助设计系统和计算机辅助装配设计 (Computer Aided Assembly Design，CAAD)系统等三 个系统组成。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
二、基本功能
数字化设计系统包含四个方面功能：
数字化产品结构设计功能; 数字化产品性能分析功能; 数字化设计过程及数据管理功能;
数字化设计支持数据库等。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
二、基本功能
1．数字化产品结构设计功能
数字化产品结构设计功能主要包含概念设计、装配体 设计和零件设计等功能。 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、可组织、有目标的设计活动，表现为一个 由粗到精、由模糊到清楚、由抽象到具体，不断进 化的过程。 装配体设计，一方面实现装配单元的划分，另一方 面实现产品装配层次关系、拓扑关系和约束关系定 义。 零件设计功能主要完成三个方面信息的定义，即零 件功能和工艺边界条件(如装配要求、零部件的整 体特征结构描述)、结构几何模型及参数、静态工 艺属性(如公差、加工余量等)。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
3．数字化设计工具集
(2)计算机辅助概念设计系统 概念设计阶段的特点
(ⅰ)功能的表示、维护和推理是概念设计阶段的核心问题。 (ⅱ)为了表示不完全的几何信息，要对传统的几何造型方法 进行改造，使之能表示不完全几何信息和抽象几何信息。 (ⅲ)要求CAD系统支持渐进设计过程和Top-down设计方式。 (ⅳ)功能信息和几何信息反映了设计对象的不同侧面，因此 要求在CAD系统中妥善解决好这两种建模技术的兼容性和 相互转化关系。
第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
为了满足数字化设计系统的功能需求，数字化 设计系统以基础设计资源为基础，设计人员利 用数字化设计工具集实现对产品各个设计阶段 的设计工作，同时可以有效地实施、监控与管 理设计过程，有效地管理设计数据，以保证设 计数据具有唯一性、完备性和可扩展性。因此， 数字化设计系统的体系结构包括基础设计资源 库、数字化设计过程与产品数据管理、数字化 设计工具集和用户等四大部分。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
2．数字化设计过程与产品数据管理 产品数据管理是指管理所有与产品有关的信息 和过程，主要实现以下几个方面的管理：
文档和文件夹的管理与控制。 产品结构和构型管理。 工程更改管理。 工作流程设计及管理。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
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ห้องสมุดไป่ตู้
第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
1．基础设计资源库
在设计阶段，基础设计资源主要包含三大部分：设计 标准与设计规范、设计经验与知识、数字化设计过程 和产品数据管理知识等。 (1)设计标准与设计规范：设计标准主要是指有关产品 设计的国家标准、行业标准和企业标准，作为设计资 源，可以以标准零件库、技术标准库等形式支持数字 化设计；设计规范主要用于规范设计人员的设计过程， 以保证设计过程的顺利实施和设计数据的唯一性和可 靠性，它包括产品三维建模规范、数字化样机分析规 范等。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
3．数字化设计工具集
(2)计算机辅助概念设计系统
产品概念设计是从用户需求到功能结构分解、原 理求解的映射过程。设计人员首先把用户需求表示为 功能，然后将功能反复分解为一些可以解决的子功能， 使这些功能和子功能形成设计的功能树；最后设计人 员对各子功能进行求解、综合和评估，得到最终的功 能原理。
第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
1．基础设计资源库
(3)数字化设计过程和产品数据管理知识: 数字化设计过程管理知识主要体现为人员组织管理经验、 设计过程实施与监控、设计过程重组与优化、设计过程 度量与评估等积累的过程管理经验，例如，并行工作管 理规范、数字化设计过程规范等。 产品数据管理知识主要是指实现数据管理的唯一性、可 靠性和安全性而积累的经验知识，例如，标准资源库分 类编码规范、数字化产品模型命名规范、模型链接规范、 数字化样机管理规范等。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
一、需求分析
数字化设计系统能够满足现代产品开发需求， 能全面提高设计的效率和质量。数字化设计系统的 应用使得产品设计信息能够从设计有效地传递给产 品分析、工艺设计、制造、装配、维护等产品生命 周期的每个阶段，更好地利用生产经验和生产历史 的宝贵资料，提高设计制造效率；有效地利用管理 过程和设计过程中所产生的设计信息，提高设计信 息的再利用率。
三、数字化设计系统构成
3．数字化设计工具集
(4)计算机辅助装配设计系统 装配公差分析：面向装配的公差分析在装配公差模型 的基础上进行公差分析，以确定是否可以满足设计需 求，从而进行相关尺寸及其公差的调整。 通过改变个别关键尺寸的公差约束来提高零件的 可装配性和互换性； 减少由于公差分配不合理或不正确而造成的装配 后产品精度超标和返工的概率； 减少装配过程中的选配、修配和调整时间，提高 装配效率，降低制造成本。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
二、基本功能
4．数字化设计支持数据库
数字化设计支持数据库主要包括结构标准零件库、设 计规范库、材料及半成品(型材)库、型材截面图形库 及其参数库、典型构件设计参数库、强度分析库、气 动参数库等，实现对数字化设计过程中结构设计与分 析的支持，以提高设计效率。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
3．数字化设计工具集
(3)计算机辅助设计系统 设计人员在CAD系统的辅助下，通过人机对话操 作方式能进行设计构思和论证，完成总体设计、技术 设计、零部件设计及有关零部件的强度、刚度、电热、 磁的分析计算。因此，一个完整的CAD软件应是包括 计算机制图、参数化设计、参数优化、有限元分析、 结构力学和动力学分析、报表及技术文档资料的编写、 图形文档管理等。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
1．基础设计资源库
(2)设计经验与知识：产品设计是经验和创造相结合的过程， 即产品设计一方面要继承和重用以前积累的经验和知识， 另一方面要根据新产品研制的具体要求进行创新性研究工 作。经验和知识的重用有助于实现产品的快速研制。 在传统的手工设计中，设计经验和设计知识积累在设计 图纸中； 在数字化设计中，设计经验积累在产品数字化模型中， 同时数字化设计所产生的设计经验比较容易实现计算机 存储与管理，有利于设计人员充分利用设计经验和设计 知识，实现产品快速设计，设计经验与设计知识主要体 现为典型零部件库、强度分析参数库、气动参数库等。 14
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
二、基本功能
1．数字化产品结构设计功能
在数字化产品结构设计功能中，目前常用的设计方法 是数字化产品定义(Digital Product Definition, DPD)。DPD技术最初由美国波音公司提出，并在波音 777等机型的研制中得到成功应用。 利用DPD技术进行产品设计时，设计人员使用实体建模 软件在计算机上设计零件三维模型，所设计零件三维 模型可直观地显示在计算机上，并且设计人员可方便 地进行产品模型的建立、修改与组合等操作。 DPD技术是工程设计方法的一个突破，从本质上改变了 传统的设计方法。与传统设计方法相比，DPD技术具有 很大的优越性，其直观性、实时性、易操作性等优点 使得复杂产品的设计大大简化。
数字化设计与制造
第四章 数字化设计系统
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内容提纲
第一节 数字化设计系统的功能与结构 第二节 典型数字化设计系统
第三节 数字化产品性能仿真
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
一、需求分析
(1)创新的需求 创新是产品的灵魂。创新包括产品从概念设计到 详细设计等设计过程各阶段的创新，要求产品设计手 段的更新。 (2)协作的需求 企业在新产品开发过程中，往往有40％～70％的 工作是与其他企业和合作伙伴合作完成的。设计制造 的协作己成为重大的社会需求。 (3)集成的需求 一方面，需要实现CAD／CAE／CAPP／CAM ／PDM／PLM的集成，以产品全生命周期为目标进 行产品的开发；另一方面，需要集成各种专业设计的 应用程序、设计知识和经验。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
3．数字化设计工具集
(4)计算机辅助装配设计系统 装配规划：对产品中各零部件的装配顺序、装配路 径进行求解，并检查、分析和处理装配过程中出现的 干涉、碰撞等问题，最终获得合理的、符合实际装配 过程的装配顺序和装配路径。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
3．数字化设计工具集
(4)计算机辅助装配设计系统
计算机辅助装配设计系统一般应包含三个重要功 能：装配设计、装配规划和装配公差分析。 装配设计：建立机械装配约束，自动零件定位并检 查装配的完整性与一致性；建立并管理基于三维零件 机械装配件(装配件可以由多个主动或被动模型中的 零件组成)；根据零件间的接触自动定义连接，方便 产品运动机构的早期分析。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
二、基本功能
2．数字化产品性能分析功能
数字化产品性能分析功能主要包括零部件性能分析和 数字化样机分析。
零部件性能分析主要包括对零部件进行结构分析、 力学分析、强度分析、有限元分析、气动分析等； 数字化样机分析包括产品的数字化预装配分析、 机构运动仿真分析、结构／管路／系统综合分析、 数字协调分析等。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
2．数字化设计过程与产品数据管理 数字化设计过程管理是指在数字化设计的概 念设计、结构设计、工程分析等过程中，为 了完成产品数字化设计的一系列步骤，是产 品开发实践活动的集合。
设计过程管理的内容包括设计过程分解、设 计过程任务制订、设计过程执行，主要涉及 设计过程中设计人员的组织管理、设计过程 实施与控制、设计过程度量与评估等。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
3．数字化设计工具集
(5)工程分析系统
工程分析系统利用数值分析的方法有效地对零件 和产品进行仿真检测，确定产品和零件的相关技术参 数，发现产品缺陷、优化产品设计，减少物理样件的 制作，降低产品开发成本。常见的工程分析包括对质 量、体积、惯性力矩、强度等的计算分析；对产品的 运动精度，动、静态特征等的性能分析；对产品的应 力、变形、气动等的结构分析。 工程分析系统中应包含以下三个功能：有限元模 型生成功能；零件分析及优化功能；零件应力分析功 能。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
二、基本功能
3．数字化设计过程及数据管理功能
数字化设计过程及数据管理功能包括数字化设计过程 管理和数字化产品数据管理等，以实现数字化设计过 程中多专业协同工作和数据共享。 数字化设计过程管理完成数字化设计过程中产品结 构设计过程管理、数字化产品性能分析过程管理、 设计过程协同工作管理等，以提高数字化设计过程 的并行度和效率。 数字化产品数据管理实现管理所有与产品相关的信 息和过程，其中与产品相关的信息包括零部件信息、 结构配置、文件、CAD图档、审批信息等；与产品相 关的过程管理包括信息的审批、分配及更改流程等。
3．数字化设计工具集 在设计阶段，数字化设计工具集主要包括： 数字化产品定义系统、工程分析系统、样机 分析系统等。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
3．数字化设计工具集
(1)数字化产品定义系统 数字化产品定义系统主要实现三个方面的功能： 数字化产品概念设计、零件数字化定义和装配体数字 化定义，因此数字化产品定义系统通常由计算机辅助 概念设计(Computer Aided Concept Design，CACD) 系统、计算机辅助设计系统和计算机辅助装配设计 (Computer Aided Assembly Design，CAAD)系统等三 个系统组成。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
二、基本功能
数字化设计系统包含四个方面功能：
数字化产品结构设计功能; 数字化产品性能分析功能; 数字化设计过程及数据管理功能;
数字化设计支持数据库等。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
二、基本功能
1．数字化产品结构设计功能
数字化产品结构设计功能主要包含概念设计、装配体 设计和零件设计等功能。 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、可组织、有目标的设计活动，表现为一个 由粗到精、由模糊到清楚、由抽象到具体，不断进 化的过程。 装配体设计，一方面实现装配单元的划分，另一方 面实现产品装配层次关系、拓扑关系和约束关系定 义。 零件设计功能主要完成三个方面信息的定义，即零 件功能和工艺边界条件(如装配要求、零部件的整 体特征结构描述)、结构几何模型及参数、静态工 艺属性(如公差、加工余量等)。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
3．数字化设计工具集
(2)计算机辅助概念设计系统 概念设计阶段的特点
(ⅰ)功能的表示、维护和推理是概念设计阶段的核心问题。 (ⅱ)为了表示不完全的几何信息，要对传统的几何造型方法 进行改造，使之能表示不完全几何信息和抽象几何信息。 (ⅲ)要求CAD系统支持渐进设计过程和Top-down设计方式。 (ⅳ)功能信息和几何信息反映了设计对象的不同侧面，因此 要求在CAD系统中妥善解决好这两种建模技术的兼容性和 相互转化关系。
第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
为了满足数字化设计系统的功能需求，数字化 设计系统以基础设计资源为基础，设计人员利 用数字化设计工具集实现对产品各个设计阶段 的设计工作，同时可以有效地实施、监控与管 理设计过程，有效地管理设计数据，以保证设 计数据具有唯一性、完备性和可扩展性。因此， 数字化设计系统的体系结构包括基础设计资源 库、数字化设计过程与产品数据管理、数字化 设计工具集和用户等四大部分。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
2．数字化设计过程与产品数据管理 产品数据管理是指管理所有与产品有关的信息 和过程，主要实现以下几个方面的管理：
文档和文件夹的管理与控制。 产品结构和构型管理。 工程更改管理。 工作流程设计及管理。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
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ห้องสมุดไป่ตู้
第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
1．基础设计资源库
在设计阶段，基础设计资源主要包含三大部分：设计 标准与设计规范、设计经验与知识、数字化设计过程 和产品数据管理知识等。 (1)设计标准与设计规范：设计标准主要是指有关产品 设计的国家标准、行业标准和企业标准，作为设计资 源，可以以标准零件库、技术标准库等形式支持数字 化设计；设计规范主要用于规范设计人员的设计过程， 以保证设计过程的顺利实施和设计数据的唯一性和可 靠性，它包括产品三维建模规范、数字化样机分析规 范等。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
3．数字化设计工具集
(2)计算机辅助概念设计系统
产品概念设计是从用户需求到功能结构分解、原 理求解的映射过程。设计人员首先把用户需求表示为 功能，然后将功能反复分解为一些可以解决的子功能， 使这些功能和子功能形成设计的功能树；最后设计人 员对各子功能进行求解、综合和评估，得到最终的功 能原理。
第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
1．基础设计资源库
(3)数字化设计过程和产品数据管理知识: 数字化设计过程管理知识主要体现为人员组织管理经验、 设计过程实施与监控、设计过程重组与优化、设计过程 度量与评估等积累的过程管理经验，例如，并行工作管 理规范、数字化设计过程规范等。 产品数据管理知识主要是指实现数据管理的唯一性、可 靠性和安全性而积累的经验知识，例如，标准资源库分 类编码规范、数字化产品模型命名规范、模型链接规范、 数字化样机管理规范等。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
一、需求分析
数字化设计系统能够满足现代产品开发需求， 能全面提高设计的效率和质量。数字化设计系统的 应用使得产品设计信息能够从设计有效地传递给产 品分析、工艺设计、制造、装配、维护等产品生命 周期的每个阶段，更好地利用生产经验和生产历史 的宝贵资料，提高设计制造效率；有效地利用管理 过程和设计过程中所产生的设计信息，提高设计信 息的再利用率。
三、数字化设计系统构成
3．数字化设计工具集
(4)计算机辅助装配设计系统 装配公差分析：面向装配的公差分析在装配公差模型 的基础上进行公差分析，以确定是否可以满足设计需 求，从而进行相关尺寸及其公差的调整。 通过改变个别关键尺寸的公差约束来提高零件的 可装配性和互换性； 减少由于公差分配不合理或不正确而造成的装配 后产品精度超标和返工的概率； 减少装配过程中的选配、修配和调整时间，提高 装配效率，降低制造成本。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
二、基本功能
4．数字化设计支持数据库
数字化设计支持数据库主要包括结构标准零件库、设 计规范库、材料及半成品(型材)库、型材截面图形库 及其参数库、典型构件设计参数库、强度分析库、气 动参数库等，实现对数字化设计过程中结构设计与分 析的支持，以提高设计效率。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
3．数字化设计工具集
(3)计算机辅助设计系统 设计人员在CAD系统的辅助下，通过人机对话操 作方式能进行设计构思和论证，完成总体设计、技术 设计、零部件设计及有关零部件的强度、刚度、电热、 磁的分析计算。因此，一个完整的CAD软件应是包括 计算机制图、参数化设计、参数优化、有限元分析、 结构力学和动力学分析、报表及技术文档资料的编写、 图形文档管理等。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
1．基础设计资源库
(2)设计经验与知识：产品设计是经验和创造相结合的过程， 即产品设计一方面要继承和重用以前积累的经验和知识， 另一方面要根据新产品研制的具体要求进行创新性研究工 作。经验和知识的重用有助于实现产品的快速研制。 在传统的手工设计中，设计经验和设计知识积累在设计 图纸中； 在数字化设计中，设计经验积累在产品数字化模型中， 同时数字化设计所产生的设计经验比较容易实现计算机 存储与管理，有利于设计人员充分利用设计经验和设计 知识，实现产品快速设计，设计经验与设计知识主要体 现为典型零部件库、强度分析参数库、气动参数库等。 14
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
二、基本功能
1．数字化产品结构设计功能
在数字化产品结构设计功能中，目前常用的设计方法 是数字化产品定义(Digital Product Definition, DPD)。DPD技术最初由美国波音公司提出，并在波音 777等机型的研制中得到成功应用。 利用DPD技术进行产品设计时，设计人员使用实体建模 软件在计算机上设计零件三维模型，所设计零件三维 模型可直观地显示在计算机上，并且设计人员可方便 地进行产品模型的建立、修改与组合等操作。 DPD技术是工程设计方法的一个突破，从本质上改变了 传统的设计方法。与传统设计方法相比，DPD技术具有 很大的优越性，其直观性、实时性、易操作性等优点 使得复杂产品的设计大大简化。
数字化设计与制造
第四章 数字化设计系统
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内容提纲
第一节 数字化设计系统的功能与结构 第二节 典型数字化设计系统
第三节 数字化产品性能仿真
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
一、需求分析
(1)创新的需求 创新是产品的灵魂。创新包括产品从概念设计到 详细设计等设计过程各阶段的创新，要求产品设计手 段的更新。 (2)协作的需求 企业在新产品开发过程中，往往有40％～70％的 工作是与其他企业和合作伙伴合作完成的。设计制造 的协作己成为重大的社会需求。 (3)集成的需求 一方面，需要实现CAD／CAE／CAPP／CAM ／PDM／PLM的集成，以产品全生命周期为目标进 行产品的开发；另一方面，需要集成各种专业设计的 应用程序、设计知识和经验。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
3．数字化设计工具集
(4)计算机辅助装配设计系统 装配规划：对产品中各零部件的装配顺序、装配路 径进行求解，并检查、分析和处理装配过程中出现的 干涉、碰撞等问题，最终获得合理的、符合实际装配 过程的装配顺序和装配路径。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
3．数字化设计工具集
(4)计算机辅助装配设计系统
计算机辅助装配设计系统一般应包含三个重要功 能：装配设计、装配规划和装配公差分析。 装配设计：建立机械装配约束，自动零件定位并检 查装配的完整性与一致性；建立并管理基于三维零件 机械装配件(装配件可以由多个主动或被动模型中的 零件组成)；根据零件间的接触自动定义连接，方便 产品运动机构的早期分析。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
二、基本功能
2．数字化产品性能分析功能
数字化产品性能分析功能主要包括零部件性能分析和 数字化样机分析。
零部件性能分析主要包括对零部件进行结构分析、 力学分析、强度分析、有限元分析、气动分析等； 数字化样机分析包括产品的数字化预装配分析、 机构运动仿真分析、结构／管路／系统综合分析、 数字协调分析等。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
2．数字化设计过程与产品数据管理 数字化设计过程管理是指在数字化设计的概 念设计、结构设计、工程分析等过程中，为 了完成产品数字化设计的一系列步骤，是产 品开发实践活动的集合。
设计过程管理的内容包括设计过程分解、设 计过程任务制订、设计过程执行，主要涉及 设计过程中设计人员的组织管理、设计过程 实施与控制、设计过程度量与评估等。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
三、数字化设计系统构成
3．数字化设计工具集
(5)工程分析系统
工程分析系统利用数值分析的方法有效地对零件 和产品进行仿真检测，确定产品和零件的相关技术参 数，发现产品缺陷、优化产品设计，减少物理样件的 制作，降低产品开发成本。常见的工程分析包括对质 量、体积、惯性力矩、强度等的计算分析；对产品的 运动精度，动、静态特征等的性能分析；对产品的应 力、变形、气动等的结构分析。 工程分析系统中应包含以下三个功能：有限元模 型生成功能；零件分析及优化功能；零件应力分析功 能。
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第一节 数字化设计系统的功能与结构
二、基本功能
3．数字化设计过程及数据管理功能
数字化设计过程及数据管理功能包括数字化设计过程 管理和数字化产品数据管理等，以实现数字化设计过 程中多专业协同工作和数据共享。 数字化设计过程管理完成数字化设计过程中产品结 构设计过程管理、数字化产品性能分析过程管理、 设计过程协同工作管理等，以提高数字化设计过程 的并行度和效率。 数字化产品数据管理实现管理所有与产品相关的信 息和过程，其中与产品相关的信息包括零部件信息、 结构配置、文件、CAD图档、审批信息等；与产品相 关的过程管理包括信息的审批、分配及更改流程等。