第二章现代产品开发设计技术

3）日本通用设计理论
• 20世纪70年代 • 日本东京大学工学部吉川弘之提出采用数 学形式表达设计过程的思想，成为General design theory(GDT).从而成为日本设计理 论与方法论研究的代表人物。
吉川 弘之 YOSHIKAWA Hiroyuki 東京大学工学部
4) 苏联TRIZ理论
2.1.3典型设计理论与方法
设 计 理 论 与 方 法 论 相 关 领 域
文化
基础工程科学 自然科学
政治学 社会学 心理学 经济学
工业技术
生产技术
设计理论 与 方法
工业造型 艺术造型 艺术
技术
1）欧洲派系统设计方法学
• 20世纪70年代 • 德国G.Pahl and W.Beitz(1977) W.G.Rodenacker (1970)、瑞士 V.Hubka(1973)、德国K.Roth (1981)等学 者的著作相继问世。 • 确立了以德国为代表的欧洲设计理论与方 法论流派，即系统设计方法论。
工业同盟时期的产品
包豪斯学院设计的产品
• 2.1.2 产品设计的地位
设计与产品开发时间 设计
0 20 40 60
制造
80 100
时间 百分比（%)
设计与产品开发成本
70 60 50 40 30 20 10 0
设计
生产准备 原材料与 管理和销售 与加工 外购件的采购
对成本的影响 所需的工时成本
设计与修改工作
功能、水 平、指标、 总体原理
总体方案、 部件结构、 分析与仿真
结构设计、 工艺设计、 文档
“断钥”的谐音 “断药”， 用“断钥”概念设计轮椅
概念产品是一种理想化 的物质形式。
串行设计与开发
G.Pahl
Vancouver, British Columbia, Canada
2）美国公理化设计理论
公理化设计理论（Axiomatic Design Theory, ADT）是美国MIT机械工程系Nam P Suh教 授提出的。该理论在产品设计领域有重要的影响。 目前有代表性的应用主要集中在机械产品设计、 软件设计等方面。
《先进制造技术导论》 第二章
先进产品开发设计技术
目录
• 2.1 概述
2.1.1产品设计近代史 2.1.2产品设计的地位 2.1.3典型设计理论与方法 2.1.4产品设计一般程序
• 2.2数字化造型
2.2.1CAD技术 2.2.2形体在计算机内部的表示 2.2.3产品三维造型 2.2.4常用三维造型软件
Distribution of xstress (X 向应分布)
Ansys 的应用：受压圆盘
FEM Mesh and load condition 网格划分和载荷条 件
Distribution of x-stress (X 向应分布)
2.3.1 常用CAE 软件
1、MSC.NASTRAN • 40%全球市场份额 • 汽车、军事、航空航天、机械制造绝对优势 • 功能模块：
基本模块（静力、模态、屈曲、热分析、流固 耦合） 动力学、热传导、非线性、气动弹性 提供拓扑优化——详细设计——尺寸优化 灵敏度分析
2、ANSYS • 美国最大的有限元分析软件公司 • 功能：
结构 流场 电场 磁场 声场 塑性加工 碰撞分析 焊接分析 优化设计
3、ADMAS • 美国MDI公司 • 最权威、使用最广的机械动 力学分析软件 • 功能：
• A、纯CAD软件
EDS公司
美国SolidWorks 公司
日本、丹麦、 韩国
MDT （autodesk)
•B、CAD/CAM软件
美国麦道公司
美国参数化技 术公司
法国达索飞机 公司
以色列 cimatron公司
美国SDRC 公司
美国mastercam公司
常用三维软件功能
3D、参数化建模、可设置 公差及表面粗糙度、装配 分解 3D、参数化建模、 CAD/CAE/CAM、钣金加 工、多轴数控编程 3D，CAD/CAM/CAE，曲 面设计，机器人，建筑设 计，电路设计有限元造型 美国参数化技 术公司 美国麦道公司、 EDS公司 法国达索飞机 公司
静力学、动力学、运动学 输出位移、速度、加速度、反作 用力 作为有限元输入载荷 可建立机电液一体化模型
4、COSMOSWORKS
• SRAC公司产品，后被solidwork收购 • 可与solidworks无缝对接 • 功能： 静力学 频率分析 失稳分析 非线性结构分析 流体力学分析（汽车、机翼等） 凸轮、齿轮、弹簧、垫片等接触零件的运动 虚拟样机试验 优化设计
2.1.4 产品设计一般程序
产品的作用 要求清单 概念 形状结构 产品定义/ 明确任务 方案设计/ 概念设计 技术设计/ 实体化设计
•明确产品用途 •制订要求明细 •确定问题本质 •构建功能构造 •获得方案原理 •组合方案原理生成侯选方案 •评价方案 •初始结构和形状设计 •初始结构的评价与优化 •初始形状的优化 •零件明细表和生产方案生成 •完善详细结构与形状 •完成详细零部件图纸 •完善生产方案 •各种文档的检查
G.S. Altshuller (1928 – 1998)
TRIZ理论主要内容
现代TRIZ理论体系主要包括以下几个方面的 内容： 1. 创新思维方法与问题分析方法 2. 技术系统进化法则 3. 技术矛盾解决原理 4. 创新问题标准解法 5. 发明问题解决算法ARIZ 6. 基于物理、化学、几何学等工程学原理而构 建的知识库
详细设计
文档 设计结果
2.2 数字化设计
1）与传统设计的比较
传统产品 设计过程 串行
计算机 信息技术 网络技术
数字化设 计过程 并行
Teamwork
数字化设计是以实现产品设计为目标，以计算机软硬件 技术为基础，基于信息技术，实现产品建模、分析、修改、 优化、文档生成等设计工作。
2）设计过程模型
• A、顺序过程模型（为传统设计模式）
产品定义 方案设计 技术设计 详细设计 原型试制
• B、以设计为中心的模型（强调分析）
方案设计 技术设计 详细设计与分析 运动、动力、温度、流场、磁场。。。。 DFX 原型试制 DFX:面向制造、装 配、全生命周期
C、并行设计模型（CE）（强调反馈）
• 20世纪80年代美国、西方出现并行工程CE。 • 团队具有不同知识结构，同时参与某一阶段设计。
D、动态过程模型（强调协同）
与并行设计相比，各 阶段同时开始，需要 更好的集成环境。
方案设计 技术设计 详细设计与分析 原型试制
时间
3）数字化设计技术
数字化设计技术包括4个方面：
A、产品的概念化设计（概念提出、拓扑 结构）、几何造型、虚拟装配等。 B、产品外形结构、材质、颜色优选及匹 配； CAD
Baidu Nhomakorabea前处理
实体网格划分结果
边界条件：传热系数、凝固潜热 初始条件：初始温度、空气温度
初始、边界条件设 置 求解
t=0s
t=30s
t=60s
t=500s
后处理——分析
294 1945 2225
t=2000s
t=4000s
t=6000s
t=7200s
2.3.2 有限元方法简介
• CAE的方法主要是运用计算机数值求解工 程问题——有限元方法是一种最普遍的算 法。 • 1960年，Clough提出了有限元法。 • 有限元方法将研究区域离散成许多子域，这 些子域叫单元。
• 5、材料成形CAE软件 • 塑性成形CAE软件： DEFORM、MARC/Autoforge、Autoform、 Dynaform、PAM-SYSTEM • 铸造成形CAE软件： MAGAMA、PROCAST、NONACAST、 JS-CAST • 塑料注射成形CAE软件： MOLDFLOW，SLMUCOOL， MOLDCAOOL，C-COOL
3）后处理模块 • 有限元分析结果的数据平滑，各种物理量 的加工与显示。 • 图形、动画输出：变形、振动、速度、应力 分布。 4）用户界面模块 • 交互式图形界面、菜单、对话框、数据导入 与导出等。 5）数据管理模块 • 零件模型数据、网络模型数据、单元库、材 料、算法、分析结果、标准、规范等。
铸模、铸件三维 实体造型
Nam P. Suh, Director Professor, Mechanical Engineering, MIT
公理设计的四个域
其思想的核心是多域映射 两个公理是： 1）独立性公理。即保证顾客需求的相互独 立，使得设计的调整只对其服务的顾客需 求产生影响。（电视上网、游戏） 2）信息公理。设计要满足信息量最小。信 息量最小的设计成功的概率最大。
• 2.3仿真技术
2.3.1有限元法 2.3.2CAE软件的结构与功能 2.3.3常用CAE软件
2.1
概 述
2.1.1 产品设计发展近代历史
• 十八世纪以前产品的设计制造主要靠 人力完成，设计制造基本由同一劳动 者承担。 • 工业革命后，由于工业产品的增加， 英美国家将设计与制造、销售分离开。
• 1907年10月6日，德国政府支持 一批德国设计界杰出人士在慕尼 黑成立了德国工业同盟。德国工 业同盟提倡艺术工业与手工艺相 结合；提倡大工业化生产，标准 化生产和运用新技术、新材料； 大力发展设计教育。在德国以至 世界现代设计史上有着非常重要 的意义。 1931年，希特勒上台， 该组织被迫解散。 •1919年德国包豪斯成立，是 德国魏玛市的 “公立包豪斯 学校”（Staatliches Bauhaus)的简称，后改称 “设计学院”。她的成立标志 着现代设计的诞生 。
3D,CAD\CAM,工具模具设 计（塑料模与冲压模）， 工具组件与电极设计，多 轴CAM编程 3D,CAD/CAE/CAM,雄居榜 首。结构分析、热力分析、 优化设计、耐久性分析 3D,CAD,3Dmeeting
以色列 cimatron公 司 美国SDRC 公司（全球 最大CAM软 件商） 美国 SOLIDWOR K公司 EDS公司
node (节点)
Clough
element(单元)
有限元分析的典型基本步骤
1. 离散 2. 写出单元刚度矩阵 3. 形成总体刚度矩阵并引入连续条件和 边界条件 4. 求解节点值和后处理
KU=F
ε、σ
Ansys 的应用：中心有孔的矩形板受拉
FEM Mesh and load condition (网格划分和载荷条件)
• TRIZ理论是由前苏联发明家阿利赫舒列尔(G. S. Altshuller)在1946年创立 。 • TRIZ即“发明问题的解决理论” ，俄语含义的单词首字 母（Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch）组 成，在欧美国家也可缩写为TIPS （Theory of Inventive Problem Solving） 。 • 前苏联的研究机构、大学、企业组成了TRIZ的研究团体， 分析了世界近250万份高水平的发明专利，总结出各种技 术发展进化遵循的规律模式，以及解决各种技术矛盾和物 理矛盾的创新原理和法则。
3D,CAD,特点：塑料件、 铸件、钣金件设计
2.3 仿真分析技术
• 仿真分析技术—计算机辅助工程CAE 可以自己编程计算，也可以求助大型的 CAE软件。如ANSYS，IDEAS等。 • 对于小型简单的静力问题，许多CAD软件 也提供了一定的CAE求解功能。如UG、 CATIA等。对于复杂问题须用大型专门软件。 • 甚至连划分网格都有专门的软件，如 HyperMesh。因为模型过于复杂，网格划分 也是一项烦索的工作。 •
造型
虚拟装配
C、产品公差、质量/体积/表面积计算、 干涉分析 D、有限元分析、优化分析、可靠性 分析、运动及动力学分析。
CAE
模态分析 动力学分析
切削温度、应力、 应变分析
风机叶片的优化
两相流颗粒运动
• 数字化设计的最大优势就是无需建物理模 型，通过仿真发现问题和缺陷，实现产品 优化。
CAD三维造型软件
2.3.1 CAE软件结构与功能
用户界面
前处理（划分网格， 加载荷、约束等） 求解 后处理
产品数字 化模型
数据管理 数据库 CAE的基本结构
功能
1)前处理模块 • 实体建模与参数化建模。 • 单元剖分，节点自动编号与节点参数自动生成。 • 载荷与材料参数直接输入,或由公式参数化导入， 边界条件，初始条件 设置。 2）有限元分析模块 • 有限单元库，材料库及算法库 • 算法库：静力、动力、振动、热分析、线性与非 线性解法库等。