1、第二章 現代設計技術1 精品PPT 一. 現代設計技術概述一. 現代設計技術概述(1) 現代設計技術的內涵與特點系統性、動態性、創造性、計算機化、并行化系統性、動態性、創造性、計算機化、并行化、最優化、虛擬化和自動化、主動性、最優化、虛擬化和自動化、主動性現代設計現代設計技術技術設計技術設計技術設計過程中解決具體設計問題的各種方法和手段設計過程中解決具體設計問題的各種方法和手段靜態、經驗、被動、手工靜態、經驗、被動、手工傳統設計傳統設計技術技術先進制造技術2 精品PPT 一. 現代設計技術概述 現代設計技術是以滿足應市產品的質量、性能、時間、成本、價格綜合效益最優為目的，以計算機輔助設計技術為

2、主體，以知識為依托，以多種科學方法及技術為手段，研究、改進、創造產品活動過程所用到的技術群體的總稱。先進制造技術3 精品PPT 一. 現代設計技術概述 從現代設計技術的內涵分析，現代設計技術具有如下一系列特點： 系統性 現代設計技術強調用系統的觀點處理設計問題，從整體上把握設計對象，考慮對象與外界（人、環境）的聯系。 動態性 不僅要考慮產品的靜態特性，還要考慮產品在實際工作狀態下的動態特征，考慮產品與周圍環境的物質、能量及信息的交互。 創造性 現代設計技術建立在先進的設計理論及設計工具基礎上，能充分發揮設計者的創造性思維能力和集體智慧，運用各種創造方法和手段，開發出具有創新性的產品。先進制造技

3、術4 精品PPT 一. 現代設計技術概述 計算機化 計算機已經滲透到產品設計開發的各個環節，很多現代設計技術的實現都依賴于計算機，如優化設計、有限元分析、系統仿真等。它們充分利用計算機快捷的數值計算功能、嚴密的邏輯推理能力和巨大的信息存儲及處理能力，彌補自然人存在的天生不足，實現人機優勢的互補。先進制造技術5 精品PPT 一. 現代設計技術概述 并行化、最優化、虛擬化和自動化 在產品的設計階段就綜合考慮產品全生命周期中的所有因素，強調對產品設計及其相關過程并行地、集成地、一體化地進行設計。在設計過程中，通過優化的理論與技術，對產品進行方案優選、結構優選和參數優選，力爭實現系統的整體性能最優化，

4、以獲得功能全、性能好、成本低、價值高的產品。設計過程自動化的實現主要依托于各種不同的計算機輔助設計技術、自動建模技術，以及一批功能強大的商品化CAD 軟件的支撐。設計手段虛擬化，是以虛擬現實的設計系統進行三維建模，使設計者能在虛擬的設計環境下觀察CAD 設計內容，從而實現設計的可視化、評估設計產品的性能及其可實現性，靈活方便地修改設計，大大提高設計效果與質量。先進制造技術6 精品PPT 一. 現代設計技術概述 主動性 科學技術的發展使得在產品設計的早期，就可對產品全生命周期的各種性能作出準確預測有利于及早發現產品的潛在缺陷，將各種失誤、可能發生的故障減少到最低程度，體現了主動性的特征，也有利于

5、縮短開發周期、降低生產成本、提高產品質量。先進制造技術7 精品PPT 一. 現代設計技術概述(2) 現代設計技術的定義 從系統工程的觀點分析，現代設計技術是一個由時間維、邏輯維和方法維共同組成的三維系統方法維產品規劃方案設計技術設計施工設計分析綜合評價決策時間維邏輯維可靠性設計優化設計 模塊化設計 先進制造技術8 精品PPT 一. 現代設計技術概述 現代設計技術的時間維：產品規劃-需求分析、市場預測、可行性分析、總體參數、制約條件和設計要求；方案設計-功能原理設計，確定原理方案；技術設計-將產品的功能原理具體化為機器產品及其零部件的具體結構；a. 施工設計-指工程圖繪制，工藝文件編寫，說明書編

6、寫等。先進制造技術9 精品PPT 一. 現代設計技術概述. 現代設計技術的邏輯維：分析-明確設計任務本質；綜合-綜合各種因素，探求解決方案；評價-對多種方案進行比較和評定，方案調整和改進；a. 決策-確定最佳的設計方案先進制造技術10 精品PPT 9、 人的價值，在招收誘惑的一瞬間被決定。2022-3-172022-3-17Thursday, March 17, 202210、低頭要有勇氣，抬頭要有低氣。2022-3-172022-3-172022-3-173/17/2022 10:47:13 PM11、人總是珍惜為得到。2022-3-172022-3-172022-3-17Mar-2217-

7、Mar-2212、人亂于心，不寬余請。2022-3-172022-3-172022-3-17Thursday, March 17, 202213、生氣是拿別人做錯的事來懲罰自己。2022-3-172022-3-172022-3-172022-3-173/17/202214、抱最大的希望，作最大的努力。2022年3月17日星期四2022-3-172022-3-172022-3-1715、一個人炫耀什么，說明他內心缺少什么。2022年3月2022-3-172022-3-172022-3-173/17/202216、業余生活要有意義，不要越軌。2022-3-172022-3-17March 17,

8、202217、一個人即使已登上頂峰，也仍要自強不息。2022-3-172022-3-172022-3-172022-3-17一. 現代設計技術概述(3) 現代設計技術的體系結構 現代設計技術由4個不同層次的技術所組成，計算機輔助設計技術CAD是現代設計技術的主體技術主體技術基礎技術支撐技術應用技術傳統設計理論與方法各產品領域知識與技術計算機輔助設計技術現代設計方法學可信性設計技術設計試驗技術相關學科與技術先進制造工藝材料科學自動化技術系統管理技術自然科學政治經濟文化社會科學市場營銷學.先進制造技術12 精品PPT 9、 人的價值，在招收誘惑的一瞬間被決定。2022-3-172022-3-17T

9、hursday, March 17, 202210、低頭要有勇氣，抬頭要有低氣。2022-3-172022-3-172022-3-173/17/2022 10:47:13 PM11、人總是珍惜為得到。2022-3-172022-3-172022-3-17Mar-2217-Mar-2212、人亂于心，不寬余請。2022-3-172022-3-172022-3-17Thursday, March 17, 202213、生氣是拿別人做錯的事來懲罰自己。2022-3-172022-3-172022-3-172022-3-173/17/202214、抱最大的希望，作最大的努力。2022年3月17日星期四

10、2022-3-172022-3-172022-3-1715、一個人炫耀什么，說明他內心缺少什么。2022年3月2022-3-172022-3-172022-3-173/17/202216、業余生活要有意義，不要越軌。2022-3-172022-3-17March 17, 202217、一個人即使已登上頂峰，也仍要自強不息。2022-3-172022-3-172022-3-172022-3-17二. 數字化設計與數字化產品開發 現代設計技術的整個體系由基礎技術、主體技術、支撐技術和應用技術四個層次組成。 基礎技術 是指傳統的設計理論與方法，特別是運動學、靜力學與動力學、材料力學、結構力學、熱力學

11、、電磁學、工程數學的基本原理與方法等方面。先進制造技術14 精品PPT 二. 數字化設計與數字化產品開發 主體技術 計算機科學與設計技術結合產生計算機輔助設計、智能CAD、優化設計、有限元分析程序、模擬仿真、虛擬設計和工程數據庫等，運用現代設計技術的多種理論與方法如優化設計、可靠性設計、模糊設計等理論構造的數學模型，來編制計算機應用程序，可以更廣泛、更深入地模擬人的推理與思維，從而提高計算機的“智力”。而計算機輔助設計技術正是以它對數值計算和對信息與知識的獨特處理能力，成為現代設計技術群體的主干。先進制造技術15 精品PPT 二. 數字化設計與數字化產品開發 支撐技術 指現代設計方法學、可信性

12、設計技術、試驗設計技術。現代設計方法學涉及內容很廣，如并行設計、系統設計、功能設計、模塊化設計、價值工程、質量功能配制、反求工程、綠色設計、模糊設計、面向對象的設計、工業造型設計等。可信性設計是廣義的可靠性設計擴展，主要指可靠性與安全性設計、動態分析與設計、防斷裂設計、健壯設計、耐環境設計等。設計試驗技術包括可靠性試驗、環保性能試驗與控制，以及運用計算機技術的數字仿真試驗和虛擬試驗等。先進制造技術16 精品PPT 二. 數字化設計與數字化產品開發 應用技術 是針對實用目的解決各類具體產品設計領域的技術，如機床、汽車、工程機械、精密機械的現代設計內容，可以看作是現代設計技術派生出來的具體技術群。

13、先進制造技術17 精品PPT 二. 數字化設計與數字化產品開發二. 數字化設計與數字化產品開發1. 數字化設計的特點(1) 具有統一的產品定義模型 數字化設計通過建立產品設計到制造的單一數字化產品定義模型，也是面向PLM的基礎。先進制造技術18 精品PPT 二. 數字化設計與數字化產品開發(2) 實現并行設計 傳統設計在產品定型生產前需經過“樣機生產樣機測試修改設計”的過程，且需反復多次，這不僅耗費物力、財力，還使得產品上市周期延長。 數字化設計則在制造實物模型之前，先進行計算機仿真分析與測試，排除某些設計不合理性。先進制造技術19 精品PPT 二. 數字化設計與數字化產品開發(3) 設計過程

14、中減少或避免實物模型的制造 傳統設計在產品定型生產前需經過“樣機生產樣機測試修改設計”的過程，且需反復多次，這不僅耗費物力、財力，還使得產品上市周期延長。 數字化設計則在制造實物模型之前，先進行計算機仿真分析與測試，排除某些設計不合理性。先進制造技術20 精品PPT 二. 數字化設計與數字化產品開發2. 數字化產品開發方法 21世紀產品的特征是個性化、多樣化、綠色化、微型化、智能化、綜合化 數字化產品開發的概念不僅僅指產品數據模型、數值分析、仿真及其產品數據管理，更重要的，它是一種新的產品開發概念 數字化產品開發是信息時代新的開發模式，它與計算機技術、信息技術在制造中的應用密切相關，以產品數據

15、模型的數據處理、變換、傳遞、共享和可視化為基礎 利用數據的可變性、離散性、共享性、可視性產生了支持產品創新的四種方法，這四種方法可分別支持變異創新、模仿創新、協同創新和自由創新 先進制造技術21 精品PPT 二. 數字化設計與數字化產品開發數字化數字化產品定義產品定義可變可變可視可視可控可控共享共享離散離散引發裝備重大引發裝備重大革命，數字化革命，數字化制造奠定基礎制造奠定基礎2020世紀制造技世紀制造技術的重大突破術的重大突破引發全球制造模式引發全球制造模式和跨國企業出現和跨國企業出現將人的觀察、將人的觀察、思維、想象和思維、想象和操作集為一體操作集為一體實現快速設計，保證設計質量實現快速設

16、計，保證設計質量先進制造技術22 精品PPT 二. 數字化設計與數字化產品開發(1) 數據的可變性參數化、變量化、模塊化設計 產品設計大多數是從已有產品進化而來的，據統計，典型定單產品中的標準件、外購件或變型件占90%，全新零件只占10%左右; 利用參數化、變量化、模塊化建模技術，可方便地修改設計，提高設計的效率，保證設計的質量和可靠性; CAD中的尺寸驅動法是利用參數化、變量化技術修改設計的有力工具; 利用廣義相似理論，通過對功能單元、結構單元的重組可以獲得不同結構形式的系列化產品; 參數化、變量化技術也是配置設計和按定單設計的基礎。先進制造技術23 精品PPT 二. 數字化設計與數字化產品

17、開發先進制造技術24 精品PPT 二. 數字化設計與數字化產品開發(2) 數據的離散性-反求工程和快速原型技術設計 復雜產品的模仿創新是一條減少風險投入，加快產品創新的有效途徑。 反求工程是利用某些測量方法（如三坐標測量、CT、核磁共振、自動斷層掃描法等），在實測數據的基礎上，重構產品三維數據模型的方法。 快速原型技術是20世紀末期制造領域的重大突破，它直接利用CAD的離散數據，簡單、快速、準確地將人的思想轉化成功能原型或零件，淡化了設計與制造的界線 。先進制造技術25 精品PPT 二. 數字化設計與數字化產品開發ScanningPointcloudCAD DrawingSolid Model

18、先進制造技術26 精品PPT 二. 數字化設計與數字化產品開發(3) 數據的共享性-異地協同設計 網絡化技術的發展為實現數字化信息的傳遞和共享提供了技術手段。 不僅有利于顧客的參與，更有利于快速獲得合作伙伴和競爭對手的信息，從而打破了傳統的閉關自守的開發方法。 開放的異地協同設計方法可以充分利用合作伙伴的技術和資源，實現優勢互補、資源共享和雙贏方針。先進制造技術27 精品PPT 二. 數字化設計與數字化產品開發先進制造技術28 精品PPT 二. 數字化設計與數字化產品開發先進制造技術29 精品PPT 二. 數字化設計與數字化產品開發(4) 數據的可視性-虛擬產品開發方法 虛擬產品開發技術（Vi

19、rtual Product Development）是在信息技術、網絡技術、仿真技術和虛擬現實技術基礎上出現的最新數字化產品開發技術。 虛擬產品開發是實際產品開發、制造、使用、維護在計算機上的本質表現， 虛擬產品開發要求全面的產品數據描述和各種可視化的仿真工具及人機交互操作工具。 虛擬產品即存儲在計算機內部的產品數據模型，亦稱數字化原型或數字化樣機（Digital Mock-up）。先進制造技術30 精品PPT 二. 數字化設計與數字化產品開發 虛擬產品開發不是簡單的數字化建模和仿真，它更強調虛擬技術的應用，通過虛擬現實的交互性，沉浸性和想象性達到虛擬產品開發環境的高速逼真化，并可對虛擬原型直

20、接進行操作，產生身臨其境的感覺 數字化樣機是描述產品功能和行為特性的產品數字化模型，它支持產品的多學科優化設計及產品運動學、動力學和使用性能仿真，通過對模型的評估、測試和優化，可以預先了解相應物理樣機的特性 隨著虛擬現實技術的發展，在數字化樣機的基礎上提出了虛擬樣機的概念，它更強調仿真技術和VR技術的應用，通過VR環境中人對虛擬原型的操作，可有效地發揮人的創造性，提高了概念設計和總體設計中的分析、決策能力。先進制造技術31 精品PPT 二. 數字化設計與數字化產品開發先進制造技術32 精品PPT 二. 數字化設計與數字化產品開發先進制造技術33 精品PPT 二. 數字化設計與數字化產品開發先進

21、制造技術34 精品PPT 三. CAD技術及應用三. CAD技術及應用 計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）是20 世紀50 年代末發展起來的綜合性計算機應用技術。它是以計算機為工具，處理產品設計過程中的圖形和數據信息，輔助完成產品設計過程的技術。 CAD 技術包含的內容有；利用計算機進行產品的造型、裝配、工程圖繪制以及相關文檔的設計；進行產品渲染、動態顯示；對產品進行工程分析，如有限元分析、優化設計、可靠性設計、運動學及動力學仿真等。先進制造技術35 精品PPT 三. CAD技術及應用三. CAD技術及應用CAD技術的主要功能 零件造型、產品裝配 產品渲染、動

22、態顯示、運動仿真 工程分析，如有限元分析、優化設計、可靠性設計 繪制工程圖樣、編制物料清單（BOM，Bill of Material )先進制造技術36 精品PPT 三. CAD技術及應用1. CAD 的關鍵技術(1) 產品造型建模技術 線框模型：以頂點和棱邊描述三維形體，為兩表結構； 表面模型：以表面描述形體方法，為三表結構； 實體建模：能完整表示三維的幾何信息和拓撲信息，有掃描表示法、邊界表示法、構造實體幾何法等結構形式； 特征造型：以具有工程語義的各類特征來定義描述形體的方法，便于CAD/CAM技術的集成。先進制造技術37 精品PPT 三. CAD技術及應用(2) 單一數據庫與相關性設計

23、 單一數據庫：與設計相關數據來自同一數據庫，實現產品相關性設計，提高設計質量，縮短開發周期。 相關性設計：任何設計改動，都將及時反映到其它相關環節上。如：零件圖-產品裝配圖-零件數控程序-二維工程圖；左視圖-主視圖-俯視圖-三維實體模型；先進制造技術38 精品PPT 三. CAD技術及應用(3) NURBS曲面造型技術 NURBS（Non-Unifrom Rational B-Splines）可統一自由曲線/曲面和規則曲線/曲面的數學模型，簡化系統結構，有利于曲線、曲面操作和修改。(4) CAD與CAX集成技術 CAD與CAX集成涉及建模技術、工程數據管理、數據交換接口等技術。包括如下集成：

24、CAD/CAE/CAPP/CAM-工程設計領域集成； CAD/ERP-與管理系統集成； 異地、異構系統企業間CAD集成，如全球化設計、虛擬設計、虛擬制造及虛擬企業等。先進制造技術39 精品PPT 三. CAD技術及應用先進制造技術40 精品PPT 三. CAD技術及應用先進制造技術41 精品PPT 三. CAD技術及應用2. CAD 技術的研究熱點 計算機輔助產品的概念設計：建模和推理 計算機支持的協同設計：信息實時可靠交換；異構環境下可靠運行；通訊方法與手段 海量信息處理： 存儲、管理和檢索技術 智能CAD技術：將人工智能技術與CAD技術融為一體，難題：解決人類思維模型建立和表達 CAD與虛

25、擬現實（VR）技術的集成 ： VR向設計者提供視覺、聽覺、觸覺等直觀、自然、實時的感知先進制造技術42 精品PPT 四. CAE 技術及應用四. CAE 技術及應用 CAE仿真技術是以數學理論、相似原理、計算方法、評估理論為基本理論，以計算機技術、信息技術、圖形圖像技術、系統工程技術以及與仿真應用領域有關的專業技術為基礎，以計算機和各種物理效能設備為工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行動態試驗研究的一門多學科綜合性交叉技術先進制造技術43 精品PPT 四. CAE 技術及應用 有限元法FEM（Finite Element Method）一種求解工程數學物理問題近似解的數值分析方法，有限元

26、分析FEA（Finite Element Analysis）則是采用有限元法來近似求解數學物理問題的過程。 有限元法的基本思想是將問題的求解區域劃分離散為一組有限個單元，單元之間按一定方式僅靠節點相互連接在一起的組合體。單元內部點的待求物理量可由單元節點物理量通過選定的函數關系插值求得。將各個單元方程“裝配”在一起而形成總體代數方程組，加入邊界條件后即可對方程組求解。先進制造技術44 精品PPT 四. CAE 技術及應用 活塞運動規律 活塞側擊力曲線 發動機輸出扭矩曲線 某型號發動機運動學動力學仿真模型 先進制造技術45 精品PPT 四. CAE 技術及應用變形結果變形結果先進制造技術46 精品PPT 四. CAE 技術