現代CAD設計技術的內涵

及其發展1現代CAD設計技術的內涵

及其發展1主要內容設計技術的含義與現代設計方法數字化設計技術的發展現代CAD技術計算機仿真設計技術現代設計中知識的作用結束語2主要內容設計技術的含義與現代設計方法2一、設計技術的意義和方法1、

設計的含義引言設計→過程，研究解決怎樣設計（HOW）的問題

方法論描述特性設計程序創造性思維設計→結果，研究解決設計應該怎樣（WHY）的問題

社會價值特性經濟 文化3一、設計技術的意義和方法1、

設計的含義3

有限的資源設計環境有限的理性——入道者成“師”，不入道者成“匠”“以技入道”設計師的成長“由理入道”4有限的資設計的定義Archer（阿切爾）“設計是圍繞目標的問題求解活動”，以心理學研究為基礎問題的定義問題的求解過程問題的求解策略評價設計的標準：設計思維過程的合理性設計工作的目標性5設計的定義5Asimow（阿西莫夫）——“設計是高風險，高不確定條件下的決策過程”設計本質特性是“多方案選擇”→有限理性希望“足夠滿意”不求“唯一最佳方案”Booker（鮑克）——“設計是獲得足夠把握前，對未來產品盡可能多地模擬”實物模型強調模型的作用數字模型計算機模仿真型6Asimow（阿西莫夫）——“設計是高風險，高不確定條件下的Gregory(葛雷佳利)——“設計是拿出使人滿意的產品”→設計以人為本的思想Reswick（李斯威克）——“設計是從無到有的創造”，創造新的有用的事物：科學是研究已有的東西設計是創造新的有用的東西設計知識是科學→用科學活動解釋設計設計是藝術，盡管用到了科學知識7Gregory(葛雷佳利)——“設計是拿出使人滿意的產品”V.Hubka的學術思想（功能和結構設計）以人的需求為根據，利用系統分析的方法經過“技術過程”→“技術系統”→“功能結構圖”→“形態學矩陣”→多個可行方案→綜合擇優等過程，確定尺寸、結構設計的根據。

人→設計主體設計包含了物→設計對象時間→設計過程

客觀科學知識設計的哲學（科學性和藝術性）主觀創新精神8V.Hubka的學術思想（功能和結構設計）8我們的定義：設計是利用必要的的資源和手段，通過人類創造性思維與研究活動，促使理性構想達成“物化”的過程。資源——知識、經驗、材料、信息、環境（人文、社會、經濟等）手段——設計方法、工具、軟硬件思維與研究——知識形成、綜合、升華、飛躍理性構思——符合實際環境條件和設計目標的方案，并經過驗證9我們的定義：設計是利用必要的的資源和手段，通過人類創造性思維2、傳統設計的特點方法——類比、經驗、模型實驗（依賴于經驗）過程——初步設計技術設計詳細設計（串聯方式按部就班進行）環境——手工方法、設計手冊、模型、經驗思維方式——收斂式思維，強調局部設計結果——少方案，設計費用低102、傳統設計的特點103、現代設計的特點系統性——視設計對象為系統，考慮內、外聯系，力求整體最佳創造性——重視人的創造潛力，以創新為目的和標志綜合性——市場需求為導向，兼顧生產、管理、銷售、用戶因素，探索多種解決問題的途徑多解性——可短期提供多個方案，保證設計結果相對最優113、現代設計的特點11設計的環境——信息極為豐富，知識高度融合，新材料、新工藝層出不窮，計算機軟、硬件技術為設計提供了前所未有的良好環境，市場經濟的高度發達，產品的激烈競爭，成為推動現代設計方法發展的社會背景設計觀念——經驗的、類比的、局部的，變成邏輯的、推理的、系統的思維方式——靜態的、少變量和方案的、收斂的變成動態的、多變量的、多方案的、擴散的。12設計的環境——信息極為豐富，知識高度融合，新材料、新工藝層出設計手段——依賴于經驗、手工、實物模型變為依靠分析、計算機軟、硬件功能、數學模型與仿真。設計方法——優化設計、可靠性設計、計算機仿真設計、多剛體動力學分析、有限元分析、現代工業設計、價值工程、反求工程、相似設計，綠色設計等實用設計技術——CAID、CAD、仿真設計、網絡協同設計、虛擬現實與數字化樣機等13設計手段——依賴于經驗、手工、實物模型13機電產品現代設計實例14機電產品現代設計實例14151516161717Ribs18Ribs1819192020二、數字化設計技術的發展1、設計模型及其發展模型——數字化設計技術的基礎，在現代設計中起作核心作用模型的種類靜態模型實物模型動態模型21二、數字化設計技術的發展1、設計模型及其發展21幾何模型符號模型物理模型化學模型等產品設計中模型的作用信息的載體：幾何拓撲、物理特性、工藝裝配、功能維護設計表現形式：外觀視覺、操作性能、結構特點、銷售價值設計信息的載體——產品設計模型的特征22

線框模型（WireFrameModel）——支持簡單的圖形表示表面模型（SurfaceModel）——準確表示物體表面，如曲線、曲面實體模型（SolidModel）——幾何和拓撲意義上完備的設計模型特征模型（FeatureModel）——真正意義上的產品信息載體模型（可包含零部件和產品的表面質量、結構、工藝、裝配、維護等信息，對設計、制造、管理過程意義重大）23線框模型（WireFrameModel）——支持簡單的圖自由曲線（面）的描述A、水下的船體——物理樣條

（1）二階連續，小撓度（2）三類邊界條件（3）無幾何不變性□□□□24自由曲線（面）的描述□□□□24B、三次參數曲線

0=<t=<1(1)便于矢量和矩陣表示，規格化變量形狀僅與型值點位置有關，與坐標系無關形狀數學描述的標準形式（Ferguson,1964）25B、三次參數曲線25C、三次參數曲線的Hermite形式已知參數曲線端點位置和切矢即可定義Hermite曲線，如圖由（1）可得

（2）——Hermite矩陣——Hermite幾何矢量26C、三次參數曲線的Hermite形式26D、Bezier曲線的秘密若：，；；則（2）中的可表示為＋＋＋＋27D、Bezier曲線的秘密＋＋＋＋27代入（2），令2828則i=0,1,2,3.0=<t=<1(3)為三次Bezier曲線的矩陣形式。Bezier曲線的參數方程可寫為

0=<t=<1(4)式中稱為Bernstein基函數當n=3時（4）式即為（3）式29則29三、現代CAD技術一、先進制造技術對CAD的需求T、Q、C、S、E需求

T--最快的上市速度（Timetomarket）Q--最好的質量(Quality)C--最低的成本(Cost)S--最優的服務(Service)E--最清潔的環境(Environment)30三、現代CAD技術一、先進制造技術對CAD的需求30由于設計階段決定了產品成本的70%以上，采用先進制造技術的企業必然將產品設計這個環節視作其生命線，先進設計技術必然成為先進制造技術的核心之一。CAD(ComputerAidedDesign)是使用計算機系統來輔助一項產品或工程設計的建模、修改、分析和優化的過程和技術.它是一種新的設計方法，也是一門多學科綜合應用新技術。

31由于設計階段決定了產品成本的70%以上，采用先進制造技術的企

CAD技術發展的幾個階段第一代CAD系統出現于60年代，技術特點是利用解析幾何的方法定義點、線、圓等圖素,主要用于平面繪圖。第二代CAD系統始于70年代，技術特點是交互式技術及幾何造型系統。三維線框模型、表面模型、實體模型和Sweep、CSG、B-rep等表示法可用于復雜結構的設計.第三代CAD系統始于80年代中期，特征建模和基于約束的參數化和變量化建模方法是其技術特點，保證了二、三維模型修改時的相互關聯性，以及CAD/CAM信息集成。

32CAD技術發展的幾個階段32二、先進制造技術對CAD的影響CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)的影響----信息的集成解決異構環境下信息集成的三個關鍵問題

（1）

產品建模問題（2）

數據交換問題（3）

工程數據管理問題33二、先進制造技術對CAD的影響CIMS(ComputerI并行工程(ConcurrentEngineering,CE)的影響------過程的集成對CAD技術提出了以下要求:(1)支持開發過程的重構和建模。(2)實現協同設計的環境，支持多學科隊伍的協同工作。(3)提供功能集成、信息集成的支持并行設計的CAx(CADCAPPCAM…)和DFx工具.34并行工程(ConcurrentEngineering,C敏捷制造(AgileManufacturing,AE)的影響-------企業的集成敏捷制造模式必須具有敏捷設計的模式:

（1）提供實現產品敏捷設計的使能技術,如

資源共享、信息服務、合作建模、聯盟內的數據管理與設計過程管理等技術。（2）提供支持產品敏捷設計的網絡通信平臺及相關技術的解決方案

35敏捷制造(AgileManufacturing,AE)的影三、現代CAD技術的提出先進制造技術經歷了信息集成—過程集成—企業集成的發展歷程，現代CAD技術也在沿著信息集成—過程集成—企業集成的道路發展。現代CAD技術是指在復雜的大系統環境下,支持產品自動化設計的設計理論和方法、設計環境、設計工具各相關技術的總稱，它們能使設計工作實現集成化、網絡化和智能化，達到提高產品設計質量、降低產品成本和縮短設計周期的目的。

36三、現代CAD技術的提出先進制造技術經歷了信息集成—過程集成現代CAD技術研究的主要問題研究現代設計理論與方法學并行設計、協同設計、虛擬設計、大規模定制設計、綠色設計協同設計環境的支持技術協同設計的管理技術產品數字化定義及建模技術基于PDM產品數據管理與工作流（過程）管理技術發展集成的CAx和DFx工具和計算機仿真技術

37現代CAD技術研究的主要問題研究現代設計理論與方法學37四、現代CAD與計算機仿真技術在機械設計中的應用與展望例：高速卷煙機械的特點高速、高效的自動化機器

靈巧機械與快速測量、控制的綜合系統高速、動態、高可靠性機電一體化典型加工對象材料特殊38四、現代CAD與計算機仿真技術在機械設計中的應用與展望例：

煙草機械的發展趨勢更高的速度和可靠性,更好的動態性能大量使用數字化技術,完成動作及位置的控制,實現柔性調整新的材料輸送原理和技術(如氣動送絲等)新的煙支成型與加工原理新的高速動態檢測原理和技術39煙草機械的發展趨勢39煙支切割裝置的特征建模40煙支切割裝置的特征建模40414142424343研究的主要相關成果（1）

在Pro/E環境下用FB—ABMS系統完整地建立了獵豹越野車一個車型的車身和底板各塊曲面零件的三維CAD特征模型，并實現了上述各零件的三維裝配

;

部件分離圖

內部廣角視圖1

2

3

444研究的主要相關成果（1）在Pro/E環境下用FB—成果用于車身改型設計

基于獵豹越野車整車三維模型的工程應用仿真研究：

◆車身改型設計45成果用于車身改型設計基于獵豹越野車整車三維模型的工程多剛體與有限元耦合仿真46多剛體與有限元耦合仿真46煙支切割裝置仿真分析47煙支切割裝置仿真分析474848SAAB900車安全防護裝置仿真研究49SAAB900車安全防護裝置仿真研究49安全氣囊氣體壓力分布仿真分析50安全氣囊氣體壓力分布仿真分析50研究的主要相關成果（4）

6000米深海集礦機運動仿真（中國大洋協會組織的專家鑒定意見：“用多剛體動力學對復雜的深海集礦機系統進行運動和動力學仿真技術屬國際先進水平”）51研究的主要相關成果（4）

6000米深海集礦機運動仿真（中國525253536000深海集礦機運動和動力分析546000深海集礦機運動和動力分析546000深海集礦機運動和動力分析556000深海集礦機運動和動力分析55深海集礦機仿真56深海集礦機仿真56575758585959606061616262

討論和結語設計分析技術的集成化,網絡化對設計模型提出了新的要求----并行設計PDMSTEP協同設計.三維特征模型和技術是重要發展方向之一.多剛體動力學和有限元方法的有機結合形成了機電產品計算機仿真的基礎,兩者不可偏廢.加強各學科的融合與交叉,在創新的基礎上實現超越式發展是我國機械工業發展必經之路.63討論和結語設計分析技術的集成化,網絡化對設計模型提現代CAD設計技術的內涵

及其發展64現代CAD設計技術的內涵

及其發展1主要內容設計技術的含義與現代設計方法數字化設計技術的發展現代CAD技術計算機仿真設計技術現代設計中知識的作用結束語65主要內容設計技術的含義與現代設計方法2一、設計技術的意義和方法1、

設計的含義引言設計→過程，研究解決怎樣設計（HOW）的問題

方法論描述特性設計程序創造性思維設計→結果，研究解決設計應該怎樣（WHY）的問題

社會價值特性經濟 文化66一、設計技術的意義和方法1、

設計的含義3

有限的資源設計環境有限的理性——入道者成“師”，不入道者成“匠”“以技入道”設計師的成長“由理入道”67有限的資設計的定義Archer（阿切爾）“設計是圍繞目標的問題求解活動”，以心理學研究為基礎問題的定義問題的求解過程問題的求解策略評價設計的標準：設計思維過程的合理性設計工作的目標性68設計的定義5Asimow（阿西莫夫）——“設計是高風險，高不確定條件下的決策過程”設計本質特性是“多方案選擇”→有限理性希望“足夠滿意”不求“唯一最佳方案”Booker（鮑克）——“設計是獲得足夠把握前，對未來產品盡可能多地模擬”實物模型強調模型的作用數字模型計算機模仿真型69Asimow（阿西莫夫）——“設計是高風險，高不確定條件下的Gregory(葛雷佳利)——“設計是拿出使人滿意的產品”→設計以人為本的思想Reswick（李斯威克）——“設計是從無到有的創造”，創造新的有用的事物：科學是研究已有的東西設計是創造新的有用的東西設計知識是科學→用科學活動解釋設計設計是藝術，盡管用到了科學知識70Gregory(葛雷佳利)——“設計是拿出使人滿意的產品”V.Hubka的學術思想（功能和結構設計）以人的需求為根據，利用系統分析的方法經過“技術過程”→“技術系統”→“功能結構圖”→“形態學矩陣”→多個可行方案→綜合擇優等過程，確定尺寸、結構設計的根據。

人→設計主體設計包含了物→設計對象時間→設計過程

客觀科學知識設計的哲學（科學性和藝術性）主觀創新精神71V.Hubka的學術思想（功能和結構設計）8我們的定義：設計是利用必要的的資源和手段，通過人類創造性思維與研究活動，促使理性構想達成“物化”的過程。資源——知識、經驗、材料、信息、環境（人文、社會、經濟等）手段——設計方法、工具、軟硬件思維與研究——知識形成、綜合、升華、飛躍理性構思——符合實際環境條件和設計目標的方案，并經過驗證72我們的定義：設計是利用必要的的資源和手段，通過人類創造性思維2、傳統設計的特點方法——類比、經驗、模型實驗（依賴于經驗）過程——初步設計技術設計詳細設計（串聯方式按部就班進行）環境——手工方法、設計手冊、模型、經驗思維方式——收斂式思維，強調局部設計結果——少方案，設計費用低732、傳統設計的特點103、現代設計的特點系統性——視設計對象為系統，考慮內、外聯系，力求整體最佳創造性——重視人的創造潛力，以創新為目的和標志綜合性——市場需求為導向，兼顧生產、管理、銷售、用戶因素，探索多種解決問題的途徑多解性——可短期提供多個方案，保證設計結果相對最優743、現代設計的特點11設計的環境——信息極為豐富，知識高度融合，新材料、新工藝層出不窮，計算機軟、硬件技術為設計提供了前所未有的良好環境，市場經濟的高度發達，產品的激烈競爭，成為推動現代設計方法發展的社會背景設計觀念——經驗的、類比的、局部的，變成邏輯的、推理的、系統的思維方式——靜態的、少變量和方案的、收斂的變成動態的、多變量的、多方案的、擴散的。75設計的環境——信息極為豐富，知識高度融合，新材料、新工藝層出設計手段——依賴于經驗、手工、實物模型變為依靠分析、計算機軟、硬件功能、數學模型與仿真。設計方法——優化設計、可靠性設計、計算機仿真設計、多剛體動力學分析、有限元分析、現代工業設計、價值工程、反求工程、相似設計，綠色設計等實用設計技術——CAID、CAD、仿真設計、網絡協同設計、虛擬現實與數字化樣機等76設計手段——依賴于經驗、手工、實物模型13機電產品現代設計實例77機電產品現代設計實例14781579168017Ribs81Ribs1882198320二、數字化設計技術的發展1、設計模型及其發展模型——數字化設計技術的基礎，在現代設計中起作核心作用模型的種類靜態模型實物模型動態模型84二、數字化設計技術的發展1、設計模型及其發展21幾何模型符號模型物理模型化學模型等產品設計中模型的作用信息的載體：幾何拓撲、物理特性、工藝裝配、功能維護設計表現形式：外觀視覺、操作性能、結構特點、銷售價值設計信息的載體——產品設計模型的特征85

線框模型（WireFrameModel）——支持簡單的圖形表示表面模型（SurfaceModel）——準確表示物體表面，如曲線、曲面實體模型（SolidModel）——幾何和拓撲意義上完備的設計模型特征模型（FeatureModel）——真正意義上的產品信息載體模型（可包含零部件和產品的表面質量、結構、工藝、裝配、維護等信息，對設計、制造、管理過程意義重大）86線框模型（WireFrameModel）——支持簡單的圖自由曲線（面）的描述A、水下的船體——物理樣條

（1）二階連續，小撓度（2）三類邊界條件（3）無幾何不變性□□□□87自由曲線（面）的描述□□□□24B、三次參數曲線

0=<t=<1(1)便于矢量和矩陣表示，規格化變量形狀僅與型值點位置有關，與坐標系無關形狀數學描述的標準形式（Ferguson,1964）88B、三次參數曲線25C、三次參數曲線的Hermite形式已知參數曲線端點位置和切矢即可定義Hermite曲線，如圖由（1）可得

（2）——Hermite矩陣——Hermite幾何矢量89C、三次參數曲線的Hermite形式26D、Bezier曲線的秘密若：，；；則（2）中的可表示為＋＋＋＋90D、Bezier曲線的秘密＋＋＋＋27代入（2），令9128則i=0,1,2,3.0=<t=<1(3)為三次Bezier曲線的矩陣形式。Bezier曲線的參數方程可寫為

0=<t=<1(4)式中稱為Bernstein基函數當n=3時（4）式即為（3）式92則29三、現代CAD技術一、先進制造技術對CAD的需求T、Q、C、S、E需求

T--最快的上市速度（Timetomarket）Q--最好的質量(Quality)C--最低的成本(Cost)S--最優的服務(Service)E--最清潔的環境(Environment)93三、現代CAD技術一、先進制造技術對CAD的需求30由于設計階段決定了產品成本的70%以上，采用先進制造技術的企業必然將產品設計這個環節視作其生命線，先進設計技術必然成為先進制造技術的核心之一。CAD(ComputerAidedDesign)是使用計算機系統來輔助一項產品或工程設計的建模、修改、分析和優化的過程和技術.它是一種新的設計方法，也是一門多學科綜合應用新技術。

94由于設計階段決定了產品成本的70%以上，采用先進制造技術的企

CAD技術發展的幾個階段第一代CAD系統出現于60年代，技術特點是利用解析幾何的方法定義點、線、圓等圖素,主要用于平面繪圖。第二代CAD系統始于70年代，技術特點是交互式技術及幾何造型系統。三維線框模型、表面模型、實體模型和Sweep、CSG、B-rep等表示法可用于復雜結構的設計.第三代CAD系統始于80年代中期，特征建模和基于約束的參數化和變量化建模方法是其技術特點，保證了二、三維模型修改時的相互關聯性，以及CAD/CAM信息集成。

95CAD技術發展的幾個階段32二、先進制造技術對CAD的影響CIMS(ComputerIntegratedManufacturingSystem)的影響----信息的集成解決異構環境下信息集成的三個關鍵問題

（1）

產品建模問題（2）

數據交換問題（3）

工程數據管理問題96二、先進制造技術對CAD的影響CIMS(ComputerI并行工程(ConcurrentEngineering,CE)的影響------過程的集成對CAD技術提出了以下要求:(1)支持開發過程的重構和建模。(2)實現協同設計的環境，支持多學科隊伍的協同工作。(3)提供功能集成、信息集成的支持并行設計的CAx(CADCAPPCAM…)和DFx工具.97并行工程(ConcurrentEngineering,C敏捷制造(AgileManufacturing,AE)的影響-------企業的集成敏捷制造模式必須具有敏捷設計的模式:

（1）提供實現產品敏捷設計的使能技術,如

資源共享、信息服務、合作建模、聯盟內的數據管理與設計過程管理等技術。（2）提供支持產品敏捷設計的網絡通信平臺及相關技術的解決方案

98敏捷制造(AgileManufacturing,AE)的影三、現代