现代设计技术的内涵与体系结构课件.ppt

1、现代设计技术的内涵与体系结构第二章 现代设计技术2.1 2.1 现代设计技术的内涵与体系结构现代设计技术的内涵与体系结构2.2 2.2 计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)(CAD)技术技术2.3 2.3 有有限元分析限元分析2.4 2.4 现代设计方法现代设计方法第二章 现代设计技术2.1 2.1 现代设计技术的内涵与体系结构现代设计技术的内涵与体系结构2.2 2.2 计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)(CAD)技术技术2.3 2.3 有有限元分析限元分析2.4 2.4 现代设计方法现代设计方法2.1 2.1 现代设计技术内涵与体系结构现代设计技术内涵与体系结构2.1.1 2.1.1

2、机械设计发展的基本历程机械设计发展的基本历程2.1.2 2.1.2 现代设计技术的内涵和特点现代设计技术的内涵和特点2.1.3 2.1.3 现代设计技术体系结构现代设计技术体系结构 2.1.1 现代设计技术的内涵与特点 (1).设计、设计技术的定义设计技术设计技术设计设计(2).设计技术的发展设计技术的发展n传统设计技术传统设计技术n现代设计技术现代设计技术 主要依靠设计者的经验，并参考类主要依靠设计者的经验，并参考类似的机械设计经验，即通过类比分似的机械设计经验，即通过类比分析的方法进行设计析的方法进行设计 以电子计算为手段，建立在现代管以电子计算为手段，建立在现代管理技术之上，运用工程设计

3、的新理理技术之上，运用工程设计的新理念和新方法，实现计算结果最优化、念和新方法，实现计算结果最优化、设计过程高效化和自动化的设计技设计过程高效化和自动化的设计技术。术。动态、科学、主动、现代方法和手段动态、科学、主动、现代方法和手段传统设计技术的继承和发展，多专业传统设计技术的继承和发展，多专业和多学科交叉，综合性技术和多学科交叉，综合性技术。现代设计现代设计技术技术静态、经验、被动、手工静态、经验、被动、手工传统设计传统设计技术技术（3）.现代设计技术的特点1.1.产品结构分析的定量化；产品结构分析的定量化；2.2.产品工作状态分析的动态化；产品工作状态分析的动态化；3.3.产品质量分析的可

4、靠化；产品质量分析的可靠化；4.4.产品设计结果的最优化；产品设计结果的最优化；5.5.产品设计过程的高效化和自动化。产品设计过程的高效化和自动化。引入有限元及边界元有限元及边界元方法，实现对任何产品的定量化分析利用理论及测试数据建造与实际工况相符合的数学模型数学模型，通过计算机分析计算分析计算，预测产品的动态性能和动态性能和改进效果改进效果把零部件或整机中各种具有离散性的性能离散性的性能及参数及参数均视为随机变随机变量量。基于概率论建造建造模型并进行分析计算模型并进行分析计算，从而定量地作出产品质量的可靠性预测根据产品的设计目标、性能及要求构造数学数学模型模型，应用数学规划数学规划理论和数值

5、计算理论和数值计算方法，通过计算机求得最优化结果教会计算机，让计算计算机机完成设计过程的高效化和自动化主体技术基础技术支撑技术应用技术传统设计理论与方法各产品领域知识与技术计算机辅助设计技术现代设计方法学可信性设计技术设计试验技术相关学科与技术先进制造工艺材料科学自动化技术系统管理技术自然科学政治经济文化社会科学市场营销学.现代设计技术体系结构框图（4）.现代设计技术体系现代设计技术由现代设计技术由4个不同层次的技术所组成，计算机辅助设计技术个不同层次的技术所组成，计算机辅助设计技术CAD是是现代设计技术的主体技术现代设计技术的主体技术CADCAD技术、优化设计、有限元分析、技术、优化设计、有

6、限元分析、虚拟设计和工程数据库。虚拟设计和工程数据库。系统设计、模块化设计、反求工系统设计、模块化设计、反求工程、绿色设计、模糊设计和工业程、绿色设计、模糊设计和工业设计等。设计等。可靠性设计、安全性设计、动态可靠性设计、安全性设计、动态设计、疲劳设计、耐腐蚀设计、设计、疲劳设计、耐腐蚀设计、健壮设计和人机工程设计等。健壮设计和人机工程设计等。产品的性能试验、可靠性试验、产品的性能试验、可靠性试验、数字仿真试验和虚拟试验等。数字仿真试验和虚拟试验等。n1.1.基础技术基础技术（理论基础+发展源泉）n基础技术是指传统的设计理论与方法，特别是运动学、静力学与动力学、基础技术是指传统的设计理论与方法

7、，特别是运动学、静力学与动力学、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等。材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等。n2.2.主体技术主体技术（主干）n现代设计技术的诞生和发展与计算机技术的发展息息相关、相辅相成。现代设计技术的诞生和发展与计算机技术的发展息息相关、相辅相成。计算机科学与设计技术结合产生计算机辅助设计、智能计算机科学与设计技术结合产生计算机辅助设计、智能CAD(Intelligent CAD(Intelligent CADCAD，ICAD)ICAD)、优化设计、有限元分析程序、模拟仿真、虚拟设计和工程数、优化设计、有限元分析程序、模拟

8、仿真、虚拟设计和工程数据库等技术。运用现代设计技术的多种理论与方法如优化设计、可靠性设据库等技术。运用现代设计技术的多种理论与方法如优化设计、可靠性设计、模糊设计等理论构造的数学模型，来编制计算机应用程序，可以更广计、模糊设计等理论构造的数学模型，来编制计算机应用程序，可以更广泛、更深入地模拟人的推理与思维，从而提高计算机的泛、更深入地模拟人的推理与思维，从而提高计算机的“智力智力”。因此计因此计算机辅助设计技术正是以它对数值计算和对信息与知识的独特处理能力，算机辅助设计技术正是以它对数值计算和对信息与知识的独特处理能力，成为现代设计技术群体的主干，即主体技术。成为现代设计技术群体的主干，即主

9、体技术。n3.3.支撑技术支撑技术n 支撑技术主要有现代设计方法学、可信性设计技术、试验设支撑技术主要有现代设计方法学、可信性设计技术、试验设计技术。计技术。n 现代设计方法学涉及的内容很广，如并行设计、系统设计、现代设计方法学涉及的内容很广，如并行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配制、反求工程、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配制、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象设计、工业造型设计等。绿色设计、模糊设计、面向对象设计、工业造型设计等。n 可信性设计是广义的可靠性设计的扩展，主要指可靠性与安可信性设计是广义的可靠性设计的扩展，主要指可靠性与安全性设计、动态

10、分析与设计、防断裂设计、健壮设计、耐环境设全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、健壮设计、耐环境设计等。计等。n 试验设计技术包括可靠性试验、环保性能试验与控制，以及试验设计技术包括可靠性试验、环保性能试验与控制，以及运用计算机技术的数字仿真试验和虚拟试验等。运用计算机技术的数字仿真试验和虚拟试验等。n4.4.应用技术应用技术n应用技术是针对使用目的解决各类具体产品设计问题的技术，应用技术是针对使用目的解决各类具体产品设计问题的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械的现代设计内容可以看作是如机床、汽车、工程机械、精密机械的现代设计内容可以看作是现代设计技术派生出来的具体技术群。现代设计技术派生

11、出来的具体技术群。nn 现代设计已扩展到产品规划、制造、营销、运行、回收等各现代设计已扩展到产品规划、制造、营销、运行、回收等各个方面，除了必要的传统设计理论与方法的基础知识外，相关的个方面，除了必要的传统设计理论与方法的基础知识外，相关的学科与技术，学科与技术，尤其是制造工艺、自动化技术、尤其是制造工艺、自动化技术、系统管理技术、材系统管理技术、材料知识与经验及广泛的自然科学知识等也是十分必要的。此外，料知识与经验及广泛的自然科学知识等也是十分必要的。此外，设计产品总是以满足社会需求为目的的，因此，设计人员还应具设计产品总是以满足社会需求为目的的，因此，设计人员还应具备政治、经济、法律、人文

12、社会、艺术等方面的知识与素养。备政治、经济、法律、人文社会、艺术等方面的知识与素养。是以计算机计算机为工具，处理产品设计过程中的图图形和数据信息形和数据信息，辅助完成产品设计过程的综合计综合计算机应用技术算机应用技术2.2.1 计算机辅助设计的基本概念计算机辅助设计概念计算机辅助设计概念2.2 计算机辅助设计（CAD）技术求解结果：B=4mm,D=44.稳定性约束条件压应力不大于压杆稳定的临界应力k：失效率 产品工作到某一时刻后，在单位时间内发生故障的概率。为了优化算法与处理程序的统一，可将目标函数均规格化为求极小化问题，即系统设计、模块化设计、反求工程、绿色设计、模糊设计和工业设计等。有限元

13、分析电磁场分析反求技术以已有的先进产品或设备的实物、软件（图样、程序、技术文件等）或影像（图片、照片等）为研究对象，应用现代化的手段和理论，解剖并掌握所研究对象的关键技术，进行创新，开发出新产品，实行“样品-反求-再创造设计-产品”的新产品设计开发过程。如：IGES（Initial Graghical Exchange System)图形交换标准；设计变量和设计约束条件的确定采用机构运动学和动力学分析，计算运动件运动历程和运动副力传递历程。并联运动机床的应力与应变分析2、单一数据库与相关性设计Runge-Kutta法，差分法）各种方法和手段并联运动机床的应力与应变分析 零件造型、产品装配、工程

14、图绘制、文档设计 产品渲染、动态显示 工程分析，如有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动学及动力学仿真2.2.1 计算机辅助设计的基本概念CADCAD技术主要功能技术主要功能3DMAX3DMAXUG 有限元分析(1)20(1)20世纪世纪5050年代年代 CAD CAD技术的萌芽期。技术的萌芽期。19501950年美国麻省理工学院研制出旋风型图形显示设备年美国麻省理工学院研制出旋风型图形显示设备(2)20(2)20世纪世纪6060年代年代 CAD CAD技术的成长期。技术的成长期。19621962年年SketchPADSketchPAD图形系统、首次提出了计算机图形学；图形系统、首次提出了计算

15、机图形学；19651965年美国洛克年美国洛克希德飞机公司推出希德飞机公司推出CAD/CAMCAD/CAM(3)20(3)20世纪世纪7070年代年代 CAD CAD技术的发展期。技术的发展期。三维建模及绘图工具，曲面模型得到初步应用三维建模及绘图工具，曲面模型得到初步应用(4)20(4)20世纪世纪8080年代年代 CAD CAD技术的普及期。技术的普及期。复杂曲面描述技术，实体建模技术趋于成熟。复杂曲面描述技术，实体建模技术趋于成熟。(5)20(5)20世纪世纪9090年代年代 CAD CAD技术集成化期。技术集成化期。网络环境下的网络环境下的CADCAD系统成为主流的设计平台系统成为主流

16、的设计平台2.2.2 计算机辅助设计的产生背景1、产品造型建模技术、产品造型建模技术 线框模型：以顶点和棱边描述三维形体，为两表结构；表面模型：以表面描述形体方法，为三表结构；实体建模：能完整表示三维的几何信息和拓扑信息，有 扫描表示法、边界表示法、构造实体几何法等结构形式；特征模型：以具有工程语义的各类特征来定义描述形体的方法，便于CAD/CAM技术的集成。2、单一数据库与相关性设计、单一数据库与相关性设计单一数据库：与设计相关数据来自同一数据库，实现产品相关性设计，提高设计质量，缩短开发周期。相关性设计：任何设计改动，都将及时反映到其它相关环节上。如：零件图-产品装配图-零件数控程序-二维

17、工程图；左视图-主视图-俯视图-三维实体模型；特征建模特征建模3、NURBS曲面造型技术曲面造型技术 NURBS（Non-Unifrom Rational B-Splines）可统一自由曲线）可统一自由曲线/曲面曲面和规则曲线和规则曲线/曲面的数学模型，简化系统结构，有利于曲线、曲面操作曲面的数学模型，简化系统结构，有利于曲线、曲面操作和修改。和修改。4、CAD与与CAX集成技术集成技术 CAD与与CAX集成涉及建模技术、工程数据管理、数据交换接口等技集成涉及建模技术、工程数据管理、数据交换接口等技术。包括如下集成：术。包括如下集成：CAD/CAE/CAPP/CAM-工程设计领域集成；工程设计

18、领域集成；CAD/ERP-与管理系统集成；与管理系统集成；异地、异构系统企业间异地、异构系统企业间CAD集成，如全球化设计、虚拟设计、虚集成，如全球化设计、虚拟设计、虚拟制造及虚拟企业等。拟制造及虚拟企业等。5、标准化技术、标准化技术 目的：支持异构、跨平台的工作环境。如：目的：支持异构、跨平台的工作环境。如：IGES（Initial Graghical Exchange System)图形交换标准；图形交换标准；STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)产品数据模型交换标准。产品数据模型交换标准。计算机辅助产品的概念设计计算机辅

19、助产品的概念设计 难题：建模和推理难题：建模和推理计算机支持的协同设计计算机支持的协同设计 难题：信息实时可靠交换；异构环境下可靠运行；通讯方法与手难题：信息实时可靠交换；异构环境下可靠运行；通讯方法与手段段海量信息处理海量信息处理 存储、管理和检索技术存储、管理和检索技术 智能智能CAD技术：将人工智能技术与技术：将人工智能技术与CAD技术融为一体，难题：解决人技术融为一体，难题：解决人类思维模型建立和表达类思维模型建立和表达 CAD与虚拟现实（与虚拟现实（VR）技术的集成）技术的集成 VR向设计者提供视觉、听觉、触觉等直观、自然、实时的感知，向设计者提供视觉、听觉、触觉等直观、自然、实时的

20、感知，目前目前VR所需软硬件价格昂贵，技术开发难度大所需软硬件价格昂贵，技术开发难度大计算机安全计算机安全 技术保密，防病毒感染技术保密，防病毒感染多用途车概念设计基本结构平台多用途车概念设计基本结构平台多用途车概念设计多用途车概念设计矿山运输车矿山运输车多用途车概念设计多用途车概念设计油罐车油罐车多用途车概念设计多用途车概念设计集装箱运输车集装箱运输车装甲车辆概念设计装甲车辆概念设计型，再应用优化设计和计算机找到最优的设计方案。建立物理问题的数学方程和寻求所建立方程的解算方法是数学、物理界最主要的工作之一。飞机齿轮的应力及应变分析有限元分析制造系统仿真产品设计结果的最优化；设计技术：设计过程

21、中解决具体设计问题的2）规定的条件：环境条件、维护条件、使用条件电熨斗在恒温控制时的热场某汽车模具厂现场扫描的实例(1)20世纪50年代 CAD技术的萌芽期。产品设计过程的高效化和自动化。从产品成本考虑：原材料昂贵、加工成本高的产品；计算机辅助设计软件的应用有限元法FEM（Finite Element Method）一种求解工程数学物理问题近似解的数值分析方法，有限元分析FEA（Finite Element Analysis）则是采用有限元法来近似求解数学物理问题的过程。3 计算机辅助设计的关键技术机车概念设计机车概念设计建立物理问题的数学方程和寻求所建立方程的解算方法是数学、物理建立物理问题

22、的数学方程和寻求所建立方程的解算方法是数学、物理界最主要的工作之一。界最主要的工作之一。有限元法是求解微分方程的一种数值方法。有限元法是求解微分方程的一种数值方法。微分方程的重要性决定了有限元的理论及工程意义。微分方程的重要性决定了有限元的理论及工程意义。一元一元N次方程次方程（直接求解、（直接求解、数值迭代）数值迭代）常微分方程常微分方程（直接积分，（直接积分，Euler法，法，Runge-Kutta法，差分法）法，差分法）偏微分方程偏微分方程（差分法，边界元法，（差分法，边界元法，Ritz法，法，Galerkin法法,有限元法有限元法).方程（解法）方程（解法）有限元法有限元法 有限元法有

23、限元法FEM（Finite Element Method）一种求解工程数学物理）一种求解工程数学物理问题近似解的数值分析方法，有限元分析问题近似解的数值分析方法，有限元分析FEA（Finite Element Analysis）则是采用有限元法来近似求解数学物理问题的过程。）则是采用有限元法来近似求解数学物理问题的过程。有限元法的基本思想是将物体（即连续求解域）离散成有限个且有限元法的基本思想是将物体（即连续求解域）离散成有限个且按一定方式相互连接在一起的单元组合，来模拟或逼近原来的物体，按一定方式相互连接在一起的单元组合，来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限

24、自由度问题进行从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题进行求解。求解。性能仿真分析性能仿真分析 发动机热力循环仿真模型 动力传动系统模型 结构参数、计算参数 求解 各构件转速仿真结果 外加激励、计算参数 运动学动力学仿真分析运动学动力学仿真分析 活塞运动规律 活塞侧击力曲线 发动机输出扭矩曲线 某型号发动机运动学动力学仿真模型 结构分析结构分析 三维实体模型三维实体模型 网格模型及主应力分析结果网格模型及主应力分析结果 三维实体模型三维实体模型 网格模型网格模型变形结果变形结果曲轴连杆应力变化曲轴连杆应力变化机床动刚度分析位移云图机床动刚度分析位移云图xyzzyx齿轮接触应力分

25、析齿轮接触应力分析流体动力学分析流体动力学分析 双层水腔气缸盖 的三维实体模型 双层水腔气缸盖 的水流计算网格 冷却水流入口流量对冷 却效果影响的规律曲线 气缸盖温 度分布图 冷却水流 涡流分布图 冷却水流的 总压力分布图 冷却水流的速 度矢量分布图 Gulf 球头的流体分析仿真球头的流体分析仿真4mm W=10.为了优化算法与处理程序的统一，可将目标函数均规格化为求极小化问题，即CAD与虚拟现实（VR）技术的集成控制系统仿真分析产品结构分析的定量化；5）功能略有下降，成本有更大的下降。把零部件或整机中各种具有离散性的性能及参数均视为随机变量。最佳值可能是极大值，也可能是极小值。一汽“小红旗”

26、轿车油底壳一次深 拉延模拟与模面优化设计minF(X)=-maxF(X)或1 有限元法的基本概念和特点(1)20世纪50年代 CAD技术的萌芽期。(1)20世纪50年代 CAD技术的萌芽期。1962年SketchPAD图形系统、首次提出了计算机图形学；有限元法FEM（Finite Element Method）一种求解工程数学物理问题近似解的数值分析方法，有限元分析FEA（Finite Element Analysis）则是采用有限元法来近似求解数学物理问题的过程。热分析热分析 马蹄形磁铁的磁场有限元分析马蹄形磁铁的磁场有限元分析汽车磁场分布分析图汽车磁场分布分析图PAM-CRASH分析轿车安

27、全分析轿车安全气囊气囊轿车侧撞有限元仿真模拟之一轿车侧撞有限元仿真模拟之一轿车侧撞有限元仿真模拟之二轿车侧撞有限元仿真模拟之二轿车侧撞有限元仿真模拟之三轿车侧撞有限元仿真模拟之三汽车碰撞汽车碰撞多物理场耦合仿真多物理场耦合仿真 双层水腔气缸盖三维模型 双层水腔气缸盖水流计算网格模型 气缸盖温度场分布图 气缸盖实体模型 单缸预紧工况下耦合分析结果 单缸爆发工况下耦合分析结果 控制系统仿真分析控制系统仿真分析 制造系统仿真分析制造系统仿真分析 缸盖仿真铸型 缸盖型腔网格模型 充型过程温度场 温度梯度场 铸造过程模拟铸造过程模拟冲压仿真冲压仿真铸件凝固过程的仿真铸件凝固过程的仿真冲压有限元仿真模拟冲

28、压有限元仿真模拟机构分析、虚拟样机仿真机构分析、虚拟样机仿真 采用机构运动学和动力学分析，计算运动件运动历程和运动副采用机构运动学和动力学分析，计算运动件运动历程和运动副力传递历程。力传递历程。进行多体系统分析，考虑结构件的柔度和阻尼等条件。进行多体系统分析，考虑结构件的柔度和阻尼等条件。根据工作过程动态模拟，进行装配干涉分析。根据工作过程动态模拟，进行装配干涉分析。发动机运动件模拟发动机运动件模拟控制机构运动分析控制机构运动分析发动机工作过程仿真发动机工作过程仿真虚拟人检验飞机的可维修性优化设计不仅要使所选择方案的设计指标达到最佳值，同时还必须满足一系列的附加设计条件，这些附加设计都构成对设

29、计变量取值的限制，在优化设计中被称为设计约束。利用理论及测试数据建造与实际工况相符合的数学模型，通过计算机分析计算，预测产品的动态性能和改进效果1 现代设计技术内涵与体系结构轿车侧撞有限元仿真模拟之一流体动力学分析进行多体系统分析，考虑结构件的柔度和阻尼等条件。强度约束条件压应力不大于屈服极限s：为了优化算法与处理程序的统一，可将目标函数均规格化为求极小化问题，即一汽“小红旗”轿车油底壳一次深 拉延模拟与模面优化设计有限元分析加工成形过程仿真(3)选择优化求解方法，分析优化结果有限元分析制造系统仿真为了优化算法与处理程序的统一，可将目标函数均规格化为求极小化问题，即求解结果：B=4mm,D=4

30、4.加工与成形过程建模和仿真加工与成形过程建模和仿真 加工过程的建模和仿真目前应用最多的是切削加工过程的运动加工过程的建模和仿真目前应用最多的是切削加工过程的运动学仿真，主要用于刀具路径轨迹规划和运动过程的干涉检测，很多学仿真，主要用于刀具路径轨迹规划和运动过程的干涉检测，很多商品化如商品化如Rro-E、UG等等CAD软件都提供了该项功能；软件都提供了该项功能；为了实现对加工过程的动力学仿真和精度仿真，需要针对不同切为了实现对加工过程的动力学仿真和精度仿真，需要针对不同切削加工方法，如车、铣、钻、镗等，建立由相应机床、刀具、工装、削加工方法，如车、铣、钻、镗等，建立由相应机床、刀具、工装、工件

31、等组成的切削系统动力学模型及误差分析模型工件等组成的切削系统动力学模型及误差分析模型刀具路径轨迹规划刀具路径轨迹规划垂直进刀垂直进刀 步进进刀步进进刀 斜线进刀斜线进刀 之字形进刀之字形进刀 螺旋进刀螺旋进刀 不同的切入方式不同的切入方式以被加工件曲率为依据，以走刀路以被加工件曲率为依据，以走刀路径最大长度为目标的刀具路径优化径最大长度为目标的刀具路径优化刀具路径速度变化图刀具路径速度变化图 不同层之间切削刀不同层之间切削刀具以螺旋方式运动具以螺旋方式运动 车削成形过程的仿真可对切削力、切削温度进行预测，车削成形过程的仿真可对切削力、切削温度进行预测，基于基于ALE方法的模型对切削力的预测误差

32、在方法的模型对切削力的预测误差在10以内以内 高速切削过程的变形仿真高速切削过程的变形仿真2.4 现代设计方法2.4.12.4.1并行设计并行设计 关于并行工程的定义目前国际上有多种提法，被普关于并行工程的定义目前国际上有多种提法，被普遍采用的是美国防务研究所遍采用的是美国防务研究所19881988年年1212月在第一届月在第一届CECE专题专题研讨会上给出的定义：研讨会上给出的定义：“并行工程是一种对产品及其相并行工程是一种对产品及其相关过程关过程(包括制造过程和支持过程包括制造过程和支持过程)进行并行的、一体化进行并行的、一体化设计的工作模式。这种工作模式可使产品开发人员一开设计的工作模式

33、。这种工作模式可使产品开发人员一开始就能从产品的关键技术进行全面始就能从产品的关键技术进行全面 考虑，以达到降低成本、提高产品质量和缩短开发周期考虑，以达到降低成本、提高产品质量和缩短开发周期的目的。的目的。2.4.2 2.4.2 反求工程反求工程 反求工程反求工程(Reverse Engineering)(Reverse Engineering)又称逆向又称逆向工程或逆向设计。这是近年来为消化并提高引进工程或逆向设计。这是近年来为消化并提高引进高新技术而发展起来的一项综合性技术。高新技术而发展起来的一项综合性技术。它指用一定的测量手段对实物或模型进行测它指用一定的测量手段对实物或模型进行测量

34、，根据测量数据通过三维几何建模方法，重构量，根据测量数据通过三维几何建模方法，重构实物的实物的CADCAD模型，从而实现产品设计与制造的过模型，从而实现产品设计与制造的过程。程。反求技术以已有的先进产品或设备的实物、软件（图反求技术以已有的先进产品或设备的实物、软件（图样、程序、技术文件等）或影像（图片、照片等）为研究样、程序、技术文件等）或影像（图片、照片等）为研究对象，应用现代化的手段和理论，解剖并掌握所研究对象对象，应用现代化的手段和理论，解剖并掌握所研究对象的关键技术，进行创新，开发出新产品，实行的关键技术，进行创新，开发出新产品，实行“样品样品-反反求求-再创造设计再创造设计-产品产

35、品”的新产品设计开发过程。具有关文的新产品设计开发过程。具有关文献统计，反求工程可以缩短新产品开发周期献统计，反求工程可以缩短新产品开发周期40%40%以上，是以上，是提高新产品开发能力的有效手段。提高新产品开发能力的有效手段。反求工程的关键技术：反求工程的关键技术：1.1.数据测量技术数据测量技术:传统的接触式测量法（三坐标测量机法）；非接触测量法传统的接触式测量法（三坐标测量机法）；非接触测量法（投影光栅法、激光三角法、工业（投影光栅法、激光三角法、工业CTCT法、核磁共振法、自法、核磁共振法、自动断层扫描法）动断层扫描法）2.2.数据预处理技术数据预处理技术噪声点过滤、数据点区分、数据点

36、精简、数据点平滑噪声点过滤、数据点区分、数据点精简、数据点平滑3.3.模型重构及产品制造技术模型重构及产品制造技术测量技术点数据处理过程点数据处理过程曲线处理过程曲线处理过程曲面处理过程曲面处理过程应用领域应用领域 (1)新零件的设计，主要用于产品的改型或彷型设计。(2)已有零件的复制，再现原产品的设计意图。(3)损坏或磨损零件的还原。(4)数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较。应用领域应用领域 民用领域民用领域 三维彩色数字摄影、三维型面检测人体数字化、服装CAD、人体建模、人体数字雕塑、三维面容识别医学仿生、医学测量与模拟、整形美容及正畸的模拟与评价三维

37、彩色数字化、数字博物馆、有形文物及档案的管理、鉴定与复制三维动画影片的制作、3D游戏建模、三维游戏中三维模型的输入与建立公安刑侦、脚印、工具痕迹、弹痕采集及数字化 应用领域应用领域 工业领域工业领域 工业产品的检测与测量、产品及模具的逆向工程(汽车，航空，家电工业)零部件形状变形检测、形状测量、研究测量、工业在线检测工业产品造型中的逆向三维重构设计物理模型转换到数字模型工业产品及零部件的质量检测工业品的解析与仿制工业研究实验的检测工具模具设计与检测领域 某汽车模具厂现场扫描的实例 三维扫描仪对物体多方位多角度进行拍摄 利用被测物体表面的特征点或者标记点自动拼接后获得的完整点云数据 经过对原始数

38、据进行除噪、取样后获得高质量的点云数据从点云数据中提取特征线、边界线 逆向软件中建成模型 在逆向件中数模对比分析，检验产品 实例人体数据扫描、三角面片处理、雕塑快速成型加工人体数据扫描、三角面片处理、雕塑快速成型加工制作的整套解决方案制作的整套解决方案 2.4.3 2.4.3 模块化设计模块化设计 n 模块化设计概念模块化设计概念n模块化设计是指对一定范围内的不同功能或相同功能模块化设计是指对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不设计出一系列功能模

39、块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。模块特征：模块特征：相对独立性、互换性、通用性相对独立性、互换性、通用性 2.4.4 2.4.4 绿色产品设计绿色产品设计 n绿色设计概念绿色设计概念 绿色设计是指在产品全生命周期内，着重考虑产品环境属性绿色设计是指在产品全生命周期内，着重考虑产品环境属性(自然资自然资源的利用、环境影响及可拆卸性、可回收性、可重复利用性等源的利用、环境影响及可拆卸性、可回收性、可重复利用性等)，并将其，并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，并行地考虑产品应有的基作为设计目标，在满足环境目标

40、要求的同时，并行地考虑产品应有的基本功能、使用寿命、经济性和质量等。本功能、使用寿命、经济性和质量等。n绿色产品的特点：绿色产品的特点：(1)(1)扩大了产品生命周期。扩大了产品生命周期。(2)(2)有利于环境保护，降低资源要求。有利于环境保护，降低资源要求。绿色设计2.4.5 2.4.5 优化设计优化设计n优化设计概念优化设计概念 优化设计是根据一般的设计方法，把工程问题转变成数学模优化设计是根据一般的设计方法，把工程问题转变成数学模型，再应用优化设计和计算机找到最优的设计方案。型，再应用优化设计和计算机找到最优的设计方案。n 优化设计的步骤优化设计的步骤(1)(1)分析设计对象，确定设计变

41、量分析设计对象，确定设计变量(2)(2)确定设计约束条件，建立目标函数确定设计约束条件，建立目标函数(3)(3)选择优化求解方法，分析优化结果选择优化求解方法，分析优化结果优优化化设设计计步步骤骤（1 1）设计变量）设计变量 设计变量的不同参数表示不同的设计方案。设计变量的不同参数表示不同的设计方案。设计变量必须是一组相互独立的变量，将其表示设计变量必须是一组相互独立的变量，将其表示成成X X，即：，即：X=X=（x1,x2,xn)x1,x2,xn)T T 其中其中n n是设计变量的个数，也称为维数。是设计变量的个数，也称为维数。设计变量的取值：一是连续变化量，另一是离散设计变量的取值：一是连

42、续变化量，另一是离散量比如齿轮的模数。量比如齿轮的模数。由由n n个设计变量所组成一个向量空间，称之为设个设计变量所组成一个向量空间，称之为设计空间。计空间。N=1,N=1,设计空间为一根实数轴，称为一维优设计空间为一根实数轴，称为一维优化问题化问题N=2,N=2,设计空间为一平面，设计空间为一平面，称为二维优称为二维优化问题化问题N=3,N=3,设计空间为三维立体，设计空间为三维立体，称为三维立称为三维立体。体。N3,N3,设计空间为超越空间。设计空间为超越空间。一个设计方案相当于设计空间中的一个点。一个设计方案相当于设计空间中的一个点。n=2-10 小型优化高速切削过程的变形仿真有限元分析

43、加工成形过程仿真现代设计技术由4个不同层次的技术所组成，计算机辅助设计技术CAD是现代设计技术的主体技术Powell法（方向加速）飞机齿轮的应力及应变分析日本的价值设计和价值革新控制系统仿真分析型，再应用优化设计和计算机找到最优的设计方案。(1)扩大了产品生命周期。目标函数是准则性函数，又称为评价函数。电熨斗在恒温控制时的热场在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力。(5)20世纪90年代 CAD技术集成化期。1 计算机辅助设计的基本概念（2）目标函数）目标函数 每一个设计问题，都有一个或多个设计中所追每一个设计问题，都有一个或多个设计中所追求的目标。用设计变量的函数来表示。目标函数是求

44、的目标。用设计变量的函数来表示。目标函数是准则性函数，又称为评价函数。可表示为：准则性函数，又称为评价函数。可表示为：F(X)=F(x1,x2,xn)T 优化设计的目的：按要求选择所需的设计变量，优化设计的目的：按要求选择所需的设计变量，使目标函数达到最佳值。最佳值可能是极大值，使目标函数达到最佳值。最佳值可能是极大值，也可能是极小值。如求产值最大、效率最高等问也可能是极小值。如求产值最大、效率最高等问题，属于求极大值问题，题，属于求极大值问题，maxF(X)产品的重量最轻、成本最低等问题，即为产品的重量最轻、成本最低等问题，即为求目标函数的极小值问题，属于求目标函数的求目标函数的极小值问题，

45、属于求目标函数的极大值问题，记为极大值问题，记为minF(X)为了优化算法与处理程序的统一，可将目为了优化算法与处理程序的统一，可将目标函数均规格化为求极小化问题，即标函数均规格化为求极小化问题，即 minF(X)=-maxF(X)或或 mixF(x)=1/maxF(X)(3)(3)设计约束与可行域设计约束与可行域 优化设计不仅要使所选择方案的设计指标达优化设计不仅要使所选择方案的设计指标达到最佳值，同时还必须满足一系列的附加设计条到最佳值，同时还必须满足一系列的附加设计条件，这些附加设计都构成对设计变量取值的限制，件，这些附加设计都构成对设计变量取值的限制，在优化设计中被称为设计约束。在优化

46、设计中被称为设计约束。设计约束有两种：一种是不等式约束，另一种是设计约束有两种：一种是不等式约束，另一种是等式约束。等式约束。不等式约束形式：不等式约束形式：g gu u(x)=0(x)=0(x)=0 等式约束形式：等式约束形式：h hv v(x)=0(x)=0 由于设计约束的存在，在整个设计由于设计约束的存在，在整个设计空间范围内被分为可行域和非可行域两空间范围内被分为可行域和非可行域两个不同的区域。个不同的区域。g（X）=0g（X）0g（X）50 大型优化大型优化按约束条件：按约束条件：无约束优化和有约束优化；无约束优化和有约束优化；求解方法：求解方法：准则法、数学规划法准则法、数学规划法

47、 线性规划、非线性规划和动态规划。线性规划、非线性规划和动态规划。n设计对象的分析设计对象的分析n设计变量和设计约束条件的确定设计变量和设计约束条件的确定n目标函数的建立、目标函数的建立、n合适的优化计算方法的选择合适的优化计算方法的选择n优化结果分析优化结果分析3 3）优化设计的步骤）优化设计的步骤常用优化求解方法常用优化求解方法4)优化设计举例优化设计举例如图对称两杆桁架：如图对称两杆桁架：2P300KN，2L1500mm，H900mm，E2.1105N/mm，7.85103Kg/m3，s350N/mm2，D25-60mm、B3-8mm。求解：满足强度前提下桁架重量最轻时的管径求解：满足强

48、度前提下桁架重量最轻时的管径D及壁及壁厚厚B。BDxx21X设计变量：设计变量：确定目标函数：确定目标函数：DBHLDBWXF0578.02min2203313xBXg08814xBXg0252525xDXg0606026xDXg强度约束条件强度约束条件压应力不大于屈服极限s：稳定性约束条件稳定性约束条件压应力不大于压杆稳定的临界应力k：边界约束条件边界约束条件限制尺寸取值的约束条件：确定约束条件确定约束条件求解结果：求解结果：B=4mm,D=44.4mm W=10.26KgsDBHHLP22035062152)(211xxXg)(8)(22222HLHDEk0189.062152)(2221

49、212xxxxXgn可靠性的概念可靠性的概念在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力。在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力。n可靠性的基本要素：可靠性的基本要素：1 1）规定的时间：）规定的时间：一定时间范围内，因产品可靠性水平经过一个较长的稳定使用或储存阶段后，会随时间的增长而降低，时间越长，故障失效越多2 2）规定的条件：）规定的条件：环境条件、维护条件、使用条件3 3）规定的功能：）规定的功能：产品若干功能的全部 。多用途车概念设计集装箱运输车Gulf 球头的流体分析仿真在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力。(1)20世纪50年代 CAD技术的萌芽期。按目标函数数量：单目标优化和多目标优化5）功能略有下降，成本有更大的下降。现代设计技术的内涵与体系结构有限元分析电磁场分析N=1,设计空间为一根实数轴，称为一维优化问题多用途车概念设计矿山运输车有限元分析制造系统仿真从产品成本考虑：原材料昂贵、加工成本高的产品；1 现代设计技术的内涵与特点人体数据扫描、三角面片处理、雕塑快速成型加工制作的整套解决方案电熨斗在恒温控制时的热场 ：从产品功能考虑从产品功能考虑 从产品成本考虑从产品成本考虑：从企业外部环境考虑从企业外部环境考虑