数字化设计及仿真

数字化设计及仿真

祝楷天

（盐城工学院优集学院江苏盐城224051）

摘要：制造业信息化的发展促使许多企业建立起了相应的CAD/CAM软件环境平台，并应用CAD/CAM软件进行产品的设计、分析、加工仿真与制造，取得了显著的效果。利用计算机辅助设计和制造(CAD/CAM)软件系统来完成机床夹具设计过程是加速夹具设计效率、提高设计质量的一种重要手段。但现有的通用CAD/CAM软件没有针对机床夹具设计的完整技术手册资料和三维标准件图库系统，设计人员仍然需要使用传统的纸质工具手册书籍进行资料查询和标准件三维实体图绘制工作，影响了机床夹具设计的效率和质量。因此，研究机床夹具数字化设计手册软件和三维标准件图库系统对满足数字化时代工程技术人员的需要具有重要的作用。

关键词：机械产品；数字化；设计仿真。

Digital design and simulation

ZHU Kai-tian

（UGS College，Yancheng Institute of Technology，Yancheng，Jiangsu 224051）Abstract: The development of manufacturing industry has led many enterprises to set up the corresponding CAD/CAM software environment platform, and the application of CAD/CAM software for product design, analysis, processing simulation and manufacturing, has achieved remarkable results. Using computer aided design and manufacturing (CAD/CAM) software system to accomplish machine tool fixture design process is an important means to accelerate fixture design efficiency and improve design quality. But the existing general CAD/CAM software does not have the complete technical manual data and the 3D standard part library system for the machine tool fixture design, the design personnel still need to use the traditional paper tools manual books to inquire and the standard piece three-dimensional entity chart drawing work, has affected the efficiency and the quality of the machine tool jig design. Therefore, it is important to study the software and 3D standard part library system of the digital design of machine tool fixture to meet the needs of engineering and technical personnel in the digital age.

Keywords: Mechanical products, Digitization , Design simulation.

数字化设计及仿真 (1)

Digital design and simulation (1)

0 引言 (2)

1 什么是机械数字化设计 (2)

2 数字化设计与制造的历史进程 (2)

3 数字化设计技术发展趋势 (3)

4 数字化仿真分析技术 (4)

5 结语 (4)

参考文献： (5)

0 引言

随着全球经济一体化的进程加快以及信息技术的迅猛发展，现代制造企业环境发生了重大的变化，其变化的主要特征为，产品生命周期缩短;交货期成为主要竞争因素;大市场和大竞争己基本形成;用户需求个性化，多品种小批量生产比例增大。为此，制造企业的战略从20世纪50年代和60年代资源经济的“规模效益第一”，经过70年代和80年代“价格竞争第一”和质量竞争第一“发展到90年代”市场响应速度第一”及面向21世纪知识经济的技术创新第一”。与此同时，现代制造业随之出现了适应这种发展的新模式和新哲理，其核心在于:在制造企业中全面推行数字化设计与制造技术，通过在产品全生命周期中的各个环节普及与深化计算机辅助技术、系统及集成技术的应用，使企业的设计、制造、管理技术水平全面提升，促进传统产业在各个方面的技术更新，使企业在持续动态多变、不可预测的全球性市场竞争环境中生存发展并不断地扩大其竞争优势。

数字化设计与制造是计算机辅助技术、系统及集成技术的重要组成部分，它是向网络化制造和虚拟化技术发展的基础，它使原有的传统制造业变成了智力型的工业，使企业主要通过资源要素如劳动力、设备、资金竞争逐渐变为以创新能力知本型为焦点的竞争。这正是知识经济时代最重要的特征。

1 什么是机械数字化设计

机械数字化设计与制造主要包括用于企业计算机辅助设计CAD数字化仿真及其相应文档的设计建立机械数字化设计的内涵是支持企业的产品开发全过程、支持企业的产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持企业产品开发流程与优化等。归纳起来就是产品建立模块是基础，优化设计是主题，机械数据化技术是工具，数据管理是核心。

由于通过CAM及其与CAD集成技术与机械工具的研究，在产品加工方面逐渐得到解决，具体是制造状态与过程的数字化描述、非符号化制造知识的表述、制造信息的可靠性获取与传递、制造信息的定量化、质量、分类与评价的确定以及生产过程的全面数字化控制等关键技术得以解决，促使机械数字化制造技术得以迅速发展。

2 数字化设计与制造的历史进程

CAD技术起步于20世纪50年代后期，60年代，随着计算机软硬件技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可行，CAD开始迅速发展。人们希望借助此项技术来摆脱繁琐、费时、

精度低的传统手工绘图，即甩图板。此时CAD技术的出发点是用传统的三视图的方法来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是二维计算机绘图技术。在CAD软件开发初期，CAD的含义仅仅是Computer Aided Drawing，而非现在我们经常讨论的（CAD Computer Aided Design ）。CAD技术以二维绘图为主要目标的算法一直持续到70年代末期。近10年来占据绘图市场主导地位的是AutoDesk公司的AutoCAD软件。60年代初期出现的三维CAD系统只是极为简单的线框系统。这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的表面信息，CAE及CAM均无法实现。进入70年代，正直飞机和汽车工业的蓬勃发展时期。此间飞机及汽车制造过程中遇到大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图，特征纬线的方式来近似表达所设计的自由曲面。由于三视图方法表达的不完整性，经常发生设计完成后，制作出来的样品与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况，这样大大拖延了产品研发时间。此时法国人提出了贝塞尔算法，使人们用计算机处理曲线及曲面问题变得可行，同时也使得法国达索飞机制造公司的开发者们，能在二维绘图系统CADAM的基础上，开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型系统CATIA。它的出现标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式解放出来，首次实现计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得CAM技术的开发有了现实的基础。曲面造型系统CA TIA为人类带来了第一次CAD技术革命，改变了以往只能借助油泥模型来近似表达曲面的落后的工作方式。20世纪70年代末到80年代初，由于计算机技术的大跨步前进，CAE ，CAM技术也开始有了较大发展。SDRC公司在当时星球大战计划背景下，由美国宇航局支持及合作，开发出了许多专用分析模块，用以降低巨大的太空实验费用，而UG则侧重在曲面技术的基础上发展CAM技术，用以满足麦道飞机零部件的加工需求。有了表面模型，CAM的问题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特征，如质量、重心、惯性矩等，对CAE十分不利，最大的问题在于分析的前处理特别困难。基于对于CAD/CAE 一体化技术发展的探索，一些公司完成了基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件开发与研制。由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一CAD,CAE,CAM 的模型表达，给设计带来了惊人的方便性。可以说，实体造型技术的普及应用标志着CAD 发展史上的第二次技术革命。进入80年代中期，CV公司提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法—参数化实体造型方法。它具有基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改的特征。可以认为，参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次革命。此时众多CAD/CAM/CAE软件开发公司群雄逐鹿。80年代后期到90年代，CAD向系统及集成化方向发展，这将引起CAD发展史的第四次革命。

3 数字化设计技术发展趋势

先进机械制造技术发展总趋势是精密化、柔性化、虚拟化、网络化、智能化、集成化及管理的创新，而数字化设计与制造技术是先进制造技术的基础随着计算机技术的不断提高，Internet网络技术的普及应用，以及用户的需求，CAM,CAE,PDM等技术的发展，必将

有力促进数字化设计技术的进一步发展。数字化设计技术发展趋势主要有: （1）单项技术向完善化发展。在CAD/CAM中的技术主要有:曲面建模技术、曲面与实体集成技术、实体建模技术、大型组件设计技术等。（2）PDM与CAD/CAPP的技术集成技术。当前和今后一个时期，主要集中在封装、接口和集成技术（3)数字化设计与虚拟制造的无缝连接基于CAD技术和以计算机支持的仿真技术，形成虚拟的环境，虚拟的制造过程、虚拟的产品、虚拟的企业，从而大大缩短产品开发周期，提高一次成功率。币数字化设计的网络化网络技术使得并行协同异地设计成为可能，必将极大的拓展强化提高数字化设计的效能。网络技术的高速发展推动网络设计制造技术的发展和广泛应用。企业通过国际互联网、局域网和内部网，可以实现对世界上任何一地的用户订单而组建动态联盟企业，进行异地设计、异地制造，然后在最近用户的生产基地制造成产品。

4 数字化仿真分析技术

数字化仿真分析技术(CAE )，采用有限元分析方法(FEM)来模拟传动部件的力学性能，发现设计缺陷、减轻重量、增加强度、优化零部件尺寸、优化性能、选择恰当材料、检查安全要素，提高产品的最大承载能力和产品的疲劳寿命，进而提高传动产品的综合性能。

UGS公司推出的完整的数字化仿真解决方案(D i g i t a 1Simulation Solution，以下简称DSS),涵盖了从CAD/CAE/CAM到PLM(产品全生命周期管理)的全过程oDSS的基础是基于数字样机构建和数字化仿真的过程。客户一般的开发流程是:先设计，然后构建物理样机，再通过对物理样机进行试验，然后按照试验结果进行改进，通过几次循环完成产品的开发。这种开发方式在产品研发过程中极大地增加了研发周期和费用。减少物理样机的建立会给企业带来显著的时间和成本收益。UGS解决方案的核心就是数字样机和数字化仿真，与物理试验相比，数字化仿真可以更容易、更经常和更有效地实现。通过数字化仿真，可以模拟零部件的力学性能，以保证零件满足需要的性能，从而达到提高材料利用率、优化产品结构、提高产品的最大承载能力和产品的疲劳寿命的目标。此外，数字化仿真的结果还可以为企业未来的产品设计提供理论依据，从而可以克服研发流程的瓶颈，使产品的质量和创新得到改进和提升，并充分满足客户的时间、质量和成本这三个既相互依存又相互制约的要素。

5 结语

设计与制造技术是关系到国家生存和繁荣的重要基础，它的水平与制造业的发达程度突出反映了一个国家、一个地区的经济实力和综合国力，人民的生活水平和生活质量，国防能力和社会发展程度。该项技术因涉及到产品研制、开发、生产、服务等多个方面，具有无所不在的独特性和不可估量的影响。美国学者在矍国制造业的衰退及对策一夺回生产优势》的报告中有一名言:七个国家要想生活好;必须生产好”，失去制造就失去未来”，这高度地概括了发展制造技术的重要性!，这些说法也充分表明了制造技术对一个国家和民族的重要性。近年来，工业发达国家和一些新兴工业化国家把发展制造技术作为一项极其重要的发展战略或政策，把它列为国家中长期发展的重大关键技术，将其看作是经济增长的根本动力之一，以国家行为的方式对其进行规划、资助、协调与管理，并对制造技术和制造工业进行认

真研究、开发和应用。

进入21世纪，制造技术的发展将随着市场的全球化、竞争的激烈化、需求的个性化、生产的人性化而体现出制造技术的信息化、科学化和服务化的趋势。数字化以其柔性好、响应快、质量高、成本低，正在成为先进制造技术的核心。因此，必须从战略的高度大力开展数字化设计与制造技术的研究开发和加速用数字化设计与制造技术改造传统制造业，这必将对21世纪正在形成的‘中国制造”世界制造中心乃至整个世界制造业产生不可估量的影响和巨大的促进作用。

参考文献：

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