数字化设计技术 小论文

上海大学2013 ～2014 学年秋季学期研究生课程考试

（小论文）

课程名称： CIMS专题课程编号： 09SAS9005 论文题目: 数字化设计技术

研究生姓名: 王栋学号: 13721445

论文评语:

成绩: 任课教师:

评阅日期:

数字化设计技术

王栋

（上海大学机电工程与自动化学院，上海）

摘要：产品设计是制造业的灵魂。近年来，信息技术的迅猛发展使得传统的设计方法逐渐为现代设计方法所取代，大批学者对现代设计方法进行了研究。数字化设计技术涵盖了现代设计的最新技术,同时又是现代设计的前提,所以如何综合运用数字化技术手段，对缩短研制周期、降低研究成本、提高产品质量等，具有十分重要的意义。本论文结合ZX1型自转旋翼机设计需求，在设计过程中对数字化设计技术手段进行了综合应用研究。本论文的主要工作和研究内容如下：分析了曲面造型技术现状及造型原理和造型方法，提供了一种工程上行之有效的外形设计方法，并借助数字化设计软件通过对人机关系的协调、对机身的总布局，完成了 ZX1 型旋翼机气动外形设计。

关键字：数字化设计技术；ZX1型自转旋翼机；外形设计

Digital Design Technology

WANG Dong

(School of Mechanical and Electrical Engineering and Automation, Shanghai university, Shanghai,,China)

Abstract:The design of product is the soul of the manufacturing industry. In recent years, the rapid development of information technology makes the traditional design method is being replaced by the modern design method, a large number of scholars have studied the modern design method. Digitized design technology covers the latest technology in modern design and is the premise of modern design at the same time, so how to use of the integrated digital technology, to shorten the development cycle, reduce research cost and improve product quality, has the very vital significance.This paper combined with the ZX1 type rotor rotation machine design requirements, and have an integrated application research in the design process of digital design technology .The main work of this paper and the research content is as follows: Analysis the present situation of surface modeling technology and modelling principle and modelling method, provides an effective design method in engineering, and with the aid of digital design software of man-machine relationship coordination, the total layout of the fuselage, completed the ZX1 type rotorcraft aerodynamic shape design;

Key words: Digital design technology; The ZX1 rotation rotor machine;Appearance design

1 引言：

设计是人类的一种重要创造活动,而且任何人类的创造活动必然包含设计。机械设计，建筑设计，服装设计等都有十分悠久的历史,也创造出了人类引以自豪的丰富而又伟大的物质文明。不同性质的设计活动有其独特的设计思想和方法,但也有很多共同点。本论文重点讨论的内容属于机械设计的范畴,但又不为机械设计所独有。

机械产品正在向大型化(或微型化)，高速化，高效化，精密化，集成化，综合(指功能)比，模块化，自动化，智能化，数字化，网络化和绿色化方向发展(图1)。因此,对产品质量的要求也愈来愈高，高质量的产品是通过精心设计，精密的制造加工，严格的管理生产出来的,但最先的也是核心的工作是设计,它对产品质量与档次起着先天性的本质影响。据有关专家统计,一种产品的质量,设计的贡献率可达70%。

图 1现代机械产品的十二个发展方向

Figure 1 Twelve development direction of modern mechanical products

2传统设计与现代设计：

随着世界科技与经济的迅猛发展,尤其是电子计算机技术的发展和广泛应用带来了信息

革命,使人们的设计思想和方法有了一次飞跃。计算机技术及相关技术的发展和成熟极大推动了计算机辅助设计(Compute卜AiddeDesigning,CAD)及计算机辅助工程(comPute卜Aidde Engnieenrig,cAE)技术的发展和应用。

在CAD技术实用化以前,传统的设计只能依靠手工操作来完成,设计思想在设计人员的大脑中表现为三维模型,但传统的设计方法是将设计思想表达为二维工程图。二维CAD的应用实质上只是将原先手工绘图转变为计算机绘图,对新产品的创新设计意义不大。将设计思想表达为计算机三维模型则使设计过程发生了质的变化，利用计算机进行三维建模,把机械零部件的结构全部用三维实体描述出来,并且把各种技术要求，设计说明，材料公差等非几何信息以及各结构之间的相对位置表示清楚。在此基础上进行虚拟装配,检查零部件之间是否发生干涉以及它们之间的间隙,在产品的开发设计阶段就对其生命周期全过程中的各种因素考虑周全,排除某些设计的不合理性,最终形成数字样机。

机械零件是通过数字化模型来表达的,各阶段共享模型数据,因此在产品设计同时,可进行结构可靠性分析计算，工装设计，工艺设计，可制造性分析,并可借助于网络技术进行数字化传递,为并行工程创造条件。很显然,与传统的设计方法相比,采用三维数字化设计不仅使设计对象几何形状得以直观显示,而且被赋予物理属性的三维模型可以为其后进行的设计分析!验证!模拟与仿真提供保障。先进的具有知识库和推理功能的CAD系统不仅可取代大量的设计中的手工劳动,还能帮助设计人员根据现有的知识库和设计要求开展逻辑思维,自动提供可能的设计方案。

3现代设计的一般流程：

前文已经提到,现代设计在保障产品质量中起至关重要的作用。下面对现代设计的一般过程进行介绍：

需求样机：需求样机是根据用户需求建立的未来产品的可视化和数字化描述，描述产品功能和外部行为的结构模型进行未来产品的功能仿真，给设计部门演示和说明产品功能的具体要求和使用环境。给出未来产品的性能要求及其粗略框架，框架由有待填充、细化和完善的功能模块组成。

概念样机：概念样机是根据需求样机的要求，对所提出未来产品的方案设想的可视化和

数字化描述。细化了功能模块和模块间的信息流动关系。为产品的性能和外部行为提供物理细节和更详细的可视化描述。对产品的可制造性、可装配性及其可维护性进行概略评估。

工程样机：工程样机是概念样机的进一步细化，主要由产品的各种物理性能模型、CAD 模型以及其他模型（成本、维护等）组成开展产品的各种仿真试验工作，评估详细设计方案的优缺点，以及可制造性、可装配性、可维护性等。根据评估结果，对产品的开发和生产进度、成本、质量提出更为全面的要。

最终样机：在产品生产、装配和使用前，虚拟样机在工程上基本定型。原型样机是将原有样机与实际使用环境相结合，检验产品的实际使用效果，评估进一步改进设计方案的可能性。加入可靠性模型、维护模型和可用性模型，支持产品的虚拟维护。加入虚拟仿真模型和操作模型，支持产品的使用训练模拟。

4机身气动外形数字化设计：

CATIA 软件以其强大的曲面设计功能而在飞机、汽车、轮船等设计领域享有很高的声誉。所以本文借助 CATIA 曲面造型优点完成 ZX1 自转旋翼机外形设计。

4.1CATIA 曲面造型原理：

任意空间曲面可以看作是无数点的集合。如图 4.1 所示,在 V 方向任意截面上选择M+1 个点为特征顶点,用最小二乘积逼近方法可生成一条曲线,该曲线即为 B 样条曲线。同样，在 V 方向的不同截面上可生成一组(N+1)条 B 样条曲线。用同样的方法在 U 方向的不同截面也生成一组(M+1)条 B 样条曲线。两组 B 样条曲线的直积可求得 B 样条曲面。该曲面即为我们要描述的任意复杂空间曲面。其数学表达式为:

B 样条曲线特征顶点越多、样条曲线数量越多, B 样条曲面与实际曲面越接近,但同时计算量也越大。CATIA 曲面造型的原理就是基于上述曲面数学模型来描述任意空间曲面。

图4.1 B 样条曲面

Figure 4.1 B spline surface

4.2本文机身曲面设计方法：

数字化机身设计方法有线框模型设计方法和曲面模型设计方法等。其中，曲面模型设计方法是以曲面模型为核心，混合线框模型和实体模型的设计方法；线框模型设计方法是以

NURBS曲线为基础,用 NURBS 曲线表示机身剖面线:横剖线、纵向线、机身边界曲线等。利用 NURBS曲线的特点和曲率图，修改和光顺这些曲线,生成三向光顺的机身线框模型。

图 4.2机身外形设计流程图

Figure 4.2Airframe design flow chart

4.3机身剖截面设计：

为减少机身的制造难度，降低制造成本，机身底部平面采用直线形状；机身顶点和机身两侧有一定的弧度，使外形美观、流线、气动阻力小，当控制截面外形初步确定以后, 就需要确定这些截面的具体尺寸位置。

机身切面外形由上部弧线（R1）、两侧弧线（R2）和底部直线相交并倒角（r1、r2）而成，如图 4.4所示。上表面半径 R1 中心距中心轴 1350 mm，顶部 A 点按图 4.3 中侧面视图切面位置确定，两侧半径 R2 中心距中心轴 1675 mm，B 点位置按图 2.9 中俯视图中切面位置确定。截面设计关键在确定各部分圆弧半径及中心坐标。

Figure 4.3 the fuselage side and top view

图 4.4机身切面理论外形示意图

Figure 4.4 the fuselage contour map section theory

1）机身两侧圆弧 R2 圆心设计计算：

为使机身的切面形状在地板平面处较大，略呈水滴状，两侧圆弧 R 的中心沿 y 轴向下

按比例偏移，偏移距离为图4.4 中所示的yi 。

其中（ i = 1,2,…,10 ），表示第 i 截面圆弧 R 的中心沿 y 轴偏移距离的距离。

图 4.5 R2 圆心坐标图

Figure 4.5R2 center coordinate

2）机身两侧上部圆角半径 r1 的计算：

上表面 r1 和下表面 r2 为非定心圆，两端切面 r1 和 r2 由设计给定后，中间切面 r1 和 r2 的数值根据切面所在位置，按比例确定

3）机身两侧下部圆角半径 r2 的计算：

由于机身第 3 切平面到第 9 切平面机身底部为平直段即n3和m3相等，所以只计算第 2 切面和第 10 切面下部圆角半径。

如图 4.6

图 4.6

Figure 4.6

下图为全机身各剖面前视图：

4.4机身纵向约束控制线：

一般初步设计出的控制截面从纵向看可能是凹凸不平的, 这时通过把机身横向截面的一些特殊位置上的控制点用纵向曲线连接起来, 光顺这些纵向曲线，就可以得到光顺的机身造型。这些参数通常选择在机身的上、下顶点、最大宽度点和机身截面曲线斜率不连续的地方。机身纵向曲线的设计, 可以采用的曲线设计方法很多, 可以是具有解析形式的二次曲线和指数曲线,也可以是具有插值形式的三次样条曲线和 B 样条曲线。

5 总结：

随着计算机和网络技术的发展,使得基于多媒体计算机系统和通信网络的数字化设计技术为现代制造系统的并行作业、分布式运行、虚拟协作、远程操作与监视等提供了可能。数字化设计技术与产品的发展趋势如下:

(1)制造信息的数字化,将实现CAD /CAPP /CAM /CAE的一体化,使产品向无图纸设计方向发展。

(2)通过局域网实现企业内部并行工程,通过Internet建立跨地区的虚拟企业,实现资源共享,优化配置,使设计业向互联网辅助设计方向发展;

(3)将数字化技术注入传统产品,开发新产品,无论从工业装备和人民生活需求都是社会发展的趋势。

特别是在我国,国家在数字装备和数字设计的基础研究方面应加大资助力度,建立国家级的研究中心和工程中心;与数字地球、数字流域、数字城市等数字技术相适应,大力发展和应用适合我国国情和国防建设的数字设计技术和精密、重大数字装备;特别重视人才队伍建设,大力培养一批具有创新意识、思维活跃、立足国内的从事数字制造基础研究的高科技人才;积极开展数字设计的国际交流和合作,尽快提高我国数字设计的研究水平。实现我国设计业的跨跃式发展。

…………

致谢感谢胡小梅副教授对本工作的大力支持，在此表示感谢！

参考文献：

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[4] 李泽强，朱清华，李建波，自转旋翼机飞行操纵特性分析及其系统设计，第二十四届全国

直升机年会论文集，2008

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[6] 王国瑾，曲面造型技术的现状和发展趋势，计算机世界.