数字化设计技术

数字化设计技术读书报告

专业?机械工程及自动化?

年级?201１级?班级

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完成时间20１5年１月７日

摘要:数字化技术的应用和发展，促进了传统制造业的改革和发展.随着制造业信息化进程的加快，制造业的智力投入和服务意识将日益增强。在产品设计与开发中，数字化设计技术对其影响很大，随着计算机技术的不断发展，产品设计与开发技术越来越先进，对现在制造技术的具有很重要的意义。此次数字化设计技术阅读报告，就是要我们了解数字化设计技术与产品开发、产品设计之间的密切关系,以及认知数字化设计技术在现实生活中的意义。

关键词：数字化设计技术；产品设计；产品开发；意义；

目录

1.前言 (1)

1．1数字化设计技术的概念 (1)

1.2数字化设计技术的特点?１

1.2．１虚拟产品开发技术 ......................................................... １

1.２.2异地协同制造技术 ........................................................... ２

2.数字化技术与产品开发的关系?错误!未定义书签。

3.数字化技术在产品设计中的应用 ....................... 错误!未定义书签。

3．1数字化建模技术?错误!未定义书签。

３．2数字化仿真与虚拟现实技术?错误!未定义书签。

3.3多学科综合优化技术 ................................... 错误!未定义书签。

３.4数字化设计在产品设计中应用的状况及发展趋势错误!未定义书签。

4.有限元分析技术在产品开发中的应用................ 错误!未定义书签。５．结合实际浅谈数字化设计技术的意义?７

6.小结7?

7.参考文献8?

１．前言

1.1数字化设计技术的概念

随着信息技术和通信技术的发展，数字化时代正在到来.数字化技术是指利用计算机软硬件及网络、通信技术，对描述的对象进行数字定义、建模、存贮、处理、传递、分析、综合优化,从而达到精确描述和科学决策的过程和方法．数字化技术具有描述精度高、可编程、传递迅速、便于存贮、转换和集成等特点，因此数字化技术为各个领域的科技进步和创新提供了崭新的工具。

数字化技术与传统制造技术的结合称为数字化制造技术。30年来数字化制造的应用范围不断扩大,数字化制造技术已逐渐成为制造业信息化中的主流技术和核心技术．由于数字化技术是科学分析和科学决策的理论基础,提供了从定性到定量、从模糊到精确、从直觉到科学的工具，因而数字化技术推动了制造科学的发展和进步。

目前制造业的几个重要发展方向，如精密化、自动化、集成化、虚拟化、网络化、全球化,无一不与数字化技术的发展密切相关.因此,面对制造业全球化竞争的日益激烈,必须重视数字化制造技术在我国的形成和发展。

１.2数字化设计技术的特点

20世纪有许多重大高新技术的应用,但没有一项技术的影响像信息技术和数字化技术那样深,那样广。由于数字化技术的可控性、可变性、离散性、可视性、集成性,产生了很多新的现代设计方法、工艺技术和管理模式。

1.2.1虚拟产品开发技术

虚拟产品开发是建立在利用计算机和网络技术完成产品开发过程构思设计的新概念。它以计算机仿真和产品生命周期建模为基础，集计算机图形学、人工智能、并行工程、网络技术、多媒体技术和虚拟现实技术等为一体，在虚拟环境下，对产品进行构思、设计、制造、测量和分析。虚拟产品开发的显著特点之一是利用存储在计算机内部的数字化样机即虚拟产品来代替实物样机进行仿真、分

析,从而提高产品在时间、质量、成本、服务和环境等多目标中的决策水平，达到全局优化和一次性开发成功的目的。为此，虚拟产品开发环境要求提供全面的产品数据定义、各种仿真工具、可视化的人机交互操作工具及分布式协同工作条件和运行机制。

虚拟产品开发技术通过采用虚拟现实和增扩现实技术为产品开发人员提供了高度可视化和高度柔性化的人机交互接口,将人类的观察、思维、想像和操作能力有机地集成在一起，从而为人类提供了更友好广阔的创造性空间。

1.２．2异地协同制造技术

数字化技术是信息共享和集成的重要基础,特别是网络技术的迅速发展和广泛应用,生产企业已突破传统地域对产品设计制造方式的约束,在网络环境的支持下，实现企业间的协同和各种社会资源的共享和集成。企业间协同包括产品设计和制造协同、供应链协同和商务协同；社会资源包括制造资源、智力资源和环境资源。企业可以面向全球开展业务，在全球范围内寻找零部件供应商，选择进行产品创新开发制造的合作伙伴,开展生产销售,提高企业的产品创新能力和制造能力，实现产品设计制造的高速度和低成本。

２.数字化技术与产品开发的关系

数字化技术改变了传统的产品开发理论、方法和工具，随着信息技术的飞速发展和产品开发集成程度的不断增加,数字化产品开发所包含的工作内容和在企业中所产生的作用也日益增加。数字化产品开发的主要特点是实现面向产品生命周期的设计，即在产品开发阶段,有关产品的性能、形状、尺寸大小以及零件的材料、数量、结构工艺性、装配工艺性等都要确定。

数字化技术与产品开发的关系跟传统的技术与产品的关系相比,有以下几个特点:

(1）单目标规划向多目标规划的转变

传统产品开发规划是一种仅考虑产品性能要求的规划。数字化产品开发规划不仅要考虑产品性能要求,而且更重视用户的个性化需求和考虑产品全生命周期

内各阶段的要求及可持续发展的策略，尤其是对材料、能源和环境方面的要求越来越严格,而这些要求又往往是相互矛盾的。因此，产品规划时必须遵循多目标动态规划、综合优化和系统论、协调论的方法进行。

(2)串行设计向并行设计的转变

传统的产品设计过程是一种串行的设计过程。为了最大限度地缩短产品开发时间,除采用信息自动传递和信息共享技术外,将产品开发过程重组，实现并行设计是数字化产品开发的显著特征之一。并行设计是集成、并行地设计产品及其相关过程的方法。因此并行设计必须实现产品设计和过程设计的集成。

(3)生产准备向过程设计的转变

传统的产品开发中,将生产准备阶段的任务仅简单地理解为工艺计划和刀、夹、量具的准备。数字化产品开发中的生产准备应扩展为过程设计,不仅包括加工工艺过程设计，还应包括装配、使用、维修、拆卸等阶段的过程设计。

(4)实物样机向虚拟样机的转变

传统产品开发方法是一种基于经验加测试的方法。随着计算机仿真技术和虚拟现实技术的发展,利用存储在计算机内部的三维数字化模型，可以边设计、边测试、边修改。不仅可通过电子预装配技术检查零部件的干涉和碰撞现象,还可以对产品制造过程、产品的使用特征、产品的外形、产品的动态特性等进行仿真、测试,以保证产品开发的一次成功率。

(5）严格分工向自主管理的项目小组转变

传统产品开发的组织机构是一种按功能部门严格分工负责的线性结构,为快速响应市场变化，创造一种人人参与、协同工作的环境,将固定的组织形式向动态的、自主管理的团队和项目小组的管理模式转变。

从以上几个方面能够很清楚的明白数字化技术与产品开发的关系。数字化技术能给产品开发带来快捷、使用、提高产品开发效率、成本。

3.数字化技术在产品设计中的应用

3.1数字化建模技术

数字化建模技术是产品设计中的核心技术，它包括产品建模和过程建模。

(1）产品建模

产品建模技术研究如何在计算机内部描述和表达处于产品开发生命周期内各阶段的产品,包括产品需求信息、项目信息、产品文档信息、产品几何信息、虚拟样机信息等，它是实现数字化设计和信息集成的基础。

在产品数字化建模中，基于特征和参数化的混合建模技术是一种新一代建模技术。由于特征建模技术在设计时考虑制造、装配等问题，从设计方法学角度看，它体现了并行性和集成性。

（2)过程建模

过程(Ｐroceｓs)是一种或多种输入产生的有价值的输出活动的合。产品开发过程模型一般由产品开发活动、实现活动所需资源、每个活动所需输入、输出及各活动间的控制顺序关系组成，所以过程模型实质上是对活动以及与活动相关的信息流、物流的描述。由于产品开发过程的复杂性,很难用一个模型进行描述,往往采用多视图和复合过程模型描述.所谓多视图,即从产品信息、开发活动、企业资源和组织结构等多方面进行描述，通过集成化方法产生模型间映射机制.复合过程模型描述包括过程、产品数据及资源数据的复合,也包括复合各种模型的特点，如功能模型中的结构分析、动态模型中的状态转移及对象模型中的封装、继承等特点。目前，过程建模的描述方法有基于语言的描述方法(Ｅxｐress语言）、基于图形的描述方法(IＤEF3、E－R)、基于规则的描述方法和基于Pｅtri 网的描述方法。过程建模表达的是过程执行的活动，这些活动或者按顺序依次执行,或者并发执行，这取决于过程管理的机制。

３．2数字化仿真与虚拟现实技术

数学计算和仿真分析是数字化产品开发的关键技术之一,也是验证产品设计方案或预测产品性能、产品可制造性、可装配性、可使用性、减少产品开发中错误的重要手段和工具.随着开发过程集成度要求的不断增加，以及多媒体技术和仿真技术的发展,己提供了多种仿真工具和虚拟现实工具，不仅可对产品性能、

可制造性、可维护性、可使用牲、成本和外观等进行预测和评估，而且利用虚拟现实的交互性、沉浸性和想像牲可实现产品开发环境的高度真实感,使人可直接对虚拟原型进行实时交互操作，产生身临其境的感觉。

３．３多学科综合优化技术

多学科综合优化技术是数字化技术在产品设计过程中的一个重要应用。随着高新技术的发展，产品结构越来越复杂，在概念设计、详细设计乃至生产准备阶段，面临着多参数、多条件、多领域问题的确定和匹配，只有通过综合优化技术，才能获得整体性能最优．产品性能综合优化过程是一个系统工程，涉及由产品方案的确定、修改、变化等带来的产品模型的反复修改、计算方法的重新配置、计算流程的不断更改、设计变量的迭代求解以及相应的数据管理和统计等一系列问题，这一切构成了多学科综合优化设计过程的基本内容。

为实现产品开发过程集成与设计优化,需要将多学科设计优化算法以及CAD、CＡE、CＡPP、CＡＡPP和专业仿真分析软件与产品生命周期管理(ＰLＭ）、产品数据管理（PＤM）、协同产品开发技术等相结合，构成多学科优化设计环境，通过对多目标的科学分析与数值计算，获得系统总体优化解，以保证产品开发的质量和效率。

3.4数字化设计在产品设计中应用的状况及发展趋势

机械产品门类广种类多市场需求潜力巨大。目前我国机械领域的数字化程度在具体行业中存在较大差距。如农机企业普遍采用传统设计方法在应用现代设计方法上远远落后于航天、汽车等其他行业农机企业之间重复型设计多企业信息资源利用率低。同时在同一行业的不同企业中产品的数字化也有一定程度差别。虽然有些企业具备一般制造业运用CAD技术的能力且已达到一定的水平但由于技术储备、装备水平以及新产品的研发能力等方面相对落后

三维CAD软件在机械制造企业中的应用还不够普遍。尽管有些领先的企业已经探讨“数字样机”、“并行工程”、“虚拟仿真”等前沿课题但总体来说离大规模推广应用还有很大距离。再次机械产品的整体技术水平、质量、生产规模、企业素质与发达国家相比差距也很大特别是新产品品种不多发展滞后可靠性、使用寿命满足不了用户要求。

近年来将数字化设计技术应用于产品的研究与开发的实例正不断增多。今后数字化设计技术在产品设计开发行业中的发展趋势，应注重以下几点:

(1）重视虚拟现实技术的应用。虚拟现实技术是综合利用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备在计算机上生成可交互的三维环境沉浸感觉的技术。采用虚拟现实技术,不但可以在机构运动上加以仿真，还可以通过有限元分析,优化设计方法对机构的动力学加以分析、仿真,对各构件参数进行优化。

（2)强调产品协同设计。良好的协同设计环境,可以尽早地发现并解决产品方案和结构设计。乃至制造和装备中存在的问题还可以大幅度缩短机械产品的开发周期,降低成本。提高设计与制造质量。

(3)突出产品创新设计。产品创新设计涉及到数据开采、知识发现及其重用技术、知识的表达与组织、知识数据库的开发、基于知识的决策技术等。我国机械设计制造企业的创新能力与国际先进水平有很大差距因此对产品创新设计的需求十分迫切。

4.有限元分析技术在产品开发中的应用

随着市场竞争的日益激烈，随着经济、社会和环境效益要求的提高,今天的产品设计已离不开有限元分析技术的支持。

目前，有限元分析在产品开发设计中的应用主要有以下几个方面：

（1）静力学分析

静力学分析是对二维或者三维的机械结构承载后的应力、应变和变形的分析,是有限元在产品开发中最基本、最常用的分析类型。当作用在产品结构上的载荷不随时间的变化或者随时间变化十分的缓慢，应进行静力学分析。

(2)模态分析

模态分析是动力学分析的一种，用于研究产品结构的固有频率和自振模式等振动特性。进行这种分析时所施加的载荷只能是位移载荷和应力载荷。

（3)谐响应分析和瞬态动力学分析

这两类分析属动力学分析,用于研究结构对周期载荷和非周期载荷的动态响应。

(４）热应力分析

这类分析用于研究产品结构的工作温度不等于安装温度,或工作时结构内部存在温度分布时,结构内部的温度应力。

（5)接触分析

这是一种状态非线性分析，用于分析两个结构物体发生接触时的接触面状态、法向力等。由于产品结构中结构与结构间力的传递均是通过接触来实现的，所以有限元法在产品结构中的应用很多是接触分析。但是，以前受计算能力的制约,接触分析应用得较少。

（６)屈曲分析

这是一种几何非线性分析，由于确定结构开始变得不稳地时的临界载荷和屈曲模态形状,例如压杆稳定性问题。

有限元分析法等CAE技术的发展与应用,为产品技术人员带来了全新的设计方法,不断的更新产品设计人员的设计理念,为其能够迅速及时的开发出适应市场需求的产品带来了极大的方便。随着生产和科技的不断发展，市场竞争的更加激烈，产品技术人员还需要更好的、更适应时代要求的CＡE技术。

5.结合实际浅谈数字化设计技术的意义

在全球经济一体化建设进程不断加剧与城市化建设规模持续扩大的推动作用之下,制造行业在整个国民经济建设发展中所占据的地位日益关键。信息化、产业化以及科技化已成为整个现代制造行业建设发展的必然方向与趋势，数字化设计系统在这一过程当中所起到的重要作用不可忽视。

数字化设计技术具体有以下意义：

1.数字化设计技术是整个产品数字化设计流程的前提

它以设计流程预期目标的完成为基本目的，以动态且有序的行为序列设计为

基本手段，对各项设计行为的开展起到一定程度的规范及承接作用。

２.数字化设计技术是整个产品设计流程的基础

在设计内容的开展及完成过程当中，参与对象所必须做出的判断、必须相应的对策以及必须采取的设计行为都归属于设计行为片段范畴当中。一个独立的设计行为链能够同时包含多个设计行为片段，各个设计行为片段所完成确定的设计内容有所不同，同时为具体性设计结果的获取服务。

6.小结

在信息化飞速发展的时代，产品开发、产品设计等行业也迅速的发展，数字化设计技术正是体现了网络化、数字化、信息化的综合利用。与传统的设计技术相比,数字化设计技术在产品开发企业管理中占据着主导作用，是企业创新的基石。

通过学习数字化设计技术这门课程，对数字化设计技术概念有了新的认知,虽然学习这门课的时间不是很长，或许很多东西自己还没有掌握，通过学习,对数字化设计技术这门课了解了一小部分，通过本次阅读报告,对数字化设计技术、产品开发和设计有了更深一步的了解。

7．参考文献

１．孙林夫.面向产品开发过程的数字化设计技术研究.四川成都６10031.2003年第９卷第12期．

2．范文慧,刘博元.复杂产品数字化协同设计技术发展.清华大学自动化系国家CIＭＳ工程技术研究中心. 2013年第3期 .

3.刘继红 .先进数字化设计与制造技术发展趋势. 北京航空航天大学机械工程及自动化学院.201２年第4期．

4. 卢卓君，袁国平, 范之英.数字化设计技术的研究与应用.湖南省交通规划勘察设计院，北京中交跨世纪工程技术有限公司，北京中交跨世纪工程技术有限公司长沙市41000８, 北京市10008９.２００8年03期 .

5. 梁珣,周兴.基于产品设计的数字化技术知识体系架构. 北京工商大学．2008年11期．

6. 孙厚朝.基于UＧ的数字化设计技术的研究. 中北大学. 2０1４年9月17日.

７．徐弘山.数字化技术和制造自动化．北京理工大学机械与车辆工程学院.北京100081. 200４年第8期．

8．李炜. 基于设计意义的数字化设计系统特性探究. 上海辞书出版社.上海200０00．2０1２.０4．

９．王巍. 浅谈数字化人文设计在产品设计中的应用. 福建工程学. 20０8年第12期.

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