基于“功能-原理-结构”的计算机辅助概念设计模型
CAE简介
2CAE简介作为国内工业界推广应用CAE的基础，有必要简要介绍CAE的概念、应用、分析过程、作用及发展趋势。
一方面，对CAE有初步的又是较系统的认知，另一方面，在了解国际范围内CAE应用的历史和现状的基础上，CAE的各类用户可以对自身目前CAE的应用进行多视角的比较。
2.1 CAE的基本概念、特点及作用广泛地说，CAE可以包括工程和制造业信息化的所有方面，但是目前通常所说的CAE主要指用计算机及其相关的软件工具对工程、设备及产品进行功能、性能与安全可靠性进行分析计算、校核和量化评价；对其在给定工况下的工作状态进行模拟仿真和运行行为预测；发现设计缺陷，改进和优化设计方案，并证实未来工程、设备及产品的功能和性能的可用性和可靠性。
一般地，CAE在工程应用上的定义为：CAE是一种在二维或三维几何形体（CAD）的基础上，运用有限元（FE）、边界元（BE）、混合元（ME）、刚性元（RE）、有限差分和最优化等数值计算方法并结合计算机图形技术、建模技术、数据管理及处理技术的基于对象的设计与分析的综合技术和过程。
其核心技术为有限元与最优化技术。
CAE的特点是以工程和科学问题为背景，建立相应的计算模型并进行计算机仿真分析。
一方面，CAE技术的应用，使许多过去受方法和条件限制无法分析的很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题，通过计算机数值模拟可得到满意的解答；另一方面，CAE使大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确, 在产品的设计、分析、新产品的开发以及对已有产品的故障分析等方面发挥了重要作用。
同时，CAE技术的迅速发展和应用又推动了许多相关的基础学科和应用科学的进步。
还应客观地说明，在产品开发中，由概念设计、初步设计、详细设计到试验，再修正设计，再试验，直到满足产品要求，试验一直是不可或缺的。
CAE仿真分析技术的引入也许永远不能彻底消除这一既费时又费料的环节，但是已经被成功应用，最大限度地减少或缩短了这一环节。
药物分子的计算机辅助理论模拟及分子设计
药物分子的计算机辅助理论模拟及分子设计一、本文概述随着科学技术的迅猛发展，计算机辅助药物设计已成为现代药物研发领域中的关键工具。
通过计算机模拟和理论预测，科学家们能够在实验室之外对药物分子的行为进行深入研究，从而加速药物发现和优化过程。
本文旨在探讨药物分子的计算机辅助理论模拟及分子设计的基本原理、方法和技术，并介绍其在药物研发中的应用和前景。
本文首先概述了药物设计的重要性及其面临的挑战，随后介绍了计算机辅助药物设计的基本概念和发展历程。
接着，文章详细阐述了药物分子的理论模拟方法，包括量子力学模拟、分子力学模拟和分子动力学模拟等，以及这些模拟方法在药物设计中的具体应用。
文章还介绍了基于计算机辅助药物设计的分子优化策略，如结构修饰、药效团模型构建和虚拟筛选等。
本文总结了计算机辅助药物设计的优势与局限性，并展望了未来的发展趋势。
通过深入理解药物分子的计算机辅助理论模拟及分子设计，我们有望为药物研发领域带来更加高效、精准和创新的解决方案，从而推动人类健康事业的持续发展。
二、计算机辅助药物设计的理论基础计算机辅助药物设计（Computer-Aided Drug Design，CADD）是一门融合计算机科学、生物信息学、化学、生物学和药物学等多个学科的交叉学科。
其理论基础主要建立在分子模拟、结构生物学、量子化学、统计力学以及等多个领域之上。
分子模拟：分子模拟是CADD的核心技术之一，它利用计算机模拟分子的静态和动态行为，包括分子的结构、能量、动力学以及分子间的相互作用等。
分子模拟技术主要包括分子力学（Molecular Mechanics）、分子动力学（Molecular Dynamics）、量子力学（Quantum Mechanics）和蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟等。
结构生物学：结构生物学为CADD提供了大量的生物大分子（如蛋白质、核酸等）的结构信息，为药物与生物大分子的相互作用研究提供了基础。
第三章 计算机辅助产品设计的方法
知识处理
知识表达 知识获取 推理机制
产品创新设计分类
渐进性产品创新 根本性产品创新
基于功能分解与重组的创新设计方法 步骤： 1. 功能分类 2. 功能分析 3. 功能综合 4. 功能评价
基于知识的辅助创新理论——TRIZ
TRIZ (The Theory of Invention Problem Solving ) 是俄文中发明问题解决理论的词头。该理论是前苏 联G.S.Altshuler 及其领导的一批研究人员，自1946 年开始，花费1500年/人的时间，在分析研究世界各 国近250万件高水平发明专利的分析研究，总结出人 类进行发明创造解决技术问题过程所遵循的40个原 理和法则。建立一个由解决技术问题，实现创新开 发的各种方法、算法组成的综合理论体系，简称 TRIZ。
案例：齿轮箱防水结研究
5、 产品概念设计中的美学设计
商品化的CAD软件现大多提供较强的全 面造型及色彩渲染、光照等可视化技术，可 使产品的结构设计与美学设计有机地结合起 来。体现一种设计思想和设计理念。
材质 产品造 型设计
色彩
机械类产品的色彩主调往往 是蓝色 医疗器械产品的色彩主调是 白色或纯度比较低的蓝色、 紫色和灰色调
TRIZ中的技术进化模式
1：技术系统的生命周期分为出生、成长、成 熟、退出四个阶段，用来确定各不同子系统 的相对成熟度。 2：增加理想化水平。 3：子系统的不均衡发展导致冲突的出现。 4：增加动态性及可控性。 5：通过集成增加系统功能。 6：部件的匹配与不匹配交替出现。 7：由宏观系统向微观系统进化。 8：增加自动化程度，减少人的介入。
先进制造系统 第四章
先进设计技术的特点
⑶动态化：在静态分析的基础上考虑生产中实际存在 的多种变化量的影响，研究面向产品生命周期全过 程的可信性设计。如产品的工作可靠性问题，考虑 载荷谱、负载率等随机变量，可用可靠性设计、有 限元法、边界元法等，进行动态特性的最优化。 ⑷系统性：把产品的整机作为一个系统；把产品的设 计过程作为一个系统。产品系统设计的方法有两种 体系：一是以“功能-原理-结构”框架为模型的横 向变异和纵向综合，用计算机构造、评价和决策方 案；二是运用创造技法，进行创新思维，形成新的 构思和设计。
先进设计技术的特点
⑺社会性：先进设计技术要综合考虑技术、经济和 社会因素，产品开发过程要以面向社会、面向市 场为主导思想，要考虑满足人－机－环境等之间 的协调关系，强调产品内在质量（物质功能）的 实用性与外观质量（精神功能）的艺术性的统一。 所涉及的相关学科有：制造工艺技术、材料科学、 自动化技术、系统管理、政治、经济、法律、自 然科学、人文科学、艺术科学和市场营销学等。
“先进”，是指在设计活动中，由于融入新 的科技成果，特别是计算机技术和信息技 术的成果，从而使产品在性能、质量、效 率、成本、环保、交货时间等方面，达到 明显高于现有产品，甚至创新的水平。 AMS中的先进设计系统包括设计硬件、设 计软件和设计人员三方面 。
先进设计技术的定义、内容与特点
先进设计技术的定义 先进设计技术的基本内容 先进设计技术的特点
设 计 任 务 书
任 务 书 分 析
确 定 设 计 参 数
方 案 论 证
编 写 技 术 文 件
交 付 制 造
更改设计
图4-1
传统的产品设计过程
计算机辅助设计（CAD）
(1)传统的产品设计过程 传统设计的特点是： 设计者通过类比分析法或经验公式来确定设计方案； 设计工作周期长，效率低。设计者绘制装配图和零 部件工作图的时间约占设计时间的70%左右； 设计质量受人工计算条件的限制。
CAD即计算机辅助设计(Computer Aided Design
CAD即计算机辅助设计（Computer Aided Design,CAD），其概念和内涵正在不断地发展中。
1972年10月，国际信息处理联合会（IFIP）在荷兰召开的“关于CAD原理的工作会议”上给出如下定义：CAD是一种技术，其中人与计算机结合为一个问题求解组，紧密配合，发挥各自所长，从而使其工作优于每一方，并为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。
CAD是工程技术人员以计算机为工具，对产品和工程进行设计、绘图、造型、分析和编写技术文档等设计活动的总称。
根据模型的不同，CAD系统一般分为二维CAD和三维CAD系统。
二维CAD系统一般将产品和工程设计图纸看成是“点、线、圆、弧、文本……”等几何元素的集合，系统内表达的任何设计都变成了几何图形，所依赖的数学模型是几何模型，系统记录了这些图素的几何特征。
二维CAD系统一般由图形的输入与编辑、硬件接口、数据接口和二次开发工具等几部分组成。
三维CAD系统的核心是产品的三维模型。
三维模型是在计算机中将产品的实际形状表示成为三维的模型，模型中包括了产品几何结构的有关点、线、面、体的各种信息。
计算机三维模型的描述经历了从线框模型、表面模型到实体模型的发展，所表达的几何体信息越来越完整和准确，能解决“设计”的范围越广。
其中，线框模型只是用几何体的棱线表示几何体的外形，就如同用线架搭出的形状一样，模型中没有表面、体积等信息。
表面模型是利用几何形状的外表面构造模型，就如同在线框模型上蒙了一层外皮，使几何形状具有了一定的轮廓，可以产生诸如阴影、消隐等效果，但模型中缺乏几何形状体积的概念，如同一个几何体的空壳。
几何模型发展到实体模型阶段，封闭的几何表面构成了一定的体积，形成了几何形状的体的概念，如同在几何体的中间填充了一定的物质，使之具有了如重量、密度等特性，且可以检查两个几何体的碰撞和干涉等。
由于三维CAD系统的模型包含了更多的实际结构特征，使用户在采用三维CAD造型工具进行产品结构设计时，更能反映实际产品的构造或加工制造过程。
计算机辅助设计与制造技术
CAD 软件
CAD 专用软件
CAD 支撑软件
优化方法库
图形支撑软件
数据库软件
有限元分析软件
系统软件
操作系统
高级语言编译器
网络软件
系统软件 主要用于计算机的管理、维护、控制以及计算机程序的翻译、装入与运行。 操作系统：Windows 95/98、 UNIX、Windows NT等。 语言编译系统：Visual C/C++、 Visual Basic、AutoLisp等。 支撑软件 是为满足CAD/CAM用户共同需要而开发的通用软件。 数据库管理系统：Foxpro/ORACLE/INFORMIX/Sybase等。 计算机分析软件：ANSYS/NASTRAN/ADAMS等。 图形支撑软件：可分为图形处理语言及交互式绘图软件。
到2000年，我国机械制造业应用CAD技术的普及率和覆盖率均达70%以上；工程设计行业CAD技术的普及率和覆盖率均达100%。
沈阳变压器厂用CAD技术输出三峡工程项目三维彩色产品设计图和计算机分析的数据，从而赢得了三峡工程的招标项目。
泸东造船厂应用CAD技术后，生产技术准备周期缩短1/3以上，造船的设计开发能力提高一倍。
仿真模拟和动画制作：在电影制作中的成功应用，如“未来世界”、“玩具总动员”、“侏罗记公园”等
在轻工行业的应用：如模具CAD和服装CAD等。
在医学中的应用： 计算机辅助手术规划和手术模拟。
在电子电路中的应用：超大规模集成电路的设计制造。
我国科学技术部在CAD应用工程2000年规划纲要中指出：“到2000年，在国民经济主要部门的科研、设计单位和企业中全面普及推广CAD技术，实现‘甩掉图板’（指传统设计中的描图板），提高智能劳动效率，推广我国CAD市场，扶持发展以CAD为突破口的我国自主创新的软件产业，建立起我国的CAD产业”。
计算机辅助设计
③ 基于特征的设计 特征设计是用易于识别的、包含加工信息的几何单元(如孔、
槽，倒角等)来取代以往设计中所用的纯几何描述(如直线、圆 弧等)。
与传统的机械设计相比，CAD技术都有着巨大的优越性。
主要表现在： ① CAD可以提高设计质量。 ② CAD可以节省时间，提高生产率。 ③ CAD可以较大幅度地降低成本。 ④ CAD技术将设计人员从繁琐的计算和绘图工作中解放出
来，使其可以从事更多的创造性劳动。
（2）计算机辅助设计的研究热点及展望 CAD技术现今及将来会在以下几方面进行重点研究，并将
知识获取
专家系统部分
人机界面
知识库 模式性知识 数值分析法 规则性知识
自学习机
推理机
设计资料 数据库
逻辑推理 模式联想
分析计算
CAD部分
用户
图形交互 输入输出
绘图及文 件编写
动态 数据库
图1-6
由图1-6可知，一个智能CAD系统由以下几个部分组成： ① 知识获取，用来获取来自领域专家的知识；
② 知识库，用来存放各种知识，工作时与推理机交换信息； ③ 自学习机，在推理过程中进行学习，将得到的新知识不断充 实知识库，并删除知识库中过时的知识； ④ 人机界面，是用户与系统的接口； ⑤ 绘图和文件编写，从中间数据库获取结果数据，采用交互或 自动化的方式产生图样和设计文件； ⑥ 动态数据库，存放推理过程的中间结果、用户输入信息及最 终结果； ⑦ 推理机是整个系统的核心，其任务是将输入要求与知识库相 匹配，触发适用的规划，使有关结论得到执行。推理机要对各 组成部分实现控制，解决各结论之间的矛盾，对设计结束进行 评价和决策，最后得到最佳设计结果； ⑧ 分析计算部分，用各种程序进行计算和分析，给推理机提供 定量的评价和决策数据； ⑨ 设计资料数据库，存放大量的设计标准和参考资料，用来支 持分析计算、评价及决策过程。
计算机辅助药物设计
晶体结构测定理论的发展和测定、计算方法 的计算机化，使生物学等学科真正地进入分 子水平，在计算机辅助三维药物分子设计中 起到关键作用。
蛋白质晶体学除了能得到蛋白质结晶外，也 能得到蛋白－配基复合物的结晶。通过共结 晶和结晶浸润技术，X射线晶体学可以测定 配基－受体复合物的晶体结构，如酶与酶抑 制剂的复合物，这样可了解到药物和受体相 互作用的三维模型，对药物设计提供详细和 确实的论据。
(1). 天然氨基酸
L-氨基酸和二肽在体内可被主动转运。
O
O
R= COCHCH3 枯草杆菌溶素
H
NH2
CH2 C COOH
H
NHR
抗芽孢菌素
(2). 磷酸基
磷酸基是构成核酸的组分之一。药物分子 中含磷酸或膦酸基团可有助于向细胞内 转运。
NH2
O
N
N
H3C
P OH
O OH
NN
O
O P OH
磷霉素
阿地弗韦
例：钙离子通道拮抗剂—硝苯地平
苯环邻位取代基的位阻效应使苯环处于 同二氢吡啶环呈垂直构象。
H3COOC H3C
NO2 COOCH3
N H
CH3
N H
二氢吡啶类的构象图
R H
维甲酸及其类似物的构象
维甲酸类诱导细胞分化作用，必需满足以 下条件：
a. 分子的一端为疏水性部分，并有一定位 阻
b. 分子的另一端为极性基团 c. 疏水性部分和极性基团由共轭多烯连接
利用拓扑学原理描述反映化合物分支程 度的分支指数与化合物某些性质的线性关系 。
4).模式识别法(图像识别）
即通过运用统计方法、数值计算、决策理 论和几何图形分析等手段，对样本的性质、 行为或归属进行鉴别和分类。
产品概念设计的计算机辅助功能建模
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产品概念设计的计算机辅助功能建模
胡 于进 ， 杨 波
＿０黾０ ｌ Ｉ 瞧 秣说
（ 中科技 大学机械 科 学与 ． 程 学院 ， 华 ７ － － 湖北 武汉 ４ ０ ７ ） ３ ０ ４
Ｃｏ ｐ ｔ ｒ— ａｄ ｄ Ｆｕ ｔｏ ａ ｏ ｌ ｏ ｎｃ ｐ ｕａ ｓｇ ｆＭ ｅ ｈ ｎｉａ ｏ ｕ ｔ ｍ ｕ ｅ — ｉ ｅ ｎｃ ｉ ｎ ｌＭ ｄｅｉ ｆ ｒ Ｃｏ ｅ ｔ ｌＤｅ ｉ ｎ ｏ ｎｇ ｃ ａ ｃ ｌＰｒ ｄ ｃ ｓ
关键 词 ： 功能建 模 ； 能基 ； 念设计 功 概
中图分类号 ： Ｈ１ ２ Ｔ ２
文献 标识码 ： Ａ
１ 功 能表 达
任何 机 器从 总体 上看 都是 实 现某种 能 量流 、 物
质流和信 息流 的传 递 和转换 的 。输 入 的能量 、 料 物 和信息形 态通过某 种 功 能转 换成 输 出的能 量 、 料 物
摘要： 阐述 了用于功 能表 迭的功 能基 ； 述 了功 描 能分类及功 能表 达方 法 ； 立 了用 于功 能 分析 的原 建
理 库 及 用 于运 动 元 求 解 的 功 能 转 换 传 递 元 库 ； 自 以 主 开 发 的 计 算机 辅 助 功 能 建模 软 件 Ｃ ｎ ｅ ｔＤ ｓ ｎ ｏ ｃｐ ｅｉ ｇ 对 概 念 设 计 功 能 建 模 进 行 了 说 明 ， 到 了 满 足 功 能 得 要 求的 多方案 。
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计算机辅助设计
计算机辅助设计计算机辅助设计（Computer-Aided Design，简称CAD）是指通过计算机软件和硬件工具来帮助设计师进行图形化设计的过程。
随着计算机技术的迅速发展，CAD在设计领域的应用已经成为设计师必不可少的工具。
本文将介绍CAD的基本原理、应用领域以及未来发展趋势。
一、 CAD的原理及工作方式CAD的原理是基于数学和几何原理，通过将设计对象转换为数字化信息，利用计算机来进行设计和分析。
CAD软件通常提供了设计者所需的绘图工具、测量工具和模型构建工具，使得设计者可以快速创建、编辑和修改设计。
CAD软件还可以提供二维和三维视图，帮助设计者更直观地理解设计。
CAD的工作方式一般分为建模和分析两个主要环节。
建模阶段通过绘制点、线、面等基本几何元素来构建设计对象的基本形状。
在这个阶段，设计者可以根据实际需要对设计对象进行调整、改进和优化。
分析阶段则通过应用数学模型和物理原理对设计进行评估和优化，检查设计的可行性和安全性。
二、 CAD的应用领域CAD的应用范围广泛，涵盖了许多不同的领域。
以下是几个常见的应用领域：1. 建筑设计：CAD可以帮助建筑师设计楼房、桥梁和其他结构。
通过CAD软件，设计师可以创建精确的平面图和立体图，方便他们进行设计和修改。
2. 机械设计：CAD在机械工程中的应用非常广泛。
机械工程师可以使用CAD软件创建和分析机械零件的设计。
CAD还可以帮助工程师进行模拟和测试，以确保设计的安全性和可靠性。
3. 电子设计：CAD在电子工程中扮演着重要的角色。
电子工程师可以使用CAD软件设计电路板、芯片和其他电子元件。
CAD软件可以提供布线工具和仿真工具，帮助工程师进行电路设计和测试。
4. 汽车设计：汽车制造商使用CAD软件来设计车身、引擎和其他零件。
CAD可以帮助设计师创建车辆的外观和内部布局，优化车辆的性能和安全性。
5. 动画和游戏设计：CAD还被广泛应用于动画和游戏设计领域。
设计师可以使用CAD软件创建角色、场景和特效。
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２ １ 年第１期 ００ １
中 图分 类 号 ：Ｐ９ ．２ Ｔ ３ １７ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０９— ５２ ２ １ ）１— １７— ４ １０ ２ ５ （０ ０ １ ０ １ ０
基 于“ 功能 一 理 一结构 ＂ 原 的计算 机辅助概念 设计模型
刘 兆东 刘 饰 平 ， ，张 常亮
（ ．黑龙 江省 电子信息产品监督检验 院 ， １ 哈尔滨 １０ ９ ；２ ５ ００ ．隆基集 团， 口 ２５ ０ ） 龙 ６ ７０
摘
要 ：计 算机 辅助概 念设计 是产 品设 计早 期 阶段 中的 关键 阶段 。然 而 ，传 统 的计 算 机辅 助概
念设计 主要 集 中于产 品几何 设 计 阶段 。 因此 ，在产 品 设 计初 期 ，许 多产 品设 计 信 息被 忽略 。建 立 了 “ 能 一原理 一结构 ” 概 念设计 模 型 。初 始产 品设 计 信 息存储 于不 同的模 型层 中。建 立 了 功 功能 、原理 、结构数 据库 。在 “ 能 一原 理 一结构 ”模 型 的帮助 下 ， 实现 了 由功 能到 原 理再 到 功 结构的映射 。建立 了概 念设计 应 用 系统 来验证 “ 功能 一 理 一结构 ” 求解模 型。 原
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０ 引言
随着 科技 的进步 ， 品市 场 变 化得 越 来 越快 且 产 愈来愈难 以预测 。 因此缩 短 产 品开 发 周期 ， 高 产 提
设计 工作 Ｊ 。根 据 国 内外 学者 发 表 的论 著 中可 以 看出， 概念设 计是在 产 品设计 全 生命 周期 的初始 阶 段， 通过 获取抽 象 的、 不确定 的和定性 的产 品设 计知 识 和信 息 ， 通过 功能 、 理和结 构之 间的映射与 推理 原