第二章 现代设计技术.ppt

第二章 现代设计技术,什么是设计？,设计是人类高级而复杂的创造性思维活动，它是运用已有的知识和技术解决问题或创造出新事物以满足社会需要的一种技术活动。,产品设计是生产过程中的第一道工序。第一道工序质量高低，将决定产品一系列的技术和经济效果。许多产品的质量问题，大都是由设计不周造成的。,产品的种类,工业产品零部件/电子产品通讯器材/办公室设备机床/模具消费产品家用产品消费电子产品（照相机、手机）其它（手机、玩具）,创造性思维的特点,1、独创性追求与众人、前人不同的见解和方法，在求异与突破中体现独创性。不断提出新原理是设计的重要途径。2、连动性灵感和推理是创造性思维的两种重要形式。由此及彼的连动思维引导人们由已知探索未知，使思路更加开阔。连动思维表现为纵向连动、横向连动和逆向连动三种形式。,思维定势的影响,纵向连动：针对现象或问题进行纵向思考，探索其原因和本质而得到新的启示。横向连动：根据某一现象联想到特点与其相似或相关的事物，通过“特征转移”而进入新领域。逆向连动：分析问题的的相反方面，从“顺推”到“逆推”，从另一角度打开新局面。,3、多向性创造性思维求新求异，其重要的特点是从多方面、多角度、多层次寻求多种解决问题的途径。多向性体现为发散思维和多向思维两种形式。发散思维从某一事物为起点，诱发出多种想法，其特点是从一个思维基点产生多种输出信息。多向思维是对某一问题从不同的角度探索尽可能多的解法。,4、综合性综合不是将研究对象简单叠加，而是对研究对象进行深入分析，概括其规律、特点，根据需要将已有信息、现象、概念等组合起来，形成新的技术思想或产品。新的技术往往是已有的几种科学原理或技术的组合。组合代表当代技术发展的一种趋势。,设计建立在多学科的基础上，涉及到数学、物理、化学、机械学、电子学、计算机学、制造工艺学、材料学、认知科学和设计学等领域的基础知识，同时要考虑工业美学、环境保护、现代管理技术等科学知识。因此，设计技术是一门多学科、多专业而且相互交叉的综合性很强的技术。,设计是人类的基本活动。在过去很长的时间内，设计一直作为人类所从事的一种艺术活动，并采用师傅带徒弟的方式进行。由于社会的发展，产品竞争加剧，师傅带徒弟的设计方式已不能满足要求，而需要设计理论与方法的指导及专业设计人员。,随着科学技术的不断发展，设计技术的范畴也在不断地扩大。从单纯的产品功能设计扩展到全寿命周期设计，包括考虑环境因素的绿色设计；在设计的组织方式上，从传统的顺序设计方式过渡到并行设计方式；在设计手段上，从传统的手工设计向现代的计算机辅助设计过渡；应用网络技术发展协同设计等。,现代设计理论与方法的研究范围按抽象到具体、宏观到微观的层次，可分为：1、设计哲学从心理学及认知的层面研究设计的本质。如设计思维、设计能力及极限、心理学基础的等都是设计哲学的研究课题。这些研究从哲学的高度定义设计问题、设计目标及设计过程。场所制造-place making：美国捷得国际建筑事务所（The Jerde Partnership International Inc.）在购物中心和社区中心设计中贯穿的设计哲学思想。,“慢速设计（slow design）”是一种哲学思想。按照这种思想，正在诞生一种新的设计模式：设计的角色是与环境相协调的条件下，保持设计文化与个性需求相平衡。在这种模式中，时间不是主要的约束，不必快速响应市场及与对手竞争，不必追求最小化、最大化或最快，设计所要确保的是个性及社会美学的需求与人类所在地球的平衡。,2、基础设计理论、方法和技术依据设计哲学的研究成果及设计的实践，建立分步的或细化的设计过程模型、研究过程模型的支持工具、开发工具软件。它是任何产品、系统的设计过程都必须用到的，是设计活动的核心、本质和基础部分。例如：建模和仿真、求解和优化、评价和决策等。,3、设计理论、方法与技术的应用包括特定产品的设计、稳健设计、可靠性设计、优化设计、动态设计、面向制造的设计、面向装配的设计以及各种应用软件开发等。,产品设计要素,产品设计关系到众多要素，在设计中如何协调诸多要素的关系，是产品设计的关键所在。所以，如何确定要素内容，是整个产品设计活动成功与否的重要组成部分。相对于专业纵深比较深的技术工程师来说，产品设计师的专业横向比较宽。这决定了在进行产品设计的过程中，要考虑的并非一种要素即可，而要考虑很多要素之间的综合关系。,产品设计,功能要素,艺术要素,经济要素,工程设计,工业设计,价值工程,（1）功能要素 功能是产品提供给用户的基本需求，产品只有具备某种特定的功能才有可能进行生产和销售。包括产品的性能、构造、精度和可靠性等。随着社会的发展，人们对产品的基本需求也在发生变化。实现产品的功能要素，必须考虑生产技术、材料和加工工艺、表面处理手段等各种相关的技术问题，这些都是通过工程设计技术实现。,（2）艺术要素 虽然过去我们仅求产品基本功能的满足，但随着生活的改善，我们对它的要求就不只如此，希望它具有抽象的品质，如舒适度、美感、便利性、具有社会文化价值等。自然地，我们对以往认可的产品形式有了更深一层的要求。这类产品同时也反映了消费者社会地位、文化水准、个人情趣。艺术要素通过工业设计技术实现。,工业设计是以人的需求为出发点，以工业产品设计为主体，融技术、艺术、经济、环境等多种学科于一体，通过创新开发，使产品外观、性能、结构相协调，在确保产品技术功能的基础上给人以舒适和美的享受。因此，在面对市场多样化的同时，产品设计既要考虑消费者的功能需求，也要考虑艺术需求。,（3）经济要素 产品设计面向市场和用户，是设计、开发、生产和营销全过程的决定性环节。产品设计的好坏直接决定产品成本。现在产品制造强调的重点已转移到设计过程，即从设计一开始就考虑成本，以便及早发现问题，及早加以改进。经济因素通过价值工程技术实现。价值工程是通过有组织的功能分析，以最低的成本可靠地实现必要的功能要素和艺术要素，使産品（或劳务）的价值得到提高的活动，价值工程以提高産品的价值爲目的的，它涉及价值、功能和成本三个基本因素。价值工程往往用于産品开发阶段。价值工程方法基础，罗伯特 B.斯图尔特，机械工业出版社,产品设计过程该过程是一个由综合到分析的反复迭代过程，一般从设计任务角度出发，可以把产品设计分为:需求获得；需求分析；概念设计（又叫方案设计）；结构设计；详细设计等五个环节，一般把需求分析环节和方案设计环节和部分结构设计环节规划到概念设计阶段，如图所示。这几个环节相互独立而又彼此紧密相关。,产品的设计是一个由抽象到具体的逐步求精过程。一般步骤是，通过市场信息分析确认需求，再通过概念设计将总的需求目标转化为功能上的层次结构关系，并得出满足功能要求的求解方案，然后经过结构设计和详细设计得到实现这些功能的部件和零件，最后把技术设计的结果变成施工的生产计划文件。,通常，在通过一定的市场调查手段获得产品需求信息后，设计人员通过一些需求分析技术对这些信息进一步提取出有用的设计参数、技术要求及产品约束，在概念设计过程中根据这些设计参数、技术要求及产品约束形成概念产品，并在产品的结构设计和详细设计阶段将概念产品的技术参数进一步具体化并确定其生产要求、加工精度及工艺流程等。,需求分析,必须首先收集顾客信息,整理得出顾客需求。顾客或市场的需求往往比较笼统、定性和朴素,有些意见可能有局限性。另外,随着时间的推移、经济和技术的发展、消费环境的变化,市场需求也是不断变化的。应当尽可能完整地、及时地收集第一手的市场信息。在此基础上,对这些原始信息进行整理、加工和提炼,形成系统的、有层次、有条理、有前瞻性的顾客需求(用户域到功能域)。,Kano模型是卡诺博士提出的与产品性能有关的用户满意度模型。,基本需求（Must-be Requirements）指用户认为此产品特性需求是理所当然的，当其满足或超额满足时用户满意度并不会得到提高 期望需求（One-dimensional Requirements）是指用户满意度与产品特性成正比 兴奋需求（Attractive Requirements）是指用户意想不到的产品特性，这类需求的缺失并不会导致用户的不满意,设计者直接使用自己设计的产品，发现不足之处，即设计者自己充当“用户”；用户问卷调查；组织不同用户参加一专门小组进行讨论；与用户面谈；到采用本产品的现场调查；研究竞争者的产品。,需求调查方法,Like/Dislike method data collection form,问题分析在电话上的应用电话很难保持清洁 电话机式样跟不上时代要求黑暗里看不到拨号盘 其它房间的噪声使听话变得很困难电话机颜色单一 查到(或记住)电话号码很难等待占线很不方便 通话时很难走动电话机太重电话线容易绊住人 电话线很容易缠绕在一起无聊的电话太多 希望能简单地安装第二条电话线电话铃声听起来不愉快 接收器发出的声音使耳朵不舒服铃声太低(或太小)想知道我不在家时谁来过电话,需求分析方法,需求分析处理阶段是顾客需求特征向工程技术特征转化的阶段。其中常用到的工具是QFD(Quality Function Deployment)-质量功能配置，QFD把客户需求直接展开到新产品工程特性、设计过程、工艺安排以及生产阶段，它将产品特性、属性与对客户的重要性联系起来。该技术提供了一种分析方法以明确那些是客户最为关注的特性，从“满足设计需求”转变为“满足顾客需求”。,概念设计,概念设计是设计过程的早期阶段，在这个阶段确定满足设计问题功能要求的解。概念设计因能决定产品成本平均高达70%，使之成为产品设计中最重要的一部分。产品的创新及其所具有的竞争能力基本上也是概念设计阶段就被确定下来。,在确定任务之后,通过抽象化,拟定功能结构,寻求适当的作用原理及其组合等,确定出基本求解途径,得出求解方案,这一部分设计工作叫概念设计。产品概念是产品技术、工作原理和形式的近似描述,它简洁地描述了产品是如何满足顾客需要的。概念通常表示成一种梗概或者是粗略的三维模型,并且通常由简洁的书面文字描述。,概念生成(创造),概念生成过程是从一组用户需求和目标规格开始，并以一组产品概念结束，设计人员从这组概念中作出最终选择。一个设计者想到的一个创意往往不是一个好的方案，但如果想到几十个创意，那可能其中会找到最佳方案。,问题定义,具体、抽象,原理解,产品概念,物理、化学、机械等,概念生成过程,金字塔原理,(1)帮助人们组织和表达思想；(2)适用于确定问题、分析问题的过程；(3)从宏观角度说，金字塔原理可以对分析问题、写作、思考的过程进行指导。,金字塔结构图示,案例,“张三来电话说他3点钟不能参加会议。李四说他不介意晚一点开会，把会放在明天开也可以，但1030以前不行，唐总的秘书说，唐总明天较晚时间才能从北京赶回来。会议室明天已经有人预订了，但星期四还没有人预订。会议时间定在星期四11点似乎比较合适。您看行吗？”,未按金字塔原理组织的思想！,按金字塔原理组织的思想！,概念生成方法,头脑风暴法横向思维法检核表法创造发明学方法-TRIZ创造性模板方法,头脑风暴法由Osborn创造于1948年,是一种鼓励最大可能产生新设想的技术，使用发散性思维进行求解。它的基本思想是组织一组不同领域的或知识面广、思想活跃的人，由主持人提出要解决的问题，鼓励大家提出各种想法和主意。它有四个基本原则，（1）禁止批评，不要过早下结论；（2）自由奔放，主意越广越好；（3）鼓励发言，主意越多越好；（4）组合改进，在他人主意的基础上提出更好的想法。它在美国和欧洲在各个领域应用很广泛。,头脑风暴法（智暴法）,奥斯本检核表法（设问探求法）,泛泛地思考往往提不出设想,提问却能促进思考深入。有目的的诱导性提问,可以使人浮想联翩,产生创意。奥斯本检核表法公认为是“创造技法之母”。它适合各种类型和场合的创造性思考。它之所以受到人们的推崇主要基于以下几点原因:,1)设问探求是一种强制性思考,有利于突破不愿提问的心理障碍。提问,尤其是提出具有创见的新问题,本身就是一种创造。运用设问探求法的顺藤摸瓜式自问自答,比起随机地东想西想来要规范些,目的性更强些。2)设问探求是一种多角度发散性思考,由于习惯心理,人们很难对同一问题从不同方向和角度去思考。使用设问探求法,可以在一定程度上帮助人们克服广思障碍。因为设问探求特点之一是多向思维,用多条提示引导你去发散思考。设问探求中有九个问题,就可以从九个角度帮助你思考。你可以把九个思想点都试一试,也可以从中挑选一两条集中精力深思。,从以下9个方面进行分项检核,以促使设计者探求创意1)有无其他用途?现有事物还有没有新的用途?或稍加改进能扩大它的用途?2)能否借用?能否借用别的经验、有无与过去相似的东西?能否模仿点什么?3)能否改变?颜色、活动、音响、气昧、式样、形状等能否作其他改变?4)能否扩大?能否增加什么?时间、频度、强度、高度、长度、厚度、附加价值、材料能否增加?能否扩张?,5)能否缩小?能否减少什么?再小点、浓缩、微型化、省略?能否分割化小?能否采取内装?6)能否代用?能否取而代之、其他材料、其他制造工艺、其他动力、其他场所、其他方法?7)能否重新调整?可否更换条件、用其他的型号、用其他设计方案、用其他顺序?能否调整速度?能否调整程序?8)能否颠倒过来?可否变换正负、颠倒方位、反向有何作用?9)能否组合?能否事物组合、原理组合、材料组合、功能组合?,概念评价和选择,概念评价和选择是这样一个过程:使用相应的顾客需要和其他标准评估概念，比较概念的相对优缺点，为进一步开发选择一个或多个概念。,详细设计和生产计划,详细设计完成产品的所有细节设计并包含产品的所有信息。例如，几何尺寸、公差、粗糙度、材料等。详细设计表达可以是三维模型和/或工程图。生产计划制定产品的生产流程和工艺。,Kid B Safe Child Locator Finds wandering children(at the mall,park,store.),产品设计流程,1、需求获得2、需求分析3、概念设计概念生成：问题定义、原理解、产品概念4、结构设计5、详细设计,在多障碍物的地方寻找儿童,中等距离移动目标定位,光、声、热、无线电等,无线电,需求分析,问题定义,概念生成,概念选择,概念产品设计,详细设计,生产计划,Kid B Safe Child Locator,作业,作业要求：试采用Like/Dislike问卷调查表，针对某种产品进行市场调查，获得新产品需求或原来产品存在的问题。再根据概念生成过程，产生产品概念，用草图和文字表达出概念产品。完成时间：11月15日（星期一）,2.1 计算机辅助设计,2.1.1 计算机辅助设计(Computer Aided Design-CAD)传统设计工具：纸和笔手工设计特点：,计算机辅助设计：在产品设计开发过程中，利用计算机软、硬件资源，加快和优化设计过程和结果，获得最优设计效果。CAD是可以充分利用计算机强大的计算(逻辑运算和算术运算)功能、图形及文字处理能力、巨大的存储能力，实现图形、图像、文字、声音、动画等多种数据的加工、存储和传输，从而把设计者从繁杂的和重复性的劳动中解脱出来，把主要精力从事创造性工作。,2.1.2 计算机辅助设计系统的功能及组成1、功能（1）图形处理功能（2）科学计算功能（3）数据管理功能（4）输入输出功能（5）人机交互功能,2、组成硬件和软件两方面。硬件：计算机及外围设备、CAD相关设备(绘图仪、扫描输入设备、数码影像输入输出设备)、通讯接口。,软件：系统软件、支撑软件、应用软件系统软件：用于计算机的管理、维护、控制等。主要包括操作系统、语言系统、数据库管理系统、图形接口等。支撑软件：支持CAD通用性功能的软件。应用软件：根据用户的具体问题而开发的软件。,2.1.3 CAD技术的发展历程,60年代-两维绘图（甩图板时代）70年代-三维线框建模80年代-曲面建模80年代中期-实体建模80年代晚期-参数化实体建模90年代-基于特征关联的实体建模现在-基于互联网、智能化的协同设计,两维工程图,产品造型(Modeling)也称产品建模，研究如何以数学方法在计算机中表达物体的形状、属性及其相互关系，以及如何在计算机中模拟模型的特定状态。即：对实体进行几何信息和拓扑信息的描述。几何信息：实体在空间的形状、尺寸、位置的描述。拓扑信息：构成实体的各个分量的数目及相互之间的连接关系。,三维线框模型,线框模型(Wireframe Model),利用基本线素来定义设计目标的棱边部分而构造立体框架图。所生成的模型是由一系列的直线、圆弧、点及自由曲线组成，描述的是产品的轮廓外形。线框造型的数据结构是表结构。在计算机内部，存储的是该物体的顶点及棱边信息，将实体的几何信息和拓扑信息记录在顶点表及棱边表中。,线框模型示意图,线框图文件内容,优点：根据三维线框数据模型，可以产生任意视图，且视图间能够保持正确的投影关系，可以生成任意视点或视向的透视图、轴测图。所需信息量较少，存储空间较小，数据运算简单，对计算机硬件的要求不高，图形处理速度较快。,缺点：(1)当对象形状复杂、棱边过多时，易引起理解错误，产生歧义，即“二义性”。,具有“二义性”的线框模型,(2)线框模型的数据结构中缺少拓扑信息，如边与面、面与体之间的关系信息等。因此采用棱边信息难以表达曲面和体，无法形成实体。仅有实体边的信息，不能明确到定义给定点与形体的关系（点在形体内部、外部、表面上）。,(3)不能用线框模型处理计算机图形学和CAD/CAM中的多数问题，如剖切图、消隐图、干涉检查、加工处理等。线框模型能满足特定的设计和制造需求，而且具有一定的优点。因此，多数CAD软件仍将线框模型作为曲面模型和实体模型的基础，在造型过程中还经常使用。,曲面建模,曲面建模,通过对实体的各个表面进行描述而构造实体模型。它是将复杂的外表面分解成若干个组成面，针对组成面定义基本面素-平面或曲面，通过各面素的连接构成组成面，各组成面的连接形成模型。曲面模型的描述方式有两种：以线框模型为基础的面模型；以曲线、曲面为基础构成的面模型。,(1)基于线框模型的面模型把线框模型中的边所包围成的封闭部分定义为面，其数据结构是在线框模型的顶点表和边表中附加必要的指针，使边有序连接，并增加一张面表来构成表面模型。,以线框模型为基础的面模型只适合于描述简单形体。对于自由曲面组成的形体，若采用线框模型则只能以小平面片逼近的方法近似地进行描述。现代航空航天、电子、汽车以及模具等产品中附子、且需要精确描述的曲面，只能以下面介绍的另一种方法：通过参数方程进行描述。,曲面建模,(2)基于曲线、曲面的面模型扫描曲面法(Swept Surface):由一条曲线(母线)沿直线方向移动、绕给定轴线旋转或者沿另一条(或多条)曲线(轨迹线)扫描而成的面。,复杂曲面(Complex Surface):先确定曲面上待定的离散点(型值点)的坐标位置，通过拟和使曲面通过或逼近给定的型值点，得到相应的曲面。,优点：在线框模型基础上，增加了面的信息，能比较完整定义三维实体的表面，可表示复杂的曲面信息。缺点：仅描述实体的表面，无法表示立体属性（实心，空心），从而造成不确定性。不能表达实体的体积、质量、重心信息。形体究竟存在于表面的哪一侧，没有给出明确的定义。,实体建模,在曲面造型基础上，增加了立体属性，以实体的方式描述对象。实体建模可以表达物体的几何形状；实体建模可以计算非几何数据，如重量、重心等。,早期的实体建模,实体的布尔运算：实体建模能力有限,构造实体几何法,Constructive Solid Geometry-CSG法。它采用布尔运算法则（交、并、差等），将一些简单的三维几何基元(基本体素，如立方体、圆柱体、环、锥体)加以组合、变化成复杂的三维模型实体。基本体素：能用有限个尺寸参数进行定形和定位的简单的封闭空间，如长方体可以通过长、宽、高来定义。此外，还要定义体素在空间的基准点、位置和方向。,优点：易于控制存储的信息量，所得到的实体真实有效，并且能方便地修改它的形状。缺点：产生和修改实体的操作种类有限。由于实体的边界几何元素（点、线、面）是隐含地表示在CSG中，图形的计算量很大，故显示与绘制CSG表示的实体需要较长的时间。,边界表示法-Boundary RepresentationB-rep法将实体定义为由封闭的边界表面围成的有限空间。它根据顶点、边和面构成的表面来精确地描述三维模型实体的位置和形状。CATIA软件就是以该方法为基础进行实体造型的。封闭的边界表面既可以为平面，也可以为曲面。每个表面可由边界的边及顶点表示。,边界表示法强调形体的外表细节，包含了三维物体所需要的几何信息和拓扑信息。其中，几何信息包括物体的大小、尺寸、形状及位置，拓扑信息则描述了物体上所有顶点、边与表面之间的连接关系。这些信息有利于以面、边、点为基础的各种几何运算和操作。边界表示法存储信息完整，相应的信息量较大。,实体的边界模型和曲面模型的区别在于：边界模型的表面必须封闭、有向，各个表面之间具有严格的拓扑关系，从而构成一个整体；曲面模型的表面可以不封闭，不能通过面来判别物体的内部与外部。此外，曲面模型也没有提供各个表面之间的连接关系。,B-rep法优点：能快速地绘制实体或线框模型。对形体的B-rep表示可有多种操作和运算。缺点是，数据结构复杂，需要大量的存储空间，修改设计不如CGS法简单。所得到的实体不一定总是真实有效，可能出现错误的孔洞和颠倒现象，描述缺乏唯一性。,参量表达法 规则曲线和曲面：圆、抛物线、螺旋线等曲线和球、圆柱、圆锥等曲面都可以用数学方程式表示，一般称为规则曲线和规则曲面。自由曲线和曲面：有些曲线和曲面的形状不规则，如飞机机翼、汽车车身、人体外形、卡通形象等，难以用数学方程式表示，一般称为自由曲线和自由曲面。,对于自由曲面，难于用传统的几何基元来进行描述，可用参量表达法。这些方法借助参量化样条、贝塞尔曲线和B样条来描述自由曲面，它的每一个X、Y、Z坐标都呈参量化形式。各种参量表达格式的差别在于对曲线的控制水平，即局部修改曲线而不影响临近部分的能力，以及建立几何体模型的能力。其中较好的一种方法是：非一致有理B样条法(NURBS)，它能表达复杂的自由曲面，允许局部修改曲率，能准确地描述几何基元。,非参数表示：参数表示：参数是指曲线、曲面方程中使用的自变量，当它在某个范围内改变时，对应坐标点在曲线、曲面上移动，参数曲线、曲面是指用参数作为自变量的函数曲线和曲面。参数可以具有某种几何意义，也可以不具有几何意义，可以是时间、长度、角度等。,单元表达法单元表达法起源于分析(如有限元分析)软件，在这些软件中，要求将表面离散成单元。典型的单元有三角形、正方形或多边形，在快速原型技术中采用的三角形近以逼近(将三维模型转化成STL格式文件)，就是一种单元表达法在三维表面的应用形式。,扫描法与曲面扫描法原理类似，实体扫描是通过将一个二维形体(平面轮廓)沿给定直线方向平移一定距离或沿给定轴旋转一定角度而形成实体。实体扫描的前提条件是平面轮廓必须封闭。,参数化实体建模,用约束来表达产品几何模型的形状特征，定义一组参数以控制设计结果，从而能够通过调整参数来修改设计模型。约束：有结构约束和尺寸约束，以及工程约束（如应力、性能等）。一个确定的几何形体主要由前面两类约束组成。结构约束：指几何形体中那些不可修改的拓扑关系和其它约束，如平行、相切、垂直、对称等。尺寸约束：几何形体的度量信息，控制了图形元素的坐标、长度或半径以及图形元素之间的位置和方向等。,参数化实体建模,参数化实体建模,参数化实体建模易于修改设计，只需输入修改尺寸即可。参数化实体建模比传统二维、三维更容易建模，提高了设计效率。,基于特征的实体建模,基于特征的建模过程,特征(Feature)的定义：广义的特征是指产品开发过程中各种信息的载体，如零件几何信息、拓扑信息、形位公差、材料、装配、热处理、表面粗糙度等。狭义的特征是指具有一定拓扑关系的一组实体体素构成的特定形体。,特征造型的特点(1)传统造型技术，都是着眼于完善产品的几何信息描述能力。特征造型则着眼于如何更好地表达产品完整的技术及生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。,(2)特征造型使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，如螺纹孔、定位孔、键槽等。特征的引用直接体现了设计意图，使得所建立的产品模型更容易被别人理解、图样更容易被修改，也有利于组织生产，从而使设计人员可以有更多精力进行创造性构思。,(3)特征造型有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、装配、检验等各部门之间的联系，更好地将产品的设计意图贯彻到后续环节，并及时得到后者的反馈信息。面向CAD/CAPP/CAM过程，除了描述对象的几何信息、拓扑信息，还描述非几何信息，如材料、公差、加工信息、装配要求。完整描述产品的设计、分析、制造等过程所需的信息。,(4)特征造型有助于推动行业及专业产品设计，有利于从产品设计中提炼出规律性知识及规则，促进产品智能化设计和制造的实现。,特征分为：形状特征、精度特征、材料特征、装配特征、性能分析特征等。,形状特征(Form Feature)：是零件上一组相互关联的几何实体所构成的特定形状，具有特定的设计或制造意义。形状特征是特征造型的主要部分，是其它特征的载体。形状特征定义了一组唯一确定该特征的参数。例如：圆柱体的特征参数。形状特征有：孔、槽、板、壳等。再细化一步，孔又可分为：圆柱孔、圆锥孔、通孔、盲孔、阶梯孔、螺纹孔等。,装配特征(Assembly Feature)：用于表达零部件的装配关系，装配过程中所需的信息，以及装配过程中生成的形状特征(如配作孔)。精度特征(Precision Feature)：用于描述产品几何形状、尺寸的许可变动量及其误差，如尺寸公差、形位公差、表面粗糙度等。,材料特征(Material Feature)：描述材料的类型、性能以及热处理等信息。如：机械特性、物理特性、化学特性、导电特性、材料处理方式及条件等。性能分析特征(Analysis Feature)：即技术特征，用于表达零件在性能分析时所使用的信息，如有限元网格划分。,实体建模技术-1,1987年前（简单的实体建模，萌芽期）基于布尔运算。简单、固定的造型。无法修改，难以重用。1987-1995（参数化实体建模-成长期）基于特征，参变数技术。自顶向下装配体建模。零件、装配体、工程图全相关。,实体建模技术-2,1995至现在（普及期）基于PC及Windows。更直观的使用界面。更强大的建模功能。基于互联网协同作业。智能特征。CAD/CAE/CAM/PDM一体化。,产品设计时，用以反映物体外观、检查零件的装配关系、生成工程图样等。结构分析时，用以计算零件的质量、质心、转动惯量、表面积等物理参量。运动分析时，勇于机械结构的动作规划、运动仿真以及零件间的干涉检查等。数控加工时，以产品的几何模型为基础，规划数控加工的刀具轨迹、进行数控加工仿真。此外，产品造型技术在动画制作、仿真、计算机视觉、机器人领域也有广泛应用。,计算机辅助设计软件研究热点：1、计算机辅助概念设计2、计算机支持的协同设计3、海量信息的存储、管理和检索4、支持设计创新5、与虚拟现实技术的集成,作业：每个同学独立使用AutoCAD和Pro/E(或SolidWorks)绘制某种产品(零件或部件)。完成后，描述两种软件进行计算机辅助设计的体会。每个同学绘制的产品必须不同。提交作业时间：10月27日,新产品投入市场之前，制造商需要确保产品的性能（包括安全方面的要求）符合客户的要求。由于设计不良而导致产品在有效期内失效，可能会带来非常严重的后果。,2.2 计算机辅助工程(CAE),激烈的市场竞争，要求产品开发：及时降低成本完成功能需求利润,2.2.1 有限元分析,有限元法（FEM）是20世纪50年代中期，最早以解决结构力学和弹性力学问题发展起来的，这类问题会在许多工程学科中遇到。在机械工程中，FEM被广泛应用在结构、振动和传热等问题的求解上。利用FEM进行分析是一项软件分析技术，借助该技术来模拟某项设计在特定运行环境中的物理行为。,在工程技术领域内，经常会遇到两类典型的问题。第一类问题，可以归结为有限个已知单元体的组合。例如，材料力学中的连续梁、建筑结构框架和桁架结构。把这类问题称为离散系统。如左图所示平面桁架结构，是由6个承受轴向力的“杆单元”组成。尽管离散系统是可解的，但是求解右图这类复杂的离散系统，要依靠计算机技术。（大型编钟“中华和钟”的振动分析及优化设计）,第二类问题，通常可以建立它们应遵循的基本方程，即微分方程和相应的边界条件。例如弹性力学问题，热传导问题，电磁场问题等。由于建立基本方程所研究的对象通常是无限小的单元，这类问题称为连续系统。热传导问题的控制方程与换热边界条件如下：,如图所示的等截面悬臂梁在自由端受集中力F作用时，其变形挠度y满足微分方程：式中，E为梁材料的弹性模量；I为梁截面对形心轴的惯性矩。,尽管已经建立了连续系统的基本方程，由于边界条件的限制，通常只能得到少数简单问题的精确解答。对于许多实际的工程问题，还无法给出精确的解答。为解决这个困难，工程师们和数学家们提出了许多近似方法。,在寻找近似解法的过程中，工程师和数学家从两个不同的路线得到了相同的结果，即有限单元法（Finite Element Method)。有限单元法的形成可以回顾到二十世纪50年代，它的形成直接得益于土木结构分析中的矩阵位移法和在飞机结构分析中所获得的成果。,有限单元法的基本思路:将连续系统分割成有限个分区或单元；用标准方法对每个单元求解；将所有单元按标准方法组合成一个与原有系统近似的系统。通过以下两个例子说明其基本概念。例1：用三角形方程确定圆面积。,例1：用三角形方程确定圆面积。1、有限元离散化将连续的区域（圆）看作是有限个数目n的子域（如：三角形）的集合，称为用三角形将域离散化。每一个子域称为单元，将单元的集合称为网格。如下图所示，将圆分为5个三角形的网格。本例中，所有单元尺寸相同，称为均匀的网格。,Te,2、单元方程求解取出一个典型单元（三角形Te），并计算其性质（即面积）。即通过建立单元方程求解单元性质。,3、单元方程的集合与解将单元特性相加，可得到圆的近似面积，这个过程称为单元方程的集合。,4、收敛性和误差估计对于例1，知道圆面积精确解。这样，近似法的误差即可计算出。并可证明当n趋近于正无穷时，该近似解收敛于精确值。,除了采用三角形离散外，还可采用矩形单元或三角形与矩形单元的组合。离散的单元不同，近似计算的误差及其解是不同的。本例中，单元面积的计算方程采用了精确的公式，因此单元计算没有近似误差，工程应用中，在单元计算中也经常只能有近似解。,有限元解得收敛性,例2：不规则物体质量中心的计算,根据简单形状的质量和质量中心，可计算出整个物体的质量中心：,当一个给定的物体不能用简单的几何形体（单元）表示时，可用数学方法表示其质量和质量中心，采用近似方法求得单元的特性。有限元法是在差分法和变分法的基础上发展起来的一种数值方法，它吸取了差分法对求解域进行离散处理的启示，又继承了里兹法选取试探函数的合理方法。,一维问题差分法设一维函数y(x)的求解域为a,b，边值问题：,变分法变分原理：微分方程边值问题的解等价于相应泛函极值问题的解。泛函极值的解法：里兹法，选择一个定义于整个求解域并满足边界条件的试探函数，试探函数的形式一般为含有n个待定系数的多项式；然后将试探函数代入泛函表达式中，并利用泛函有极值的条件-泛函对各待定系数的偏微分为0，建立起n个关于待定系数的线性方程；联立求解这些方程计算出各个系数，就确定了使泛函实现极值的试探函数，该函数就是原边值问题的近似解。,有限元法的基本思想可归结为两个方面：一是离散，二是分片插值。,例3：自重作用下等截面直杆的解,受自重作用的等截面直杆如图所示，杆的长度为L，截面积为A，弹性模量为E，单位长度的重量为q，杆的内力为N。试求：杆的位移分布，杆的应变和应力。,1、自重作用下等截面直杆的材料力学解答,内力,杆长变化量,质点位移量,应变,应力,2、自重作用下等截面直杆的有限单元法解答,1）离散化如图所示，将直杆划分成n个有限段，有限段之间通过一个铰接点连接。称两段之间的连接点为结点，称每个有限段为单元。第i个单元的长度为Li，包含第i，i+1个结点。,2）用单元节点位移表示单元内部位移第i个单元中的位移用所包含的结点位移来表示。,第i结点的位移,第i结点的坐标,第i个单元的应变,应力,内力,3）把外载荷集中到节点上,把第i单元和第i+1单元重量的一半，集中到第i+1结点上,4）建立结点的力平衡方程,对于第i+1结点，由力的平衡方程可得：,令,根据约束条件，,对于第n+1个结点，第n个单元的内力与第n+1个结点上的外载荷平衡，,建立所有结点的力平衡方程，再加上约束条件可以得到由n+1个方程构成的方程组，可解出n+1个结点的位移。,有限元法以数值理论计算代替了传统的经验类比设计，使产品设计模型及性能计算方法产生深刻变化。,有限单元法的计算步骤：（1）网格划分（离散化）（2）单元分析（3）整体分析,（1）网格划分将求解区域分割成具有某种几何形状的单元。单元之间通过单元节点相连接。由单元、结点、结点连线构成的集合称为网格。,常见的单元类型：一维杆、梁单元二维板单元三维多面体单元薄壳单元,通常把平面问题划分成三角形（triangular)或四边形(quadrilateral)单元的网格,三角形3节点单元,四边形4节点单元,平面问题的三角形单元划分,平面问题的四边形单元划分,通常把三维实体划分成四面体（Tetrahedron）或六面体（Hexahedron）单元的网格,四面体4结点单元,六面体8结点单元,三维实体的四面体单元划分,三维实体的六面体单元划分,结构离散的结果就是形成一系列的单元。离散时，需要考虑连续体的结构及分析要求，合理确定单元形状、数目及单元分割方案，并计算出各节点的坐标。,（2）单元分析弹性力学问题的单元分析，就是建立各个单元的节点位移和节点力之间的关系式。由于将单元的节点位移作为基本变量，单元分析首先要为单元内部的位移确定一个近似表达式，然后计算单元的应变、应力，再建立单元中节点力与节点位移的关系式。,单元有三个结点I、J、M，每个结点有两个位移u、v和两个结点力U、V。,单元的所有结点位移、结点力，可以表示为结点位移、结点力向量（vector）,单元的结点位移和结点力之间的关系用张量（tensor）来表示,（3）整体分析对由各个单元组成的整体进行分析，建立节点外载荷与结点位移的关系，以解出结点位移，这个过程为整体分析。,在边界结点i上受到集中力作用。结点i是三个单元的结合点，因此要把这三个单元在同一结点上的结点力汇集在一起建立平衡方程。,i结点的结点力：,i结点的平衡方程：,目前应用较多的通用有限元软件如下表所列：,一些专用的有限元软件如下表所列：,有限元分析软件一般由有限元前置处理、有限元分析和有限元后置处理三部分组成。有限元前置处理：构造几何模型、选择所采用的单元类型、划分有限元网格、确定各节点和单元的编号及坐标，生成、校核计算模型的几何、拓扑、载荷、材料和边界条件数据。,有限元后置处理：对计算结果进行分析、整理，并以图形方式输出，以便设计人员对设计结果作出判断，对设计方案或模型进行实时修改。,有限单元法已经成功地应用在以下一些领域：固体力学(包括强度、稳定性、震动和瞬态问题的分析)传热学电磁场流体力学,具体来说：1、杆、梁、板、壳、二维和三维固体、管道和弹簧等各种单元组合而成的复杂结构的静力分析；2、包括频率、振型、各种动力响应和撞击在内的各种复杂结构的动力分析；3、大型复杂结构的稳定性分析；4、整机，如水压机、汽车、飞机、船舶、发电机、泵机和机床等的静力分析；5、复合材料零部件的强度分析；6、工程构件及其零部件的弹塑性应力分析；,7、金属、橡胶等材料的大应变分析；8、梁、板、壳结构的几何分线性分析；9、工程构件和零件的热弹塑、蠕变、粘弹性和粘塑性分析；10、各种边界条件下的线性和非线性稳态和瞬态温度