淺談計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)趨勢

1、淺談計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)趨勢什么是設(shè)計(jì)(design)?最簡單的關(guān)于設(shè)計(jì)的定義、就是一種“有目地的創(chuàng)作行為”。根據(jù)工業(yè)設(shè)計(jì)師victor papanek的定義，設(shè)計(jì)(design)是為構(gòu)建有意義的秩序而付出的有意識的直覺上的努力。更詳細(xì)的定義如下：第一步：理解用戶的期望、需要、動機(jī)，并理解業(yè)務(wù)、技術(shù)和行業(yè)上的需求和限制;第二步：將這些所知道的東西轉(zhuǎn)化為對產(chǎn)品的規(guī)劃(或者產(chǎn)品本身)，使得產(chǎn)品的形式、內(nèi)容和行為變得有用、能用和令人向往，并且在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上可行。(這是設(shè)計(jì)的意義和基本要求所在)。這個(gè)定義可以適用于設(shè)計(jì)的所有領(lǐng)域，盡管不同領(lǐng)域的關(guān)注點(diǎn)從形式、內(nèi)容到行為上均有所不同。1978年諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎h

2、erbert simon發(fā)表著名文章對設(shè)計(jì)給出著名定義設(shè)計(jì)就是找到一種行動方式，目的是把現(xiàn)狀變成自己更喜歡的樣子。幾個(gè)誤區(qū)：(1)誤區(qū)1：計(jì)算機(jī)輔助制圖是cad計(jì)算機(jī)輔助制圖(computer aided drafting)，簡寫為cad，譬如我們熟知的autocad輔助制圖軟件，幾乎成了cad的代名詞。目前我國絕大數(shù)機(jī)械工程師都是二維或三維軟件的使用者，他們最終都需要生成二維工程圖紙。三維制圖和二維制圖最大的區(qū)別是直觀性大為增強(qiáng)，但是本質(zhì)上沒有改變制圖的地位。因此計(jì)算機(jī)輔助制圖不是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。(2)誤區(qū)2：現(xiàn)代設(shè)計(jì)就是cad從前面關(guān)于設(shè)計(jì)的定義，設(shè)計(jì)包含了人、知識、工具、環(huán)境等多方面的結(jié)

3、合，因此cad僅僅只是工具，利用適合設(shè)計(jì)者的工具可以幫助設(shè)計(jì)者更快、更好的進(jìn)行設(shè)計(jì)。(3)誤區(qū)3：cae是有限元分析(fea)cae(computer aided engineering)計(jì)算機(jī)輔助工程，涉及到多學(xué)科的問題，針對不同的學(xué)科產(chǎn)生了各種仿真分析的數(shù)學(xué)工具。如fea(有限元分析)、多體動力學(xué)、cfd(計(jì)算流體力學(xué))、有限差分法、邊界元法、無網(wǎng)格法和加權(quán)余量法等等。他們針對不同的領(lǐng)域，各具優(yōu)勢。如fea適合解決結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和疲勞等問題，多體動力學(xué)適合解決多剛體系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性，cfd適合解決流體的流動和熱問題。因此fea僅僅是cae的一個(gè)領(lǐng)域。(4)誤區(qū)4：cae獨(dú)立于ca

4、d從前面關(guān)于cad的定義cad是工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為工具，對產(chǎn)品和工程進(jìn)行設(shè)計(jì)、繪圖、分析和編寫技術(shù)文檔等設(shè)計(jì)活動的總稱來看，cad中必須含有分析(cae)，也就是說面對設(shè)計(jì)，cae是cad的子集，缺少了cae的cad系統(tǒng)是不完整的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)?，F(xiàn)在幾乎所有的cad廠家都認(rèn)識到cae的重要性，都先后在cad環(huán)境中加入了cae，雖然功能有弱有強(qiáng)，但是都充分體現(xiàn)了設(shè)計(jì)分析一體化是cad/cae系統(tǒng)的發(fā)展方向。下面將具體論述設(shè)計(jì)分析一體化的cad/cae系統(tǒng)的將成為發(fā)展的必然。以設(shè)計(jì)為導(dǎo)向在制造型企業(yè)中cae的目的優(yōu)化和改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，因此分析應(yīng)該無縫融入到設(shè)計(jì)過程中。因此，單一無縫的cad/

5、cae界面是使用的基礎(chǔ)。另外，仿真分析如何無縫的融入設(shè)計(jì)過程，減少設(shè)計(jì)人員使用cae系統(tǒng)的難度也是目前發(fā)展的方向。仿真向?qū)У燃夹g(shù)精彩的體現(xiàn)了“以設(shè)計(jì)為導(dǎo)向”的先進(jìn)思路。下面以solidworks的simulation產(chǎn)品簡單介紹，從solidworks2009開始，其著名的fea軟件cosmosworks改名為solidworks simulation。其為了體現(xiàn)設(shè)計(jì)仿真一體化的解決方案，在無縫集成界面做了創(chuàng)造性的改變，將仿真界面和仿真流程無縫地融入到solidworks的設(shè)計(jì)過程中。solidworks simulation的仿真向?qū)?，包含以下顧問向?qū)В核憷檰?、性能顧問、約束和載荷顧問、連

6、接顧問和結(jié)果顧問。分析功能高級化實(shí)際產(chǎn)品的運(yùn)用環(huán)境非常復(fù)雜，因此僅進(jìn)行零件級別的分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此必須進(jìn)行系統(tǒng)及部件級的分析。但是系統(tǒng)及部件級的分析存在著相當(dāng)?shù)碾y度，下面分別論述。系統(tǒng)及部件級分析以fea為例，為了實(shí)現(xiàn)有價(jià)值的分析，設(shè)計(jì)的幾何部件會需要不同的單元類型，實(shí)體、殼、梁和桿進(jìn)行離散。而且，需要充分考慮裝配體間的連接關(guān)系和接觸關(guān)系。其中連接關(guān)系的處理尤其重要，涉及到螺栓連接、銷釘連接、彈簧、點(diǎn)焊和軸承等非常復(fù)雜的連接關(guān)系多領(lǐng)域的全面分析任何一個(gè)產(chǎn)品決計(jì)不能僅考慮靜強(qiáng)度，必須考慮多領(lǐng)域的問題，比如靜強(qiáng)度、動強(qiáng)度、模態(tài)、疲勞和參數(shù)優(yōu)化等。圖5展示了在統(tǒng)一界面下產(chǎn)品的多領(lǐng)域分析。面向設(shè)計(jì)

7、者的多場耦合熱-結(jié)構(gòu)、流體-結(jié)構(gòu)和多體動力學(xué)-結(jié)構(gòu)等多場分析是目前分析中的一個(gè)重要發(fā)展方向，它可以解決非常復(fù)雜的工程問題。特殊行業(yè)及領(lǐng)域的需求面對很多行業(yè)有很多特殊需求，因此需要特殊的cae模塊。例如，面對壓力容器，需要符合asme標(biāo)準(zhǔn)的壓力容器校核工具，面對電子和消費(fèi)品領(lǐng)域，需要解決跌落分析的能力。高級分析需求面對日益復(fù)雜的使用環(huán)境，必須考慮復(fù)合材料、材料非線性、高級機(jī)械振動和非線性動力學(xué)等高級分析的需求。面向制造及管理的分析面向制造及管理的分析也是目前cad環(huán)境下的一大趨勢，例如，可制造性分析、公差分析和六西格瑪設(shè)計(jì)分析等。分易用與性能的矛盾目前cad/cae軟件使用上越來越簡單，但同時(shí)帶

8、來的矛盾是性能越來越差，如何提升性能與易用性之間的矛盾是目前的一大難題。因此，各cad廠商分別推出了適合自己產(chǎn)品的新技術(shù)。如solidworks2009推出了劃時(shí)代的speedpak技術(shù)解決了大型裝配體設(shè)計(jì)、裝配和工程圖性能的問題。其cae產(chǎn)品線更在大裝配、多cpu/多核情況下fea分析、運(yùn)動學(xué)分析及cfd分析等方面做了極大改善人性化及智能性如何使現(xiàn)有的cad及cae系統(tǒng)體現(xiàn)以人為本的思想，是目前發(fā)展的一大方向。因此在面向普通設(shè)計(jì)者時(shí)，對于深奧的cae名詞、概念及方法是必須摒棄的。用戶在使用軟件時(shí)必須站在設(shè)計(jì)者的角度組織cae使用習(xí)慣，并考慮自動的上下關(guān)聯(lián)智能操作。知識工程設(shè)計(jì)及分析知識作為企

9、業(yè)最寶貴的財(cái)富，如何繼承、組織、歸納和繼承知識是知識工程的一大應(yīng)用領(lǐng)域。這里面涉及到分析庫和pdm集成cae技術(shù)等多方面的需求。開放性基于通用系統(tǒng)的專用平臺是很多企業(yè)提高其使用能力和效率的方法，因此cad/cae平臺的開放性是必須的，而且必須能支持最先進(jìn)的.net技術(shù)，并且能提供基于.net的sdk開發(fā)包。感受雖然我不能對計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)作特別專業(yè)的分析，但可以肯定的是，它是以設(shè)計(jì)為導(dǎo)向，分析功能高級化、面向制造的分析、易用、高性能、人性化、智能化、知識工程和開放性等將成為設(shè)計(jì)仿真一體化趨勢的典型特征。solidworks及其專業(yè)級的cae分析產(chǎn)品線就是這種趨勢最為典型的代表。待添加的隱藏文字內(nèi)容3早期的 cad 技術(shù)只能進(jìn)行一些分析、計(jì)算和文件編寫工作，后來發(fā)展到計(jì)算機(jī)輔助繪圖和設(shè)計(jì)結(jié)果模擬，目前的 cad 技術(shù)正朝著人工智能和知識工程方向發(fā)展，即所謂的 icad （ intelligent cad ）。技術(shù)以及 cad 作為一個(gè)主要單元技術(shù)的 cims 技術(shù)都是 cad 技術(shù)發(fā)展的重要方向。 在工業(yè)化國家如美國、日本和歐洲，cad 已廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)與制造的各個(gè)領(lǐng)域如飛機(jī)、汽車、機(jī)械、模具、建筑、集成電路中，基本實(shí)現(xiàn) 100的計(jì)算機(jī)繪圖。 cad 系統(tǒng)的銷售額每年以 30 40 的速度遞增，各種