機(jī)械CADCAE專業(yè)技術(shù)教材機(jī)械CADCAE

1、機(jī)械 CAD/CAE 應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)第一章 緒論第一節(jié)機(jī)械CAD/CAE技術(shù)概述一、機(jī)械CAD/CAE既念在機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)過程中， 設(shè)計(jì)人員迫切需要一種對(duì)所做的設(shè)計(jì)進(jìn)行精確評(píng)價(jià)和分析的工 具，而不再僅僅依靠以往積累的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)去估計(jì) . 鑒于這種目的，人們希望將工程領(lǐng)域里 廣泛應(yīng)用的有限元分析方法與 CAD技術(shù)集成，共同實(shí)現(xiàn)"設(shè)計(jì)一評(píng)價(jià)一再設(shè)計(jì)”任務(wù)的自動(dòng) 化，以提高設(shè)計(jì)的精確程度和效率 .機(jī)械 CAD/CAE （Computer Aided Design/ Computer Aided Engineering）技術(shù)就是通過計(jì)算機(jī)及圖形輸入 / 輸出設(shè)備進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的交互設(shè)計(jì)，并建立產(chǎn)品

2、的數(shù)字模型，然后在統(tǒng) 一的產(chǎn)品數(shù)字模型下進(jìn)行結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析、性能仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)、 自動(dòng)繪圖。 它是用于支持 機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、 分析的理論、 方法與工具等各相關(guān)技術(shù)的總稱， 它包括現(xiàn) 代設(shè)計(jì)理論與方法學(xué) （例如并行設(shè)計(jì)、 協(xié)同設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、大規(guī)模定制設(shè)計(jì)、 分形設(shè)計(jì)等） ， 與設(shè)計(jì)工具相關(guān)的技術(shù)（例如產(chǎn)品數(shù)字化定義及建模技術(shù)、基于PDM勺產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理與過程管理技術(shù)、集成的CAx和DFx工具、智能技術(shù)等），它們能使設(shè)計(jì)工作實(shí)現(xiàn)信息化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，以達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量高、成本低和周期短的目標(biāo)。以機(jī)械CAD/CAE為基礎(chǔ)，還可以將產(chǎn)品的數(shù)字模型高效及時(shí)傳送并應(yīng)用到整個(gè)企業(yè)產(chǎn)品

3、 價(jià)值鏈所涉及的各個(gè)重要環(huán)節(jié)，包括工藝規(guī)劃、工裝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、加工、質(zhì)量控制、編制技 術(shù)文檔、供應(yīng)、銷售和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)人、財(cái)、物、產(chǎn)、供、銷信息的集成管理、科學(xué)決策。它 正在從根本上改變從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品整個(gè)過程的傳統(tǒng)工作方式和管理方法，給設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域帶來深刻的變革。隨著WTO的加入，制造業(yè)企業(yè)不得不參與國際市場(chǎng)競(jìng)爭，傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)方式已不再適 應(yīng)企業(yè)對(duì)產(chǎn)品的時(shí)間、質(zhì)量、成本的要求，特別是基于二維CAD的設(shè)計(jì)過程，只能處理二維圖形信息， 無法直觀的得到三維實(shí)體產(chǎn)品模型，進(jìn)行產(chǎn)品的裝配分析、工程分析、 物理特性計(jì)算等。而機(jī)械CAD/CAE設(shè)計(jì)分析平臺(tái)，以建立全參數(shù)化三維實(shí)體模型為基礎(chǔ)，再用有限元分析等方

4、法進(jìn)行關(guān)鍵零、 部件的強(qiáng)度、 穩(wěn)定性以及整機(jī)或部件的運(yùn)動(dòng)性能和動(dòng)力性能仿真分 析。為企業(yè)建立起一套產(chǎn)品開發(fā)體系。 它能支持 "自頂向下 "和"自底向上 "等設(shè)計(jì)方法， 使設(shè) 計(jì)更加符合實(shí)際設(shè)計(jì)過程， 比使用二維 CAD 設(shè)計(jì)質(zhì)量提高， 設(shè)計(jì)原型錯(cuò)誤減少 80%、重復(fù)設(shè) 計(jì)減少 50%，節(jié)省時(shí)間和資金，可以大批量生產(chǎn)的速度生產(chǎn)定制產(chǎn)品，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期， 便于企業(yè)增進(jìn)全球性合作。因此，機(jī)械CAD/CAE是 一種嶄新的設(shè)計(jì)模式，制造企業(yè)應(yīng)從設(shè)計(jì)和管理兩方面分析考慮， 通過產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段與設(shè)計(jì)過程的數(shù)字化和智能化， 縮短產(chǎn)品開發(fā) 周期，促進(jìn)產(chǎn)品的數(shù)字化，提高企業(yè)

5、的產(chǎn)品創(chuàng)新能力。1.機(jī)械CAD/CAE應(yīng)包含如下幾個(gè)內(nèi)容：1）建立機(jī)械產(chǎn)品所有零部件及各級(jí)部件和整機(jī)的三維CAD模型，并且三維模型應(yīng)參數(shù)化、適合于變形設(shè)計(jì)和部件模塊化設(shè)計(jì)。2 ）與三維CAD莫型相關(guān)聯(lián)的二維工程圖。3 ）部件和整機(jī)的三維 CAD莫型能適合運(yùn)動(dòng)分析、動(dòng)力分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。4 ）機(jī)械CAD/CAE勺過程就是基于三維 CAD的產(chǎn)品開發(fā)體系建立的過程，要形成基于三 維CAD的PDM結(jié)構(gòu)體系。5 ）從機(jī)械CAD/CAE過程中摸索出定制產(chǎn)品的開發(fā)模式及所遵循的規(guī)律。6 ）為了驗(yàn)證和修正 CAD/CAE模型，需要與整機(jī)和部件的檢測(cè)與試驗(yàn)相結(jié)合。二、機(jī)械CAD/CAS!成的關(guān)鍵技術(shù)在CAD與 C

6、AE技術(shù)的集成中，目前存在的主要困難是：1）如何實(shí)現(xiàn)從幾何模型到 CAE分析模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)換；2） 如何從CAE分析的結(jié)果出發(fā)評(píng)價(jià)和修改設(shè)計(jì).產(chǎn)生有限元分析模型需要把 CAD建立的幾何模型經(jīng)過簡化，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，載荷、 約束和材料的定義。而這種模型抽象化的過程常常要依賴于有經(jīng)驗(yàn)的分析人員，而且需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。雖然各種有限元分析軟件的后處理器憑借優(yōu)異的圖形功能， 能以等高線、矢量、陰影、動(dòng)畫、多模型、多窗口、圖表、表格等方式，高速表現(xiàn)解析 結(jié)果，但都不具備對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行解釋和評(píng)價(jià)的功能。同時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)的修改也要由設(shè)計(jì)者經(jīng)過分析和判斷后自行給出方案，而沒有利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算和推理功

7、能對(duì)設(shè)計(jì)的修改進(jìn)行優(yōu)化指導(dǎo)。因此，有必要應(yīng)用人工智能技術(shù)，將先前積累的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn) 建立一個(gè)有限元分析模型的建立、分析和解釋的專家系統(tǒng)，并加入到CAD與有限元分析集成系統(tǒng)中，在“機(jī)器專家”的指導(dǎo)下，自動(dòng)完成有限元分析模型的建立、分析和解釋有限元計(jì)算結(jié)果，并評(píng)價(jià)和修改設(shè)計(jì)。進(jìn)一步豐富和完善前后處理功能，使其與設(shè)計(jì)者共同完成設(shè)計(jì)的優(yōu)化。機(jī)械系統(tǒng)自動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMSAutomatic Dyn amic ofMecha nicalSystem） 、動(dòng)力學(xué)分析和設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件DADS （DynamicAnalysis and Design System）等，它們集成了多體系統(tǒng)仿真的基本步驟動(dòng)力學(xué)理論

8、成果、參數(shù)化的建模工具、 可以進(jìn)行靜力學(xué)、 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析的求解器、功能強(qiáng)大的后處理模塊和可視化界面等，極大地提高機(jī)械系統(tǒng)仿真的效率。然而由于這些軟件重點(diǎn)是在力學(xué)分析上，在建模方面還是有很多不足 ，尤其是一些復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)零、部件的三維建模很難實(shí)現(xiàn)，所以很有必要利用 CAD軟件建模來解決這個(gè)問題，同時(shí)需要合適的接口程序來完成。特征造型是幾何造型技術(shù)的延伸，它是從工程的角度，對(duì)形體的各個(gè)組成部分的形狀、尺寸及其結(jié)構(gòu)、材料和精度等特征進(jìn)行定義，使所描述的形體信息具有工程意義。 特征模型既包含了低層幾何信息，又能為下游的分析、加工提供高層語義信息.因此，實(shí)現(xiàn)特征建模是實(shí)現(xiàn) CAD與 CAE集成的關(guān)

9、鍵。CAD與 CAE技術(shù)集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 1 - 1 所示。圖1 1 CAD與CAE技術(shù)集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖(1) 特征造型.設(shè)計(jì)者通過調(diào)用特征庫里的特征(必要時(shí)自定義特征) 進(jìn)行產(chǎn)品特征建模在特征造型過程中，設(shè)計(jì)者要全面周到的考慮設(shè)計(jì)對(duì)象，盡可能地將以后各種 應(yīng)用(如分析、加工等)所要用到的特征信息輸入.(2) 有限元分析建模從特征的觀點(diǎn)看，就是將設(shè)計(jì)特征轉(zhuǎn)換成有限元分析特征；從集成的觀點(diǎn)看，就是有限元分析的前處理部分在建模過程中，專家系統(tǒng)訪問建模知識(shí)庫，禾U用其中存儲(chǔ)的規(guī)則進(jìn)行判斷推理；訪問基于特征的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，利用其中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行逐步計(jì)算，最終形成分析模型(3) 有限元分析.目前，有限元

10、求解算法已經(jīng)比較完善和成熟，工程化的分析軟件也不少，可直接應(yīng)用。(4) 分析結(jié)果解釋和評(píng)價(jià). 在解釋評(píng)價(jià)知識(shí)庫的指導(dǎo)下，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行解釋， 對(duì)本次設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)該模塊決定是否對(duì)本次設(shè)計(jì)進(jìn)行修改如果不修改設(shè)計(jì)，則系統(tǒng)將各種數(shù)據(jù)存入產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，并將任務(wù)交給別的 CAX系統(tǒng).如果需要修改設(shè)計(jì),則任務(wù)轉(zhuǎn)入修 改設(shè)計(jì)模塊。(5) 指導(dǎo)再設(shè)計(jì).根據(jù)優(yōu)化知識(shí)庫中的規(guī)則作出判斷，對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中的特征信息進(jìn)行修改，同時(shí)對(duì)于多種修改方案進(jìn)行優(yōu)化選擇從機(jī)械CAD/CAE總體構(gòu)架來看，CAD與 CAE集成系統(tǒng)有兩方面工作要做：一個(gè)是基 于特征的有限元前處理；另一個(gè)是基于特征的有限元后處理系統(tǒng)存在3個(gè)知識(shí)庫和一個(gè)基于特

11、征的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫建模知識(shí)庫與前處理相聯(lián)系，解釋評(píng)價(jià)知識(shí)庫和優(yōu)化設(shè)計(jì)知 識(shí)庫與后處理發(fā)生作用通過規(guī)則，這3個(gè)數(shù)據(jù)庫分別對(duì)前處理、后處理進(jìn)行驅(qū)動(dòng)基于特征的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫與集成系統(tǒng)的整個(gè)過程相聯(lián)系，為各個(gè)模塊提供所需的各種信息。在知識(shí)庫和產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫的支持下，作為后臺(tái)核心的專家系統(tǒng)控制整個(gè)過程的運(yùn)行，與設(shè)計(jì)者共同完成“設(shè)計(jì)一分析一再設(shè)計(jì)”任務(wù)。、機(jī)械CAD/CAE技術(shù)的應(yīng)用近年來由于市場(chǎng)競(jìng)爭日益激烈，因而提高產(chǎn)品及相關(guān)過程質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和縮短產(chǎn) 品開發(fā)周期就成為企業(yè)生存和發(fā)展的關(guān)鍵,因此研究先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和理論具有極其重要的意義。CAD/CAE集成技術(shù)引起了學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的廣泛關(guān)注，成為研究的熱點(diǎn)之一，

12、它對(duì)產(chǎn) 品設(shè)計(jì)影響深遠(yuǎn)，典型的例子有：波音777整機(jī)設(shè)計(jì)、部件測(cè)試、整機(jī)裝配以及各種環(huán)境下的試飛均是在計(jì)算機(jī)上完 成的，使其開發(fā)周期從過去8年時(shí)間縮短到5年；歐洲空中客車采用 CAD/CAE集成技術(shù)，改變傳統(tǒng)產(chǎn)品研制及開發(fā)方法，把空中客車試制周期從4年縮短為2.5年，不僅提前投放市場(chǎng)，而且顯著降低了研制費(fèi)用及生產(chǎn)成本，大大增強(qiáng)了全球競(jìng)爭能力。作為制造業(yè)的中堅(jiān)，汽車工業(yè)一直是CAD/ CAE系統(tǒng)應(yīng)用的先鋒。CAD技術(shù)的應(yīng)用，有效地推動(dòng)了汽車制造業(yè)的前進(jìn)；汽車業(yè)的需求也極大地帶動(dòng)了CAD技術(shù)的發(fā)展。福特公司通過設(shè)施 C3P(CAD/CAM/CAE/PDM,用一個(gè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理 PDM把CAD CAE

13、 CAM集成起來，融匯到一個(gè)遍布全球的公用數(shù)據(jù)系統(tǒng)之中。一個(gè)新車型的開發(fā)周期從過去的 36個(gè)月縮短到18個(gè)月乃至12個(gè)月，新車開發(fā)的后期設(shè)計(jì)修改減少50%原型車制造和測(cè)試成本減少50%投資收益提高 30%我國的模具制造業(yè) 20年前是以傳統(tǒng)的手工設(shè)計(jì)、有經(jīng)驗(yàn)的鉗工師傅為主導(dǎo)的技藝型生產(chǎn)方式為主，模具工業(yè)年產(chǎn)值只有約20億元，模具進(jìn)出口總額只有約2600萬美元，進(jìn)出口之比是18 :1。而如今，通過CAD/CAE/CAM技術(shù)的應(yīng)用我國模具制造業(yè)已進(jìn)入到現(xiàn)代模 具工業(yè)生產(chǎn)的時(shí)代，數(shù)字化、信息化、CAD/ CAM/CAE技術(shù)和數(shù)控加工機(jī)床已普遍采用 ，成了 技術(shù)密集型和資金密集型的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。模具制造水

14、平有了很大的提高，生產(chǎn)的模具精度已達(dá)到微米級(jí) ,模具壽命提高了幾十倍 , 模具生產(chǎn)周期縮短了約 3/ 4 , 模具標(biāo)準(zhǔn)件的使用覆蓋 率從幾乎是零到現(xiàn)在的 45 %左右，模具工業(yè)年產(chǎn)值現(xiàn)在已達(dá)到450 億元以上，進(jìn)出口總額達(dá)到 17 億美元 , 進(jìn)出口之比達(dá)到 4 :1 。第二節(jié)機(jī)械CAD/CAE技術(shù)的發(fā)展、CAD/CAE技術(shù)發(fā)展的歷史50-60年代初CAD術(shù)處於準(zhǔn)備和醞釀時(shí)期，被動(dòng)式的計(jì)算機(jī)繪圖是這階段 CAD技術(shù)的 特征。60年代，交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的創(chuàng)立為CAD技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用打下了理論基礎(chǔ)，不斷成熟的圖形輸入/輸出設(shè)備的出現(xiàn)推動(dòng)了 CAD技術(shù)的蓬勃發(fā)展。70年代CAD技術(shù)進(jìn) 入廣泛

15、使用時(shí)期，1970年美國Applicon公司首先推出了面向企業(yè)的CAD商品化系統(tǒng)。80年代CAD技術(shù)進(jìn)入迅猛發(fā)展時(shí)期，這階段的技術(shù)特征是CAD技術(shù)從大中企業(yè)向小企業(yè)擴(kuò)展；從發(fā)達(dá)國家向發(fā)展中國家擴(kuò)展；從用於產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展到用於工程設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)。90 年代以后CAD技術(shù)進(jìn)入開放式、標(biāo)準(zhǔn)化、集成化和智能化的發(fā)展時(shí)期，這階段的CAD技術(shù)都具有 良好的開放性，圖形接口、功能日趨標(biāo)準(zhǔn)化。微機(jī)加視窗操作系統(tǒng)與工作站加Unix 操作系統(tǒng)在因特網(wǎng)的環(huán)境下構(gòu)成 CAD系統(tǒng)的主流工作平臺(tái)，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使得 CAD/CAE/CAM 集成化體系擺脫空間的約束，能夠更好地適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)布局及生產(chǎn)管理的要求。在

16、CAD系統(tǒng)中，正文、圖形、圖像、語音等多媒體技術(shù)和人工智能、專家系統(tǒng)等高新技術(shù)得到 綜合應(yīng)用，大大提高了 CAD自動(dòng)化設(shè)計(jì)的程度， 智能CAD應(yīng)運(yùn)而生。智能CAD把工程數(shù)據(jù)庫 及管理系統(tǒng)、知識(shí)庫及專家系統(tǒng)、擬人化用戶介面管理系統(tǒng)集於一體。CAD體系結(jié)構(gòu)大體可分為基礎(chǔ)層、 支撐層和應(yīng)用層三個(gè)層次。 基礎(chǔ)層由計(jì)算機(jī)及外圍設(shè)備和系統(tǒng)軟件組成。 隨著 網(wǎng)絡(luò)的廣泛使用，異地協(xié)同虛擬CAC環(huán)境將是CAD支撐層的主要發(fā)展趨勢(shì)。應(yīng)用層針對(duì)不同 應(yīng)用領(lǐng)域的需求，有各自的 CAM用軟件來支援相應(yīng)的 CAD工作。CAE技術(shù)的研究始於20世紀(jì)50年代中期，CAE軟件出現(xiàn)於70年代初期，80年代中期 CAE軟件在可用性

17、、可靠性和計(jì)算效率上已基本成熟。國際上知名的CAE軟件有NASTRANANSYS、 ASKA、 MARC、 MODULE、FDYN-3D 等。但其數(shù)據(jù)管理技術(shù)尚存在一定缺陷；運(yùn)行環(huán)境 僅限於當(dāng)時(shí)的大型計(jì)算機(jī)和高檔工作站。近十多年是CAE軟件的商品化發(fā)展階段，其理論和算法日趨成熟， 已成為航空、航天、 機(jī)械、 土木結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析必不可少的 數(shù)值計(jì)算工具， 同時(shí)也是分析連續(xù)過程各類問題的一種重要手段。 其功能、 性能、 前后處理 能力、單元庫、 解法庫、 材料庫， 特別是用戶介面和數(shù)據(jù)管理技術(shù)等方面都有了巨大的發(fā)展。 前后處理是CAE軟件實(shí)現(xiàn)與CAD CAM等軟件無縫集成的關(guān)鍵部分。

18、它們通過增設(shè)與CAD軟件（如 Pro/E 、CADDS UG、 So l idedge 以及 Solidworks 、MDT 等軟件）的數(shù)據(jù)接口模塊， 實(shí)現(xiàn)有效的集成， 通過增加面向行業(yè)的數(shù)據(jù)處理和優(yōu)化算法模塊， 實(shí)現(xiàn)特定行業(yè)的有效應(yīng)用。 CAE軟件對(duì)工程和產(chǎn)品的分析、模擬能力，主要決定於單元庫和材料庫的豐富和完善程度， 知名CAE軟件的單元庫一般都有百余種單元，并擁有一個(gè)比較完善的材料庫，使其對(duì)工程和產(chǎn)品的物理、力學(xué)行為，具有較強(qiáng)的分析模擬能力。一個(gè)CAE軟件的計(jì)算效率和計(jì)算結(jié)果的 精度， 主要決定於解法庫； 特別是在并行計(jì)算機(jī)環(huán)境下運(yùn)行， 先進(jìn)高效的求解演算法與常規(guī) 的求解算法，在計(jì)算效率

19、上可能有幾倍、幾十倍，甚至幾百倍的差異。CAE軟件現(xiàn)已可以在超級(jí)并行機(jī)，分布式微機(jī)群，大、中、小、微各類計(jì)算機(jī)和各種操作系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行。目前 國際上先進(jìn)的 CAE軟件，已經(jīng)可以對(duì)工程和產(chǎn)品進(jìn)行以下的性能分析、預(yù)報(bào)及運(yùn)行行為模 擬：靜力和擬靜力的線性與非線性分析 包括對(duì)各種單一和復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)的彈性、彈塑性、 塑性、蠕變、膨脹、幾何大變形、大應(yīng)變、疲勞、斷裂、損傷，以及多體彈塑性接觸在內(nèi)的變形與應(yīng)力應(yīng)變分析；線性與非線性動(dòng)力分析， 包括交變荷載、 爆炸沖擊荷載、 隨機(jī)地震荷載以及各種運(yùn)動(dòng)荷 載作用下的動(dòng)力時(shí)程分析、振動(dòng)模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析、 屈曲與穩(wěn)定性分 析等；聲場(chǎng)與波的傳播計(jì)算

20、， 包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)聲場(chǎng)及噪音計(jì)算， 固體、 流體和空氣中波的傳播 分析，以及穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)熱分析（傳導(dǎo)、對(duì)流和幅射狀態(tài)下的熱分析，相變分析等）；靜態(tài)和交變態(tài)的電磁場(chǎng)和電流分析（電磁場(chǎng)分析、電流分析、壓電行為分析等），流體 計(jì)算（常規(guī)的管內(nèi)和外場(chǎng)的層流、端流等）等。模態(tài)分析與參數(shù)辨識(shí)作為結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)中的一種逆問題分析方法，并在工程實(shí)踐中應(yīng)用是從 60 年代中、后期開始，至今已有近四十年的歷史了。這一技術(shù)首先在航空、宇航及汽車 工業(yè)中開始發(fā)展。由于電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展，到80 年代末這項(xiàng)技術(shù)已成為工程中解決結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析、振動(dòng)與噪聲控制、故障診斷等問題的重要工具。模態(tài)分析技術(shù)發(fā)展到今天已

21、趨成熟， 特別是線性模態(tài)理論方面的研究已日臻完善， 但在 工程應(yīng)用方面還有不少工作可做。 首先是如何提高模態(tài)分析的精度， 擴(kuò)大應(yīng)用范圍。 增加模 態(tài)分析的信息量是提高分析精度的關(guān)鍵， 單靠增加傳感器的測(cè)點(diǎn)數(shù)目很難實(shí)現(xiàn)， 目前提出的 一種激光掃描方法是大大增加測(cè)點(diǎn)數(shù)的有效辦法， 測(cè)點(diǎn)數(shù)目的增加隨之而來的是增大數(shù)據(jù)采 集與分析系統(tǒng)的容量及提高分析處理速度， 在測(cè)試方法、 數(shù)據(jù)采集與分析方面還有不少研究 工作可做。對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)空間模態(tài)的測(cè)量分析、頻響函數(shù)的耦合、高頻模態(tài)檢測(cè)、抗噪聲干 擾等等方面的研究尚需進(jìn)一步開展。二、CAD/CAEfc術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)1. CAD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾方面：1）

22、 標(biāo)準(zhǔn)化CAD軟件一般應(yīng)集成在一個(gè)異構(gòu)的工作平臺(tái)之上，只有依靠標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)才能解決CAD系統(tǒng)支持異構(gòu)跨平臺(tái)的環(huán)境問題。目前，除了CAD支撐軟件逐步實(shí)現(xiàn)ISO標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外，面向應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)零部件庫、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法已成為 CAD系統(tǒng)中的必備內(nèi)容，且向合理化工程 設(shè)計(jì)的應(yīng)用方向發(fā)展。2）開放性CAD 系統(tǒng)目前廣泛建立在開放式操作系統(tǒng) Windows /2000/XP/NT 和 UNIX 平臺(tái)上，為最 終用戶提供二次開發(fā)環(huán)境， 甚至這類環(huán)境可開發(fā)其內(nèi)核源碼，使用戶可定制自己的 CAD系統(tǒng)。3）集成化CAD 技 術(shù) 的 集 成 化 將 體 現(xiàn) 在 三 個(gè) 層 次 上 ： 其 一 是 廣 義 CAD 功

23、能 ， CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/EF經(jīng)過多種集成形式，成為企業(yè)一體化解決方案。新產(chǎn)品設(shè) 計(jì)能力與現(xiàn)代企業(yè)管理能力的集成，將成為企業(yè)信息化的重點(diǎn)；其二是將CAD技術(shù)采用的算法，甚至功能模塊或系統(tǒng)，做成專用芯片，以提高CAD系統(tǒng)的使用效率； 其三是CAD基於計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境實(shí)現(xiàn)異地、 異構(gòu)系統(tǒng)在企業(yè)間的集成。應(yīng)運(yùn)而生的虛擬設(shè)計(jì)、 虛擬制造、 虛擬 企業(yè)就是該集成層次上的應(yīng)用。 例如，美國通用汽車公司的生產(chǎn)過程中， 大量的零部件生產(chǎn)、 裝配都通過“虛擬工廠”、 “動(dòng)態(tài)企業(yè)聯(lián)盟”的方式完成， 本企業(yè)只負(fù)責(zé)產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)和生 產(chǎn)少數(shù)零部件，并最終完成產(chǎn)品的裝配。4）智能化設(shè)計(jì)是一個(gè)

24、含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動(dòng)領(lǐng)域，智能CAD是 CAD發(fā)展的必然方向。從人類認(rèn)識(shí)和思維的模型來看， 現(xiàn)有的人工智能技術(shù)模擬人類的思維活動(dòng)明顯不足。 因此， 智 能CAD不僅是簡單地將現(xiàn)有的智能技術(shù)與 CAD技術(shù)相結(jié)合，更重要的是深入研究人類設(shè)計(jì)的思維模型，最終用信息技術(shù)來表達(dá)和模擬它，才會(huì)產(chǎn)生高效的CAD系統(tǒng)，為人工智能領(lǐng)域提供新的理論和方法。CAD的這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，將對(duì)信息科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生深刻的影響。5）虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）與CADS成VR 技術(shù)在CAD中的應(yīng)用面很廣，首先可以進(jìn)行各類具有沉浸感的可視化模擬，用以驗(yàn) 證設(shè)計(jì)的正確性和可行性。 例如用這種模擬技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析， 可以清楚地看到物體的變形

25、 過程和應(yīng)力分布情況。 其次它還可以在設(shè)計(jì)階段模擬產(chǎn)品裝配過程， 檢查所用零部件是否合 適和正確。在概念設(shè)計(jì)階段，它可用於方案優(yōu)化。特別是利用VR的交互能力，支援概念設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)，檢驗(yàn)操作時(shí)是否舒適、方便，這對(duì)摩托車、汽車、飛機(jī)等的設(shè)計(jì)作用尤 其顯著，在協(xié)同設(shè)計(jì)中，利用 VR技術(shù)，設(shè)計(jì)群體可直接對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行交互。更加逼 真地感知到正在和自己交互的群體成員的存在和相互間的活動(dòng)。2. CAE技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)將體現(xiàn)在以下幾方面：1）真三維圖形處理與虛擬現(xiàn)實(shí)隨著專用於圖形和多媒體信息處理的高性能DSP芯片的發(fā)展，PC機(jī)的圖形處理能力近兩年有成百倍的提高， 再加上三維圖形算法、 圖形運(yùn)算和參數(shù)

26、化建模算法的發(fā)展， 快速真三 維的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)成熟。因此 CAE 軟件的前后處理系統(tǒng)將會(huì)在復(fù)雜的三維實(shí)體建模及 相關(guān)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)圖形處理技術(shù)方面有新的發(fā)展， 例如復(fù)雜的三維實(shí)體建模及相應(yīng)的自適應(yīng) 有限元剖分，復(fù)雜的動(dòng)態(tài)物理場(chǎng)的虛擬現(xiàn)實(shí)與實(shí)時(shí)顯示等。2）面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)高性能價(jià)格比的大容量存貯器及其高速存取技術(shù)在迅速發(fā)展，PC機(jī)的硬盤容量很快將由 GB 量級(jí)達(dá)到 TB 量級(jí)，用戶將要求把更多的計(jì)算模型、設(shè)計(jì)方案、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和知識(shí)性信 息納入 CAE 軟件的數(shù)據(jù)庫中， 這必將推動(dòng) CAE 軟件數(shù)據(jù)庫及其數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展， 高性 能的面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫及管理系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)在新一代

27、的CAE 軟件中。3）多相多態(tài)介質(zhì)耦合、多物理場(chǎng)耦合以及多尺度耦合分析目前的 CAE 軟件，都僅限於宏觀物理、力學(xué)模型的工程和產(chǎn)品分析，雖然有少數(shù)軟件涉足了微機(jī)電系統(tǒng)分析， 但其物理力學(xué)模型尚存在一定問題。值得指出的是：對(duì)于多物理場(chǎng)的強(qiáng)耦合問題、 多相多態(tài)介質(zhì)耦合問題， 特別是多尺度模型的耦合問題， 目前尚處於基礎(chǔ)性 前沿研究階段。但是，它們已成為國內(nèi)外科學(xué)家的重點(diǎn)研究課題，由於其強(qiáng)烈的工業(yè)背景， 基礎(chǔ)研究的任何突破， 都會(huì)被迅速納入 CAE 軟件， 不久的將來， 將形成從材料性能的預(yù)測(cè)、 仿真， 到構(gòu)件與整個(gè)產(chǎn)品性能的預(yù)測(cè)、仿真， 集計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)制備， 到工程或產(chǎn)品的 設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化

28、於一體的新一代 CAE 系統(tǒng)。4） 適應(yīng)于超級(jí)并行計(jì)算機(jī)和機(jī)群的高性能CAE 求解技術(shù)CAD/CAE/CAM 已成為技術(shù)人員實(shí)施技術(shù)創(chuàng)新的得力工具，每秒千億次、萬億次、千 萬億次及量子計(jì)算機(jī)即將誕生， 分布式并行計(jì)算機(jī)群即將投入使用， 為適應(yīng)這種情況， 新型 的高精度和高效率并行算法正被研究， 一些實(shí)用的新算法將不斷問世。 這些新的高性能算法 必然會(huì)被做成 CAE 的軟件模塊，使其在對(duì)復(fù)雜的工程或產(chǎn)品仿真時(shí)，能夠充分發(fā)揮超級(jí)并 行計(jì)算系統(tǒng)的軟、硬件資源，高效率和高精度地獲得計(jì)算結(jié)果。5）GUI 多媒體的用戶介面伴隨著計(jì)算機(jī)圖形用戶介面（ GUI ）和聯(lián)機(jī)共用的圖形與數(shù)據(jù)庫軟件的發(fā)展，狹義的語

29、音輸入 /輸出已成現(xiàn)實(shí)，計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)很快能在一定范圍內(nèi)分析體態(tài)、眼神和手勢(shì)，不久 的將來會(huì)聽、看、說、寫和學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)將問世， 這些多媒體技術(shù)一定會(huì)使未來 CAD/CAE/CAM 軟件的用戶介面具有更強(qiáng)的直觀、 直感和直覺性，CAE 軟件將來不僅具有常見的彈出式下拉菜單， 對(duì)話框、 工具桿和多種數(shù)據(jù)導(dǎo)入的宏命令，還要開發(fā)若干專用的智能用戶介面，幫助用戶選擇單元形態(tài)，分析流程，判斷分析結(jié)果等，使某些專業(yè)用戶使用 CAE 軟件，就像使用 “傻瓜 ”相機(jī)一樣，具有一按即得的功效。6) 模態(tài)分析由線性向非線性問題方向發(fā)展。非線性模態(tài)的概念早在 1960 年就由 Rosenberg 提出，雖有不少學(xué)者

30、對(duì)非線性模態(tài)理論 進(jìn)行了研究，但由于非線性問題本身的復(fù)雜性及當(dāng)時(shí)工程實(shí)踐中的非線性問題并示引起重 視，非線性模態(tài)分析的發(fā)展受到限制。 近年來在工程中的非線性問題日益突出， 因此非線性 模態(tài)分析亦日益受到人們的重視。 最近已逐步形成了所謂非線性模態(tài)動(dòng)力學(xué)。 關(guān)于非線性模 態(tài)的正交性、解耦性、穩(wěn)定性、模態(tài)的分叉、滲透等問題是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。在非線性建模 理論與參數(shù)辨識(shí)方面的研究工作亦是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。 非線性系統(tǒng)物理參數(shù)的識(shí)別、 載荷識(shí) 別方面的研究亦已開始。 展望未來， 模態(tài)分析與試驗(yàn)技術(shù)仍將以新的速度， 新的內(nèi)容向前發(fā) 展。3. CAD/CAE集成技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)將體現(xiàn)在以下幾方面：研究數(shù)字化設(shè)計(jì)

31、制造集成技術(shù)， 建立若干行業(yè)的產(chǎn)品數(shù)字化和智能化設(shè)計(jì)制造平臺(tái)。 開 發(fā)面向產(chǎn)品全生命周期的、 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)字化、 智能化創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法及技術(shù)， 計(jì)算機(jī)輔助 工程分析與工藝設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)、制造和管理的集成技術(shù)。結(jié)合裝備 /產(chǎn)品研制和工程建設(shè)， 開發(fā)以創(chuàng)新設(shè)計(jì)、 敏捷制造和協(xié)同管理為主要內(nèi)容的數(shù)字化綜合集成技術(shù)， 突破多業(yè)務(wù)、 多 系統(tǒng)、 多企業(yè)綜合集成技術(shù)難點(diǎn)， 建立數(shù)字化綜合與協(xié)同能力平臺(tái)， 實(shí)施集團(tuán)企業(yè)及其合作 伙伴、供應(yīng)商、 客戶間的數(shù)字化綜合集成應(yīng)用，提升集團(tuán)企業(yè)信息化應(yīng)用水平，增強(qiáng)自主創(chuàng) 新能力，引領(lǐng)行業(yè)信息化技術(shù)發(fā)展。只有當(dāng) CAD 系統(tǒng)一次性輸入的信息能在后續(xù)環(huán)節(jié)(如 CAE 、

32、CAM )中一再被應(yīng)用才 是最經(jīng)濟(jì)的。 PDM 的電子資料庫和文檔管理提供了對(duì)多種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索和管理功能， 是溝通產(chǎn)品設(shè)計(jì)、 工藝部門和 MRP n、ERP之間信息傳遞的橋梁， 使MRP n、ERP從PDM 平臺(tái)自動(dòng)得到所需的產(chǎn)品信息，如材料清單BOM等，ERP也可通過PDM這一橋梁將有關(guān)信息自動(dòng)傳遞或交換給 3C 系統(tǒng)。目前， PDM 系統(tǒng)是最好的 3C 集成平臺(tái)，它支持分布、異 構(gòu)環(huán)境下的不同軟硬件平臺(tái)、不同網(wǎng)絡(luò)和不同數(shù)據(jù)庫，不同的CAD/CAE/CAM 系統(tǒng)都可以從PDM中提取各自所需的信息，再把結(jié)果放回PDM中，從而真正實(shí)現(xiàn)了 3C的無縫集成。結(jié)合裝備 /產(chǎn)品研制和工程建設(shè)，把產(chǎn)品

33、創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法、協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)、設(shè)計(jì)制造集成技術(shù) 等融入 CAD/CAE/CAM/PDM 集成平臺(tái)， 構(gòu)建產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)平臺(tái)， 實(shí)現(xiàn)企業(yè)級(jí)及企業(yè)間的產(chǎn) 品開發(fā)協(xié)同與全生命周期管理，提升企業(yè)的核心能力和國際競(jìng)爭力。第三節(jié)機(jī)械CAD/CAE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CAD/CAE 集成的實(shí)現(xiàn)需要一系列的工具，在 CAD 方面要建立產(chǎn)品的三維特征模型， 在 CAE 方面要進(jìn)行系統(tǒng)性能仿真分析，所以必須建立一個(gè)基于 CAD/CAE 集成技術(shù)的機(jī)械 產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)。產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)涵蓋了從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、分析優(yōu)化、制造、市場(chǎng)直至使用、維 護(hù)、報(bào)廢等產(chǎn)品全生命周期， 涉及一切圍繞產(chǎn)品而進(jìn)行的活動(dòng)和過程以及活動(dòng)的執(zhí)行部門和 人員， 融合了并行工程、 工作流管理、知識(shí)管理等先進(jìn)設(shè)計(jì)制造管理理念， 以集成產(chǎn)品模型 技術(shù)、 多學(xué)科綜合優(yōu)化技術(shù)、建模與仿真技術(shù)為技術(shù)核心，支持產(chǎn)品持續(xù)創(chuàng)新的、由一系列軟件工具和軟件子系統(tǒng)組成的軟件套件和解決方案集成一體，在數(shù)據(jù)、 過程、 應(yīng)用三個(gè)層面實(shí)現(xiàn)集成與協(xié)同。其技術(shù)特點(diǎn)是：(1) 通過知識(shí)工程接口有效實(shí)現(xiàn)了CAD 產(chǎn)品建模過程、 CAE 工程分析過程和 CAO 設(shè)計(jì)優(yōu)化過程之間的關(guān)聯(lián)；(2) 它可以和企業(yè) PDM 系統(tǒng)集成，利用 CAE 開發(fā)平臺(tái)從 PDM 系統(tǒng)調(diào)入原有的 CAD 模 型和網(wǎng)格模型，同時(shí)把分析過程中的材料數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)和分析結(jié)果存到