數(shù)字化設計技術(shù)

1、1機電工程與自動化學院CIMS專題數(shù)字化設計技術(shù)第一章 概念第二章 數(shù)字化設計技術(shù)的發(fā)展歷程 第三章 數(shù)字化設計技術(shù)之虛擬樣機第四章 數(shù)字化設計技術(shù)的應用機身外形設計第五章 數(shù)字化設計技術(shù)的總結(jié)2機電工程與自動化學院CIMS專題第一章第一章 概念概念3機電工程與自動化學院CIMS專題1.數(shù)字化設計數(shù)字化設計是指將計算機技術(shù)應用于產(chǎn)品設計領域，通過基于產(chǎn)品描述的數(shù)字化平臺，建立數(shù)字化產(chǎn)品模型并在產(chǎn)品開發(fā)過程應用，達到減少或避免使用實物模型的一種產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)。數(shù)字化設計具有以下兩個顯著優(yōu)點： 4機電工程與自動化學院CIMS專題（1）減少設計過程中實物模型的制造。傳統(tǒng)設計在產(chǎn)品研制中需經(jīng)過反復多次的

2、“樣機生產(chǎn)-樣機測試-修改設計”的過程，這不僅耗費物力、財力，還使得產(chǎn)品研制周期延長。數(shù)字化設計則在制造物理樣機之前，針對數(shù)字化模型進行仿真分析與測試，可排除某些設計不合理性； （2）易于實現(xiàn)設計的并行化。相對與傳統(tǒng)設計過程的串行化，數(shù)字化設計可以讓一項設計工作由多個設計隊伍在不同的地域分頭并行設計、共同裝配，這在提高產(chǎn)品設計質(zhì)量與速度方面具有重要的意義。 5機電工程與自動化學院CIMS專題第二章第二章 數(shù)字化設計技術(shù)的發(fā)展歷程數(shù)字化設計技術(shù)的發(fā)展歷程第一階段： CAx工具應用階段。各種CAx工具（CAD /CAE /CAM /CAT等）開始出現(xiàn)并逐步得到應用，標志著數(shù)字化設計的開始。6機電工

3、程與自動化學院CIMS專題CADCAECAPPCAQCAFDCATDCATCAX/設計工具設計工具/信息集成信息集成7機電工程與自動化學院CIMS專題第二階段：并行工程應用階段。具體體現(xiàn)在PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）技術(shù)及DFx（如DFM、DFA等）技術(shù)在產(chǎn)品設計階段的應用。并行工程是在CAD、CAM、CAPP等技術(shù)的支持下，將原來分別依次進行的工作在時間和空間上交叉、重疊，利用原有技術(shù)，吸收了計算機技術(shù)、信息技術(shù)的成果，成為產(chǎn)品數(shù)字化設計的重要手段和先進制造技術(shù)的基礎。8機電工程與自動化學院CIMS專題使能技術(shù)與工具使能技術(shù)與工具產(chǎn)品數(shù)字化建模、信息集成產(chǎn)品數(shù)字化建模、信息集成CAxCAx、DFx

4、DFx 、PDMPDM開發(fā)過程重組開發(fā)過程重組過程建模、分析、改進、過程建模、分析、改進、監(jiān)控等監(jiān)控等集成產(chǎn)品集成產(chǎn)品開發(fā)團隊開發(fā)團隊 計算機網(wǎng)絡計算機網(wǎng)絡 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫 CSCWCSCW協(xié)調(diào)與沖突仲裁協(xié)調(diào)與沖突仲裁組織環(huán)境組織環(huán)境協(xié)同工作環(huán)境協(xié)同工作環(huán)境并行并行工程工程9機電工程與自動化學院CIMS專題第三階段：虛擬樣機技術(shù)應用階段。虛擬樣機技術(shù)是一種基于虛擬樣機的數(shù)字化設計方法，是CAx/DFx建模/仿真技術(shù)、現(xiàn)代信息技術(shù)、先進設計制造技術(shù)和現(xiàn)代管理技術(shù)，將這些技術(shù)應用于復雜產(chǎn)品全生命周期、全系統(tǒng)，并對它們進行綜合管理。虛擬樣機技術(shù)強調(diào)系統(tǒng)的觀點，涉及產(chǎn)品全生命周期，支持對產(chǎn)品的全方位測試

5、、分析與評估，強調(diào)不同領域的虛擬化的協(xié)同設計。10機電工程與自動化學院CIMS專題Time = $11機電工程與自動化學院CIMS專題第三章第三章 數(shù)字化設計技術(shù)之虛擬樣機數(shù)字化設計技術(shù)之虛擬樣機虛擬樣機是由分布的、不同工具開發(fā)的、甚至異構(gòu)的子模型組成的模型聯(lián)合體：12機電工程與自動化學院CIMS專題虛擬樣機虛擬樣機支持產(chǎn)品開發(fā)制造的全生命周期需求分析和定義概念設計詳細設計生產(chǎn)制造測試評估使用維護訓練直至銷毀等不同階段概念設計詳細設計測試評估使用維護訓練需求分析和定義銷毀13機電工程與自動化學院CIMS專題在產(chǎn)品全生命周期中的虛擬樣機14機電工程與自動化學院CIMS專題需求樣機需求樣機是根據(jù)用

6、戶需求建立的未來產(chǎn)品的可視化和數(shù)字化描述，描述產(chǎn)品功能和外部行為的結(jié)構(gòu)模型進行未來產(chǎn)品的功能仿真，給設計部門演示和說明產(chǎn)品功能的具體要求和使用環(huán)境。給出未來產(chǎn)品的性能要求及其粗略框架，框架由有待填充、細化和完善的功能模塊組成。15機電工程與自動化學院CIMS專題 概念樣機概念樣機是根據(jù)需求樣機的要求，對所提出未來產(chǎn)品的方案設想的可視化和數(shù)字化描述。細化了功能模塊和模塊間的信息流動關(guān)系。 為產(chǎn)品的性能和外部行為提供物理細節(jié)和更詳細的可視化描述。對產(chǎn)品的可制造性、可裝配性及其可維護性進行概略評估。16機電工程與自動化學院CIMS專題工程樣機工程樣機是概念樣機的進一步細化，主要由產(chǎn)品的各種物理性能模

7、型、CAD模型以及其他模型（成本、維護等）組成開展產(chǎn)品的各種仿真試驗工作，評估詳細設計方案的優(yōu)缺點，以及可制造性、可裝配性、可維護性等。根據(jù)評估結(jié)果，對產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)進度、成本、質(zhì)量提出更為全面的要求。17機電工程與自動化學院CIMS專題最終樣機 在產(chǎn)品生產(chǎn)、裝配和使用前，虛擬樣機在工程上基本定型。原型樣機是將原有樣機與實際使用環(huán)境相結(jié)合，檢驗產(chǎn)品的實際使用效果，評估進一步改進設計方案的可能性。加入可靠性模型、維護模型和可用性模型，支持產(chǎn)品的虛擬維護。加入虛擬仿真模型和操作模型，支持產(chǎn)品的使用訓練模擬。18機電工程與自動化學院CIMS專題并行工程并行工程是虛擬樣機技術(shù)是虛擬樣機技術(shù)指導思想指

8、導思想，建模建模/ /仿真仿真是虛擬樣機技術(shù)的是虛擬樣機技術(shù)的核心，核心，協(xié)同仿真協(xié)同仿真是虛擬樣機技術(shù)的是虛擬樣機技術(shù)的關(guān)鍵，關(guān)鍵，CAx/ DFxCAx/ DFx/ /仿真虛擬樣機技術(shù)的仿真虛擬樣機技術(shù)的工具工具。19機電工程與自動化學院CIMS專題虛擬設計與傳統(tǒng)設計傳統(tǒng)設計：設計對象：物理樣機設計環(huán)境：真實環(huán)境，以圖紙上的線條、線框表述設計對象特點：步驟清晰、責任明確，但反復的過程中消耗較大的人力物力和時間虛擬設計：設計對象：虛擬樣機設計環(huán)境：虛擬環(huán)境，在計算機上方便進行交互、實時、可視化的修改，并能馬上看到結(jié)果。特點：并行工程，協(xié)同工作、異地設計、資源共享、優(yōu)勢互補，縮短周期20機電工

9、程與自動化學院CIMS專題第四章第四章 數(shù)字化設計技術(shù)的應用數(shù)字化設計技術(shù)的應用機身外形設計機身外形設計創(chuàng)建機身幾何外形是飛機設計的核心,它是氣動力計算、總體布置、結(jié)構(gòu)和電氣布置等的設計基礎, 機身幾何外形的質(zhì)量直接影響飛機設計的質(zhì)量。數(shù)字化機身設計方法有線框模型設計方法和曲面模型設計方法等。21機電工程與自動化學院CIMS專題本章基于ZX1 型旋翼機機身線框模型設計方法步驟如下：1) 依照設計要求、使用要求和人機關(guān)系等進行協(xié)調(diào)布置；2) 確定機身主要參數(shù)及縱向輪廓和橫向輪廓參數(shù)；3) 根據(jù)機身參數(shù)生成用 NURBS 曲線表示的機身邊界曲線：根據(jù)機身參數(shù)點生成用 NURBS曲線表示的剖截面輪廓

10、線和縱向曲線，利用曲率圖,檢查曲線的光順性,交互修改或自動光順這些曲線,直至曲線光順為止；22機電工程與自動化學院CIMS專題4）由各剖截面輪廓和縱向控制線生成機身線框模型5）利用線框模型生成機身曲面，并檢查曲面光順性，如果不光順再反饋給第 3）步，直到光順為止；6）結(jié)合各曲面塊，完成機身曲面外形；23機電工程與自動化學院CIMS專題相對于短翼、尾梁的造型, 機身的造型要復雜得多，這主要是由于機身內(nèi)部裝有眾多的系統(tǒng)和設備, 協(xié)調(diào)關(guān)系非常復雜。機身外形構(gòu)造的關(guān)鍵在于如何設計機身的控制截面及其位置。從氣動角度看, 機身截面面積越小, 機身的氣動阻力就越小。但是從使用角度看，機身截面面積越小，機身空

11、間的體積就越小，機身內(nèi)部一些系統(tǒng)的可達性和開敞性就越差。顯然這是一個相互矛盾的過程，因此機身截面的確定需要綜合考慮這兩方面的約束。既要有足夠的空間容納系統(tǒng), 同時也需要滿足最小氣動力要求。24機電工程與自動化學院CIMS專題4.1利用人機關(guān)系進行機身內(nèi)部布置：人體模型是飛機內(nèi)部布置的重要工具之一。利用人體模型可以進行乘坐舒適性校核，同時可以檢查踏板、駕駛桿、座椅等部件布置的合理性。人體模型通常被用來檢查飛機內(nèi)部空間如頭部空間、膝部空間、肩部空間、肘部空間等。目前人體尺寸多是以百分位的形式給出的。最簡單的百分位分為三檔：第 5 百分位、第 50 百分位、第 95 百分位，分別對應小個子身材，中等

12、個子身材，大個子身材。25機電工程與自動化學院CIMS專題4.2機身總布局及主要約束條件和參數(shù)的確定機身外形特征尺寸參數(shù)主要包括：總長、總寬、總高；這些參數(shù)存儲在機身的主模型中，用做機身總體布置，總體尺寸要求 ZX1 型旋翼機的總體布局思路是：機身前部是并排雙座駕駛艙，中部為雙座或三座乘員艙，后部安裝一臺萊康明八缸活塞式發(fā)動機和三葉推力螺旋槳。該發(fā)動機體積較大，外形尺寸為1180870560 mm，發(fā)動機上部安裝旋翼傳動系統(tǒng)和發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，為減少機身對螺旋槳的阻塞，機身造型時將機身后部切面盡量縮小。對旋翼機身進行了總體布局后，確定進行三維造型設計，確定全機尺寸和焦點數(shù)據(jù)。利用數(shù)字化設計手段協(xié)

13、調(diào)分析（見圖 4.1、圖 4.2、圖 4.3）。26機電工程與自動化學院CIMS專題圖4.1機身總布置圖27機電工程與自動化學院CIMS專題圖 4.2 座艙空間視圖28機電工程與自動化學院CIMS專題圖 4.3 正、副駕駛員操作區(qū)域協(xié)調(diào)圖經(jīng)協(xié)調(diào)后確定了機身主要特征尺寸為：機身總長 5070mm；機身最大寬度定為 1450 毫米，機身最大高度 1560mm；旋翼軸距機頭 3550mm。29機電工程與自動化學院CIMS專題4.3機身剖截面設計為減少機身的制造難度，降低制造成本，機身底部平面采用直線形狀；機身頂點和機身兩側(cè)有一定的弧度，使外形美觀、流線、氣動阻力小，當控制截面外形初步確定以后, 就需

14、要確定這些截面的具體尺寸位置。機身切面外形由上部弧線（R1）、兩側(cè)弧線（R2）和底部直線相交并倒角（r1、r2）而成，如圖 4.4 所示。上表面半徑 R1 中心距中心軸 1350 mm，頂部 A 點按圖 4.5中側(cè)面視圖切面位置確定，兩側(cè)半徑 R2 中心距中心軸 1675 mm，B 點位置按圖 4.5 中俯視圖中切面位置確定。截面設計關(guān)鍵在確定各部分圓弧半徑及中心坐標。30機電工程與自動化學院CIMS專題圖4.4機身切面理論外形示意圖31機電工程與自動化學院CIMS專題圖4.5機身側(cè)面和俯視圖32機電工程與自動化學院CIMS專題4.4機身縱向約束控制線一般初步設計出的控制截面從縱向看可能是凹凸

15、不平的, 這時通過把機身橫向截面的一些特殊位置上的控制點用縱向曲線連接起來, 光順這些縱向曲線， 就可以得到光順的機身造型。這些參數(shù)通常選擇在機身的上、下頂點、最大寬度點和機身截面曲線斜率不連續(xù)的地方。機身縱向曲線的設計, 可以采用的曲線設計方法很多, 可以是具有解析形式的二次曲線和指數(shù)曲線,也可以是具有插值形式的三次樣條曲線和 B 樣條曲線。33機電工程與自動化學院CIMS專題在縱向曲線光順機身截面的過程中, 需要特別注意機身截面的協(xié)調(diào)問題。一般來說, 縱向曲線的控制點應選擇在機身控制截面上, 這樣既可以提高參數(shù)的使用效率, 又可以控制機身外形的變化。在機身的橫向截面位置通過縱向曲線確定下來

16、以后, 機身的整體外形構(gòu)造就由這些控制曲線確定下來（見圖 4.6）。34機電工程與自動化學院CIMS專題4.6各主要控制截面及縱向曲線設計圖35機電工程與自動化學院CIMS專題4.5機身外形曲面及光順評價 在構(gòu)造曲面塊的時候，最重要的一步是曲率檢查，曲線是否廣順，直接關(guān)系到曲面造型的質(zhì)量。編輯曲線，使其顯示曲率的變化情況。 圖 4.7為機身截面輪廓線曲率檢查，可以看出曲平滑光順。如果曲線很不光滑或曲率變化很大，就要對曲線進行曲率編輯。首先是粗調(diào)組成該曲線上的點，使其曲率梳都在曲線弧的外部，接下來的就是曲率的細調(diào)，使其曲率梳平滑光順。設置更小的顯示比率，將曲率梳的幅值放大，然后在顯示屏上局部放大

17、，以便清晰地調(diào)節(jié)該曲線的曲率，最終要達到在局部放大曲率梳的情況下，曲率梳光滑連續(xù)。36機電工程與自動化學院CIMS專題圖4.7機身截面曲率檢查37機電工程與自動化學院CIMS專題第五章第五章 數(shù)字化設計的總結(jié)數(shù)字化設計的總結(jié)隨著計算機和網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展,使得基于多媒體計算機系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡的數(shù)字化設計技術(shù)為現(xiàn)代制造系統(tǒng)的并行作業(yè)、分布式運行、虛擬協(xié)作、遠程操作與監(jiān)視等提供了可能。數(shù)字化設計技術(shù)與產(chǎn)品的發(fā)展趨勢如下:(1)制造信息的數(shù)字化,將實現(xiàn)CAD /CAPP /CAM /CAE的一體化,使產(chǎn)品向無圖紙設計方向發(fā)展。(2)通過局域網(wǎng)實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部并行工程,通過Internet建立跨地區(qū)的虛擬企業(yè),實現(xiàn)資源共享,優(yōu)化配置,使設計業(yè)向互聯(lián)網(wǎng)輔助設計方向發(fā)展;(3)將數(shù)字化