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工程机械设计
第8章CAD/CAE技术在工程机械设计中的应用
8.1CAD/CAE技术概述
8.1.1CAD/CAE概念
CAD(ComputerAidedDesign)是指使用计算机系统进行设计的全过程,包括资料检索、方案构思、零件造型、工程分析、工程制图、文档编制等。
在设计的各个阶段计算机都能发挥它的辅助作用,因此CAD概念一产生,就成为一门新兴的学科,引起了工程界的关注和支持,迅速的得到发展并日益地完善起来。
20世纪60年代初,美国麻省理工学院MIT开发了名为Sketchpad的计算机交互图形处理系统,并描述了人机对话设计和制造的全过程,这就是CAD/CAM的雏形,形成了最初的CAD概念:
科学计算、绘图。
随着计算机软、硬件的发展,计算机应用于设计过程,形成了CAD系统,同时给CAD概念加入了新的含义,逐步形成了当今应用十分广泛的CAD/CAE/CAM集成的CAD系统。
从CAD概念产生至今,CAD经历了多个发展时期。
从20世纪60年代初到70年代中期,CAD从封闭的专用系统走向商品化,主要技术特点是二维、三维线框造型,只能表达基本的几何信息,不能表达几何数据间的拓扑关系,需配备大型计算机系统,费用昂贵。
这段时期有代表性的产品是:
美国通用汽车公司的DAC-1,洛克希德公司的CADAM系统。
CAD开始进入应用阶段。
20世纪70年代后期,由于微电子技术的迅猛发展,集成电路的问世,CAD系统价格下降,CAD系统进入了发展时期。
同时,随着此时正值飞机和汽车工业蓬勃发展,飞机和汽车制造中遇到了大量的自由曲面问题,法国达索飞机制造公司率先开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法,推出了三维曲面造型系统CATLA,采用多截面视图、特征纬线的方式来近似表达自由曲面。
该阶段的主要技术特点是自由曲面造型。
自由曲面造型系统为人类带来了第一次CAD技术革命。
一些国家也相继开发了CAD软件,如美国洛克希德公司的CADAM,美国通用电气公司的CALMA、美国波音公司的CV、美国国家航空及宇宙局(NASA)支持开发的I-DEAS、美国麦道公司开发的UG等。
20世纪80年代初,由于计算机技术的大跨步前进,CAE,CAM技术也开始有了较大发展。
由于表面模型技术只能表达形体的表面信息,很难精确表达零件的其他属性,如质量、质心、惯性矩等。
SDRC公司首次开发了基于实体造型技术的CAD/CAE软件I-DEAS。
由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性,在理论上有助于统一CAD,CAE,CAM的模型表达,因而称为CAD发展史上的第二次技术革命。
但由于受当时的计算机硬件条件限制,难以满足实体造型技术所带来的庞大计算量的需求,使其实体造型技术没能在整个行业中全面推广开来。
20世纪80年代中期,CV公司提出了参数化实体造型方法,其特点是:
基于特征,全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改等。
该公司策划参数化技术的这部分人成立了一个参数技术公司(ParametricTechnologyCorpPTC),开始研制Pro/ENGINEER的参数化软件。
进入90年代,PTC在CAD市场份额中名列前茅。
参数化技术的应用导致了CAD发展史上的第三次革命。
20世纪90年代初期,SDRC公司鉴于参数化技术存在的不足之处,如“全尺寸约束”的硬性规定就制约了设计者创造力及想象力的发挥。
为此,SDRC的开发者提出了一项比参数化技术更为先进的实体造型技术---变量化技术,推出了全新体系的I-DEASMasterSerise软件,推动了CAD技术发展的第四次技术革命。
CAE是ComputerAidedEngineering(计算机辅助工程)的缩写,是以现代计算力学为基础,以计算机仿真为手段的工程分析技术,是实现产品优化设计的主要支撑模块。
CAE技术的主要包括有限元分析法、边界法、运动机构分析、气动与流场分析、电磁场分析等内容。
CAE应属于广义CAD的重要组成部分。
8.1.2常用CAD/CAE软件介绍
经过多年的发展,已经有了许多常用的CAD/CAE软件系统,现在分别介绍一些比较著名的CAD/CAE软件。
一、CATIA软件
CATIA(ComputerAidedThree-dimensionalInterfaceApplication)是法国达索飞机公司的子公司达索系统公司与IBM合作开发的CAD/CAE、CAM软件系统。
它是一个先进的自动化设计、制造与工程分析软件,主要用于机械制造、工程设计和电子行业。
主要特点:
软件能根据工业生产的工艺要求,给用户提供从概念设计、风格设计、详细设计、工程分析、设备及系统工程、制造乃至应用软件开发等面向过程的设计思想和解决对策。
产品功能模块:
三维设计、实体几何、高级曲面、图纸绘制、影像设计、建库、数控铣削、数控车削、导管安装与管子成型、机器人、建筑设计和设备布置、结构设计和钢结构件、原理图、运动学、有限元分析、接口模块、交互式图形接口、服务管理访问等。
二次开发接口:
几何接口、用户接口、图形交互接口、工业标准数据转换、数据双向转换接口等。
二、Pro/ENGINEER
Pro/ENGINEER是美国PTC公司(ParametricTechnologyCorporation)开发的一套机械设计自动化软件系统,它是新一代CAD/CAE/CAM软件,实现了产品零件或组件从概念设计到制造全过程设计的自动化,提供了以参数化为基础,基于特征的实体造型技术,主要用于汽车及运输机械、宇宙和飞机制造、电子及计算机设备行业以及其他行业。
主要特点:
将产品整个设计与生产全过程集合为一体的新一代自动化机械设计(MDA)软件,其核心技术是采用参数化和特征化的实体模型系统,具有独特的功能结合能力。
系统是建立在统一的富有关联性的数据库基础之上,任何一处更改,都会引起其他地方相应地自动修改,提供了工程的“完整关联性”。
产品功能模块:
基本模块、曲面造型、特征定义、装配设计、组件设计、工程制图、图标设计、电缆设计、电缆制造、模具设计、钣金设计、有限元网络、加工编辑、数据校核、标准件库、数据管理、报表生成、读图等。
二次开发接口:
用户接口有Pro/DEVELOP,为用户开发工具提供C语言编程的数据库;有Pro/LANGVGE,对菜单和辅助说明信息提供语言翻译功能;有Pro/PLOT,提供符合工业标准的输入、输出设备接口;工业标准数据转换接口及其他接口是Pro/INTERPACE,是一个完整的工业标准数据转换系统。
三、I-DEAS软件
I-DEAS软件是SDRC(StructuralDynamicsResearchCorporation)公司开发的产品,其I-DEASMasterSeries为I-DEAS的所有应用模块提供精确的并行的数据资源。
I-DEAS具有非常直观的用户界面,同时保持与老版本的良好兼用性。
它是一个适用于工业工程部门的具有设计、制图、工程分析、塑料模、数控编程和测试集成功能的综合机械设计自动化软件系统。
I-DEAS主要应用于汽车、摩托车制造业,机械产品的设计、分析和制造,仪器仪表、塑料产品的设计、分析和制造。
主要特点:
I-DEASMaster具有70多个紧密集成的模块,使设计、制图、仿真测试到制造的整个机械产品开发过程实现自动化,具有在产品初始设计阶段对产品的性能进行实际模拟的能力,从而可以优化产品性能和工艺性;以实体模型为基础,具有先进的图形功能和基于人工智能技术的“动态引导器”;用户界面采用变量设计和开放性结构,集成用户内部的应用程序,以实现模块之间的并行关联;采用工程关系数据库将I-DEAS的几何元素分析数据传输到其他运用程序,I-DEAS具有很强的工程分析和工程测试能力。
产品功能模块:
Master造型器和装配设计、钣金件设计、机构设计、公差分析、电缆设计、绘图符号库、查询及标记、标准件库和模型库、多坐标数控编程、数据通用后置处理、后置程序编写器和线切割电火花加工、高级有限元模型建立、线性模型解算、非线性模型解算优化、梁造型、叠层复合材料、系统动态分析、模型响应和复杂热场分析、公共测试特征与功能、信号处理基础、标准后处理、高级后处理、标准测量、时序追踪、测试数据显示、疲劳寿命分析、结构修改、相关性分析、塑料模具分析、波动分析、冷却分析、收缩及翘曲分析、熔合缝探测分析和热固性塑料注塑成型、材料数据管理系统、项目组数据管理、数据管理控制系统和文档管理等。
二次开发接口:
包括几何接口、用户接口、工业标准接口及其他CAD系统的接口。
其中几何接口是PEARL关系型数据库,用户利用PEARL将I-DEAS的几何元素、分析数据和测试数据传输到其他应用程序或者其他公司的CAD/CAE/CAM系统和分析软件。
四、UGⅡ软件
UGⅡ(UNIGRAPICSⅡ)是EDS公司的产品,它是一个集CAD、CAE和CAM为一体的计算机辅助设计系统,适用于航空航天飞行器、汽车、通用机械以及模具的设计、分析和制造。
主要特点:
提供特征化、参数化和变量化的概念设计;采用非均匀B样条作为曲面造型的数学基础;采用区别于多面体的曲面实体造型,使线框模型、曲面造型和实体模型融为一体;提供可以独立运行的面向对象的集成管理数据库系统,使CAD、CAE和CAM各部分都能够自由切换;具有良好的二次开发接口和工具。
产品功能模块:
概念设计、基本设计绘图、细节绘图、实体模型、高级曲面造型、组合件及部件、图形有限元模型、塑料流动、图形交互式语言、平面铣削、型腔铣削、车削加工、钣金成型、下料排样、冲压/激光、综合仿真、工程数据库、计算机辅助工艺过程设计。
二次开发接口:
用户接口及开发工具,GRLP把UGⅡ的图形功能与高级语言的计算功能相结合;Parasolid与UG集成的三维实体模型建模的子程序为用户设计新产品和复杂曲面几何的实体建模提供进一步开发工具;UserPunction提供UG和其他软件系统接口的软件库,允许用户中增加功能,存取UG数据库,并将其他用户写的程序连接到UG,工业标准数据转换接口;LGES双向接口,还有与其他CAD系统的数据交换接口。
五、以MDT为平台的CAD/CAE/CAM一体化方案
MechanicalDesktop(MDT)是AutoDesk公司推出的融合二维和三维设计和机械设计平台,是集AutoCAD和参数化实体造型、曲面造型、装配造型模块为一体的机械设计系统。
MDT从1996年问世以来,至今已经历推出了从1.0开始的多个版本,已经从一个中档功能的CAD系统转换为可以与高端系统相媲美的软件系统,是世界上应用最广泛的CAD系统之一,包含有GB符号库、GB制图标准、全中文手册、中文在线帮助,特别适合我国广大工作人员使用也适合高等学校的学生学习和教学。
当今主导全球设计业发展发展趋势的是三维、面向对象以及因特网三大核心技术,这些MDT全部具备,这对顺利提升机械企业中大批CAD用户的三维设计能力和设计水平具有十分重要的意义。
MDT界面和操作系统是基于Windows环境的,凡熟悉Windows操作的用户对MDT都不会感到陌生,再加上是全中文的在线帮助,界面是非常友好的。
MDT使用先进的实体造型核心技术,实体造型功能强大,同时提供了大量三维实体建模功能,如拉伸、旋转、扫描、常值或半径圆角、复杂圆角过渡等。
从3.0版开始就增加了参数化抽壳、参数化布尔运算、阵列、曲面切割实体、各种工程孔、倒角、零件镜像及缩放、特征复制、三维螺旋路径、面分割、零件分割、用户定义工作轴/工作平面、设计变量等多种功能。
后续的版本更是增强了特征创造等功能,大大提高了造型能力和用户的设计效率,也能更有效的捕捉用户的设计意图。
MDT还具有草图可编辑性功能、装配造型功能等功能。
机械CAD/CAE/CAM追求的目标是推出能为广大制造业普遍接受的从设计到制作全过程的一体化解决方案。
一体化解决方案的中心思想是让用户在统一的环境中实现CAD/CAE/CAM协同设计和作业,使其每个环节都在具有一流水平的操作界面和同一实体数据库的支持下完成。
由于现在的由单独厂商提供的CAD/CAE/CAM系统,虽然易于保证系统单元之间的无缝集成,但是价格高昂,也难以保证系统中每个单元都能满足用户的多样化需求。
反之,用户若从多家厂商中选择各有特色的单元产品来整合成完整的CAD/CAE/CAM系统,又难以保证各单元产品之间的无缝集成性。
针对这一长期困扰用户使之难以两全的历史难题,AutoDesk的MAI战略联盟,联合业界众多一流的专业软件厂商采用基于MDT环境实现二次开发体系,采用同一界面和同一三维实体数据库,无需模型数据交换,并以各自一流的专业软件开发技术,共同提供能够无缝集成的世界一流的CAD/CAE/CAM系统单元,以求在PC平台上构成一体化的贯穿机械产品设计/分析/制造全过程的完整的解决方案,如图8-1所示。
该方案可遍及不同种类的工程分析、模拟仿真、数控加工、钣金制造、公差分析等应用方面,并采用虚拟样机技术,对缩短产品开发周期、提高产品质量、降低成本、增强企业活力和竞争力,将产生十分积极的影响。
图8-1基于MDT平台的CAD/CAE/CAM一体化解决方案
在图8-1中,各个WorkingModdel在PC平台上,在Windows环境下,以相同的人机界面,无缝地集成在一起。
以MDT作三维造型设计,以WorkingModdel作动态分析,提供了机械产品设计/分析的完整有效的手段。
这种CAD/CAE一体化的解决方案,正是虚拟样机设计和实验的思想,是提高产品设计质量,降低研制成本、缩短产品开发周期的有效手段,已被广大的大、中、小企业所接受。
8.1.3CAD/CAE技术在现代设计中的发展
目前,CAD/CAE的关键技术已经相继得到解决,CAD/CAE技术已经相当成熟,CAD/CAE技术正朝着集成化、智能化、网络化快速发展着。
今后CAD/CAE技术在现代设计中的发展特点和趋势主要体现在以下几个方面:
(一)面向并行工程(CE)
集成化产品开发过程(IPD)是并行工程的核心,CE和IPD是不可分割的。
作为产品开发手段和工具,CAD/CAE/CAM集成系统,应从全局优化的角度出发,能对产品设计进行管理和控制,并能对已存在的产品设计进行改进和提高。
(二)面向生产过程的多功能的高度集成
多种功能的集成以满足工程应用的要求是对CAD/CAE/CAM软件系统的普遍要求,一个成熟的CAD/CAE/CAM集成系统,不仅应具备造型、分析、装配、数控加工代码生成的功能,还应能够生成和管理产品信息,实现诸如图样有序管理,在装配过程中进行干涉检验,生成物料清单(BOM)等功能,实现与工程数据库相连,以便能够容易的与产品信息(PI)等信息系统相接。
这些功能的实现,要求系统必须具有先进的产品定义模型。
(三)支持面向对象的工程数据库
从CIMS的角度来看,CAD/CAE/CAM系统的信息最终应当统一到CIMS的信息集成系统中,并为CIMS集成系统的其他部分提供信息;另一方面,CIMS环境下,CAD/CAE/CAM系统的数据模型是多样和复杂的。
因此,具有唯一性、一致性和可操作性的面向工程数据库应是CAD/CAE/CAM系统工程数据库的发展方向和特点。
(四)参数化设计
不论从CAD/CAE/CAM系统的发展还是从工程应用的角度来看,参数化技术已经成为CAD/CAE/CAM系统的一个主流和不可缺少的功能。
目前参数化技术的工程应用主要有3种方式:
一是对尺寸全面参数化处理(Parametrics);二是只在设计后期对关键尺寸进行参数化处理(Variational);三是上述两种方法的综合(Hybrid)。
总之,参数化已成为重要和必不可少的设计手段和工具。
(五)多种工业标准数据接口和具有二次开发的能力
多年来,开放性系统的诸多优越性已经得到实践证明,要实现把CAD/CAE/CAM集成系统产生的工程信息传递给信息管理系统、加工单元等,工业标准的数据接口是必不可少的。
这方面的工作正为越来越多的CAD/CAE/CAM软件生产商所重视。
另一方面,要实现CAD/CAE/CAM系统应用的本地化,二次开发能力也是CAD/CAE/CAM系统所必须具备的。
作为成熟的CAD/CAE/CAM软件平台,应具备CASE开发项目、用户界面开发工具和功能开发工具库或类似的二次开发功能。
(六)智能化技术
通过多年的实践探索,人们认识到不能只把着眼点放在模块和全功能的实现上。
在CAD/CAE/CAM系统中,在模块中应用智能化技术,往往能够收到良好的效果。
例如,为用户提供规则表达设计模型,对产品设计进行优化等。
(七)现代CAD技术
现代CAD技术是指在复杂大系统环境下,用于支持产品自动设计的设计理论、设计环境与设计工具等各种相关技术的总称。
它们能使设计工作达到集成化、网络化与智能化,以达到设计质量高、成本低和设计周期短的目标,其特点是CAD功能覆盖设计全过程,各种计算机辅助技术和工具得到充分的运用。
现代CAD技术研究的内容包括:
研究现代设计理论和方法(并行设计、协同设计、虚拟设计、分形设计等);研究与设计环境相关的技术(协同设计环境的支持技术、协同设计的管理技术);研究与设计工具相关的技术(产品数字化定义及建模技术、基于PDM的产品数据管理与过程管理技术、集成化智能化技术等)。
8.2CAD/CAE在装载机工作装置设计中的应用
8.2.1CAD/CAE在工程机械工作装置设计中的应用
凭借着完整的CAD/CAE/CAM功能,Pro/ENGINEER是全球最多企业采用的3D产品设计方案,特别在中小企业中独占鳌头。
Pro/ENGINEER在机械设备产品设计中具有以下的基本功能。
8.2.1.1零件建模
在零件建模中,可以通过基于实体特征的建模,从概念草绘创建零件,通过直接、直观的图形操作建立和修改零件。
零件建模为用户实现绘制2D概念化布局,使用基本几何图元创建精确几何以及标注和约束几何。
用户可以合并基本特征和高级特征(如拉伸、扫描、切口、孔、槽以及倒角)的方式在2D草绘的基础上建立3D参数零件。
下面介绍零件建模的功能
(1)关于零件
Pro/E“零件”允许用户在先进的三维实体建模环境中实现以实体形式设计模型。
实体模型具有质量属性(如体积、曲面面积、质量、重心和惯性张量等)的几何模型。
操作任意模型时,3D模型保持实体形式。
Pro/ENGINEER提供了一个先进的环境,在其中可通过直接图形操作来完成创建和改变模型。
通过选取对象(几何),然后选择工具对该对象进行操作,可推动工程的设计过程。
此对象操作流程能充分展示用户的创造性、同时能对模型设计提供更加强有力的控制。
此用户界面对此设计过程提供更进一步的支持。
(2)规划设计
可在Pro/ENGINEER中立即开始设计模型,而由于产品的最终期限,会试图投入其中并开始创建模型。
然而,为使设计具有价值,用户需要创造出符合市场需求变化的驱动下不断更改设计趋势的产品。
用户在设计中需要具有灵活性,在维持设计意图不变的情况下,灵活性是进行友好、稳固的产品设计关键,这一点可以通过规划来实现。
规划设计有下面的两种策略:
自顶向下设计:
从已完成的产品进行产品分析,然后向下设计。
因此,可从顶级组件开始,将其分解为零件和子组件(两者合称为元件)。
然后标识顶级组件、元件及其关键特征。
了解子组件内部及元件之间的关系,并评估产品的装配方式,最后规划设计并在模型中体现总体设计意图。
这种方式用于历经频繁设计修改的产品。
自下而上设计:
用户从元件开始分析产品,然后向上设计到顶级组件。
这种设计方法需要对顶级组件有基本的了解。
基于之下而上的设计方式不能完全体现设计意图,尽管有可能与自上而下设计的结果相同,但是加大了设计冲突和错误的风险,从而导致设计不灵活。
目前自下而上设计仍是设计界最广泛采用的范例。
设计相似产品或不需要在其生命周期中进行频繁修改的产品均采用自下而上的设计方法。
3特征和零件
构建的所有模型都包含以下基本的结构属性。
□特征:
每次创建一个单独几何。
特征包括基准、拉伸、孔、倒圆角、倒角、曲面特征、切口、阵列、扫描等。
一个零件可包含多个特征。
□零件:
定义为几何图元的几何特征的集合。
在组件中,零件是指元件。
一个组件中可包含多个零件。
□组件:
装配在一起以创建模型的元件集合。
根据元件之间,以及元件和顶级组件之间的关系,在每一个层次结构中可包含多个零件和子组件,处于最顶层的组件为顶级组件(或称主组件)。
在零件上可创建多种特征。
其中有实体特征和曲面特征以及具体应用特征。
零件建模是指创建实体特征和一些用户定义的特征。
有些特征可添加材料,有些特征可去除材料。
添加材料的最基本方式是通过“伸出项”来进行,去除材料的最基本方式是通过“切口”来进行。
8.2.1.2组件设计
Pro/ENGINEER允许将元件(零件或子组件)放置在一起以形成组件。
可对该组件进行修改、分析或重新定向。
(1)装配功能
Pro/ENGINEER提供了基本的装配工具,各种Pro/ENGINEER模块为装配操作提供了附加的功能。
通过使用诸如简化表示、互换组件等功能强大的工具以及“自顶向下”的设计程序,“组件”支持大型和复杂组件的设计和管理。
(2)简化表示
简化表示是一个模型的的变体,可用此表示改变某一特定设计的视图效果,从而可以控制Pro/ENGINEER调入进程(会话、内存)并显示的组件成员。
这样就能定制工作环境,使其只包含当前关注的信息。
使用先进的执行工具和简化表示,可以加快大型组件的检索过程和一般性工作的进行。
(3)互换组件
互换组件是一种可创建并在设计组件中使用的特殊类型组件。
互换组件由功能或表示相关的模型组成。
可以在同类互换组件中创建功能性互换件(功能性替换等价元件)和简化替换件(替代简化中的元件)。
(4)骨架模型
组件的骨架模型是组件的框架。
骨架模型是组件的一个特殊元件,它定义组件设计的骨架、空间要求、界面及其他物理属性,此组件设计主要定义元件的几何形状。
另外,还可以在组件上采用骨架模型进行运动分析。
8.2.1.3焊接设计
8.2.1.4渲染
8.2.2CAD/CAE在工作装置机构分析中的应用
现以工程机械中的典型机械—连杆机构设计为例来介绍
8.2.3CAD/CAE在工作装置运动仿真中的应用
第9章工程机械人-机-环境系统设计
9.1工程机械噪声控制
9.1.1工程机械噪声源
9.1.2工程机械噪声传播途径
9.1.3工程机械的噪声控制
9.2工程机械驾驶室宜人化环境
9.2.1驾驶室通风
9.2.2驾驶室采暖
9.2.3驾驶室制冷
9.2.4驾驶室的隔热与密封
9.3工程机械乘座舒适性
9.3.1振动压路机整机动力学模型
9.3.2振动压路机振实作业工况乘座舒适性
9.3.3振动压路机转场行驶工况乘座舒适性
第10章工程机械现代设计方法
10.1虚拟样机技术简介与实例
10.1.1虚拟样机技术简介
10.1.2制造虚拟样机的基本过程
10.1.3ADAMS软件简介
10.1.4虚拟样机技术在工程机械的应用
10.2优化设计简介与实例
10.2.1机械优化设计简介
10.2.2液压挖掘机工作装置优化设计
10.2.3装载机反转六杆工作机构优化设计
10.2.4推土机结构优化设计
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