第二章现代产品开发设计技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,先进产品开发设计技术,先进制造技术导论,第二章,目录,2.1,概述,2.1.1,产品设计近代史,2.1.2,产品设计的地位,2.1.3,典型设计理论与方法,2.1.4,产品设计一般程序,2.1.5,数字化设计,2.2 CAD,三维造型,2.3,仿真技术,2.3.1 CAE,软件的结构与功能,2.3.2,有限元法,2.3.3,常用,CAE,软件,2.1,概 述,十八世纪以前产品的设计制造主要靠人力完成，设计制造基本由同一劳动者承担。,十八世纪中工业革命后，由于工业产品的增加，英美国家将设计与制造、销售分离开。,2.1.1,产品设计发展近代历史,瓦特改良的蒸汽机,1907,年,10,月,6,日，德国政府支持一批德国设计界杰出人士在慕尼黑成立了,德国工业同盟,。德国工业同盟提倡艺术工业与手工艺相结合；提倡大工业化生产，标准化生产和运用新技术、新材料；大力发展设计教育。在德国以至世界现代设计史上有着非常重要的意义。,1931,年，希特勒上台，该组织被迫解散。,1919,年德国,包豪斯,成立，是德国魏玛市的“公立包豪斯学校”（,Staatliches Bauhaus),的简称，后改称“设计学院”。,她的成立标志着现代设计的诞生,。,工业同盟时期的产品,包豪斯学院设计的产品,2.1.2,产品设计的地位,时间,百分比（,%),设计与产品开发时间,设计,制造,0,10,20,30,40,50,60,70,设计,生产准备,与加工,原材料与,外购件的采购,管理和销售,对成本的影响,所需的工时成本,设计与产品开发成本,设计与修改工作,2.1.3,典型设计理论与方法,文化,技术,自然科学,基础工程科学,工业技术,生产技术,艺术,艺术造型,工业造型,经济学,心理学,社会学,政治学,设计理论,与,方法,设计理论与方法论相关领域,1,）欧洲派系统设计方法学,20,世纪,70,年代,德国,G.Pahl and W.Beitz(1977)W.G.Rodenacker(1970),、瑞士,V.Hubka(1973),、德国,K.Roth(1981),等学者的著作相继问世。,确立了以德国为代表的欧洲设计理论与方法论流派，即,系统设计方法论,。,概念产品,是一种理想化的物质形式。,Vancouver,British Columbia,Canada,串行设计与开发,G.Pahl,“,断钥”的谐音“断药”，,用“断钥”概念设计轮椅,功能、水平、指标、总体原理,总体方案、部件结构、分析与仿真,结构设计、工艺设计、文档,2,）美国公理化设计理论,公理化设计理论（,Axiomatic Design Theory,ADT,）是美国,MIT,机械工程系,Nam P Suh,教授提出的。该理论在产品设计领域有重要的影响。目前有代表性的应用主要集中在机械产品设计、软件设计等方面。,Nam P.Suh,Director,Professor,Mechanical Engineering,MIT,Building Address:,35-235,Email:,npsuhmit.edu,Phone:,(617)253-2225,Fax:,(617)452-3403,公理设计的四个域,其思想的核心是多域映射,两个公理是：,1,）独立性公理。即保证顾客需求的相互独立，使得设计的调整只对其服务的顾客需求产生影响。（,电视上网、游戏）,2,）信息公理。设计要满足信息量最小。信息量最小的设计成功的概率最大。,3,）日本通用设计理论,20,世纪,70,年代,日本东京大学工学部吉川弘之提出采用数学形式表达设计过程的思想，成为,General design theory(GDT).,从而成为日本设计理论与方法论研究的代表人物。,吉川 弘之,YOSHIKAWA Hiroyuki,東京大学工学部,4),苏联,TRIZ,理论,TRIZ,理论是由前苏联发明家,阿利,赫舒列尔,(G.S.Altshuller),在,1946,年创立,。,TRIZ,即,“,发明问题的解决理论,”,，俄语含义的单词首字母（,Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch,）组成，在欧美国家也可缩写为,TIPS,（,Theory of Inventive Problem Solving,）。,前苏联的研究机构、大学、企业组成了,TRIZ,的研究团体，分析了世界近,250,万份高水平的发明专利，总结出各种技术发展进化遵循的规律模式，以及解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新原理和法则。,G.S.Altshuller,(1928 1998),TRIZ,理论主要内容,现代,TRIZ,理论体系主要包括以下几个方面的内容：,1.,创新思维方法与问题分析方法,2.,技术系统进化法则,3.,技术矛盾解决原理,4.,创新问题标准解法,5.,发明问题解决算法,ARIZ,6.,基于物理、化学、几何学等工程学原理而构建的知识库,2.1.4,产品设计一般程序,产品的作用,明确产品用途,制订要求明细,要求清单,确定问题本质,构建功能构造,获得方案原理,组合方案原理生成侯选方案,评价方案,产品定义,/,明确任务,方案设计,/,概念设计,技术设计,/,实体化设计,详细设计,概念,形状结构,文档,设计结果,初始结构和形状设计,初始结构的评价与优化,初始形状的优化,零件明细表和生产方案生成,完善详细结构与形状,完成详细零部件图纸,完善生产方案,各种文档的检查,2.1.5,数字化设计,Teamwork,传统产品设计过程,串行,数字化设计过程,并行,计算机,信息技术,网络技术,数字化设计,是以实现产品设计为目标，以计算机软硬件技术为基础，基于信息技术，实现产品建模、分析、修改、优化、文档生成等设计工作。,1,）与传统设计的比较,2,）设计过程模型,A,、顺序过程模型（为传统设计模式）,B,、以设计为中心的模型（强调分析）,产品定义,方案设计,技术设计,详细设计,原型试制,方案设计,技术设计,详细设计与分析,原型试制,DFX,DFX:,面向制造、装配、全生命周期,运动、动力、温度、流场、磁场。,C,、并行设计模型（,CE,）（强调反馈）,20,世纪,80,年代美国、西方出现并行工程,CE,。,团队具有不同知识结构，同时参与某一阶段设计,。,D,、动态过程模型（强调协同）,方案设计,技术设计,详细设计与分析,原型试制,时间,与并行设计相比，各阶段同时开始，需要更好的集成环境。,A,、产品的概念化设计（概念提出、拓扑结构）、几何造型、虚拟装配等。,B,、产品外形结构、材质、颜色优选及匹配；,虚拟装配,造型,CAD,3,）数字化设计技术,数字化设计技术包括,4,个方面：,C,、产品公差、质量,/,体积,/,表面积计算、干涉分析,D,、有限元分析、优化分析、可靠性分析、运动及动力学分析。,动力学分析,模态分析,切削温度、应力、应变分析,CAE,风机叶片的优化,两相流颗粒运动,数字化设计的最大优势就是无需建物理模型，通过仿真发现问题和缺陷，实现产品优化。,2.2 CAD,三维造型软件,A,、纯,CAD,软件,B,、,CAD/CAM,软件,MDT,（,autodesk),日本、丹麦、韩国,美国参数化技术公司,美国麦道公司,法国达索飞机公司,以色列,cimatron,公司,美国,SDRC,公司,美国,mastercam,公司,美国,SolidWorks,公司,EDS,公司,常用三维软件功能,3D,、参数化建模、可设置公差及表面粗糙度、装配分解,美国参数化技术公司,3D,、参数化建模、,CAD/CAE/CAM,、钣金加工、多轴数控编程,美国麦道公司、,EDS,公司,3D,，,CAD/CAM/CAE,，曲面设计，机器人，建筑设计，电路设计有限元造型,法国达索飞机公司,3D,CADCAM,工具模具设计（塑料模与冲压模），工具组件与电极设计，多轴,CAM,编程,以色列,cimatron,公司,3D,CAD/CAE/CAM,雄居榜首。结构分析、热力分析、优化设计、耐久性分析,美国,SDRC,公司（全球最大,CAM,软件商）,3D,CAD,3Dmeeting,美国,SOLIDWORK,公司,3D,CAD,特点：塑料件、铸件、钣金件设计,EDS,公司,依托,北京航空航天大学,的科研实力，北航海尔开发出了,中国,第一款完全自主研发的,CAD,产品,CAXA,。,北京数码大方科技有限公司（即,CAXA,）是中国领先的,CAD,和,PLM,供应商，是我国,制造业信息化,的知名品牌，拥有完全,自主知识产权,的系列化,CAD,、,CAPP,、,CAM,、,DNC,、,EDM,、,PDM,、,MES,、,MPM,等,PLM,软件,产品和解决方案，覆盖了制造业信息化设计、工艺、制造和管理四大领域，产品广泛应用于装备制造、电子电器、汽车、国防军工、航空航天、工程建设等行业。,另外还有：浩辰,CAD,、中望,CAD,等,2.3,仿真分析技术,仿真分析技术,计算机辅助工程,CAE,可以自己编程计算，也可以求助大型的,CAE,软件。如,ANSYS,，,IDEAS,等。,对于小型简单的静力问题，许多,CAD,软件也提供了一定的,CAE,求解功能。如,UG,、,CATIA,等。对于复杂问题须用大型专门软件。,甚至连划分网格都有专门的软件，如,HyperMesh,。因为模型过于复杂，网格划分也是一项烦索的工作,。,前处理（划分网格，加载荷、约束等）,求解,后处理,数据管理,用户界面,数据库,产品数字化模型,CAE,的基本结构,2.3.1 CAE,软件结构与功能,1),前处理模块,实体建模与参数化建模。,单元剖分，节点自动编号与节点参数自动生成。,载荷与材料参数直接输入,或由公式参数化导入，边界条件，初始条件 设置。,2,）有限元分析模块,有限单元库，材料库及算法库,算法库：静力、动力、振动、热分析、线性与非线性解法库等。,功能,3,）后处理模块,有限元分析结果的数据平滑，各种物理量的加工与显示。,图形、动画输出：变形、振动、速度、应力分布。,4,）用户界面模块,交互式图形界面、菜单、对话框、数据导入与导出等。,5,）数据管理模块,零件模型数据、网络模型数据、单元库、材料、算法、分析结果、标准、规范等。,铸模、铸件三维实体造型,实体网格划分结果,边界条件：传热系数、凝固潜热,初始条件：初始温度、空气温度,初始、边界条件设置,求解,后处理,分析,前处理,2.3.2,有限元方法简介,1960,年，,Clough,提出了有,限元法。,有限元方法将研究区域离散成许多子域，这些子域叫,单元。,Clough,node,(,节点,),element,(,单元,),CAE,的方法主要是运用计算机数值求解工程问题,有限元方法是一种最普遍的算法。,有限元分析的典型基本步骤,离散,写出单元刚度矩阵,形成总体刚度矩阵并引入连续条件和边界条件,求解节点值和后处理,KU=F,、,FEM Mesh and load condition,(,网格划分和载荷条件,),Distribution of x-stress,(X,向应分布,),Ansys,的应用：,中心有孔的矩形板受拉,Ansys,的应用：受压圆盘,FEM Mesh and load condition,网格划分和载荷条件,Distribution of x-stress,(X,向应分布,),2.3.1,常用,CAE,软件,1,、,MSC.NASTRAN,40%,全球市场份额,汽车、军事、航空航天、机械制造绝对优势,功能模块：,基本模块（静力、模态、屈曲、热分析、流固耦合）,动力学、热传导、非线性、气动弹性,提供拓扑优化,详细设计,尺寸优化,灵敏度分析,2,、,ANSYS,美国最大的有限元分析软件公司,功能：,结构,流场,电场,磁场,声场,塑性加工,碰撞分析,焊接分析,优化设计,3,、,ADMAS,美国,MDI,公司,最权威、使用最广的机械动力学分析软件,功能：,静力学、动力