數字化設計技術

1、1機電工程與自動化學院CIMS專題數字化設計技術第一章 概念第二章 數字化設計技術的發(fā)展歷程 第三章 數字化設計技術之虛擬樣機第四章 數字化設計技術的應用機身外形設計第五章 數字化設計技術的總結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.數字化設計數字化設計是指將計算機技術應用于產品設計領域，通過基于產品描述的數字化平臺，建立數字化產品模型并在產品開發(fā)過程應用，達到減少或避免使用實物模型的一種產品開發(fā)技術。數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。傳統設計在產品研制中需經過反復多次的

2、“樣機生產-樣機測試-修改設計”的過程，這不僅耗費物力、財力，還使得產品研制周期延長。數字化設計則在制造物理樣機之前，針對數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）易于實現設計的并行化。相對與傳統設計過程的串行化，數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，這在提高產品設計質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 數字化設計技術的發(fā)展歷程數字化設計技術的發(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）開始出現并逐步得到應用，標志著數字化設計的開始。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。具體體現在PDM（產品數據管理）技術及DFx（如DFM、DFA等）技術在產品設計階段的應用。并行工程是在CAD、CAM、CAPP等技術的支持下，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，吸收了計算機技術、信息技術的成果，成為產品數字化設計的重要手段和先進制造技術的基礎。8機電工程與自動化學院CIMS專題使能技術與工具使能技術與工具產品數字化建模、信息集成產品數字化建模、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)控等集成產品集成產品開發(fā)團隊開發(fā)團隊 計算機網絡計算機網絡 數據庫數據庫 CSCWCSCW協調與沖突仲裁協調與沖突仲裁組織環(huán)境組織環(huán)境協同工作環(huán)境協同工作環(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：虛擬樣機技術應用階段。虛擬樣機技術是一種基于虛擬樣機的數字化設計方法，是CAx/DFx建模/仿真技術、現代信息技術、先進設計制造技術和現代管理技術，將這些技術應用于復雜產品全生命周期、全系統，并對它們進行綜合管理。虛擬樣機技術強調系統的觀點，涉及產品全生命周期，支持對產品的全方位測

5、試、分析與評估，強調不同領域的虛擬化的協同設計。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 數字化設計技術之虛擬樣機數字化設計技術之虛擬樣機虛擬樣機是由分布的、不同工具開發(fā)的、甚至異構的子模型組成的模型聯合體：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

6、用戶需求建立的未來產品的可視化和數字化描述，描述產品功能和外部行為的結構模型進行未來產品的功能仿真，給設計部門演示和說明產品功能的具體要求和使用環(huán)境。給出未來產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需求樣機的要求，對所提出未來產品的方案設想的可視化和數字化描述。細化了功能模塊和模塊間的信息流動關系。 為產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，主要由產品的各種物理性能

7、模型、CAD模型以及其他模型（成本、維護等）組成開展產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。根據評估結果，對產品的開發(fā)和生產進度、成本、質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 在產品生產、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)境相結合，檢驗產品的實際使用效果，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，支持產品的虛擬維護。加入虛擬仿真模型和操作模型，支持產品的使用訓練模擬。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是虛擬樣機技術指導思想

8、指導思想，建模建模/ /仿真仿真是虛擬樣機技術的是虛擬樣機技術的核心，核心，協同仿真協同仿真是虛擬樣機技術的是虛擬樣機技術的關鍵，關鍵，CAx/ DFx/CAx/ DFx/仿真虛擬樣機技術的仿真虛擬樣機技術的工具工具。19機電工程與自動化學院CIMS專題虛擬設計與傳統設計傳統設計：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，并能馬上看到結果。特點：并行工程，協同工作、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 數字化設計技術的應用數字化設計技術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、結構和電氣布置等的設計基礎, 機身幾何外形的質量直接影響飛機設計的質量。數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、使用要求和人機關系等進行協調布置；2) 確定機身主要參數及縱向輪廓和橫向輪廓參數；3) 根據機身參數生成用 NURBS 曲線表示的機身邊界曲線：根據機身參數點生成用 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部裝有眾多的系統和設備, 協調關系非常復雜。機身外形構造的關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，機身內部一些系統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, 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利用人機關系進行機身內部布置：人體模型是飛機內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的確定機身外形特征尺寸參數主要包括：總長、總寬、總高；這些參數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和發(fā)動機冷卻系統，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據。利用數字化設計手段協

13、調分析（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)域協調圖經協調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中側面視圖切面位置確定，兩側半徑 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調問題。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，直接關系到曲面造型的質量。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，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 數字化設計的總結數字化設計的總結隨著計算機和網絡技術的發(fā)展,使得基于多媒體計算機系統和通信網絡的數字化設計技術為現代制造系統的并行作業(yè)、分布式運行、虛擬協作、遠程操作與監(jiān)視等提供了可能。數字化設計技術與產品的發(fā)展趨勢如下:(1)制造信息的數字化,將實現CAD /CAPP /CAM /CAE的一體化,使產品向無圖紙設計方向發(fā)展。(2)通過局域網實現企業(yè)內部并行工程,通過Internet建立跨地區(qū)的虛擬企業(yè),實現資源共享,優(yōu)化配置,使設計業(yè)向互聯網輔助設計方向發(fā)展;(3)將數字化