基于ProMechanica的數(shù)控立銑刀優(yōu)化設(shè)計(jì)-畢業(yè)論文

天津工程師范學(xué)院2008屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)PAGEPAGE4第一章CAD/CAE/CAM的簡述1.1CAD/CAE/CAM的發(fā)展歷程1963年美國教授I.E.Suterland成功研制出了世界上第1套實(shí)時(shí)交互的計(jì)算機(jī)圖形系統(tǒng)SKETCHPAD，它標(biāo)志著CAD技術(shù)的誕生。在1952年美國MIT試制成功了世界上第1臺(tái)數(shù)控銑床，解決了復(fù)雜零件的加工自動(dòng)化，促使了數(shù)控編程技術(shù)的發(fā)展。20世紀(jì)50年代中期，MIT研制開發(fā)了自動(dòng)編程語言(APP)提出了被加工零件的描述、刀具軌跡的計(jì)算、后置處理及數(shù)控指令自動(dòng)生成等CAM基本技術(shù)。從此以后，CAD技術(shù)與CAM技術(shù)便相輔相成地發(fā)展起來，在過去的40多年中，CAD/CAM技術(shù)經(jīng)歷了如下四個(gè)主要發(fā)展階段【14~15】：①20世紀(jì)50年代的初始準(zhǔn)備階段美國麻省理工學(xué)院(MIT)于1950年在“旋風(fēng)”計(jì)算機(jī)上采用陰極射線管(CRT)做成圖形終端，并能顯示圖形。50年代后半期出現(xiàn)了光筆，由此開始了交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究。②20世紀(jì)60年代前期的研制試驗(yàn)階段此階段是交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)發(fā)展的最重要時(shí)期。該時(shí)期較著名的交互式系統(tǒng)有：1963年美國學(xué)者Ivan.Sutherland研究的“sketchpad”系統(tǒng)；1964年美國通用汽車公司的“DAC一1”系統(tǒng)；1965年洛克希德公司推出的“CAD/CAM”系統(tǒng)，貝爾電話公司的“GRAPHIC一1”系統(tǒng)等，但當(dāng)時(shí)刷新式顯示器價(jià)格十分昂貴，CAD系統(tǒng)因此難以普及。③20世紀(jì)60年代末至70年代的商品化階段交互圖形技術(shù)日益成熟并得到廣泛應(yīng)用，此時(shí)期CAD/CAM的發(fā)展著重于繪圖技術(shù)，幾何模型化及工程分析研究工作，仍以分離的單個(gè)軟件應(yīng)用為主。此時(shí)它們大多是6位機(jī)上的三維線框系統(tǒng)及二維繪圖系統(tǒng)，只能解決一些簡單的產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題。④20世紀(jì)80年代后的迅速發(fā)展階段20世紀(jì)80年代工業(yè)界開始認(rèn)識(shí)到CAD/CAM新技術(shù)的重要性，大量推出新原理、新方法、新軟件，并把單一功能軟件集成，使之不但能繪制工程圖形，而且能進(jìn)行自由曲面設(shè)計(jì)、有限元分析、三維造型、機(jī)構(gòu)及機(jī)器人分析與仿真等多種應(yīng)用。與此同時(shí)，計(jì)算機(jī)硬件及輸人、輸出設(shè)備也有較大發(fā)展，32位的工作站可以和小型機(jī)、甚至中型機(jī)相媲美，價(jià)格低廉的彩色光柵圖形顯示器占據(jù)統(tǒng)治地位，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)獲得以廣泛應(yīng)用，所有這些都大大促進(jìn)了CAD/CAM的更大發(fā)展。30年來，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的CAD技術(shù)不斷創(chuàng)新、完善，逐步發(fā)展形成一個(gè)從研究開發(fā)、生產(chǎn)制造到推廣應(yīng)用和銷售服務(wù)的完整的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。CAE技術(shù)比起CAD、CAM發(fā)展得晚，在20世紀(jì)60-70年代，處于探索階段，有限元技術(shù)主要針對(duì)結(jié)構(gòu)分析問題進(jìn)行發(fā)展，以解決航空航天技術(shù)發(fā)展過程中所遇到的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度以及模擬實(shí)驗(yàn)和分析。20世紀(jì)70-80年代是CAE技術(shù)蓬勃發(fā)展時(shí)期，出現(xiàn)了大量的機(jī)械軟件，軟件的開發(fā)主要集中在計(jì)算精度、硬件及速度平臺(tái)的匹配、計(jì)算機(jī)內(nèi)存的有效利用及磁盤空間利用上，而且有限元分析技術(shù)在結(jié)構(gòu)和場分析領(lǐng)域獲得了很大的成功。20世紀(jì)90年代CAE技術(shù)逐漸成熟壯大，軟件的發(fā)展向與各CAD軟件的專用接口和增強(qiáng)軟件的前后置處理能力方向發(fā)展，使CAE走上了CAD/CAE/CAM集成的道路。1.2CAD/CAE/CAM的概念、作用和關(guān)系CAD在早期是英文ComputerAidedDrafting（計(jì)算機(jī)輔助繪圖）的縮寫，隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，人們逐步地認(rèn)識(shí)到單純使用計(jì)算機(jī)繪圖還不能稱之為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，真正的設(shè)計(jì)是整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，它包括產(chǎn)品的構(gòu)思、功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、加工制造等。二維工程圖設(shè)計(jì)只是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一小部分，于是CAD的縮寫也由ComputerAidedDrafting改為ComputerAidedDesign，CAD也不再僅僅是輔助繪圖，而是整個(gè)產(chǎn)品的輔助設(shè)計(jì)。CAE（ComputerAidedEngineering）通常指有限元分析和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析。有限元分析可完成力學(xué)分析（線性、非線性、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)）、場分析（熱場、電場、磁場等）、頻率響應(yīng)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。機(jī)構(gòu)分析能完成機(jī)構(gòu)內(nèi)零部件的位移、速度、加速度和力的計(jì)算，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬及機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。CAM（ComputerAidedManufacture）可完成自動(dòng)生成零件加工的數(shù)控代碼，并可進(jìn)行加工過程的動(dòng)態(tài)模擬、干涉和碰撞檢查等。是為數(shù)控機(jī)床服務(wù)的。CAD是CAE和CAM的基礎(chǔ)。在CAE中無論是單個(gè)零件、還是整機(jī)的有限元分析及機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，都需要CAD為其造型、裝配；在CAM中，則需要CAD進(jìn)行曲面設(shè)計(jì)、復(fù)雜零件造型和模具設(shè)計(jì)。在CAD中對(duì)零件及部件所做的任何改變，都會(huì)在CAE和CAM中有所反應(yīng)。所以如果CAD開展的不好，CAE和CAM就很難做好。1.3CAD系統(tǒng)概述先進(jìn)的CAD系統(tǒng)均由硬件和軟件兩大系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)及其外圍設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)組成。軟件系統(tǒng)是由支持軟件和應(yīng)用軟件組成。按照設(shè)計(jì)模型的不同，CAD系統(tǒng)分為二維CAD和三維CAD系統(tǒng)。二維建模是最初的CAD技術(shù)依賴幾何模型來解決二維繪圖問題的，之后發(fā)展為三維的幾何建模技術(shù)。三維幾何建模方法有線框建模、表面建模和實(shí)體建模。由于三維CAD系統(tǒng)的建模包含了很多的實(shí)際結(jié)構(gòu)特征，使用三維CAD造型工具進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，更能反映實(shí)際產(chǎn)品的構(gòu)造及制造過程。隨著幾何建模技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的要求，出現(xiàn)了參數(shù)化和變量化的建模技術(shù)，并日趨廣泛使用。當(dāng)設(shè)計(jì)對(duì)象的結(jié)構(gòu)形狀比較定型時(shí)，多采用參數(shù)化建模技術(shù)，而當(dāng)設(shè)計(jì)對(duì)象需要更大的修改自由度時(shí)，則采用變量化建模技術(shù)。（1）面向?qū)ο?、面向工藝特征的結(jié)構(gòu)體系傳統(tǒng)CAM曲面為目標(biāo)的體系結(jié)構(gòu)將被改變成面向整體模型（實(shí)體）、面向工藝特征的結(jié)構(gòu)體系。系統(tǒng)將能夠按照工藝要求自動(dòng)識(shí)別并提取所有的工藝特征及具有特定工藝特征的區(qū)域，使CAD/CAE/CAM的集成化、自動(dòng)化、智能化達(dá)到一個(gè)新的水平。（2）基于知識(shí)的智能化系統(tǒng)

未來的CAM系統(tǒng)不僅可繼承并智能化地判斷工藝特征，而且具有模型對(duì)比、殘余模型分析與判斷功能，使刀具路徑更優(yōu)化，效率更高。同時(shí)也具有對(duì)工件包括夾具的防過切、防碰撞功能，提高操作的安全性，更符合高速加工的工藝要求，并開放工藝相關(guān)聯(lián)的工藝庫、知識(shí)庫、材料庫和刀具庫，使工藝知識(shí)積累、學(xué)習(xí)、運(yùn)用成為可能。（3）提供更方便的工藝管理手段

CAM的工藝管理是數(shù)控生產(chǎn)中至關(guān)重要的一環(huán)，未來CAM系統(tǒng)的工藝管理樹結(jié)構(gòu)，為工藝管理及即時(shí)修改提供了條件。較領(lǐng)先的CAM系統(tǒng)已經(jīng)具有CAPP開發(fā)環(huán)境或可編輯式工藝模板，可由有經(jīng)驗(yàn)的工藝人員對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，CAM系統(tǒng)可按工藝規(guī)程全自動(dòng)批次處理。據(jù)報(bào)道，未來的CAM系統(tǒng)將能自動(dòng)生成圖文并茂的工藝指導(dǎo)文件，并能以超文本格式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)瀏覽。1.6本課題的提出和研究內(nèi)容高精度數(shù)控刀具結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，而且在精度、可靠性和壽命等方面都有很高的要求。想要實(shí)現(xiàn)對(duì)它的建模和分析，必須要有一個(gè)集CAD、CAM及CAE于一體的軟件，才能完好的實(shí)現(xiàn)。Pro/E是一套具有優(yōu)秀的三維造型功能、強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)和同意數(shù)據(jù)庫管理等特點(diǎn)的CAD軟件。本課題提出了“基于Pro/MECHANICA的立銑刀有限元分析”的研究課題。以高精度數(shù)控刀具——以二齒平頭、四齒平頭、二齒球頭等數(shù)控立銑刀為研究對(duì)象，將有限元設(shè)計(jì)方法引入高精度復(fù)雜刀具的強(qiáng)度、剛度分析中，進(jìn)行基于Pro/MECHANICA的刀具優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體研究內(nèi)容如下：（1）建立數(shù)控立銑刀的三維設(shè)計(jì)模型；（2）在三維模型的基礎(chǔ)上，基于Pro/MECHANICA模塊完成數(shù)控立銑刀結(jié)構(gòu)的有限元分析。具體包括：1）通過靜力分析，得到銑刀的受力和變形的初步分析結(jié)果；2）通過局部靈敏度分析，挑選出對(duì)剛度影響較大的參數(shù)；3）通過全局靈敏度分析，挑選出影響剛度的參數(shù)變化范圍。（3）對(duì)有限元結(jié)果進(jìn)行分析，得到優(yōu)化的設(shè)計(jì)模型，完成刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。第二章基于Pro/E的有限元分析原理2.1CAE子系統(tǒng)的框架及實(shí)現(xiàn)流程圖2.1高精度數(shù)控刀具CAD/CAM系統(tǒng)框架Fig2.1The圖2.1高精度數(shù)控刀具CAD/CAM系統(tǒng)框架Fig2.1TheFrameworkOfHighAccuracyNCCuttingOfCAD/CAMSystem高精度數(shù)控刀具CAD/CAM系統(tǒng)的框架如圖2.1所示，系統(tǒng)從功能上可分為：系統(tǒng)集成框架、CAD子系統(tǒng)、CAE子系統(tǒng)、CAM子系統(tǒng)及共用產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫等模塊，各模塊的功能描述如下：（1）系統(tǒng)集成框架：基于VisualC++6.0開發(fā)完成的。其主要功能是根據(jù)用戶的不同工作要求實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)資源（如產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、文件庫等）的合理配置、調(diào)用、檢索、管理以及對(duì)各系統(tǒng)模塊的協(xié)調(diào)和管理等。（2）CAD子系統(tǒng)：基于Pro/E開發(fā)環(huán)境，利用Pro/Toolkit和ACCESS開發(fā)工具VisualC++6.0語言開發(fā)的相對(duì)獨(dú)立的“CAD子系統(tǒng)”。其主要功能是基于Pro/E強(qiáng)大的參數(shù)化功能，在Pro/Toolkit的模塊環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了立銑刀三維造型的參數(shù)化設(shè)計(jì)。（3）CAE子系統(tǒng)：使用Pro/MECHANICA分析軟件將Pro/E產(chǎn)生的刀具模型與數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)用靈敏度分析的方法對(duì)刀具強(qiáng)度進(jìn)行分析，以及分析刀具結(jié)構(gòu)的合理性，獲得最優(yōu)截形參數(shù)。（4）CAM子系統(tǒng)：基于VisualC++6.0、ACCESS數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)開發(fā)的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)模塊。該模塊主要實(shí)現(xiàn)以下幾項(xiàng)功能：1)完成刀具的工藝設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可以生成工藝過程卡的各工序內(nèi)容；2)將數(shù)控加工的工序內(nèi)容自動(dòng)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的NC宏程序；3)實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)表的打印和NC代碼傳輸?shù)裙δ?。?）共用產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫：用于存放結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)中所需的各種數(shù)據(jù)。2.1.2CAE子系統(tǒng)的框架及實(shí)現(xiàn)流程CAE子系統(tǒng)框架圖如圖2.2所示。本文對(duì)立銑刀進(jìn)行靜態(tài)有限元分析，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行局部靈敏度分析和全局靈敏度分析，挑選出對(duì)模型剛度影響最大的參數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。靈敏度分析是對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)作鋪墊，優(yōu)化設(shè)計(jì)是由用戶指定研究目標(biāo)、約束條件、設(shè)計(jì)參數(shù)，然后在參數(shù)的給定范圍內(nèi)求解滿足研究目標(biāo)和約束條件的最佳方案。圖2.2CAE子系統(tǒng)框架Fig.2.2TheFrameworkOfCAESubsystem2.2基于Pro/MECHANICA的有限元分析原理2.2.1Pro/ENGINEER1985年，PTC公司成立于美國波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER誕生了。經(jīng)過10余年的發(fā)展，Pro/ENGINEER已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了Pro/ENGINEER2000i2。PTC的系列軟件包括了在工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)功能，還包括對(duì)大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。Pro/ENGINEER還提供了目前所能達(dá)到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。下面就Pro/ENGINEER的特點(diǎn)及主要模塊進(jìn)行簡單的介紹。

1.主要特性

（1）全相關(guān)性：Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動(dòng)更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計(jì)圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵(lì)在開發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。

（2）基于特征的參數(shù)化造型：Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素。這些特征是一些普通的機(jī)械對(duì)象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進(jìn)行修改。例如：設(shè)計(jì)特征有弧、圓角、倒角等等，它們對(duì)工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。

裝配、加工、制造以及其它學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征。通過給這些特征設(shè)置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進(jìn)行多次設(shè)計(jì)疊代，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。

數(shù)據(jù)管理：加速投放市場，需要在較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)這種效率，必須允許多個(gè)學(xué)科的工程師同時(shí)對(duì)同一產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時(shí)進(jìn)行的各項(xiàng)工作，由于使用了Pro/ENGINEER獨(dú)特的全相關(guān)性功能，因而使之成為可能。

（3）裝配管理：Pro/ENGINEER的基本結(jié)構(gòu)能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合”、“插入”、“對(duì)齊”等很容易的把零件裝配起來，同時(shí)保持設(shè)計(jì)意圖。高級(jí)的功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。

（4）易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級(jí)出現(xiàn)，提供了邏輯選項(xiàng)和預(yù)先選取的最普通選項(xiàng)，同時(shí)還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學(xué)習(xí)和使用。2.常用模塊

Pro/DESIGNIER

是工業(yè)設(shè)計(jì)模塊的一個(gè)概念設(shè)計(jì)工具，能夠使產(chǎn)品開發(fā)人員快速、容易的創(chuàng)建、評(píng)價(jià)和修改產(chǎn)品的多種設(shè)計(jì)概念?？梢陨筛呔鹊那鎺缀文Ｐ停⒛軌蛑苯觽魉偷綑C(jī)械設(shè)計(jì)和/或原型制造中。

Pro/PERSPECTA-SKETCH

能夠使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員從圖紙、照片、透視圖或者任何其它二維圖象中快速的生成一個(gè)三維模型。

Pro/ASSEMBLY

構(gòu)造和管理大型復(fù)雜的模型，裝配體可以按不同的詳細(xì)程度來表示，從而使工程人員可以對(duì)某些特定部件或者子裝配體進(jìn)行研究，同時(shí)在整個(gè)產(chǎn)品中使設(shè)計(jì)意圖保持不變。Pro/FEATURE

允許產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建高級(jí)特征（例如高級(jí)的掃描和輪廓混合）利用簡便的設(shè)計(jì)工具，在很短的時(shí)間內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)。

Pro/SCAN-TOOLS

滿足工業(yè)上使用物理模型作為新設(shè)計(jì)起點(diǎn)的需求。把模型數(shù)字化，它的形狀和曲面就可以以點(diǎn)數(shù)據(jù)的形式輸入到Pro/SCAN-TOOLS中，因此能產(chǎn)生高質(zhì)量的與物理原型非常匹配的模型。

Pro/SURFACE

能夠使設(shè)計(jì)人員和工程人員直接對(duì)Pro/ENGINEER的任一實(shí)體零件中的幾何外形和自由形式的曲面進(jìn)行有效的開發(fā)，或者開發(fā)整個(gè)的曲面模型。Pro/MECHANICA

進(jìn)行有限元分析。Pro/MESH

對(duì)Pro/ENGINEER中創(chuàng)建的實(shí)體模型和薄壁模型進(jìn)行自動(dòng)的有限元網(wǎng)格劃分，能夠使擁護(hù)快速的評(píng)價(jià)不同描寫在各種條件下的不同模型構(gòu)造。一旦網(wǎng)格劃分完成，模型可以輸出到先導(dǎo)FEA程序中。

Pro/MFG

擴(kuò)展了完全關(guān)聯(lián)的Pro/ENGINEER環(huán)境，使其包含了銑、車、線切割EDM以及輪廓線加工等制造過程。生成加工零件所需的加工路線并顯示其結(jié)果，通過精確描述加工工序提供NC代碼。

Pro/MOLDESIGN

為模具設(shè)計(jì)師和塑料制品工程師提供使用方便的工具來創(chuàng)建模腔的幾何外形；產(chǎn)生模具模芯和腔體；產(chǎn)生精加工的塑料零件和完整的模具裝配體文件。除此以外還有很多模塊，由于篇幅限制，就不贅述了。2.2.2有限元分析（Pro/MECHANICA）簡介Pro/MECHANICA是美國PTC（ParametricTechnologyCoporation，參數(shù)技術(shù)公司）開發(fā)的有限元軟件。該軟件可以實(shí)現(xiàn)和Pro/ENGINEER的完全無縫集成。同其他有限元軟件相比，Pro/ENGINEER軟件可以完全實(shí)現(xiàn)幾何建模和有限元分析的集成。絕大部分有限元軟件的幾何建模功能比較弱，這些有限元軟件通常通過IGES格式或者STEP格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而這樣做最大的弊端在于容易造成數(shù)據(jù)的丟失，因此常常需要花費(fèi)大量的時(shí)間與精力進(jìn)行幾何模型的修補(bǔ)工作。使用Pro/MECHANICA恰好可以克服這一點(diǎn)，該軟件可以直接利用Pro/ENGINEER的幾何模型進(jìn)行有限元分析。由于Pro/ENGINEER具有強(qiáng)大的參數(shù)化功能，那么在Pro/MECHANICA中就可以利用這種參數(shù)化工具的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行模型的靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體地說，當(dāng)模型的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，求解出滿足一定設(shè)計(jì)目標(biāo)（如質(zhì)量最小、應(yīng)力最小等）的最佳化幾何形。因此，可以說Pro/MECHANICA軟件可以真正使工程師們將精力集中在設(shè)計(jì)工作中，在設(shè)計(jì)初期就將設(shè)計(jì)和分析結(jié)合起來，從而實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)。使用Pro/MECHANICA不需要較深的有限元知識(shí)，用戶只要略懂材料屬性和應(yīng)力應(yīng)變基礎(chǔ)就可以進(jìn)行復(fù)雜模型的分析工作。2.2.3基于Pro/M的有限元分析任務(wù)在Pro/M中，將每一項(xiàng)能夠完成的工作稱之為設(shè)計(jì)研究。所謂設(shè)計(jì)研究是指針對(duì)特定模型用戶定義的一個(gè)或者一系列要解決的問題。在Pro/M中，每一個(gè)分析人物都可以看作成一項(xiàng)設(shè)計(jì)研究。Pro/M的設(shè)計(jì)研究種類可以分為以下三種類型：（1）標(biāo)準(zhǔn)分析：最基本、最簡單的設(shè)計(jì)研究類型，至少包含一個(gè)分析任務(wù)。在此種設(shè)計(jì)研究中，用戶需要制定幾何模型、劃分有限元網(wǎng)格、定義材料、定義載荷和約束、定義分析類型和計(jì)算收斂方法、計(jì)算并顯示結(jié)果。（2）靈敏度分析：可以根據(jù)不同的目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)或者無形參數(shù)的改變計(jì)算數(shù)列的結(jié)果。除了進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)分析的各種定義外，用戶需要定義設(shè)計(jì)參數(shù)、制定參數(shù)的變化范圍。用戶可以用靈敏度分析來研究哪些設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)模型的應(yīng)力或質(zhì)量影響較大。（3）優(yōu)化設(shè)計(jì)分析：在基本分析的基礎(chǔ)上，用戶指定研究目標(biāo)、約束條件、設(shè)計(jì)參數(shù)，然后在參數(shù)的給定范圍內(nèi)求解出滿足研究目標(biāo)和約束條件的最佳方案。概括地說，Pro/MSTRUCTURE能夠完成的任務(wù)可以分為兩大類：A.設(shè)計(jì)驗(yàn)證，或者稱之為設(shè)計(jì)校核。在Pro/M中，完成這種工作需要一次進(jìn)行以下步驟：a.創(chuàng)建幾何模型。b.簡化模型。c.設(shè)定單位和材料屬性。d.定義約束。e.定義分析載荷。f.定義分析任務(wù)。g.運(yùn)行分析。h.顯示、平價(jià)計(jì)算結(jié)果。B.模型的設(shè)計(jì)優(yōu)化，這是Pro/M區(qū)別于其他有限元軟件最顯著的特征。在Pro/M中進(jìn)行模型的設(shè)計(jì)優(yōu)化需要完成以下工作：a.創(chuàng)建幾何模型。b.簡化模型。c.設(shè)定單位和材料屬性。d.定義約束。e.定義載荷。f.定義設(shè)計(jì)參數(shù)。g.運(yùn)行靈敏度分析。h.運(yùn)行優(yōu)化分析。i.根據(jù)優(yōu)化結(jié)果改變模型。第三章銑刀的特性與參數(shù)3.1刀具材料3.1.1刀具材料的發(fā)展?fàn)顩r刀具材料對(duì)進(jìn)一步發(fā)展高速切削技術(shù)具有決定性的意義?，F(xiàn)有高速切削刀具材料PCD、CBN、陶瓷刀具、金屬陶瓷、涂層刀具和超細(xì)硬質(zhì)合金刀具等仍將起主導(dǎo)作用，并將得到新的發(fā)展。進(jìn)一步發(fā)展新型高溫力學(xué)性能和高抗熱震性能的高可靠性的刀具材料(包括自潤滑刀具材料)，特別是為加工超級(jí)合金和高性能新型工程材料和高速干切削的刀具材料是發(fā)展的重點(diǎn)[12]。刀具材料的發(fā)展，高速切削技術(shù)發(fā)展的歷史，也就是刀具材料不斷進(jìn)步的歷史。高速切削的代表性刀具材料是立方氮化硼(CBN)。端面銑削使用CBN刀具時(shí)，其切削速度可高達(dá)5000m/min，主要用于灰口鑄鐵的切削加工。聚晶金剛石(PCD)刀具被稱之為21世紀(jì)的刀具，它特別適用于切削含有SiO2的鋁合金材料，而這種金屬材料重量輕、強(qiáng)度高，廣泛地應(yīng)用于汽車、摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)、電子裝置的殼體、底座等方面。目前，用聚晶金剛石刀具端面銑削鋁合金時(shí)，5000m/min的切削速度已達(dá)到實(shí)用化水平，此外陶瓷刀具也適用于灰口鑄鐵的高速切削加工。涂層刀具:CBN和金剛石刀具盡管具有很好的高速切削性能，但成本相對(duì)較高。用涂層技術(shù)能夠使切削刀具既價(jià)格低廉，又具有優(yōu)異性能，可有效降低加工成本?，F(xiàn)在高速加工用的立銑刀，大都用TiAIN系的復(fù)合多層涂鍍技術(shù)進(jìn)行處理，如目前在對(duì)鋁合金或有色金屬材料進(jìn)行干式切削時(shí)，DLC(DiamondLikeCarbon)涂層刀具就受到極大的關(guān)注，預(yù)計(jì)其場前景十分可觀。3.1.2刀具材料的選擇依據(jù)切削工具的硬度必須是工件硬度的2~4倍。如圖3.1所示為以碳鋼（210HV左右）和模具鋼（370HV左右）作為被加工材料，選用立銑刀材料。若立銑刀主要損傷形態(tài)是磨損，為提高立銑刀壽命，可選擇更硬的材料，直到釬焊CBN刀片的立銑刀，價(jià)格當(dāng)然較貴。立銑刀若是因缺損、破損而不能再用，則需反過來選韌性好的材料，直至高速鋼立銑刀。若選用高速鋼，則切削速度必須下降，工件硬度過高，高速鋼可能無法切削、耐磨性不能保證、耐折損性不足和表面粗糙度值高。圖3.1選擇立銑刀材料的依據(jù)Fig.3.1TheGistOfChoosingCutterMaterial3.2銑刀的銑削方式我們所要研究的就四齒平頭銑刀、二齒平頭銑刀和二齒球頭銑刀。銑刀的銑削方式有很多種，如下所示：（1）順銑和逆銑圓周銑削有順銑和逆銑兩種方式。逆銑銑削時(shí)，在銑刀與工件的接觸點(diǎn)處，銑刀速度有與進(jìn)給速度方向相同的分量。由于銑刀刀刃切入工件時(shí)的切削厚度不同，刀齒與工件的接觸長度不同，所以順銑和逆銑時(shí)給銑刀造成的磨損程度也不同。實(shí)踐表明，順銑時(shí)，銑刀使用壽命比逆銑提高2～3倍，表面粗糙度也可減小。（2）對(duì)稱銑削與不對(duì)稱銑削①對(duì)稱銑削為端銑的一種方式。它切入切出時(shí)，切削厚度相同，有較大的平均切削厚度。銑淬硬剛時(shí)應(yīng)采用這種方式。②不對(duì)稱逆銑為端銑的另一種方式。切入時(shí)厚度最小，切出時(shí)最大。銑削碳鋼和合金鋼時(shí)，可減小切入沖擊，提高使用壽命。③不對(duì)稱順銑切入時(shí)厚度較大，切出時(shí)厚度較小。實(shí)踐證明不對(duì)稱順銑用于加工不銹鋼和耐熱金屬時(shí)，可是切削速度提高40%～60%，并可減少硬質(zhì)合金的熱烈磨損。3.3高精度刀具的設(shè)計(jì)參數(shù)立銑刀的幾何參數(shù)不同，其變形量及剛度值也不相同，在其它參數(shù)相同的情況下:隨著銑刀直徑的增大，其剛度值逐漸變大，隨著螺旋角的增大，應(yīng)力逐漸減少，而剛度逐漸增大。利用這種方法，可以優(yōu)選出使變形最小、剛度最大的刀具幾何參數(shù)，從而提高其切削性能。下面以二齒平頭立銑刀為例，介紹它的設(shè)計(jì)參數(shù)。1.刀體設(shè)計(jì)刀體設(shè)計(jì)參數(shù)見表3.1，未注明單位為mm，刀體模型如圖3.2所示。表3.1銑刀設(shè)計(jì)參數(shù)表Table3.1TheParameterTableofEndMillingCutter參數(shù)序號(hào)1刃徑(d1)DR114(mm)柄徑(d2)DB216頸徑(d3)DJ314總長(l)LL90頸長(l1)L160頸角(θ)ST15°倒角(k)K1.5圖3.圖3.2刀體Fig.3.2TheBody2．螺旋溝槽1及周刃前角設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)見表3.2，草繪截面如圖3.3所示。表3.2溝槽1設(shè)計(jì)參數(shù)Table3.2TheParameterOfFluteOne參數(shù)半徑14（mm）周刃前角(Zγ)ZGAM7°芯厚1(dx1)DXH19.1芯厚2(dx2)DXH211.62容屑槽半徑(r1)R12齒背弧半徑(r2)R26切削刃長（l2）L230

3．螺旋溝槽2及周刃后角設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)見表3.3，草繪截面如圖3.4所示。表3.3溝槽2設(shè)計(jì)參數(shù)Table3.3TheParameterOfFluteTwo參數(shù)序號(hào)14（mm）周刃后角1(Zα1)ZALF110°周刃后角2(Zα2)ZALF230°芯厚3(dx3)DXH2312.24芯厚2(dx2)Dxh211.62幅寬1(f1)F11.0幅寬2(f2)F22.2容屑槽半徑(r3)R37.5切削刃長（l2）L230圖3.圖3.4草繪2Fig.3.4SketchTwo圖3.圖3.3草繪1Fig.3.3SketchOne四齒平頭立銑刀和二齒球頭立銑刀設(shè)計(jì)參數(shù)分別見附錄1。第四章高精度數(shù)控立銑刀建模及有限元分析過程4.1二齒平頭立銑刀建模及有限元分析過程4.1.1二齒平頭立銑刀在Pro/E環(huán)境下的建模及參數(shù)化1.建模過程采用混成法建立三維模型，步驟如下［１～２，４，６，８］：（1）運(yùn)行Pro/E2.0軟件，選取零件模塊，進(jìn)入用戶界面。（2）設(shè)定工作目錄。（3）建模，步驟如下：A.用旋轉(zhuǎn)命令生成刀體。如圖4.1所示。B.選擇插入-混合-切口，來繪制溝槽。a.在菜單管理器中選擇“一般，草繪截面，完成”然后選擇“光滑，完成”再選草繪平面“TOP面，正向，缺省”進(jìn)入草繪界面。b.選擇“草繪-數(shù)據(jù)來自文件”，選擇草繪截面1--打開，將草繪截面放置位置如圖4.2所示。然后點(diǎn)擊，系統(tǒng)提示是否繼續(xù)下一截面，回答Yes。再次打開草繪圖4.1三維刀體截面1，點(diǎn)擊，輸入第二個(gè)截面的旋轉(zhuǎn)角度為-3Fig.4.1MillingCutter圖4.3剪切2Fig圖4.3剪切2Fig.4.3CuttingTwo圖4.2剪切1圖4.2剪切1Fig.4.2CuttingOnec、同樣方法剪切草繪截面2，放置位置如圖4.3所示。2.模型的參數(shù)化（1）設(shè)置參數(shù)：單擊“工具-參數(shù)”，按照前面的設(shè)計(jì)參數(shù)填寫此表，填寫完畢，單擊確定，完成參數(shù)的設(shè)置。（2）設(shè)置關(guān)系：選擇“工具-關(guān)系”輸入刀體切換尺寸以后表示的字母與表示設(shè)計(jì)參數(shù)的字母一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，單擊確定。關(guān)系如圖4.4所示。圖4.4關(guān)系對(duì)話框Fig.4.4ThedialogueofRelationship4.1.2有限元分析界面如圖4.6所示圖4.6有限元分析界面Fig.4.6TheInterfaceofFEA4.1.31.定義材料選擇圖標(biāo)彈出如圖4.7所示對(duì)話框：在左側(cè)列表中選取材料，選中STEEL，然后單擊，再單擊Edit，對(duì)材料特性編輯，設(shè)置楊氏模量為2.07E+09，泊松比為0.3，單擊Assign-Part按鈕，選擇刀體模型，然后單擊鼠標(biāo)中鍵返回Materials對(duì)話框，單擊Close按鈕關(guān)閉對(duì)話框。2.定義約束：由于刀體在加工過程中被夾具固定，所以將6個(gè)自由度完全固定。（1）單擊工具欄中施加面約束的按鈕，出現(xiàn)約束對(duì)話框，接受默認(rèn)的名稱constraints1如圖4.8所示，點(diǎn)選reference中的surface選擇Notselected前邊的箭頭，然后選擇刀柄表面。（2）單擊鼠標(biāo)中鍵返回約束對(duì)話框，要對(duì)刀柄完全約束,因此接受默認(rèn)的方式，單擊ok按鈕完成約束定義。圖4.7材料定義話框圖4.8約束定義對(duì)話框Fig.4.8TheDialogueofConstraintsDefinition圖4.9載荷定義對(duì)話框Fig.4.9TheDialogueOfLoadDefinition3.定義載荷：（1）單擊工具欄施加載荷的按鈕，彈出如圖4.9對(duì)話框，接受默認(rèn)名稱Load1，在reference下選擇point(s)，選擇刀刃頂點(diǎn)。（2）單擊鼠標(biāo)中鍵返回載荷定義對(duì)話框，在force一欄輸入徑向載荷272、軸向載荷1586和切向力-1983。（3）單擊ok按鈕完成載荷定義。4.1.41.網(wǎng)格劃分：（1）改變AutoGEM參數(shù)設(shè)置：點(diǎn)選“自動(dòng)幾何-設(shè)置”，打開AutoGEMSETTING對(duì)話框，再次對(duì)話框的中上部選擇Limits，然后將允許的最小角度由原來的值5都改為16，單擊ok完成設(shè)置的修改。（2）點(diǎn)選“自動(dòng)幾何-創(chuàng)建”，打開網(wǎng)格劃分對(duì)話框，點(diǎn)擊create，開始網(wǎng)格的劃分，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)information對(duì)話框，單擊確定，然后開始劃分網(wǎng)格，最終網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4.10所示。圖4.10劃分網(wǎng)格結(jié)果對(duì)話框圖4.11靜態(tài)分析任務(wù)定義對(duì)話框Fig.4.10AutoGEMSummaryFig.4.11Staticstateanalyse2.建立、運(yùn)行靜態(tài)分析任務(wù)：（1） 在MECSTRUCT菜單中選擇圖標(biāo)，在彈處的AnaltesandDesignStudies對(duì)話框中選擇File-NewStatic，彈出靜態(tài)分析任務(wù)定義對(duì)話框。 （2） 在Method中選擇Single-passAdaptive，建立新的靜態(tài)分析任務(wù)Analysis1，如圖4.11所示。（3） 單擊ok按鈕完成經(jīng)態(tài)分析任務(wù)的定義。（4） 單擊圖標(biāo)，開始分析計(jì)算。3.顯示靜態(tài)計(jì)算結(jié)果：（1）選擇圖標(biāo)，系統(tǒng)彈出結(jié)果后處理主界面。（2）單擊上方工具欄中的圖標(biāo)，系統(tǒng)彈出ResultWindowDefinition對(duì)話框，如圖4.12所示，選擇上面完成的分析Analysis1，接受默認(rèn)的顯示應(yīng)力（vonMises）的結(jié)果窗口Window1，在DisplayOption選項(xiàng)中勾選ContinousTone。圖4.12結(jié)果定義（3）單擊ok按鈕完成應(yīng)力結(jié)果窗口定義。Fig4.12ResultWindowDefinition（4）單擊上方工具欄的圖標(biāo)，系統(tǒng)彈出ResultWindowDefinition對(duì)話框，選擇上面完成的分析Analysis1，接受默認(rèn)的顯示變形（Displacement）的結(jié)果窗口Window2，在DisplayOption選項(xiàng)中勾選ContinousTone。（5）單擊ok按鈕完成變形結(jié)果窗口的定義。（6）顯示應(yīng)力圖如圖4.13所示。從圖4.13中可以看出，最大應(yīng)力為3.011e+07MPA。（7）顯示變形圖如圖4.16所示。從圖4.14可以看出，最大變形為6.508e+04mm。圖4.13應(yīng)力圖4.14變形4.1.51.靈敏度分析分類（1）局部靈敏度分析（LocalSensitivity）可以對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)在偏離名義值較小時(shí)進(jìn)行局部靈敏度分析，并且可視化顯示特定設(shè)計(jì)參數(shù)的改變是否對(duì)研究目標(biāo)有較大影響。進(jìn)行局部靈敏度分析，可以較容易地知道那些參數(shù)對(duì)性能影響較大，從而縮小研究范圍。（2）全局靈敏度分析（GlobalSensitivity）使用這種方法可以選擇一個(gè)或多個(gè)模型參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化進(jìn)行靈敏度分析，并以圖形的方式顯示研究目標(biāo)隨著設(shè)計(jì)參數(shù)的變化情況。進(jìn)行全局靈敏度分析，可以確定參數(shù)對(duì)模型某一性能的整體影響，尤其對(duì)于參數(shù)在變化過程中可能引起性能發(fā)生突變時(shí)，該方法就顯得尤為重要了。一個(gè)模型的參數(shù)有很多，如果每一個(gè)參數(shù)都進(jìn)行全局靈敏度分析，必然導(dǎo)致計(jì)算增加；另一方面，眾多的模型參數(shù)對(duì)模型的影響程度不一樣，對(duì)于那些對(duì)模型性能影響程度小的參數(shù)，完全沒有必要進(jìn)行全局靈敏度分析。因此，如果將全局靈敏度分析和局部靈敏度分析結(jié)合起來，就取得事半功倍的效果。通過上述分析可以得出靈敏度分析的一般思路：（1）進(jìn)行局部靈敏度分析，確定主要參數(shù)對(duì)模型性能的影響程度。（2）對(duì)于那些對(duì)模型性能影響大的參數(shù)，進(jìn)行全局靈敏度分析。2．局部靈敏度分析步驟一：定義設(shè)計(jì)參數(shù)a.在菜單欄選擇“分析-DesignControl-DesignParams”，系統(tǒng)彈出DesignParameter對(duì)話框，如圖4.15所示。b.單擊Create...按鈕新建一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，系統(tǒng)彈出設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)話框，如圖4.16所示。c.在圖4.16所示的設(shè)計(jì)參數(shù)定義對(duì)話框中，確定Type設(shè)置為Pro/ENGINEER…，然后單擊右側(cè)的Select…按鈕，系統(tǒng)提示選擇一個(gè)尺寸。d.選擇參數(shù)中的周刃前角ZGAM，點(diǎn)擊Accept.e.系統(tǒng)返回設(shè)計(jì)參數(shù)定義對(duì)話框。圖4.15參數(shù)設(shè)置圖4.16設(shè)計(jì)參數(shù)Fig4.15DesignParameterFig4.16DesignParameterDefinition重復(fù)上述步驟，創(chuàng)建芯厚1，芯厚2，周前角，一次后角和二次后角這些參數(shù)。單擊DONE按鈕，完成設(shè)計(jì)參數(shù)定義。步驟二：建立、運(yùn)行靈敏度分析任務(wù)a.選擇圖標(biāo)，系統(tǒng)彈出AnalyseandDesignStudies對(duì)話框。b.在AnalyseandDesignStudies對(duì)話框中選擇File-NewDesignStudy…c.系統(tǒng)彈出設(shè)計(jì)分析定義對(duì)話框，如圖4.17所示。圖4.17分析定義圖4.18結(jié)果定義對(duì)話框Fig4.17DefinitionofanalyseFig4.18ResultWindowDefinitiond.在StudyName中輸入分析名稱local1，在Type中選擇LocalSensitivity，在Analyses中選擇前面所建立的靜態(tài)分析任務(wù)Analysis1，勾選所有已建立的參數(shù)，并根據(jù)前面的參數(shù)值給一個(gè)初值。e.單擊Accept按鈕完成局部靈敏度的定義，返回到分析設(shè)計(jì)研究對(duì)話框，新建的靈敏度分析任務(wù)已經(jīng)出現(xiàn)在對(duì)話框中。f.單擊圖標(biāo)開始分析計(jì)算。步驟三：顯示局部靈敏度分析結(jié)果a.點(diǎn)擊圖標(biāo)，系統(tǒng)彈出ResultWindowDefinition對(duì)話框，選擇上面完成的局部靈敏度分析local1打開。b.單擊圖標(biāo)，選擇要顯示的結(jié)果。選擇max_stress_vm，如圖4.19所示.c.單擊Accept按鈕完成選擇，系統(tǒng)返回到ResultWindowDefinition對(duì)話框。d.確認(rèn)GraphLocation的選項(xiàng)為DesignVar，選擇下方的設(shè)計(jì)參數(shù)ZGAM。e.單擊ok按鈕完成結(jié)果窗口1的定義。按上述步驟，定義其他結(jié)果窗口。f.定義ZALF1結(jié)果窗口。g.定義ZALF2結(jié)果窗口。h.定義DXH1結(jié)果窗口。i.定義DXH2結(jié)果窗口。圖4.19測量Fig.4.19Measure 圖4.19測量Fig.4.19Measure圖4.20結(jié)果顯示窗口Fig.4.20DisplayReasultj.單擊結(jié)果窗口中的圖標(biāo)，彈出如圖4.20所示對(duì)話框。k.在圖4.20中選擇，Window1，Window2和Window3，Window4，Window5對(duì)模型應(yīng)力的影響曲線，如圖4.21所示。圖4.21.1圖4.21.1周前角Fig.4.21.1ZGAM圖4.21.4圖4.21.4芯厚1Fig.4.21.4DXH1圖4.21.3二次后角Fig.4.21.3ZALF2 圖4.21.5芯厚2圖4.21中，五個(gè)影響曲線圖的縱坐標(biāo)變化范圍不相同，不方便進(jìn)行比較。為此將每一幅圖的縱坐標(biāo)都設(shè)置為從1.6e+007到-2e+006。具體方法如下：左鍵單擊圖ZGAM_STRESS，選擇Format-Graph，出現(xiàn)GraphWindowOptions對(duì)話框，如圖4.22所示。在Range選項(xiàng)中設(shè)置最小值為1.6e+007，最大值為-2e+006。單擊OK按鈕完成設(shè)置，同理設(shè)置其它曲線圖的縱坐標(biāo)。完成設(shè)置后的曲線圖如圖4.23所示。圖4.23.4圖4.23.4芯厚1Fig.4.23.4DXH1圖4.23.3二次后角Fig4.23.3ZALF2圖圖4.23.5芯厚2Fig.4.23.5DXH2從這些圖中可以看出，一次后角和芯厚2對(duì)應(yīng)力幾乎沒有影響，周前角，芯厚1和二次后角對(duì)模型所受的應(yīng)力影響非常顯著。根據(jù)以上分析結(jié)果，選出對(duì)應(yīng)力影響最大周前角，芯厚1和二次后角，進(jìn)行進(jìn)一步的全局靈敏度分析。3.全局靈敏度分析步驟一：建立全局靈敏度分析任務(wù)在局部靈敏度分析中已經(jīng)粗略地研究了模型應(yīng)力隨參數(shù)的變化而發(fā)生變化情況，并篩選了兩個(gè)參數(shù)做進(jìn)一步研究。在全局靈敏度分析中，要分別研究模型應(yīng)力隨參數(shù)ZGAM，DXH1和ZALF2的改變而發(fā)生變化的情況，為此針對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)建立一個(gè)靈敏度分析任務(wù)。a.選擇圖標(biāo)，系統(tǒng)彈出AnalyseandDesignStudies對(duì)話框。b.在AnalyseandDesignStudies對(duì)話框中選擇File-NewDesignStudy…c.系統(tǒng)彈出設(shè)計(jì)分析定義對(duì)話框。d.在StudyName中輸入分析名稱global_zgam，在Type中選擇GlobalSensitivity，在Analyses中選擇前面所建立的靜態(tài)分析任務(wù)Analysis1，勾選ZGAM，在Start和End中輸入數(shù)值。e.完成后的效果圖如圖4.24所示，單擊Accept按鈕完成任務(wù)global_zgam的定義。返回到分析設(shè)計(jì)研究對(duì)話框。如圖4.25所示。步驟二：運(yùn)行全局靈敏度分析任務(wù)a.在圖4.25所示的對(duì)話框中選擇global_zgam。b.單擊圖標(biāo)開始分析計(jì)算。步驟三：顯示全局靈敏度分析結(jié)果c.選擇圖標(biāo)，系統(tǒng)彈出結(jié)果后處理主界面。d.選擇上方工具欄中的圖標(biāo)，如圖4.26所示。e.單擊DesignStudy下方的按鈕，選擇上面完成的分析global_zgam，單擊打開按鈕。f.系統(tǒng)返回到ResultWindowDefinition對(duì)話框。g.在Displaytype中選擇Graph，在Quality中選擇Measure。h.單擊下方圖標(biāo)，選擇要顯示的結(jié)果，選擇max_stress_vm。i.單擊Accept按鈕完成選擇，系統(tǒng)返回結(jié)果窗口定義對(duì)話框。j.確認(rèn)GraphLocation的選項(xiàng)為DesignVar，在下方選擇設(shè)計(jì)參數(shù)ZGAM。k.單擊Accept按鈕接受選擇，系統(tǒng)返回結(jié)果定義對(duì)話框。l.單擊OK按鈕完成結(jié)果窗口的定義。m.單擊結(jié)果窗口上的命令圖標(biāo)，在彈出的結(jié)果對(duì)話框中選要顯示的窗口。n.單擊OK按鈕，顯示結(jié)果如圖4.27所示o.同樣方法對(duì)二次后角做靈敏度分析，如圖4.28所示。圖4.28圖4.28二次后角Fig4.28ZALF2圖4.27圖4.27周前角Fig4.27ZGAM圖4.29芯厚1圖4.29芯厚1Fig4.29DXH1通過圖4.27，4.28和4.29可以準(zhǔn)確確定銑刀模型底應(yīng)力對(duì)周前角、二次后角和芯厚1尺寸變化的靈敏程度。4.1.6優(yōu)化設(shè)計(jì)為了保證模型受應(yīng)力最小，形狀盡可能合理，我們需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化參數(shù)：周前角(zgam)，芯厚1（dxh1）和二次后角（zalf2）步驟一：建立、運(yùn)行優(yōu)化任務(wù)a.選擇圖標(biāo)，系統(tǒng)彈出AnalyseandDesignStudies對(duì)話框。b.在AnalyseandDesignStudies對(duì)話框中選擇File-NewDesignStudy…c.系統(tǒng)彈出設(shè)計(jì)分析定義對(duì)話框，如圖4.30所示。d.在StudyName中輸入分析名稱optimization，在Type中選擇Optimization，e.Goal右側(cè)的下拉菜單中有4種選項(xiàng)，我們接受默認(rèn)的Minimize。f.單擊Goal右側(cè)的Select按鈕，出現(xiàn)如圖4.31所示對(duì)話框，我們選擇測量值max_stress_vm。單擊Accept按鈕，返回4.30對(duì)話框。g.Goal下面的LimitsOnmeasures選項(xiàng)是確定優(yōu)化時(shí)的約束條件。h.在Parameters區(qū)域中勾選ZALF2、ZGAM和DXH1，在Min，Int和Max中輸入數(shù)值。i.勾選RepeatP_LoopConvergence，其他選項(xiàng)接受默認(rèn)值。j.單擊Accept按鈕完成優(yōu)化分析任務(wù)，返回分析設(shè)計(jì)研究對(duì)話框，如圖4.31所示。k.在圖4.31中選擇optimization，單擊圖標(biāo)，開始分析計(jì)算。步驟二：查看運(yùn)算過程信息單擊圖標(biāo)查看運(yùn)算信息如圖4.32所示。運(yùn)算信息最后給出優(yōu)化結(jié)果。周前角值為5.14805，芯厚1的值為10，二次后角的值為50時(shí)模型受應(yīng)力最小。圖4.30設(shè)計(jì)分析Fig.4.29TheDesignofAnalyse圖4.33測量圖4.33測量Fig.4.30Measure步驟三：顯示結(jié)果窗口a.選擇圖標(biāo)，系統(tǒng)彈出結(jié)果后處理主界面。b.選擇圖標(biāo)，系統(tǒng)彈出ReasultWindowDefinition對(duì)話框。c.接受默認(rèn)名字。單擊按鈕，選擇上面完成的優(yōu)化分析optimization，單擊打開按鈕，系統(tǒng)返回到ReasultWindowDefinition對(duì)話框。d.在Displaytype中選擇Fringe，在Quantity中選擇Stress（Displacement），在Component中選擇vonMises，在DisplayOption選項(xiàng)中勾選ContinuousTone.e.單擊okandshow按鈕顯示結(jié)果，如圖4.33所示。優(yōu)化前后模型比較：如圖4.34所示。圖4.34.1優(yōu)化前圖4.34.2優(yōu)化后Fig.4.34.1BeforeoptimizationFig.4.34.2Afteroptimization4.2二齒球頭立銑刀建模及有限元分析過程4.2.1二齒球頭立銑刀在Pro/E環(huán)境下的建模及參數(shù)化1.建模過程和二齒平頭立銑刀建模過程一樣，采用混成法建立三維模型，然后陣列以得到最終的模型，與之不同的是在利用混成法掃溝槽的時(shí)候，二齒平頭立銑刀僅用了兩步混成，而二齒球頭立銑刀用了多步混成才實(shí)現(xiàn)了建模，然而，原理是一樣的，在此就不再贅述了。2.模型的參數(shù)化參數(shù)化的步驟與原理與前面所介紹的二齒平頭立銑刀的參數(shù)化設(shè)計(jì)是一樣的，過程也不再講述了。最終的關(guān)系如圖4.35所示。4.2.2如圖4.36所示，為二齒球頭立銑刀的有限元分析界面。圖4.36有限元分析界面Fig.4.36TheInterfaceofFEA4.2.31.定義材料定義材料與二齒平頭立銑刀過程一樣，材料選的相同，這里也不再敘述了。2.定義約束：定義材料與二齒平頭立銑刀過程一樣，材料選的相同，這里也不再敘述了。3.定義載荷：（1）單擊工具欄施加載荷的按鈕，彈出如圖4.9對(duì)話框，接受默認(rèn)名稱Load1，在reference下選擇point(s)，選擇PNT2（PNT2是我們做的基準(zhǔn)點(diǎn)，為球頭銑刀的頂點(diǎn)），由于球頭立銑刀受力與平頭銑刀受力不同，球頭銑刀受力集中在球頭的頂部，有由于其頂部幾乎不受切向的力，所以我們這里把切向力設(shè)為0。（2）單擊鼠標(biāo)中鍵返回載荷定義對(duì)話框，在force一欄輸入徑向載荷1983、軸向載荷-1586和切向力0。（3）單擊ok按鈕完成載荷定義。4.2.4劃分網(wǎng)格與靜態(tài)分析的過程與二齒平頭立銑刀一樣，在這也不細(xì)述了。最后靜態(tài)分析后得出結(jié)果如圖4.39和圖4.40所示，可以看出，最大應(yīng)力為1.248e+04N/mm2，最大變形為5.458e-06mm。圖4.39應(yīng)力圖4.40變形Fig.4.39TheStressFig.4.40TheDisplacement4.2.51．局部靈敏度分析定義設(shè)計(jì)參數(shù)，建立、運(yùn)行靈敏度分析任務(wù)，顯示局部靈敏度分析結(jié)果同二齒平頭立銑刀的步驟一樣，不再祥述。最終的出結(jié)果如圖4.47所示。圖4.47.2圖4.47.2芯厚2Fig.4.47.2DXH2ZR1_DRGC1圖4.47.1芯厚1Fig.4.47.1DXH1ZR1_DRGC1圖圖4.47.3周前角Fig.4.47.3ZGAMZR1_DRGC1在圖4.47中，三個(gè)影響曲線圖的縱坐標(biāo)變化范圍不相同，不方便進(jìn)行比較。為此將每一幅圖的縱坐標(biāo)的設(shè)置都相應(yīng)的改動(dòng)一下，改動(dòng)的原則與方法參見二齒平頭立銑刀，橫坐標(biāo)改為4e+007，縱坐標(biāo)改為-5e+006。完成設(shè)置后的曲線圖如圖4.48所示。圖4.48.2圖4.48.2芯厚2Fig.4.48.2DXH2ZR1_DRGC1圖4.48.1芯厚1Fig.4.48.1DXH1ZR1_DRGC1圖圖4.48.3周前角Fig4.48.3ZGAMZR1_DRGC1從這些圖中可以看出，周前角對(duì)應(yīng)力幾乎沒有影響，芯厚2對(duì)應(yīng)力有一定影響，芯厚1對(duì)模型所受的應(yīng)力影響非常顯著。根據(jù)以上分析結(jié)果，選出對(duì)應(yīng)力影響較大芯厚1和芯厚2，進(jìn)行進(jìn)一步的全局靈敏度分析。3.全局靈敏度分析步驟與二齒平頭立銑刀全局靈敏度分析一樣，在此也不細(xì)說。分別對(duì)芯厚1和芯厚2做全局靈敏度分析后，所得結(jié)果如圖4.49和圖4.50。圖4.50芯厚2Fig圖4.50芯厚2Fig4.50DXH2ZR1_DRGC1圖4.49芯厚1Fig4.49DXH1ZR1_DRGC1通過圖4.49和4.50可以準(zhǔn)確確定銑刀模型底應(yīng)力對(duì)芯厚1和芯厚2尺寸變化的靈敏程度。4.2.6優(yōu)化設(shè)計(jì)和二齒平頭的分析步驟也一樣，這里也不祥述。優(yōu)化結(jié)果如圖4.51所示。圖4.51優(yōu)化結(jié)果Fig4.51Reasult優(yōu)化后的模型所受應(yīng)力和變形如圖4.52所示。圖4.52.2圖4.52.2變形Fig4.52.2TheDisplacement圖4.52.1應(yīng)力Fig4.52.1TheStress優(yōu)化前與優(yōu)化后模型如圖4.53所示。圖4.53.1優(yōu)化前圖4.53.2優(yōu)化后Fig.4.53.1BeforeoptimizationFig.4.53.2Afteroptimization結(jié)果分析通過以上分析，我們可以看出，應(yīng)用有限元分析的方法可以通過優(yōu)化參數(shù)大小以達(dá)到優(yōu)化模型的效果。在我們分析的過程中，我們可以很清晰的看出一些參數(shù)對(duì)于銑刀性能的影響很大，通過對(duì)其進(jìn)行全局靈敏度分析，我們可以看到它們對(duì)銑刀性能的具體影響，進(jìn)而進(jìn)行優(yōu)化分析，便可得到最優(yōu)的模型。從優(yōu)化后模型的受力和變形分析中可以看出相比優(yōu)化前，模型所受應(yīng)力和變形有所下降，這說明我們所得出的結(jié)果符合實(shí)際情況，結(jié)果很合理。第五章結(jié)論通過此次設(shè)計(jì)，我們可以得到以下結(jié)論：在變形圖，應(yīng)力云圖中，我們可以很清楚的看到了在三維立銑刀模型圖中，刀齒在受到切向和徑向力及軸向力的作用下，有了明顯的變形，基本符合我們的設(shè)想，應(yīng)力云圖中，刀尖附近應(yīng)力集中，實(shí)際生產(chǎn)中刀具刀尖部位最易損壞，所以分析結(jié)果符合實(shí)際情況。從變形圖來看，刀齒在切向力的方向上的變形最大，這和刀齒所受切向方向的力最大有關(guān)。而刀齒在徑向的變形則比較小，這與徑向力在三個(gè)力中最小有關(guān)，說明了銑刀建模的合理。在計(jì)算分析過程當(dāng)中，難免會(huì)有一些誤差，這種誤差便會(huì)影響分析結(jié)果，所以今后再計(jì)算，我們應(yīng)選擇更佳的計(jì)算方法來減小或避免誤差。附錄：英文資料及翻譯計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)基本上是一種設(shè)計(jì)工具，計(jì)算機(jī)是用來分析所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的各個(gè)方面。CAD系統(tǒng)支持各種階段的設(shè)計(jì)過程—設(shè)計(jì)構(gòu)想、初步設(shè)計(jì)及最終設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)者然后可在各種環(huán)境條件，比如溫度的變化或不同機(jī)械壓力下檢驗(yàn)產(chǎn)品的狀況。盡管CAD系統(tǒng)并非一定要包含計(jì)算機(jī)繪圖，但能將設(shè)計(jì)的產(chǎn)品顯示在屏幕上是CAD系統(tǒng)的最有價(jià)值的特征之一。物體的圖形通常顯示在陰極線管屏幕上（CRT）。計(jì)算機(jī)圖形功能使設(shè)計(jì)者可用多種辦法研究物體：將物體在計(jì)算機(jī)屏幕上旋轉(zhuǎn)、將其分成幾段、將物體局部放大以仔細(xì)研究以及在運(yùn)動(dòng)程序的幫助下研究機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。大多數(shù)CAD系統(tǒng)使用互動(dòng)式圖形系統(tǒng)。互交式圖形系統(tǒng)使用戶可直接和計(jì)算機(jī)通過交互作用以對(duì)圖形進(jìn)行調(diào)整及修改。對(duì)CAD系統(tǒng)來說，交互式圖形系統(tǒng)就算不是必要的，也已經(jīng)是很有價(jià)值的工具。許多CAD系統(tǒng)的最終產(chǎn)品是在與計(jì)算機(jī)連接的繪圖儀中產(chǎn)生的圖形。在CAD圖形中，最難解決的問題之一是消去那些被擋住的線。計(jì)算機(jī)生成的圖形是線框圖線。由于計(jì)算機(jī)定義物體時(shí)沒有考慮圖的透視效果，它顯示出物體的所有面，而不考慮這些面是在朝向觀測者的一面還是位于通常人眼無法看到的背面?？墒褂枚喾N不同辦法在計(jì)算機(jī)屏幕上生成圖形。一種辦法是采用幾何模板形式，這種辦法是用基本形狀和基本的元素創(chuàng)建圖形，元素的長度及半徑可以修改。例如，圓柱是一個(gè)基本元素，在已顯示的零件上去掉一個(gè)規(guī)定半徑和長度的圓柱就可以生成一個(gè)孔。但是每次變化都保留零件所有的幾何特征。另外，CAD系統(tǒng)使用成組技術(shù)設(shè)計(jì)零件。成組技術(shù)是在功能、結(jié)構(gòu)相同或加工方法相似的工件基礎(chǔ)上采用分組編碼的一種加工方法。采用成組技術(shù)可使工廠減少所用零件得數(shù)量，并使零件在工廠中的制造、運(yùn)輸效率更高。最近的CAD系統(tǒng)使用了壓力有限元分析法。在用這種方法時(shí)，待分析物體用很多有壓力及彎曲特征的小元素組成的模型表示。這種分析辦法要求同時(shí)分解許多方程，用計(jì)算機(jī)執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)，物體的彎曲可以通過生成動(dòng)畫的方式顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。采用這些辦法中的任一種或其它常用辦法，CAD系統(tǒng)在設(shè)計(jì)段生成了單個(gè)的幾何數(shù)據(jù)庫，它可用于設(shè)計(jì)的各個(gè)階段及其后的制造、裝配和檢驗(yàn)過程。二維繪圖CAD使多視圖的二維繪圖成為可能，視圖空間可以從微米到米的比例范圍內(nèi)無限變化。它提供給機(jī)械設(shè)計(jì)師放大的功能，即使在恰當(dāng)配合的裝配零件中最小的元件也能看清楚，設(shè)計(jì)程序甚至能自動(dòng)辨認(rèn)CAD裝配圖中的潛在問題。針對(duì)具有不同特征的零件，如運(yùn)動(dòng)的或靜止的，在顯示時(shí)可以被指定成不同的顏色。為了有利于工程設(shè)計(jì)的變化，可使用帶有自動(dòng)尺寸變化的系統(tǒng)對(duì)零件進(jìn)行尺寸標(biāo)注。三維繪圖隨著三維建模的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)者具有了更多的自由度。他們可以生成三維零件圖并且可以無限制地修改以獲得所需的結(jié)果。通過有限元分析，應(yīng)力加到計(jì)算機(jī)模型上，并且以圖形化的方式顯示其結(jié)果，在產(chǎn)品物理模型真正生產(chǎn)之前，對(duì)設(shè)計(jì)中的任何內(nèi)在問題給設(shè)計(jì)者一個(gè)快速的反饋。三維模型可用線框、曲線或?qū)嶓w方式生成。在線框模型中，直線和圓弧構(gòu)成了模型邊界。結(jié)果是一個(gè)可以從任何位置觀察的三維模型，但仍只是一個(gè)框架形式。創(chuàng)建曲面猶如在骨架上包上皮。一旦這樣生成后，模型就可以被渲染，使得圖形看上去更逼真。曲面模型普遍用于構(gòu)建板金的展開和重疊以用于制造。實(shí)體模型是最復(fù)雜的建模層次，并且用于建立實(shí)體模型的程序在一段時(shí)期內(nèi)只用在大型計(jì)算機(jī)上。只有近年來微型計(jì)算機(jī)才達(dá)到這個(gè)能力水平，也可運(yùn)行復(fù)雜的算法，生成實(shí)體模型。計(jì)算機(jī)“認(rèn)為”實(shí)體模型是一種具有實(shí)體質(zhì)量的模型，所以它可被“鉆孔“加工”“焊接”，好象它是一個(gè)實(shí)際的零件。它能夠由任何材料構(gòu)成并呈現(xiàn)其材料特性，因此，能夠進(jìn)行質(zhì)量計(jì)算。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）意思是用計(jì)算機(jī)幫助設(shè)計(jì)單個(gè)零件或設(shè)計(jì)系統(tǒng)，如航空器。設(shè)計(jì)過程經(jīng)常包括計(jì)算機(jī)繪圖。計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）意思是用計(jì)算機(jī)來幫助制造零件。CAM可分為兩種主要類型：（1）在線應(yīng)用，即用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制加工系統(tǒng)，比如計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（CNC）以及機(jī)床的自適應(yīng)（AC）；（2）離線應(yīng)用，即在產(chǎn)品的規(guī)劃以及非實(shí)時(shí)輔助零件加工時(shí)使用計(jì)算機(jī)。CAD/CAM是一個(gè)統(tǒng)一的軟件系統(tǒng)，其中CAD部分是在計(jì)算機(jī)內(nèi)與CAM連接在一起的。當(dāng)今CAD/CAM系統(tǒng)的最終結(jié)果通常是程序列或穿孔帶形式的零件程序。先進(jìn)的CAD/CAM系統(tǒng)中，零件程序可直接輸入到控制數(shù)控機(jī)床的計(jì)算機(jī)及檢驗(yàn)站中。CAD/CAM系統(tǒng)中的主要構(gòu)想是生成可用于所有設(shè)計(jì)及加工動(dòng)作的通用數(shù)據(jù)庫。這其中包括：產(chǎn)品的規(guī)格化、設(shè)計(jì)構(gòu)想、最終設(shè)計(jì)、繪圖、加工及檢驗(yàn)。在次過程中的每一個(gè)階段，數(shù)據(jù)都可以添加、修改、使用以及分配給工作站的終端和計(jì)算機(jī)中。單個(gè)數(shù)據(jù)庫從實(shí)質(zhì)上減少了認(rèn)為誤差，極大的縮短了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)構(gòu)想到制造出最終產(chǎn)品所需的時(shí)間。所需計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的大小及容量取決于產(chǎn)品的復(fù)雜程度。在航空航天工業(yè)中，要用CAD/CAM處理器完成航天器設(shè)計(jì)，系統(tǒng)必須能夠容納從不同用戶處得到的新的數(shù)據(jù)以及對(duì)數(shù)據(jù)的修改。因此，它們所用的系統(tǒng)必須有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。與之相對(duì)，如果公司設(shè)計(jì)的產(chǎn)品簡單，所需的CAD/CAM只需一個(gè)計(jì)算機(jī)終端即可。如今CAD/CAM系統(tǒng)的主要用戶是航天工業(yè)及汽車工業(yè)。但是隨著CAD/CAM系統(tǒng)價(jià)格的降低，也增加了其他方面用戶的數(shù)量。先進(jìn)的CAD/CAM系統(tǒng)除了有線框方式圖形外還包括固體幾何模塊功能。當(dāng)CAM系統(tǒng)中涉及數(shù)控檢驗(yàn)程序以及加工時(shí)要求同時(shí)觀測零件的變化狀況時(shí)，固體幾何模塊描述就很重要。最近幾年CAD/CAM技術(shù)已經(jīng)提高了工業(yè)生產(chǎn)率。CAD/CAM技術(shù)是朝向未來工廠設(shè)計(jì)方向邁出的重要一步。有限元優(yōu)化的應(yīng)用在結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜的情況下，當(dāng)工程師們工作時(shí)，他們需要合理的、可靠的、快速而經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)工具。過去二十多年里，有限元分析法已經(jīng)成為判別和解決涉及這些復(fù)雜設(shè)計(jì)課題時(shí)的最常用方法。因?yàn)楣こ讨械拇蠖鄶?shù)設(shè)計(jì)任務(wù)都是可定量的，所以實(shí)踐上，為了快速找到一些可供選擇的設(shè)計(jì)方案。計(jì)算機(jī)令繁瑣的重復(fù)設(shè)計(jì)過程發(fā)生了深刻的變革。但是，即使是現(xiàn)在，許多工程師仍然使用人工的試湊法。這樣一種方法使得即使是很簡單的設(shè)計(jì)任務(wù)也變的困難，因?yàn)橥ǔＫǜL的時(shí)間，需要廣泛的人一機(jī)交互配合，且偏于用設(shè)計(jì)組的經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)是以理論數(shù)學(xué)的方法為基礎(chǔ)，改進(jìn)那些對(duì)于工程師來說過于復(fù)雜的設(shè)計(jì)，使其設(shè)計(jì)過程自動(dòng)化。如果在一部臺(tái)式計(jì)算機(jī)平臺(tái)上能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，那就可以節(jié)省大量的時(shí)間和金錢。優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的就是要將對(duì)象極大化或極小化，例如，重量或基頻，主要受到頻響和設(shè)計(jì)參數(shù)方向的約束。尺寸和結(jié)構(gòu)形狀決定著優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。觀察一下作為零件優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，使它變的更容易理解。第一步，包括預(yù)處理分析和后處理分析，正像慣常使用的有限元分析（FEA）和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）程序應(yīng)用。（CAD的特點(diǎn)在于根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)建立了課題的幾何圖形）。第二步，定義優(yōu)化目標(biāo)和響應(yīng)約束。而最后一步，反復(fù)自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)作業(yè)。優(yōu)化設(shè)計(jì)程序?qū)⒃试S工程師們監(jiān)督該設(shè)計(jì)步驟和進(jìn)度，必要時(shí)停止設(shè)計(jì)，改變設(shè)計(jì)條件和重新開始。一項(xiàng)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序的功力取決于有效的預(yù)處理和分析能力。二維和三維設(shè)計(jì)的應(yīng)用既需要自動(dòng)進(jìn)行也需要設(shè)計(jì)參數(shù)的結(jié)網(wǎng)性能。因?yàn)樵趦?yōu)化循環(huán)過程中，課題的幾何條件和網(wǎng)格會(huì)改變，所以優(yōu)化程序必須包含誤差估計(jì)和自適應(yīng)控制。修改、重配網(wǎng)格和重新估算模式以期獲得特定目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是以輸入初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)開始的。接著，是規(guī)定合格的公差并形成約束條件以獲得最優(yōu)結(jié)果，或最后改進(jìn)設(shè)計(jì)，解決問題。為了使產(chǎn)品從簡單輪廓圖形到三維實(shí)體模型系統(tǒng)化、系列化，設(shè)計(jì)者必須廣泛接觸設(shè)計(jì)目標(biāo)和特性約束條件。為了易于確定而利用下列參數(shù)作為約束和目標(biāo)函數(shù)的附加特性條件，也將是需要的：重量、體積、位移、應(yīng)力、應(yīng)變、頻率、翹曲安全系數(shù)、溫度、溫度梯度和熱通量。此外，工程師們應(yīng)該能夠通過多學(xué)科的不同類型的優(yōu)化分析使多種約束條件結(jié)合起來。例如設(shè)計(jì)者為了應(yīng)力分析，可以進(jìn)行熱力分析和加熱以變更溫度，也可將多種約束條件，諸如最高溫度、最大應(yīng)力和變形聯(lián)系在一起進(jìn)行研究，然后規(guī)定一個(gè)所希望的基本頻率范圍。目標(biāo)函數(shù)代表著整體模式或部分模式。甚至更重要的是通過說明重量或者成本應(yīng)因素，就應(yīng)該能反映該模式的各個(gè)部分的重要性。計(jì)算機(jī)輔助繪圖的好處用計(jì)算機(jī)完成繪圖及設(shè)計(jì)任務(wù)的好處是令人難忘的：提高速度、提高準(zhǔn)確性、減少硬拷貝存儲(chǔ)空間及易于恢復(fù)信息、加強(qiáng)信息傳遞能力、改善傳輸質(zhì)量和便于修改。速度工業(yè)用計(jì)算機(jī)能以平均每秒3300萬次完成一項(xiàng)任務(wù)；更新的計(jì)算機(jī)起速度更快。用計(jì)算機(jī)計(jì)算零件的變形量是一個(gè)重要功績。當(dāng)理論上的載荷力加到零件上時(shí)、通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元分析或者在監(jiān)視器上顯示一個(gè)城市的整體規(guī)劃時(shí)，這兩者都是既費(fèi)時(shí)又計(jì)算最大的任務(wù)。AutoCAD軟件可根據(jù)需要多次復(fù)制所需模型的形狀和幾何尺寸，快速自動(dòng)地進(jìn)行剖面填充及尺寸標(biāo)注。準(zhǔn)確AutoCAD程序依靠操作系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)平臺(tái)每點(diǎn)具有14位的精度。這在用數(shù)字計(jì)算諸如一個(gè)圓的線段數(shù)、程序必須圓整線段數(shù)時(shí)是十分重要的。存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)能夠在物理中存儲(chǔ)上千幅圖，這空間能夠存儲(chǔ)上百幅手工圖。而且計(jì)算機(jī)能夠很容易地搜索和找到一幅圖，只要操作者擁有正確的文件名。傳輸由于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)是以電子形式存儲(chǔ)，它能被送到各個(gè)位置。最明顯的位置是監(jiān)視器。計(jì)算機(jī)可以在屏幕上以不同方式顯示數(shù)據(jù)，如圖形，并能方便地將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可讀圖形。這些數(shù)據(jù)也可被傳送給繪圖機(jī)，打印出常見的圖紙，通過直接連接到計(jì)算機(jī)輔助制造機(jī)床或電話線傳到地球的任何地方。你可以不再冒損壞或丟失的危險(xiǎn)去郵寄圖紙，現(xiàn)在圖紙可以通過電信網(wǎng)立即發(fā)送到目的地。質(zhì)量計(jì)算機(jī)總是從最初生成的數(shù)據(jù)形式保存數(shù)據(jù)。它可以不顧疲勞的不斷地重復(fù)同一個(gè)數(shù)據(jù)輸出。線型將總是鮮明和清晰的，具有一致的線寬，而文本也總是清晰明了的。計(jì)算機(jī)不會(huì)改變輸出質(zhì)量，因?yàn)橛?jì)算機(jī)不會(huì)像人那樣因周末的郊游或深夜觀看娛樂節(jié)目而疲勞。修改計(jì)算機(jī)以某種便于修改的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并且不斷地提供反饋給用戶。某些圖形一旦畫成，它就不必再畫，因?yàn)槲矬w可以被復(fù)制、延伸、改變尺寸并且在不重畫的情況下，可以多種形式加以修改。除了最初購買CAD工作站的花費(fèi)，CAD的唯一缺點(diǎn)是它是一個(gè)小軟件，而它能容易被克服。由于圖形是以電子格式存儲(chǔ)而不是圖紙格式，所以有可能會(huì)容易地刪除繪圖文件。這就是為什么強(qiáng)調(diào)要培養(yǎng)自己一個(gè)好的繪圖習(xí)慣以避免意外地刪除繪圖文件。一盎司的保護(hù)等于一磅的治療。如果你按照正確的順序操作，則有很多種成功恢復(fù)文件的方式。如此輕松！Computer-AidedDesign(CAD)ACADsystemisbasicallyadesigntoolinwhichthecomputerisusedtoanalyzevariousaspectsofadesignedproduct.TheCADsystemsupportsthedesignprocessatalllevels—conceptual,preliminary,andfinaldesign.Thedesigncanthentesttheproductinvariousenvironmentalconditions,suchastemperaturechanges,orunderdifferentmechanicalstress.AlthoughCADsystemsdonotnecessarilyinvolvecomputergraphics,thedisplayofthedesignedobjectonascreenisoneofthemostvaluablefeaturesofCADsystems.Thepictureoftheobjectisusuallydisplayedonthesurfaceofcathode-raytube(CRT).Computergraphicsenablesthedesignertostudytheobjectbyrotatingitonthecomputerscreen,separatingitintosegments,enlargingaspecificportionoftheobjectinordertoobserveitindetail,andstudyingthemotionofmechanismswiththeaidofprograms.MostCADsystemsareusinginteractivegraphicssystem.Interactivegraphicsallowstheusertointeractdirectlywiththecomputerinordertogeneratemanipulate,andmodifygraphicdisplays.Interactivegraphicshasbecomeavaluabletool,ifnotanecessaryprerequisite,ofCADsystem.TheendproductsofmanyCADsystemsaredrawinggeneratedonaplotterinterfacedwiththecomputer.OneofthemostdifficultproblemsinCADdrawingistheeliminationofhiddenlines.Thecomputerproducesthedrawingaswireframediagram.Sincethecomputerdefinestheobjectwithoutregardtoone’sperspective,itwilldisplayalltheobject’ssurfaces,regardlessofwhethertheyarelocatedonthesidefacingtheviewerorontheback,whichnormallytheeyecannotsee.Variousmethodsareusedtogeneratethedrawingofthepartonthecomputerscreen.Onemethodistouseageometricmodelingapproach,inwhichfundamentalshapesandbasicelementsareusedtobuildthedrawing.Thelengthsandradiioftheelementscanbemodified.Forexample,acylinderisabasicelement,thesubtractionofacylinderwithaspecificradiusandlengthwillcreateholeinthedisplayedpart.Eachvariation,however,maintainstheoverallgeometryofthepart.OtherCADsystemsusegrouptechnologyinthedesignofparts.Grouptechnologyisamethodofcodingandgroupingpartsonthebasisofsimilaritiesinfunctionorstructureorinthewaystheyareproduced.Applicationofgrouptechnologycanenableacompanytoreducethenumberofpartsinuseandtomaketheproductionofpartsandtheirmovementintheplantefficient.RecentlyCADsystemsareusingthefinite-elementmethod(FEM)ofstressanalysis.Bythisapproachtheobjecttobeanalyzedisrepresentedbyamodelconsistingofsmallelements,eachofwhichhasstressanddeflectioncharacteris