第二章软件设计原理.

第二章软件设计原理概述第一节注射模CAD软件设计原理一、参数化设计二、建模技术三、工程数据库五、人工智能技术四、装配设计技术概念：又叫尺寸驱动，是指对零件上各种特征施加各种约束形式，各个特征的几何形状和尺寸大小用变量的方式来表示(可以是常数也可以是某种代数式)，如果定义某个特征的的变量发生改变，则零件的这个特征的几何形状或尺寸大小将随着参数的改变而改变，随之刷新该特征及其相关联的各个特征，而不需要再重新画图。一、参数化设计参数类型：尺寸约束参数和几何约束参数尺寸约束：确定几何元素的大小及彼此间相对位置的约束，是可变的，如长、宽、高、圆半径等。几何约束：几何元素拓扑结构的约束，是不可改变的，如垂直、平行、相切、同心等。对约束的要求：1)约束的一致性2)约束求解的可靠性3)约束定义的交互性一、参数化设计参数化设计的方法：1)程序参数化设计2)交互参数化设计(几何推理法、作图规则匹配法、变量几何法)一、参数化设计概念：又称几何建模，是几何形体的构造。采用一套合适的数据结构来描述三维物体的几何形状，形成供计算机识别和处理的信息数据模型。(几何信息和拓扑信息)几何信息：构成几何实体中各几何元素在欧氏空间中的位置和大小，可以用数学式加上边界条件来描述。拓扑信息：构成几何实体中各几何元素的数目和它们的连接关系。二、建模技术建模方法：1.线框模型(Wire-frameModel)用顶点和邻边来表示几何形体。2.表面模型(SurfaceModel)用有向的棱边来定义形体的表面，再由这些面的集合来定义形体。3.实体模型(SolidModel)在表面模型的基础上，对实体存在侧给予明确的定义。4.特征模型法(FeatureModel)具有一定的几何形体，是产品信息的携带者，具有工程意义，具有严格的性质。定义实体存在域方法：图2-1实体存在侧的定义3.实体模型(SolidModel)在表面模型的基础上，对实体存在侧给予明确的定义。a)给定一个点b)给定法矢c)给定有向边几何形体表示法：1）构造几何实体(ConstructiveSolidGeometry,CSG)通过对简单的形体(即体素，Primitive)进行并、交、差集合运算并配以平移、旋转等几何变换来表示的复杂实体。这种方法数据结构简单、数据量小、容易管理，每个CSG都表示一个实际的有效形体，且容易修改。2）边界表示法(BoundaryRepresentations,B-Rep)直接用面、环、边、点来定义形体的形状和位置，详细记录了构成形体的所有几何元素的几何信息和拓扑信息，能较快地绘制几何形体，可以使用多种操作和运算，但是数据结构复杂、数据量大，而且修改形体的操作比较困难，有时B-Rep表示的可能是一个无效的形体。3）扫描法(Sweeping):运动的物体沿着轨迹所得到的实体。4）分解表示法(Decompositionrepresentation,D-rep)把一个几何体有规律的分解为有限个单元。4.特征模型法(FeatureModel)具有一定的几何形体，是产品信息的携带者，具有工程意义，具有严格的性质。特征分类：1)形状特征：携带某些工程信息的几何形体，又分为体特征，过渡特征和分布特征。①体特征：反映形体的增加(如凸台)或减少(如孔、槽等);③分布特征：表达一组相同的形状特征，如阵列孔、齿轮的齿廓等。②过渡特征：表达一个形体的各表面分离或结合的性质，如倒角、倒圆等;2)精度特征：在工程设计和加工中使用的形位公差、尺寸公差、表面光洁度等非几何信息，还包括检测特征。3)材料特征：规定材料的类型、强度、力学与物理性能、热处理方式与条件等信息。4)装配特征：包括装配体中各零件的位置关系、公差配合、功能关系、动力学关系等。5)分析特征：有关工程分析方面的特征，如有限元分析中的梁、板特征。特征建模法结构流程图传统的数据管理系统(DatabaseManagementSystem,DBMS)运用于CAD系统有许多缺陷：1.不能完全满足工程环境中信息表达的要求，如表达复杂实体中各元素的联系非常困难、缺乏动态模式修改能力等；2.不能支持整个工程应用过程，对不同阶段要求不同方面信息这一特点缺乏支持，对过程性信息的支持较弱；3.存取的效率很低。三、工程数据库工程数据库管理系统应满足以下功能要求：1.支持复杂对象及其语义关系的描述与处理，复杂对象和存在于复杂对象之间语义关系的复杂性是工程的特点之一。2.支持文字、图形、图象、动画等多媒体数据的管理。3.是动态数据库，不仅能对静态数据建模，而且能对动态数据建模，允许动态地对数据库进行修改与扩充。4.支持约束的定义与维护，工程对象往往都是具有一定约束的设计对象，要能提供定义约束的能力，支持约束的传播，在设计过程中可实时修改对象的约束。5.支持快速查询，有良好的查询接口6.支持不同设计版本的存储与管理，支持多方案设计和回溯的功能，具有良好的多级版本管理功能。7.适用于工程背景的事务管理功能，不仅支持短事务的管理，而且支持长事务的管理，即支持延续几小时甚至几天的具体工程设计过程。8.系统具有Client/server的模式，具有分布计算的能力。开发面向CAD/CAM的工程数据库管理系统和数据管理方法的途径有：1.基于文件系统的数据库系统，它的特点是根据设计需要编制数据库管理程序，不具备理论化的设计模型和数据库语言，缺乏通用性。2.在已有的商用数据库管理系统基础上，开发适合于CAD/CAM的软件接口。注塑模CAD系统大多数采用这种形式。3.增强性的商用数据库管理系统。4.从模型着手，对适合于工程领域数据库的数据模型、数据库管理系统的体系结构、事务管理、版本管理、动态模式修改处理等进行全面研究，构造一个满足于工程应用领域的工程数据库管理系统。装配体信息的数据结构分类：1.直接存储各装配零部件之间的相互位置关系，如齐次变换矩阵。2.存储各装配零部件之间的配合、连接等装配信息，确定装配零部件相互位置的齐次矩阵是根据这些信息计算出来的。(拓扑图、多叉树)四、装配设计技术装配设计建模的方法：1.自底向上：先设计出详细零件，再拼装成产品，然后进行分析，发现问题再修改零件，再拼装，如此反复。2.概念设计：3.自顶向下设计：先有产品的整体外形和功能设想，在整体外形里一级一级划分出产品的部件，再划分出子部件，一直到最底层的粗糙的零件。(变量装配设计)变量装配设计：是通过概念设计把用户对产品的功能要求、设计意图转化为各个设计阶段都能理解和操作的设计变量和设计变量约束，各个设计阶段的装配设计和零件设计都在此设计变量和设计变量约束的指导和控制下完成。变量装配设计原理：1.映射原理：用设计变量和设计变量约束把产品功能和形状有机地联系起来，实现产品功能向形状的映射，通过概念设计来完成。变量装配设计原理：2.功能约束原理：通过设计变量和设计变量约束控制产品设计，控制零部件的各个设计变量及约束形成了一个设计变量约束网络，满足此约束网络的设计就是一种满足产品功能要求和设计意图的设计。3.三维约束定位原理：通过三维几何约束自动确定装配体中零部件的位置。4.动态设计原理：在设计变量、设计变量约束、三维几何约束驱动下的产品设计是一种可变的设计，即动态设计，通过修改某些设计变量、设计变量约束和三维几何约束，装配设计将在所有约束的驱动下自动更新和维护，得到一个和原设计没有概念变化的设计，即相似设计。人工智能：通过人类的智能或思考过程的分析，将其功能机械地实现，从而实现设计、制造信息的存储、传递和处理过程的高度自动化。(需要强有力的知识库和控制推理机的支持)在现阶段，主要是专家系统(ExpertSystem)在CAD中的应用，它的应用范围包括塑料材料选择、模具总体方案设计、注射成型工艺参数选择和模具费用评估等方面。五、人工智能技术第二节注射模CAE软件的设计原理一、注射流动过程模拟一维流动：指塑料熔体流动过程的速度场可用单方向的流速来表征。一维流动的三种基本形式：圆管流动、矩形板流动、径向流动。1.一维流动模拟建立一维流动数学模型:目的是确定一维流动过程的算法和编制程序。根据粘性流体力学的基本方程，基于一系列必要而且合理的假设和简化，得到一组控制方程，利用边界条件，确定控制方程的数值解。(有限差分法)示例：原理：根据熔体在型腔内的流动路径，将二维型腔分解成若干串联的一维流动基本单元，从而分析二维型腔内熔体充模流动过程。a)圆形管b)具有中心浇口的圆板c)具有边缘浇口的平板d)具有中心浇口的圆环板示例：2.二维流动模拟原理：借助二维流动分析方法来预测三维型腔内熔体的流动。将三维形状的塑料制品展开，划分流动路径和流动单元。示例：算法：有限元/有限差分耦合法：将三维流动问题分解为流动平面方向的二维有限元分析和壁厚方向的一维分析。有限元三维分析程序流程图：3.三维流动模拟基于中心层的模型的三维分析：人为构想的位于模具型腔和型芯中间的层面，如图所示。基于三维有限元模型三维分析：在三维实体模型基础上，用三维有限元网格取代二维有限元与一维有限差分混合算法来分析流动过程压力场和温度场。三维流动模拟的方法二、注射模冷却系统的模拟一维冷却系统：主要假定：①热交换仅仅沿着型腔法线方向进行；②熔体在固化的过程中所散发的热量全部被冷却介质所吸收。1.一维冷却分析主要的计算步骤：1)计算制品冷却到推出温度所需的时间；2)选定冷却管道直径，计算冷却管道内作湍流流动的冷却水的界面传热系数；3)计算制品从开始冷却到推出过程中单位面积和单位时间的热流量；4)设定冷却管道上的温度波动率；5)利用迭代法计算距离a和b。方法：对注射模典型截面上的冷却系统进行二维分析。注射模的冷却过程具有非稳态性。2.二维冷却分析方法：采用边界元法将三维问题化作二维表面网格处理。(化整为零)MOLDFLOW(MPI/COOL、C-COOL)3.三维冷却分析第三节铸造模CAE软件的设计原理设计思路：根据虚拟制造和并行设计的思想原则，事先用数值模拟的方法在虚拟的环境下优化出一套最佳工艺方案，设计出模具的工艺层面，然后围绕此方案进行模具的力学分析和结构设计，保证其合理的力学结构。傅立叶定律离散和差分化给定约束条件潜热处理编程算法的实现N-S方程离散和迭代法连续性约束条件流动前沿的求解一、温度场及凝固过程数值模拟二、充型过程数值模拟第四节级进模CAD软件的设计原理钣金零件的特征模型基于单元特征模型的冲压工艺设计自顶向下的级进模结构及零件设计方法功能需求分析：1)分析级进模设计内容及一般过程；2)建立系统的功能模型；3)确定系统总体结构工程图样生成模具标准件建库思考题：1.简述在CAD技术中，什么是参数化的设计？2.简述在注塑模中，CAE模拟软件的二维流动模拟的原理？3.简述参数化设计方法的原理？4.简述CAD软件的主要特点？5.简述CAD技术的主要建模方法有哪些？各有什么特点？构造几何实体法边界表示法扫描造型法四叉树构造实例八叉树构造实例粘性流体力学的基本方程：(1)广义牛顿定律，反映了一般工程问题范围内粘性流体的应力张量与应变速率张量之间的关系，数学表达式为本构方程。(2)质量守恒定律，其含义是流体的质量在运动过程中保持不变，数学表达式为连续性方程。(3)动量守恒定律，其含义是流体动量对时间变化率等于作用于其上的外力总和，数学表达式为运动方程。(4)热力学第一定律，其含义是系统内能的增加等于对该系统所作的功与加给该系统的能量之和，数学表达式为能量方程。塑料熔体充模流动的简化和假设：(1)由于型腔壁厚(z向)尺寸远小于其他两个方向(x和y方向)的尺寸且塑料熔体粘性较大，所以熔体的充模流动可视为扩展层流，z向的速度分量可忽略不计，且认为压力不沿z向变化。(2)充模过程中熔体压力不是很高，因此可视熔体为未压缩流体。(3)由于熔体粘性较大，相对于粘性剪切应力而言，惯性力和质量力都很小，可忽略不计。(4)在熔体流动方向(x和y方向)上，相对于热对流项而言，热传导项很小，可忽略不计。(5)熔体不含内热源。(6)在充模过程中，熔体温度变化不大，可认为比热容和导热系数是常数。(7)熔体