数字化技术与产品开发

数字化技术与产品开发复习题1、数字化设计概念：将计算机设计用于产品设计领域，通过基于产品的数字化平台，建立数字化的模型等，在产品开发应用当中，达到减少或者是没有实物模型的一种开发技术。优点：1、没有实物模型2、适用于并行设计计算机在制造业中的作用：a、对生产过程进行监控b、用计算机进行产品研发2、各英文缩写所代表的含义：DD:数字化设计DM：数字化制造DB:数据库CACD:计算机辅助概念设计CAGM:计算机辅助几何建模CAPP：计算机辅助工艺规划CAP:计算机辅助规划CATD:计算机辅助刀具设计CAE:计算机辅助工程CAM:计算机辅助制造PDM:产品数据管理FE：有限元FEM：有限元法PLM、产品全生命周期管理AI:人工智能3、考题知识点：与传统新产品开发方式比较，计算机及其相关应用技术的引入使得整个制造业在“快交付、易变型、高质量”方面取得了显著的优势，同时也大大降低了除时间以外的其他制造成本。计算机的主要作用可以大致划分为两大方面：一是监控各种硬件设备在生产过程中正常运行；二是辅助设计人员参与产品开发周期的各个阶段。数字化的核心是离散化，其本质是将连续的物理现象、设计过程中出现的物理量、设计过程中的几何量、设计制造环境中的不确定现象、企业可获得的各种设计资源、设计师的个人只知识及经验加以离散化。数字化设计（DD）：特指在通过数字化的手段来改造传统的产品设计方法，建立一套基于数值计算方法、计算机软硬件技术、网络传输技术、信息处理技术的专门支持产品开发和生产的全过程的设计方法和相关技术。数字化制造（DM）：是指对制造过程和设备进行数字化定义和描述、通过网络环境下的计算机控制来实现产品加工制造的过程，包括CAM（计算机辅助制造）、CAPP(计算机辅助工艺规划)、CATD、(计算机辅助刀具设计)、CAP（计算机辅助规划）等。产品全生命周期管理（PLM）：当设计师接到客户的产品订单时，客户首先是描述他们所需的产品的各种性能，想要实现什么样的功能，能够完成哪些事情。接下来就是设计师们针对客户对产品的要求、特性进行系统化的设计分析。一般情况下产品开发的过程包括以下几个阶段：设计需求分析、设计任务定义、概念设计与详细设计、工程分析和设计优化、样机制作、加工工艺开发到生产实施、销售、使用、维修、回收等。无分工时代：在知识不发达的年代，社会分工还不是很明确，没有设计师的概念，一个产品的设计到制造整个过程通常是一个人独立完成。既充当设计人员也充当制作人员。抛过墙时代：到了20世纪中叶，产品变得越来越复杂，制造过程需要各种专业的知识人员去负责，一个人已经不再有能力应对整个生产制造过程。设计人员完成一项设计后“抛过墙”式的传递给制造人员，必要时附上几句说明，在制造人员发现问题后又“抛过墙”式的把设计资料传递给设计人员进行修改，由于设计人员不是很了解制造过程，很多产品能够设计出来但却加工不出来，以致于不断的返工修改，浪费了大量时间有增加了成本。并行设计概念：并行设计理念在于设计过程与制造过程保持同步，鼓励设计团队和制造团队进行充分的交流与沟通，通过增加设计中的“小循环”来减少整个制造中的“大循环”，从而达到节约成本、提高质量、缩短进度的效果。设计：设计是把一种规划设想用视觉的方式表达出来，将这个过程称之为设计。a、设计是创造b、设计是具体化产品设计：对生产制品的功能造型结构等环节进行综合的设计，从而设计出符合大众需求的产品。产品设计分为工业设计和工程设计工业设计：以审美观为主的设计工程设计：以解决工程所需为主的一种设计原创设计：按照一个系统任务书的要求，制定一个新的原理解，而不论此任务书与原有任务书相比是相同的、有变化的、还是新的；所设计的产品是过去从没有过的新产品。改进设计：大部分设计的活动都是改进设计，或称为再设计，根据对产品需求的变化或已知的已有设计方案的欠缺，进行设计改进。这种改进的内容可以是较大的局部改进或重新设计，或者是尺寸、结构布置方面的变更。改进设计又分为：a、适应性设计b、变型设计c、选择设计d、布局设计通用设计理论：将设计过程描述为从功能空间到属性空间的映射过程。功能空间是对设计要求参数的描述空间，而设计属性则是对设计方案、参数的描述空间。上位设计：包含概念设计、基本设计、功能设计等一系列抽象化的设计。下位设计：指的是产品的具体设计，制造设计等具体化的设计。协同设计:产品的协同设计认为设计活动不是某一个独立的设计者的个人行为，而是一个设计团队中的多个设计人员在相互沟通、交流设计数据的基础上共同工作的结果。以通过团队的协同来实现低成本、快交付期的产品设计。配置设计（模块化设计）:将零件（组件、部件）经过一定的修配后而组成的设计。产品设计过程（发展方向）呈现出以下趋势：1、数字化2、并行化3、智能化4、集成化（具体解释看P17页）知识工程：知识工程的概念和技术生于20世纪70年代中期，它是以知识本身为处理对象，研究如何使用人工智能（AI）的原理和方法来设计、构造和维护知识型系统的一门学科。参数化变型设计：一般是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系。参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应关系，设计结果的修改受到尺寸驱动。完成零件装配有两种方法：一种是自底向上，一种是自顶向下。（去网络查有关解释）数字化建模分为两部分：二维建模：用点、线、面的方式描述模型。三维建模：能够准确的表达出各结构的物理性能或空间架构，它可以提供产品制造及相关过程所需的全部信息。三维建模具体方法可以划分为以下3类：a、线框模型：整个模型对象是通过一些线段的终点坐标以及其连接关系来表达的，其优点是操作简单、应用成本低，但当模型形状复杂时棱线过多会带来理解上的偏差，甚至在某些情况下会产生歧义。线框模型不能表达拓扑信息，如边与面、面与体之间的关系。b、表面模型：基本上是通过一些表面如平面、旋转曲面、直纹曲面以及其他复杂表面（如：孔斯曲面、贝赛尔曲面、B样条曲面），其优势是用于构造汽车车身、船舶壳体、复杂模具中的复杂、有高精度要求的自由曲面，缺点是在拓扑关系上表达不够完整。c、实体模型：包括了关于实体表达所需要的完整信息，并以一定的具体形式表达出来。其克服了线框模型和表面模型的局限，能够方便地生成剖视图和断面图，可以消除隐藏线和隐藏面，能够直接进行数控加工的编程并直接生成刀具加工轨迹。产品特征=形状特征+工程语义信息其中语义信息包括3类属性信息，即静态信息（描述特征形状、位置属性数据）、规则和方法（确定特征功能和行为）、特征关系（描述特征间相互约束的关系）。特征的分类通过分析机械产品大量的零件图样信息和加工工艺信息，可以构成零件的特征分为6大类：（1）管理特征：与零件管理有关的信息集合，如标题栏信息（如零件名、图号、设计者、设计日期等）。（2）技术特征：描述零件的性能和技术要求等信息。（3）材料特征：描述零件材料、热处理和条件等有关的信息，如材料性能、热处理方式、硬度值等。（4）精度特征：描述零件几何形状、尺寸的许可变动量的信息集合，包括公差（尺寸公差和形位公差）和表面粗糙度等。（5）形状特征：描述与零件几何形状、尺寸相关的信息集合，包括功能形状、加上工艺形状（如退刀槽、工艺凹台等）、装配辅助形状。（6）装配特征：描述零件在装配过程中将使用的信息，如零、部件的相关方向、相互作用和配合关系等。形状特征的分类：（1）基本特征：它用来构造零件的基本集合形体，是最先构造的特征，也是后续特征的基础，它反映了零件的主要形状，体积（或质量）。根据其特征形状的复杂程度，有分为简单特征和宏特征。1、简单特征：主要指圆柱体、圆锥体、成形体、长方体、圆球、球缺等简单的基本几何形状。2、宏特征：指具有相对固定的结构形状和加工方法的形状特征，其几何形状比较复杂，但又不便于进一步细分为其他形状特征的组合。（2）附加特征：附加特征是依附于基本特征之上的几何形状特征，是对基本特征的局部修饰，反映了零件几何形状的细微结构。附加特征依附于基本特征，也依附于另一附加特征。与传统的几何建模方法相比，特征建模具有如下特点：1、特征建模着眼于更好地表达产品完整的技术和生产管理信息，为建立产品的集成信息服务。2、它使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素（如螺纹孔、定位孔、键槽等）。3、它有助于加强产品的设计、分析、工艺准备、加工、检验等各部门间的联系，更好地将产品的设计意图贯穿到各个后续环节中，并且及时得到后者的意见反馈，为开发新一代基于统一产品信息模型的CAD/CAPP/CAM集成系统创造了前提。参数化设计系统的功能主要有以下几点：1、从参数化模型自动导出精确的几何模型。它不要求输入精确图形，只要输入一个草图，标注一些几何元素的约束，然后通过改变约束条件来自动地导出精确的几何模型。2、通过修改局部参数来达到自动修改几何模型的目的，这对于大致形状相似的一系列零件，只要修改一下参数，即可生成新的零件。基于特征的参数化建模：基于特征的参数化建模是将特征造型技术与参数化技术有机结合起来，实现对多种设计方式（自顶向下或自底向上等）和设计形式（初始设计、相似设计和变异设计等）支持的一种建模方法。一、基于特征的参数化建模主要过程包括以下内容：①基于约束的特征描述；②特征结构图元参数化建模；③特征之间的约束建模二、基于特征参数化设计过程中包括以下内容：①将产品描述为几何形状特征的集合②形状特征分解为具有一定几何体素的特征结构图元③根据几何体素及位置关系进行分析结构图元的几何构成及其位置三、在CAD参数化设计系统中，产品的主要特征和辅助特征均要实现参数化，参数化定义过程可以描述如下：①首先选择并创建结构特征的几何体素，使用参数完整表达几何形状的结构体素②指定足够的测量实体，如组成实体的点、线、圆弧、倒角等测量基准；③建立定形尺寸，即各个标注的尺寸单元④建立定位尺寸，以定位点为基准，确定各个特征点的对应位置⑤确定尺寸约束和位置约束，建立约束方程并对约束归纳过程进行求解有限元：是指利用数学或力学知识，通过计算机技术来解决工程实际问题。有限元常用术语：(1)单元：有限元模型中每一小的块体称为单元，根据其形状不同，可以将单元划分为一下几种类型：线段单元、三角形单元、四边形单元、四面体单元和六面体单元等。(2)节点：用于确定单元形状、表述单元特征及连接相邻单元的点称为节点。节点是有限元模型中的最小构成元素。多个单元可以共用一个节点，节点起连接单元和实现数据传递的作用。(3)载荷：工程结构所受到的外在施加力或力矩称为载荷，包括集中力、力矩及分布力等。(4)边界条件：边界条件是指结构在边界上所受到的外加约束。(5)初始条件：初始条件是指结构响应前所施加的初始速度、初始温度及预应力。有限元中常用的单元类型:(1)杆状单元：杆状结构的截面尺寸往往远小于其轴向尺寸，杆状单元属于一维单元。（2）平面单元：平面单元属于二维单元，单元厚度假定为远远小于单元在平面中的尺寸，单元内任意点的应力、应变和位移只与两个坐标方向的变量有关。（3）薄板弯曲单元和薄板单元：当平面厚度h远小于其长度a与宽度b（hb/5）时，称为薄板。（4）多面体单元：多面体单元属于三维单元，即单元的位移分布是空间三维坐标的函数。（5）等参数单元：对这个单元进行特性分析可以得出，单元内任一点的位移与节点位移之间的关系恰好和该点的坐标与节点坐标之间的关系相同。（6）轴对称单元：对于几何形状是回转体，所受约束和外力对称于其回转的机械结构，如飞轮，转轴、活塞、气缸套等，其应力、应变和位移也对称于回转轴线，这类结构的应力、应变分析称为轴对称问题。有限元分析的过程：建模（判断类型）→生成实体→赋予材料属性→装配→建立分析步（1、分析对象的原始状态2、施加外部载荷）→网格划分→边界条件→结果查看→对分析对象进行优化。