数字化设计与制造苏春版课后答案

《数字化设计与制造》第一章数字化设计与制造技术引论1、数字化开发技术包含哪些核心技术。以CAD、CAE、CAPP、CAM为基础、为核心2.产品数字化开发的主要环节。3.数字化设计、数字化制造、数字化仿真的内涵。数字化设计与制造涵盖：数字化设计(DD)CAD：概念化设计、几何造形、工程图生成及相关文档CAE：有限元分析（FEM）、优化设计DS：虚拟装配、运动学仿真、外观效果渲染等等数字化制造(DM)CAPP：毛坏设计、加工方法选择、工艺路线制定、工序设计、刀夹具设计CAM：NC图形辅助编程（GNC）、加工仿真检验数字化制造资源管理(MPR、ERP）数字化设计与制造数字信息集成管理（PDM、CIMS、PLM）4.产品的数字化开发技术与传统的产品开发技术相比，有哪些区别，有哪些优点？产品的市场竞争：产品的的复杂性不断增加(功能综合)产品的生命周期不断缩短,开发周期短产品的设计风险增加社会环境对产品的影响现代好产品的标志:TQCSE（T时间更短Q质量更好C成本更低S服务质量更好E更环保）5、与传统的产品设计与制造方法相比，数字化设计与制造方法有哪些优点？提高设计效率，改进设计质量，降低产品的开发成本、缩短开发周期，改善信息管理，提高企业的竞争力第二章数字化设计与制造系统的组成1.数字化设计与数字化制造技术大致经历了哪些发展阶段？有哪些发展趋势准备及酝酿阶段(20世纪50年代)：出现数控机床；为数控机床开发自动编程工具语言APT2D时代(20世纪60年代)：计算机辅助绘图，提高绘图质量和效率；方便图纸管理；平面分析计算CAD/CAM一体化(20世纪70-80年代)：3D建模统一数字模型；CAE广泛应用；CAD、CAM通过；无图纸生产；数字信息交换接口数字信息集成管理（90年代开始）：产品信息、数据集成管理PDM，智能化，分布式网络化，CIMS，PLM数字化设计与制造技术的发展趋势：利用基于网络的CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM集成技术,以实现全数字化设计与制造CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM技术与ERP、SCM、CRM结合，形成企业信息化的总体构架通过Internet、Intranet及Extranet将企业的各种业务流程集成管理虚拟工厂、虚拟制造、动态企业联盟、敏捷制造、网络制造以及制造全球化2、数字化设计与制造系统的支撑软件组成。）支撑软件图形处理软件二维图形的生成、编辑、修改、尺寸标注和图形的输入输出几何造型软件：线框、曲面、实体（特征）模型的造形设计、编辑数据库管理系统：存储系统指定数据，保证数据的完整、有效、安全、共享性，并便于修改扩充支撑软件一般有商品软件，有集成型和单功能型二种：集成型：Pro/EUGI-DEASCATIACAX’A单功能型：AutoCADAnsysMasterCAMORACLE3、数字化设计与制造系统的系统软件组成CAD/CAM常用的操作系统：1）unix+X-windows(常用于大、中、小型机或图形工作站）2）MS-windows(常用于单用户系统）3）windowsNTLinux(常用于网络系统））系统软件操作系统：存储器管理、CPU管理、I/O管理、文件系统及数据库管理编译系统、语言处理系统：支持用户开发应用软件；常用开发工具：汇编语音、VB、VC++、C++、Fortran诊断系统：对系统的软硬件进行诊断维护4、数字化设计与制造系统的主要硬件。硬件：计算机、输入、输出设备和数据交换通信接口5、工程数据库管理系统的基本功能6、数字化设计与制造系统的软件应具备的功能大型集成支撑软件的功能：1）建模功能：2D建模、3D建模、特征建模2）分析与优化设计：FE分析；机械运动学分析；动力学运动分析；装配检验3）数控编程功能：模具设计；GNC；后置处理4）数据管理功能：工程数据管理；模型数据交换接口5）提供专用功能开发环境7、企业在数字化设计与制造系统配置中应考虑哪些问题？软件系统选型需考虑的因素：(1)系统的性能价格比(2)系统的开放性(3)系统的扩展能力(4)可靠性和维护性(5)第三方软件的支持(6)供应商的经营状况发展趋势数字化设计与制造系统选型：(1)需求分析(2)性能分析(3)编写需求建议书8、协同工作环境在数字化设计与制造系统的作用第四章产品数字化造型技术1.什么产品造型技术?经历哪几个发展阶段?产品数字化造型技术概述产品造型也称产品建模，即建立产品的数字模型根据需要，可建立产品的线框、曲面、实体或特征数字模型产品的数字化建模一般在建模功能软件的界面上逐步建立完成的不同的建模软件的建模方法是不尽相同的，提供的用户界面也不同，数字模型的表达也不相同产品数字化模型是产品开发的基础、核心2.描述几何形体的几何元素有哪些种类？基本几何元素:点、边、面、环、体、壳…3.线框、曲面、实体和特征造型各有哪些特点?线框造型——线框模型（FrameModel）1、线框模型是用边和点来描述和表达物体的2、由于线框模型所需的信息少，数据结构简单，对硬件要求不高，显示响应速度快，是早期或简单系统的建模方式。3、由于线框模型没有面的概念，故无法进行消隐，使模型出现位置多义性和形状的多义性；线框模型是含信息最少最简单的三维几何模型。现在研究热点：线框模型自动转换为三维实体模型曲面造型——表面模型（SurfaceModel）（1）表面模型是用物体的表面来表达物体的；（2）曲面建模方法适合于表曲面不能用简单的数学模型表达的物体的述。复杂曲面表达方法：通过离散点来构造过这些点或逼近这些点的光滑过渡曲面。常用方法：贝赛尔（Bezier）曲线、曲面；B样条曲线、曲面；孔斯（Coons）曲线、曲面；非均匀有理B样条（NURBS）曲线、曲面（3）表面模型包含物体形状的较多信息，但不能直接得到物体的物理特性（质量、转动惯量。。。）（4）由表面模型较容易得到物体的实体体模型实体建模——实体模型（SolidModel）实体模型是利用一些基本体素，通过集合运算（布尔运算）表达物体的（1）基本体素：1）长方体、圆柱体、球体、锥体、圆环体等等2）平面扫描体3）整体扫描体（2）布尔运算（集合运算Boolean）：1）并（join）“U”2）交（and）“∩”3）差（cut）“\”三维实体表示方法1）边界表示法：体通过面表达、面通过边表达、边通过点表达、点通过三个坐标表达采用这种方法有：CATIA、EUCLID等等优点：表达信信息全面、修改容易。缺点：信息量大且有冗余。2）构造立体几何法：由基本体素，通过布尔运算来表示实体优点：表达方便、直观，数据结构简单。缺点：对复杂表面的物体难于表达。3）混合模式：这即是1）与2）的混合表达模式，这种方法是现代造型CAD/CAM软件常用的方法还应指出：现休的大型造型软件都含有这几种几何建模方法，在使用时，可视需要选用合适的建模方法。特征造型的特点：1)特征造型有利于完整表达产品的技术及生产管理信息2)特征造型有利于体现产品的设计意图,产品的数字模型更易理解3)特征造型有利于后续如分析、工艺设计、加工、检验工作4）特征造型有利于产品设计和工艺方法的规范化、标准化5）特征造型有利于产品的智能化设计和制造4.曲面造型与实体造型各有哪些方法？几种曲面生成法（常用CAD/CAM软件）：1）线性拉伸面2）直纹面3）旋转面4）扫描面5）蒙皮面5.产品结构模型及其功能。6.数字化设计软件中的关键技术与研究热点分别有哪些？数字化设计软件中的关键技术参数化设计：能有效提高模型生成及修改的速度，对于形状或功能相似的产品设计更是具有重要意义。对于装配体的修改也很方便。智能化设计：智能化是产品数字化设计的目标。但目前智能化水平还不能满足设计的需要。目前的自动捕捉关键点、自动标注尺寸及公差，自动生成材料吸细表，装配体的相关部件自动修改等都是智能化的体现。基于特征设计：特征设计能更好应产品设计的加工工艺信息和工程特征信息。单一数据库与相关性设计：产品模型的全部信息来自同一个数据库。这样可以保证任何改动，都及时反映到设计过程的其它相关的环节上，从面实现相关设计，有利于减少设计中的差错，缩短开发周期。NURBS几何造型技术：NURBS—非均匀有理B样条曲线是一种精确表示形体几何信息的方法。它采用统一的数学形式表示曲线、曲面以及精确的二次曲线、曲面，从而简化系统的管理，提高了曲面的构造成能力和编辑能力。数字化设计软件与其它开发、管理系统集成：1）数字化设计软件与数字化仿真、数字化制造、数字化管理软件模块集成，为企业提供了一体化解决方案。2）将数字化造成型和设计技术的算法、功能模块及系统，以专用芯片的形式加以固化，以提高设计效率。3）基于网络环境，实现异地、异构系统的企业产品集成化设计。标准化：标准化技术从根本上解决异构系统间的数据信息的交换问题。国际规定了STEP标准。数字化设计软件中的研究热点：计算机辅助概念设计、计算机支持的协同设计、海量信息的存储、管理和检索；支持设计创新；与虚拟现实技术集成；计算机安全。7.什么是产品数据？常用的产品数据交换标准有哪些？各有什么优缺点？产品数据:是指产品数字模型的全部信息。常用产品数据交换标准：初始图形转换规范（IGES）：IGES的缺点：1）由于IGES规定描述的实体不够，无法描述产品数据模型的全部信息，某些数据会丢失。2）不能转换属性信息。3）层的信息经常丢失。4）不能将两个零部件的信息存放到一个文件中。5）IGES产生的数据量较大，使得许多CAX系统难以处理。6）IGES产生的过程中发生的错误难以确定，常需要人工处理IGES文件。产品模型数据交换标准（STEP）：为克服产品数字模型数据信息交换问题，国际标准化组织（ISO）提出了产品模型数据交换标准，简称STEP标准。STEP的概念模型由于STEP标准着眼于未来，定义十分详细。STEP标准中产品模型数据信息分为三层，共7种类别。三层：应用层、逻辑层、物理层七类：描述方法、通信集成资源、应用集成资源、应用协议、实现方法、一致性测试、抽象测试集DXF：DXF是AutoCAD软件支持的中间文件格式。DXF文件采用ASCⅡ码格式，第五章数字化仿真技术1.什么是仿真？仿真有哪些类型？计算机仿真是在计算机内建立实际系统的计算机数字模型，通过仿真软件驱动实际系统的计算机数字模型运行工作，进行观察和考核实验。数字化仿真分类:按仿真的模型不同，分为物理仿真、数学仿真、物理-数学仿真2.数字化仿真在产品开发中的作用?举例说明仿真技术在产品研制中的应用:概念化设计：对设计方案进行技术、经济分析及可行性研究，选择合理设计方案设计建模：建立系统及零部件模型，判断产品外形、质地及物理特性是否满意设计分析：分析产品及系统的强度、刚度、振动、噪声、可靠性等性能指标设计优化：调整系结构及参数，实现系统特定性能或综全性能的优化制造：刀具加工轨迹、可装配性仿真、及早发现加工、装配中可能存在的问题样机试验:系统动力学\运动学及运行性能仿真，虚拟样机试验，以确认设计目标系统运行:调整系统结构及参数，实现性能的持续改进及优化3.数字化仿真的基本步骤是什么?数字化仿真的基本步骤：建立系统的数字模型；模型变换；编制仿真算法；进行仿真实验；仿真结果整理分析。4.有限元分析方法的基本原理和求解步骤、主要模块。有限元方法起源于50年代，随着其理论和实践上的不断成熟和计算机性能的不断提高，有限元方法已成为机械设计分析的最为有效和最常用的方法。一、有限元方法简介：设有弹性体在外界的作用下（外力、温度变化等等）产生应力和变形描述弹性体上某点的应力和变形有15个未知量：3个位移分量：uvw6个应变分量：xyz(正应变）xyyzzx(剪应变）6个应力分量：xyz（正应力）xyyzzx（剪应力）为求出这15个未知量，我们可由弹性力学基本原理及假设导出15个基本方程：（偏微分方程）3个平衡方程：（反映静力平衡）6个几何方程：（反映位移与应变之间的关系）6个物理方程：（反映应力与应变的关系）从理论上讲，由15个方程就可以解出15个未知量。但