数字化设计技术

1机电工程与自动化学院CIMS专题数字化设计技术第一章概念第二章数字化设计技术的发展历程第三章数字化设计技术之虚拟样机第四章数字化设计技术的应用—机身外形设计第五章数字化设计技术的总结2机电工程与自动化学院CIMS专题第一章概念3机电工程与自动化学院CIMS专题1.数字化设计数字化设计是指将计算机技术应用于产品设计领域，通过基于产品描述的数字化平台，建立数字化产品模型并在产品开发过程应用，达到减少或避免使用实物模型的一种产品开发技术。数字化设计具有以下两个显著优点：4机电工程与自动化学院CIMS专题（1）减少设计过程中实物模型的制造。传统设计在产品研制中需经过反复多次的“样机生产-样机测试-修改设计”的过程，这不仅耗费物力、财力，还使得产品研制周期延长。数字化设计则在制造物理样机之前，针对数字化模型进行仿真分析与测试，可排除某些设计不合理性；（2）易于实现设计的并行化。相对与传统设计过程的串行化，数字化设计可以让一项设计工作由多个设计队伍在不同的地域分头并行设计、共同装配，这在提高产品设计质量与速度方面具有重要的意义。5机电工程与自动化学院CIMS专题第二章数字化设计技术的发展历程第一阶段：CAx工具应用阶段。各种CAx工具（CAD/CAE/CAM/CAT等）开始出现并逐步得到应用，标志着数字化设计的开始。6机电工程与自动化学院CIMS专题CADCAECAPPCAQCAFDCATDCATCAX/设计工具/信息集成7机电工程与自动化学院CIMS专题第二阶段：并行工程应用阶段。具体体现在PDM（产品数据管理）技术及DFx（如DFM、DFA等）技术在产品设计阶段的应用。并行工程是在CAD、CAM、CAPP等技术的支持下，将原来分别依次进行的工作在时间和空间上交叉、重叠，利用原有技术，吸收了计算机技术、信息技术的成果，成为产品数字化设计的重要手段和先进制造技术的基础。8机电工程与自动化学院CIMS专题使能技术与工具产品数字化建模、信息集成CAx、DFx、PDM开发过程重组过程建模、分析、改进、监控等集成产品开发团队计算机网络数据库CSCW协调与冲突仲裁组织环境协同工作环境并行工程9机电工程与自动化学院CIMS专题第三阶段：虚拟样机技术应用阶段。虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是CAx/DFx建模/仿真技术、现代信息技术、先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期、全系统，并对它们进行综合管理。虚拟样机技术强调系统的观点，涉及产品全生命周期，支持对产品的全方位测试、分析与评估，强调不同领域的虚拟化的协同设计。10机电工程与自动化学院CIMS专题Time=$11机电工程与自动化学院CIMS专题第三章数字化设计技术之虚拟样机虚拟样机是由分布的、不同工具开发的、甚至异构的子模型组成的模型联合体：产品的CAD模型产品的外观表示模型产品的功能和性能仿真模型产品的各种分析模型（可制造性、可装配性等）产品的使用和维护模型以及环境模型等；12机电工程与自动化学院CIMS专题虚拟样机支持产品开发制造的全生命周期需求分析和定义概念设计详细设计生产制造测试评估使用维护训练直至销毁等不同阶段概念设计详细设计测试评估使用维护训练需求分析和定义销毁13机电工程与自动化学院CIMS专题在产品全生命周期中的虚拟样机14机电工程与自动化学院CIMS专题需求样机需求样机是根据用户需求建立的未来产品的可视化和数字化描述，描述产品功能和外部行为的结构模型进行未来产品的功能仿真，给设计部门演示和说明产品功能的具体要求和使用环境。给出未来产品的性能要求及其粗略框架，框架由有待填充、细化和完善的功能模块组成。15机电工程与自动化学院CIMS专题概念样机概念样机是根据需求样机的要求，对所提出未来产品的方案设想的可视化和数字化描述。细化了功能模块和模块间的信息流动关系。为产品的性能和外部行为提供物理细节和更详细的可视化描述。对产品的可制造性、可装配性及其可维护性进行概略评估。16机电工程与自动化学院CIMS专题工程样机工程样机是概念样机的进一步细化，主要由产品的各种物理性能模型、CAD模型以及其他模型（成本、维护等）组成开展产品的各种仿真试验工作，评估详细设计方案的优缺点，以及可制造性、可装配性、可维护性等。根据评估结果，对产品的开发和生产进度、成本、质量提出更为全面的要求。17机电工程与自动化学院CIMS专题最终样机在产品生产、装配和使用前，虚拟样机在工程上基本定型。原型样机是将原有样机与实际使用环境相结合，检验产品的实际使用效果，评估进一步改进设计方案的可能性。加入可靠性模型、维护模型和可用性模型，支持产品的虚拟维护。加入虚拟仿真模型和操作模型，支持产品的使用训练模拟。18机电工程与自动化学院CIMS专题并行工程是虚拟样机技术指导思想，建模/仿真是虚拟样机技术的核心，协同仿真是虚拟样机技术的关键，CAx/DFx/仿真虚拟样机技术的工具。19机电工程与自动化学院CIMS专题虚拟设计与传统设计传统设计：设计对象：物理样机设计环境：真实环境，以图纸上的线条、线框表述设计对象特点：步骤清晰、责任明确，但反复的过程中消耗较大的人力物力和时间虚拟设计：设计对象：虚拟样机设计环境：虚拟环境，在计算机上方便进行交互、实时、可视化的修改，并能马上看到结果。特点：并行工程，协同工作、异地设计、资源共享、优势互补，缩短周期20机电工程与自动化学院CIMS专题第四章数字化设计技术的应用—机身外形设计创建机身几何外形是飞机设计的核心,它是气动力计算、总体布置、结构和电气布置等的设计基础,机身几何外形的质量直接影响飞机设计的质量。数字化机身设计方法有线框模型设计方法和曲面模型设计方法等。21机电工程与自动化学院CIMS专题本章基于ZX1型旋翼机机身线框模型设计方法步骤如下：1)依照设计要求、使用要求和人机关系等进行协调布置；2)确定机身主要参数及纵向轮廓和横向轮廓参数；3)根据机身参数生成用NURBS曲线表示的机身边界曲线：根据机身参数点生成用NURBS曲线表示的剖截面轮廓线和纵向曲线，利用曲率图,检查曲线的光顺性,交互修改或自动光顺这些曲线,直至曲线光顺为止；22机电工程与自动化学院CIMS专题4）由各剖截面轮廓和纵向控制线生成机身线框模型5）利用线框模型生成机身曲面，并检查曲面光顺性，如果不光顺再反馈给第3）步，直到光顺为止；6）结合各曲面块，完成机身曲面外形；23机电工程与自动化学院CIMS专题相对于短翼、尾梁的造型,机身的造型要复杂得多，这主要是由于机身内部装有众多的系统和设备,协调关系非常复杂。机身外形构造的关键在于如何设计机身的控制截面及其位置。从气动角度看,机身截面面积越小,机身的气动阻力就越小。但是从使用角度看，机身截面面积越小，机身空间的体积就越小，机身内部一些系统的可达性和开敞性就越差。显然这是一个相互矛盾的过程，因此机身截面的确定需要综合考虑这两方面的约束。既要有足够的空间容纳系统,同时也需要满足最小气动力要求。24机电工程与自动化学院CIMS专题4.1利用人机关系进行机身内部布置：人体模型是飞机内部布置的重要工具之一。利用人体模型可以进行乘坐舒适性校核，同时可以检查踏板、驾驶杆、座椅等部件布置的合理性。人体模型通常被用来检查飞机内部空间如头部空间、膝部空间、肩部空间、肘部空间等。目前人体尺寸多是以百分位的形式给出的。最简单的百分位分为三档：第5百分位、第50百分位、第95百分位，分别对应小个子身材，中等个子身材，大个子身材。25机电工程与自动化学院CIMS专题4.2机身总布局及主要约束条件和参数的确定机身外形特征尺寸参数主要包括：总长、总宽、总高；这些参数存储在机身的主模型中，用做机身总体布置，总体尺寸要求ZX1型旋翼机的总体布局思路是：机身前部是并排双座驾驶舱，中部为双座或三座乘员舱，后部安装一台莱康明八缸活塞式发动机和三叶推力螺旋桨。该发动机体积较大，外形尺寸为1180×870×560mm，发动机上部安装旋翼传动系统和发动机冷却系统，为减少机身对螺旋桨的阻塞，机身造型时将机身后部切面尽量缩小。对旋翼机身进行了总体布局后，确定进行三维造型设计，确定全机尺寸和焦点数据。利用数字化设计手段协调分析（见图4.1、图4.2、图4.3）。26机电工程与自动化学院CIMS专题图4.1机身总布置图27机电工程与自动化学院CIMS专题图4.2座舱空间视图28机电工程与自动化学院CIMS专题图4.3正、副驾驶员操作区域协调图经协调后确定了机身主要特征尺寸为：机身总长5070mm；机身最大宽度定为1450毫米，机身最大高度1560mm；旋翼轴距机头3550mm。29机电工程与自动化学院CIMS专题4.3机身剖截面设计为减少机身的制造难度，降低制造成本，机身底部平面采用直线形状；机身顶点和机身两侧有一定的弧度，使外形美观、流线、气动阻力小，当控制截面外形初步确定以后,就需要确定这些截面的具体尺寸位置。机身切面外形由上部弧线（R1）、两侧弧线（R2）和底部直线相交并倒角（r1、r2）而成，如图4.4所示。上表面半径R1中心距中心轴1350mm，顶部A点按图4.5中侧面视图切面位置确定，两侧半径R2中心距中心轴1675mm，B点位置按图4.5中俯视图中切面位置确定。截面设计关键在确定各部分圆弧半径及中心坐标。30机电工程与自动化学院CIMS专题图4.4机身切面理论外形示意图31机电工程与自动化学院CIMS专题图4.5机身侧面和俯视图32机电工程与自动化学院CIMS专题4.4机身纵向约束控制线一般初步设计出的控制截面从纵向看可能是凹凸不平的,这时通过把机身横向截面的一些特殊位置上的控制点用纵向曲线连接起来,光顺这些纵向曲线，就可以得到光顺的机身造型。这些参数通常选择在机身的上、下顶点、最大宽度点和机身截面曲线斜率不连续的地方。机身纵向曲线的设计,可以采用的曲线设计方法很多,可以是具有解析形式的二次曲线和指数曲线,也可以是具有插值形式的三次样条曲线和B样条曲线。33机电工程与自动化学院CIMS专题在纵向曲线光顺机身截面的过程中,需要特别注意机身截面的协调问题。一般来说,纵向曲线的控制点应选择在机身控制截面上,这样既可以提高参数的使用效率,又可以控制机身外形的变化。在机身的横向截面位置通过纵向曲线确定下来以后,机身的整体外形构造就由这些控制曲线确定下来（见图4.6）。34机电工程与自动化学院CIMS专题4.6各主要控制截面及纵向曲线设计图35机电工程与自动化学院CIMS专题4.5机身外形曲面及光顺评价在构造曲面块的时候，最重要的一步是曲率检查，曲线是否广顺，直接关系到曲面造型的质量。编辑曲线，使其显示曲率的变化情况。图4.7为机身截面轮廓线曲率检查，可以看出曲平滑光顺。如果曲线很不光滑或曲率变化很大，就要对曲线进行曲率编辑。首先是粗调组成该曲线上的点，使其曲率梳都在曲线弧的外部，接下来的就是曲率的细调，使其曲率梳平滑光顺。设置更小的显示比率，将曲率梳的幅值放大，然后在显示屏上局部放大，以便清晰地调节该曲线的曲率，最终要达到在局部放大曲率梳的情况下，曲率梳光滑连续。36机电工程与自动化学院CIMS专题图4.7机身截面曲率检查37机电工程与自动化学院CIMS专题第五章数字化设计的总结随着计算机和网络技术的发展,使得基于多媒体计算机系统和通信网络的数字化设计技术为现代制造系统的并行作业、分布式运行、虚拟协作、远程操作与监视等提供了可能。数字化设计技术与产品的发展趋势如下:(1)制造信息的数字化,将实现CAD/CAPP/CAM/CAE的一体化,使产品向无图纸设计方向发展。(2)通过局域网实现企业内部并行工程,通过Internet建立跨地区的虚拟企业,实现资源共享,优化配置,使设计业向互联网辅助设计方向发展;(3)将数字化技术注入传统产品,开发新产品,无论从工业装备和人民生活需求都是社会发展的趋势。特别是在我国,国家在数字装