·2· 机械CAD技术 (4)确定基本性能参数和结构形式。 主要通过同类机型对比、经验公式计算、动力学计算和整机多领域物理建模仿真 分析进行确定。 (5)拟定设计任务书。 ①说明开发该产品的原因、主要用途，适用范围等 ②说明产品的主要设计参数和要达到的技术指标。 ③确定主要结构及零件参数。 ④分析产品系列化和变型的可能性。 此时的设计任务书还只是一个雏形，其中的某些指标还要在设计中进行调整。 在设计完成之后，还要编写比较详细的设计说明书，对所设计的产品进行总体和分部 分描述，对主要参数的选取进行说明。 2)设计实施阶段 (1)总布置设计及零部件设计 确定总体方案之前，一般要拟订几种方案，进行多方案讨论、分析和比较。经过 反复修改后得出初步方案，随即进入下面的工作程序。 ①产品总布置设计，三维实体造型和数字化装配。确定主要零部件的允许运动 尺寸、结构方案、外形图 ②按照企业标准编制零部件图样目录， ③进行零部件三维图细致设计，绘制零部件工作图、整机纵横剖面图。 (2)主要零部件的试制。 (3)系统及零部件的性能分析、虚拟试验以及系统标定。 该阶段进行主要受力零部件的理论强度校核；运动机构的动力学计算评价等。 3)产品试制检验阶段 (1)样机试制。 在总体设计和零部件结构强度计算之后，就可以进行产品的施工设计。此阶段 决定零部件的加工精度和工艺处理规范、部件结构调整。 (2)样机试验。 此阶段要进行整机磨合、性能调整、性能试验等各种试验。 4)改进与处理阶段 (1)样机鉴定与改进。 在总结样机试制、样机性能试验和用户配套试验的基础上，往往要进行多方面的 综合改进和进一步的试验观察，然后进行产品鉴定。鉴定时设计和试制单位需要提 供的主要文件有： ①设计任务书： ②产品研发试制总结； ③产品各种性能试验报告：
第1章绪论 3。 ④产品生产产量成本盈亏分析： ⑤用户使用报告。 (2)小批量生产和扩大用户试验 图1-1所示为一款高性能车用内燃机的数 字化模型。该发动机设计的各个环节全面采 用了计算机辅助设计技术。 这里是以内燃机为例介绍复杂机电产品 的设计过程，不同产品的生产过程各不相同。 但总的来说，复杂机电产品的设计与开发是 个相当复杂的过程。一个型号产品往往要经 过几年的设计与开发周期才能得以完善。 图11采用计算机辅助设计 与内燃机的设计过程相类似，一般情况 技术开发的内燃机 下，机械产品的设计过程可以分成以下七个阶段： ①需求定义： ②功能定义； ③原理确定： ④模型结构化： ⑤结构设计， ⑥设计细化： ⑦修改完善 在有计算机辅助的情况下，上述阶段包含以下的工作内容： ①获取信息： ②结构定义： ③性能计算， ④功能模拟； ⑤结构成型； ⑥产品评价： ⑦设计修改： ⑧提供文档 2.机械CAD技术的概念 不同产品的生产过程各不相同。对于一般的机械产品，上述七个阶段的设计过 程贯穿产品的初步设计和详细设计两个环节， 初步设计阶段就是要研究满足功能要求的总体几何形状和结构，并进行大致的 性能预测、强度分析、机构分析等模拟分析工作。在此过程中，首先利用计算机查阅 以往的设计实例和文献。因为计算机具有非常强的检索能力，所以可事先将设计文 献数据和实例集中存储在数据库中：其次，要利用计算机进行必要的性能预测、强度
·4 机械CAD技术 分析、机构分析等模拟分析计算。 详细设计阶段是，在初步设计阶段确定方案的基础上，进一步确定产品各部分的 详细几何形状、尺寸和材料。在此过程中，要利用计算机对存储在数据库中的设计标 准、规范等数据进行检索，利用计算机进行零部件的几何形状修改和确定工作，并在 计算机上对产品的性能和功能进行仔细研究。这样，可大大减少为最终验证设计效 果而制造样件的次数。 初步设计和详细设计完成后，将设计结果先存储在数据库中，再利用图纸表达 出来。 从上述计算机在设计、分析计算中的应用情况可以看出，计算机辅助设计指的是 利用计算机对机械产品进行儿何造型设计、修改和绘图；计算机辅助计算分析指的是 指初步设计和详细设计两个阶段中的计算和模拟分析。在有些情况下，广义的计算 机辅助设计包含了上述的计算机辅助设计和计算机辅助计算分析两部分内容。 由于计算机辅助设计一直处于发展之中，确切的含义和范围划分还没有统一。 计算机在机械产品设计活动中的应用，从最初的辅助绘图开始，到三维造型设计，再 到后来的计算机辅助分析和优化，计算机在机械产品设计中的作用越来越大，内容越 来越丰富，自动化程度也越来越高。 随着计算机技术的迅速发展，产品设计和生产的方法都在发生显著的变化。以 前一直只能靠手工完成的许多简单作业，逐渐通过计算机实现了高速化和高精度化。 这种利用计算机来达到高效化、高精度化目的，实现自动化设计的方法称为计算机辅 助设计(Computer Aided Design,简称CAD). 由于信息技术的发展和高效率，目前整个产品的开发阶段越来越多地利用计算 机辅助完成。 1.1.2机械CAD系统的功能和任务 机械CAD技术由不同CAD系统特有的功能、应用界面、编程界面、与其他系统 相连的接口、以及设计者独特的工作方式所决定，从其功能角度来看，机械CAD技 术具体涉及：①产品信息处理技术；②输入和输出技术；③计算和评价技术：④二 维和三维建模技术：⑤设计可视化技术；⑥工程图绘制技术，⑦功能仿真技术， ⑧知识处理技术 1.机械CAD系统的基本功能 1)计算功能 机械CAD系统除了要进行各种数值计算之外，还应能运用已积累的设计经验 比较设计对象的几种设计方案，对结构进行物性参数计算和力学性能分析。 2)人机交互功能 在机械CAD系统中，人机接口是用户与系统连接的桥梁。友好的界面是保证 用户直接、有效完成复杂设计任务的基本条件，除此之外，还需要交互设备，以实现用
第1章绪论 ·5 户与计算机之间的对话 3)图形显示功能 从产品的构思、造型、方案的确定，到结构分析评价，系统应能保证用户随时观 察、修改中间结果，进行实时编辑处理。图形显示功能不仅能够对二维平面图形进行 显示控制，还具有对三维实体进行处理等功能。 4)存储功能 利用机械CAD系统进行设计时，会涉及到大量的相关资料数据、图形数据、计 算结果等各种数据，要求CAD系统具有强大的存储功能。 5)输入输出功能 利用机械CAD系统进行设计时，一方面用户需要不断地将有关设计要求、计算 条件等输入计算机内，一方面通过计算机的处理，能够将系统处理的结果及时输出。 相应的输入输出功能是系统的基本功能。 2.机械CAD系统的任务 机械CAD系统的主要任务是对产品设计过程的信息进行处理。这些信息主要 包括设计中的数值计算、设计分析、工程绘图、几何建模、机构分析和有限元分析等多 个方面。 随着计算机辅助设计技术的发展，产品开发的辅助手段发生了深刻的变化。 1)信息获取 信息获取包括信息收集、筛分、评价和挑选，帮助设计者正确衡量决策过程中的 各种因素并产生丰富联想。 由于在设计过程中存在大量的条文规定、准则和产品设计经验，再加上耗时的信 息获取过程，需要采用数据处理系统作为辅助工具，目前主要采用数据库系统作为处 理工具。 2)产品定义 在计算机辅助设计过程中，主要是对几何对象进行处理。在对设计对象进行几 何形状定义时，对所有相关的尺寸进行定义。 3)几何建模 几何建模是机械CAD系统的核心。在产品构思阶段，系统能描述基本几何实 体及实体间的关系；提供基本体素、构造实体等多种造型方法，以便为用户提供设计 产品的几何形状、大小，进行零件的结构设计以及零部件的装配：能动态地显示三维 图形，解决三维几何建模中复杂的空间布局问题；产生具有真实感的图形。利用几何 建模功能，用户不仅能构造各种产品的几何模型，还能够随时观察、修改设计模型，或 检验零部件的装配结果。 造型在找到了解决方案的原理和确定了可实现的模型之后进行。产品的计算机 辅助造型是以将所有相关的产品特性集成到一个合适的模型中去为前提的，该模型 除包含几何信息之外，还应包括功能的和技术的信息，以及与产品开发过程相关的工
·6· 机械CAD技术 作流程。 机械CAD技术已经从产品图纸的绘制进一步发展到了内容广泛的产品建模； 如今，产品图纸已经可以从产品模型中自动推导出来 几何模型的生成可以用不同的输入技术来实现： (1)用二维和三维的建模技术来生成： (2)由二维和三维基本元素来建立： (3)用宏编程或者变量程序： (4)使用参数CAD系统和基于特征的CAD系统； (5)利用应用系统或设计系统。 4)计算分析 机械CD系统构造产品的形状模型之后，能够根据产品的几何形状，计算出产 品相应的体积、表面积、质量、重心位置、转动惯量等几何特性和物性参数，为系统进 行工程分析和数值计算提供必要的基本参数。机械CAD中的结构分析还需要进行 应力、变形等计算。 由于计算功能越来越强，可用的计算方法也越来越多，如今，机械产品设计基本 上是由计算和仿真来辅助完成的。产品开发中的计算可以划分为不同的计算类型： （1)结构计算： (2)检查和验算， (3)优化计算。 结构计算是指在设计阶段初期根据所提出的要求，如载荷和寿命，计算零件的尺 寸。设计者常常根据已有的零部件设计经验，通过对比进行设计，基于知识的系统在 计算领域有着越来越重要的意义。 检查和验算用来检验已经设计好的零件，检验各种因素（载荷、许用应力、变形） 是否在允许的范围内。在实践中，图表计算程序常用来进行简单的计算，通过与参数 CAD程序的连接，可以产生零件几何模型的变量。除了零件的结构计算之外，有限 元方法是结构力学最常用的计算方法。 优化计算用来对零部件进行结构优化，以使零部件有较高的强度和较小的自重， 或者使结构上的载荷分布更加均匀。优化计算通常由计算机来完成，因此需要将待 优化的结构参数化，接着在一个迭代的过程中改变参数，直到得出优化结果为止。 5)设计评价 利用计算机对设计对象进行自动化的评价一般要求对该对象的几何特征进行解 释，其目的是为了推导出设计对象的特性 6)设计修改 修改在传统意义上被理解为直接改变零件的几何形状。传统的图纸和几何模型 只表达了设计过程的最终结果，而没有记录下得出这个结果的历程。与此相比，记录 产品历史对修改操作来说具有重要的意义。有了产品历史的记录，就容易发现产品