徐 州 工 程 学 院 教 案
2011 年至 2012 年 第 一 学期 第 2、3 周 星期 二、四 课题名称（含教材章节）： 第2章 现代设计技术 教学目的和要求： 了解现代设计技术的内涵、体系机构， 熟悉计算机辅助设计技术的基本概念、关键技术及研究热点， 熟悉优化设计、可靠性设计等现代设计方法 教学重点： 计算机辅助设计技术的基本概念、关键技术及研究热点，优化设计的数学模型、优化方法及优化设计步骤，可靠性设计的常用指标及机械零件可靠性设计方法 教学难点： CAD关键技术、优化设计数学模型及机械零件可靠性设计方法
教 学 内 容 （ 要 点 ） ⑴ 现代设计技术的内涵和体系机构； ⑵ 计算机辅助设计技术； ⑶ 现代设计方法。
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第二章 现代设计技术 第一节 现代设计技术的内涵与体系结构 一、现代设计技术的内涵和特点 1、内涵 现代设计技术是在传统设计方法基础上继承和发展起来的，是一门多专业和多学科交叉，其综合性很强的基础技术科学。 从系统工程的观点分析，现代设计技术是一个由时间维、逻辑维和方法维共同组成的三维系统。 （1）时间维 时间维是反映按时间顺序的设计过程，分为产品规划、方案设计、技术设计和施工设计四个设计阶段。 （2）逻辑维 逻辑维解决问题的逻辑步骤，在设计过程中解决问题的合理步骤是：分析——综合——评价——决策过程。 （3）方法维 方法维是指设计过程中的各种思维方法和工作方法。 2、现代设计技术的特点 从现代设计技术的内涵分析可见，现代设计技术具有如下一系列特点： （1）系统性 （2）动态性 （3）创造性 （4）计算机化 （5）并行化、最优化、虚拟化和自动化 （6）主动性 二、现代设计技术体系 现代设计技术内容广泛，涉及的相关学科门类多。为了便于对现代设计技术的全貌了解，可将现代设计技术分解为有基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个不同层次的技术组成。 1、基础技术 是指传统的设计理论与方法，包括运动学、静力学、动力学、材料力学等。 2、主体技术 现代设计技术的诞生和发展与计算机技术的发展息息相关，相辅相成。计算机辅助设计技术以其对数值计算和对信息与知识的独特处理能力，成为现代设计技术的主干。 3、支撑技术 设计方法学、可信性设计技术以及设计试验技术，为设计信息的处理、加工、推理与验证提供了多种理论、方法和手段的支撑。现代设计方法学包括系统设计、价值工程、绿色设计等；可信性设计主要指可靠性与安全性设计、疲劳设计等；设计试验技术包括通常的产品性能试验以及可靠性试验等。 4、应用技术 应用技术是针对实用的目的，解决各类具体产品设计领域的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械等设计的知识和技术。 第二节 计算机辅助设计技术 一、计算机辅助设计的基本概念 1、概念 计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）指利用计算机软件、硬件系统辅助工程技术人员对产品或工程进行设计、分析、修改以及交互式显示输出的一种方法（或手段），是一门多学科的综合性应用技术。该技术已广泛应用于机械、电子、建筑、航空、航天、汽车、化工、冶金、环境工程等领域。 2、功能 ■几何建模：主要指产品的三维建模，是CAD研究的重要 内容。由于产品都是具有一定功能的几何体， 为设计人员提供直观的、正确的产品图形具有重要意义。 ■工程分析：工程分析是产品设计的关键，主要包括产品常规设计和优化设计、 有限元分析、可靠性分析、动态分析 等科学计算。 ■评价仿真：主要通过动态仿真的方式为设计者提供逼真的运动图象以供决策。 ■自动绘图：CAD设计结果往往需要通过二维工程图或其他方式输出。 3、特点 （1）CAD技术是多学科综合性应用技术 经过近50年的不断发展和完善，CAD技术已由初期单一的图形交互处理功能转化为综合性的、技术复杂的系统工程，所涉及的学科领域在不断扩大，是多学科相互交融、综合应用的产物，并逐渐向集成化、网络化和智能化发展。 CAD技术主要涉及的学科领域包括计算机科学、计算机图形学、计算数学、工程分析技术、数据管理及数据交换技术、软件工程技术、网络技术、人机工程、人工智能技术、多媒体技术及文档处理技术等。 （2）CAD技术是现代设计方法和手段的综合体现 设计是一项复杂的创造性工作。人们一直在探索各种设计理论，以期利用它们来有效地指导实际的设计工作。 基于计算机的先进设计理论与方法集中体现在CAD技术中，该技术涵盖了现代产品设计的主要设计活动，其中包括传统的几何造型设计、工程分析以及目前广泛研究的支持概念设计和基于Web的设计等。 （3）CAD技术是人的创造性思维活动同基于计算机的系统的有机融合 随着基于计算机的先进设计理论与方法的不断发展，CAD系统的智能化程度也会越来越高。但任何智能化的CAD系统都只是一个辅助设计工具，都离不开使用者(人)的创造性思维活动和主导控制。 将人的创造性思维能力、综合分析和逻辑判断能力同CAD系统强大的数据、图形以及文档处理能力结合起来，才能使CAD技术发挥出巨大作用。 4、产生与发展 20世纪50年代，以美国为代表的工业发达国家处于航空和汽车等工业的生产需要，开始将计算机技术应用于产品的设计过程，逐渐发展形成具有重大影响力的计算机辅助设计技术。其发展过程大致经历了如下几个发展阶段： （1）20世纪50年代——CAD技术的萌芽期 （2）20世纪60年代——CAD技术的成长期 （3）20世纪70年代——CAD技术的发展期 （4）20世纪80年代——CAD技术的普及期 （5）20世纪90年代——CAD技术集成化期 二、CAD技术的应用 CAD技术是适应现代生产技术发展和市场需求快速变换的产物。目前，CAD技术在产品或工程设计中主要应用于以下几个方面： （1）绘制二维、三维工程图 主要用来取代传统的手工绘图工作，这是最普遍和最广泛的一种应用，也是中小企业采用得最多的一种CAD应用方式。 （2）建立图形及符号库 主要用于建立常用图形和符号库，以便于设计时调用，提高设计效率。 （3）参数化设计 对于那些具有相似结构的标准化或系列化零部件，通过对其结构尺寸和几何约束关系进行参数化定义，建立专用的图形程序库，调出时通过对设计参数进行赋值，即可生成所需的几何图形。例如，对标准件、典型零件的设计(轴类零件、齿轮、皮带轮等)以及形状相似但尺寸不同的系列产品的设计等。 （4）三维造型 根据设计需求，采用线框、曲面或实体造型技术对产品的零部件进行三维造型设计，并可 进行装配和运动仿真。 （5）工程分析 现代CAD技术提供强大的工程分析工具，如有限元分析、优化设计、运动学以及动力学分 析、模拟仿真等。这些分析工具可帮助设计人员进行合理的结构、强度、运动等设计工作。 （6）生成设计文档或报表 可以将设计属性制成说明文档或输出报表，其中有些设计参数可以用各种形式的图表表示，如直方图、扇形图、曲线图等，以使设计实施过程更清晰、形象、直观。 三、采用CAD技术的优点和风险 从CAD技术的特点和应用范围来看，采用CAD技术具有以下优点。 （1）提高设计效率、缩短设计周期 利用CAD技术，可减小设计人员的工作量和劳动强度，降低设计成本，从而能够提高设计效率、缩短设计周期、加速产品的更新换代、增强产品的市场竞争力。 （2）提高设计质量 利用计算机所提供的标准数据库、图形库和应用软件提供的优化技术和设计计算功能，可以减少人为的设计误差，达到最佳设计效果。