CAx技术在工程中的应用

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CAx技术在工程中的应用

赵大泉 刘大成 郑力 王欣 张伯鹏

（清华大学精密仪器与机械学系 100084）

1．引言
随着计算机技术的迅猛发展，计算机辅 助技术(CAx)在现代制造业中起着越来越重 要的作用。在现代制造企业中， CA0、 CAPP、 CAM、 CAE等技术已经被普遍采用，并逐渐 占据主导地位。计算机集成制造系统(CIMS) 被认为是机械制造工业的一种有效生产模式， 而 CAD/CAPP／CAM的集成是实施 ClMS的 最重要环节之一。 CAD/CAE等技术也在当前 兴起的虚拟制造技术中起着举足轻重的作用。
2．CAD技术在工程中的应用
设计是工程实践的源头，任何工程构思， 无论是简单零件还是复杂系统都要经过设计阶 段才能开始其生产流程。设计概念包括系统总 体设计和具体环节设计， CAD技术是现代工 程设计中必不可少的一项辅助手段，它不仅大 大提高了设计人员的设计效率和设计精度，而 且能够使设计人员由于摆脱了繁重的设计劳动 而将主要精力放在思路设计和概念创新上，从 而真正使设计工作从劳动转变为创新。同时， 以电子文档形式存放的设计结果便于保存、修 改和共享。
本文所讨论的 CAD技术主要指工程设计 中最繁琐，同时也是应用最广泛的方面——机 械产品的计算机辅助设计技术。
2.1 CAD系统的功能
对于通用的机械产品 CAD系统来讲，一 般应具有以下几方面的基本能力[1]：
1．几何造型功能
一个完整的几何模型，既包括形体各部分 的几何形状及空间布置(即几何信息)，又包 括各部分之间的连接关系(即拓扑结构)。几 何造型技术可以分为线框造型、曲面造型、实 体造型和特征造型。线框造型是用顶点和边的 有限集合来表示和建立物体的计算机模型。用 线框建立的物体模型，只有离散的空间线段， 而没有实在的面。这种技术的几何意义存在二 义性。曲面造型技术可以用来对具有复杂自由 曲面的形体进行建模，目前较多采用的建模方 法有：双三次样条曲面、 BeZier．曲面、 B样条 曲面和非均匀有理曲面等。实体造型系统对物 体几何和拓扑信息的表达克服了线框模型存在 二义性及曲面模型容易丢失面信息的缺陷，从 而可以自动进行真实感图像的生成和物体间的 干涉检查。实体造型所生成的形体具有完整的 几何信息，是真实而唯一的三维物体。常见的 实体造型技术有“边界表示”(B—rep)法和“构 造实体几何”(CSG)法。特征造型技术在设 计阶段就能够捕捉除了产品的几何／拓扑信息 以外的设计和制造意图的高层描述，它包括了 几何、拓扑、尺寸、公差、装配、材料等与产 品设计和制造活动相关的各类信息。特征造型 技术目前尚不完善，还有待于进一步发展。
2．有限元分析和优化设计功能
有限元方法使得产品设计和工程设计过程 中的大量分析计算变得简单、高效而且精确， 而采用数值计算方法所进行的优化设计将提高 产品性能、节约原材料并降低成本。功能完善 的 GAD系统一般都具备有限元分析和优化设 计的能力，或者具有与有限元分析和优化设计 软什进行数据交换的接口，以便随时根据分析 结果来改进设计，从而可以大大提高设计质 量，减少后期制造时的困难和浪费，提高总体 效能。
3．工程绘图功能
这主要是为了兼顾传统工程技术人员对二 维图纸的需要。目前的 CAD系统均具有生成 及输出二维工程图的功能。
4．与其它CAx系统的数据交换功能
随着 GAX技术在工程中的广泛应用，用 户越来越需要在不同的 CAx系统之间进行准， 确无误的数据交换，这就需要建立一个统一的 信息结构来对不同系统的产品数据进行描述和 通信，于是产生了产品数据交换规范。
初姑图形交换规范旧ES(InitialGraphics EXchangeSpecification)建立了用于产品定 义数据数字表示方法与通信的信息结构，是 CAD／CAE／CAM等之间进行图形信息交换的 一种规范。它定义了二类不同的实体：几何实 体、描述实体利结构实体，其产品模型是通过 实体对产品的形状、尺寸以及某些说明产品特 征的信息进行描述来定义的。
产品模型数据交换标准STEP(Standard fOr Exchange ofProduct model)是为了克服 IGES的某些不足，而在PDES(ProductData Exchange Specification)的基础上经过重大 突破和创新所建立的一种产品数据交换规范， 它将信息分为三个层次结构：物理层、逻辑层 和应用层，如图1所示，其中不仅包括几何 数据，而且包括制造特征、材料特征、公差等 各种非几何数据，所提供的信息能够直接为 CAD/CAE／CAM系统所理解[2]。

2．2 二维造型与三维造型的比较

机械产品 GAD技术中的关键是建模造 型。在实践中我们认识到，二维 CAD软件与 三维 CAD软件各有千秋，其中二维 CAD软 件造型能力差，需要多个表达视图，但算法简 单，对系统要求低，它能够直接生成并输出传 统的二维工程图；三维 GAD软件造型直观， 不需要辅助视图，但对系统要求高，且需经过 一定处理才能输出二维工程图。在应用中，二 维 CAD软件只适合于设计形状较简单，且主 要由平面曲线所组成的零部件；三维 CAD软 件可以设计具有各种复杂空间曲线、曲面的零 部件。对于国内绝大部分二维机械 CAD用户 来说， CAD软件技术的发源地是 Autodesk 的 AutoCAD，这是在各行各业中普遍采用的 一种二维 CAD通用平台软件。但随着机械 CAD用户需求的深化和机械产品设计及其制 造工程的特点，机械设计工程师迫切需要一种 能够更加真实地反映物体几何特征的设计系 统，于是人们逐渐认识到了二维 CAD系统相 对于二维CAD系统的优越性。
从逻辑上讲，设计概念是从三维开始的， 设计人员的设计构思也是在三维空间进行的。 使用三维 CAD系统，设计人员能够直接将设 计思路表达出来，而不必像在二维 CAD系统 中那样，需要再将设计雏形经过三维到二维的 转变才能表达，而对于使用者，还需经过二维 到三维的转变。在二维造型上就免去了这中间 的种种麻烦，设计人员可以更加直观地检查、 修改设计结果，还可以进一步进行应力应变分 析、零部件质量属性分析、空间运动分析、装 配干涉分析、可加工性分析、高精度的二维工 程图生成、外观色彩和造型效果评价、商业广 告造型与动画生成等一系列操作。因此，三维 造型才是真正意义上的实体造型，才是对设计 全过程的有效辅助，才是有明确技术效益和经 济效益的 CAD。三维零件图和装配图生成后， 二维视图(三视图、剖视图等)可以自动生成， 这一方面节省了人力，另一方面也避免了人工 生成这些视图时可能产生的一些不必要的错 误。
采用二维模型还可以大大简化 CAD的标 准化工作，因为当前的 CAD技术对于三维形 体己经有了国际公认的成熟处理方法，这就是 采用线框表示、曲面表示和基于实体模型的边 界表示，或者简称为线模型、而模型和体模型。 三维 GAD软件是 CAD／GAPP／CAM的核 心。
2．3 设计实例
我们曾以铣刀为例进行过对比，同是一把 螺旋刃铣刀，如果采用二维造型方法，则至少 需要主视图(表达其外形参数)、俯视图(表 达其截面参数)和垂直于刃边的剖视图(表达 刀刃参数)三个视图，如果再要表达其工艺结 构，则还需要更多的剖视图和局部放大视图。 而采用了三维造型后，只需一个造型图即可表 达清楚全部的几何特征。一个使用UG生成的 二维造型图如图2所示，其不同角度的视图 如图3所示。(注意，这些视图全部是由前一 个三维造型图自动生成，而不需要再由手工绘 制。)

3．CAE技术在工程中的应用

CAE技术是 CAD／GAM向纵深发展的必 然结果，它是有关产品设计、制造、工程分析、 仿真、实验等信息处理，以及包括相应数据库 和数据库管理系统在内的计算机辅助设计和生 产的综合系统，其中包括了对零部件的各种结 构分析、优化设计、模态分析、产品几何形状 的模型化和工程分析与仿真等。在虚拟制造环 境中， CAE的工程分析／仿真和模态分析模块 尤为重要。通过对设计结果的分析与仿真，可 以在产品被制造出来以前就得出其各项性能指 标，然后据此对设计结果进行相应修改，从而 能够有效地确保产品的最终质量，并大大降低 了试制费用，这也正是虚拟制造的经济效益之 所在[3]。工程分析／仿真和模态分析模块主要包 括：
3．1 有限元分析
这是最常用的静态分析，它将几何造型所 得到的模型划分成有限元分析的元素，随后即 可进行构造分析、受力变形分析、热传导分析、 流体分析、磁场分析等。通过有限元分析可以 找出制约零部什整体性能的关键部件，从而改 善零部什的力学性能和热学性能。
3.2 结构分析
结构分析包括运动参数分析、干涉检查和 仿真。这部分功能可以真实地模拟出零部件的 实际工作状态，帮助设计者及时发现问题并改 正。
3．3 模态分析
模态分析是 CAE的支柱之一，它主要用 于帮助设计者分析零部件的固有频率和振动特 性，以期改善其动态响应性能、降低整体振颤 并预测其疲劳寿命。
从CAE的几项主要功能还可以看山，CAE 与二维造型是紧密相关的，无论是有限元分 析，运动分析，还是频响分析，都需要使用零 部件的三维实体来进行，而二维造型是无能为 力的。
我们在前面所建立的螺旋刃铣刀模型，是 为了分析它的受力变形情况，为此，我们采用 了有限元分析方法。首先，需要对模型进行网 格划分；然后给出边界条件，即刀柄和刀刃处 的力边界条件和位移边界条件，如图4所示； 最后进行有限元分析计算，得出其应力或者变 形分布情况，如图5所示，图中颜色越浅的 部位应力越大。应力大的部位，可能磨损大， 使用寿命短，或者对被加工工件的影响大。得 出了铣刀的应力分布情况，就可有针对性地改 进铣刀的设计，比如改进刀具材料、结构形状 以及刀具的切削角度等。

4．结论与展望

设计是工程的起始点，好的设计结果是整 个工程顺利高效实施的基础；分析与仿真是保 证最终产品一次制造成功，从而提高经济效益 的关键。 CAD与 CAE是虚拟制造的两大基 石。
以 CAD、 CAE等为代表的 CAX技术有 力地促进了机械制造自动化、 CIMS及虚拟制 造的发展。它们的效果是显著的，是革命性的， 一方面，它们将人们从繁重的体力劳动中解放 出来，提高了效率，另一方面，它们极大地提 高了设计及制造的精度和质量，并显著地提高 了经济效益。随着 CAX技术应用水平的不断 提高，机械制造业会有着无限广阔的发展前 景，国民经济也必将从中大大受益。

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