计算机技术在设计工作中的应用

摘要：设计技术是我们在设计过程中解决具体设计问题的各种方法和手段。传统设计采用的是静态、经验、被动、手工式的方法，其设计的效率和准确性已无法满足社会发展的更高要求。计算机技术在设计中的大规模应用是在传统设计技术的基础上多专业和多学科交叉发展的综合性技术。随着计算机技术的大发展，动态、科学、主动、现代化的设计技术不断发展和应用，使得设计的效率和精确性得到了最大程度的提高。

关键词：计算机技术；数字化设计；CAD；设计；应用

Abstract: design technology is a variety of ways and means that we in the design process to solve the specific design issues. Traditional design using the static, experience, passive, manual methods, the design efficiency and accuracy has been unable to meet the higher requirements of social development. Computer technology in the design of large-scale application is the integrated technology on the based of the traditional design technique interdisciplinary and multiple disciplines development. Along with the computer technology development, scientific, dynamic, active, modern design technology development and application, the design efficiency and accuracy are greatly improved.

Key words: computer technology; digital design; CAD; design; application

一、设计技术概述

设计技术是我们在设计过程中解决具体设计问题的各种方法和手段。传统设计我们采用的是静态、经验、被动、手工式的方法，其设计的效率和准确性已无法满足社会发展的更高要求。随着计算机技术的大发展，动态、科学、主动、现代化的设计技术不断发展和应用，使得设计的效率和精确性得到了最大程度的提高。计算机技术在设计中的大规模应用是在传统设计技术的基础上多专业和多学科交叉发展的综合性技术。现代设计技术由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术4个不同层次的技术所组成。基础技术主要指传统设计理论与方法。计算机辅助设计技术CAD是现代设计技术的主体技术。支撑技术则主要是可信式设计技术、试验设计技术和现代设计方法学。应用技术则是各产品领域的知识和技术。

二、数字化设计与数字化产品开发

数字化设计是指将计算机技术应用于产品设计领域。数字化设计是基于产品描述的数字化平台，建立基于计算机的数字化产品模型，并在产品开发全程采用，达到减少或避免使用实物模型的一种产品开发技术。 产品设计过程本质上是一个对信息进行采集、传递、加工处理的过程，其中包含了两种重要的活动：设计活动和仿真活动。因此产品设计也可以看作是一个设计活动和仿真活动彼此交织相互作用的过程。设计活动推动信息流程向前演进，而仿真则是验证设计结果的重要手段。2.1数字化设计的特点

1）实现并行设计一项设计工作可由多个设计队伍在不同的地域分头并行设计、共同装配，形成一个可完成强度、可制造性、成本和功能测试的完整的数字化模型。

2）设计过程中减少或避免实物模型的制造传统设计在产品定型生产前需经过“样机生产―样机测试―修改设计”的过程，且需反复多次，这不仅耗费物力、财力，还使得产品上市周期延长。数字化设计则在制造实物模型之前，先进行计算机仿真分析与测试，排除[1]某些设计不合理性。2.2数字化设计技术及应用

（1）参数化、变量化、模块化设计

参数化、变量化技术也是配置设计和按定单设计的基础。产品设计大多数是从已有产品进化而来的，据统计，典型定单产品中的标准件、外购件或变型件占90%，全新零件只占10%左右 利用参数化、变量化、模块化建模技术，可方便地修改设计，提高设计的效率，保证设计的质量和可靠性。CAD中的尺寸驱动法是利用参数化、变量化技术修改设计的有力工具利用广义相似理论，通过对功能单元、结构单元的重组可以获得不同结构形式的系列化产品（2）反求工程和快速原型技术复杂产品的模仿创新是一条减少风险投入，加快产品创新的有效途径。反求工程是利用某些测量方法（如三坐标测量、CT、核磁共振、自动断层扫描法等），在实测数据的基础上，重构产品三维数据模型的方法。快速原型技术是20世纪末期制造领域的重大突破，它直接利用CAD的离散数据，简单、快速、准确地将人的思想转化成功能原型或零件，淡化了设计与制造的界线。数字化的核心是离散化，快速原型技术通过产品数据的分层和离散，将材料按需要添加到零件上，通过对材料配比的变化及烧结路径的变化，可有效地控制零件的性能和变形。反求工程和快速原型技术的巧妙结合为加快产品开发过程和在实物原型的基础上，深入探讨和选择设计方案奠定了基础。

（3）虚拟产品开发方法

虚拟产品即存储在计算机内部的产品数据模型，亦称数字化原型或数字化样机（Digital Mock-up）。虚拟产品开发不是简单的数字化建模和仿真，它更强调虚拟技术的应用，通过虚拟现实的交互性，沉浸性和想象性达到虚拟产品开发环境的高速逼真化，并可对虚拟原型直接进行操作，产生身临其境的感觉。数字化样机是描述产品功能和行为特性的产品数字化模型，它支持产品的多学科优化设计及产品运动学、动力学和使用性能仿真，通过对模型的评估、测试和优化，可以预先了解相应物理样机的特性。随着虚拟现实技术的发展，在数字化样机的基础上提出了虚拟样机的概念，它更强调仿真技术和VR技术的应用，通过VR环境中人对虚拟原型的操作，可有效地发挥人的创造性，提高了概念设计和总体设计中的分析、决策能力。虚拟产品开发技术（Virtual Product Development）是在信息技术、网络技术、仿真技术和虚拟现实技术基础上出现的最新数字化产品开发技术。虚拟产品开发是实际产品开发、制造、使用、维护在计算机上的本质表现，虚拟产品开发要求全面的产品数据描述和各种可视化的仿真工具及人机交互操作工具。数字化样机和虚拟样机技术不仅可以减少和替代部分实物实验，降低产品开发费用和缩短产品的研制周期，而且也是提高产品创新能力的有利工具。虚拟产品演示可以在一般计算机环境下进行，也可以在虚拟实境环境下进行，它不仅可显示产品的外观、内部结构以及工作原理，还可改变金属表面涂装的颜色和光泽，以及皮革的纹理等。虚拟产品既可用于设计交流，还可作为设计者与销售人员、销售人员与客户之间的交流。

三、CAD技术及应用

CAD技术的主要功能：零件造型、产品装配、产品渲染、动态显示、运动仿真；工程分析如有限元分析、优化设计、可靠性设计；绘制工程图样、编制物料清单等。

任何设计都表现为一种过程，每个过程都由一系列设计活动组成。这些活动既有串行的设计活动，也有并行的设计活动。目前，设计中的大多数活动都可以用CAD技术来实现，但也有一些活动尚难用CAD技术来实现，如设计的需求分析、设计的可行性研究等。将设计过程中能用CAD技术实现的活动集合在一起就构成了CAD过程。CAD的真髓不是绘图，而是建模和仿真[2]。数字原型（DMU）就是在三维实体模型的基础上，将零件组装成数字化的虚拟产品。数字原型可用于检验零部件之间的装配关系[3]，以防止相互干涉，从而可进行运动仿真。数字原型可用于透视复杂产品的内部结构，从而可进行装配、维修等人机工程的研究。它还可用于产品的外观艺术渲染，制作广告。在三维实体模型的基础上，将零件组装成数字化的虚拟产品。

计算机辅助工程是借助计算机强大的计算和图像处理能力解决工程技术中的各种问题，包括有限元分析、优化技术等。有限元分析FEA（Finite Element Analysis）是采用有限元法来近似求解数学物理问题的过程[4]。有限元法的基本思想是将问题的求解区域划分离散为一组有限个单元，单元之间按一定方式仅靠节点相互连接在一起的组合体。单元内部点的待求物理量可由单元节点物理量通过选定的函数关系插值求得。将各个单元方程“装配”在一起而形成总体代数方程组，加入边界条件后即可对方程组求解。节点是空间中的坐标位置，具有一定自由度和存在相互物理作用。单元则是一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵描述（称为刚度或系数矩阵)。单元有线、面或实体以及二维或三维的单元等种类。信息通过单元之间的公共节点传递的。有限元模型是真实系统理想化的数学抽象。

集成化、网络化和智能化是现代CAD技术所追求的功能目标。集成化要能支持信息集成、过程集成与企业集成，它涉及的技术如：数字化建模、产品数据管理、过程协调与管理、产品数据交换、CAX工具、DFX工具等[5]；网络化要能支持动态联盟中协同设计所需的环境与设计技术；智能化是指在实现集成化与网络化时所采用的智能技术，如人工智能、专家系统技术等。现代CAD技术的最终目的是要尽可能采用自动化设计技术使所设计的产品达到质量高、成本低、周期短，以便在先进制造模式下赢得市场竞争。随着现代CAD技术的发展，设计过程中越来越多的活动都能用CAD工具加以实现，因此 CAD技术的覆盖面将越来越宽，以至整个设计过程就是 CAD过程。

参考文献

[1]阎楚良,杨方飞.农业机械数字化设计技术研究与展望[C].//中国农业机械学会2006年学术年会论文集.2006:797-801.

[2]倪桂功.CAD/CAM技术在球头立铣刀设计制造中的应用[D].天津理工大学,2006.

[3]张春森,波.基于CAD技术实现工业零部件图像直线特征提取[J].光学精密工程,2011,19(9):2214-2221.DOI:10.3788/OPE.20111909.2214.

[4]衣龙泉.钢箱梁剪力滞效应的试验研究与有限元分析[D].苏州科技学院,2008.

[5] 张军军.企业数字化制造与经营管理关键技术研究与应用[D].东华大学,2006.