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1、 第二讲第二讲 数字化设计技术导论数字化设计技术导论主讲人主讲人陈立平陈立平1学科（专业）概论学科（专业）概论 制造业制造业竞争力的关键在于创新，设计是创新的灵竞争力的关键在于创新，设计是创新的灵魂，先进的设计理论、方法和魂，先进的设计理论、方法和手段手段是发展我国先进制是发展我国先进制造技术的关键造技术的关键。我国制造业的处于弱势地位我国制造业的处于弱势地位（1）产品）产品设计以逆向设计为主，创新设计能力弱于制造能力。设计以逆向设计为主，创新设计能力弱于制造能力。（2）整机）整机设计能力弱于零部件设计能力。设计能力弱于零部件设计能力。（3）复杂）复杂机电产品设计能力弱于单纯机械产品设计能力。
2、机电产品设计能力弱于单纯机械产品设计能力。（4）缺乏）缺乏系统的先进设计理论、方法和相关技术支撑，多系统的先进设计理论、方法和相关技术支撑，多“形形似似”、少、少“神似神似”。（5）产品）产品开发以传统常规设计方法为主，缺乏鲁棒性设计、优开发以传统常规设计方法为主，缺乏鲁棒性设计、优化设计手段。化设计手段。（6）缺乏）缺乏数据、经验、知识的积累和重用，需要相应的技术支数据、经验、知识的积累和重用，需要相应的技术支撑平台。撑平台。2 20世纪世纪50年代以来，计算机技术的迅速发展，为工程设计、分年代以来，计算机技术的迅速发展，为工程设计、分析和优化技术析和优化技术带来带来了全面的变革了全面的变革
3、。 20世纪世纪90年代以前以年代以前以C3P（CAD/CAE/CAM/PDM)为代表的为代表的计计算机辅助设计工具算机辅助设计工具CAX软件在工业界得到广泛普及，产生了巨大的软件在工业界得到广泛普及，产生了巨大的经济效益和社会效益，经济效益和社会效益，“数字化数字化”作为显著的时代技术特征初露端倪作为显著的时代技术特征初露端倪。 20世纪世纪90年代中期以来，计算机辅助设计更多地强调了基于年代中期以来，计算机辅助设计更多地强调了基于多多体系统体系统(multibody system)的复杂机械产品系统动态设计、基于多的复杂机械产品系统动态设计、基于多学科协同学科协同(multi-discip
4、lines colaberative)集成框架的优化设计、基集成框架的优化设计、基于本构融合的多领域于本构融合的多领域物理建模物理建模(multi-domain physical modeling)及可重用机、电、液、控数字化功能样机的分析、及可重用机、电、液、控数字化功能样机的分析、研究与开发研究与开发，并，并逐步形成新一代技术和平台工具。在设计管理方面逐步形成新一代技术和平台工具。在设计管理方面，形成，形成产品全生产品全生命周期命周期管理管理(PLM)技术。技术。3 21世纪计算机辅助产品开发技术发展的主线是多世纪计算机辅助产品开发技术发展的主线是多学科、多领域的融合与渗透是，学科、多领域
5、的融合与渗透是，M3P已成为当前技术已成为当前技术研究、开发和应用的时代特征。研究、开发和应用的时代特征。 日趋日趋复杂的现代机电产品广泛涉及航空航天、机复杂的现代机电产品广泛涉及航空航天、机电制造、能源和交通等重要电制造、能源和交通等重要行业，行业，通常是集机械、电通常是集机械、电子、液压、控制等多领域子、液压、控制等多领域物理物理子系统于一体的复杂大子系统于一体的复杂大系统，多领域物理藕合和连续一离散混合的特性是其系统，多领域物理藕合和连续一离散混合的特性是其本构本构描述描述的的基本特征基本特征。因此，复杂机电产品的创新从。因此，复杂机电产品的创新从理论、方法和技术工具三个层面对理论、方法
6、和技术工具三个层面对设计设计。42.1 数字化设计技术解构数字化设计技术解构n数字化设计简述数字化设计简述 “数字化数字化”是信息时代社会化的技术特征，信息时代的现代是信息时代社会化的技术特征，信息时代的现代设计即数字化设计。设计即数字化设计。（1）综合性综合性 它它是面向需求、综合应用基础学科发展成果的是面向需求、综合应用基础学科发展成果的工程技术方法工程技术方法学学 “万金油万金油”专业专业（2）多样性多样性 不不同行业、不同领域产品同行业、不同领域产品需求、功能的差异性。需求、功能的差异性。（3）协同学协同学 现代现代复杂产品开发往往是通过团队协作完成复杂产品开发往往是通过团队协作完成的
7、，的，协同性成为当今数字化设计研究的重要课题协同性成为当今数字化设计研究的重要课题（4）集成性集成性 机电机电产品是由多产品是由多领域（如领域（如机、电、液、控、热机、电、液、控、热等等领域）物理领域）物理功能部件的组合而成的，功能部件的组合而成的，即模型即模型集成。集成。建模：建模：几何（结构）建模几何（结构）建模二维绘图二维绘图功能建模功能建模三维实体造型三维实体造型 计算机辅助设计计算机辅助设计52.1 数字化设计技术解构数字化设计技术解构n数字化设计简述数字化设计简述功能建模功能建模建立能表达对象功能、性能的建立能表达对象功能、性能的模型，如位移、速度、加速度，力、应力、模型，如位移、
8、速度、加速度，力、应力、应变，流量、压力，电流、电压等特性参数应变，流量、压力，电流、电压等特性参数实质实质是将对象的物理特性映射为数学问题是将对象的物理特性映射为数学问题：6一一组数学组数学方程，方程，分析分析与仿真的与仿真的内核即是方程的内核即是方程的求解。求解。 大规模大规模、稳健、快速的数学求解是数字化设计基础关键的共性、稳健、快速的数学求解是数字化设计基础关键的共性技术。技术。 设计设计的最终的最终目的是目的是优化，建模、分析是优化设计的优化，建模、分析是优化设计的基础基础 数字化设计发展：参数数字化设计发展：参数优化、尺寸优化、形状优化、拓扑优化、尺寸优化、形状优化、拓扑优化。优化
9、。 数字化数字化设计技术是现代设计学的使能技术，是工程设计学、应设计技术是现代设计学的使能技术，是工程设计学、应用数学、软件用数学、软件技术和技术和信息科学等信息科学等多学科交叉融合的产物多学科交叉融合的产物。它必定要。它必定要承载现代设计学的理念、方法，承载现代设计学的理念、方法，通过数学通过数学过程，过程，以软件为存在形式，以软件为存在形式，面向广泛应用面向广泛应用，提升设计的自动化、集成化和智能化，提升设计的自动化、集成化和智能化的能力和水平。的能力和水平。2.1 数字化设计技术解构数字化设计技术解构nIT技术技术的发展对数字化设计技术的发展对数字化设计技术影响影响 20世纪世纪80年代
10、末年代末：引人以：引人以C语言为宿主语言的二次开发技术语言为宿主语言的二次开发技术ADS，进一步提升了平台的开放性，工程领域专业人员采用进一步提升了平台的开放性，工程领域专业人员采用ADS技术，开技术，开发了大量的专业应用发了大量的专业应用，成为支持，成为支持二维应用的通用二维应用的通用平台。平台。20世纪世纪90年代初：年代初：采用面向对象技术重构了平台架构，以采用面向对象技术重构了平台架构，以C+为宿为宿主语言，推出面向对象运行时开发技术主语言，推出面向对象运行时开发技术ObjectARX（object AutoCAD runtime extension），成为具有良好），成为具有良好开放
11、性和集成性成开放性和集成性成为功能强大的通用软件为功能强大的通用软件平台。平台。 “资源可重用、系统可重构资源可重用、系统可重构”是嵌入式时代是嵌入式时代IT技术的重要理念标技术的重要理念标签，签， 展开了展开了具有时代特征的新技术研究与应用：具有时代特征的新技术研究与应用： 面向服务（业务面向服务（业务、模型）的架构，模型）的架构， SOA（services oriented architecture）、）、模型模型驱动的驱动的设计（设计（MDD）、）、模型驱动的代码模型驱动的代码自动生成技术。自动生成技术。 在在嵌人式时代，机电产品的系统复杂性进一步提高，表现为嵌人式时代，机电产品的系统复
12、杂性进一步提高，表现为机、电、液、控等多领域的高度集成与机、电、液、控等多领域的高度集成与融合。融合。：72.1 数字化设计技术解构数字化设计技术解构nIT技术技术的发展对数字化设计技术的发展对数字化设计技术影响影响 工程工程技术是多学科综合技术，有明显的时代性，数字化设计是技术是多学科综合技术，有明显的时代性，数字化设计是以计算机为载体以计算机为载体、以、以IT应用为表现形式的关于工程设计的应用为表现形式的关于工程设计的技术。技术。计算机技术的发展可以用计算机技术的发展可以用4I概括：概括：20世纪世纪50至至60年代：年代：交互（交互（interactive）交互式设计交互式设计20世纪世
13、纪60至至70年代：年代：智能（智能（intelligence）智能设计智能设计20世纪世纪70至至80年代：年代：集成（集成（integration）集成设计、计算机集成设计、计算机集成制造系统集成制造系统之后：之后：互联网（互联网（internet）基于互联网的协同设计基于互联网的协同设计 IT技术在经历了技术在经历了PC时代、时代、Windows时代、时代、Internet时代后，时代后，已步人嵌人式时代已步人嵌人式时代，甚至，甚至物联网时代物联网时代所谓软件无处不在，芯片无所谓软件无处不在，芯片无处不在，软、硬件高度集成的时代。处不在，软、硬件高度集成的时代。AutoDesk公司的公司
14、的AutoCAD的发展的发展历程：历程：20世纪世纪80年代初年代初：集成化：集成化、智能化、智能化设计需求驱动下，设计需求驱动下，AutoCAD较较早早嵌入曾经嵌入曾经被誉为人工智能语言的被誉为人工智能语言的LISP，形成宿主语言，形成宿主语言AutoLISP。：82.1 数字化设计技术解构数字化设计技术解构n人工智能与数字化设计人工智能与数字化设计 人工智能（人工智能（AI）是）是软件技术发展的理论基础，人工智能力图通软件技术发展的理论基础，人工智能力图通过符号计算，实现陈述式描述的人工过符号计算，实现陈述式描述的人工系统（包括系统（包括问题、约束、规则问题、约束、规则等）的自动演绎等）的
15、自动演绎、推理和求解、推理和求解。 人工智能系统技术人工智能系统技术特点：陈述式、自适应、自组织、自学习。特点：陈述式、自适应、自组织、自学习。对于人对于人 工生命，还应当包括自复制，比如病毒工生命，还应当包括自复制，比如病毒程序程序。 陈述陈述式（式（ declarative) 机制和过程式（机制和过程式（ procedural) 机制是机制是两类相对应的表达机制。两类相对应的表达机制。前者前者仅描述事实和规则，仅描述事实和规则， 元关计算机的执元关计算机的执行序列，强调基于客观事实的自动推理求解；行序列，强调基于客观事实的自动推理求解；后者后者则相反，依藏算则相反，依藏算法法 式的规程实现
16、问题的求解，其实质是计算机执行指令集式的规程实现问题的求解，其实质是计算机执行指令集。 陈述陈述式式的理论基础为一阶的理论基础为一阶 逻辑逻辑谓词谓词（ LISP 、Prolog ）和和约约束满足束满足问题问题（ VHDL -AMS 、Modelica ）。）。 20 世纪世纪 70 至至 80 年代，人工智能研究以通年代，人工智能研究以通 用问题求解器用问题求解器（ GPS,general problem solver ）为命题，开展了大量理论和）为命题，开展了大量理论和应用研究，应用研究， 许多领域专家系统（许多领域专家系统（ ES, expert system ）都是以逻）都是以逻辑谓词
17、语言为辑谓词语言为宿主语言宿主语言，其派生的技术其派生的技术成果成果得软件更加得软件更加智能化智能化。：92.1 数字化设计技术解构数字化设计技术解构n人工智能与数字化设计人工智能与数字化设计 过过程式程式表达语言在相当长的时期内占据了计算机程序语言的主表达语言在相当长的时期内占据了计算机程序语言的主导导地位地位。被认为更接近智能技术，因而陈述式表达和过程式表达成被认为更接近智能技术，因而陈述式表达和过程式表达成为考量一个系为考量一个系 统是否更灵巧的基本度量。统是否更灵巧的基本度量。 人工智能研究的观点人工智能研究的观点，设计问题本质上是一个约束满足问题，设计问题本质上是一个约束满足问题（
18、CSP, constraint satisfaction problem ），即给定功能、结），即给定功能、结构、材料及制造等方面的约束描述，构、材料及制造等方面的约束描述， 求设计对象的细节，引求设计对象的细节，引入入人工人工智能新技术是不断地提高数字化智能新技术是不断地提高数字化、设计的自动化、设计的自动化 与智能化水平的重与智能化水平的重要技术手段要技术手段。 CAD 原意为计算机辅助设计原意为计算机辅助设计（ computer aided-design ）， 由于由于 CAD 技术是以计算机辅技术是以计算机辅 助二维绘图、助二维绘图、三维造型工具在工业界三维造型工具在工业界得到普及的得
19、到普及的， CAD 软件的设计属性被淡化，而更多地被定义为计软件的设计属性被淡化，而更多地被定义为计算机辅助绘图算机辅助绘图 (computer aided drafting ）。：102.1 数字化设计技术解构数字化设计技术解构n产品产品集成集成协同开发的解构协同开发的解构（1）集成和协同）集成和协同1）虽然集成与协同经常伴生出现，但它们是不同的两个概念。集）虽然集成与协同经常伴生出现，但它们是不同的两个概念。集成是一种客成是一种客 观存在，与人元关。观存在，与人元关。2）集成集成是可分解的，如子系统、子模块、零部件等。是可分解的，如子系统、子模块、零部件等。 3）集成是工程领域的基本方法，
20、并非源于信息技术。）集成是工程领域的基本方法，并非源于信息技术。4）复杂复杂产品是由不同功能元（部）器件组合而成的，而产品是模产品是由不同功能元（部）器件组合而成的，而产品是模型集成。型集成。5）模型集成不等于信息集成，模型的内涵和表现形式均高于信息。）模型集成不等于信息集成，模型的内涵和表现形式均高于信息。 6）模型集成的科学依据是广义基尔霍夫第一、第二定理模型集成的科学依据是广义基尔霍夫第一、第二定理。7 ）协同有动态和静态两个属性。）协同有动态和静态两个属性。“协协”刻画其动态特性，即团队、刻画其动态特性，即团队、群体间的协群体间的协 作；作；“同同”描述其静态属性，描述其静态属性，“同
21、同”即是一种约定、协议或即是一种约定、协议或标准，如标准，如互联网互联网TCP/IP 协议协议，机械工程中的各类互换标准等。，机械工程中的各类互换标准等。：112.1 数字化设计技术解构数字化设计技术解构n产品产品集成集成协同开发的解构协同开发的解构（2）产品产品集成协同开发的组成与集成协同开发的组成与机理机理 北方北方交通大学查建中教授交通大学查建中教授提出的提出的 3V 设计空间描述设计空间描述方法方法1）产品开发的产品开发的三维空间三维空间 产品产品开发可用以设计对象、设计方法、设计进程构成的三维开发可用以设计对象、设计方法、设计进程构成的三维空间来表述，三个空间来表述，三个坐标轴坐标轴
22、均嵌入一个均嵌入一个子空间子空间域域，分别为对象域、，分别为对象域、方法域、进程方法域、进程域域。：12对象域对象域 由由对象知识、对象数学、对象知识、对象数学、对象几何构成，其活动的主体是工程领对象几何构成，其活动的主体是工程领域域 专家和技术专业人员，面向需求，专家和技术专业人员，面向需求，与工程与工程行业领域相关行业领域相关。方法方法域域 由由建模、分析、评价构成，建模、分析、评价构成，其活动的主体是基础学科的专家，其工其活动的主体是基础学科的专家，其工作的主要目标是为工程问题提供基础的、作的主要目标是为工程问题提供基础的、 共性的理论、方法和于段。共性的理论、方法和于段。2.1 数字化
23、设计技术解构数字化设计技术解构n产品产品集成集成协同开发的解构协同开发的解构13进程进程域域 由由进程环境、进程硬件、进程模式构进程环境、进程硬件、进程模式构成，其活动的主体是信息技术成，其活动的主体是信息技术 领域的专家。领域的专家。产品集成协同开发的七个方面产品集成协同开发的七个方面a）集成）集成对象域对象域 以领域专家为主，面向行业需求实现各专业知以领域专家为主，面向行业需求实现各专业知识的积累、共识的积累、共 享和重用，几何模型与知识模型的融合，知识模型的享和重用，几何模型与知识模型的融合，知识模型的数学映射数学映射。b）集成集成方法，工具方法，工具 以基础科学（如数学）专家为主，以以
24、基础科学（如数学）专家为主，以 IT 为手段，实现基础为手段，实现基础 理论工具化；面向工程应用，实现工具间数据集理论工具化；面向工程应用，实现工具间数据集成成。c）进程协同集成进程协同集成 以以系统动力学为基础，以系统动力学为基础，以 IT 技术为手段，面向技术为手段，面向企业及企业企业及企业 间，实现各类业务过程（进程）的有效协同与间，实现各类业务过程（进程）的有效协同与集成集成。d）集成知识，工具集成知识，工具 着重着重解决在通用工具平台中嵌入知识的问解决在通用工具平台中嵌入知识的问题，使工具更题，使工具更 加智能化，知识自动生成专业工具。加智能化，知识自动生成专业工具。e）集成工具，进
25、程集成工具，进程 基于基于数据库和工作流等技术，将工具及其数据库和工作流等技术，将工具及其数据集成应数据集成应 用，如用，如产品产品 数据管理数据管理技术技术等等。2.1 数字化设计技术解构数字化设计技术解构n产品产品集成集成协同开发的解构协同开发的解构 对象对象几何几何：对象几何以实体的几何表达：对象几何以实体的几何表达 NURBS 和和几何布尔运几何布尔运算为标志。算为标志。 对象对象数学数学：科学研究的模式大致为发现问题，弄清机理，：科学研究的模式大致为发现问题，弄清机理，通过建立一套通过建立一套简捷的简捷的符号符号形式形式数学描述，再现数学描述，再现机理机理。14f）集成知识，进程集成
26、知识，进程 如何在企业乃至企业间产品研发的过程中如何在企业乃至企业间产品研发的过程中有效地发现有效地发现 知识、共享知识、重用知识以及管理知识，是知识工程知识、共享知识、重用知识以及管理知识，是知识工程关键的使能技术，是理论探索的关键的使能技术，是理论探索的 重要课题。重要课题。g）集成集成知识，工具、进程知识，工具、进程 终极目标，物联网时代需要全面审终极目标，物联网时代需要全面审视研究域间的视研究域间的 协同协同集成集成。2 ）对象域）对象域 对象对象域直接与工程应用相关，是数字化设计技术体系的重要组域直接与工程应用相关，是数字化设计技术体系的重要组成部分。知识及知识处理（知识发现、知识表
27、达、知识共享、知识成部分。知识及知识处理（知识发现、知识表达、知识共享、知识重用等）是对象域的主要研究重用等）是对象域的主要研究内容内容。2.1 数字化设计技术解构数字化设计技术解构n产品产品集成集成协同开发的解构协同开发的解构目前目前在工程技术领域所涉及的数学形式大致如下在工程技术领域所涉及的数学形式大致如下。代数方程代数方程（AE,algebraic equation)如牛顿第二定理、机构如牛顿第二定理、机构运动学方程，以运动学方程，以 及在机械工程中大量的传统的计算公式等及在机械工程中大量的传统的计算公式等。微分方程微分方程（DE, differential equation)如牛顿第一
28、定理、质点如牛顿第一定理、质点系振动方程等系振动方程等。偏微分方程偏微分方程（PDE, partial differential equation)在实际在实际工程问题中，存在工程问题中，存在 大量与连续空间相关的各类物理场问题，如应大量与连续空间相关的各类物理场问题，如应力应变场、热扩散、流场力应变场、热扩散、流场、等、等，其其本本构均表现为偏微分方程形式。构均表现为偏微分方程形式。离散事件方程离散事件方程 复杂复杂机电装备产品是多学科功能器件的综合集机电装备产品是多学科功能器件的综合集成，既有连成，既有连 续变化的续变化的过程过程，复杂复杂 机电装备系统通常为连续离散机电装备系统通常为连续
29、离散混合的非线性混合的非线性动态系统动态系统。 152.1 数字化设计技术解构数字化设计技术解构n产品产品集成集成协同开发的解构协同开发的解构3）对象知识对象知识 对象知识解对象知识解构构为为（数据数据（ data ），文档，文档（ document ），模），模型（型（ model） ）。 无论无论是科学研究还是工程技术的实现，都是从定性到定量的过是科学研究还是工程技术的实现，都是从定性到定量的过程。数据是程。数据是定量的基本单位定量的基本单位，大规模数据的存储管理的大规模数据的存储管理的研究研究数数据库技术据库技术。 文档文档是人类记录知识、传承知识、学习知识的主要于段，如是人类记录知识、
30、传承知识、学习知识的主要于段，如书籍书籍。文档文档的处理在数字化设计体系的处理在数字化设计体系是产品数据管理技术的基本是产品数据管理技术的基本 管理管理功能功能。 模型模型是一类表现形式是一类表现形式 更加结构化的知识，特指产品的功能与更加结构化的知识，特指产品的功能与行为描述，工程上通常以定理，规则，图表描行为描述，工程上通常以定理，规则，图表描 述产品的功能述产品的功能与与行为行为。对于一些复杂的功能部件如内燃机，很难用定理、规则直对于一些复杂的功能部件如内燃机，很难用定理、规则直接描述，通常通过接描述，通常通过 实验实验获取获取。 162.1 数字化设计技术解构数字化设计技术解构n产品产
31、品集成集成协同开发的解构协同开发的解构 17 模型模型集成是通过连接（集成是通过连接（ connectors ）实现的，连接是一实现的，连接是一种特殊的模型种特殊的模型，接，接口口是人是人为的，用于程序、模块之间的信息（如数据、为的，用于程序、模块之间的信息（如数据、参数等参数等），仅在逻辑上仅在逻辑上存在存在。连接是一种连接是一种 物物理理存在存在。可以理解为机电系统内可以理解为机电系统内能量能量传递的传递的端口。端口。 模型模型集成（连接）的科学依据是基尔霍夫第一、第二定理，集成（连接）的科学依据是基尔霍夫第一、第二定理，即系统节点的势函数相即系统节点的势函数相 等；流经节点的流函数之和等
32、于零。等；流经节点的流函数之和等于零。2.2 几何几何建模技术的现状与发展建模技术的现状与发展n技术现状技术现状 18 计计算机辅助设计算机辅助设计技术大致经历了几何建模、实体建模和参技术大致经历了几何建模、实体建模和参数化特征建模等技术数化特征建模等技术 阶段，形成了特有的技术：几何引擎阶段，形成了特有的技术：几何引擎（ ACIS, parasolid ）、几何约束引擎）、几何约束引擎 CD cubed ）、显示引）、显示引擎（擎（hoops ）、特征编码技术）、特征编码技术等等。计算机辅助设计技术计算机辅助设计技术不足不足：1）强于几何设计，弱于功能设计，无论二维）强于几何设计，弱于功能设
33、计，无论二维 CAD 软件和三维软件和三维 CAD 软件均属软件均属绘图绘图工具，还不能为产品功能设计提供更多的辅工具，还不能为产品功能设计提供更多的辅助于段。助于段。2 ）强于信息集成，弱于模型集成，除提供几何模型外，在产品）强于信息集成，弱于模型集成，除提供几何模型外，在产品功能建模和性能功能建模和性能 优化方面缺乏辅助能力优化方面缺乏辅助能力。 二二维平台的主要产品维平台的主要产品AutoCAD 、Microstation 等，三维等，三维平台的主要平台的主要产品有产品有 Catia 、Pro/E 、UG 、SolidWorks 、SolidEdge 、Inventor。2.2 几何几何
34、建模技术的现状与发展建模技术的现状与发展n技术现状技术现状 19三维参数化造型问题：三维参数化造型问题：1）束缚于参数化过程，工程师主要精力耗于过程式参数化技术造型）束缚于参数化过程，工程师主要精力耗于过程式参数化技术造型中。中。2 ）模型的修改必须符合参数造型规则，模型重构的灵活性受到限制，）模型的修改必须符合参数造型规则，模型重构的灵活性受到限制，全参数化全参数化 复杂模型的构建很复杂，难度大，参数修改模型重构经常复杂模型的构建很复杂，难度大，参数修改模型重构经常失败。失败。3）由于必须记录造型的过程，导致模型文件庞杂，对于相同的零件，）由于必须记录造型的过程，导致模型文件庞杂，对于相同的
35、零件，工程师以工程师以 不同造型方式产生的模型差异很大。不同造型方式产生的模型差异很大。4）三维平台的造型历史过程记录被厂家视为核心机密，元法公开，）三维平台的造型历史过程记录被厂家视为核心机密，元法公开，导致模型的导致模型的 跨平台协同设计非常跨平台协同设计非常困难困难。2.2 几何几何建模技术的现状与发展建模技术的现状与发展n与过程无关的计算机辅助设计技术与过程无关的计算机辅助设计技术 20 2008 年年 UGS. SolidEdge v18推出同步建模技术推出同步建模技术，实现，实现了了VGX（variational geometry extended）的技术目标的技术目标。德国德国C
36、oCreate 公司也于公司也于 20 世纪初推出了与世纪初推出了与过程过程无关无关的的造型系统造型系统 OneSpace。2000 年年 SolidWorks 公司开发出公司开发出 Spaceclaim。未来计算机辅助设计技术及其应用的发展趋势未来计算机辅助设计技术及其应用的发展趋势：1）轻轻量化、灵巧化量化、灵巧化轻轻量化量化 结构结构简单，模型轻便，设计计算量至少为现有技术的简单，模型轻便，设计计算量至少为现有技术的1/20 ，便于网络传输和协同，便于网络传输和协同 工作。工作。灵巧灵巧化化 秉承秉承 Windows理念，几乎不用专门培训理念，几乎不用专门培训。2）模型可重用，跨平台模型
37、可重用，跨平台 大大大大弱化了模型与平台的相关性。此类弱化了模型与平台的相关性。此类 CAD 软件可以从其软件可以从其他平台他平台“拷贝拷贝”、“粘贴粘贴”三维特征，用于再设计三维特征，用于再设计。3）向下游拓展向下游拓展延伸延伸 解除解除了参数化与特征的依藏关系，同时了参数化与特征的依藏关系，同时 也解除了特征与过程也解除了特征与过程的关系的关系，计算机辅助设计非计算机辅助设计非 过程化（陈述性）的技术发展，为三过程化（陈述性）的技术发展，为三维维 CAD 软件向产品研发的下游拓展延伸提供了软件向产品研发的下游拓展延伸提供了 技术技术可能可能。2.3 功能功能建模与分析技术建模与分析技术21
38、 建模建模分析与仿真软件通常称为计算机辅助工程（分析与仿真软件通常称为计算机辅助工程（ CAE, computer aided engineering ）软件软件。n正向设计的一般流程与建模分析技术正向设计的一般流程与建模分析技术 2.3 功能功能建模与分析技术建模与分析技术22n正向设计的一般流程与建模分析技术正向设计的一般流程与建模分析技术 （1）计算机辅助工程计算机辅助工程技术应用现状技术应用现状分析分析 正向正向设计分析流程可大致分为设计分析流程可大致分为设计阶段设计阶段与与分析验证阶段分析验证阶段。与。与之相对应，之相对应，CAE 软件可分为两大类：面向设计阶段的软件可分为两大类：面
39、向设计阶段的 CAE 软件，软件，如如 Carsim 、Romax 、ve-DYNA 等；面向分析验证阶段的等；面向分析验证阶段的 CAE 软件，如软件，如 Adams 、有限元软件等、有限元软件等。1）应用比较）应用比较 面向面向设计阶段设计阶段CAE 软件以目标性能为输入，输出下一级子系软件以目标性能为输入，输出下一级子系统的目标性能或部件的设计参数的初步设计值统的目标性能或部件的设计参数的初步设计值，分析软件使用者分析软件使用者是设计工程师，其职责为把握产品开发的大方向，并为各种设计是设计工程师，其职责为把握产品开发的大方向，并为各种设计参数提供初步设计值。参数提供初步设计值。 以以正向
40、开发为主的产品，面向设计阶段正向开发为主的产品，面向设计阶段 的的 CAE 软件的重要软件的重要性比面向分析验证阶段的性比面向分析验证阶段的 CAE 软件更为软件更为重要重要。 面向面向分析验证阶段分析验证阶段的的 CAE 软件以系统或部件的详细设计参软件以系统或部件的详细设计参数初步设计值为输数初步设计值为输 入，输出系统或部件的仿真性能，通过优化调入，输出系统或部件的仿真性能，通过优化调整设计初值整设计初值。 CAE 软件使用者是分析工程师。模型参数来源于软件使用者是分析工程师。模型参数来源于试验，试验， 因此验证分析工作需要试验工程师的因此验证分析工作需要试验工程师的配合配合。2.3 功
41、能功能建模与分析技术建模与分析技术23n正向设计的一般流程与建模分析技术正向设计的一般流程与建模分析技术 对于对于以逆向开发为主的产品，面向分析以逆向开发为主的产品，面向分析 验证阶段的验证阶段的 CAE 软软件比面向设计阶段的件比面向设计阶段的 CAE 软件重要，原因是在逆向设计中，各软件重要，原因是在逆向设计中，各 种设计参数的初步设计值可以直接通过测绘目标样机得到，而后种设计参数的初步设计值可以直接通过测绘目标样机得到，而后期的局部调整才是期的局部调整才是 设计的重点所在设计的重点所在。2）技术路线比较技术路线比较 面向面向设计阶段设计阶段的的CAE软件用于依据行业设软件用于依据行业设
42、计理论和经验，对计理论和经验，对特定产品本构作合理的简化抽象，注重把握宏观特性，在操作流特定产品本构作合理的简化抽象，注重把握宏观特性，在操作流程程 上从宏观到微观、从抽象到具体。上从宏观到微观、从抽象到具体。 面向面向分析验证阶段分析验证阶段的的CAE软件与行业背景知识没有直接关系，软件与行业背景知识没有直接关系，其理论来源于计算科学，其通常是相关基础科学的软件实现，具其理论来源于计算科学，其通常是相关基础科学的软件实现，具有良好的通用性有良好的通用性。3）按数学特征分类）按数学特征分类主机主机设计设计类类 该该类软件用于将一个抽象的设计概念逐步具体化类软件用于将一个抽象的设计概念逐步具体化
43、为产品的具为产品的具 体拓扑构成，并在每一阶段提出较明确的量化指标对体拓扑构成，并在每一阶段提出较明确的量化指标对设计过程进行约束。其模型由设计过程进行约束。其模型由 数量有限的解析或半解析的（图表数量有限的解析或半解析的（图表曲线插值）表达式构成。曲线插值）表达式构成。2.3 功能功能建模与分析技术建模与分析技术24n正向设计的一般流程与建模分析技术正向设计的一般流程与建模分析技术 专用专用类类 用于用于在给定目标性能的情况下，确定子系统或部件的在给定目标性能的情况下，确定子系统或部件的设设 计参数的初步设计值，或用于硬件在环仿真确定控制策略。其计参数的初步设计值，或用于硬件在环仿真确定控制
44、策略。其模型一般由解析的或模型一般由解析的或 半解析的表达式构成，但在必要情况下也可半解析的表达式构成，但在必要情况下也可由数值模型构成由数值模型构成。法规校核类法规校核类 用于用于通过优选某些设计参数使产品设计指标满足行通过优选某些设计参数使产品设计指标满足行 业法规，模型通常由较简单的解析或半解析表达式构成业法规，模型通常由较简单的解析或半解析表达式构成。 面向面向分析验证阶段的分析验证阶段的 CAE 软件可分为软件可分为：集中参数类集中参数类 模型模型的数学形式多为微分方程或微分代数方程组的数学形式多为微分方程或微分代数方程组，多多 用于多功能组件集成系统的动态分析。用于多功能组件集成系
45、统的动态分析。分布参数类分布参数类 工程工程中存在大量的场中存在大量的场问题问题，其其模型本构为偏微分方模型本构为偏微分方程，在计算固体力学、计算流体力学等数值计算科学中通常用程，在计算固体力学、计算流体力学等数值计算科学中通常用 有有限元或差分法将其离散为代数方程求解，分布参数类限元或差分法将其离散为代数方程求解，分布参数类 CAE 软件软件即多用于此类计即多用于此类计 算中。算中。2.3 功能功能建模与分析技术建模与分析技术25n正向设计的一般流程与建模分析技术正向设计的一般流程与建模分析技术 4）应用普及程度比较应用普及程度比较 面向面向设计阶段的分析软件设计阶段的分析软件没有没有面向分
46、析验证阶段的软件成熟、面向分析验证阶段的软件成熟、普及程度大普及程度大，因为：因为： 合理合理构造某类产品的抽象模型存在一定的难度。许多行业的构造某类产品的抽象模型存在一定的难度。许多行业的抽象模型尚不抽象模型尚不 成熟，如何构造一系列的数学模型，使一个抽象的成熟，如何构造一系列的数学模型，使一个抽象的设计概念能逐步具体化为产品的具设计概念能逐步具体化为产品的具 体拓扑构成，并在每一阶段都体拓扑构成，并在每一阶段都能提出较明确的量化指标对模型进行约束，有待深入研能提出较明确的量化指标对模型进行约束，有待深入研 究究。 两类软件的研发人员不同。两类软件的研发人员不同。研发面向设计阶段研发面向设计
47、阶段的的 CAE 软件的软件的人员既要有人员既要有 扎实的理论基础，又要对行业自身的设计理论有深刻扎实的理论基础，又要对行业自身的设计理论有深刻理解，其通常为行业内的基础研理解，其通常为行业内的基础研 究人员究人员。此类分析工具被视为此类分析工具被视为企企业核心竞争力，非业核心竞争力，非特殊情况特殊情况不做技术转让，对一些所谓的敏感技不做技术转让，对一些所谓的敏感技术甚至禁止转让术甚至禁止转让，尤其对中国，尤其对中国。目前提供设计分析技术的供应商目前提供设计分析技术的供应商都有很强的工业背景都有很强的工业背景 面向面向分析验证阶段分析验证阶段的的 CAE 软件通常是相关计算科学的软件软件通常是
48、相关计算科学的软件化，其研发人员由化，其研发人员由 专业的计算科学研究人员担任，软件通用性强，专业的计算科学研究人员担任，软件通用性强，针对的针对的市场面宽，多由软件公司开发，市场面宽，多由软件公司开发， 因此得到普及因此得到普及。2.3 功能功能建模与分析技术建模与分析技术26n正向设计的一般流程与建模分析技术正向设计的一般流程与建模分析技术 （2） 我国建模分析技术应用我国建模分析技术应用现状现状 我国我国工业长期以工业长期以“仿制仿制”为主，实质上是一种逆向设计，这导为主，实质上是一种逆向设计，这导致国内各行业将设计理论具体化为可操作的正向设计流程的能力致国内各行业将设计理论具体化为可操
49、作的正向设计流程的能力较弱，国内面向较弱，国内面向设计阶段设计阶段的的 CAE 软件开发很少、软件软件开发很少、软件成熟度成熟度低，低，可持续发展能力可持续发展能力弱弱。 由于由于我国企业长期以逆向设计为主，因此首先被引进国内的我国企业长期以逆向设计为主，因此首先被引进国内的是面向分析验证阶段的是面向分析验证阶段的 CAE 软件软件。 面向面向分析验证分析验证 阶段的阶段的 CAE 软件的应用比对面向设计阶段的软件的应用比对面向设计阶段的 CAE 软件的应用要广泛和成熟，因此软件的应用要广泛和成熟，因此 导致一种倾向：试图以导致一种倾向：试图以“面面向分析验证阶段的向分析验证阶段的 CAE 软
50、件优化设计软件优化设计”的方式代替面的方式代替面 向设计阶向设计阶段的段的 CAE 软件软件，达到，达到实现正向设计的实现正向设计的目的目的，这可能是一种，这可能是一种误区：误区：1）由于模型直接以产品的终端功能元件构成，使得产品的本质规由于模型直接以产品的终端功能元件构成，使得产品的本质规律被淹没在律被淹没在 繁复的外在细节规律中，不利于理解产品设计的实质。繁复的外在细节规律中，不利于理解产品设计的实质。从目前的工程实践来看，通过优化的方法所取得的效果十分有限。从目前的工程实践来看，通过优化的方法所取得的效果十分有限。2.3 功能功能建模与分析技术建模与分析技术27n正向设计的一般流程与建模