数字化设计核心技术.docx

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数字化设计核心技术

数字化设计技术读书报告

专业机械工程及自动化

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完毕时间1月7日

摘要：

数字化技术应用和发展，增进了老式制造业改革和发展．随着制造业信息化进程加快，制造业智力投入和服务意识将日益增强。

在产品设计与开发中，数字化设计技术对其影响很大，随着计算机技术不断发展，产品设计与开发技术越来越先进，对当前制造技术具备很重要意义。

本次数字化设计技术阅读报告，就是要咱们理解数字化设计技术与产品开发、产品设计之间密切关系，以及认知数字化设计技术在现实生活中意义。

核心词：

数字化设计技术；产品设计；产品开发；意义；

1.前言

1.1数字化设计技术概念

随着信息技术和通信技术发展，数字化时代正在到来．数字化技术是指运用计算机软硬件及网络、通信技术，对描述对象进行数字定义、建模、存贮、解决、传递、分析、综合优化，从而达到精准描述和科学决策过程和办法．数字化技术具备描述精度高、可编程、传递迅速、便于存贮、转换和集成等特点，因而数字化技术为各个领域科技进步和创新提供了崭新工具。

数字化技术与老式制造技术结合称为数字化制造技术。

30年来数字化制造应用范畴不断扩大，数字化制造技术已逐渐成为制造业信息化中主流技术和核心技术．由于数字化技术是科学分析和科学决策理论基本，提供了从定性到定量、从模糊到精准、从直觉到科学工具，因而数字化技术推动了制造科学发展和进步。

当前制造业几种重要发展方向，如精密化、自动化、集成化、虚拟化、网络化、全球化，无一不与数字化技术发展密切有关．因而，面对制造业全球化竞争日益激烈，必要注重数字化制造技术在国内形成和发展。

1.2数字化设计技术特点

20世纪有许多重大高新技术应用，但没有一项技术影响像信息技术和数字化技术那样深，那样广。

由于数字化技术可控性、可变性、离散性、可视性、集成性，产生了诸多新当代设计办法、工艺技术和管理模式。

1.2.1虚拟产品开发技术

虚拟产品开发是建立在运用计算机和网络技术完毕产品开发过程构思设计新概念。

它以计算机仿真和产品生命周期建模为基本，集计算机图形学、人工智能、并行工程、网络技术、多媒体技术和虚拟现实技术等为一体，在虚拟环境下，对产品进行构思、设计、制造、测量和分析。

虚拟产品开创造显特点之一是运用存储在计算机内部数字化样机即虚拟产品来代替实物样机进行仿真、分析，从而提高产品在时间、质量、成本、服务和环境等多目的中决策水平，达到全局优化和一次性开发成功目。

为此，虚拟产品开发环境规定提供全面产品数据定义、各种仿真工具、可视化人机交互操作工具及分布式协同工作条件和运营机制。

虚拟产品开发技术通过采用虚拟现实和增扩现实技术为产品开发人员提供了高度可视化和高度柔性化人机交互接口，将人类观测、思维、想像和操作能力有机地集成在一起，从而为人类提供了更和谐辽阔创造性空间。

1.2.2异地协同制造技术

数字化技术是信息共享和集成重要基本，特别是网络技术迅速发展和广泛应用，生产公司已突破老式地区对产品设计制造方式约束，在网络环境支持下，实现公司间协同和各种社会资源共享和集成。

公司间协同涉及产品设计和制造协同、供应链协同和商务协同；社会资源涉及制造资源、智力资源和环境资源。

公司可以面向全球开展业务，在全球范畴内寻找零部件供应商，选取进行产品创新开发制造合伙伙伴，开展生产销售，提高公司产品创新能力和制造能力，实现产品设计制造高速度和低成本。

2.数字化技术与产品开发关系

数字化技术变化了老式产品开发理论、办法和工具，随着信息技术飞速发展和产品开发集成限度不断增长，数字化产品开发所包括工作内容和在公司中所产生作用也日益增长。

数字化产品开发重要特点是实现面向产品生命周期设计，即在产品开发阶段，关于产品性能、形状、尺寸大小以及零件材料、数量、构造工艺性、装配工艺性等都要拟定。

数字化技术与产品开发关系跟老式技术与产品关系相比，有如下几种特点：

（1）单目的规划向多目的规划转变

老式产品开发规划是一种仅考虑产品性能规定规划。

数字化产品开发规划不但要考虑产品性能规定，并且更注重顾客个性化需求和考虑产品全生命周期内各阶段规定及可持续发展方略，特别是对材料、能源和环境方面规定越来越严格，而这些规定又往往是互相矛盾。

因而，产品规划时必要遵循多目的动态规划、综合优化和系统论、协调论办法进行。

（2）串行设计向并行设计转变

老式产品设计过程是一种串行设计过程。

为了最大限度地缩短产品开发时间，除采用信息自动传递和信息共享技术外，将产品开发过程重组，实现并行设计是数字化产品开创造显特性之一。

并行设计是集成、并行地设计产品及其有关过程办法。

因而并行设计必要实现产品设计和过程设计集成。

（3）生产准备向过程设计转变

老式产品开发中，将生产准备阶段任务仅简朴地理解为工艺筹划和刀、夹、量具准备。

数字化产品开发中生产准备应扩展为过程设计，不但涉及加工工艺过程设计，还应涉及装配、使用、维修、拆卸等阶段过程设计。

（4）实物样机向虚拟样机转变

老式产品开发办法是一种基于经验加测试办法。

随着计算机仿真技术和虚拟现实技术发展，运用存储在计算机内部三维数字化模型，可以边设计、边测试、边修改。

不但可通过电子预装配技术检查零部件干涉和碰撞现象，还可以对产品制造过程、产品使用特性、产品外形、产品动态特性等进行仿真、测试，以保证产品开发一次成功率。

（5）严格分工向自主管理项目小组转变

老式产品开发组织机构是一种按功能部门严格分工负责线性构造，为迅速响应市场变化，创造一种人人参加、协同工作环境，将固定组织形式向动态、自主管理团队和项目小组管理模式转变。

从以上几种方面可以很清晰明白数字化技术与产品开发关系。

数字化技术能给产品开发带来快捷、使用、提高产品开发效率、成本。

3.数字化技术在产品设计中应用

3.1数字化建模技术

数字化建模技术是产品设计中核心技术，它涉及产品建模和过程建模。

（1）产品建模

产品建模技术研究如何在计算机内部描述和表达处在产品开发生命周期内各阶段产品，涉及产品需求信息、项目信息、产品文档信息、产品几何信息、虚拟样机信息等，它是实现数字化设计和信息集成基本。

在产品数字化建模中，基于特性和参数化混合建模技术是一种新一代建模技术。

由于特性建模技术在设计时考虑制造、装配等问题，从设计办法学角度看，它体现了并行性和集成性。

（2）过程建模

过程（Process）是一种或各种输入产生有价值输出活动合。

产品开发过程模型普通由产品开发活动、实现活动所需资源、每个活动所需输入、输出及各活动间控制顺序关系构成，因此过程模型实质上是对活动以及与活动有关信息流、物流描述。

由于产品开发过程复杂性，很难用一种模型进行描述，往往采用多视图和复合过程模型描述．所谓多视图，即从产品信息、开发活动、公司资源和组织构造等多方面进行描述，通过集成化办法产生模型间映射机制．复合过程模型描述涉及过程、产品数据及资源数据复合，也涉及复合各种模型特点，如功能模型中构造分析、动态模型中状态转移及对象模型中封装、继承等特点。

当前，过程建模描述办法有基于语言描述办法（Express语言）、基于图形描述办法（IDEF3、E-R）、基于规则描述办法和基于Petri网描述办法。

过程建模表达是过程执行活动，这些活动或者按顺序依次执行，或者并发执行，这取决于过程管理机制。

3.2数字化仿真与虚拟现实技术

数学计算和仿真分析是数字化产品开发核心技术之一，也是验证产品设计方案或预测产品性能、产品可制造性、可装配性、可使用性、减少产品开发中错误重要手段和工具．随着开发过程集成度规定不断增长，以及多媒体技术和仿真技术发展，己提供了各种仿真工具和虚拟现实工具，不但可对产品性能、可制造性、可维护性、可使用牲、成本和外观等进行预测和评估，并且运用虚拟现实交互性、沉浸性和想像牲可实现产品开发环境高度真实感，使人可直接对虚拟原型进行实时交互操作，产生身临其境感觉。

3.3多学科综合优化技术

多学科综合优化技术是数字化技术在产品设计过程中一种重要应用。

随着高新技术发展，产品构造越来越复杂，在概念设计、详细设计乃至生产准备阶段，面临着多参数、多条件、多领域问题拟定和匹配，只有通过综合优化技术，才干获得整体性能最优．产品性能综合优化过程是一种系统工程，涉及由产品方案拟定、修改、变化等带来产品模型重复修改、计算办法重新配备、计算流程不断更改、设计变量迭代求解以及相应数据管理和记录等一系列问题，这一切构成了多学科综合优化设计过程基本内容。

为实现产品开发过程集成与设计优化，需要将多学科设计优化算法以及CAD、CAE、CAPP、CAAPP和专业仿真分析软件与产品生命周期管理（PLM）、产品数据管理（PDM）、协同产品开发技术等相结合，构成多学科优化设计环境，通过对多目的科学分析与数值计算，获得系统总体优化解，以保证产品开发质量和效率。

3.4数字化设计在产品设计中应用状况及发展趋势

机械产品门类广种类多市场需求潜力巨大。

当前国内机械领域数字化限度在详细行业中存在较大差距。

如农机公司普遍采用老式设计办法在应用当代设计办法上远远落后于航天、汽车等其她行业农机公司之间重复型设计多公司信息资源运用率低。

同步在同一行业不同公司中产品数字化也有一定限度差别。

虽然有些公司具备普通制造业运用CAD技术能力且已达到一定水平但由于技术储备、装备水平以及新产品研发能力等方面相对落后三维CAD软件在机械制造公司中应用还不够普遍。

尽管有些领先公司已经探讨“数字样机”、“并行工程”、“虚拟仿真”等前沿课题但总体来说离大规模推广应用尚有很大距离。

再次机械产品整体技术水平、质量、生产规模、公司素质与发达国家相比差距也很大特别是新产品品种不多发展滞后可靠性、使用寿命满足不了顾客规定。

近年来将数字化设计技术应用于产品研究与开发实例正不断增多。

此后数字化设计技术在产品设计开发行业中发展趋势，应注重如下几点：

（1）注重虚拟现实技术应用。

虚拟现实技术是综合运用计算机图形系统、各种显示和控制等接口设备在计算机上生成可交互三维环境沉浸感觉技术。

采用虚拟现实技术，不但可以在机构运动上加以仿真，还可以通过有限元分析，优化设计办法对机构动力学加以分析、仿真，对各构件参数进行优化。

（2）强调产品协同设计。

良好协同设计环境，可以尽早地发现并解决产品方案和构造设计。

乃至制造和装备中存在问题还可以大幅度缩短机械产品开发周期，减少成本。

提高设计与制造质量。

（3）突出产品创新设计。

产品创新设计涉及到数据开采、知识发现及其重用技术、知识表达与组织、知识数据库开发、基于知识决策技术等。

国内机械设计制造公司创新能力与国际先进水平有很大差距因而对产品创新设计需求十分迫切。

4.有限元分析技术在产品开发中应用

随着市场竞争日益激烈，随着经济、社会和环境效益规定提高，今天产品设计已离不开有限元分析技术支持。

当前，有限元分析在产品开发设计中应用重要有如下几种方面：

（1）静力学分析

静力学分析是对二维或者三维机械构造承载后应力、应变和变形分析，是有限元在产品开发中最基本、最惯用分析类型。

当作用在产品构造上载荷不随时间变化或者随时间变化十分缓慢，应进行静力学分析。

（2）模态分析

模态分析是动力学分析一种，用于研究产品构造固有频率和自振模式等振动特性。

进行这种分析时所施加载荷只能是位移载荷和应力载荷。

（3）谐响应分析和瞬态动力学分析

这两类分析属动力学分析，用于研究构造对周期载荷和非周期载荷动态响应。

（4）热应力分析

此类分析用于研究产品构造工作温度不等于安装温度，或工作时构造内部存在温度分布时，构造内部温度应力。

（5）接触分析

这是一种状态非线性分析，用于分析两个构造物体发生接触时接触面状态、法向力等。

由于产品构造中构造与构造间力传递均是通过接触来实现，因此有限元法在产品构造中应用诸多是接触分析。

但是，此前受计算能力制约，接触分析应用得较少。

（6）屈曲分析

这是一种几何非线性分析，由于拟定构造开始变得不稳地时临界载荷和屈曲模态形状，例如压杆稳定性问题。

有限元分析法等CAE技术发展与应用，为产品技术人员带来了全新设计办法，不断更新产品设计人员设计理念，为其可以迅速及时开发出适应市场需求产品带来了极大以便。

随着生产和科技不断发展，市场竞争更加激烈，产品技术人员还需要更好、更适应时代规定CAE技术。

5.结合实际浅谈数字化设计技术意义

在全球经济一体化建设进程不断加剧与都市化建设规模持续扩大推动作用之下，制造行业在整个国民经济建设发展中所占据地位日益核心。

信息化、产业化以及科技化已成为整个当代制造行业建设发展必然方向与趋势，数字化设计系统在这一过程当中所起到重要作用不可忽视。

数字化设计技术详细有如下意义：

1.数字化设计技术是整个产品数字化设计流程前提

它以设计流程预期目的完毕为基本目，以动态且有序行为序列设计为基本手段，对各项设计行为开展起到一定限度规范及承办作用。

2.数字化设计技术是整个产品设计流程基本

在设计内容开展及完毕过程当中，参加对象所必要做出判断、必要相应对策以及必要采用设计行为都归属于设计行为片段范畴当中。

一种独立设计行为链可以同步包括各种设计行为片段，各个设计行为片段所完毕拟定设计内容有所不同，同步为详细性设计成果获取服务。

6.小结

在信息化飞速发展时代，产品开发、产品设计等行业也迅速发展，数字化设计技术正是体现了网络化、数字化、信息化综合运用。

与老式设计技术相比，数字化设计技术在产品开发公司管理中占据着主导作用，是公司创新基石。

通过学习数字化设计技术这门课程，对数字化设计技术概念有了新认知，虽然学习这门学时间不是很长，或许诸多东西自己还没有掌握，通过学习，对数字化设计技术这门课理解了一小某些，通过本次阅读报告，对数字化设计技术、产品开发和设计有了更深一步理解。

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