淺析計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)

張學(xué)禮

【摘 要】隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技水平的不斷提高，計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)得到飛速發(fā)展，為機(jī)械設(shè)計(jì)和過(guò)程裝備制造的工程設(shè)計(jì)提供了非常重要和強(qiáng)大的保障。文章主要闡述了計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)的概述，分析了計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的優(yōu)點(diǎn)，并探討其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】輔助機(jī)械設(shè)計(jì);AutoCAD;Pro/E;應(yīng)用

【中圖分類號(hào)】TP3;TH1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2020）08-0058-02

1 計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)的含義和功能

計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)（Computer Aided Machine Design）是指計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，簡(jiǎn)稱CAD）技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以計(jì)算機(jī)作為工具，將人的創(chuàng)造性思維與計(jì)算機(jī)的高速數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能相結(jié)合，完成對(duì)產(chǎn)品或工程的設(shè)計(jì)、繪圖、工程分析和文檔制作等，并達(dá)到提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本目的的設(shè)計(jì)方法，屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械軟件不僅有機(jī)械設(shè)計(jì)，還包括輔助工程CAE（Computer Aided Engineering）和機(jī)械輔助制造CAM（Computer Aided Manufacturing）。

計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)的任務(wù)是開(kāi)發(fā)集設(shè)計(jì)計(jì)算、資料處理、數(shù)據(jù)管理及自動(dòng)繪圖等多項(xiàng)功能于一體的應(yīng)用軟件，其主要功能包括以下幾點(diǎn)。

（1）機(jī)械的初步設(shè)計(jì)。機(jī)械的初步設(shè)計(jì)過(guò)程主要體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)。

在機(jī)械設(shè)計(jì)中，機(jī)械零件會(huì)失效。此時(shí)就有機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則，如強(qiáng)度準(zhǔn)則、剛度準(zhǔn)則、耐磨性準(zhǔn)則和可靠性準(zhǔn)則等，都涉及大量的數(shù)值計(jì)算。對(duì)于這些常規(guī)性、重復(fù)性的設(shè)計(jì)計(jì)算工作，由計(jì)算機(jī)輔助來(lái)完成，可使設(shè)計(jì)人員從大量的重復(fù)性工作中解脫出來(lái)。

在機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員通過(guò)給定的設(shè)計(jì)條件和功能，從不同的數(shù)值選擇機(jī)械零件。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可以直接對(duì)機(jī)械零件各種參數(shù)進(jìn)行變更，以滿足機(jī)械零件的設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)者可將具體的機(jī)械問(wèn)題模型化，建立和優(yōu)化數(shù)學(xué)模型后保存，也可在今后遇到相同問(wèn)題時(shí)調(diào)出模型，便可直接得出結(jié)果。

在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要引用和查詢大量的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)或模塊（如標(biāo)準(zhǔn)的螺釘螺母）。數(shù)據(jù)庫(kù)管理可以實(shí)現(xiàn)這一功能，將這些標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)，在需要使用時(shí)可直接調(diào)用。在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用檢索功能，能讓設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)便與省時(shí)。

（2）對(duì)機(jī)械的性能分析和模擬仿真。這一過(guò)程主要體現(xiàn)在計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械工程CAE。

機(jī)械設(shè)計(jì)要求實(shí)用性，且生產(chǎn)出來(lái)后能提高生產(chǎn)效率，那么機(jī)械設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)仿真，需要機(jī)械設(shè)計(jì)者在結(jié)構(gòu)或零部件設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行模擬，其間涉及大量的運(yùn)動(dòng)計(jì)算與運(yùn)動(dòng)過(guò)程。利用計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械工程CAE，便可以使設(shè)計(jì)者清楚地了解到機(jī)械運(yùn)動(dòng)的各個(gè)瞬間，包括姿態(tài)、軌跡、受力情況等。

說(shuō)到CAE，不得不說(shuō)有限元分析。利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。簡(jiǎn)單地說(shuō)，它是通過(guò)將整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)劃分成有限元網(wǎng)格，通過(guò)數(shù)值計(jì)算可以精確地分析機(jī)械結(jié)構(gòu)中任意點(diǎn)的應(yīng)力和位移等數(shù)值，被廣泛應(yīng)用在機(jī)械與結(jié)構(gòu)分析、熱力學(xué)分析、電磁學(xué)分析和耦合場(chǎng)分析等。

機(jī)械結(jié)構(gòu)是否合理，可以利用計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械工程進(jìn)行可靠性分析。外觀設(shè)計(jì)的真實(shí)感，通常由三維軟件造型來(lái)完成，可以直觀地獲得產(chǎn)品的最終視覺(jué)效果，也可以利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的外觀進(jìn)行氣體動(dòng)力學(xué)、液體動(dòng)力學(xué)等分析。這些過(guò)程體現(xiàn)了CAD與CAE和設(shè)計(jì)者之間的交互。

（3）計(jì)算機(jī)輔助軟件的自動(dòng)繪圖。這一過(guò)程主要體現(xiàn)在機(jī)械輔助制造CAM。

機(jī)械的產(chǎn)品（結(jié)構(gòu)）設(shè)計(jì)出來(lái)后，主要是用于生產(chǎn)制造。計(jì)算機(jī)輔助繪圖利用交互型CAD系統(tǒng)將零部件從三維軟件中制作出二維的工程圖，并添加尺寸標(biāo)注、名稱、工藝、材料、編號(hào)等，供生產(chǎn)制造部門按圖紙加工、焊接并裝配。

圖樣的生成由三維軟件自動(dòng)生成，這一過(guò)程也體現(xiàn)了CAD、CAM與設(shè)計(jì)者之間的交互。計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)不體現(xiàn)了CAD、CAE與CAM的相互應(yīng)用和計(jì)算機(jī)的智能，極大地便利設(shè)計(jì)者的工作。

2 計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

自計(jì)算機(jī)被應(yīng)用到機(jī)械工業(yè)后，計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)就貫穿于整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)。其具有以下主要特點(diǎn)：①利用計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，完全根據(jù)設(shè)計(jì)者的思維來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。②設(shè)計(jì)者直接在計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)軟件上進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材質(zhì)更改等。③機(jī)械模型可以直觀地在計(jì)算機(jī)三維輔助軟件上展示，不用文字描述。④機(jī)械模型可以直接儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)里，以便下次調(diào)用。⑤三維軟件可以對(duì)機(jī)械模型進(jìn)行機(jī)械性能分析和有限元分析，使設(shè)計(jì)者能清楚地知道機(jī)械結(jié)構(gòu)的姿態(tài)、軌跡、外觀和造型等。⑥可由三維模型直接生成二維工程圖，以便今后的制造加工、焊接和裝配。

3 計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)具體應(yīng)用

整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程很繁雜，包括機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般要求、內(nèi)容與步驟、零件的失效形式和設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則等。

（1）機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般要求。機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)一般應(yīng)該滿足以下要求：①實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能，并且在規(guī)定的工況下正常運(yùn)行。②滿足可靠性要求。由于機(jī)械系統(tǒng)是由許多零部件組成，其可靠程度取決于零部件的可靠度（例如精度要求、載荷、材料及熱處理等），因此在設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品時(shí)，盡量減少零部件數(shù)目。③滿足經(jīng)濟(jì)性要求，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造成本低、耗能少等。④操作方便，工作安全，有利于減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免發(fā)生人身及設(shè)備事故。⑤造型完美，減少污染，使產(chǎn)品外觀富有時(shí)代特征（例如流線型），盡量降低噪音，減輕對(duì)環(huán)境的污染。

（2）機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本階段。產(chǎn)品設(shè)計(jì)內(nèi)容有產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、制造及實(shí)驗(yàn)等階段。設(shè)計(jì)機(jī)械零件的一般步驟：①根據(jù)產(chǎn)品的具體運(yùn)作情況進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算，以確定零件載荷。②根據(jù)零件工作情況，分析判斷其失效形式，進(jìn)而確定計(jì)算準(zhǔn)則。③對(duì)零件主要參數(shù)選擇（例如根據(jù)零件尺寸選定材料，并考慮熱處理及結(jié)構(gòu)工藝性要求等）。④進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（要求形狀不能過(guò)于復(fù)雜，以致無(wú)法加工或者不能達(dá)到其工藝要求）。⑤計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM），利用三維軟件繪制零件圖，制定技術(shù)要求，編寫計(jì)算說(shuō)明書及相關(guān)制造的技術(shù)文件。

（3）機(jī)械零件常見(jiàn)失效形式。在進(jìn)行機(jī)械零件設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮零件的失效形式。零件的失效形式一般包括應(yīng)力超過(guò)零件的極限強(qiáng)度（強(qiáng)度極限和疲勞強(qiáng)度）、塑性變形、表面磨損腐蝕、破壞正常工作條件引起的失效等。根據(jù)零件不同的失效原因，建立設(shè)計(jì)的計(jì)算準(zhǔn)則。計(jì)算準(zhǔn)則包括強(qiáng)度準(zhǔn)則、剛度準(zhǔn)則、耐磨性準(zhǔn)則、散熱性準(zhǔn)則和可靠性準(zhǔn)則。

4 使用計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程不僅是對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)（零部件）的設(shè)計(jì)（優(yōu)化），更涉及大量的計(jì)算、參數(shù)選擇、可靠性分析等。在此過(guò)程中，設(shè)計(jì)者無(wú)法每次對(duì)實(shí)際的機(jī)械加工、熱處理等進(jìn)行試驗(yàn)，這樣會(huì)浪費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。此時(shí)，如果利用計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，一方面可以讓設(shè)計(jì)者直觀地看到機(jī)械產(chǎn)品的現(xiàn)狀并發(fā)現(xiàn)其不足，實(shí)時(shí)優(yōu)化結(jié)構(gòu)和參數(shù)，使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品能夠進(jìn)行機(jī)械加工制造;另一方面計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)等可以直接為今后的計(jì)算機(jī)輔助制造提供參考依據(jù)，從而大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)效率。

5 典型軟件介紹

在實(shí)際工作中，很多機(jī)械類公司均應(yīng)用了計(jì)算機(jī)三維輔助機(jī)械設(shè)計(jì)軟件。以下對(duì)典型的CAD/CAM軟件進(jìn)行介紹。

（1）AutoCAD軟件。提及二維平面圖，絕大多數(shù)人都會(huì)想到AutoCAD軟件繪制。AutoCAD系列軟件是Autodesk公司的產(chǎn)品，也是最早進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的二維平面軟件。AutoCAD軟件最早是針對(duì)二維設(shè)計(jì)繪圖而開(kāi)發(fā)，隨著其產(chǎn)品日益成熟，如今正朝著三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展，但由于其自身的局限性，三維設(shè)計(jì)中實(shí)體造型能力不足?？偟膩?lái)說(shuō)，其操作較為簡(jiǎn)單，對(duì)計(jì)算機(jī)要求較低，作為一套二維軟件來(lái)說(shuō)，還是非常好用的，其應(yīng)用范圍涉及各個(gè)領(lǐng)域（如機(jī)械制造、室內(nèi)設(shè)計(jì)、路橋設(shè)計(jì)等）。

（2）Pro/Engineer軟件。Pro/Engineer簡(jiǎn)稱Pro/E，相較于其他三維軟件其優(yōu)勢(shì)是參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)等。該軟件主要是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行三維實(shí)體建模、三維實(shí)體零件加工及對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行有限元分析。該軟件的參數(shù)化特征造型是其主要功能，它貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，包括特征、曲面及線框模型等。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多年努力，把參數(shù)化應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊（如三維繪圖、工程圖、工程分析、數(shù)控編程、布線、計(jì)算等）。由于系統(tǒng)不斷更新，近年來(lái)Pro/E出了5.0版本后就沒(méi)有再更新，而更名為Creo。兩者最大的不同點(diǎn)：①特點(diǎn)不同。Creo具備互操作性、開(kāi)放、操作簡(jiǎn)單三大特點(diǎn)，而且Creo消除了CAD行業(yè)中很多未能解決的問(wèn)題。②模塊的組成不同。

（3）SolidWorks軟件。SolidWorks軟件是功能強(qiáng)大的三維造型軟件，該軟件窗口界面操作簡(jiǎn)單，支持各種運(yùn)算功能，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行相關(guān)性的參數(shù)尺寸驅(qū)動(dòng)。例如：當(dāng)修改某零件外形尺寸，就會(huì)使裝配圖、工程圖的外形尺寸等發(fā)生相應(yīng)改變;另外，該軟件使用全中文窗口式菜單操作，給使用者帶來(lái)極大便利。該軟件具有智能裝配、動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)模擬、直觀干涉檢查、產(chǎn)品外觀效果處理等功能，還能快速將設(shè)計(jì)好的產(chǎn)品轉(zhuǎn)換為能夠進(jìn)行數(shù)控加工的二維平面工程圖，使CAD與其有機(jī)結(jié)合。

6 結(jié)語(yǔ)

本文不僅介紹了計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)的含義、作用和特點(diǎn)，還闡述了常用的三維軟件使用范圍。學(xué)習(xí)軟件不僅是學(xué)會(huì)簡(jiǎn)單操作，還要了解更多機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)，從而學(xué)好并運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)。軟件學(xué)習(xí)并非一朝一夕，需要堅(jiān)持學(xué)習(xí)并加以實(shí)踐。關(guān)于軟件的配置文件，還需要學(xué)習(xí)者根據(jù)自身習(xí)慣進(jìn)行定義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]陳立德.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].第3版.北京：高等教育出版社，2102.

[2]CAD/CAM/CAE.ANSYS 15.0有限元分析從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2018.

[3]付建軍.模具制造工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.