【文章內(nèi)容簡介】 好地檢驗設(shè)計、指導(dǎo)和優(yōu)化設(shè)計，有效地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期和大量地節(jié)省開發(fā)費用。 VPD 仿真技術(shù)是仿真技術(shù)發(fā)展的又一重要領(lǐng)域，它能深入到各種復(fù)雜產(chǎn)品的制造中，能夠產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 現(xiàn)在，仿真技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從單一的系統(tǒng)走向開放復(fù)雜的大系統(tǒng)。當(dāng)仿真對 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 共 74 象分布于廣闊的時空領(lǐng)域，仿真任務(wù)要求 將不同地理位置、不同類型 (包括人在內(nèi) )的仿真對象構(gòu)成一個統(tǒng)一整體進(jìn)行仿真時，產(chǎn)生了分布交互化仿真 (DIS)。這種仿真系統(tǒng)包含有不同類型的實體 — 虛體、真實實體和構(gòu)造實體，這些實體可以基于不同目的系統(tǒng)、不同年代的技術(shù)、不同廠商的產(chǎn)品和不同產(chǎn)品組成，并允許它們交互操作。 DIS 實現(xiàn)用計算機網(wǎng)絡(luò)將不同地點的仿真設(shè)備連接起來，通過實體間的數(shù)據(jù)交換構(gòu)成時空到合成仿真環(huán)境的一種先進(jìn)仿真技術(shù)。在這種復(fù)雜的分布綜合的系統(tǒng)進(jìn)行實時仿真時，必須提供快速、高效、大量的信息通道和相應(yīng)的處理。美國是最早研究這種技術(shù)并投入使用的國家，已經(jīng) 完成了多項基于虛擬仿真的 DIS 工程項目，相關(guān)的協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)完成或正在完成。 在制造行業(yè)，已經(jīng)產(chǎn)生了類似于 DIS的虛擬研究開發(fā)中心或虛擬企業(yè)。此外，為了適應(yīng)快速變化的世界市場，克服單個企業(yè)難以在短期內(nèi)具備所需資源的局限性，出現(xiàn)了在一定時限內(nèi)，為了某一市場機遇，通過網(wǎng)絡(luò)臨時聯(lián)結(jié)的一種動態(tài)聯(lián)盟 —— 虛擬企業(yè)。 圍繞產(chǎn)品從概念設(shè)計到終止使用的整個生命周期，再從決策者、設(shè)計師、制造商、銷售商和用戶等全方位地去觀察和研究產(chǎn)品，仿真技術(shù)已顯示出它強大的生命力和發(fā)展?jié)摿Α? 面向 21 世紀(jì)，同其他領(lǐng)域一樣，制造領(lǐng)域的仿 真技術(shù)的仿真規(guī)模正在不斷地擴(kuò)大，仿真功能也在不斷地朝智能化、可視化、集成化、并行化、分布交互化的方向發(fā)展。 CAD/CAE 技術(shù)應(yīng)用、研究現(xiàn)狀 （ 1） 國內(nèi)本領(lǐng)域的現(xiàn)狀 用 CAD 技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計不但可以使設(shè)計人員 “ 甩掉圖板 ” ，更新傳統(tǒng)的設(shè)計思想，實現(xiàn)設(shè)計自動化，降低產(chǎn)品的成本，提高企業(yè)及其產(chǎn)品在市場上的競爭能力；還可以使企業(yè)由原來的串行式作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿凶鳂I(yè)，建立一種全新的設(shè)計和生產(chǎn)技術(shù)管理體制，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高勞動生產(chǎn)率。 三維 CAD 造型技術(shù) 也稱建模 技術(shù) ，它是 CAD 技術(shù) 的核心。建模 技術(shù) 的研究、發(fā)展和 應(yīng)用 ，代表了 CAD 技術(shù) 的研究、發(fā)展和 應(yīng)用 。從 20世紀(jì) 60 年代至今， 三維 建模 技術(shù) 的發(fā)展經(jīng)歷了線框建模、曲面建模、實體建模、特征建模、參數(shù)化建模、變量化建模，以及正在研究的產(chǎn)品集成建模、行為建模等發(fā)展過程。 三維 CAD以 三維 造型 設(shè)計為基礎(chǔ)，只要形成了 三維 模型，各種二維視圖唾手可得 。 三維 CAD/CAE 技術(shù) 在產(chǎn)品的 三維 造型、虛擬狀配、工程圖生成、動態(tài)干涉檢驗、機構(gòu)運動分析和動態(tài)仿 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 共 74 真、有限元分析等方面帶來了革命性得突破，提高了 設(shè)計 效率和 設(shè)計 質(zhì)量。 三維設(shè)計 的真正意義不僅僅在于 設(shè)計 模型本身，而是 設(shè)計 出模型的后處理工作。 三維 CAD/CAE 技術(shù) 主要包括以下內(nèi)容： 三維 造型 /三維 設(shè)計 、計算機輔助工程分析、機構(gòu)運動分析 /仿真、裝配干涉檢驗、 三維 轉(zhuǎn)二維、圖樣檔案管理等。利用這種全過程的 三維 CAD/CAE 系統(tǒng)完成 設(shè)計 以后， 不僅使 設(shè)計 對象的幾何形狀和性能滿足要求，而且使各方面的指標(biāo)（強度、剛度、重量和成本等）都達(dá)到最佳狀態(tài)，這是計算機輔助 設(shè)計 和輔助工程分析的根本目的。 三維 CAD/CAE 符合 設(shè)計 者的思維習(xí)慣，可以充分發(fā)揮 設(shè)計 者創(chuàng)造力和想象力。 三維 CAD/CAE技術(shù) 不僅解決了產(chǎn)品 設(shè)計 和工程圖繪制的問題，更重要的是利用 三維 CAD/CAE技術(shù) 實現(xiàn)產(chǎn)品的虛擬 設(shè)計 、運動仿真和優(yōu)化 設(shè)計 ，所生產(chǎn)的 三維 零件可以直接與CAE/CAM/CAPP 等 CIMS 技術(shù) 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和銜接，是將來實現(xiàn)無圖樣生產(chǎn)的關(guān)鍵 技術(shù) 之一，是實現(xiàn)虛擬制造的重要手段。掌握 三維 CAD/CAE 技術(shù) 的使用，已經(jīng)逐步同使用計算機進(jìn)行文字處理一樣，成為產(chǎn)品開發(fā)、 設(shè)計 人員的一種基本技能。 目前在我國 CAD、 CAE 已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在大多數(shù)的大型 制造企業(yè)已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒臁?但 很多企業(yè)，也只是做到用手工出圖轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C出圖的現(xiàn)狀，當(dāng)然計算機出圖是有很多優(yōu)點的，漂亮、規(guī)范、修改容易、存檔方便等。但是如果只是停留在這個階段，就失去了 CAD 的作用，因為 CAD 是輔助設(shè)計，不是輔助繪圖。既然是設(shè)計就不但想到產(chǎn)品的機械模型，還應(yīng)想到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析、運動機構(gòu)分析和生產(chǎn)加工處理等，只有這樣才能真正發(fā)揮 CAD 的作用。 要 真正做到這一點，單憑二維設(shè)計是不夠的，雖傳統(tǒng)制圖方法是通過二維視圖描述三維實體，但 它 做不到進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)、運動機構(gòu)分析和數(shù)控加工，不能真正做到生產(chǎn)的自動化， 甚 至 二維視圖描述 會 出現(xiàn)二意性和理解錯誤， 于是 必須找到更先進(jìn)合理的三維設(shè)計手段，使 CAD、 CAM、 CAE 以及 PDM 容為一體。為此， CAD/CAE 方法作為能縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的得力工具，被越來越頻繁地引入產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，以提高競爭力。從設(shè)計產(chǎn)品 和對 性能的簡單校核，逐步發(fā)展到性能的準(zhǔn)確預(yù)測，再到工作過程的精確模擬，使人們對 CAD/CAE 方法充滿信賴。然而，提高產(chǎn)品競爭力不但需要提高產(chǎn)品的性能與質(zhì)量，而且要降低產(chǎn)品的成本，因此人們需要找到最合理和最經(jīng)濟(jì)的設(shè)計方案。雖然分析人員可以不厭其煩地在屏幕前一次次修改設(shè) 計參數(shù)以尋找最理想方案，但縮短開發(fā)周期的壓力通常要求分秒必爭，人們可能沒有更多的時間對數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行手工調(diào)整。 于是，對 CAD/CAE 技術(shù)及其 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 共 74 應(yīng)用的研究也 達(dá)到一個新高度。 （ 2） CAD/CAE 協(xié)同設(shè)計 計算機輔助技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計方法的主要手段和工具，而其中的 CAE技術(shù)又成為現(xiàn)代設(shè)計流程的核心， CAE 具有以下功能 : (a) 應(yīng)用數(shù)學(xué)模型，借助計算機分析計算，確保產(chǎn)品設(shè)計的合理性； (b) 與優(yōu)化技術(shù)配合，找出產(chǎn)品設(shè)計最佳方案 ； (c) CAE 所起到的虛擬樣機作用能預(yù)測產(chǎn)品在整個生命周期內(nèi)的可靠性，甚至產(chǎn)品與產(chǎn)品、產(chǎn)品與環(huán)境等之間的相容性； (d) 知識的獲取是現(xiàn)代設(shè)計的關(guān)鍵， CAE 才能真正提高設(shè)計者的知識技能，而其他手段通常都只能起到使設(shè)計者工作更順手、能更好地表達(dá)設(shè)計意圖等作用，較少增加關(guān)鍵知識。 歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展， CAE 技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入到設(shè)計流程的各個環(huán)節(jié)。 CAE分析利用現(xiàn)代計算機強大的數(shù)值計算能力所起到的 “ 虛擬樣機 ” 作用在很大程度上替代了傳統(tǒng)設(shè)計中資源消耗極大的 “ 物理樣機驗證設(shè)計 ” 過程，極大地縮短了設(shè)計周期、減少了成本。但是，目前眾多的設(shè)計單位將 “CAD” 與 “CAE 分析 ”截然分開，由不同 的人或部門來完成設(shè)計與分析工作，存在工作和數(shù)據(jù)交接、結(jié)果等待和評判等過程，造成了整個設(shè)計流程的不暢通 。 事實上，在理想的現(xiàn)代設(shè)計過程中， CAE 應(yīng)該融入產(chǎn)品設(shè)計的各個階段和環(huán)節(jié)，實現(xiàn)設(shè)計分析一體化。 “ CAE 融入設(shè)計全過程 ” 的觀點已經(jīng)得到世界上 許多著名公司的廣泛認(rèn)可。設(shè)計工程師將其工作經(jīng)驗與系列軟件相結(jié)合，以準(zhǔn)確了解設(shè)計細(xì)節(jié)、及時把握設(shè)計方向，從而省時省錢，在競爭中取勝。 （ 3） CAE 優(yōu)化方法 設(shè)計過程實際上就是尋找最佳設(shè)計方案的過程 。 在保證產(chǎn)品達(dá)到某些性能目標(biāo)并滿足一定約束條件的前提下，通過改變某 些允許改變的設(shè)計變量，使產(chǎn)品的指標(biāo)或性能達(dá)到最期望的目標(biāo)，就是優(yōu)化方法。 因此 CAE 優(yōu)化設(shè)計技術(shù)所起的作用是極其重要的 ， 與常規(guī)的優(yōu)化技術(shù)相比，這種優(yōu)化技術(shù)可大大提高設(shè)計效率 。它可進(jìn)行如下工作： (a)在有限元分析矩陣上利用高階級數(shù)展開的方法求解目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計變量之間的復(fù)雜關(guān)系； (b)“ 一次有限元計算 ” 即可完成整個優(yōu)化設(shè)計過程； (c)與 CAD 軟件聯(lián)合進(jìn)行形狀參數(shù)優(yōu)化。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁 共 74 優(yōu)化作為一種數(shù)學(xué)方法，通常是利用對解析函數(shù)求極值的方法來達(dá)到尋求最優(yōu)值的目的?；跀?shù)值分析技術(shù)的 CAE 方法，顯然不可能對我們的目標(biāo)得到一 個解析函數(shù)， CAE 計算所求得的結(jié)果只是一個數(shù)值。然而，樣條插值技術(shù)又使 CAE中的優(yōu)化成為可能，多個數(shù)值點可以利用插值技術(shù)形成一條連續(xù)的可用函數(shù)表達(dá)的曲線或曲面，如此便回到了數(shù)學(xué)意義上的極值優(yōu)化技術(shù)上來。樣條插值方法當(dāng)然是種近似方法，通常不可能得到目標(biāo)函數(shù)的準(zhǔn)確曲面，但利用上次計算的結(jié)果再次插值得到一個新的曲面，相鄰兩次得到的曲面的距離會越來越近，當(dāng)它們的距離小到一定程度時，可以認(rèn)為此時的曲面可以代表目標(biāo)曲面。那么，該曲面的最小值，便可以認(rèn)為是目標(biāo)最優(yōu)值。 這 就是 CAE 方法中的優(yōu)化處理過程 ，其 通常需要經(jīng)過參數(shù)化 建模 、 求解 、 優(yōu)化參數(shù)評價 等 步驟完成 。 現(xiàn)代 CAE 技術(shù)的發(fā)展已使人們的分析領(lǐng)域擴(kuò)展到了各行各業(yè)的每個角落，所研究問題的深度及綜合程度都在逐步提高，研究者的目光已從單一場分析轉(zhuǎn)向了多場耦合分析，以追求更為真實的模擬結(jié)果。 CAE軟件的優(yōu)化技術(shù)的適應(yīng)范圍也必然隨之?dāng)U展，不但要求它能解決各種單場問題，而且應(yīng)該能處理多場耦合過程的優(yōu)化。 （ 4） CAD/CAE 技術(shù)發(fā)展趨勢 現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計力求高效率、高質(zhì)量、低成本，這對 CAE分析工具也提出了更高的要求 ： 有足夠技術(shù)手段來真實地模擬產(chǎn)品工作行為。 即 真實模擬 ，它 涉及到許多 高難問題：高度非線性、多物理場耦合及產(chǎn)品系統(tǒng)級復(fù)雜裝配體模型等。 把設(shè)計工作的實際經(jīng)驗和計算機技術(shù)結(jié)合起來 ,將 提高系統(tǒng)的實用性和先進(jìn)性。 因此，分析面廣、分析程度深、分析對象復(fù)雜 及應(yīng)用便捷 是現(xiàn)代 CAE 應(yīng)用的發(fā)展方向，只有在這樣的分析手段配置下，才能真正解決 “ 真實模擬 ” 的問題。 因而在這樣的背景下， CAD 技術(shù)主要 具有 以下幾方面的發(fā)展趨勢 ∶ 標(biāo)準(zhǔn)化 、 開放性 、 集成化 、 智能化 和 虛擬現(xiàn)實 (VR)與 CAD 的 集成 。 這種 趨勢將體現(xiàn)在以下幾方面 ∶ 真三維圖形處理與虛擬現(xiàn)實 、 面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng) 、 多相多態(tài)介質(zhì)耦合、多物理場耦合以及多尺度耦合分析 、 適應(yīng)于超級并行計算機和機群的高性能 CAE 求解技術(shù) 、 GUI＋多媒體的用戶介面 。 （ 5） CAD/CAE 技術(shù)應(yīng)用展望 CAD/CAE 技術(shù)的發(fā)展必定推動其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和層次的加深，在產(chǎn)品開發(fā)制造的各個階段發(fā)揮更大的作用。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 共 74 (a)概念設(shè)計階段主要進(jìn)行較為詳細(xì)的、帶有一定目標(biāo)性的預(yù)演 。 主要有三個方面的 應(yīng)用： 市場調(diào)研；技術(shù)設(shè)計，包括各種方案的計算機效果模擬和分析仿真論證 ； 評估、準(zhǔn)備相關(guān)生產(chǎn)設(shè)施 。 (b)在概念設(shè)計完成以后，緊接著就是詳細(xì)設(shè)計 。 這一階段要繪制各種零部件圖樣，確定彼此間的裝配關(guān)系，評估產(chǎn)品的性能 (結(jié)構(gòu)強度、剛度、動力特性和生產(chǎn)性等 )。 該階段需要操作簡單、使用方便的 CAE 軟件，以便用最少的時間完成評估工作 。 (c)樣機制造階段 是 根據(jù)詳細(xì)設(shè)計提供的模型或數(shù)據(jù)完成試驗樣機的加工制造。該階段是生產(chǎn)階段，所以較少使用 CAE 軟件，但可以用一些專業(yè)軟件，如鑄造分析軟件、板料成形軟件來指導(dǎo)生產(chǎn)。 (d)產(chǎn)品測試評估階段 主要是利用各種測試和評估手段對產(chǎn)品成本、產(chǎn)品性能、產(chǎn)品質(zhì)量和加工特性做出全面真實的評價，從而為設(shè)計更改和產(chǎn)品的生產(chǎn)提供可靠依據(jù) 。 隨著科學(xué)技術(shù)和國民 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，漸開線齒輪傳動減速器的需求量越來越大，質(zhì)量要求也越來越高，傳統(tǒng)的減速器設(shè)計方法己不能滿足用戶的需求，CAD/CAM 技術(shù)的迅速發(fā)展使得它無論在機械、電子、航空、建筑等領(lǐng)域都獲得了成功的應(yīng)用。這對于提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低成本和增強市場競爭力起了巨大的作用。 總之，對連桿減速器進(jìn)行 CAD/CAE 下的建模和仿真，是傳統(tǒng)技術(shù)和現(xiàn)代技術(shù)的緊密結(jié)合，它不但符合科技發(fā)展的規(guī)律，也會使各自的應(yīng)用、研究及發(fā)展獲得意想不到的效果。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 12 頁 共 74 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計 傳動方案擬定 （ 1）工作條件：使 用年限 10 年， 300 天為一年，工作為兩班工作制。 （ 2）原始數(shù)據(jù)：變速箱