三維CAD/CAE技術及在機械設計實踐中的應用

    機械設計是我校機械類各專業(yè)的專業(yè)基礎課。同時，該課程也是工科類專業(yè)的基礎必修課。本課程在教學內容方面，著重基本知識，基本理論和基本方法，在培養(yǎng)實踐能力方面著重設計構思和設計技能的基本訓練。在本課程學習中，綜合運用先修課程中所學的有關知識和技能，結合各種教學實踐環(huán)節(jié)及課程設計的基本鍛煉，為順利地過渡到學習有關專業(yè)課程及進行專業(yè)畢業(yè)設計打下基礎。

    機械設計課程設計是機械類專業(yè)和近機類專業(yè)學生在學完機械設計及同類課程以后所設置的一個重要的教學實踐環(huán)節(jié)，也是學生第一次較全面、規(guī)范地進行設計訓練機械設計教學的一個重要實踐環(huán)節(jié)。其主要目的是培養(yǎng)學生的理論聯系實際的設計能力，訓練學生綜合運用機械設計課程和其他先修課程的基礎理論并結合生產實際進行分析和解決工程實際問題的能力，鞏固、深化和擴展學生有關機械設計方面的知識；通過對通用機械傳動或簡單機械的設計，使學生掌握一般機械設計的程序和方法，樹立正確的工程設計思想，培養(yǎng)獨立、全面、科學的工程設計能力等；在課程設計實踐中，對學生進行設計基本技能的訓練，培養(yǎng)學生查閱和使用標準、規(guī)范、手冊、圖冊及相關技術資料的能力以及計算、繪圖、數據處理和計算機輔助設計等方面的能力等。

    基于以上認識，結合近年我校機械設計課程體系、課程內容以及立體化教學模式的改革和重點課程建設，在近兩屆學生機械設計課程設計和畢業(yè)設計實踐中，主要從機械設計課程設計的設計方法和手段的改進等方面進行了大膽的改革與實踐，逐步實施了從手工繪圖到二維AUTOCAD的應用最終到三維 CAD/CAE的過渡，在學生中起到了積極的反應，在提高學生的設計能力和綜合素質方面得到了較好的效果。

    2  機械設計實踐的現狀和存在的問題

    幾個世紀以來，人們用手工繪圖來表達自己的設計理念。圖紙作為工程師的語言，為工程設計技術人員之間進行有效的交流帶來了極大的方便。然而，隨著科學技術的發(fā)展，特別是計算機技術的廣泛應用，手工繪圖已不能滿足機械設計的要求?，F在，機械設計手段從20世紀70年代的手工繪圖轉向計算機繪圖，大大提高了繪圖效率和繪圖質量。

    目前，CAD技術主要以二維繪圖軟件AUTOCAD為代表，在機械設計實踐中只是教會學生操作和繪制簡單的零件圖，而用AUTOCAD繪制裝配圖以及進行有關的工程分析是非常不便的且很難實現。為此，為了能夠方便地繪制裝配圖，在機械設計實踐教學和畢業(yè)設計中逐步地采用了CAXA電子圖版、開目CAD等二維繪圖軟件作為繪圖工具，輔助完成零部件設計。圖1所示為用AOTUCAD繪制的齒輪軸的二維裝配圖。  當前，我國制造業(yè)已全面完成甩圖板工程，二維CAD技術的普及結束了手工繪圖的歷史，對減輕人工勞動強度，提高經濟效益起到了很明顯的作用。隨著技術的發(fā)展，CAD技術正從二維CAD向三維CAD過渡，有相當一部分CAD應用較早的企業(yè)已完成了從二維CAD向三維CAD轉換，并取得了巨大的經濟效益和社會效益。企業(yè)需要掌握三維CAD/CAE技術的專業(yè)人才，掌握三維CAD/CAE技術已成為工科院校畢業(yè)生最基本的要求。因此，在機械設
計實踐教學中采用三維 CAD/CAE技術，已成為我們現在機械設計實踐教學改革的重要內容和急待解決的問題。

    3  三維CAD/CAE關鍵技術

    三維CAD造型技術也稱建模技術，它是CAD技術的核心。建模技術的研究、發(fā)展和應用，代表了CAD技術的研究、發(fā)展和應用。從20世紀60年代至今，三維建模技術的發(fā)展經歷了線框建模、曲面建模、實體建模、特征建模、參數化建模、變量化建模，以及當今正在研究的產品集成建模、行為建模等發(fā)展過程。三維CAD以三維造型設計為基礎，只要形成了三維模型，各種二維視圖唾手可得。三維CAD/CAE技術在產品的三維造型、虛擬狀配、工程圖生成、動態(tài)干涉檢驗、機構運動分析和動態(tài)仿真、有限元分析等方面帶來了革命性得突破，提高了設計效率和設計質量。三維設計的真正意義不僅僅在于設計模型本身，而是設計出模型的后處理工作。它的基本思路如圖所2所示。

圖2  CAD/CAE關鍵技術

    圖3所示為圓柱齒輪減速器的三維虛擬裝配模型，圖4所示為圓柱齒輪減速器的三維虛擬裝配爆炸模型。圖5所示為減速器齒輪軸的有限元分析模型。

圖3  圓柱齒輪減速器的三維虛擬裝配模型

圖4  圓柱齒輪減速器的三維虛擬裝配爆炸模型

    三維CAD/CAE技術主要包括以下內容：三維造型/三維設計、計算機輔助工程分析、機構運動分析/仿真、裝配干涉檢驗、三維轉二維、圖樣檔案管理等。利用這種全過程的三維CAD/CAE系統(tǒng)完成設計以后，不僅使設計對象的幾何形狀和性能滿足要求，而且使各方面的指標（強度、剛度、重量和成本等）都達到最佳狀態(tài)，這是計算機輔助設計和輔助工程分析的根本目的。三維CAD/CAE符合設計者的思維習慣，可以充分發(fā)揮設計者創(chuàng)造力和想象力。三維 CAD/CAE技術不僅解決了產品設計和工程圖繪制的問題，更重要的是利用三維CAD/CAE技術實現產品的虛擬設計、運動仿真和優(yōu)化設計，所生產的三維零件可以直接與CAE/CAM/CAPP等CIMS技術進行數據交換和銜接，是將來實現無圖樣生產的關鍵技術之一，是實現虛擬制造的重要手段。掌握三維CAD/CAE技術的使用，已經逐步同使用計算機進行文字處理一樣，成為產品開發(fā)、設計人員的一種基本技能。