三维CAD/CAE技术及在机械设计实践中的应用

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1  引  言

    机械设计是我校机械类各专业的专业基础课。同时，该课程也是工科类专业的基础必修课。本课程在教学内容方面，着重基本知识，基本理论和基本方法，在培养实践能力方面着重设计构思和设计技能的基本训练。在本课程学习中，综合运用先修课程中所学的有关知识和技能，结合各种教学实践环节及课程设计的基本锻炼，为顺利地过渡到学习有关专业课程及进行专业毕业设计打下基础。

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    机械设计课程设计是机械类专业和近机类专业学生在学完机械设计及同类课程以后所设置的一个重要的教学实践环节，也是学生第一次较全面、规范地进行设计训练机械设计教学的一个重要实践环节。其主要目的是培养学生的理论联系实际的设计能力，训练学生综合运用机械设计课程和其他先修课程的基础理论并结合生产实际进行分析和解决工程实际问题的能力，巩固、深化和扩展学生有关机械设计方面的知识；通过对通用机械传动或简单机械的设计，使学生掌握一般机械设计的程序和方法，树立正确的工程设计思想，培养独立、全面、科学的工程设计能力等；在课程设计实践中，对学生进行设计基本技能的训练，培养学生查阅和使用标准、规范、手册、图册及相关技术资料的能力以及计算、绘图、数据处理和计算机辅助设计等方面的能力等。

    基于以上认识，结合近年我校机械设计课程体系、课程内容以及立体化教学模式的改革和重点课程建设，在近两届学生机械设计课程设计和毕业设计实践中，主要从机械设计课程设计的设计方法和手段的改进等方面进行了大胆的改革与实践，逐步实施了从手工绘图到二维AUTOCAD的应用最终到三维 CAD/CAE的过渡，在学生中起到了积极的反应，在提高学生的设计能力和综合素质方面得到了较好的效果。

    2  机械设计实践的现状和存在的问题

    几个世纪以来，人们用手工绘图来表达自己的设计理念。图纸作为工程师的语言，为工程设计技术人员之间进行有效的交流带来了极大的方便。然而，随着科学技术的发展，特别是计算机技术的广泛应用，手工绘图已不能满足机械设计的要求。现在，机械设计手段从20世纪70年代的手工绘图转向计算机绘图，大大提高了绘图效率和绘图质量。

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    目前，CAD技术主要以二维绘图软件AUTOCAD为代表，在机械设计实践中只是教会学生操作和绘制简单的零件图，而用AUTOCAD绘制装配图以及进行有关的工程分析是非常不便的且很难实现。为此，为了能够方便地绘制装配图，在机械设计实践教学和毕业设计中逐步地采用了CAXA电子图版、开目CAD等二维绘图软件作为绘图工具，辅助完成零部件设计。图1所示为用AOTUCAD绘制的齿轮轴的二维装配图。  当前，我国制造业已全面完成甩图板工程，二维CAD技术的普及结束了手工绘图的历史，对减轻人工劳动强度，提高经济效益起到了很明显的作用。随着技术的发展，CAD技术正从二维CAD向三维CAD过渡，有相当一部分CAD应用较早的企业已完成了从二维CAD向三维CAD转换，并取得了巨大的经济效益和社会效益。企业需要掌握三维CAD/CAE技术的专业人才，掌握三维CAD/CAE技术已成为工科院校毕业生最基本的要求。因此，在机械设
计实践教学中采用三维 CAD/CAE技术，已成为我们现在机械设计实践教学改革的重要内容和急待解决的问题。

    3  三维CAD/CAE关键技术

    三维CAD造型技术也称建模技术，它是CAD技术的核心。建模技术的研究、发展和应用，代表了CAD技术的研究、发展和应用。从20世纪60年代至今，三维建模技术的发展经历了线框建模、曲面建模、实体建模、特征建模、参数化建模、变量化建模，以及当今正在研究的产品集成建模、行为建模等发展过程。三维CAD以三维造型设计为基础，只要形成了三维模型，各种二维视图唾手可得。三维CAD/CAE技术在产品的三维造型、虚拟状配、工程图生成、动态干涉检验、机构运动分析和动态仿真、有限元分析等方面带来了革命性得突破，提高了设计效率和设计质量。三维设计的真正意义不仅仅在于设计模型本身，而是设计出模型的后处理工作。它的基本思路如图所2所示。

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图2  CAD/CAE关键技术

    图3所示为圆柱齿轮减速器的三维虚拟装配模型，图4所示为圆柱齿轮减速器的三维虚拟装配爆炸模型。图5所示为减速器齿轮轴的有限元分析模型。

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图3  圆柱齿轮减速器的三维虚拟装配模型

图4  圆柱齿轮减速器的三维虚拟装配爆炸模型

    三维CAD/CAE技术主要包括以下内容：三维造型/三维设计、计算机辅助工程分析、机构运动分析/仿真、装配干涉检验、三维转二维、图样档案管理等。利用这种全过程的三维CAD/CAE系统完成设计以后，不仅使设计对象的几何形状和性能满足要求，而且使各方面的指标（强度、刚度、重量和成本等）都达到最佳状态，这是计算机辅助设计和辅助工程分析的根本目的。三维CAD/CAE符合设计者的思维习惯，可以充分发挥设计者创造力和想象力。三维 CAD/CAE技术不仅解决了产品设计和工程图绘制的问题，更重要的是利用三维CAD/CAE技术实现产品的虚拟设计、运动仿真和优化设计，所生产的三维零件可以直接与CAE/CAM/CAPP等CIMS技术进行数据交换和衔接，是将来实现无图样生产的关键技术之一，是实现虚拟制造的重要手段。掌握三维CAD/CAE技术的使用，已经逐步同使用计算机进行文字处理一样，成为产品开发、设计人员的一种基本技能。

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