機械CAD 技術(shù)在機械可靠性優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用

王霄琳

德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院

隨著信息行業(yè)的飛速發(fā)展，計算機在各行各業(yè)都有了廣泛的應(yīng)用。各種新的計算機技術(shù)以及設(shè)計方法等都在機械設(shè)計領(lǐng)域被應(yīng)用，這很大程度的完善了機械設(shè)計的過程?，F(xiàn)在CAD 在機械設(shè)計中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，該項技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了制造技術(shù)的飛快發(fā)展。CAD 技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了制造業(yè)設(shè)計過程的效率與質(zhì)量，同時也很大程度改善了傳統(tǒng)的設(shè)計方法。本文將對機械CAD 技術(shù)在機械可靠性優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用方面進(jìn)行簡單的探討。

機械CAD 技術(shù)的概述

構(gòu)成與功能

機械CAD 技術(shù)主要表現(xiàn)在CAD 的系統(tǒng)之中，CAD系統(tǒng)主用是用戶用來實現(xiàn)設(shè)計的理念，從整體上可以分為：基礎(chǔ)層、應(yīng)用層和支撐層。基礎(chǔ)層主要由計算機、相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)構(gòu)成；應(yīng)用層是專門針對不同的CAD 應(yīng)用領(lǐng)域的不同需求專門的軟件構(gòu)成；支撐層是包含了計算機的數(shù)據(jù)庫管理軟件等一系列相關(guān)軟件構(gòu)成。一般通用的CAD系統(tǒng)具備以下基本功能：第一，處理常規(guī)設(shè)計、可靠設(shè)計、仿真設(shè)計以及進(jìn)行動態(tài)分析。第二，具備相關(guān)的輸入輸出功能。第三，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的管理，適合不同CAD 的數(shù)據(jù)交換和接口。第四，其他的一些功能，比如進(jìn)行基本的編輯和文字處理等。

機械CAD 與傳統(tǒng)設(shè)計的對比

使用CAD 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，方便、效率高，整個過程都可以進(jìn)行模擬仿真。而傳統(tǒng)傳統(tǒng)的設(shè)計，要求人工繪制出圖像的信息，還要備有繪圖工具、圖紙和繪圖手冊材料等。CAD 是由計算機硬件直接完成。所以不論是從工作效率還是工作質(zhì)量上CAD 技術(shù)在機械設(shè)計中都有很大的優(yōu)勢。

CAD 技術(shù)在機械設(shè)計中的優(yōu)點

更加接近人的思維過程

機械設(shè)計師在設(shè)計圖紙時，首先是構(gòu)思過程，然后才進(jìn)行表達(dá)。在構(gòu)思過程中形成的三維形狀直接在計算機上呈現(xiàn)，是最理想的表達(dá)方式。這樣設(shè)計師就專注與自己的設(shè)計，不用去更多的在圖形的表達(dá)上花費更多的時間，這也對設(shè)計師的不間斷進(jìn)行設(shè)計的思路也很有幫助，而且CAD 的三維設(shè)計得到的直接是三維的立體圖形，直觀而且更易于理解，對設(shè)計師的思維也能起到促進(jìn)作用，也有利與設(shè)計師間的互相交流。

縮短了機械設(shè)計周期

CAD 的機械設(shè)計在較為復(fù)雜的幾何造型設(shè)計上也是有很大的優(yōu)勢的。對于較為復(fù)雜的設(shè)計，可以通過布爾運算，由簡單的圖形組合成復(fù)雜的圖形實體，而且能自動生成相貫線，這樣就減少了不少的設(shè)計者工作量，縮短了設(shè)計周期，生產(chǎn)效率也有了很大的提高。對于一個新的機械設(shè)計開發(fā)，可以在原來的基礎(chǔ)上對部分的零部件進(jìn)行新的設(shè)計即可，大部分的零件信息都可以繼承以往的，這樣可以使設(shè)計效率提高4 倍左右。三維的CAD 系統(tǒng)還具有高度的變形能力，對于需要創(chuàng)新的產(chǎn)品，僅通過簡單的重構(gòu)，便可以完成。

零件設(shè)計和修改操作簡單

在三維的CAD 設(shè)計系統(tǒng)中，完成一個新的零件有兩種簡便的方式，一是在裝配的環(huán)境中設(shè)計新的零件；二是利用零件相鄰的形狀和位置關(guān)系設(shè)計出新的零件。這兩種方法都很簡單方便，并且還避免了設(shè)計中的零件出錯問題。在該系統(tǒng)中還有零件的查找器，在完成設(shè)計時，查找器會自動列出完成零件的所有閔玲指令，想要查看零件的設(shè)計完成步驟，點擊相應(yīng)的命令直接就會彈出詳細(xì)的說明。也能通過零件的回放將制造零件的全過程都通過動畫的方式演示出來。如果零件需要修改，也能通過點擊相應(yīng)的命令指令進(jìn)入零件的編輯環(huán)境來完成修改。所以不管是在零件的設(shè)計還是修改的過程都很簡單方便。

裝配零件方便直觀

在設(shè)計中利用不同的裝配系統(tǒng)可以把每個零件都裝配起來，資源查找器將零件之間的裝配關(guān)系全部記錄下來，如果哪個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題或者不正確，查找器就能顯示出來，同時可以對兩件進(jìn)行靜干涉檢查，一旦有問題可以及時進(jìn)行修改。零件還可以進(jìn)行隱藏，隱藏的零件可以直接看到內(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)。在機器部件裝配完成后還能進(jìn)行運動演示，對于特殊要求的，也能檢查是否滿足要求。在計算機上設(shè)計出來的零件先進(jìn)行加工和裝配的仿真試驗，可以檢查出零件的加工工藝和裝配是否滿足要求，這樣就減少了零部件的報廢率。

提高機械產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量

機械產(chǎn)品與信息技術(shù)的相互融合，使得機械產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)入了一個新的發(fā)展階段。三維的CAD 技術(shù)采用先進(jìn)的設(shè)計方法，對于產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量上也有了更好的保證。現(xiàn)在我國大型的企業(yè)數(shù)控的加工技術(shù)也較為完善，CAD 設(shè)計配合數(shù)控的生產(chǎn)，這樣一致性的生產(chǎn)，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

機械CAD 技術(shù)的應(yīng)用探析

運用機械CAD 技術(shù)封裝性，改變數(shù)據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)在面對對象的程序設(shè)計中，CAD 的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不改變數(shù)據(jù)程序，對內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，也就是阻止了某一對象專一的訪問某一程序。在應(yīng)用程序過程中，一定要保證數(shù)據(jù)代碼的一致性，還要對捆綁對象進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)的操作，使這些數(shù)據(jù)成為一個整體，對于操作過程細(xì)節(jié)也能隱藏。CAD 技術(shù)進(jìn)行的技術(shù)封裝和抽象的應(yīng)用設(shè)計程序。而訪問對象，只是通過公共界面的一些操作函數(shù)進(jìn)行訪問，所以數(shù)據(jù)在使用過程更加方面，不用關(guān)心其內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)和組成。

機械CAD 技術(shù)在建模中的應(yīng)用

在CAD 技術(shù)的面向?qū)ο笤O(shè)計的建模過程應(yīng)用非常廣泛。在建模的過程中，對象可以看做是一個概念，可以針對某一個具體的問題，進(jìn)行具體的分析與歸納，這樣就能很方便地建立起對紫銅的關(guān)系圖。面向?qū)ο蟮腃AD 機械產(chǎn)品建模更多的應(yīng)用于時間中，主要是完成對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象化，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的動靜屬性的描述過程，最終完成對象語言的描述，從而完成CAD 的機械設(shè)計過程。再利用其他的一些語言程序設(shè)計語言，實現(xiàn)各個過程的機器語言化，通過程序編程，最終完成CAD 設(shè)計整個過程的實現(xiàn)。

CAD 技術(shù)的發(fā)展趨勢

規(guī)范化

CAD 技術(shù)在機械設(shè)計方面的規(guī)范化發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：數(shù)據(jù)模型的規(guī)范化、數(shù)據(jù)交換格式的標(biāo)準(zhǔn)化和CAD 資源的規(guī)范化等?，F(xiàn)在STEP 標(biāo)準(zhǔn)體系逐步趨于完善，這將對CAD 系統(tǒng)中的幾何數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)模型等的開發(fā)更加有利。以前的標(biāo)準(zhǔn)接口不能完全滿足現(xiàn)代的CAD 數(shù)據(jù)的交換要求。但是參數(shù)化的模型目前還沒有真正的解決。

智能化

CAD 技術(shù)的智能化方面有了進(jìn)一步的發(fā)展，主要體現(xiàn)在特征造型和參數(shù)的設(shè)計方面。這些軟件不僅是簡單的提供繪制工具或者是將線面的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，不去管理內(nèi)在的聯(lián)系。特征和參數(shù)的引入使得CAD 的功能更加強大，可以更大程度的將工程數(shù)據(jù)集中起來，放入到數(shù)據(jù)模型中。

信息集成化

現(xiàn)在的系統(tǒng)軟件已經(jīng)不是由單一的軟件構(gòu)成，為了進(jìn)一步提高設(shè)計的效率和設(shè)計產(chǎn)品的質(zhì)量，信息的集成化必不可少。CAD 的技術(shù)在產(chǎn)品的建模過程中，全過程都需要數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，所以，建模過程中的數(shù)據(jù)處理是一個很重要的方面。數(shù)據(jù)需要進(jìn)行數(shù)組化和規(guī)范化的處理。在整個過程中都有數(shù)據(jù)產(chǎn)生，所以數(shù)據(jù)量很大，在龐大的數(shù)據(jù)量交換過程中還要不斷完善各種規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，還要進(jìn)行交換規(guī)模。要有效管理數(shù)據(jù)，做好產(chǎn)品在整個生命周期中的數(shù)據(jù)管理，就要提高軟件系統(tǒng)的集成水平。

機械CAD 技術(shù)在機械設(shè)計中的可靠性優(yōu)化設(shè)計

在CAD 的優(yōu)化設(shè)計當(dāng)中，會涉及大量的迭代計算，而且一些復(fù)雜的機械系統(tǒng)的可靠性分析也對計算機的強大的計算能力要求很高。所以向大型計算機計算方面發(fā)展是很有必要的。在復(fù)雜的、大型的設(shè)計中都離不開大型的計算機的運算。傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方案只是在設(shè)計中采用安全系數(shù)的方式來保證可靠性。但是這種方式會造成產(chǎn)品的可靠度過大，也就是在一定程度上產(chǎn)生了浪費。但是可靠性優(yōu)化設(shè)計方案并不是采用的優(yōu)化設(shè)計方案。在一些設(shè)計過程中，只是采用優(yōu)化的設(shè)計方案或者是可靠性的設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，就不能取得預(yù)期的目標(biāo)。可卡凹形的設(shè)計方法可以很好的與可靠性的設(shè)計理論相結(jié)合，這樣就會揚長避短，最終得到最合適的設(shè)計方案。不過可靠性的優(yōu)化設(shè)計在機械CAD 的支持平臺下進(jìn)行的。在設(shè)計的過程中要求各個環(huán)節(jié)互相協(xié)調(diào)起來，數(shù)據(jù)進(jìn)行互通，信息要能實現(xiàn)共享，顯然復(fù)雜的計算分析需要計算機系統(tǒng)的支撐。所以計算機技術(shù)的飛快發(fā)展為CAD 技術(shù)的使用提供了很大的便捷，使CAD 技術(shù)在機械設(shè)計中有了更加充分的發(fā)揮。

總結(jié)

機械CAD 技術(shù)在機械工程設(shè)計中應(yīng)用很廣泛，主要是在三維立體的基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠優(yōu)化設(shè)計。不論是從設(shè)計的思想、設(shè)計質(zhì)量還是整個設(shè)計的效率上都比傳統(tǒng)的機械設(shè)計有明顯的效果?，F(xiàn)代的CAD 技術(shù)也在不斷向新的方向發(fā)展，為機械設(shè)計的快速、更好的發(fā)展起到了推動作用。