三維CAD/CAE技術(shù)及在機械設(shè)計實踐中的應(yīng)用

    機械設(shè)計是我校機械類各專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課。同時，該課程也是工科類專業(yè)的基礎(chǔ)必修課。本課程在教學內(nèi)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(shè)計構(gòu)思和設(shè)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(guān)知識和技能，結(jié)合各種教學實踐環(huán)節(jié)及課程設(shè)計的基本鍛煉，為順利地過渡到學習有關(guān)專業(yè)課程及進行專業(yè)畢業(yè)設(shè)計打下基礎(chǔ)。

    機械設(shè)計課程設(shè)計是機械類專業(yè)和近機類專業(yè)學生在學完機械設(shè)計及同類課程以后所設(shè)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(shè)計訓練機械設(shè)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(lián)系實際的設(shè)計能力，訓練學生綜合運用機械設(shè)計課程和其他先修課程的基礎(chǔ)理論并結(jié)合生產(chǎn)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(guān)機械設(shè)計方面的知識；通過對通用機械傳動或簡單機械的設(shè)計，使學生掌握一般機械設(shè)計的程序和方法，樹立正確的工程設(shè)計思想，培養(yǎng)獨立、全面、科學的工程設(shè)計能力等；在課程設(shè)計實踐中，對學生進行設(shè)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(guān)技術(shù)資料的能力以及計算、繪圖、數(shù)據(jù)處理和計算機輔助設(shè)計等方面的能力等。

    基于以上認識，結(jié)合近年我校機械設(shè)計課程體系、課程內(nèi)容以及立體化教學模式的改革和重點課程建設(shè)，在近兩屆學生機械設(shè)計課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計實踐中，主要從機械設(shè)計課程設(shè)計的設(shè)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(yīng)用最終到三維 CAD/CAE的過渡，在學生中起到了積極的反應(yīng)，在提高學生的設(shè)計能力和綜合素質(zhì)方面得到了較好的效果。

    2  機械設(shè)計實踐的現(xiàn)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(shè)計理念。圖紙作為工程師的語言，為工程設(shè)計技術(shù)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(shù)的發(fā)展，特別是計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用，手工繪圖已不能滿足機械設(shè)計的要求。現(xiàn)在，機械設(shè)計手段從20世紀70年代的手工繪圖轉(zhuǎn)向計算機繪圖，大大提高了繪圖效率和繪圖質(zhì)量。

    目前，CAD技術(shù)主要以二維繪圖軟件AUTOCAD為代表，在機械設(shè)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(guān)的工程分析是非常不便的且很難實現(xiàn)。為此，為了能夠方便地繪制裝配圖，在機械設(shè)計實踐教學和畢業(yè)設(shè)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(shè)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(shù)的普及結(jié)束了手工繪圖的歷史，對減輕人工勞動強度，提高經(jīng)濟效益起到了很明顯的作用。隨著技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)正從二維CAD向三維CAD過渡，有相當一部分CAD應(yīng)用較早的企業(yè)已完成了從二維CAD向三維CAD轉(zhuǎn)換，并取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。企業(yè)需要掌握三維CAD/CAE技術(shù)的專業(yè)人才，掌握三維CAD/CAE技術(shù)已成為工科院校畢業(yè)生最基本的要求。因此，在機械設(shè)
計實踐教學中采用三維 CAD/CAE技術(shù)，已成為我們現(xiàn)在機械設(shè)計實踐教學改革的重要內(nèi)容和急待解決的問題。

    3  三維CAD/CAE關(guān)鍵技術(shù)

    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，以及當今正在研究的產(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。它的基本思路如圖所2所示。

圖2  CAD/CAE關(guān)鍵技術(shù)

    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(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（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(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。