《先进制造技术》教案 第2课 现代设计技术（一）.docx

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1、课题第二课现代设计技术(一)课时2课时(90min)教学目标知识技能目标：(1)了解机械设计发展的基本历程(2)了解现代设计技术的内涵和特点(3)了解现代设计技术的体系结构(4)了解计算机辅助设计的基本概念、产生背景、关键技术、主要特点和研究热点(5)了解计算机辅助设计的软件及应用素质目标：培养作为一名机械专业技术人员必须具备的刻苦专研和锲而不舍的学习精神，严谨的科学态度和积极向上的价值观，为未来的专业深造和工作奠定坚实的基础教学重难点教学重点：现代设计技术的内涵和特点，及其体系结构；计算机辅助设计的主要特点和研究热点教学难点：正确认识现代设计技术和计算机辅助设计教学方法案例分析法、问答法、讨

2、论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学过程主要教学内容及步骤考勤【教师】使用APP进行签到【学生】按照老师要求签到问题导入【教师】提出以下问题：你知道什么是现代设计技术吗？【学生】聆听、思考、举手回答传授新知【教师】通过大家的发言，引入新的知识点，讲解机械设计发展的基本历程、内涵和特点，现代设计技术的体系结构，以及计算机辅助设计的相关知识2.1 现代设计技术的内涵与体系结构2.1.1 机械设计发展的基本历程机械设计的思想和方法在影响人类生产和生活、推动社会进步的同时，也会受社会发展的影响，不断变化和更新。为反映这种变化人们提出了“传统设计和现代设计”两个术语，这两个术语是相对的

3、，当前被认为先进的事物在未来会被新发展的事物所取代，而成为传统的.传统设计技术以静态、经验、被动和手工”为基本特征，它经历了直觉设计、经验设计、半理论经验设计三个发展阶段，并于20世纪50年代后期形成.它以经验总结为基础，以长期设计实践和理论计算而形成的经验、公式、图表、设计手册等为设计依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。传统设计偏重于经验的概括和总结，往往会忽略一些难解的问题或非主要的因素，这样会导致设计结果不准确，有时甚至会出现不符合实际的情况。随着设计理论的发展及科学技术的进步，特别是计算机技术的高速发展,设计过程发生了质的飞跃，在此基础上传统设计技术得到了延伸和发展，产生

4、了现代设计技术.它是以网络为基础，以电子计算为手段，建立在现代管理技术之上，运用工程设计的新理论和新方法，实现计算结果最优化、设计过程高效化和自动化的设计技术。2.1.2 现代设计技术的内涵和特点1.现代设计技术的定义设计是人类改造自然的一种基本活动，也是一种复杂的创造性思维过程。设计技术就是在设计过程中解决具体设计问题的各种方法和手段。现代设计技术是以满足市场产品的质量、性能、周期、成本等为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多学科方法及技术为手段，研究、改进、创造产品的活动过程中所用到的技术群体的【教师】提出问题：你知道现代设计技术有哪些特点吗？【学生】聆听、思考、举手回答【

5、教师】总结学生的回答，并语解新知(1)产品结构分析的定量化传统设计技术对复杂结构的零部件或整机只能进行定性或类比的估算。而现代设计技术引入了有限元及边界元方法，可实现对任何产品结构的定量化分析。产品工作状况分析的动态化传统设计技术对产品的工作状况仅限于静态的计算和动态的估算。而现代设计技术中的动态设计方法可以同时利用理论和测试数据建造与实际工作状况相符合的数学模型，通过计算机进行分析计算，预测产品的动态性能和改进效果。(3)产品质量分析的可靠化传统设计技术中采用的安全系数法仅仅依靠经验,不能定量地给出产品质量的可靠性预测。而现代设计技术中的可靠性设计法，把零部件或整机中各种具有离散性的性能及参

6、数均视为随机变量，基于概率论建造模型并进行分析计算，从而定量地作出产品质量的可靠性预测。(4)产品设计结果的最优化传统设计技术通过经验公式、近似系数或类比方法进行设计、校核，比较依赖设计者的经验和主观判断。而现代设计技术中的优化设计法是根据产品的设计目标、性能及要求构造数学模型，应用数学规划理论和数值计算方法，通过计算机求得最优化结果.(5)产品设计过程的高效化和自动化传统设计技术在设计过程中重复性高，设计方案却不一定最优。而现代设计技术在整个设计过程中均是“教会计算机，让计算机去完成，从而实现设计过程的高效化和自动化，并且为实现制造的自动化做好准备。2.1.3现代设计技术的体系结构【教师】提

7、出问题：你知道现代设计技术主要是由哪几个层次组成吗？【学生】聆听、思考、举手回答【教师】总结学生的回答，并讲解新知现代设计技术的内容繁多，体系复杂，它主要由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个层次组成.【教师】利用多媒体展示“现代设计技术的体系及与其他学科的关系”图片，并进行讲解1 .基础技术基础技术是指传统的设计理论与方法，包括运动学、静力学、动力学、结构力学、强度理论、热力学、电磁学、工程数学等学科的基本原理和方法.它不仅为现代设计技术提供了坚实的理论基础，也是现代设计技术发展的源泉.2 .主体技术现代设计技术的诞生和发展与计算机辅助技术的发展息息相关、相辅相成。一方面，计算机科学与

8、现代设计技术相结合产生了计算机辅助设计、智能CAD(IntelligentCAD,ICAD)、优化设计、有限元分析程序、模拟仿真、虚拟设计和工程数据库等；另一方面，若没有多种设计理论与方法，计算机技术的应用也会大大受到限制。例如，运用优化设计、可靠性设计、模糊设计等理论构造的数学模型编制出计算机应用程序，可以更广泛、更深入地模拟人的推宾 理与思维，从而提高计算机的智力。因此，计算机辅助设计技术以其对数值计算和对信息与知识的独特处理能力已成为现代设计技术的主干.3 .支撑技术支撑技术主要指现代设计方法学、可信性设计技术和试验设计技术，为设计对象的描述，设计信息的处理、加工、推理、映射及验证提供支

9、撑。现代设计方法学涉及的内容很广，涵盖并行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配制、反求工程、绿色产品设计、模糊设计、面向对象的设计、ZDll谴型设计等.可信性设计可看作广义可靠性设计内容的扩展，主要是指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、耐疲劳设计、耐腐蚀设计、减磨和耐磨设计、健壮设计、耐环境设计、维修性设计、人机工程设计等.试验设计技术包括通常的产品性能试验、可靠性试验、环保性能试验与控制，以及运用计算机技术的数字仿真试验与虚拟i懈等.4 .应用技术应用技术是针对使用目的解决各类具体产品设计领域问题的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械等设计的知识和技术，

10、它可以看作是现代设计技术派生出来的具体技术群。现代设计技术体系框架的知识划分是相对的，不是绝对的。基础技术、主体技术、支撑技术、应用技术之间并不存在明显的界限，例如，主体技术所包含的有关技术本身往往就是应用技术；在特定的情况下，某些支撑技术也可以称为主体技术。现代设计已扩展到产品规划、制造、营销、运行、回收等各个方面，掌握与其相关的科学与技术，尤其是制造工艺、自动化技术、系统管理技术、材料科学、自然科学等知识也是十分必要的。此外，设计产品总是以满足社会需求为目的的，因此，设计人员还应具备政治、经济、法律、人文社会、艺术等方面的知识与素养。2.2计算机辅助设计(CAD)技术2.2.1 计算机辅助

11、设计的基本概念计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD)是以计算机为工具，处理产品设计过程中的图形和数据信息，辅助完成产品设计过程的综合性计算机应用技术。CAD技术包含的内容有：利用计算进行产品的造型、装配、工程图绘制以及相关文档的设计；进行产品渲染、动态显示；对产品进行工程分析，如有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动学及动力学仿真等。2.2.2 计算机辅助设计的产生背景【教师】提出问题：你了解CAD技术的发展历程吗？【学生】聆听、思考、举手回答【教师】总结学生的回答，并讲解新知20世纪50年代，以美国为代表的工业发达国家出于航空和汽车等工业生产的需要，开始将计算机技术

12、应用于产品的设计过程，使其逐渐发展成为具有重大影响力的计算机辅助设计技术。计算机辅助设计主要经历了五个阶段，包括萌芽期、成长期、发展期、普及期和集成化期。1 .20世纪50年代CAD技术的萌芽期1950年美国麻省理工学院(MIT)研制出可以显示出简单图形的旋风型(Whirlwind)图形显示设备；50年代后期出现了图形输入装置光笔；1958年，美国CalComP公司研制出滚筒式绘图仪，Gerber公司研制出平板绘图仪.上述图形处理设备的相继问世标志着交互式计算机图形系统的诞生。2 .20世纪60年代CAD技术的成长期1962年由美国ESutherIand博士开发的SketchPAD图形系统问世

13、，这是一个交互式图形系统，能在屏幕上进行翼it图形设计与修改，从此掀起了大规模研究计算机图形学的热潮，并开始出现CAD这一术语。其后，1965年美国洛克希德飞机公司推出第一套基于大型机的商用CAD/CAM软件系统CADAM(计算机辅助设计制造)软件系统；1966年贝尔公司开发了价格低廉的实用型交互式图形显示系统GRAPHICI系统。20世纪60年代后期，存储管式显示器以低廉的价格进入市场，使CAD系统的成本能为许多企业所接受，于是，许多与CAD技术相关的软硬件系统走出了实验室，逐渐趋于实用化，大大促进了计算机图形学和CAD技术的发展。3 .20世纪70年代CAD技术的发展期进入20世纪70年代

14、后，存储器、光笔、光栅扫描显示器、图形输入板等图形输入设备开始进入商品化；出现了面向中小企业的CAD/CAM商品化软件，可提供基于线框模型(WireframeModel)的三维建模及绘图工具；曲面模型(SUrfaCeModeI)得到了初步应用.1979年，图形交换标准ICES的发表，为CAD系统的标准化和可交换性创造了条件.2()世纪70年代是CAD技术发展的黄金时期，各种CAD功能模块已基本形成，各种建模方法及理论得到了深入研究。但是，此时CAD各功能模块的数据结构尚不统一，集成性较差。4 .20世纪80年代CAD技术的普及期在这个时期,基于PC微福口工作站的CAD系统得到了广泛使用；CAD

15、的新算法、新理论不断出现并迅速商品化；实体建模(SoIidModeling)技术趋于成熟，形成了统一和确定性的几何形体描述方法，并成为CAD软件系统的核心功能模块；采用统一的数据结构和工程数据库成为CAD软件开发的趋势。此时，CAD系统的应用已开始从大型骨干企业向中小企业扩展，从发达国家向发展中国家扩展。以美国为例，1981年CAD系统安装数为5000套，1983年超过12000套，1988年达到63000套。5 .20世纪90年代CAD技术的集成化期此时，PC微机加微软的Windows操作系统、工作站加UNIX操作系统、以太网(Ethernet)为主体的网络环境构成了CAD系统的主流平台。CAD系统的图形功能日益增强，图形接口趋于标准化，GKS,IGES,CGI,STEP等标准及规范得到广泛的应用，实现了CAD系统之间、CAD与CAM之间，甚至CAD与其他CAX系统的信息兼容和数据共享。CAD软件系统由单一功能向集成功能转变，软结构和软总线技术得到普遍应用，并与企业其他计算机辅助技术有机结合，构成计算机集成制造系统。6 .2.3计算机辅助设计的关键技术计算机辅助设计已经被越来越多的人所接受，并广泛用于产品的设计和开发，其技术的实现涉及如下关键技术。1 .产品的造型建模技术建模技术是