機械CAD 技術在機械可靠性優化設計中的應用

王霄琳

德州職業技術學院

隨著信息行業的飛速發展，計算機在各行各業都有了廣泛的應用。各種新的計算機技術以及設計方法等都在機械設計領域被應用，這很大程度的完善了機械設計的過程。現在CAD 在機械設計中已經被廣泛應用，該項技術的應用促進了制造技術的飛快發展。CAD 技術的應用不僅提高了制造業設計過程的效率與質量，同時也很大程度改善了傳統的設計方法。本文將對機械CAD 技術在機械可靠性優化設計中的應用方面進行簡單的探討。

機械CAD 技術的概述

構成與功能

機械CAD 技術主要表現在CAD 的系統之中，CAD系統主用是用戶用來實現設計的理念，從整體上可以分為：基礎層、應用層和支撐層。基礎層主要由計算機、相關設備和系統構成；應用層是專門針對不同的CAD 應用領域的不同需求專門的軟件構成；支撐層是包含了計算機的數據庫管理軟件等一系列相關軟件構成。一般通用的CAD系統具備以下基本功能：第一，處理常規設計、可靠設計、仿真設計以及進行動態分析。第二，具備相關的輸入輸出功能。第三，進行數據庫的管理，適合不同CAD 的數據交換和接口。第四，其他的一些功能，比如進行基本的編輯和文字處理等。

機械CAD 與傳統設計的對比

使用CAD 技術進行設計，方便、效率高，整個過程都可以進行模擬仿真。而傳統傳統的設計，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量上CAD 技術在機械設計中都有很大的優勢。

CAD 技術在機械設計中的優點

更加接近人的思維過程

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

縮短了機械設計周期

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

零件設計和修改操作簡單

在三維的CAD 設計系統中，完成一個新的零件有兩種簡便的方式，一是在裝配的環境中設計新的零件；二是利用零件相鄰的形狀和位置關系設計出新的零件。這兩種方法都很簡單方便，并且還避免了設計中的零件出錯問題。在該系統中還有零件的查找器，在完成設計時，查找器會自動列出完成零件的所有閔玲指令，想要查看零件的設計完成步驟，點擊相應的命令直接就會彈出詳細的說明。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，也能通過點擊相應的命令指令進入零件的編輯環境來完成修改。所以不管是在零件的設計還是修改的過程都很簡單方便。

裝配零件方便直觀

在設計中利用不同的裝配系統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系全部記錄下來，如果哪個環節出現問題或者不正確，查找器就能顯示出來，同時可以對兩件進行靜干涉檢查，一旦有問題可以及時進行修改。零件還可以進行隱藏，隱藏的零件可以直接看到內部的裝配結構。在機器部件裝配完成后還能進行運動演示，對于特殊要求的，也能檢查是否滿足要求。在計算機上設計出來的零件先進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。

提高機械產品的技術含量和質量

機械產品與信息技術的相互融合，使得機械產品設計進入了一個新的發展階段。三維的CAD 技術采用先進的設計方法，對于產品的設計質量上也有了更好的保證。現在我國大型的企業數控的加工技術也較為完善，CAD 設計配合數控的生產，這樣一致性的生產，保證了產品的質量。

機械CAD 技術的應用探析

運用機械CAD 技術封裝性，改變數據內部結構在面對對象的程序設計中，CAD 的技術能夠實現不改變數據程序，對內部的結構進行改變，也就是阻止了某一對象專一的訪問某一程序。在應用程序過程中，一定要保證數據代碼的一致性，還要對捆綁對象進行數據結構和數據的操作，使這些數據成為一個整體，對于操作過程細節也能隱藏。CAD 技術進行的技術封裝和抽象的應用設計程序。而訪問對象，只是通過公共界面的一些操作函數進行訪問，所以數據在使用過程更加方面，不用關心其內部的具體結構和組成。

機械CAD 技術在建模中的應用

在CAD 技術的面向對象設計的建模過程應用非常廣泛。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系圖。面向對象的CAD 機械產品建模更多的應用于時間中，主要是完成對數據結構進行抽象化，從而實現對系統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 的機械設計過程。再利用其他的一些語言程序設計語言，實現各個過程的機器語言化，通過程序編程，最終完成CAD 設計整個過程的實現。

CAD 技術的發展趨勢

規范化

CAD 技術在機械設計方面的規范化發展趨勢主要體現在以下幾個方面：數據模型的規范化、數據交換格式的標準化和CAD 資源的規范化等。現在STEP 標準體系逐步趨于完善，這將對CAD 系統中的幾何數據、工程數據模型等的開發更加有利。以前的標準接口不能完全滿足現代的CAD 數據的交換要求。但是參數化的模型目前還沒有真正的解決。

智能化

CAD 技術的智能化方面有了進一步的發展，主要體現在特征造型和參數的設計方面。這些軟件不僅是簡單的提供繪制工具或者是將線面的數據進行存儲，不去管理內在的聯系。特征和參數的引入使得CAD 的功能更加強大，可以更大程度的將工程數據集中起來，放入到數據模型中。

信息集成化

現在的系統軟件已經不是由單一的軟件構成，為了進一步提高設計的效率和設計產品的質量，信息的集成化必不可少。CAD 的技術在產品的建模過程中，全過程都需要數據庫系統，所以，建模過程中的數據處理是一個很重要的方面。數據需要進行數組化和規范化的處理。在整個過程中都有數據產生，所以數據量很大，在龐大的數據量交換過程中還要不斷完善各種規范標準，還要進行交換規模。要有效管理數據，做好產品在整個生命周期中的數據管理，就要提高軟件系統的集成水平。

機械CAD 技術在機械設計中的可靠性優化設計

在CAD 的優化設計當中，會涉及大量的迭代計算，而且一些復雜的機械系統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展是很有必要的。在復雜的、大型的設計中都離不開大型的計算機的運算。傳統的優化設計方案只是在設計中采用安全系數的方式來保證可靠性。但是這種方式會造成產品的可靠度過大，也就是在一定程度上產生了浪費。但是可靠性優化設計方案并不是采用的優化設計方案。在一些設計過程中，只是采用優化的設計方案或者是可靠性的設計方法進行設計，就不能取得預期的目標。可卡凹形的設計方法可以很好的與可靠性的設計理論相結合，這樣就會揚長避短，最終得到最合適的設計方案。不過可靠性的優化設計在機械CAD 的支持平臺下進行的。在設計的過程中要求各個環節互相協調起來，數據進行互通，信息要能實現共享，顯然復雜的計算分析需要計算機系統的支撐。所以計算機技術的飛快發展為CAD 技術的使用提供了很大的便捷，使CAD 技術在機械設計中有了更加充分的發揮。

總結

機械CAD 技術在機械工程設計中應用很廣泛，主要是在三維立體的基礎上，利用數據結構進行可靠優化設計。不論是從設計的思想、設計質量還是整個設計的效率上都比傳統的機械設計有明顯的效果。現代的CAD 技術也在不斷向新的方向發展，為機械設計的快速、更好的發展起到了推動作用。