淺析計算機輔助機械設計

張學禮

【摘 要】隨著我國社會經濟和科技水平的不斷提高，計算機輔助機械設計得到飛速發展，為機械設計和過程裝備制造的工程設計提供了非常重要和強大的保障。文章主要闡述了計算機輔助機械設計的概述，分析了計算機輔助機械設計在機械設計中的優點，并探討其應用優勢。

【關鍵詞】輔助機械設計;AutoCAD;Pro/E;應用

【中圖分類號】TP3;TH1 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）08-0058-02

1 計算機輔助機械設計的含義和功能

計算機輔助機械設計（Computer Aided Machine Design）是指計算機輔助設計（Computer Aided Design，簡稱CAD）技術在機械設計中的應用，以計算機作為工具，將人的創造性思維與計算機的高速數據處理、數據存儲等功能相結合，完成對產品或工程的設計、繪圖、工程分析和文檔制作等，并達到提高產品設計質量、縮短產品開發周期、降低產品成本目的的設計方法，屬于計算機輔助設計技術的主要應用領域之一。計算機輔助機械軟件不僅有機械設計，還包括輔助工程CAE（Computer Aided Engineering）和機械輔助制造CAM（Computer Aided Manufacturing）。

計算機輔助機械設計的任務是開發集設計計算、資料處理、數據管理及自動繪圖等多項功能于一體的應用軟件，其主要功能包括以下幾點。

（1）機械的初步設計。機械的初步設計過程主要體現在計算機輔助機械設計。

在機械設計中，機械零件會失效。此時就有機械設計計算準則，如強度準則、剛度準則、耐磨性準則和可靠性準則等，都涉及大量的數值計算。對于這些常規性、重復性的設計計算工作，由計算機輔助來完成，可使設計人員從大量的重復性工作中解脫出來。

在機械設計優化過程中，設計人員通過給定的設計條件和功能，從不同的數值選擇機械零件。計算機輔助設計可以直接對機械零件各種參數進行變更，以滿足機械零件的設計要求。設計者可將具體的機械問題模型化，建立和優化數學模型后保存，也可在今后遇到相同問題時調出模型，便可直接得出結果。

在機械設計過程中，需要引用和查詢大量的標準、規范性基礎數據或模塊（如標準的螺釘螺母）。數據庫管理可以實現這一功能，將這些標準、規范性的基礎數據儲存在計算機內，在需要使用時可直接調用。在設計過程中使用檢索功能，能讓設計更加簡便與省時。

（2）對機械的性能分析和模擬仿真。這一過程主要體現在計算機輔助機械工程CAE。

機械設計要求實用性，且生產出來后能提高生產效率，那么機械設計的運動仿真，需要機械設計者在結構或零部件設計完成后進行模擬，其間涉及大量的運動計算與運動過程。利用計算機輔助機械工程CAE，便可以使設計者清楚地了解到機械運動的各個瞬間，包括姿態、軌跡、受力情況等。

說到CAE，不得不說有限元分析。利用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬。簡單地說，它是通過將整個機械結構劃分成有限元網格，通過數值計算可以精確地分析機械結構中任意點的應力和位移等數值，被廣泛應用在機械與結構分析、熱力學分析、電磁學分析和耦合場分析等。

機械結構是否合理，可以利用計算機輔助機械工程進行可靠性分析。外觀設計的真實感，通常由三維軟件造型來完成，可以直觀地獲得產品的最終視覺效果，也可以利用計算機仿真技術對機械產品的外觀進行氣體動力學、液體動力學等分析。這些過程體現了CAD與CAE和設計者之間的交互。

（3）計算機輔助軟件的自動繪圖。這一過程主要體現在機械輔助制造CAM。

機械的產品（結構）設計出來后，主要是用于生產制造。計算機輔助繪圖利用交互型CAD系統將零部件從三維軟件中制作出二維的工程圖，并添加尺寸標注、名稱、工藝、材料、編號等，供生產制造部門按圖紙加工、焊接并裝配。

圖樣的生成由三維軟件自動生成，這一過程也體現了CAD、CAM與設計者之間的交互。計算機輔助機械設計過程中，無不體現了CAD、CAE與CAM的相互應用和計算機的智能，極大地便利設計者的工作。

2 計算機輔助機械設計的特點

自計算機被應用到機械工業后，計算機輔助機械設計就貫穿于整個機械設計。其具有以下主要特點：①利用計算機三維輔助設計軟件進行機械設計，完全根據設計者的思維來進行設計。②設計者直接在計算機三維輔助設計軟件上進行機械結構優化、材質更改等。③機械模型可以直觀地在計算機三維輔助軟件上展示，不用文字描述。④機械模型可以直接儲存在計算機里，以便下次調用。⑤三維軟件可以對機械模型進行機械性能分析和有限元分析，使設計者能清楚地知道機械結構的姿態、軌跡、外觀和造型等。⑥可由三維模型直接生成二維工程圖，以便今后的制造加工、焊接和裝配。

3 計算機輔助機械設計具體應用

整個機械設計過程很繁雜，包括機械產品設計的一般要求、內容與步驟、零件的失效形式和設計計算準則等。

（1）機械產品設計的一般要求。機械產品設計一般應該滿足以下要求：①實現預定功能，并且在規定的工況下正常運行。②滿足可靠性要求。由于機械系統是由許多零部件組成，其可靠程度取決于零部件的可靠度（例如精度要求、載荷、材料及熱處理等），因此在設計機械產品時，盡量減少零部件數目。③滿足經濟性要求，使產品的設計和制造成本低、耗能少等。④操作方便，工作安全，有利于減輕工作人員的勞動強度，避免發生人身及設備事故。⑤造型完美，減少污染，使產品外觀富有時代特征（例如流線型），盡量降低噪音，減輕對環境的污染。

（2）機械產品設計的基本階段。產品設計內容有產品規劃、方案設計、技術設計、制造及實驗等階段。設計機械零件的一般步驟：①根據產品的具體運作情況進行簡單的計算，以確定零件載荷。②根據零件工作情況，分析判斷其失效形式，進而確定計算準則。③對零件主要參數選擇（例如根據零件尺寸選定材料，并考慮熱處理及結構工藝性要求等）。④進行結構設計（要求形狀不能過于復雜，以致無法加工或者不能達到其工藝要求）。⑤計算機輔助制造（CAM），利用三維軟件繪制零件圖，制定技術要求，編寫計算說明書及相關制造的技術文件。

（3）機械零件常見失效形式。在進行機械零件設計時，必須考慮零件的失效形式。零件的失效形式一般包括應力超過零件的極限強度（強度極限和疲勞強度）、塑性變形、表面磨損腐蝕、破壞正常工作條件引起的失效等。根據零件不同的失效原因，建立設計的計算準則。計算準則包括強度準則、剛度準則、耐磨性準則、散熱性準則和可靠性準則。

4 使用計算機輔助機械設計的優勢

機械設計過程不僅是對機械結構（零部件）的設計（優化），更涉及大量的計算、參數選擇、可靠性分析等。在此過程中，設計者無法每次對實際的機械加工、熱處理等進行試驗，這樣會浪費大量的人力、物力和財力。此時，如果利用計算機輔助機械設計來進行機械產品設計，一方面可以讓設計者直觀地看到機械產品的現狀并發現其不足，實時優化結構和參數，使設計出的產品能夠進行機械加工制造;另一方面計算機輔助設計相關參數等可以直接為今后的計算機輔助制造提供參考依據，從而大大縮短產品設計開發周期，提高設計效率。

5 典型軟件介紹

在實際工作中，很多機械類公司均應用了計算機三維輔助機械設計軟件。以下對典型的CAD/CAM軟件進行介紹。

（1）AutoCAD軟件。提及二維平面圖，絕大多數人都會想到AutoCAD軟件繪制。AutoCAD系列軟件是Autodesk公司的產品，也是最早進入國內市場的二維平面軟件。AutoCAD軟件最早是針對二維設計繪圖而開發，隨著其產品日益成熟，如今正朝著三維產品設計發展，但由于其自身的局限性，三維設計中實體造型能力不足。總的來說，其操作較為簡單，對計算機要求較低，作為一套二維軟件來說，還是非常好用的，其應用范圍涉及各個領域（如機械制造、室內設計、路橋設計等）。

（2）Pro/Engineer軟件。Pro/Engineer簡稱Pro/E，相較于其他三維軟件其優勢是參數化、基于特征、全相關等。該軟件主要是對產品進行三維實體建模、三維實體零件加工及對產品進行有限元分析。該軟件的參數化特征造型是其主要功能，它貫穿于整個設計過程，包括特征、曲面及線框模型等。系統經過多年努力，把參數化應用到工程設計的各個模塊（如三維繪圖、工程圖、工程分析、數控編程、布線、計算等）。由于系統不斷更新，近年來Pro/E出了5.0版本后就沒有再更新，而更名為Creo。兩者最大的不同點：①特點不同。Creo具備互操作性、開放、操作簡單三大特點，而且Creo消除了CAD行業中很多未能解決的問題。②模塊的組成不同。

（3）SolidWorks軟件。SolidWorks軟件是功能強大的三維造型軟件，該軟件窗口界面操作簡單，支持各種運算功能，可以實時進行相關性的參數尺寸驅動。例如：當修改某零件外形尺寸，就會使裝配圖、工程圖的外形尺寸等發生相應改變;另外，該軟件使用全中文窗口式菜單操作，給使用者帶來極大便利。該軟件具有智能裝配、動態運動模擬、直觀干涉檢查、產品外觀效果處理等功能，還能快速將設計好的產品轉換為能夠進行數控加工的二維平面工程圖，使CAD與其有機結合。

6 結語

本文不僅介紹了計算機輔助機械設計的含義、作用和特點，還闡述了常用的三維軟件使用范圍。學習軟件不僅是學會簡單操作，還要了解更多機構結構，從而學好并運用機械設計。軟件學習并非一朝一夕，需要堅持學習并加以實踐。關于軟件的配置文件，還需要學習者根據自身習慣進行定義。

參 考 文 獻

[1]陳立德.機械設計基礎[M].第3版.北京：高等教育出版社，2102.

[2]CAD/CAM/CAE.ANSYS 15.0有限元分析從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2018.

[3]付建軍.模具制造工藝[M].北京：機械工業出版社，2013.