浅析计算机辅助机械设计

张学礼

【摘 要】随着我国社会经济和科技水平的不断提高，计算机辅助机械设计得到飞速发展，为机械设计和过程装备制造的工程设计提供了非常重要和强大的保障。文章主要阐述了计算机辅助机械设计的概述，分析了计算机辅助机械设计在机械设计中的优点，并探讨其应用优势。

【关键词】辅助机械设计;AutoCAD;Pro/E;应用

【中图分类号】TP3;TH1 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）08-0058-02

1 计算机辅助机械设计的含义和功能

计算机辅助机械设计（Computer Aided Machine Design）是指计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）技术在机械设计中的应用，以计算机作为工具，将人的创造性思维与计算机的高速数据处理、数据存储等功能相结合，完成对产品或工程的设计、绘图、工程分析和文档制作等，并达到提高产品设计质量、缩短产品开发周期、降低产品成本目的的设计方法，属于计算机辅助设计技术的主要应用领域之一。计算机辅助机械软件不仅有机械设计，还包括辅助工程CAE（Computer Aided Engineering）和机械辅助制造CAM（Computer Aided Manufacturing）。

计算机辅助机械设计的任务是开发集设计计算、资料处理、数据管理及自动绘图等多项功能于一体的应用软件，其主要功能包括以下几点。

（1）机械的初步设计。机械的初步设计过程主要体现在计算机辅助机械设计。

在机械设计中，机械零件会失效。此时就有机械设计计算准则，如强度准则、刚度准则、耐磨性准则和可靠性准则等，都涉及大量的数值计算。对于这些常规性、重复性的设计计算工作，由计算机辅助来完成，可使设计人员从大量的重复性工作中解脱出来。

在机械设计优化过程中，设计人员通过给定的设计条件和功能，从不同的数值选择机械零件。计算机辅助设计可以直接对机械零件各种参数进行变更，以满足机械零件的设计要求。设计者可将具体的机械问题模型化，建立和优化数学模型后保存，也可在今后遇到相同问题时调出模型，便可直接得出结果。

在机械设计过程中，需要引用和查询大量的标准、规范性基础数据或模块（如标准的螺钉螺母）。数据库管理可以实现这一功能，将这些标准、规范性的基础数据储存在计算机内，在需要使用时可直接调用。在设计过程中使用检索功能，能让设计更加简便与省时。

（2）对机械的性能分析和模拟仿真。这一过程主要体现在计算机辅助机械工程CAE。

机械设计要求实用性，且生产出来后能提高生产效率，那么机械设计的运动仿真，需要机械设计者在结构或零部件设计完成后进行模拟，其间涉及大量的运动计算与运动过程。利用计算机辅助机械工程CAE，便可以使设计者清楚地了解到机械运动的各个瞬间，包括姿态、轨迹、受力情况等。

说到CAE，不得不说有限元分析。利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。简单地说，它是通过将整个机械结构划分成有限元网格，通过数值计算可以精确地分析机械结构中任意点的应力和位移等数值，被广泛应用在机械与结构分析、热力学分析、电磁学分析和耦合场分析等。

机械结构是否合理，可以利用计算机辅助机械工程进行可靠性分析。外观设计的真实感，通常由三维软件造型来完成，可以直观地获得产品的最终视觉效果，也可以利用计算机仿真技术对机械产品的外观进行气体動力学、液体动力学等分析。这些过程体现了CAD与CAE和设计者之间的交互。

（3）计算机辅助软件的自动绘图。这一过程主要体现在机械辅助制造CAM。

机械的产品（结构）设计出来后，主要是用于生产制造。计算机辅助绘图利用交互型CAD系统将零部件从三维软件中制作出二维的工程图，并添加尺寸标注、名称、工艺、材料、编号等，供生产制造部门按图纸加工、焊接并装配。

图样的生成由三维软件自动生成，这一过程也体现了CAD、CAM与设计者之间的交互。计算机辅助机械设计过程中，无不体现了CAD、CAE与CAM的相互应用和计算机的智能，极大地便利设计者的工作。

2 计算机辅助机械设计的特点

自计算机被应用到机械工业后，计算机辅助机械设计就贯穿于整个机械设计。其具有以下主要特点：①利用计算机三维辅助设计软件进行机械设计，完全根据设计者的思维来进行设计。②设计者直接在计算机三维辅助设计软件上进行机械结构优化、材质更改等。③机械模型可以直观地在计算机三维辅助软件上展示，不用文字描述。④机械模型可以直接储存在计算机里，以便下次调用。⑤三维软件可以对机械模型进行机械性能分析和有限元分析，使设计者能清楚地知道机械结构的姿态、轨迹、外观和造型等。⑥可由三维模型直接生成二维工程图，以便今后的制造加工、焊接和装配。

3 计算机辅助机械设计具体应用

整个机械设计过程很繁杂，包括机械产品设计的一般要求、内容与步骤、零件的失效形式和设计计算准则等。

（1）机械产品设计的一般要求。机械产品设计一般应该满足以下要求：①实现预定功能，并且在规定的工况下正常运行。②满足可靠性要求。由于机械系统是由许多零部件组成，其可靠程度取决于零部件的可靠度（例如精度要求、载荷、材料及热处理等），因此在设计机械产品时，尽量减少零部件数目。③满足经济性要求，使产品的设计和制造成本低、耗能少等。④操作方便，工作安全，有利于减轻工作人员的劳动强度，避免发生人身及设备事故。⑤造型完美，减少污染，使产品外观富有时代特征（例如流线型），尽量降低噪音，减轻对环境的污染。

（2）机械产品设计的基本阶段。产品设计内容有产品规划、方案设计、技术设计、制造及实验等阶段。设计机械零件的一般步骤：①根据产品的具体运作情况进行简单的计算，以确定零件载荷。②根据零件工作情况，分析判断其失效形式，进而确定计算准则。③对零件主要参数选择（例如根据零件尺寸选定材料，并考虑热处理及结构工艺性要求等）。④进行结构设计（要求形状不能过于复杂，以致无法加工或者不能达到其工艺要求）。⑤计算机辅助制造（CAM），利用三维软件绘制零件图，制定技术要求，编写计算说明书及相关制造的技术文件。

（3）机械零件常见失效形式。在进行机械零件设计时，必须考虑零件的失效形式。零件的失效形式一般包括应力超过零件的极限强度（强度极限和疲劳强度）、塑性变形、表面磨损腐蚀、破坏正常工作条件引起的失效等。根据零件不同的失效原因，建立设计的计算准则。计算准则包括强度准则、刚度准则、耐磨性准则、散热性准则和可靠性准则。

4 使用计算机辅助机械设计的优势

机械设计过程不仅是对机械结构（零部件）的设计（优化），更涉及大量的计算、参数选择、可靠性分析等。在此过程中，设计者无法每次对实际的机械加工、热处理等进行试验，这样会浪费大量的人力、物力和财力。此时，如果利用计算机辅助机械设计来进行机械产品设计，一方面可以让设计者直观地看到机械产品的现状并发现其不足，实时优化结构和参数，使设计出的产品能够进行机械加工制造;另一方面计算机辅助设计相关参数等可以直接为今后的计算机辅助制造提供参考依据，从而大大缩短产品设计开发周期，提高设计效率。

5 典型软件介绍

在实际工作中，很多机械类公司均应用了计算机三维辅助机械设计软件。以下对典型的CAD/CAM软件进行介绍。

（1）AutoCAD软件。提及二维平面图，绝大多数人都会想到AutoCAD软件绘制。AutoCAD系列软件是Autodesk公司的产品，也是最早进入国内市场的二维平面软件。AutoCAD软件最早是针对二维设计绘图而开发，随着其产品日益成熟，如今正朝着三维产品设计发展，但由于其自身的局限性，三维设计中实体造型能力不足。总的来说，其操作较为简单，对计算机要求较低，作为一套二维软件来说，还是非常好用的，其应用范围涉及各个领域（如机械制造、室内设计、路桥设计等）。

（2）Pro/Engineer软件。Pro/Engineer简称Pro/E，相较于其他三维软件其优势是参数化、基于特征、全相关等。该软件主要是对产品进行三维实体建模、三维实体零件加工及对产品进行有限元分析。该软件的参数化特征造型是其主要功能，它贯穿于整个设计过程，包括特征、曲面及线框模型等。系统经过多年努力，把参數化应用到工程设计的各个模块（如三维绘图、工程图、工程分析、数控编程、布线、计算等）。由于系统不断更新，近年来Pro/E出了5.0版本后就没有再更新，而更名为Creo。两者最大的不同点：①特点不同。Creo具备互操作性、开放、操作简单三大特点，而且Creo消除了CAD行业中很多未能解决的问题。②模块的组成不同。

（3）SolidWorks软件。SolidWorks软件是功能强大的三维造型软件，该软件窗口界面操作简单，支持各种运算功能，可以实时进行相关性的参数尺寸驱动。例如：当修改某零件外形尺寸，就会使装配图、工程图的外形尺寸等发生相应改变;另外，该软件使用全中文窗口式菜单操作，给使用者带来极大便利。该软件具有智能装配、动态运动模拟、直观干涉检查、产品外观效果处理等功能，还能快速将设计好的产品转换为能够进行数控加工的二维平面工程图，使CAD与其有机结合。

6 结语

本文不仅介绍了计算机辅助机械设计的含义、作用和特点，还阐述了常用的三维软件使用范围。学习软件不仅是学会简单操作，还要了解更多机构结构，从而学好并运用机械设计。软件学习并非一朝一夕，需要坚持学习并加以实践。关于软件的配置文件，还需要学习者根据自身习惯进行定义。

参 考 文 献

[1]陈立德.机械设计基础[M].第3版.北京：高等教育出版社，2102.

[2]CAD/CAM/CAE.ANSYS 15.0有限元分析从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2018.

[3]付建军.模具制造工艺[M].北京：机械工业出版社，2013.