分析三维CAD技术在机械设计中的应用

【摘 要】在机械设计领域三维CAD技术是较早的计算机应用技术，其设计手段随着不断发展的现代信息技术也在不断发生着变化。在机械设计中运用三维CAD技术促使机械设计日渐成熟。本文介绍了三维CAD技术的概念，在机械技术中的运用优势，在机械技术中的具体应用，并对三维CAD技术的集成化、智能化、规范化发展趋势进行了简要分析。

【关键词】机械设计；三维CAD；参数化；建模技术

以电子技术和计算机技术为基础兴起了CAD技术，当前在汽车、飞机、轻工、建筑、服装、机械、纺织、船舶、化工、电子等行业CAD技术都得到了广泛的应用，其中CAD技术应用比例最大的就是机械类设计。

1 三维CAD技术的概念

三维CAD技术作为CAD技术的核心，其以三维模型为基础，经历了多个发展阶段才逐渐发展成型，三维结构如果建造好，那么二维模型的构建也就非常简单了，三维CAD技术我们也将其称为建模技术。三维造型与三维设计、仿真、图样档案管理、三维转二维、机构运动分析等是三维CAD技术的主要内容。完备的三维CAD技术能够满足几何图形的性能和形状要求，能够让其各个方面的指标都达到一个比较完美的状态。三维CAD技术能够充分发挥设计者的创造力和想象力，符合创造者的设计思维。在机械设计中的运用三维CAD技术能够让产品的虚拟、仿真设计达到最佳状态，能够解决产品设计质量和工程绘图质量问题。可以说掌握三维CAD技术在当今社会背景下是机械设计人员必备的一种基本技能。

2 在机械技术中三维CAD技术的运用优势

2.1 设计作品更加直观形象

在设计作品时，一种立体的实体是最原始的设想。但是因为设计手段的限制，在平面图纸上设计人员很难将其绘制出例题的效果，一般三维构想都是用正投影所形成的二维方法来进行绘制。随着CAD技术的发展，构想中的三维作用在软件的辅助下绘制出来已经不再是不可能。其中三维CAD技术能够让作品更加直观形象。利用该技术所创作的作品利于设计者进行更直观的检查工作，能让人一目了然， 在设计阶段利用该技术还可以进行模拟装配和模拟运转，可以让作品更加使用实际应用。

2.2 实现参数化和变量化设计

进行三维设计的主要思想就是进行参数化设计和变量化设计。传统的CAD技术如果要进行画图修改，那么就需要进行重新绘制，只是用固定尺寸进行几何元素的定义，但是我们在进行作品设计的时候要想生成完整的作用，往往都要进行多次修改，所以，在设计过程中这就带来了不必要的时间浪费和巨大的麻烦，虽然二维的CAD具有一定的参数化功能，但是在建立于装配环境的参数化设计的实现上同样存在着非常大的难度。而在三维CAD设计中的参数化和变量化板块，对零件设计因某些尺寸变化而产生的变化能够进行自动修改，对以装配环境为基础的参数化设计也可以进行装配，其中的某个零件的尺寸即使是出现了变化，其也会根据其他零件的尺寸相应的进行调整。这就很大程度减轻了设计人员的修改工作量，减少了修改的工作时间和工作量，提高了设计速度，节省了时间，同时也避免了信息过于繁杂的问题。

2.3 对零部件可以进行有限元分析和优化设计

实际工作数据和设计计算时的数据传统的设计方法无法保证其高度接近，容易加大危险系数，会降低零部件的可靠性，特别是一些重要的受力复杂的零件数据。对零部件三维CAD技术能够进行有限元分析，对经过参数化后的重要零部件输入到有限元网络中进行形状优化分析、受力变形分析、振动分析。如果发现分析的结果与实际要求不相符合，那么就需要重新进行设计和计算，直到符合实际要求为止。这样一来就提高了产品的可靠性，降低了材料的浪费，无论是安全系数还是设计效率都得到了很大程度的提高。

3 在机械设计中三维CAD技术的应用

3.1 模具ADM/CAD的集成制造

制造行业生产技术的改革随着科学技术的快速发展也在不断地深入，从人工设计制图向CAM/CAE/CAD的转变，从普通机床转向加工中心和数控机床，当前的制造行业正在逐步向计算机化和数字化发展。代表了当前制造业的现代技术发展方向的有：模具CAD/CAM，（RPM）激光快速成型技术等。由曲面造型、有限元分析、仿真模拟、动态显示、图形编辑、三维绘图、数控加工等功能模块构成了一套完整的CAM/CAD软件开发系统，这些软件系统的组成模块，其以工程数据库为基础，统一对数据进行了运用和管理。

3.2 装配图的实体生成和零件的实体建模

3.2.1 生成实体装配图

在完成零件的实体建模后，在某一机器运动的特定位置，使用在机器运动过程中相关的资料，然后再根据各个零件的坐标具体进行装备，利用三维CAD软件中的三维编辑功能能够实现这一过程。

3.2.2 零件的实体三维建模

表面模型、实体模型、线框模型，是CAD的三种建模方式。一些比较基本的体系在大部分CAD软件中都是存在的，比如说在AutoCAD的三维建模中，系统就提供了六种基本的体系，分别是：立方体、圆柱体、环状体、球体、楔形体、圆锥体。可以通过系统的结构对相对比较简单的零件进行分析，可以将零件分为若干个基本体，然后在进行对这些基本体的相关三维实体造型，最后在进行对其并、差、交的布尔运算，零件的三维实体模型这样一来就可以得出了。

3.3 CAE软件的应用

工程数据分析、运动学/动力学仿真、结构优化设计、寿命预估、强度设计评价等等是机械CAE系统的几项主要功能。当造型的问题由三维CAD技术解决好之后，才可以运用CAE解决机械的刚度、材料、运动特性、干涉、碰撞问题、刚度、动态特性、寿命、结构合理性等等。

4 在机械设计中三维CAD技术的运用趋势

随着在机械设计中三维CAD技术的不断发展和广泛应用，三维CAD技术也正在逐步向规范化、智能化、集成化的方向发展。

4.1 规范化

三维CAD技术将几何数据和工程数据模型作为开发自身系统的主要依据。数据模型规范化、数据交换格式标准化、CAD资源规范化是三维CAD技术规范化趋势的集中表现。

4.2 集成化

三维CAD技术集成了计算机软硬件、数据库、外围设备、网络等，其不是一种孤立的技术。同时三维CAD技术又与管理信息系统（MIS）、制造资源管理（MRP）、计算机辅助制造（CAM）等相关的系统集成。三维CAD技术随着快速发展的现代信息技术也逐渐开始实现CAM/CAD的集成，这也是其今后的一个重要发展方向和研究方向。

4.3 智能化

三维CAD智能化的重要表现和进步就体现在特征造型和参数设计。通过引入特征和参数让用户在使用软件的时候更加便利、快捷，工程数据的概念三维CAD软件能够更大限度地继承到数据的模型当中。

5 总结

三维CAD技术经历了多个发展阶段才逐渐发展成型，其设计作品更加直观形象，可以实现参数化和变量化设计，对零部件可以进行有限元分析和优化设计，可以进行模具ADM/CAD的集成制造，零件的实体三维建模等等。本文介绍了三维CAD技术的概念，在机械技术中的运用优势，在机械技术中的具体应用，以及三维CAD技术的发展趋势。

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[责任编辑：王静]