数字化设计与仿真 简答(2)

第一章

P32页习题

1.什么是数字化设计和数字化仿真，它们分别涵盖哪些环节和内容?

数字化设计(DD)是以实现新产品设计为目标，以计算机软硬件技术为基础，以数字化信息为辅助手段，支持产品建模、分析、修改、优化以及生成设计文档的相关技术的有机集合. 广义的数字化设计技术涵盖以下内容:

1) 利用计算机进行产品的概念化设计、几何造型、虚拟装配、工程图生成及设计相关文档。

2) 利用计算机进行产品外形、结构、材质、颜色的优选及匹配，以满足顾客的个性化需求，实现最佳的产品设计效果。

3) 利用计算机分析产品公差、计算质量特性、计算体积和表面积、分析干涉现象等。 4) 利用计算机对产品进行有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动学及动力学仿真验证等，以实现产品拓扑结构和性能特征的优化。

2.论述数字化设计、数字化制造与产品开发之间的关系。

数字化设计和数字化制造技术自然地结合起来，并与产品开发的领域知识、数字化管理技术等学科之间相互渗透，进而形成支持产品全生命周期的数字化开发集成技术。

以产品的开发的角度来看，设计与制造有着密切的关系，两者之间存在着双方联系，只有数字化仿真与设计结合，产品数字化设计模型的信息才能充分利用，同样的只有基于产品的数字化设计模型的信息，体现数控加工及数字化制造的高效特性。

3.论述数字化设计与CAD技术之间的关系。

数字化设计技术起步于计算机图形学经历了计算机辅助设计（CAD）阶段，最终形成涵盖产品设计大部分环节的数字化设计。

4.产品设计模型与产品分析模型之间的区别是什么? 产品设计模型是产品的概念化设计方案，而概念化设计方案是设计人员对各种可能方案进行讨论和评价的结果，可以勾勒出产品初步的布局和草图，定义出产品各部件之间的内在联系及约束关系，而产品设计模型以定量方法对概念化设计模型进行描述而在分析，优化，评价后，并种鸽各方面的因素，决定的最终产品设计方案。 5.试论述数字化仿真与数字化设计、数字化制造之间的关系。 ①计算机和网络技术是数字化设计的基础 ②计算机只是产品数字化设计辅助工具

③数字化设计能有效地提高产品质量、缩短开发周期、降低生产成本 ④数字化设计只涵盖产品生命周期的某些环节

6. 与传统的产品设计与制造方法相比，数字化设计与数字化制造有哪些优势?

与传统的产品开发相比，数字化设计建立在计算机技术之上。它充分利用了计算机的优点，如强大的信息存储能力、逻辑推理能力、重复工作能力、快速准确的计算能力、高效的信息处理功能等，极大地提高了产品开发的效率和质量。 P98 99页习题

1.计算机绘图软件应具备哪些基本功能？

2.计算机图形学中常用的坐标系有哪些，它们之间有什么样的关系？ 据维度分为一维坐标系、二维坐标系、三维坐标系。

根据坐标系之间的空间关系分为直角坐标系、圆柱坐标系、球坐标系。 3.什么是窗口？什么是视口？窗口和视口的关系如何？

窗口是用户在对象图形上选定的局部观察区域，以便更清晰地观察该部分的图形。

在图形设备上，用来复制窗口内容的矩形区域称为视口。

多数情况下，窗口与视口的大小和单位都不相同，只有当所定义的视口大小与窗口大小相同，而且设备坐标的度量单位与世界坐标的度量单位也相同时，二者之间才为1:1的对应关系。

4.二维和三维几何变换的常见形式有哪些？ 常见的二维几何变换包括平移、旋转和缩放等。

5.线段裁剪的基本原理和过程是什么？

裁剪是指以窗口为边界，将图形分为可见区域和不可见区域，仅保留窗口内的可见部分，去掉窗口外的不可见部分，并按一定比例将可见部分输出到图形输出设备上。

裁剪的基本思路是计算线段与裁剪边界的交点，再通过交点将线段切割开，分别判断切割后的两个子线段与窗口的关系，直到线段与窗口不再有交点，完全在窗口内或窗口外。 6.什么是规则曲线(曲面)，什么是自由曲线(曲面)?控制自由曲线(曲面)的离散点有哪些类型? 规则曲线和曲面：圆、抛物线、螺旋线等曲线和球、圆柱、圆锥等曲面都可以用数学方程式表示，一般称为规则曲线和规则曲面。

自由曲线和曲面：有些曲线和曲面的形状不规则，如飞机机翼、汽车车身、人体外形、卡通形象等，难以用数学方程式表示，一般称为自由曲线和自由曲面。 根据离散点与曲线(曲面)的相对关系，可以将离散点分为三种类型:控制点 型值点 插值点。 7.曲线(曲面)的连续性条件是如何分类的，它们之间的关系如何?

曲线的连续性条件分两类:参数连续性和几何连续性。

通常c'连续能保证G'连续，但G‘连续不能保证c'连续，此外两者生成的曲线形状也有差别。

8.论述Bezier曲线、B样条曲线以及NURBS曲线的特点、区别及联系。证明由5个连续控制点生成的两段三次B样条曲线是连续的。

Bezier曲线的起点和终点与该多边形的起点、终点重合，多边形的其余顶点用来定义曲线的导数、阶次和形状，多边形的第一条边和最后一条边表示曲线在起点和终点的切矢量方向，分别与曲线在起点和终点处相切。Bezier曲线的形状趋于多边折线的形状，改变多边折线的顶点位置可以控制曲线形状的变化Bezier曲线存在的不足:①特征多边形的顶点个数决定了Bezier曲线的阶数。当n较大时，多边形对曲线形状的控制将减弱;②Bezier曲线不能作局部修改，即改变其中任一个顶点的位置，将会对整条曲线产生影响。

B样条曲线保持了Bezier曲线的优点；B样条曲线是分段组成的，特征多边形顶点对曲线的控制更加直观、逼近性更好，样条曲线可以局部修改，多项式阶次较低。

Bezier曲线和B样条曲线都只能近似而不能精确地表示除抛物线以外的二次曲线，由此产生了设计误差。

非均匀B样条函数的节点参数沿参数轴的分布不等距，不同节点矢量形成的B样条函数各不相同，需要单独计算。

9.论述在绘图及产品造型时，消隐、光照模型、纹理以及颜色处理的基本手段和效果. 消隐：

手段：对于消除隐藏线采用直线段的遮挡判断方法，对于消除隐藏面采用画家算法 效果： 消除了图形的工艺性 光照模型：

手段：通过计算物体表面的明暗度的方法确定画图面的明暗程度

效果：模拟光在物体间传递并达到观察者眼里形成视觉成像的复杂过程 纹理处理：

手段：在一个平面区域上预先定义一个纹理图案，定义该图案的平面区域为纹理空间；在建立物体表面的点与纹理空间点之间的映射。物体表面点以纹理处理空间的对应点的值乘以亮度值就可以把纹理图案附再物体表面上。

效果：可以增加图像的质感，使计算机生成的物体更加自然逼真。 颜色处理：

手段：不同比例的红、绿、蓝三种原色为基础，通过混合可以匹配出光谱中任意波长的颜色。

效果：获得产品更高质量的外观特征。 P142

1. 什么是产品造型技术?它经历了那些发展阶段？2.什么是产品的几何信息和拓扑信息？

它研究如何以数学方法在计算机中表达物体的形状、属性及其相互关系，以及如何在计算机中模拟模型的特定状态。产品造型是数字化设计技术的核心内容。 几何信息是指构成几何实体的各几何元素在欧氏空间中的位置与大小。

拓扑信息只考虑构成几何实体的各几何元素的数目及其相互之间的连接关系。

2. 集合描述几何形体的几何元素有哪些种类?

从几何信息的角度:则分别对应于点、直线(或曲线)、平面(或曲面)。上述三种基本元素之间存在多种可能的连接关系。 3 几何形体的层次结构如何?

形体的几何元素及几何元素之间存在以下两种信息:

①几何信息:用以表示几何元素的性质和度量关系，如位置、大小、方向等; ②拓扑信息:用以表示各几何元素之间的连接关系。

4 线框模型、曲面模型与实体模型各有什么优缺点?

二维线框模型

用户需要逐点、逐线地构造模型。

二维线框造型的目标是用计算机代替手工绘图。 三维物体

用它的顶点以及边的集合来描述。(视图 拓扑 二义性) 每个线框模型都包含有两张表: 顶点表 棱线表 线框模型在计算机内存储的数据结构原理。

曲面模型也称为表面模型。它以“面”来定义对象模型，能够精确地确定对象面上任意一个点的X, Y, Z坐标值。 面的信息对于产品的设计和制造过程具有重要意义。物体的真实形状、物性(体积、质量等)、划分有限元网格、数控编程时刀具的轨迹坐标等都需要根据物体面的信息来确定

5.曲面造型与实体造型各有哪些方法? 曲面造型方法 （1）扫描曲面 (2)直纹面

(3)复杂曲面

常见的实体造型方法有: 1.扫描变换法 2.边界表示法 3.体素构造法

6.什么是特征? 特征是如何分类的? 特征造型有哪些特点?

广义的特征是指产品开发过程中各种信息的载体，如零件几何信息、拓扑信息、形位公差、材料、装配、热处理、表面粗糙度等。

狭义的特征则是指具有一定拓扑关系的一组实体体素构成的特定形体。 特征造型的特点

1) 特征造型更好地表达产品完整的技术及生产管理信息，便于建立产品的集成信息模型服务。

2) 操作对象是产品的功能要素，如螺纹孔、定位孔、键槽等。特征的引用直接体现了设计意图，使得所建立的产品模型更容易为别人理解、所设计的图样更容易修改，也有利于组织生产，从而使设计人员可以有更多精力进行创造性构思

3)特征造型有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、装配、检验等各部门之间的联系，更好地将产品的设计意图贯彻到后续环节，并及时地得到后者的反馈信息。 4)特征造型有助于推行行业内产品设计和工艺方法的规范化、标准化和系列化，在产品设计中及早考虑制造要求，保证产品结构具有良好的工艺性。

5)特征造型有利于推动行业及专业产品设计，有利于从产品设计中提炼出规律性知识及规则，促进产品智能化设计和制造的实现 特征的分类 (1) 形状特征 (2)装配特征 (3)精度特征 (4)材料特征

(5)性能分析特性 (6)补充特征

7.试论述参数化造型以及参数化特征造型的概念及其特点。 参数化造型使用约束来定义和修改几何模型。

约束反映了设计时要考虑的因素，包括尺寸约束、拓扑约束及工程约束(如应力、性能)等。

参数化设计中的参数与约束之间具有一定关系。当输入一组新的参数数值，而保持各参数之间原有的约束关系时，就可以获得一个新的几何模型。

将参数化造型的思想应用到特征造型过程中，用尺寸驱动或变量设计的方法定义特征并进行相关操作，就形成了参数化特征造型。

8.什么是产品结构模型? 它有什么功能? 第二章P84

1什么是产品开发的正向工程和逆向工程，它们之间的区别和联系？

正向工程是一个从无到有的过程：设计人员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利用CAD技术建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期。

逆向工程是一个“从有到无”的过程：根据已经存在的产品模型，反向推出产品的设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程。

2根据信息来源的不同，逆向工程是如何进行分类的，它们分别具有什么特点？

(1) 实物逆向信息源：需耍在对实物模型进行测量的基础上，在计算机中重建、修改零件模型，并生成数控加工程序，以完成零件的复制，即实物逆向的目标是实物本身。 (2) 软件逆向信息源：产品的工程图样、流程、算法、数控程序代码、技术文件等，即根据上述软件来复制实物。

(3) 影像逆向信息源：图片、照片或影像等资料，即根据影像复制出实物。

(4) 局部逆向：对于破损艺术品的复原或缺乏备件的损坏零件的修复等，往往不需要对整个零件原型进行复制，而是借助逆向工程技术提取零件原型的设计思想，完成复原工作，也称为局部逆向技术。

3以实物逆向为例，描述逆向工程的基本步骤及每个步骤所涉及到的主要内容？

分析阶段 (1)确定技术指标和设计要求（2）逆向对象分析（3）逆向工程的可行性分析报告

再设计阶段（1)样本零件数据的获取（2）测量数据修正（3）逆向对象模型重构（4）产品的变形设计和创新

制造阶段（1）制造工艺规划（2）零件加工（3）检验 测试

4实物逆向工程的关键技术有哪些？

实物逆向工程的关键技术主要:逆向对象的坐标数据测量、测量数据处理 模型重构 数据处理及模型重构技术等

在进行测量之前，耍认真分析实物模型的结构特点，作出可行的测量规划，主要内容有:

1.基准面的选择及定位2. 测量路径的确定3. 测量参数的选择4. 特殊及关键数据的测量

5坐标数据采集设备是如何分类的，它们有哪些优缺点、适合于什么场合？ （1）以圆规，卡尺，万能量具等简易测量工具进行手工测量 （2）采用机械接触式坐标测量设备

（3）采用激光，数字成像，声学等非接触式坐标设备测量 第一种只能用于结构简单，精度要求低的场合。

第二种测量设备的测量效率低，难以实现快速测量，测量点的密度也受到限制。受机械结构和空间的限制，对某些复杂零件的特殊区域，测头将无法到达而出现测量死区。

第三种测量过程中测头不接触被测表面，避免了测头和被测表面的损伤和测头半径补偿，测量速度快，自动化程度高适用于各种软硬材料和各类复杂曲面模型的三维高速测量。缺点是：数据量大，数据处理过程复杂。

6主要的逆向工程软件有哪些，它们有哪些特点？

（1）Delcam公司的CopyCAD软件

CopyCAD提供了一系列工具，以帮助用户通过点云数据产生光滑的曲面模型，包括通过实物模型产生产品的三维模型、根据修改后的模型更新数字化主模型、基于己有部件设计新的零件等。CopyCAD不仅能与Delcam其他模块集成，还提供了与UG, Pro/Engineer, CATIA等专用接口。

（2） PTC公司的Pro/Engineer软件

ICEM Surf是一个A级自由曲面构造工具。可以无需先构造曲线而直接构造曲面，且在调整过程中可以对曲面进行动态更新和实现曲面质量的动态评价，能将点云数据自动转换成三角形面片模型，也可以用来求任意截面线、边界线和特征线。

（3）EDS公司的Imageware/Surfacer软件 主要功能有:①扫描点的分析及处理，可以接收不同来源的数据，如坐标测量机、激光测量设备、超声波测量设备等:②曲面模型构造，能够快速、准确地将扫描点变换成NURBS曲面模型;③曲面模型精度、品质分析;④曲面修改，曲线和曲面可实时交互形状修改。 （4）浙江大学的RE-Soft软件

RE-Soft软件具有以下特点:①三角形曲面可以灵活地表现各种形状，能满足各种复杂零件的建模要求:②不需要构造曲线，减少了用户的交互式操作，使用简单:③由于采用二角Bezier曲面模型，与其他数字化开发软件的通信不太方便。为此，RE-Soft软件集成了NURBS曲面转换模块和基于三角Bezier曲面模型的曲面加工模块。

（5）. Raindrop公司的Geomagic Studio软件

Geomagic Studio是美国Raindrop公司的逆向工程和三维检测软件产品。它可以根据扫描的点云数据创建出多边形模型和网格，并可自动地转换为NURBS曲面。

主要功能包括:①将点云数据转换为多边形;②多边形的编辑和修改:③把多边形转换为NURBS曲面:④曲面分析;⑤文件格式转换与输出，可以输出IGES, STL, DXF等格式的文件。 （6）. INUS公司的RapidForm软件

RapidForm提供多点云数据管理界面，能够处理无顺序排列的点数据以及有顺序排列的点数据。它还提供过滤点云工具和表面偏差分析技术来消除扫描过程中所产生的不良点云。此外，RapidForm还具有点云合并功能，可以用手动方式将多个扫描数据点加以合并。 第三章 PPT3 P153

1.试论述仿真的定义及分类方法 仿真是通过对系统模型的试验，研究己存在的或设计中的系统性能的方法及其技术 按仿真模型（物理仿真、数学仿真以及物理数学仿真），系统状态（连续系统和离散事件系统），应用性质（系统研制和系统应用）

2.仿真技术在机械产品开发中的功用有哪些? 概念设计 对设计方案进行技术、经济分析及可行性研究，选择合理的设计方设计建模 设计分析 设计优化 制造 样机试验 系统运行

3.数字化仿真的基本步骤是什么?

数字化仿真就是在计算机上将描述实际系统的几何、数学模型转化为能被计算机求解的仿

案 建立系统及零部件模型，判断产品外形、质地及物理特性是否满意 分析产品及系统的强度、刚度、振动、噪声、可靠性等性能指标 调整系统结构及参数，实现系统特定性能或综合性能的优化 刀具加工轨迹、可装配性仿真，及早发现加工、装配中可能存在的问题 系统动力学、运动学及运行性能仿真，虚拟样机试验，以确认设计目标 调整系统结构及参数，实现性能的持续改进及优化 真模型，并编制相应的仿真程序进行求解，以获得系统性能参数的方法及过程

4.与传统的物理仿真方法相比，数字化仿真有哪些优点?

采用数学仿真可以研究实际系统的性能的话，将能显著地降低模型试验的时间及成本

5.论述有限元分析方法的基本原理和求解步骤，有限元软件主要由哪些模块组成?

将形状复杂的连续体离散化为有限个单元组成的等效组合体，单元之间通过有限个节点相互连接;根据精度要求，用有限个参数来描述单元的力学或其他特性，连续体的特性就是全部单元体特性的叠加;根据单元之间的协调条件，可以建立方程组，联立求解就可以得到所求的参数特征。 （1）结构离散 （2）单元分析

（3）单元应变及力分析 （4）整体刚度矩阵叠加 （5）基本方程和边界条件 （6）位移和应力的求解

a前置处理模块b有限元分析模块c后置处理模块d数字管理模块

1) 结构静力分析2) 结构动力学分析3) 结构非线性分析4) 动力学分析5) 热分析6) 电磁场分析7) 流体动力学分析8) 声场分析9)压电分析10) 金属成形过程11) 整车碰撞分析12) 焊接过程分析13) 耦合场分析

6.什么是优化设计，优化设计的数学模型由哪几部分组成?优化设计的一般步骤是什么? 产品优化设计是优化设计的一个分支，它将数学规划理论、计算技术和机械设计三者有机结合，按照一定的逻辑格式优选受各种因素影响和制约的设计方案，以确定最佳方案，使所设计的产品最优。

优化设计的数学模型由设计变量、约束条件和目标函数三个部分组成。

确定目标函数，确定设计变量，确定约束条件（包括强度约束条件，稳定性约束条件，边界约束条件）

7.就机械产品开发而言，常用的仿真软件有哪些，它们的应用领域是什么?

机械产品种类繁多、工作原理及系统结构不尽相同、成形方法各异。与此相适应，也存在着不同类型、适合于不同领域的仿真软件。

例如:运动学仿真软件、动力学仿真软件、结构热设计仿真软件、数控编程及加工仿真软件、生产线及装配线仿真软件、注射模具成型仿真软件、铸造成形仿真软件、冲压成形仿真分析软件、流体传动仿真软件、物流系统仿真软件、生产管理仿真软件等。

8.仿真技术在注射模具开发中的作用有哪些?论述注射模具成型仿真的功能及应用步骤。

9.什么是虚拟样机设计技术?与传统的物理样机试验相比，虚拟样机技术有哪些优点?

虚拟样机技术也称为机械系统动态仿真技术。它的基本含义是以产品的数字化模型为基础，在计算机中对模型的各种动态性能进行分析、测试和评估，并根据分析结果改进设计方案，从而达到以虚拟产品模型代替传统的实物样机试验的目的

优点：由于虚拟样机技术面向产品及系统的全生命周期，可以综合考虑产品的设计、制造、使用及工作环境，并通过全生命周期的仿真、分析及优化来降低技术风险，因此，它可以显著地缩短开发周期、降低开发成本。

精确的理论计算及分析有利于提高产品的性能及质量，也有利于获得具有创新性的产品。

1、数字化仿真的优点:

a.有利于提高产品质量b.有利于缩短产品开发周期c.有利于降低产品开发成本d.可以完成复杂产品的操作、使用训练

2、实体的边界模型与曲面模型的区别。

3、优化设计的基本思路及其通用数学模型组成部分。 4、有限元理论静力学和动力学仿真分析的主要内容。

1) 结构静力分析。求解外载荷引起的位移、应力和力。不仅可以进行线性分析，还可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析等。

2) 结构动力学分析。求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响，需要考虑随时间变化的力载荷以及对阻尼、惯性的影响。包括:瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析等。

5、简述逆向工程中模型重构的特点。

6、广义数字化设计技术涵盖的内容。 广义的数字化设计技术涵盖以下内容:

1) 利用计算机进行产品的概念化设计、几何造型、虚拟装配、工程图生成及设计相关文档。

2) 利用计算机进行产品外形、结构、材质、颜色的优选及匹配，以满足顾客的个性化需求，实现最佳的产品设计效果。

3) 利用计算机分析产品公差、计算质量特性、计算体积和表面积、分析干涉现象等。 4) 利用计算机对产品进行有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动学及动力学仿真验证等，以实现产品拓扑结构和性能特征的优化 狭义的数字化设计：

包含第1,2两项，也就是计算机图形学(CG)和计算机辅助设计(CAD)所涵盖的内容。它为数字化开发提供了基础的产品模型数据，可以为数字化仿真、数字化制造阶段节省大量的建模时间，减少因重新建模而可能产生的错误。

第3, 4 项的内容则属于计算机工程辅助分析(CAE)技术涵盖的范围，也是数字化仿真(DS)技术的一部分。

7、简述与产品数字化设计有关的特征。

8、优化设计中设计变量的选择的基本规则。

9、决定有限元分析软件的仿真分析能力和计算精度的要素。

10、简述逆向工程中影响模型重建数据完整性的因素。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2grv.html