數字樣機建模與仿真
作者：楊欣、許述財
圖書詳細信息：
ISBN：9787302346197定價：36元
印次：1-1
裝幀：平裝
印刷日期：2013-12-30
圖書簡介：
把創意快速變為現實，降低創新的成本，提高創造的效率，是現代製造企業增強競爭力的重要因素。本書依據最新國家標準《機械產品數字樣機通用要求》（GB/T 26100—2010），結合作者在數字樣機技術套用方面的教學和科研成果，系統介紹了數字樣機的基本概念、基本原理和基本方法，主要內容包括緒論、數字樣機美學設計、數字樣機建模技術、數字樣機裝配設計、數字樣機運動仿真、數字樣機有限元分析、數位化人機工程設計、數字樣機數據管理等內容。本書可作為機械工程相關專業研究生或高年級本科生了解數字樣機開發技術，培養其產品創新能力的教材，也可作為從事機械裝備開發的工程技術人員的參考用書。
前言
在科技發展日新月異的今天，製造企業要在日益激烈的市場競爭中立於不敗之地，必須追求以更短的時間（Time）、更優的質量（Quality）、更低的成本（Cost）、更好的服務（Service）和更好的環保（Environment）指標推出新產品，去贏得更大的市場份額。數字樣機開發（Digital Prototyping，DP）技術為製造企業實現其市場目標提供了很好的工具和手段。藉助數字樣機開發技術，可以把創意快速變為現實，降低創新的成本，提高創造的效率。過去，產品開發人員分為負責CAD建模和圖紙設計的設計工程師、專職產品性能分析的CAE仿真工程師、決定產品最最佳化設計方案的最佳化工程師和產品生產製造工藝師等。現在，隨著企業更加注重研發成本的控制以及數位化設計軟體的快速發展，傳統的分工界限已被打破。從事設計的人員掌握仿真分析技術已經成為時代發展的必然要求。前些年，人們都在討論如何從二維設計套用轉變到三維設計套用，如今這個熱點已經加入了“數位化”和“仿真”討論的成分，數字樣機技術已經開始深入地套用在各種產品開發中。2011年，我國頒布實施了國家標準《機械產品數字樣機通用要求》（GB/T 26100—2010），對機械產品數字樣機的構建、套用及管理等做出了詳細規定。
作者自2001年以來一直從事有關地面機器系統、車輛安全和非標設備等產品的設計研發工作，始終關注著機械設計技術由二維到三維再到數字樣機的最新進展。世界上很多大型的企業如航空、航天、汽車、船舶等行業的公司已經為數字樣機奮鬥了數十年，他們希望整個生產流程從頭到尾都實現數位化，其他企業雖然也已開始動作，但至少需要用10年來實現數位化技術。目前，即使是世界上最複雜的工程企業之一的汽車公司，在建立100%的數字樣機系統上仍存在很多問題。未來幾年是數字樣機轉變的重要階段，接踵而至的挑戰則是機電一體化產品的數字樣機概念。
就發展現狀而言，數字樣機技術的優勢顯而易見。在工業設計階段，藉助數字樣機工具可以幫助工業設計師們借用草圖把數位化信息表達出來，並轉變成三維模型繼承套用，以保證其徒手勾勒的各種創意不會丟失。在工程設計階段，機械設計師會將各個零件模型建造出來，確保都能正確地裝配和安裝； 電氣工程師將設計電氣系統與機械系統緊密結合，以保證其正常工作。未來的數字樣機將提供功能導向性技術，可以讓工程師自動創立他們的模型和圖紙，通過數字樣機技術提供的虛擬設計方式解決工程設計的問題。
本書編寫力求理論與實踐相結合，做到內容新穎、圖文並茂、語言簡潔、思路清晰。由於數字樣機技術是一門快速發展的技術科學，涉及計算機圖形學、計算機仿真、信息處理、多媒體技術、虛擬現實技術和管理科學等諸多領域，其技術內涵還在不斷地發展，加之作者在數字樣機技術理論和實踐套用方面水平有限，故本書內容也只能做到蜻蜓點水，走馬觀花。本書參考了大量同類文獻和最新研究成果，吸收了有關網路專業論壇和行業套用報告的大量新知識和新實例，套用了AIP、ANSYS等教育版和試用版工程軟體，在此一併向所有文獻和軟體作者表示最真誠的感謝！
本書可作為機械工程相關專業研究生或高年級本科生的參考教材，也可作為從事機械產品開發的工程技術人員的參考書。由於編寫時間倉促，作者水平有限，不足之處在所難免，敬請各位讀者批評指正。
作者
2013年10月於清華園
目錄
第1章緒論1.1數字樣機的概念
1.1.1數字樣機的定義
1.1.2數字樣機支撐技術
1.1.3數字樣機的分類
1.2數字樣機的特點
1.2.1數字樣機模型要求
1.2.2數字樣機的虛擬性
1.2.3數字樣機的真實性
1.3數字樣機的套用與發展
1.3.1數字樣機的套用
1.3.2數字樣機技術的發展
1.3.3Aberdeen的研究
第2章數字樣機美學設計
2.1機械美學概述
2.1.1機械美學的提出
2.1.2機械美學的內涵
2.2基於CAD的機械美學設計
2.2.1計算機輔助工業設計
2.2.2基於CAD體現造型要素
2.2.3基於CAD體現形態美學
2.2.4數字樣機美學設計要求
2.3數字樣機渲染技術
2.3.1消隱與視覺樣式
2.3.2色彩設計與顏色
2.3.3光照處理與陰影
2.3.4紋理處理與套用
2.4曲線和曲面分析
2.4.1基本概念和術語
2.4.2曲線和曲面模型
2.4.3曲線和曲面評價
2.4.4曲率和曲面分析
2.5逆向外形設計
2.5.1逆向設計的基本步驟
2.5.2三維數據採集方法
2.5.3測量數據處理技術
2.5.4模型重構與分析
第3章數字樣機建模技術
3.1產品建模概述
3.1.1產品建模定義
3.1.2數字樣機模型信息
3.1.3三維建模核心
3.1.4幾何模型類型
3.2實體建模技術
3.2.1構造實體幾何法
3.2.2邊界表示法
3.2.3掃描表示法
3.2.4AutoCAD建模簡介
3.3特徵建模技術
3.3.1特徵定義和分類
3.3.2特徵建模系統
3.3.3參數化設計
3.3.4變數化設計
3.4特徵建模的實現
3.4.1Inventor特徵建模簡介
3.4.2創建草圖特徵
3.4.3創建放置特徵
3.4.4零件建模與物理屬性
第4章數字樣機裝配設計
4.1裝配設計概述
4.1.1裝配設計的概念
4.1.2裝配體與裝配樹
4.1.3裝配設計的進展
4.2裝配關聯設計
4.2.1裝配約束的實現方法
4.2.2基於布局的關聯設計
4.2.3基於參數的關聯設計
4.2.4在位自適應關聯設計
4.2.5基於衍生的關聯設計
4.3工程導向設計
4.3.1螺紋連線設計
4.3.2軸零件設計
4.3.3鍵連線設計
4.3.4凸輪機構設計
4.3.5齒輪、蝸輪設計
4.3.6其他設計計算
4.4裝配體控制與檢查
4.4.1零部件顯示控制與剖切
4.4.2裝配關係查找與干涉檢查
4.4.3運動模擬與衝突檢查
4.4.4產品的裝配分解與動畫
4.4.5零部件的位置表達
4.4.6空間自由度檢查
4.5生成二維工程圖
4.5.1基礎視圖的生成
4.5.2投影視圖的生成
4.5.3其他視圖的生成
4.5.4圖紙注釋與說明
第5章數字樣機運動仿真
5.1仿真技術概述
5.1.1仿真的定義和類型
5.1.2數字樣機仿真的優勢
5.1.3機械系統的運動仿真
5.1.4ADAMS軟體簡介
5.2運動仿真的關鍵概念
5.2.1機械連線和自由度
5.2.2遷移度和運動鏈
5.2.3冗餘和動力
5.3運動機理中的連線
5.3.1運動連線的類型
5.3.2手動創建運動連線
5.3.3把約束轉換為連線
5.3.4連線的規則和特性
5.4物理特性和力學環境
5.4.1定義驅動條件
5.4.2初始條件和邊界
5.4.3連線的力和力矩
5.4.4施加外力和重力
5.5仿真輸入與輸出
5.5.1輸入圖示器
5.5.2定義輸入變數
5.5.3輸出圖示器
5.5.4輸出運動變數
第6章數字樣機有限元分析
6.1有限元分析概述
6.1.1有限元法的基本思想
6.1.2有限元分析的步驟
6.1.3協同有限元分析
6.1.4AWE協同仿真簡介
6.2結構的靜力學分析
6.2.1分析過程
6.2.2等效應力
6.2.3主應力
6.2.4變形與安全係數
6.2.5結構改進
6.3振動模態分析
6.3.1模態分析的數學模型
6.3.2無約束條件下的模態分析
6.3.3有約束條件下的模態分析
6.3.4預應力對模態參數的作用
6.4結構拓撲最佳化
6.4.1機械最佳化設計概述
6.4.2CAE最佳化的設計方法
6.4.3拓撲最佳化的設計原理
6.4.4形狀拓撲最佳化實例
6.5複雜數字樣機的多學科協同仿真
6.5.1數位化多學科最佳化設計
6.5.2汽車多學科最佳化的數學模型
6.5.3汽車協同最佳化與仿真流程
6.5.4汽車碰撞安全仿真實例
第7章數位化人機工程設計
7.1人機工程設計概述
7.1.1人機工程的定義
7.1.2人機系統設計
7.2人體因素的基礎
7.2.1人體測量
7.2.2人體尺寸
7.2.3人體力學
7.2.4人體感覺
7.3人體模型
7.3.1二維人體物理模板
7.3.2三維數位化人體模型
7.3.3工程人體建模軟體
7.3.4基於CAD的人體建模
7.3.5車輛工程用數字人體
7.4數位化人機工程設計
7.4.1作業空間布局設計
7.4.2座椅與工作檯設計
7.4.3操縱裝置設計
7.4.4顯示裝置設計
7.4.5車輛駕駛室的設計
第8章數字樣機數據管理
8.1產品數據交換
8.1.1數據交換技術
8.1.2數據交換種類
8.1.3數據交換標準
8.2產品數據管理（PDM）
8.2.1PDM概念的產生
8.2.2PDM系統的結構
8.2.3PDM系統的功能
8.2.4PDM的技術規範
8.3產品生命周期管理（PLM）
8.3.1PLM概念的產生
8.3.2PLM系統的功能
8.3.3PLM與PDM的關係
8.4PLM/PDM系統的實施
8.4.1PLM/PDM實施的內容
8.4.2PLM/PDM實施的步驟
8.4.3PLM/PDM的信息建模
8.4.4PLM/PDM軟體簡介
8.5PLM最新解決方案
8.5.1雲計算的概念
8.5.2基於雲端的PLM
參考文獻
內容摘錄：
數字樣機是進入21世紀以來在製造業信息化領域中出現頻率越來越多的專業術語，其對應的英文是Digital Prototype（DP）或Digital Mock-Up（DMU）。數字樣機是相對於物理樣機而言的，指在計算機上表達的機械產品整機或子系統的數位化模型，它與真實物理產品之間具有1:1的比例和精確尺寸表達，其作用是用數字樣機驗證物理樣機的功能和性能。
我國國家標準GB/T 26100-2010《機械產品數字樣機通用要求》對數字樣機的定義採用英文Digital Mock-Up（DMU），即：數字樣機是對機械產品整機或具有獨立功能的子系統的數位化描述，這種描述不僅反映了產品對象的幾何屬性，還至少在某一領域反映了產品對象的功能和性能。由此可見，產品的數字樣機形成於產品的設計階段，可套用於產品的全生命周期，包括：工程設計、製造、裝配、檢驗、銷售、使用、售後、回收等環節；數字樣機在功能上可實現產品干涉檢查、運動分析、性能模擬、加工製造模擬、培訓宣傳和維修規劃等方面。......
