CAD技術在機械工程設計中的發展與應用

張燁　金君鑫

摘 要：在我國工業產業中，機械制造是一個基本的產業，也是一個主要產業。其中，每一種機械零件的生產加工之前，必須進行細致的圖紙分析設計，從而獲得一個合理的、可行的零部件規格、結構、材質等等參數。作為一種多功能輔助軟件，CAD技術在機械工程設計中的應用發揮著十分重要作用，其也是促進機械制造產業發展的一個重要基礎。本文即針對CAD技術在機械工程設計中的發展與應用展開了具體論述，僅供參考。

關鍵詞：機械工程設計；CAD技術；發展；應用

近些年，隨著計算機與電子技術的急劇發展，越來越多的高新技術被應用于各行各業中。CAD技術便是基于此種背景下發展而來，尤其是隨著其功能的不斷完善，逐漸被廣泛地應用于機械、建筑、汽車等等領域中。其中，CAD技術在機械設計中應用比例最高，其為廣大的設計人員提供了一個方便、快捷的設計平臺，復雜的分析、計算以及繪圖均由計算機輔助完成，在保證設計質量與效率的同時，減輕了工作強度。

1 機械工程設計與CAD技術概述

1.1 機械工程設計

機械工程設計指的是由設計人員嚴格按照有關的產品使用要求，對其結構、工作原理以及各個部件的尺寸、規格、維護方法進行分析，并將其轉化成具體設計。由于機械產品往往較為復雜，因此對其精性的要求也越來越高，這也就使得大量的先進技術被應用于機械工程設計過程中，以獲得更高質量的機械產品。

1.2 CAD技術

CAD技術屬于計算機輔助設計技術的一種，其主要是使用計算機中的相關程序對設計方法進行進一步的而優化，并制作出相應的零件或是產品結構圖。隨著我國科學技術的不斷發展，CAD技術的應用也越來越廣泛，尤其是在機械工程設計領域中發揮著不可替代的作用。

CAD軟件通常包括以下幾種模塊功能：一是CAPP功能，也就是計算機輔助的工業設計，通過對材料的定額、工藝的設計內容等的管理，實現機械設計標準化的發展，提高其設計效率與設計質量；二是二維繪圖功能，其是二維繪圖功能的核心功能，主要是通過計算機智能繪圖，從而代替傳統的手工繪圖，大大減少設計人員的工作量；三是PDM功能，其主要是對產品的相關數據進行管理，以保證圖紙、工藝卡、加工代碼等等安全、可靠。

2 CAD技術在機械工程設計中的發展

當前，計算機技術的發展帶動著CAD技術的不斷進步，同時機械工程設計領域的廣泛性也為CAD技術提供了發亮的用戶，為了滿足用戶的不同需求，CAD技術不斷向著標準化、集成化以及智能化的方向發展。

2.1 CAD技術在機械工程設計中的標準化發展

當前，十分常用的CAD軟件主要有以下幾種：（1）Auto CAD；（2）UG；（3）Pro/Engineer；（4）Unigraphics NX；（5）solid works；（6）inventor；（7）Catia。其中，每一種軟件都有各自適用的用戶群，但是各自之間并不兼容，這在一定程度上阻礙了機械工程設計領域內部的相互交流，不利于CAD資源的交互。基于此背景，實現CAD軟件數據模型與交換資源格式標準化是其發展過程中的一個必然目標，其能夠令設計人員使用不同的CAD軟件互相交流，促進機械工程設計的持續發展。

2.2 CAD技術在機械工程設計中的集成化發展

當前，隨著我國科學技術的不斷發展，更多的高科技被應用于機械工程設計、加工中，這也就使得單純的計算機輔助已經不能滿足機械工程設計行業的發展需求。越來越多的設計人員希望能夠實現CAD技術和工程分析、工藝分析、產品制造等等環節的有效連接，也就是實現CAD/CAPP/CAM/CAE的集成，從而使得整個設計工作更加方便、迅速。當前，已經有不少CAD軟件具備了集成的功能，設計人員在設計過程中能夠直接導入利用CAD技術設計的模型，分析結構力學性能，同時利用數控機床分析、設計加工工藝，實現高質量的生產制造。總的來說，CAD技術在機械工程設計中的集成化發展，有利于加快設計人員的工作進度，縮短機械產品周期。

2.3 CAD技術在機械工程設計中的智能化發展

對于機械工程設計而言，CAD技術的智能化是一個必然趨勢，也是促使設計人員脫離傳統設計方法的重要手段。在進行機械產品模型的設計時，通過特征造型與參數設計，能夠促使相關設計人員只需要自由地發散思維，而不需要考慮其中內在聯系，大大減少了設計人員的工作量，并在保證產品可行性的同時，最大限度地提高其創新性。例如：在利用三維CAD軟件進行機械工程設計時，用戶可以直接看到自己設計的成果，能夠及時發展設計中所存在的不合理之處，以便優化。

3 CAD技術在機械工程設計中的具體應用

就目前而言，CAD技術在機械工程設計中的應用越來越廣泛，本文主要從以下幾個方面展開了具體的論述。

3.1 計算機輔助繪圖

CAD技術應用于機械工程設計中最早也是最基礎的功能就是輔助繪圖。在設計人員進行機械工程設計的過程中，圖形和數據是兩大重點內容，尤其是繪圖是占用時間最長、耗費精力最大的一項工作，并且由于人工繪制的工程圖難免受到多方面因素的影響，導致其精確性或是美觀性難以保證，最終影響到機械產品的制作質量。對此，使用CAD軟件中自帶圖形庫與繪圖命令，就可以快速地完成繪圖，并且其準確性要大大超過人工繪圖。同時，由于CAD繪圖的高效性，大大減輕了設計人員的工作強度，使得其能夠將更多的精力放在完善設計方面，推動機械工程設計質量的進一步提高。

3.2 計算機輔助建模

在現代機械工程設計的過程中，計算機輔助建模占據著十分重要的地位。通過三維CAD軟件建模模塊的合理應用，設計人員能夠直接構建出自己所要設計的機械產品的立體模型，其無論是尺寸、規格或是結構，均是真實的，僅僅是以一定的比例的形式通過計算機顯現出來而言。顯而易見，對于設計人員而言，三維建模的應用意義十分重大，其能夠輔助設計人員在一個虛擬的環境中對產品模型進行直觀設計，使得其可以不再單單依靠自己的想象能力構建模型，最大限度地保證了模型的準確性。

在三維建模的背景下開展機械工程設計，能夠提前發現設計中存在的差錯或是失誤，從而可以及時修改、完善。相反，若是這些問題未能夠在設計階段及時發展，則很有可能知道進行產品裝配時，才能夠發現原始設計中存在的一些不合理之處，這樣不僅大大增加了工作人員的設計、裝配工作量，延長了設計、制作時間，更是大大提高了機械產品的成本。因此，設計人員必須認識到三維建模的應用意義，最大限度地保證設計的可行性。

3.3 工程分析與結構優化

機械工程設計的整個過程中，機械產品的力學性能分析與結構優化是一個十分重要的環節，做好該項工作，方能夠有效提高產品的應用可靠性。在現代設計方法不斷更新換代的背景下，有限元分析與動力學分析得到了十分廣泛的應用，這也就要求CAD技術需拓展自身的工程分析和結構優化功能，從而滿足機械工程設計應用需求。當前，不少CAD軟件已經發展出了與ansys等有限元分析軟件的接口，設計人員能夠通過三維CAD技術構建產品模型，然后再將其導入有限元分析軟件內，在確定的負載下開展產品模型的工程分析。完成整個的工程分析工作之后，應根據其結果，有針對性地對機械產品的結構進行優化。該種工程分析與結構優化方法快速、便利，尤其是在復雜結構產品的設計中具有極大的優勢。

4 結語

CAD技術的應用是現代機械工程設計工作得以發展的關鍵所在，其使得廣大的設計人員從傳統的設計方法中解脫出來，減輕了其數據分析以及繪圖的任務，從而讓他們能夠將更多的精力放置于“創造”上，優化了機械工程設計質量，提高了設計效率。總的來說，現代機械工程設計領域的發展需要CAD技術，只有不斷對其進行改進和完善，充分發揮其功能，方可滿足機械設計與生產需要。

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