第五章

機械創(chuàng)新設計方法與實例目錄5.1TRIZ與創(chuàng)新設計

5.1.1TRIZ理論

5.1.2TRIZ設計舉例5.2優(yōu)化設計方法5.2.1機械優(yōu)化設計的一般過程

5.2.2優(yōu)化設計問題的數(shù)學模型5.2.3優(yōu)化設計算例5.4.4計算機輔助設計實例目錄5.3反求工程與創(chuàng)新

5.3.1反求工程設計方法

5.3.2反求工程設計實例

5.4計算機輔助設計5.4.1三維建模5.4.2有限元仿真5.4.3虛擬樣機設計5.4.4計算機輔助設計實例5.1TRIZ與創(chuàng)新設計機械設計早期依賴于個人經(jīng)驗、

估算、

試錯以及手工繪圖,后來開始采用系統(tǒng)化設計方法和計算機輔助工具,包括計算機輔助設計(CAD)、

有限元分析、

優(yōu)化設計、

可靠性設計、

公理設計等,現(xiàn)代設計已經(jīng)進入人工智能和大數(shù)據(jù)技術的系統(tǒng)化創(chuàng)新設計階段。

典型現(xiàn)代設計理論與方法見表5-1。5.1TRIZ與創(chuàng)新設計?

5.1.1TRIZ理論TRIZ(TeoriyaResheniyaIzobreatatelskikhZadatch,發(fā)明問題的解決理論),是由蘇聯(lián)科學家G.S.阿奇舒勒和他的研究團隊,于1946年到1985年研究的一套創(chuàng)新問題解決理論體系。TRIZ是對數(shù)以百萬計的專利文獻和自然科學知識進行研究、

整理和歸納,最終建立起的一整套用來指導人們發(fā)明創(chuàng)造的系統(tǒng)化的、

實用的、

解決發(fā)明問題的理論和方法體系。TRIZ理論包括九大經(jīng)典理論體系:①技術系統(tǒng)八大進化法則;②最終理想解;③40個發(fā)明原理;④39個工程參數(shù)及矛盾矩陣;⑤物理矛盾和四大分離原理;⑥物-場模型;⑦發(fā)明問題的標準解法;⑧發(fā)明問題解決算法(ARIZ);⑨科學效應和現(xiàn)象知識庫。5.1TRIZ與創(chuàng)新設計?

5.1.1TRIZ理論TRIZ理論體系包括TRIZ的基本理論和解題工具,包括以辯證法、

系統(tǒng)論、

認識論為理論指導,以自然科學、

系統(tǒng)科學和思維科學為科學支撐,以技術系統(tǒng)進化法則為理論主干,以技術系統(tǒng)、

矛盾、

資源、

最終理想解為基本概念,以解決工程技術問題和復雜發(fā)明問題所需的各種問題分析工具、

問題求解工具和解題流程。

圖5-1所示為TRIZ的理論體系框架。5.1TRIZ與創(chuàng)新設計?

5.1.1TRIZ理論1.發(fā)明創(chuàng)造的等級在TRIZ理論中,將發(fā)明劃分為五個等級。2.技術系統(tǒng)進化法則(1)技術系統(tǒng)(2)技術系統(tǒng)的進化

5.1TRIZ與創(chuàng)新設計?

5.1.1TRIZ理論3.發(fā)明原理發(fā)明原理是在研究專利的基礎之上產(chǎn)生的,這是它與其他一些傳統(tǒng)方法的區(qū)別,因而更具實用性和有效性,比較容易學習和掌握,實際使用頻率也最高。40個發(fā)明原理及編號見表5-4。5.1TRIZ與創(chuàng)新設計?

5.1.1TRIZ理論4.工程參數(shù)與39×39矛盾矩陣39個工程參數(shù)見表5-6,其中運動物體是指自身或借助于外力可在一定的空間內運動的物體。

靜止物體是指自身或借助于外力都不能使其在空間內運動的物體。5.1TRIZ與創(chuàng)新設計?

5.1.1TRIZ理論工程中存在大量工程參數(shù),每個行業(yè)、

領域都有很多工程參數(shù),通用工程參數(shù)的分類見表5-7。將通用工程參數(shù)與發(fā)明原理有機地聯(lián)系起來,創(chuàng)建矛盾矩陣作為解決技術矛盾的工具矛盾矩陣中,縱軸上的參數(shù)代表被改進的參數(shù),橫軸上的參數(shù)表示被惡化的參數(shù)。

創(chuàng)新的過程就是消除這些矛盾,讓相互矛盾的兩個通用工程參數(shù)不再相互制約,能同時改善,從而推動產(chǎn)品向提高理想度方向發(fā)展。5.1TRIZ與創(chuàng)新設計?

5.1.1TRIZ理論5.物理矛盾與分離原理物理矛盾是指為了實現(xiàn)某種功能,一個子系統(tǒng)或元件應具有的某種特性,但該特性出現(xiàn)的同時會產(chǎn)生與此相反的不利或有害的后果。物理矛盾一般有兩種表現(xiàn):一是系統(tǒng)中有害性能降低的同時導致該系統(tǒng)中有用性能的降低;二是系統(tǒng)中有用性能增強的同時導致該系統(tǒng)中有害性能的增強。常見的物理矛盾見表5-8。5.1TRIZ與創(chuàng)新設計?

5.1.1TRIZ理論解決物理矛盾的工具是分離原理。

使用分離原理有四種具體的分離方法:①空間分離;②時間分離;③條件分離;④整體與部分分離。

在分離方法確認以后,可以使用符合該分離方法的發(fā)明原理來得到具體問題的解決方案。物理矛盾和技術矛盾是可以彼此轉換的。

通常來說,許多技術矛盾,經(jīng)過分解和細化,最終都能轉化成為物理矛盾。5.1TRIZ與創(chuàng)新設計?

5.1.1TRIZ理論6.阿奇舒勒矛盾矩陣消除矛盾的重要途徑之一就是采用40個發(fā)明原理,快速地找到相應的發(fā)明原理,阿奇舒勒矛盾矩陣能幫助設計者解決這一問題。

阿奇舒勒通過對大量發(fā)明專利的研究,總結出工程領域內常用的表述系統(tǒng)性能的39個通用工程參數(shù),并由39×39個通用工程參數(shù)和40個發(fā)明原理構成了矛盾矩陣表———阿奇舒勒矛盾矩陣。

5.1TRIZ與創(chuàng)新設計?

5.1.1TRIZ理論如圖5-2所示,希望改善的技術特性和惡化的技術特性的項目均有相同的39項。5.2優(yōu)化設計方法?5.2.1機械優(yōu)化設計的一般過程在機械創(chuàng)新設計中,經(jīng)常面臨多種選擇和權衡,也可能遇到多個設計目標。

優(yōu)化設計理念提供了一個系統(tǒng)的方法,以找到滿足各種需求的最佳解決方案。

?5.2.2優(yōu)化設計問題的數(shù)學模型1.設計變量

機械優(yōu)化設計旨在為特定機械設計項目尋求最佳方案。設計方案可用一組基本參數(shù)的數(shù)

值來表示。5.2優(yōu)化設計方法?5.2.2優(yōu)化設計問題的數(shù)學模型2.目標函數(shù)

優(yōu)化設計是一種在諸多因素背景下,致力于找到最令設計者滿意且最合適的參數(shù)組合的過程。在機械設計領域,設計者總是希望他們所創(chuàng)造的產(chǎn)品能在使用性能、

體積、

結構緊湊性、質量、制造成本以及經(jīng)濟效益等方面達到最優(yōu)狀態(tài)。在優(yōu)化設計中,通常將所追求的目標(最優(yōu)指標)以設計變量的函數(shù)形式來表達,這個函數(shù)被稱為優(yōu)化設計的目標函數(shù)。

這個函數(shù)的值是評價設計方案優(yōu)劣程度的關鍵標準,因此也被稱為評價函數(shù),而建立這個函數(shù)的過程則被稱為建立目標函數(shù)。5.2優(yōu)化設計方法?5.2.2優(yōu)化設計問題的數(shù)學模型3.約束條件根據(jù)前文所述,設計點的集合構成了設計空間。

對于n維設計問題,它屬于n維實歐氏空間。如果對設計點的取值不進行限制,那么設計空間將是無限的。

這類優(yōu)化設計問題被稱為無約束優(yōu)化問題。這些約束條件也可以用數(shù)學式來表達。按約束條件的形式分,有不等式約束條件與等式約束條件兩種,表達式如下:gu(x)≥0,u=1,2,…,p(5-6a)hv(x)=0,v=1,2,…,q(5-6b)5.2優(yōu)化設計方法?5.2.2優(yōu)化設計問題的數(shù)學模型4.優(yōu)化問題的數(shù)學模型

無約束優(yōu)化問題數(shù)學模型的一般形式為:minf(x）,x∈Rn(5-7a)約束優(yōu)化問題數(shù)學模型的一般形式為:

minf(x),x∈D∈Rns.t.gu(x)≥0,u=1,2,…,phv(x)=0,v=1,2,…,q(5-7b)對上述數(shù)學模型求解,就是求取可使得目標函數(shù)值達到最小時的一組設計變量值:x?=(x1?x2?xn?)T(5-8)該設計點x?

稱為最優(yōu)點,相應的目標函數(shù)值f?=f(x?)稱為最優(yōu)值,兩者組合就是優(yōu)化問題的最優(yōu)解。5.2優(yōu)化設計方法?5.2.2優(yōu)化設計問題的數(shù)學模型5.優(yōu)化問題的求解

在機械優(yōu)化設計問題的求解中,常用的優(yōu)化設計方法包括最速下降法、牛頓型法、共軛梯度法、變尺度法、鮑威爾法以及隨機方向法、復合形法、可行方向法、懲罰函數(shù)法、增廣乘子法等,這些方法根據(jù)不同的優(yōu)化問題類型和約束條件,有著各自的優(yōu)缺點和適用范圍。5.2優(yōu)化設計方法?5.2.2優(yōu)化設計問題的數(shù)學模型6.函數(shù)的梯度

梯度的計算方法通常是通過求導數(shù)來得到的。對于一個多元函數(shù),梯度是一個矢量,其每個元素是函數(shù)對應變量的偏導數(shù)。在數(shù)學上,梯度矢量可以表示為:梯度的方向與函數(shù)值變化的方向一致,梯度的值越大,函數(shù)在該方向上的變化越快。

此外,梯度具有線性性質,即對于兩個函數(shù)f和g,有5.2優(yōu)化設計方法?5.2.3優(yōu)化設計算例機床主軸是機床的核心部件,對于機床的性能和精度有著至關重要的影響。

機床主軸一般為多支撐空心階梯軸。為了便于使用材料力學公式進行結構分析,常將階梯軸簡化成以當量直徑表示的等截面軸。本節(jié)以兩支撐主軸為例,說明其優(yōu)化設計的過程。5.2優(yōu)化設計方法?5.2.3優(yōu)化設計算例1.算例數(shù)學模型的建立圖5-7所示是一個已經(jīng)簡化的機床主軸。

在設計這根主軸時,有兩個重要因素需要考慮。

一是主軸的自重,二是主軸伸出端C點的撓度。5.2優(yōu)化設計方法?5.2.3優(yōu)化設計算例1.算例數(shù)學模型的建立將所有約束函數(shù)規(guī)格化,則主軸優(yōu)化設計的數(shù)學模型可表示為下式:5.2優(yōu)化設計方法?5.2.3優(yōu)化設計算例2.算例結果顯示試對圖5-7所

示

的

主

軸

進

行

優(yōu)

化

設

計。分析:由于該優(yōu)化問題屬于非線性問題,且目標函數(shù)和約束函數(shù)均為顯函數(shù),設計變量數(shù)目不多,故可采用內點懲罰函數(shù)法求解,初始點x(0)=(480,100,120)T代入已知數(shù)據(jù)后,經(jīng)過17次迭代,計算收斂,求得最優(yōu)解:5.2優(yōu)化設計方法?5.3.1反求工程設計方法隨著數(shù)據(jù)處理技術的飛速發(fā)展,反求工程已經(jīng)與人工智能以及大數(shù)據(jù)科學深度綁定,在航空航天、

機械制造、

醫(yī)用設備、

生物領域、

精密產(chǎn)品檢測等領域得到廣泛的應用。

在反求工程中,可以通過向量回歸機、

核分類機等方法對表面模型進行修復和重構。5.3反求工程與創(chuàng)新5.3反求工程與創(chuàng)新?5.3.1反求工程設計方法反求工程通常包含以下幾個步驟。1)通過三坐標測量儀,將實際模型各點坐標數(shù)值化地存儲進計算機設備中,將具象的物體數(shù)字化。2)根據(jù)得到的三維數(shù)據(jù)提取外形的形態(tài)特征,對產(chǎn)品的幾何屬性進行分區(qū)切割,最終得到設計和制造的細節(jié)。3)使用計算機軟件,通過切割后的三維數(shù)據(jù)模型得到表面模型,再進行擬合處理,將各個獨立的片模型進行拼接。4)將得到的完整的三維模型加工制造出來,并根據(jù)多次測量檢測確認是否滿足精度和性能指標的需求,如果不能滿足需求,應對三維模型進行修正,重復上述的過程。?5.3.1反求工程設計方法測量方法：(1)接觸式測量方法1)使用坐標測量機。這種測量機具有觸發(fā)式的接觸測量頭,將測量頭在工件表面滑動,即可獲取工件的坐標信息。2)逐層分析。對研究的工件進行逐層銑削或進行逐層的光學掃描,從而獲得不同斷面、不同位置的輪廓,將每一片接合起來便會獲得模型三維的輪廓數(shù)據(jù)。(2)非接觸式測量方法：非接觸式測量方法是通過以聲學、

光學及電磁學為基本原理的設備,將測量獲得的一系列模擬量利用一系列算法轉變?yōu)樽鴺它c。eg:掃描法、莫爾條紋法、工業(yè)CT法、立體視覺法5.3反求工程與創(chuàng)新?5.3.2反求工程設計實例在機械工程領域,反求工程常針對實物反求,是相對于傳統(tǒng)的機械設計制造過程而言的。

當產(chǎn)品零件比較復雜時,其外形一般由

復

雜

曲

面

構

成,通

常

難

以

用

常

規(guī)

的

方

法

加

以

處

理,必

須

應

用

計

算

機

輔

助

測

量(CAT)、

計算機輔助設計(CAD)、

計算機輔助制造(CAM)以及計算機輔助分析(CAE)等手段。5.3反求工程與創(chuàng)新?5.3.2反求工程設計實例例如,對某發(fā)動機罩零件進行反求,以期在此基礎上進行結構優(yōu)化和改進。采用Handyscan3D手持式三維激光掃描儀掃描發(fā)動機罩零件,得到點云數(shù)據(jù),把點云數(shù)據(jù)導入相關軟件中進行處理,處理之后根據(jù)已知點云進行三維建模。5.3反求工程與創(chuàng)新5.4計算機輔助設計?5.4.計算機輔助設計隨著計算機技術的飛速發(fā)展,設計工具和方法也在不斷進步,計算機輔助設計(CAD)軟件的三維建模功能極大地提高了設計的直觀性和精確性。設計者可以在虛擬環(huán)境中構建機械部件和系統(tǒng)的詳細模型,進行實時的修改和優(yōu)化。這種三維建模不僅縮短了設計周期,還減少了物理原型的制作成本和時間。計算機輔助工程(CAE)技術在機械創(chuàng)新設計中扮演著越來越重要的角色。CAE軟件能夠模擬機械系統(tǒng)的各種工作條件和環(huán)境,幫助設計師預測和分析產(chǎn)品的性能。通過有限元分析(FEA)、計算流體動力學(CFD)和多體動力學(MBD)等技術,設計者可以在產(chǎn)品投入生產(chǎn)之前發(fā)現(xiàn)潛在的問題,從而提高設計的可靠性和安全性。?5.4.1三維建模常用三維建模軟件包括SolidWorks、UG(也稱為SiemensNX)、Creo以及CATIA。

這些軟件不僅廣泛應用于機械設計、

汽車制造、

航空航天和消費電子產(chǎn)品等行業(yè),還為工程師和設計師提供了強大的工具集,以實現(xiàn)復雜產(chǎn)品的設計和開發(fā)。通過SolidWorks的工程圖模塊,設計者可以利用三維模型進行3D打印加工,同時可以將三維模型轉換成二維工程圖,詳細標注尺寸、

公差、

表面粗糙度等技術要求。5.4計算機輔助設計?5.4.2有限元仿真有限元分析的原理是將一個復雜的連續(xù)體結構劃分為許多小的、簡單的單元,這些單元通過節(jié)點相互連接。因此可以將原本難以直接求解的偏微分方程轉化為一組代數(shù)方程,從而在計算機上進行數(shù)值求解。5.4計算機輔助設計?5.4.3虛擬樣機設計在虛擬樣機設計領域,常見的軟件工具包括ADAMS、DADS、SIMPACK等,其中ADAMS的應用尤為廣泛。ADAMS是一款用于多體動力學仿真的軟件,廣泛應用于機械系統(tǒng)和復雜機械裝置的運動學及動力學分析,它能夠模擬各種機械系統(tǒng)的運動和載荷,幫助設計者優(yōu)化設計,減少實際測試中的問題,優(yōu)化產(chǎn)品性能,縮短研發(fā)周期,降低開發(fā)成本。5.4計算機輔助設計?5.4.4計算機輔助設計實例本節(jié)以輪腿復合機器人設計為例介紹計算機輔助設計過程。

該機器人設計要求為實現(xiàn)兩種運動模式,即邁步行走與輪式移動。

采用SolidWorks軟件進行三維建模。5.4計算機輔助設計1.三維建模每條腿通過兩個UPS支鏈的萬向副和三個支鏈上的移動副實現(xiàn)腿部行走動作;采用帶有自鎖功能的驅動電動機實現(xiàn)輪式行走。萬向副結構如圖5-15所示。?5.4.4計算機輔助設計實例將輪、足轉換裝置與