機(jī)械設(shè)計(jì)4.現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)CONTENTS4.1概述4.1.1現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)內(nèi)涵4.1.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)特征4.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)4.2.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能4.2.2產(chǎn)品三維建模方法4.2.3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件4.3優(yōu)化設(shè)計(jì)4.3.1數(shù)學(xué)模型4.3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)流程4.4可靠性設(shè)計(jì)4.4.1可靠性概念4.4.2“應(yīng)力-強(qiáng)度”干涉模型4.4.3系統(tǒng)可靠性預(yù)測4.4.4系統(tǒng)可靠性分配4.5反求設(shè)計(jì)4.5.1反求設(shè)計(jì)內(nèi)涵4.5.2反求設(shè)計(jì)流程目錄4.1

概述

4.1.1現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)內(nèi)涵設(shè)計(jì)定義：設(shè)計(jì)是為了某個(gè)或者某些目的，將復(fù)雜的創(chuàng)造性思維轉(zhuǎn)化成實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品的一個(gè)過程，設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量，進(jìn)而影響產(chǎn)品的市場競爭力傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)：1)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是以直覺設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和靜態(tài)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，運(yùn)用已有的知識形成的某種設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)、圖表以及個(gè)體的認(rèn)知，應(yīng)用力學(xué)、數(shù)學(xué)、幾何以及作圖法等進(jìn)行設(shè)計(jì)。；2)現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的一種新發(fā)展，是以產(chǎn)品的整個(gè)生命周期為研究對象，以滿足產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、時(shí)間、成本等綜合效益為目的，多學(xué)科、多專業(yè)交叉融合、多手段應(yīng)用、多過程并行的一門綜合性的技術(shù)科學(xué)。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)1現(xiàn)代化設(shè)計(jì)工廠現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)是以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與方法為基礎(chǔ)，利用計(jì)算機(jī)、微電子及信息技術(shù)，將設(shè)計(jì)數(shù)字化、虛擬化、并行化和智能化的一種設(shè)計(jì)技術(shù)。1.傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的延伸和發(fā)展2.多學(xué)科交叉融合與多種設(shè)計(jì)技術(shù)綜合3.設(shè)計(jì)手段的數(shù)字化與虛擬化4.設(shè)計(jì)過程的智能化與并行化相比于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)有以下特征：

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)

4.1.2

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)特征14.2

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)：

1.產(chǎn)品建模2.工程分析3.數(shù)據(jù)管理4.工藝設(shè)計(jì)除了上述功能外，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)還可以進(jìn)行數(shù)控編程、工裝設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)等。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)4.2.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)14.2.2產(chǎn)品三維建模方法常見的三維建模方法:1.線框模型:線框模型是表面模型和實(shí)體模型的基礎(chǔ)，它使用基本的點(diǎn)和線條來描述零部件的三維模型。2.表面模型：表面模型是在線框模型的基礎(chǔ)上增加了結(jié)構(gòu)形體的表面信息，用頂點(diǎn)、邊線和表面的有限集合建立產(chǎn)品的數(shù)字模型。3.實(shí)體模型：實(shí)體模型是在計(jì)算機(jī)上采用實(shí)體的形式建立產(chǎn)品的三維模型。4.特征模型：特征模型是通過提取產(chǎn)品實(shí)體模型中具有工程語義的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能要素(槽、孔、凸臺、倒角、圓角等)構(gòu)建的三維實(shí)體模型。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)1常用的輔助設(shè)計(jì)軟件有：1)工程繪圖軟件，其典型的代表就是AutoCAD。2)幾何建模軟件，典型的代表有CATIA

、UG

、Pro-E

和

SolidWorks等。3)有限元分析軟件，有MSC/Marc

，ANSYS

，ABAQUS，PATRAN等。4)數(shù)據(jù)處理軟件，其典型的代表有MATLAB

、PYTHON。5)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)仿真軟件，常用的有ADAMS

、RecurDyn、SIMPACK等。此外還有存儲數(shù)據(jù)的相關(guān)軟件，如目前比較流行的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)FoxPro，Oracle，INGRES，Informix，Sybase等。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)

4.2.3

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件部分軟件圖標(biāo)1

4.3

優(yōu)化設(shè)計(jì)定義：優(yōu)化設(shè)計(jì)是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來

的新的設(shè)計(jì)方法，它是將最優(yōu)化原理和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，幫助設(shè)計(jì)人員從眾多的設(shè)計(jì)方案中尋求最優(yōu)方案的科學(xué)設(shè)計(jì)方法。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以大大提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，尤其適用于復(fù)雜的、多維的、高度非線性的產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法1

4.3.1數(shù)學(xué)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括兩部分：一是建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，二是進(jìn)行優(yōu)化模型求解。優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的主要組成為：1.設(shè)計(jì)變量：在優(yōu)化設(shè)計(jì)中可以將這些變量按照一定的順序排列成為一組向量，即：X=(x1,x2,…,xi,…,xn)T式中，n是設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)，也是優(yōu)化設(shè)計(jì)的維數(shù)，xi是第i個(gè)設(shè)計(jì)變量。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)12.約束條件：約束條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式一般有兩種，等式約束和不等式約束。等式約束即設(shè)計(jì)點(diǎn)在設(shè)計(jì)空間的約束曲面上，其表達(dá)式一般為：hd

(X)=0,d

=1,2,......,p式中，hd(X)為等式約束的函數(shù)表達(dá)式，p等式約束條件的個(gè)數(shù)。不等式約束即設(shè)計(jì)點(diǎn)在設(shè)計(jì)空間包含約束曲面的一側(cè)，其表達(dá)式一般為：gk

(X)0,k

=1,2,......,q式中，gk(X)為不等式約束的函數(shù)表達(dá)式，q表示不等式約束條件的個(gè)數(shù)。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)4.3.1數(shù)學(xué)模型13.目標(biāo)函數(shù)：目標(biāo)函數(shù)可以用來評價(jià)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣，又稱為評價(jià)函數(shù)，可表示為：f(X)=f(x1,x2,…,xi,…,xn)T優(yōu)化設(shè)計(jì)就是在滿足約束條件下尋求合適的設(shè)計(jì)變量，使目標(biāo)函數(shù)值最佳。目標(biāo)函數(shù)的最佳值可能是極大值(如壽命最長、效率最高等)，也有可能是極小值(如體積最小、重量最輕等)。即可以表示成：maxf(X)或者min

f(X)然而，在工程實(shí)際中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)可能是多種多樣的，就會有多個(gè)目標(biāo)函數(shù)，此時(shí)目標(biāo)函數(shù)可以表示為：F(X)=[f1(X),f2(X),…fi(X),…fm(X)]式中，fi(X)是第i個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，

m表示優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的個(gè)數(shù)。單一優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的求解相對比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)，而多目標(biāo)優(yōu)化往往難以求解，因此，可以通過下式將多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)優(yōu)化：F(X)=w1f1(X)+w2f2(X)+…+wifi(X)+…+wmfm(X)式中，wi是第i個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)系數(shù)。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)

4.3.1數(shù)學(xué)模型14.3.1數(shù)學(xué)模型4.數(shù)學(xué)模型明確了設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件三要素后，優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型可以規(guī)格化為以下形式：設(shè)計(jì)變量：X

=[x1

,x2

,...,xi

,...xm

]T目標(biāo)函數(shù)：minf(X)約束條件：hd

(X)=0,d

=1,2,......,pgk

(X)0,k

=1,2,......,q其中，當(dāng)k=0和d=0時(shí)，為無約束優(yōu)化，因此，無約束優(yōu)化可以看成約束優(yōu)化的一個(gè)特例。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)14.3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)流程：1.設(shè)計(jì)對象分析2.數(shù)學(xué)模型建立3.優(yōu)化算法選擇4.優(yōu)化程序編寫5.優(yōu)化結(jié)果分析否否建立產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型：

a.確定設(shè)計(jì)變量b.確定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)c.確定約束條件d.數(shù)學(xué)模型建立

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)根據(jù)數(shù)學(xué)模型，選擇合適優(yōu)化算法確定優(yōu)化方案編寫程序，優(yōu)化求解分析、判斷求解結(jié)果研究分析設(shè)計(jì)產(chǎn)品，確定設(shè)計(jì)要求調(diào)整相關(guān)設(shè)計(jì)

要求和信息開始計(jì)算合理？計(jì)算結(jié)束合理？合理？是

是

是

否14.4

可靠性設(shè)計(jì)

4.4.1可靠性概念可靠性：是指產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的能力?？煽啃栽O(shè)計(jì)：是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，充分考慮產(chǎn)品在實(shí)際生產(chǎn)和使用中存在的各種不確定性因素，使機(jī)械產(chǎn)品及其零部件滿足給定的可靠性指標(biāo)的一種設(shè)計(jì)方法。常用的可靠性指標(biāo)包括：可靠度、失效概率、故障率、平均維修時(shí)間、維修率等。其中失效概率、可靠度、維修率在工程設(shè)計(jì)中最常用。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)1可靠度是產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)、規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的概率。根據(jù)定義可知，可靠度是時(shí)間的函數(shù)，其表達(dá)式為：R(t)=P(γ>t)式中，R(t)是可靠度函數(shù)，γ是產(chǎn)品發(fā)生失效(喪失產(chǎn)品規(guī)定功能)前的工作時(shí)間，t是規(guī)定的時(shí)間，P表示概率。失效概率是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率，也稱為不可靠度，是評估產(chǎn)品可靠性的主要指標(biāo)之一，其表達(dá)式為：F(t)=P(γ≤t)式中，F(xiàn)(t)是失效概率函數(shù)。由可靠度和失效概率的定義可知，它們是對立事件，根據(jù)概率互補(bǔ)定理，必然有：R(t)+F(t)=1失效概率越低，產(chǎn)品的質(zhì)量越高，使用壽命也越長，反之亦然。維修率是指產(chǎn)品在使用過程中需要維護(hù)的頻率或維護(hù)時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的百分比。維修率越低，可靠性越高，產(chǎn)品的生命周期成本也越低。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)

4.4.1可靠性概念1

4.4.2“應(yīng)力-強(qiáng)度”干涉模型一般情況下，兩者交織在一起，擁

有一個(gè)干涉區(qū)，在該干涉區(qū)域內(nèi)應(yīng)力

高于強(qiáng)度，機(jī)械零件會出現(xiàn)失效現(xiàn)象。

干涉區(qū)域面積大小代表產(chǎn)品失效概率

的高低，面積越大，失效概率越高，可靠性越低；反之亦然。通過該模型即可計(jì)算機(jī)械產(chǎn)品的失效概率或者可橫坐標(biāo)表示產(chǎn)品的應(yīng)力或者強(qiáng)度，縱坐標(biāo)表示應(yīng)力和強(qiáng)度的概率。g(x)表示應(yīng)力概率密度函數(shù)，h(x)表示強(qiáng)度概率密度函數(shù)

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)靠度。1在系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)中，一般使用邏輯圖表示整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與各個(gè)單元功能之間的邏輯關(guān)系，如圖所示。

圖中方框表示不同的單元，連接線表示各個(gè)單元功能之間的邏輯關(guān)系。根據(jù)各單元之間的邏輯關(guān)系可分為串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)、混合系統(tǒng)等。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)

4.4.3系統(tǒng)可靠性預(yù)測系統(tǒng)邏輯關(guān)系圖11.串聯(lián)系統(tǒng)如果系統(tǒng)中的任何一個(gè)組成單元發(fā)生失效就會引起整個(gè)系統(tǒng)失效，則稱該系統(tǒng)為串聯(lián)系統(tǒng)，其可靠性計(jì)算框圖如圖所示。

串聯(lián)系統(tǒng)可靠性計(jì)算框圖根據(jù)概率乘法定律，串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性為：n式中，Rs(t)為串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度，Ri(t)表示第i個(gè)單元的可靠度，i=1，2，3，…，n。由于每個(gè)單元的可靠度Ri(t)均為小于等于1的整數(shù)，因此，串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度隨著組成單元的增多而

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)=1iRs

(t)=R1

(t)R2

(t)…

Ri

(t)…

Rn

(t)=nRi

(t)

4.4.3系統(tǒng)可靠性預(yù)測降低。14.4.3系統(tǒng)可靠性預(yù)測2.并聯(lián)系統(tǒng)如果系統(tǒng)中所有組成單元都發(fā)生失效后，整個(gè)系統(tǒng)才失效，則稱該系統(tǒng)為并聯(lián)系統(tǒng)。其可靠性框圖如圖所示。并聯(lián)系統(tǒng)可靠性計(jì)算框圖并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為：Rp

(t)

=

1

-

Fp

(t)

=

1

-

Fi

(t)

=

1

-

[1

-

Ri

(t)]i

=1

i

=1式中，Rp(t)為并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度，F(xiàn)p(t)為系統(tǒng)的失效概率，F(xiàn)i(t)表示第i個(gè)單元的失效概率，i=1，2，3，…，nnnnn

。由上式可知，并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度隨著單元數(shù)的增加而增大。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)12n：1

4.4.3系統(tǒng)可靠性預(yù)測3.混合系統(tǒng)混合系統(tǒng)是由若干個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)或者若干個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)或者他們的混合體組成的一個(gè)綜合系統(tǒng)。混合系統(tǒng)可靠性計(jì)算時(shí)，通常將系統(tǒng)中純并聯(lián)的同組單元等效為一個(gè)串聯(lián)單元，然后再按照串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度計(jì)算。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)1等同分配法：如果由n個(gè)單元組成并聯(lián)系統(tǒng)，且已知系統(tǒng)要求的可靠度指標(biāo)為Rp

，則各個(gè)單元的可靠指標(biāo)RiP應(yīng)該為：RiP

=

1

(1

Rp

)如果由n個(gè)單元組成串聯(lián)系統(tǒng)，且要求的可靠

度指標(biāo)為Rs

，則各個(gè)單元的可靠指標(biāo)Ris應(yīng)該為：Ris

=

R

ns111nn1系統(tǒng)可靠性分配的基本步驟：(1)明確系統(tǒng)可靠性參數(shù)指標(biāo)要求；

(2)分析系統(tǒng)組成單元之間的關(guān)系(是串聯(lián)關(guān)

系還是并聯(lián)關(guān)系)；(3)選取分配方法(同一系統(tǒng)可選多種方法)；(4)進(jìn)行可靠性分配；(5)驗(yàn)算可靠性指標(biāo)要求。一般系統(tǒng)可靠性分配最為簡單的方法是等同分配法。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)

4.4.4系統(tǒng)可靠性分配1

4.5

反求設(shè)計(jì)

4.5.1反求設(shè)計(jì)內(nèi)涵傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)：市場調(diào)研、需求分析、原理驗(yàn)證