現(xiàn)代設計方法總結-文檔資料

1、1,現(xiàn)代設計方法總結,指導老師：李剛炎 小組成員： 工學2班（鈕嘉穎 張巖）工學3班（ 王冠 ） 工學4班（江麗 袁騰飛） 工程2班（談小龍,2,概述,現(xiàn)代設計方法是隨著當代科學技術的飛速發(fā)展和計算機技術的廣泛應用而在設計領域發(fā)展起來的一門新興的多元交叉學科。以滿足市場產品的質量、性能、時間、成本、價格綜合效益最優(yōu)為目的,以計算機輔助設計技術為主體,以知識為依托,以多種科學方法及技術為手段,研究、改進、創(chuàng)造產品和工藝等活動過程所用到的技術和知識群體的總稱,3,內容,并行設計 虛擬設計 綠色設計 可靠性設計 智能優(yōu)化設計 計算機輔助設計 動態(tài)設計 模塊化設計,計算機仿真設計 人機學設計 摩擦學設

2、計 疲勞設計 反求設計 無障礙設計 共用性設計,4,一、并行設計,并行設計是一種對產品及其相關過程(包括設計制造過程和相關的支持過程)進行并行和集成設計的系統(tǒng)化工作模式。強調產品開發(fā)人員一開始就考慮產品從概念設計到消亡的整個生命周期里的所有相關因素的影響，把一切可能產生的錯誤、矛盾和沖突盡可能及早地發(fā)現(xiàn)和解決，以縮短產品開發(fā)周期、降低產品成本、提高產品質量。 并行設計作為現(xiàn)代設計理論及方法的范疇，目前已形成的并行設計方法基本上可以分為兩大類,5,基于人員協(xié)同和集成的并行化。 基于信息、知識協(xié)同和集成的并行化,6,實例,并行工程應用于整車項目開發(fā)案例研究,圖1 并行工程所需的體系結構,圖2 圍繞

3、并行開發(fā)組成大循環(huán)體 的相關部門,7,一般地，汽車整車產品開發(fā)共有4個大的階段，即策劃階段、設計階段、樣品試制階段和小批試制階段。 以模、夾具的開發(fā)為例，運用并行工程，其與車身工程設計幾乎同時進行，從整個計劃第4個月開始介入，在整個開發(fā)周期的第22個月完成。而運用串行工程，其在車身工程設計完成后進行，從整個計劃第15個月才介入，在整個開發(fā)周期的第34個月才完成。運用并行工程開發(fā)時間上節(jié)約近36%，整個產品開發(fā)周期可以縮短40%50,8,設計部門不斷預發(fā)布、評審、輸出，相關部門評審、驗證意見和建議不斷反饋，然后設計不斷更改，通過預發(fā)布和設計評審、修改若干個循環(huán)，這樣可以把不必要的失誤和不足消滅在

4、設計階段，同時優(yōu)化設計。在各系統(tǒng)設計輸出評審的時候，相關部門的意見至關重要。在產品開發(fā)的早期階段解決設計問題，所冒的風險和損失最小,圖4 在車型各系統(tǒng)詳細設計階段，相關部門提前滲入,9,二、虛擬設計,在達到產品并行的目的以后，為了使產品一次設計成功，減少反復，往往會采用仿真技術，而對機電產品模型的建立和仿真又屬于是虛擬設計的范疇。虛擬設計能實現(xiàn)在產品加工制造之前，建立產品的功能、結構模型，并能對其進行修改和評審，以滿足不同客戶的要求。它不僅繼承了傳統(tǒng)CAD設計的優(yōu)點也具備了仿真技術可視化的特點，更能支持協(xié)同工作和并行設計，從而縮短了產品開發(fā)周期并通過各先進技術的利用和補充，使產品保持技術上的優(yōu)

5、勢。 機電產品的虛擬設計要以計算機技術(尤其是計算機網絡、通信技術)為基礎。對機電產品虛擬設計平臺的建立應該包括三個層次的內容:一是產品模型的建立以及產品設計的優(yōu)化;二是對產品(包括各部件)的評價和驗證，比如產品性能評價、可制造性的評價;三是產品模型以及相關信息的傳輸。要實現(xiàn)虛擬設計過程中產品信息的共享，一般采用了STEP(產品模型數據交換標準)的格式。 在這些基礎上可以建立機電產品虛擬設計系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了CAD/CAM系統(tǒng)、PDM系統(tǒng)、專家系統(tǒng)以及網絡、通訊等系統(tǒng),10,汽車車輛虛擬設計與制造技術應用實例 汽車研發(fā)典型流程中，首先利用虛擬產品開發(fā)技術和結構分析CAE軟件確定產品設計方案，然

6、后進行零部件詳細設計、設計文檔發(fā)放并實施加工過程。 （1）車身設計階段使用One-Step仿真軟件進行快速沖壓成形性校核，可大大減少設計返回帶來巨大損失。 （2）模具設計階段采用Increment仿真軟件進行沖壓仿真分析，可大大減少模具調試時間,11,實際工作中，經常出現(xiàn)某些車輛沖壓件成形困難不不返回設計部門更改設計現(xiàn)象，不不犧牲總體性能來解決局部設計問題。解決該問題最好辦法是對車輛件設計后立刻進行成形性校核，發(fā)現(xiàn)問題及早解決。由此產生了一步逆成形（One-Step Forming）軟件，如瑞士AutoForm. Eng.公司AutoForm/One-Step、加拿大FTI公司Fast3D、法

7、國SIMTECH公司SIMEX 以及我們自主開發(fā)KMAS/One-Step軟件等。 汽車制造中瓶頸問題之一是車輛模具設計與制造，特別是拉延模設計。為解決這一問題，近十年來國內外汽車模具行業(yè)廣泛采用了虛擬設計技術，即采用增量分析軟件進行沖壓過程仿真。這類軟件如法國ESIPAM-STAMP、美國LS-DYNA、瑞士AutoForm. Eng. 公司AutoForm /Increment和我們自行開發(fā)KMAS/Increment軟件等,12,三、綠色設計,綠色設計是指以環(huán)境資源保護為核心概念的設計過程，其基本思想就是在設計階段就將環(huán)境因素和預防污染的措施納人產品設計之中，將環(huán)境性能作為產品的設計目標

8、和出發(fā)點，力求使產品對環(huán)境的影響為最小。 產品的綠色設計主要包括以下內容,13,產品材料的選擇和管理。 產品可拆卸性和可回收性設計。 綠色產品成本分析和設計數據庫的建立。 產品的綠色包裝設計,14,產品設計的基本流程為：市場調研-草圖構思-方案設計。具體到綠色設計在產品設計中的應用，其過程可分為四個階段： 1、 市場調研 在市場調研階段，將產品的綠色因素作為調研時的一項重點內容。在此階段，對產品在人、資源與環(huán)境等方面存在的綠色缺陷做出調查研究，并進行分析，形成理性的調研報告。 2、概念設計 在具體的產品設計流程中，將通過市場研究所得來的綠色機遇，通過草圖設計-方案篩選-方案設計流程，把功能、造

9、型、色彩、人機等諸因素融入到產品設計中去,15,3、方案確定 對概念設計方案進行評估，得到最終確立方案。對方案的評估有兩個方面，一是在設計、制造、包裝、運輸、消費、報廢和回收過程中，廢棄物的量作為衡量標準，盡可能的減少該過程中廢棄物的量，二是看產品的在使用過程中，是否能夠很好的讓消費者感受到產品的綠色因素，可著重于考察產品的人機、形態(tài)和色彩。 4、詳細設計 在產品的詳細設計階段，繼續(xù)深化產品的綠色因素，進行詳細的產品設計。細致分析產品的生命周期，從其加工的原材料，制造、銷售、使用到回收利用的每一個階段，該產品所有與人、資源、環(huán)境相關的因素都要經過細致的分析與設計。 綠色設計融入工業(yè)設計是工業(yè)設

10、計發(fā)展的必然趨勢，它會使工業(yè)設計理論更為充實，使工業(yè)設計更加符合人類社會發(fā)展的要求。在產品設計中提出綠色設計絕非偶然，它是工業(yè)產品設計發(fā)展的要求，是符合新世紀綠色消費浪潮的,16,四、可靠性設計,機電產品的可靠性設計可定義為:產品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的能力?？煽啃栽O計是以概率論為數學基礎，從統(tǒng)計學的角度去觀察偶然事件，并從偶然事件中找出其某些必然發(fā)生的規(guī)律，而這些規(guī)律一般反映了在隨機變量與隨機變量發(fā)生的可能性(概率)之間的關系。 用來描述這種關系的模型很多，如正態(tài)分布模型、指數分布模和威爾分布模型。可靠性常用的數值標準有:可靠度(Reliability)、失效率(Fail

11、ureRate)平均壽命(MeanUfe)。通常機電產品的可靠性設計包括以下幾個方面的內容,17,明確機電產品中機械部件和電氣部件的設計制造要求。 系統(tǒng)可靠性建模。 可靠性可預測。 可靠性的分配,18,汽車可靠性設計的基本內容 (1)從系統(tǒng)方面考慮 確定整車的可靠性數據指標 確定汽車的工作環(huán)境 確定整車的系統(tǒng)的構成及配置 實施可靠性預測和分配 決定易操作性基本要求（人機可靠性） 決定維修性基本要求 決定安全性基本要求 可靠性設計評審 修改設計方案 確定整車或零部件的運輸、包裝以及保管要求 各項指標的綜合平衡,19,2)從零部件方面考慮 確定總成或零件的可靠性要求。 制定出零件可靠性一覽表。 制

12、定出高可靠性零件一覽表。 指出可靠性不佳的零件。 確定零件壽命。 確定零件的失效率。 重要的零件采用概率設計方法。 關鍵零件的可靠性試驗計劃。 采用標準件和質量穩(wěn)定、設計成熟、制造水平高的零部件。 貯備設計:考慮采用冗余 (貯備)設計法和備件的使用。 (3)從外購件方面考慮 收集外購件使用中的反饋信息，掌握外購件供應廠的設計和制造能力。 對外購件提出性能要求、可靠性要求以及相應的定量指標。 審查提供產品的工廠試驗數據(或質量保證書)資料，其中包括可靠性數據、質量指標等等,20,接收提供產品的工廠編制的產品設計、使用說明書。 對確定認購的產品作入庫檢驗。 定期進行確認試驗。 (4)從人機工程方面

13、考慮 便于駕駛員操作 具有良好的操縱性能和適宜的操作范圍。 視野、燈光、反照鏡等設計 都要有利于提高駕駛員的辨清能力。 舒適性設計 不易使駕駛員產生疲勞。 易于操作辨認，防止產生誤操作 采用易于操作，使用方便、失誤動作較少的結構，設計防誤操作的裝置。 信息顯示設計 各種儀表 (里程表、轉速表、油量指示表等)、指示燈、巡航系統(tǒng)等等。 車內環(huán)境 空調、燈光、制動、噪音、振動、音響等等。 色彩效果以及心理影響因素的考慮,21,5)從汽車產品制造方面考慮 選用先進的加工設備以及工具、量具、卡具。 正確的工藝設計以及工藝流程。 材料的可靠性試驗或質量驗收試驗。 外協(xié)產品的接收試驗。 制造人員的培訓和教育

14、。 制造過程的管理。 制定正確的操作規(guī)程。 制定正確的維修或安裝調試規(guī)程。 具備適用的維修或安裝調試設備和工具。 做好售后服務。 在生產線上作在線檢查。 定期進行質量分析,22,五、智能優(yōu)化設計,隨著與機電一體化相關技術不斷的發(fā)展，以及機電一體化技術的廣泛使用，我們面臨的將是越來越復雜的機電系統(tǒng)。解決復雜系統(tǒng)的出路在于使用智能優(yōu)化的設計手段。智能優(yōu)化設計突破了傳統(tǒng)的優(yōu)化設計的局限，它更強調人工智能在優(yōu)化設計中的作用,23,實現(xiàn)的手段 (1)模糊設計。模糊設計是以模糊數學為理論基礎，它首先通過對設計對象的各項性能指標建立滿足某些模糊集合的隸屬度函數，并按其重要性乘以不同的加權引子，然后按一定的算

15、法得到綜合模糊集合的隸屬函數，再通過優(yōu)化策略，把模糊問題向非模糊化轉化，從而實現(xiàn)尋優(yōu)的過程?，F(xiàn)在機電產品中涉及到模糊理論的場合很多，如模糊冰箱、模糊洗衣機、模糊微波爐，它們正悄然地改變著人們的生活方式。 (2)神經網絡優(yōu)化設計。神經網絡是一種模仿人類大腦結構、功能的信息處理智能系統(tǒng)，一般由多輸人單輸出非線性單元組成神經元，各神經元按一定的模式連接，并構成各種連接模型。它通過反復的訓練和學習以及自身的適應能力來完成對復雜信息的處理，使輸出達到最優(yōu)。 為實現(xiàn)機電產品智能化的功能，還有一個途徑就是利用專家系統(tǒng)的框架。通過提取人類成熟的操作經驗和知識，以知識庫為核心，配以特征知識處理，并采用不同的匹配

16、法則和推理機制，構成完整的最優(yōu)決策系統(tǒng),24,軸類零件粗糙度設計模糊策略,25,軸類零件粗糙度設計模糊策略,粗糙度設計矩陣ROUGHD ROUGHD=F1FjFnTnm(3) 其中:Fj為第j個設計因素的置信矢量;n為設計因素數量;m為設計因素的最大狀態(tài)數量,不足補零。 基于最小距離的擇近原則是模糊技術中的主要模糊識別方式。 Distance(A,B)=1nnj=1(Aj-Bj)2 若令用戶輸入的粗糙度為:RoughD:RoughD=F1FjFn ，則粗糙度模糊設計工作就是要將RoughD歸于知識庫ROUGHD 中距離最小的一個ROUGHD,從而獲得粗糙度參數大小,26,六、計算機輔助設計,機

17、械計算機輔助設計，是在一定的計算機輔助設計平臺上，對所設計的機械零、部件，輸入要達到的技術參數，由計算機進行強度，剛度，穩(wěn)定性校核，然后輸出標準的機械圖紙，簡化了大量人工計算及繪圖，效率比人工提高幾十倍甚至更多。 計算機輔助設計的過程,首先進行功能設計,選擇合適的科學原理或構造原理,然后進行產品總圖的初步設計、產品選型和外型的初步設計;從總圖派生出零件,對零件的造型、尺寸、色彩等進行設計,對零件進行有限元分析,使其結構及尺寸與應力狀態(tài)相適應;對零件進行加工模擬,對其性能做出評價、分析和優(yōu)化,最終完成零件的工作圖;在計算機上制定零件制造工藝,在相應的設備上制造出零件,27,現(xiàn)代CAD系統(tǒng)的功能包

18、括: (1)設計組件重用(Reuse of design components) (2)簡易的設計修改和版本控制功能(Ease of design modification and versioning) (3)設計的標準組件的自動產生(Automatic generation of standard components of the design) (4)設計是否滿足要求和實際規(guī)則的檢驗(Validation/verification of designs against specifications and design rules) (5)無需建立物理原型的設計模擬(Simulatio

19、n of designs without building a physical prototype) (6)裝配件(一堆零件或者其它裝配件)的自動設計 (7)工程文檔的輸出，例如制造圖紙，材料明細表(Bill of Materials) (8)設計到生產設備的直接輸出 (9)到快速原型或快速制造工業(yè)原型的機器的直接輸出,28,七、動態(tài)設計,動態(tài)設計法是在計算參數難以準確確定、設計理論和方法帶有經驗性和類比性時，根據施工中反饋的信息和監(jiān)控資料完善設計，是一種客觀求實、準確安全的設計方法。動態(tài)設計通過建立監(jiān)測系統(tǒng)和信息反饋有利于控制施工安全，并不斷地將現(xiàn)場情況及變化反饋到設計單位，以便調整完善設

20、計。 傳統(tǒng)的機械設計主要是依據靜態(tài)條件下強度、剛度、穩(wěn)定性及結構要求和材料選擇來進行設計的，機械領域的動態(tài)設計則以系統(tǒng)論，控制論為依據，在一定的位移，速度，力和力矩的干擾下對影響整機性能非常重要的戰(zhàn)術指標（包括響應速度、跟蹤精度和動態(tài)穩(wěn)定性等）進行設計,29,機械動態(tài)設計的理論與方法主要包括以下四個方面： 動力學建模 動態(tài)特性 計算實物試驗 模型試驗與試驗建模 機械結構動力修改,30,基坑支護動態(tài)設計應用實例,31,八、模塊化設計,結構模塊化設計主要是以功能化的產品結構為基礎，分解現(xiàn)有的產品，在分解中考慮到各個要素的可行性，從而在早期就預測到設計中可能會出現(xiàn)的矛盾，提高設計的可行性和可靠性，降

21、低產品的成本,32,模塊化設計在齒輪減速器中的應用,33,34,對一定界限內的不同產品的性能、規(guī)格進行分析得出的一系列的功能模塊，這些模塊成為基礎，通過對它的選擇，重新組合構成不同的產品，以滿足市場需求。根據各部件的位置及功能不同，設計為一個個獨立的模塊，模塊之間又可以組成一個大單元，如機械液力變矩器、變速器和中央傳動一體化單元等，使整機的裝配和維護更為方便,35,九、計算仿真設計,根據工程機械不同的作業(yè)功能，在計算機上模擬各種作業(yè)過程，以分析和確定各種狀態(tài)下的作業(yè)參數，研究工程機械各系統(tǒng)主要部件的結構合理性，借助數學實驗等方法預估工程機械的作業(yè)效果，從而可大大減少設計上的失誤，避免或減少走彎

22、路,36,空調系統(tǒng)計算機仿真設計實例 運用了計算機控制程序用Visual Basic 語言編寫, 其中用到重要的通信控件MSComm。該控件使各自控設備與計算機得以溝通, 實現(xiàn)了計算機對空調房間內溫度、濕度、CO2 濃度的監(jiān)測及對電動調節(jié)風閥、電加濕器、新風口的自動控制,37,空調系統(tǒng)的計算機監(jiān)控原理 主窗體, 即“空調系統(tǒng)的計算機仿真”窗體。 “控制”子窗體。 “系統(tǒng)圖”子窗體。 “歷史記錄”子窗體。 “曲線圖”子窗體。 “幫助”子窗體。 “關于我的應用程序”對話框。 標準模塊,38,十、人機學設計,應用人體測量學、人體力學、勞動生理學、勞動心理學等學科的研究方法，對人體結構特征和機能特征進

23、行研究，提供人體各部分的尺寸、重量、體表面積、比重、重心以及人體各部分在活動時的相互關系和可及范圍等人體結構特征參數；還提供人體各部分的出力范圍、以及動作時的習慣等人體機能特征參數，分析人的視覺、聽覺、觸覺以及膚覺等感覺器官的機能特性；分析人在各種勞動時的生理變化、能量消耗、疲勞機理以及人對各種勞動負荷的適應能力；探討人在工作中影響心理狀態(tài)的因素以及心理因素對工作效率的影響等. 所謂人性化產品，就是包含人機工程的的產品，只要是“人”所使用的產品，都應在人機工程上加以考慮，產品的造型與人機工程無疑是結合在一起的,39,學生電腦椅人機工程學設計說明 1人的身體姿勢與腰椎形狀的關系: (1)人的背后

24、仰和放松時，椎間盤內壓力最小。 (2) 靠背傾斜角越大，肌肉負荷越小。 (3) 5cm厚的短靠腰（靠住腰部，也叫地靠腰），與最簡單的面的靠背相比，可降低椎間盤壓力，減輕肌肉負荷。 (4)靠背最佳傾斜角（與程度面夾角）為120，坐面最佳角度（與程度面夾角）為14，靠背應力5cm厚的地靠背支撐著身體上部分的重量，從而減小了椎間盤內壓力,40,2根據人的身體姿勢與腰椎形狀的關系確定學生座椅的具體人機設計要素： (1)高度可調。辦公椅的高度調節(jié)范圍為38-53cm。 (2)可防止座椅滑動和翻倒。椅腳應設計5個，等分在直徑為40-45cm的圓周上。 (3)給人留有足夠的活動空間。需要時常站起來的座椅應采

25、用小腳輪。 (4)應保證腿的活動空間，以減輕腿的疲勞。 (5)坐面應為4045cm寬，3842cm長，坐面中部稍微下凹，前緣呈弧球面，坐面后傾46。 (6)坐面的材料應透氣而且不出溜(例如毛料)，以增加坐面的舒服感。 (7)在座椅右側扶手旁邊設置一個可以上翻后旋轉的鍵盤和鼠標的操作臺，使座椅與顯示器熒幕之間的間隔有更大的自由度同時利于騰出電腦桌空間。此附帶加上裝置可配合電腦桌擁擠時使用，觀看視頻或圖片（畫手繪就利便了,41,十一、摩擦學設計,摩擦學是研究相對運動的作用表面間的摩擦、潤滑和磨損，以及三者間相互關系的理論與應用的一門邊緣摩擦學系統(tǒng)過程研究學科。 世界上使用的能源大約有1/31/2消

26、耗于摩擦。如果能夠盡力減少無用的摩擦消耗，便可大量節(jié)省能源。另外，機械產品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報廢和更換的，如果能控制和減少磨損，則既減少設備維修次數和費用，又能節(jié)省制造零件及其所需材料的費用,42,摩擦學研究的對象很廣泛，在機械工程中主要包括： 動、靜摩擦副，如滑動軸承、齒輪傳動、螺紋聯(lián)接、電氣觸頭和磁帶-錄音頭等；零件表面受工作介質摩擦或碰撞、沖擊，如犁鏵和水輪機轉輪等；機械制造工藝的摩擦學問題，如金屬成形加工、切削加工和超精加工等；彈性體摩擦副，如汽車輪胎與路面的摩擦(見地面車輛力學)、彈性密封的動力滲漏等；特殊工況條件下的摩擦學問題，如宇宙探索中遇到的高真空、低溫和離子

27、輻射等，深海作業(yè)的高壓、腐蝕、潤滑劑稀釋和防漏密封等。此外，還有生物中的摩擦學問題，如研究海豚皮膚結構以改進艦只設計，研究人體關節(jié)潤滑機理以診治風濕性關節(jié)炎，研究人造心臟瓣膜的耐磨壽命以謀求最佳的人工心臟設計方案等。地質學方面的摩擦學問題有地殼移動、火山爆發(fā)和地震，以及山、海、斷層形成等。在音樂和體育以及人們日常生活中也存在大量的摩擦學問題,43,十二、疲勞設計,疲勞 材料、零件和構件在循環(huán)加載下，在某點或某些點產生局部的永久性損傷，并在一定循環(huán)次數后形成裂紋、或使裂紋進一步擴展直到完全斷裂的現(xiàn)象,44,發(fā)展趨勢 飛機、船舶、汽車、動力機械、工程機械 、冶金、石油等機械以及鐵路橋梁等的主要零件和構件，大多在循環(huán)變化的載荷下工作，疲勞是其主要的失效形式。 疲勞有限壽命設計中進行壽命估算，必須了解材料的疲勞性能，以此作為理論計算的依據 。由于疲勞壽命的長短取決于所承受的循環(huán)載荷大小，為此還必須編制出供理論分析和全尺寸疲勞試驗用的載荷譜，再根據與各種疲勞相適應的損傷模型估算出疲勞壽命。 發(fā)展趨勢是：宏觀與微觀結合，探討從位錯、滑移、微裂紋、短裂紋、長裂紋到斷裂的疲勞全過程 ，尋求壽命估算各階段統(tǒng)一的物理-力學模型 。研究不同環(huán)境下的疲勞及其壽命估算方法。概率統(tǒng)計方法在疲勞中的應用，如隨機載荷下的可靠性分析方法，以