機械設(shè)計-學(xué)做一體化課件：現(xiàn)代機械設(shè)計方法簡介

現(xiàn)代機械設(shè)計方法簡介13.1并行設(shè)計13.2虛擬設(shè)計13.3綠色設(shè)計13.4可靠性設(shè)計13.5智能優(yōu)化設(shè)計13.6計算機輔助設(shè)計思考與練習(xí)

13.1并行設(shè)計

并行設(shè)計是一種對產(chǎn)品及其相關(guān)過程(包括設(shè)計制造過程和相關(guān)的支持過程)進行并行和集成設(shè)計的系統(tǒng)化工作模式。強調(diào)產(chǎn)品開發(fā)人員一開始就考慮產(chǎn)品從概念設(shè)計到消亡的整個生命周期里的所有相關(guān)因素的影響,把一切可能產(chǎn)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(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1.串行設(shè)計與并行設(shè)計

傳統(tǒng)串行的產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)過程是以順序的任務(wù)方式進行的,整個過程被分割成串行的若干階段,下游階段的啟動需以上一個階段的結(jié)束作為前提,階段與階段之間具有較為明顯的停頓和交接,整個過程中信息及各領(lǐng)域產(chǎn)品開發(fā)人員間的意見交流僅限于毗鄰的兩個階段,無法完成信息的及時反饋與交流。這種方法必然導(dǎo)致產(chǎn)品的設(shè)計與制造之間存在嚴(yán)重的隔閡,因此與傳統(tǒng)的串行設(shè)計相比,并行工程是對產(chǎn)品及其相關(guān)過程(包括制造和支持過程)進行集成、并行設(shè)計的一種系統(tǒng)性工作模式。

這種工作模式力圖使開發(fā)者從一開始就考慮到產(chǎn)品全生命周期(從概念形成到產(chǎn)品報廢處理)中的所有因素,包括質(zhì)量、成本、進度及用戶需求,在產(chǎn)品開發(fā)過程中的各個階段的工作交叉進行,以使設(shè)計出來的產(chǎn)品能達到一次性成功。

2.并行設(shè)計系統(tǒng)的實現(xiàn)

在傳統(tǒng)的設(shè)計方法中,由于設(shè)計者自身的能力有限,不可能在短時間內(nèi)僅憑借自己對產(chǎn)品的使用要求的理解就能把產(chǎn)品各方面的問題都考慮得很周全。而串行的設(shè)計系統(tǒng)很難與機械機構(gòu)設(shè)計師、市場銷售人員等相關(guān)部門做到高效的交流互動,因此造成了設(shè)計效率低下,設(shè)計周期延長,甚至錯過市場機遇。在產(chǎn)品設(shè)計中引入并行工程實現(xiàn)產(chǎn)品并行設(shè)計系統(tǒng),可以使產(chǎn)品開發(fā)在早期階段能全面考慮產(chǎn)品開發(fā)過程中的各種因素,從而縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低成本。

并行工程應(yīng)用到產(chǎn)品開發(fā)過程中就是打破傳統(tǒng)的組織機構(gòu)帶來部門分割封閉的觀念,強調(diào)各部門協(xié)同工作的效應(yīng),重建產(chǎn)品開發(fā)過程并運用先進的設(shè)計方法學(xué),在產(chǎn)品設(shè)計的早期階段就考慮其后期發(fā)展的所有因素,提高產(chǎn)品設(shè)計、制造的一次成功率。并行設(shè)計的核心是過程集成,更側(cè)重時間上的協(xié)同,這是一種集成地、平行地處理產(chǎn)品設(shè)計、制造及其相關(guān)過程的方法。

常見的模型有:

(1)環(huán)節(jié)重疊和壓縮模型:大多數(shù)關(guān)于并行設(shè)計的論述把并行設(shè)計的過程描述成一個活動環(huán)節(jié)重疊、壓縮的過程。這樣在產(chǎn)品開發(fā)的每個環(huán)節(jié)執(zhí)行過程中均與上一環(huán)節(jié)的相關(guān)人員進行交流,同時充分考慮下一環(huán)節(jié)可能遇到的問題,并提出設(shè)計意見,從而提高產(chǎn)品設(shè)計的效率。

(2)圓桌模型:因為影響產(chǎn)品設(shè)計效率及設(shè)計成功率的因素有很多,每一環(huán)節(jié)出了問題都可能導(dǎo)致其他環(huán)節(jié)的癱瘓,因此在并行設(shè)計中采用圓桌會議的方式,這種方式能夠使產(chǎn)品設(shè)計的各部門如坐在一張圓桌上一樣進行交流研究,共同參與產(chǎn)品設(shè)計的每一環(huán)節(jié)。

13.2虛擬設(shè)計在達到產(chǎn)品并行的目的以后,為了使產(chǎn)品一次設(shè)計成功,減少反復(fù),往往會采用仿真技術(shù),而對機電產(chǎn)品模型的建立和仿真又屬于虛擬設(shè)計的范疇。所謂虛擬制造(也叫擬實制造),是指利用仿真技術(shù)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)等對現(xiàn)實制造活動中的人、物、信息及產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造等生產(chǎn)過程進行全面的仿真,發(fā)現(xiàn)制造過程中可能出現(xiàn)的問題,在真實制造以前,解決這些問題,以縮減產(chǎn)品上市的時間,降低產(chǎn)品開發(fā)、制造成本,并提高產(chǎn)品的市場競爭力。

虛擬設(shè)計能實現(xiàn)在產(chǎn)品加工制造之前,建立產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)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(shè)計的優(yōu)點,也具備了仿真技術(shù)可視化的特點,更能支持協(xié)同工作和并行設(shè)計,從而縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期并通過各種先進技術(shù)的利用和補充,使產(chǎn)品保持技術(shù)上的優(yōu)勢。

汽車車輛虛擬設(shè)計與制造技術(shù)應(yīng)用實例:

(1)車身設(shè)計階段使用仿真軟件進行快速沖壓成形性校核,可大大減少設(shè)計返工帶來的巨大損失。

(2)模具設(shè)計階段采用仿真軟件進行沖壓仿真分析,可大大減少模具調(diào)試時間。

與傳統(tǒng)增量法由坯料到?jīng)_壓件成形順序相反,它是由制件逆成形方向反推到坯料。它可以模擬一步或多步成形、翻邊等成形過程。一步成形計算速度非?？?中等件小于20分鐘),能夠比較準(zhǔn)確預(yù)示制件成形性,為結(jié)構(gòu)和碰撞分析提供真實信息(厚度、應(yīng)力等),將它作為預(yù)警系統(tǒng)用于車型開發(fā)的早期階段。

汽車制造中的瓶頸問題之一是車輛模具設(shè)計與制造,特別是拉延模具設(shè)計。為解決這一問題,近十年來國內(nèi)外汽車模具行業(yè)廣泛采用了虛擬設(shè)計技術(shù),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和我國自行開發(fā)的KMAS/Increment軟件等。

13.3綠色設(shè)計

綠色設(shè)計是指以環(huán)境資源保護為核心概念的設(shè)計過程,其基本思想就是在設(shè)計階段就將環(huán)境因素和預(yù)防污染的措施納入產(chǎn)品設(shè)計之中,將環(huán)境性能作為產(chǎn)品的設(shè)計目標(biāo)和出發(fā)點,力求使產(chǎn)品對環(huán)境的影響最小。

產(chǎn)品的綠色設(shè)計主要包括以下內(nèi)容:

(1)產(chǎn)品材料的選擇和管理。產(chǎn)品的材料不僅要滿足傳統(tǒng)設(shè)計的使用和性能要求,也包括對環(huán)境約束準(zhǔn)則的考慮。

(2)產(chǎn)品可拆卸性和可回收性設(shè)計?？刹鹦缎栽O(shè)計是將廢棄淘汰產(chǎn)品的連接按照需要和回收目標(biāo)拆開而將零部件相互分離,即用利于產(chǎn)品拆卸的連接方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的連接方式;可回收性設(shè)計則是將產(chǎn)品中的可重用零部件及材料按照其性質(zhì)進行分類,以便實現(xiàn)零部件重用或材料循環(huán)的一種設(shè)計思想和方法

(3)綠色產(chǎn)品成本分析和設(shè)計數(shù)據(jù)庫的建立。對產(chǎn)品的成本分析不僅包括了產(chǎn)品原始成本的分析,還包括產(chǎn)品環(huán)境成本的分析,以便設(shè)計出更綠色、成本更低的產(chǎn)品。而產(chǎn)品綠色設(shè)計數(shù)據(jù)庫包括與產(chǎn)品壽命周期中環(huán)境、經(jīng)濟等有關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),以及各類評判標(biāo)準(zhǔn)。

(4)產(chǎn)品的綠色包裝設(shè)計。除了設(shè)計出能滿足客戶要求和喜愛的產(chǎn)品造型和樣式之外,還要充分考慮包裝對環(huán)境的影響。

產(chǎn)品設(shè)計的基本流程為:市場調(diào)研—草圖構(gòu)思—方案設(shè)計。具體到綠色設(shè)計在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用,其過程可分為四個階段。

(1)市場調(diào)研:在市場調(diào)研階段,將產(chǎn)品的綠色因素作為調(diào)研時的一項重點內(nèi)容。在此階段,對產(chǎn)品在人、資源與環(huán)境等方面存在的綠色缺陷作出調(diào)查研究,并進行分析,形成理性的調(diào)研報告。通過市場調(diào)研,可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中所蘊含的綠色機遇?？梢岳卯a(chǎn)品綠色因素,對市場作出合理的關(guān)于綠色因素的調(diào)研。同時評估出未來產(chǎn)品的綠色設(shè)計需求,指出現(xiàn)有產(chǎn)品與目標(biāo)產(chǎn)品的差距。

(2)概念設(shè)計:在具體的產(chǎn)品設(shè)計流程中,將通過市場研究所得來的綠色機遇,通過草圖設(shè)計—方案篩選—方案設(shè)計的流程,把功能、造型、色彩、人機等諸因素融入到產(chǎn)品設(shè)計中。一是使產(chǎn)品滿足綠色設(shè)計的三大要求:Reduce(節(jié)約)、Reuse(回收利用)、Recycle(循環(huán));二是通過產(chǎn)品設(shè)計中的造型、色彩、人機等因素的協(xié)調(diào)設(shè)計,使得用戶在使用綠色產(chǎn)品的時候,能夠感受到產(chǎn)品的綠色因素。

(3)方案確定:對概念設(shè)計方案進行評估,得到最終確立的方案。對方案的評估有兩個方面,一是在設(shè)計、制造、包裝、運輸、消費、報廢和回收過程中,將廢棄物的量作為衡量標(biāo)準(zhǔn),盡可能地減少該過程中廢棄物的量;二是觀察產(chǎn)品在使用過程中,是否能夠很好地讓消費者感受到產(chǎn)品的綠色因素,可著重考察產(chǎn)品的人機、形態(tài)和色彩。

(4)詳細(xì)設(shè)計:在產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計階段,繼續(xù)深化產(chǎn)品的綠色因素,進行詳細(xì)的產(chǎn)品設(shè)計。細(xì)致分析產(chǎn)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(chǎn)品所有與人、資源、環(huán)境相關(guān)的因素都要經(jīng)過細(xì)致的分析與設(shè)計。在此設(shè)計階段可以借助虛擬技術(shù)進行產(chǎn)品開發(fā),在虛擬的環(huán)境下進行產(chǎn)品設(shè)計,生成軟產(chǎn)品模型以進行形態(tài)和功能的評價與測試,這樣就可避免生成硬模型帶來的能源和資源上的浪費,有利于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低成本,減少污染。

13.4可靠性設(shè)計

機電產(chǎn)品的可靠性設(shè)計可定義為產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi),完成規(guī)定功能的能力?？煽啃栽O(shè)計是以概率論為數(shù)學(xué)基礎(chǔ),從統(tǒng)計學(xué)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(guān)系。用來描述這種關(guān)系的模型很多,如正態(tài)分布模型、指數(shù)分布模型和威爾分布模型。

可靠性常用的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)有可靠度(Reliability)、失效率(FailureRate)和平均壽命(Meanlife)。機電系統(tǒng)的可靠性不僅與組成系統(tǒng)單元(機械單元、電氣單元或混合單元)的可靠性有關(guān),還與組成該系統(tǒng)各單元間的組合方式和相互匹配有關(guān)。

通常機電產(chǎn)品的可靠性設(shè)計包括以下幾個方面的內(nèi)容。

(1)明確機電產(chǎn)品中機械部件和電氣部件的設(shè)計制造要求。

(2)系統(tǒng)可靠性建模。系統(tǒng)常用的可靠性建模方式有:串聯(lián)系統(tǒng)建模、并聯(lián)系統(tǒng)建模、混聯(lián)系統(tǒng)建模、k/n系統(tǒng)建模和儲備系統(tǒng)建模。可通過這些數(shù)學(xué)模型并采用適當(dāng)?shù)乃惴▉碛嬎銠C電系統(tǒng)的可靠性。

(3)可靠性預(yù)測。預(yù)測單元(機械單元、電氣單元或混合單元)的可靠性,首先要確定單元的基本失效率λb,它們是在一定的環(huán)境條件下得出的,設(shè)計時可以從相關(guān)的手冊、資料中查得。然后根據(jù)公式λ=kλb來確定各單元的應(yīng)用失效率λ,k為修正系數(shù),可由專門的資料中查得。對于不同的機電系統(tǒng),其可靠性預(yù)測的方法也不同,常用的有元器件統(tǒng)計法、數(shù)學(xué)模型法和故障樹分析法等方法。

(4)可靠性的分配。根據(jù)機電產(chǎn)品各單元技術(shù)水平、復(fù)雜程度、重要程度以及相關(guān)費用等條件來決定,總的來說都是為了獲取系統(tǒng)最高的可靠性?，F(xiàn)在常用的分配方法有等分法、再分法、Agree分配法、相對失效法和相對概率法。

13.5智能優(yōu)化設(shè)計

隨著機電一體化相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展,以及機電一體化技術(shù)的廣泛使用,我們面臨的將是越來越復(fù)雜的機電系統(tǒng)。解決復(fù)雜系統(tǒng)的出路在于使用智能優(yōu)化的設(shè)計手段。智能優(yōu)化設(shè)計突破了傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計的局限,它更強調(diào)人工智能在優(yōu)化設(shè)計中的作用。智能優(yōu)化設(shè)計應(yīng)該以計算機為實現(xiàn)手段,與控制論、信息論、決策論相結(jié)合,使現(xiàn)代機電產(chǎn)品具有自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)的能力,其創(chuàng)造性在于借助三維圖形、智能化軟件和多媒體工具等對產(chǎn)品進行開發(fā)設(shè)計。

實現(xiàn)智能優(yōu)化設(shè)計的手段有:

(1)模糊設(shè)計。模糊設(shè)計是以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ),首先通過對設(shè)計對象的各項性能指標(biāo)建立滿足某些模糊集合的隸屬度函數(shù),并按其重要性乘以不同的加權(quán)因子,然后按一定的算法得到綜合模糊集合的隸屬函數(shù),再通過優(yōu)化策略,把模糊問題向非模糊化轉(zhuǎn)化,從而實現(xiàn)尋優(yōu)的過程。現(xiàn)在機電產(chǎn)品中涉及模糊理論的場合很多,如模糊冰箱、模糊洗衣機和模糊微波爐,它們正悄然地改變著人們的生活方式。

(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿人類大腦結(jié)構(gòu)、功能的信息處理智能系統(tǒng),一般由多輸入單輸出非線性單元組成神經(jīng)元,各神經(jīng)元按一定的模式連接,并構(gòu)成各種連接模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計通過反復(fù)的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)以及自身的適應(yīng)能力來完成對復(fù)雜信息的處理,使輸出達到最優(yōu)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重要特征就是具有很強的自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)的能力和強容錯性。為實現(xiàn)機電產(chǎn)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(jīng)驗和知識,以知識庫為核心,配以特征知識處理,并采用不同的匹配法則和推理機制,構(gòu)成完整的最優(yōu)決策系統(tǒng)。

13.6計算