先進(jìn)制造技術(shù) 課件 第二章 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)

先進(jìn)制造技術(shù)第2章現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)2.1現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法概述2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)2.3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)2.4逆向工程2.5可靠性設(shè)計(jì)2.6綠色設(shè)計(jì)2.1.1現(xiàn)代設(shè)計(jì)特征與內(nèi)涵2.1.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)2.1現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法概述2.1.1現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)內(nèi)涵

現(xiàn)代設(shè)計(jì)就是以滿足應(yīng)市產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、時(shí)間、成本/價(jià)格綜合效益最優(yōu)為目的，以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)為主體，以知識(shí)為依托，以多種科學(xué)方法及技術(shù)為手段，研究，改進(jìn)，創(chuàng)造產(chǎn)品活動(dòng)過程所用到的技術(shù)群體的總稱。1.設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代化2.設(shè)計(jì)手段計(jì)算機(jī)化3.現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)是多種設(shè)計(jì)技術(shù)、理論與方法的交叉與綜合4.向全壽命周期設(shè)計(jì)發(fā)展5.現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過程的并行化、智能化6.由單純考慮技術(shù)因素轉(zhuǎn)向綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)因素，注意考慮市場(chǎng)、價(jià)格、安全、美學(xué)、資源、環(huán)境等方面的影響7.管理水平的提高8組織模式的開放1.主要技術(shù)特征2.1.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)2.2.1優(yōu)化設(shè)計(jì)流程與建模2.2.2優(yōu)化計(jì)算方法2.2.3優(yōu)化設(shè)計(jì)方法典型實(shí)例2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)（OptimalDesign）是20世紀(jì)60年代隨著計(jì)算機(jī)的廣泛使用而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，它是最優(yōu)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在計(jì)算領(lǐng)域中應(yīng)用的結(jié)果。優(yōu)化設(shè)計(jì)能為工程及產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供一種重要的科學(xué)設(shè)計(jì)方法，使得在解決復(fù)雜設(shè)計(jì)問題時(shí)，能從眾多的設(shè)計(jì)方案中尋得盡可能完善的或最適宜的設(shè)計(jì)方案，因而采用這種設(shè)計(jì)方法能大大提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。2.2.1優(yōu)化設(shè)計(jì)流程與建模2.2.1優(yōu)化計(jì)算方法優(yōu)化計(jì)算方法算法名稱原理與優(yōu)缺點(diǎn)一維優(yōu)化算法黃金分割法(0.618法)區(qū)間消減法原理簡(jiǎn)單、有效、成熟的一維直接搜索方法，應(yīng)用廣泛二次插值算法函數(shù)逼近二次插值法不需要導(dǎo)數(shù)三次插值算法函數(shù)逼近需要導(dǎo)數(shù)無約束優(yōu)化方法坐標(biāo)輪換法(降維法)-直接法它將一個(gè)多維無約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為一系列一維優(yōu)化問題來求解，即依次沿著坐標(biāo)軸的方向進(jìn)行一維搜索，求得極小點(diǎn)計(jì)算穩(wěn)定，可靠性好，變成容易，收斂速度較慢，不用導(dǎo)數(shù)牛頓法此法為梯度法的進(jìn)一步發(fā)展，它的搜索方向是根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的負(fù)梯度和二階偏導(dǎo)數(shù)矩陣來構(gòu)造的使用導(dǎo)數(shù)，利用多元函數(shù)的極值原理，尋求合理搜索方向，迭代次數(shù)較少；當(dāng)用差分法求近似導(dǎo)數(shù)值時(shí)，存在誤差干擾，計(jì)算的可靠性和穩(wěn)定性較差約束優(yōu)化方法遺傳算法模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進(jìn)化過程而形成的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化概率搜索算法

懲罰函數(shù)法(間接解法)是將一個(gè)約束的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為一系列的無約束優(yōu)化問題來求解構(gòu)造無約束極值子問題的解法，方法比較簡(jiǎn)單，計(jì)算效率較低復(fù)合形法(直接解法)是求解約束優(yōu)化問題的一種重要的直接解法，在可行域構(gòu)造初始復(fù)合形，對(duì)該復(fù)合形各頂點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行比較，構(gòu)成新復(fù)合形，逼近最優(yōu)點(diǎn)方法直觀易懂，計(jì)算效率較低

多目標(biāo)優(yōu)化方法主要目標(biāo)法假設(shè)按照設(shè)計(jì)準(zhǔn)則建立了多個(gè)分目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)這些準(zhǔn)則的重要程度，構(gòu)成一個(gè)新的單目標(biāo)優(yōu)化問題單目標(biāo)問題的最優(yōu)解作為所求多目標(biāo)問題的相對(duì)最優(yōu)解；目標(biāo)函數(shù)較多時(shí)，計(jì)算量大，確定有效解復(fù)雜統(tǒng)一目標(biāo)法將各個(gè)分目標(biāo)函數(shù)按照某種關(guān)系建立一個(gè)統(tǒng)一的目標(biāo)函數(shù)，包括目標(biāo)規(guī)劃、乘數(shù)法、加權(quán)線性組合法等通過單目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解確定有效解集1）單級(jí)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

假設(shè)單級(jí)直齒圓柱齒輪減速器的傳動(dòng)比i=5，輸入扭矩T1=2674Nm，在保證承載能力的條件下，要求確定該減速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使減速器的自重最輕。大齒輪選用四孔輻板式結(jié)構(gòu)，小齒輪選用實(shí)心輪結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖2.3所示，圖中△1=280mm，△2=320mm。2.2.3優(yōu)化設(shè)計(jì)方法典型實(shí)例(a)傳動(dòng)圖

(b)小齒輪

(c)大齒輪步驟1：數(shù)學(xué)模型的建立

由上可得，減速器的齒輪與軸的體積之和為步驟2：設(shè)計(jì)變量的確定

步驟3：目標(biāo)函數(shù)的建立

步驟4：約束條件的確定

傳遞動(dòng)力的齒輪，要求齒輪模數(shù)一般應(yīng)大于2mm，故得步驟5：優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型

綜上所述，可得該優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型為2.3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)2.3.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的系統(tǒng)組成與技術(shù)優(yōu)勢(shì)2.3.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)2.3.3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與其他技術(shù)集成2.3.4計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)2.3.5計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的工程舉例2.3.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)內(nèi)涵與發(fā)展機(jī)械產(chǎn)品CAD技術(shù)可以在面向機(jī)械產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，將設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)形式化、數(shù)字化并以顯示的方式保存下來并且采用符合設(shè)計(jì)思維的知識(shí)模型和知識(shí)處理技術(shù)以延伸、啟發(fā)和提高設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)能力。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)具體體現(xiàn)優(yōu)勢(shì)具體實(shí)現(xiàn)提升機(jī)械設(shè)計(jì)制造效率將計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)運(yùn)用到機(jī)械設(shè)計(jì)制造過程中,能很好的互補(bǔ)了以往機(jī)械設(shè)計(jì)制造相應(yīng)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于設(shè)計(jì)、制造以及計(jì)算等三者的改善優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)制造工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械特定性質(zhì)與運(yùn)作條件進(jìn)行充分的衡量，采取行業(yè)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的專業(yè)化軟件對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造流程進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而達(dá)到彌補(bǔ)其存在問題的效果，促進(jìn)了機(jī)械設(shè)計(jì)能夠快速并且高效率實(shí)現(xiàn)提升機(jī)械設(shè)計(jì)制造質(zhì)量能夠大幅度的增加機(jī)械設(shè)計(jì)制造效能和品質(zhì),保障了制造的機(jī)械產(chǎn)品具有優(yōu)質(zhì)的特性2.3.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)1.參數(shù)化與變量化設(shè)計(jì)

所謂參數(shù)化設(shè)計(jì)，就是在工程設(shè)計(jì)中，用可變參數(shù)而不是固定尺寸表達(dá)零件形狀或部件裝配關(guān)系，可以完成零件的形狀或裝配關(guān)系的修改。2.

特征分析與建模技術(shù)

(1)特征分類；(2)特征描述；(3)特征建模參數(shù)化設(shè)計(jì)原理圖

特征分類圖特征建模分類分類具體描述交互式特征定義(InteractiveFeatureDifinition)

首先利用現(xiàn)有的幾何造型系統(tǒng)建立產(chǎn)品的幾何模型；用戶直接通過圖形來提取定義特征的幾何要素；將特征參數(shù)或精度、技術(shù)要求、材料熱處理等信息作為屬性添加到幾何模型中，建立產(chǎn)品的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征識(shí)別(FeatureRecognition)

建立幾何模型后，通過專門的程序，利用實(shí)體建模信息，自動(dòng)處理幾何數(shù)據(jù)庫，搜索并提取特征信息從而產(chǎn)生特征模型；基于特征的設(shè)計(jì)(DesignbyFeature)

利用預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn)特征或用戶自定義的特征存儲(chǔ)到特征庫；以它為基本建模單元建立特征模型從而完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)；此方法使用范圍廣，數(shù)據(jù)易于共享，應(yīng)用范圍大；2.3.3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與其他技術(shù)集成1.CAD設(shè)計(jì)結(jié)果建立了所設(shè)計(jì)對(duì)象的基本三維數(shù)字化模型。

2.為了使產(chǎn)品生產(chǎn)的后續(xù)環(huán)節(jié)也能有效地利用CAD設(shè)計(jì)結(jié)果，充分利用已有的信息資源，提高綜合生產(chǎn)效率，須3.將CAD技術(shù)與其他CAX技術(shù)（X指產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、數(shù)控編程、工裝設(shè)計(jì)等）、優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析、模擬仿真、虛擬設(shè)計(jì)、工程數(shù)據(jù)庫等）進(jìn)行有效的集成，包括CAD/CAM技術(shù)的集成、CAD與CIMS等其他功能系統(tǒng)的集成。序號(hào)其他CAX技術(shù)要點(diǎn)1CAD/CAE1)CAD用于幾何建模，而CAE技術(shù)用于性能分析；進(jìn)行三維建模和裝配，利用計(jì)算機(jī)有限元方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)動(dòng)仿真和模擬計(jì)算以及虛擬樣機(jī)制造與虛擬裝配設(shè)計(jì)，可以在設(shè)計(jì)階段通過極小的代價(jià)和時(shí)間，進(jìn)行產(chǎn)品的優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)；2)各種商業(yè)化CAD軟件（Pro/E、UG、Solidworks、Catia等）與CAE軟件（ANSYS、Nastran、Fluent和ABAQUS等）己經(jīng)在機(jī)械行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用；3)利用數(shù)據(jù)交換接口將CAD幾何模型輸入CAE系統(tǒng)（如ANSYS、NASTRON等）、對(duì)模型進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)修復(fù)、對(duì)模型中局部細(xì)小特征進(jìn)行簡(jiǎn)化、定義載前與添加邊界約束條件、進(jìn)行單元網(wǎng)格剖分等前處理過程；方程求解及可視化后處理；2CAD/CAM1)曲面建模技術(shù)、曲面與實(shí)體集成技術(shù)、實(shí)體建模技術(shù)、大型組件設(shè)計(jì)技術(shù)等；2)PDM與CAD/CAPP的技術(shù)集成技術(shù)：當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期，主要集中在封裝、接口和集成技術(shù)；3）數(shù)字化設(shè)計(jì)與虛擬制造的無縫連接：基于CAD技術(shù)和以計(jì)算機(jī)支持的仿真技術(shù)，形成虛擬環(huán)境，虛擬制造過程、虛擬產(chǎn)品、虛擬企業(yè)，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高一次成功率；4)數(shù)字化設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)化3CAD/CAPP1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、加工制造和管理的整個(gè)過程，各過程之間的關(guān)聯(lián)性要求越來越高，因此對(duì)系統(tǒng)集成化程度的要求也越高；2)加工工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)；3)可視化裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng):提供可視化的裝配工藝設(shè)計(jì)工具，解決設(shè)計(jì)與裝配對(duì)象在研發(fā)過程中難以；4)基于PDM平臺(tái)的工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)4CAFD計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)(CAFixtureDesign-CAFD)包含的4個(gè)研究方面(安裝規(guī)劃，裝夾規(guī)劃，夾具構(gòu)形設(shè)計(jì)，夾具性能評(píng)價(jià))；基于人工智能包括知識(shí)和專家系統(tǒng)的應(yīng)用，算法，推理及功能分析方法等的應(yīng)用)的計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)研究

CAD與其他技術(shù)集成應(yīng)用舉例1汽車產(chǎn)品的數(shù)字化開發(fā)建立在CAD技術(shù)的基礎(chǔ)之上，CAD技術(shù)的發(fā)展使三維設(shè)計(jì)和虛擬裝配成為現(xiàn)實(shí)；逆向工程技術(shù)(RE)極大地縮短了從造型到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換周期；CAE技術(shù)使結(jié)構(gòu)分析和運(yùn)動(dòng)校核可以在設(shè)計(jì)階段完成，避免了反復(fù)試驗(yàn)和試制；CAM技術(shù)使設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)直接用于加工，大大縮短了產(chǎn)品的制造周期。這些技術(shù)的廣泛采用使汽車產(chǎn)品開發(fā)發(fā)生了根本性的變革，使汽車產(chǎn)品也可以按照不斷變化的客戶需求進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)，開發(fā)一個(gè)全新車型的周期已經(jīng)從4～5年縮短到18個(gè)月左右。數(shù)字樣車(DMU)安全測(cè)試應(yīng)用舉例2電動(dòng)汽車創(chuàng)新先行者蔚來汽車選擇了3DEXPERIENCE平臺(tái)及其提供的電動(dòng)交通運(yùn)輸加速器行業(yè)解決方案，作為其企業(yè)級(jí)研發(fā)（R&D）工作的基礎(chǔ)平臺(tái)；工程師能夠在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)快速訪問完整的車輛數(shù)據(jù)，并驗(yàn)證車輛的數(shù)字工程樣機(jī)，僅靠一個(gè)系統(tǒng)就能完成所有工作；通過中國、美國和歐洲的地區(qū)團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)作，以更快的速度設(shè)計(jì)和推出新車型；通過3DEXPERIENCE系統(tǒng)，能夠在3D環(huán)境下直觀地開展設(shè)計(jì)和審核工作，可以采用直接、簡(jiǎn)單、快速的方式與其他團(tuán)隊(duì)進(jìn)行協(xié)作；從概念設(shè)計(jì)到ES8的推出，蔚來汽車僅用了三年時(shí)間；三維環(huán)境下快速定位、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案整車級(jí)的空間瀏覽、刨切、測(cè)量及DMU2.4.1逆向工程概念2.4.2逆向工程研究?jī)?nèi)容2.4.3逆向工程工作流程與關(guān)鍵技術(shù)2.4.4逆向工程應(yīng)用舉例2.4逆向工程2.4.1逆向工程概念逆向工程是以產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法學(xué)為指導(dǎo)，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法和技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用各種領(lǐng)域工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和創(chuàng)新思維，通過對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量和重構(gòu)模型，在探索和熟悉設(shè)計(jì)圖紙的基礎(chǔ)上，運(yùn)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的修復(fù)和再設(shè)計(jì)，達(dá)到設(shè)計(jì)創(chuàng)新、產(chǎn)品更新及產(chǎn)品開發(fā)的目的。正向工程逆向工程2.4.2逆向工程研究?jī)?nèi)容逆向工程應(yīng)考慮零部件和產(chǎn)品的數(shù)量、大小、復(fù)雜性、材料、表面處理、幾何形狀等方面的要求。逆向工程的一般過程分三個(gè)階段，分別是零部件和產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集、點(diǎn)處理和模型開發(fā)。數(shù)據(jù)采集-接觸式掃描、非接觸式掃描；數(shù)據(jù)處理與模型重建；模型開發(fā)；數(shù)據(jù)采集方式接觸式掃描是采用帶有接觸探針的掃描設(shè)備自動(dòng)跟蹤零部件和產(chǎn)品表面的輪廓，見圖2.15。目前的市場(chǎng)上，接觸探針掃描設(shè)備基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)技術(shù)，其公差范圍為+0.01～0.02mm；非接觸式掃描是在不接觸零部件和產(chǎn)品表面的情況下采集數(shù)據(jù)，見圖2.16。非接觸式設(shè)備通過激光、光學(xué)和電荷耦合器件(CCD)傳感器來采集零部件和產(chǎn)品表面點(diǎn)數(shù)據(jù)。非接觸式掃描設(shè)備可在較短的時(shí)間內(nèi)獲取大量點(diǎn)數(shù)據(jù)，其公差可以控制在±0.025～0.2mm以內(nèi)接觸式掃描非接觸式掃描2.4.3逆向工程的工作流程與關(guān)鍵技術(shù)1.逆向工程對(duì)象的分析(1)逆向工程對(duì)象的功能原理分析；(2)逆向工程對(duì)象的材料分析；

(3)逆向工程對(duì)象的加工裝配工藝分析；(4)逆向工程對(duì)象的精度分析(5)逆向工程對(duì)象的造型分析

(6)逆向工程對(duì)象的系列化和模塊化分析2.逆向工程數(shù)據(jù)處理技術(shù)(1)點(diǎn)云簡(jiǎn)化；(2)點(diǎn)云分離；(3)點(diǎn)云的補(bǔ)缺；(4)點(diǎn)云的多視圖對(duì)齊3.模型曲面構(gòu)建技術(shù)(1)特征曲線構(gòu)建；(2)輪廓描摹構(gòu)建；(3)結(jié)構(gòu)線提煉法構(gòu)建；4.曲面光順技術(shù)(1)平均值過濾法；(2)中間值過濾法；(3)高斯過濾法；應(yīng)用舉例1.首先采用非接觸激光掃描儀等數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)零件樣本模型進(jìn)行表面幾何參數(shù)采集，獲取零件表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)；2.對(duì)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括噪聲清除、缺陷修補(bǔ)、坐標(biāo)校正、數(shù)據(jù)拼合等；3.構(gòu)建曲面型面，包括截面剖分、截面數(shù)據(jù)點(diǎn)獲取、截面曲線擬合、構(gòu)建曲面型面、曲面型面平滑光順、構(gòu)建型面邊界曲線等；4.建立零件三維實(shí)體模型，包括曲面型面及其他表面；5.將三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為STL格式文件，供給快速原型機(jī)加工，得到零件實(shí)體模型，以供模具開發(fā)等其他應(yīng)用2.5.1可靠性的定義2.5.2可靠性設(shè)計(jì)主要內(nèi)容2.5.3系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)2.5.4可靠性設(shè)計(jì)在機(jī)械工程的應(yīng)用2.5可靠性設(shè)計(jì)2.5.1可靠性的定義1.可靠性定義

在“可靠性維修性保障性術(shù)語”中對(duì)可靠性進(jìn)行了定義：“產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力”。

產(chǎn)品的可靠性，是與規(guī)定的條件有關(guān)的。

規(guī)定的條件是指產(chǎn)品所處的環(huán)境條件、負(fù)荷條件及工作方式等。環(huán)境條件包括氣候環(huán)境（溫度、濕度、氣壓、輻射、霉菌、霧、風(fēng)、沙、工業(yè)氣體等）和機(jī)械環(huán)境（沖擊、碰撞、振動(dòng)、離心、、跌落、搖擺、引線疲勞、變頻振動(dòng)等)。

負(fù)荷條件包括所加電壓、電流的大小和它所處的電場(chǎng)條件等。工作方式可分為連續(xù)工作和間斷工作等。2.可靠性分類(1)基本可靠性和任務(wù)可靠性；(2)固有可靠性與使用可靠性；(3)工作可靠性與不工作可靠性；(4)軟件可靠性；(5)儲(chǔ)存可靠性；2.5.2可靠性的研究?jī)?nèi)容1.系統(tǒng)可靠性指標(biāo)2.系統(tǒng)可靠性模型3.系統(tǒng)可靠性預(yù)測(cè)4.系統(tǒng)可靠性分配5.系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)6.系統(tǒng)故障模式影響及危害性分析7.系統(tǒng)故障樹分析8.人機(jī)系統(tǒng)可靠性1）系統(tǒng)可靠性指標(biāo)：根據(jù)系統(tǒng)的區(qū)別，選取適合系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。2）系統(tǒng)可靠性模型：用統(tǒng)計(jì)分析的方法使故障(失效)機(jī)理模型化，

建立計(jì)算用的可靠度模型或故障模型。3）系統(tǒng)可靠性預(yù)測(cè)：在設(shè)計(jì)開始時(shí)，通過合適手段所獲得的數(shù)據(jù)得

出比較確切的可靠性指標(biāo)，并加以驗(yàn)證。4）系統(tǒng)可靠性分配：可采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法將系統(tǒng)可靠性指標(biāo)值分配

給各個(gè)零部件，以求得到最大經(jīng)濟(jì)效益下的各零部件可靠性指標(biāo)

值的最合理匹配。5）系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)：必須通過各種具體的可靠性設(shè)計(jì)有效地消除隱

患和薄弱環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性。6）系統(tǒng)故障模式影響及危害性分析：通過對(duì)各個(gè)零件的分析，找出

系統(tǒng)中潛在的薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵的零部件，采取必要的措施，以避

免不必要的損失和傷亡。7）系統(tǒng)故障樹分析：以故障事件作為頂事件，找到發(fā)生故障的所有

直接因素和原因，逐級(jí)排查，找到最原始的直接因素。8）人機(jī)系統(tǒng)可靠性：研究人與機(jī)器的功能分配，盡量防止產(chǎn)生人的

不安全行為和機(jī)器的不安全狀態(tài)，做到安全生產(chǎn)。可靠性設(shè)計(jì)常用指標(biāo)：（1）可靠度：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率稱為可靠度。假定規(guī)定時(shí)間為??，產(chǎn)品壽命為??，如果某產(chǎn)品壽命??比規(guī)定時(shí)間??長(zhǎng)(??>??)，則稱此產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間??內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)定功能?？煽慷群瘮?shù)R(t)

在一批產(chǎn)品中，各個(gè)產(chǎn)品壽命有可能??>??，也可能??≤??，這是一個(gè)隨機(jī)事件，產(chǎn)品可靠性的定義可近似用下式表示：

??(??)=??(??>??)(2)失效率：是指工作到某時(shí)刻尚未失效的產(chǎn)品，在該時(shí)刻后單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率。

(3)平均壽命：對(duì)于不可修復(fù)的產(chǎn)品和可修復(fù)的產(chǎn)品的含義是不同的。

失效前平均工作時(shí)間:對(duì)于不可修復(fù)產(chǎn)品來說，平均壽命是指產(chǎn)品從開始工作到發(fā)生失效前的平均工作時(shí)間，稱為失效前平均工作時(shí)間，記為MTTF(MeanTimeToFailure)。

平均無故障工作時(shí)間:對(duì)于可修復(fù)產(chǎn)品來說，平均壽命是指兩次故障之間的平均工作時(shí)間，稱為平均無故障工作時(shí)間，記為MTBF(MeanTimeBe-tweenFailure)。將MTTF和MTBF統(tǒng)稱為平均壽命，記??。其計(jì)算公式為

系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠度：機(jī)械系統(tǒng)的可靠度取決于機(jī)械零部件本身的可靠

度和機(jī)械零部件組合成系統(tǒng)的組合方式；系統(tǒng)可靠性預(yù)測(cè)：根據(jù)系統(tǒng)、部件、零件的功能、工作環(huán)境及有

關(guān)資料，推測(cè)該系統(tǒng)將具有的可靠度；系統(tǒng)可靠性分配：將工程設(shè)計(jì)規(guī)定的系統(tǒng)可靠度指標(biāo)合理地分配

給系統(tǒng)的各個(gè)單元，確定系統(tǒng)各組成單元的可靠性定量要求，使

整個(gè)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)得到保證。

（系統(tǒng)中占有重要位置的單元，應(yīng)優(yōu)先保證其可靠度）；系統(tǒng)可靠性最優(yōu)化：在滿足系統(tǒng)最低限度可靠性要求的同時(shí)使系

統(tǒng)的“費(fèi)用”最?。?)花費(fèi)最少的最優(yōu)化分配方法：即盡可能地提高可靠度，又要使

其花費(fèi)最少。2)拉格朗日乘子法：將約束最優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束最優(yōu)化問題

的求優(yōu)方法。3)動(dòng)態(tài)規(guī)劃法：將多個(gè)變量的決策問題分解為只包含一個(gè)變量的

一系列子問題，通過解這一系列子問題而求得最優(yōu)解。2.5.4可靠性設(shè)計(jì)在機(jī)械工程中的應(yīng)用1.產(chǎn)品設(shè)計(jì)了解整個(gè)生產(chǎn)過程分析產(chǎn)品的可靠性分配組件性能繪制設(shè)計(jì)指標(biāo)2.產(chǎn)品制造（1）產(chǎn)品制造需要充分考慮機(jī)械產(chǎn)品的制造連接；（2）產(chǎn)品制造需要選擇相對(duì)較高的技術(shù)水平并提高技術(shù)指標(biāo)；（3）產(chǎn)品制造需要考慮到材料和設(shè)備的加工；（4）產(chǎn)品制造需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面分析。3.使用和維護(hù)階段（1）維護(hù)可以有效地延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，顯著增加資源使用效能；（2）依據(jù)自己的考慮因素和邏輯從實(shí)際情況出發(fā)，以確定要維修的產(chǎn)品

的位置和特定的維修方法。4.設(shè)計(jì)結(jié)合了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和可靠性（1）不建議將可靠性概率設(shè)計(jì)用于簡(jiǎn)單零件；（2）使用概率設(shè)計(jì)方法改進(jìn)安全系數(shù)方法，使用各種復(fù)雜的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)計(jì)算；（3）將理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，總結(jié)相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以供未來參考。2.6.1綠色設(shè)計(jì)的概念與內(nèi)涵2.6.2綠色設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則及其主要內(nèi)容2.6.3綠色設(shè)計(jì)的工程舉例2.6綠色設(shè)計(jì)2.6.1

綠色設(shè)計(jì)的概念和內(nèi)涵綠色設(shè)計(jì)最初是出自于“綠色思潮”，《生存之路》中有句話：人類應(yīng)該通過面對(duì)環(huán)境資源，從而調(diào)整自己的生存方式，讓人類去適應(yīng)環(huán)境，而不是環(huán)境適應(yīng)人。人們希望可以借助于設(shè)計(jì)來改善人、環(huán)境、社會(huì)之間的關(guān)系，從而達(dá)到三者之間可持續(xù)發(fā)展的目的。在這個(gè)時(shí)期以前，人類的生活方式受益于工業(yè)設(shè)計(jì)，但卻加重了能源方面的消耗，破壞了地球生態(tài)系統(tǒng)的平衡；綠色設(shè)計(jì)指的是在設(shè)計(jì)過程中，環(huán)境因素被視為設(shè)計(jì)目標(biāo)或者機(jī)會(huì)而不是約束，要點(diǎn)是結(jié)合環(huán)境問題的同時(shí)，使產(chǎn)品性能、使用壽命、功能等損失最小，兩個(gè)基本目標(biāo)是廢物的防止和材料管理；在產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到報(bào)廢的整個(gè)生命周期內(nèi)，著重考慮產(chǎn)品各個(gè)環(huán)節(jié)的循環(huán)利用以及維護(hù)性，并將其作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，在滿足環(huán)境目標(biāo)要求的同時(shí)，又不能有損產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、使用壽命。1）綠色產(chǎn)品定義

--可以拆卸、分解的產(chǎn)品；

--原材料使用合理化，并能處理回收的產(chǎn)品；

--從生產(chǎn)、使用、回收過程對(duì)生態(tài)環(huán)境無害或危害小的產(chǎn)品；

--可翻新和重新利用的產(chǎn)品；綜合定義：在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)，節(jié)約資源和能源，對(duì)生態(tài)環(huán)境無危害或少危害，對(duì)生產(chǎn)者及使用者具有良好保護(hù)性的產(chǎn)品。2）綠色設(shè)計(jì)定義

--綠色設(shè)計(jì)是由綠色產(chǎn)品引申的一種設(shè)計(jì)技術(shù)；

--綠色設(shè)計(jì)是使產(chǎn)品及其制造過程對(duì)環(huán)境負(fù)面影響最小，各項(xiàng)指標(biāo)符合綠色環(huán)保要求。

--綠色設(shè)計(jì)為低消耗、可回收、再利用、可降解。綠色產(chǎn)品及綠色設(shè)計(jì)定義傳統(tǒng)設(shè)計(jì)綠色設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目的為市場(chǎng)需求而設(shè)計(jì)為市場(chǎng)需求和環(huán)境而設(shè)計(jì)，滿足可持續(xù)發(fā)展要求設(shè)計(jì)依據(jù)以用戶對(duì)產(chǎn)品提出的功能、性能、質(zhì)量、成本要求為設(shè)計(jì)依據(jù)以環(huán)境效率、生態(tài)環(huán)境指標(biāo)以及產(chǎn)