机械现代设计方法

3.6机械现代设计方法考核知识点了解并行设计、绿色设汁、和基于TRIZ理论的创新设计的基本概念、适用场合，及其设计的基本思路。熟悉机械优化设计、可靠性设计、有限元分析方法的基本概念、应用领域和设计原则。传统设计方法vs现代设计方法传统设计方法

以生产经验为基础，以力学和数学公式、图表、手册等为依据，着眼于产品的功能和技术规范，按照产品的设计经验总结出有关的设计理论、步骤、方法进行设计。特点：

(1)用人工试凑法求得设计对象的各种结构尺寸和性能参数，其中，经验类比法设计占很大比重；

(2)以静态为假设条件，进行定性目标和某些定量的设计；

(3)设计者和制造者往往独立工作，分别活动；

(4)周期长，效率低，质量差，费用高，带有很大的盲目性和随意性，产品缺乏竞争力。传统设计方法vs现代设计方法现代设计方法以理论为指导，以计算机为手段，以分析、优化、动态、定量、综合为核心，设计过程自动化，设计的效率、水平、质量以及设计过程中的主动性、科学性和准确性大大提高。特点：

(1)突出设计的创造性；

(2)设计过程科学化和程式化；

(3)处理问题时具有系统性和综合性；

(4)最大程度运用计算机技术，以获得整体最优的设计结果。包括：优化设计、可靠性设计、模块化设计、智能设计、并行设计、虚拟设计、绿色设计、反求设计、创新设计、稳健设计、有限元设计、人机工程设计……

3.6.1优化设计1.优化设计的基本概念根据产品设计要求，合理确定各种参数，如质量、成本、性能、承载能力等，使其达到最佳的设计目标。将最优原理和计算机技术应用于设计领域，把经验的、感性的、类比的传统设计方法转变为科学的、理性的设计，立足于计算分析。在解决复杂设计问题时，能从众多的设计方案中寻找到尽可能完善的或最适宜的设计方案，从而大大提高设计效率和质量。3.6.1优化设计1.优化设计的设计过程(1)根据设计要求和目的定义优化设计问题。(2)建立优化设计问题数学模型。(3)选用合适的优化计算方法。(4)确定必要的数据和设计初始点。(5)编写包括数学模型和优化算法的计算机程序，通过计算机的求解计算获取最优参数。(6)对结果数据和设计方案进行合理性和适用性分析。3.6.1优化设计2.选择优化设计方法的基本原则优化设计的方法：如无约束问题的优化设计方法（一维搜索方法、最速下降法、共轭梯度法、牛顿法等）；约束问题的优化设计方法（内点惩罚函数法、外点惩罚函数法、混合惩罚函数法等）。应了解各种方法的特点及使用的场合，充分考虑计算机运行时间、储存量、上机前数学模型及程序的准备时间、计算精度等。基本原则：所选用的方法及程序适用于设计者的数学模型；计算效率高、容易收敛到规定的精度要求；尽可能避免采用求导数的方法，以避免人为的错误和减少上机前的准备时间。

优化结果的常用形式：最大值或最小值。优化的相对性：优化是相对某种目标的，目标不同优化的结果不同；在大多数的情况下，优化结果并不是最优的，只是相对好的。优化目标的矛盾性：很多优化目标往往是互相抵触的。把不同的目标综合在一起考虑，如果侧重点不同，最优解也是不同的。优化的实效性：优化设计往往只是针对某时期的产品而言，具有相对性。随着科技的发展，当时的"优化设计"也可能会被淘汰。3.6.1优化设计优化技术主要包含两部分内容：建模技术：将实际问题抽象成优化设计问题，并建立起符合实际设计要求的数学模型。需要掌握优化设计方法的基本理论、设计问题抽象和数学模型处理的基本技能，还要具有丰富的设计经验。求解技术：对所建的模型进行解算，分析实际问题与数学模型之间存在的差距，修正优化设计数学模型，才可能建立正确的数学模型，求解到的最优解。3.6.1优化设计1．可靠性的基本概念产品质量既包括功能指标，也包括可靠性指标。可靠性的数值指标常用可靠度、实效率、平均寿命、有效寿命、维修度、有效度和重要度等来表示。有了可靠性的尺度，产品在可靠性方面就具有了明确而统一的指标。这样，在设计和生产产品时，可以利用数学方法来计算和预测它们的可靠性；在产品生产出来之后，可用一定的试验方法来评定其可靠性。3.6.2可靠性设计2．可可靠靠性性评评价价指指标标1)可靠靠度度可靠靠度度(无故故障障概概率率Pt）是是用用概概率率表表示示产产品品的的可可靠靠的的程程度度，，其其定定义义为为：：““产产品品在在规规定定的的条条件件下下和和规规定定的的时时间间内内完完成成功功能能的的概概率率””。。可靠度的的基本要要素：(1)对象：：包括系系统、、机器器、部部件等等，可可以是是复杂杂的设设备，，也可可以是是一个个零件件。如如果对对象是是一个个系统统，则则不仅仅包括括硬件件，还还包括括软件件和人人的判判断和和操作作等因因素。。(2)使用条条件：：包括运运输、、储存存及允允许条条件。。(3)规定时时间：：研究对对象的的工作作期限限，可可以用用时间间表示示，也也可以以用距距离、、次数数来表表示。。例如如通常常滚动动轴承承的工工作期期限用用小时时，车车轮的的工作作期限限用行行车公公里数数。(4)规定功功能：：研究对对象在在规定定的使使用条条件下下能维维持正正常工工作而而不失失效。。(5)概率：：“可靠靠度””是可可靠性性的概概率表表示。。概率率是一一个特特定形形式的的事件件出现现的可可能性性，用用分数数和百百分数数来表表示。。3.6.2可靠性性设计计2．可靠靠性评评价指指标2)累计失失效概概率(故障概概率)Ft。指产品品在规规定条条件、、规定定时间间内失失效的的概率率。可可靠度度与累累计失失效概概率构构成一一个完完整的的事件件组。。即Pt+Ft=1。3)平均寿寿命(平均无无故障障工作作时问问)MTBF。指产品品在使使用寿寿命期期内的的某个个观察察期间间累计计工作作时间间与故故障次次数之之比。。4)失效率率(故障率率)。指工作作到某某时刻刻尚未未失效效的产产品，，在该该时刻刻后单单位时时间内内发生生失效效的概概率。。3.6.2可靠性性设计计可靠性性设计计1机械产产品可可靠性性的特特点：：（1）机械产产品的的故障障模式式具有有多样样性和和复杂杂性。。机械产产品的的故障障模式式与其其材料料、具具体结结构、、载荷荷性质质和大大小等等有密密切关关系。。失去去规定定的功功能可可以是是损坏坏、失失调、、渗漏漏、堵堵塞、、老化化、松松脱等等多种种表现现形式式。（2）机械零零部件件通用用化、、标准准化程程度低低。难以给给出像像电子子元器器件那那样工工程上上实用用的机机械零零部件件故障障率手手册。。（3）机械零零部件件的故故障既既有偶偶然性性故障障，又又有耗耗损性性故障障。后者的的故障障机理理大多多与磨磨损、、疲劳劳、腐腐蚀、、老化化等耗耗损过过程密密切相相关。。（4）机械加加工制制造质质量对对产品品可靠靠性影影响大大。机械产产品通通过设设计获获得了了固有有可靠靠性，，但在在加工工制造造过程程中，，工艺艺设备备、工工艺方方法、、工艺艺流程程、各各种工工艺因因素控控制、、装配配工艺艺等对对产品品质量量将产产生重重大影影响。。可靠性性设计计22机械产产品可可靠性性设计计的原原则（1）传传统统设设计计与与可可靠靠性性设设计计相相结结合合不应应完完全全摒摒弃弃安安全全系系数数法法，，对对一一些些条条件件成成熟熟或或精精度度要要求求非非常常高高的的关关键键件件可可逐逐步步开开展展可可靠靠性性概概率率设设计计。。按按照照传传统统设设计计方方法法确确定定零零部部件件的的材材料料及及结结构构尺尺寸寸等等，，而而后后根根据据相相应应的的模模型型进进行行可可靠靠性性定定量量计计算算。。（2）定性设计计与定量设设计相结合合定量设计并并不能解决决所有的可可靠性问题题。对于难难以进行定定量计算的的零部件进进行可靠性定性性设计往往更加合合理和有效效。（3）既要进行行系统可靠靠性设计，，又要进行行零部件可可靠性设计计。（4）既要进行行可靠性设设计，又要要进行耐久久性设计。。可靠性设计计针对的是是偶然性故故障，耐久久性设计针针对的是渐渐变性故障障，它们的的故障机理理是不同的的。可靠性设计计法（概率率法设计））就是对全部或部部分设计变变量进行统统计，在建立统计计数学模型型的基础上上，运用概率统统计理论解解决工程设设计问题的的方法。而传统的机机械设计方方法是将设设计参数(如强度、应应力等)均视为单值值的，保证证强度σ大于应力s，即:n＝σ/s>[n][n]为安全系数数，通常是是根据经验验选取。但但实际上强强度和应力力是受多种种因素影响响的具有较较多随机性性，仅靠[n]这一定值，，不能给出出一个精确确的度量来来说明设计计的产品在在多大程度度上是安全全的。可靠性设计计3可靠性设计计4可靠性设计计5从计算结果果看，可靠靠性设计的的直径虽小小，但破坏坏概率仅有有0.01%。A.传统设计没没有考虑参参数、数据据的分散性性，认为动动载荷、静静载荷、强强度极限、、弹性模量量、极限应应力、尺寸寸、材料性性能等参数数是不变的的，设计中中使用的是是平均值；；而可靠性性设计认为为所有与设设计有关的的变量均随随时间的变变化而变化化，并将它它们视为属属于某种概概率分布的的统计量，，这样就保保证了载荷荷测定的准准确性和材材料性能的的稳定性，，从而保证证了结构的的可靠性。。B.传统设计是是在这种加加入了主观观的、人为为因素的模模式下进行行设计，为为了保证机机械的可靠靠性，往往往根据经验验对影响计计算结果的的各个参数数乘以相应应的系数和和安全系数数。可靠性设计计对结构的的安全系数数做了统计计分析，这这样求得的的安全系数数就更加贴贴近实际。。可靠性设计计6分布状态直直接影响设设计结果设人高的统统计规律为为正态分布布，均值为为1710mm，方差为60mm和100mm，试问车门门应设计多多高，才使使碰头的概概率小于百百分之一。。解：根据题题目要求不不碰头的概概率为0.99，则Z=2.33，车高分别别为：H=2.33x60+1710=1850mm或H=2.33x100+1710=1943mm由此可见，，虽然均值值相同，方方差不同，，其设计结结果相差甚甚大，这是是传统的设设计方法解解决不了的的。可靠性设计计72010年清华分数数线5522010年一本线4682009年一本线462分数分数分布2009年清华分数数线556600分考分分布对对录取分数数线的影响响2009、2010上海市录取取分数线对对比1．有限元法法的基本概概念和特点点有限元法是是一种实用用的数值方方法，它避避开了在整整个求解区区域上寻找找连续解析析函数的难难点，转为为寻求在各各子域(单元)上适当控制制方程，并并满足整个个物体的边边界条件和和连续条件件的分块近近似的插值值函数。具体方法：：（1）将研究对对象分成若若干小单元元，各单元元通过节点点联系，对对于每个单单元都用节节点的未知知量通过插插值函数近近似地表示示单元内部部的多种物物理量，并并使其在单单元内部满满足该问题题的控制方方程，从而而将各单元元对整体的的影响通过过单元的节节点传递；；（2）将这些单单元组装成成整体，使使它们满足足整个物体体的边界条条件和连续续条件，得得到一组有有关节点未未知量的联联立方程；；（3）解出方程程后，再用用插值函数数和有关公公式求得物物体内部各各点所要求求的多种物物理量。如果插值函函数选的合合适，单元元分得越细细，计算结结果就越精精确。但是是，单元数数的增加，，计算量和和存储信息息会迅速增增加，因此此一般都是是根据问题题对精度的的要求，只只取一定数数量的单元元进行分析析。3.6.3有限元分析析1．有限元法法的基本概概念和特点点有限元法的的特点：(1)不受物体几几何形状限限制，可以以用大大小小小的多种种单元进行行拼装，以以适应各种种工程结构构的复杂几几何形状。。(2)可分析包括括各种特殊殊结构的复复杂结构体体。同时，，单元之间间材料性质质可以有跳跳跃性的变变化，能处处理许多物物体内部带带有间断性性的复杂问问题。(3)可以适应不不连续的边边界条件和和载荷条件件。(4)便于实现规规范化和在在计算机上上统一编程程，容易将将程序编成成模块式结结构。(5)有限元法最最后得到的的大型联立立方程组的的系数是一一个稀疏矩矩阵，其中中所有元素素分布在矩矩阵的主对对角线附近近，且是对对称的正定定矩阵，方方程间的联联系较弱。。这种方程程计算工作作量小，稳稳定性好，，便于求解解。3.6.3有限元分析析2．有限元法法的应用领领域(1)杆、梁、板板、壳、三三维块体、、二维平面面、管道等等各种单元元复杂结构构的静力分分析。(2)各种复杂结结构的动力力分析，包包括频率、、振型和动动力响应计计算。(3)复杂机械系系统(如水压机、、汽车、发发电机、机机床等)的静力和动动力分析。。(4)工程结构和和机械零部部件的弹塑塑性应力分分析及大变变形分析。。(5)工程结构和和机械零件件的热弹性性蠕变、黏黏弹性、黏黏塑性分析析。3.6.3有限元分析析3．实用有限限元分析方方法对于不同分分析类型，，尽管所分分析的内容容不一、应应用的有限限元方程不不同，但分分析过程是是相近的。。图3.6-1以静力分析析、动力分分析和热分分析为例，，说明了有有限元法分分析的主要要步骤。从应用角度度来看，无无论何种类类型有限元元分析方法法，其过程程均可分为为三个阶段段：(1)建模阶段；；(2)计算阶段；；(3)后处理阶段段。3.6.3有限元分析析3．实用有限限元分析方方法3.6.3有限元分析析1．并行设计计(1)概念：产品在设计计时与相关关过程进行行集成的一一种系统化化设计方法法。即在产产品设计阶阶段同时考考虑产品全全生命周期期(从概念形成成到产品回回收或报废废处理)的各种主要要性能指标标，从而避避免在产品品研制后期期出现不必必要的返工工与重复。。3.6.4其他设计方方法(2)产品开发过过程的并行行重组及团团队工作方方式。通过工作步步骤的平行行交叉，缩缩短开发周周期。如当当产品开发发处于某一一特定环节节时，原本本只是由一一个或几个个部门进行行操作的，，可能会得得到来自其其他部门的的共同关注注，他们随随时发表评评价和建议议，与产品品的开发过过程一直保保持接触。。并行设计把把不同的专专业人员组组成并行开开发小组，，以协同工工作的方式式进行开放放的和交互互式的通信信联系，以以缩短从概概念设计至至开始生产产的准备时时间，消除除返工。1．并行设计计(3)统一的产品品信息模型型。产品设计过过程是一个个产品信息息由少到多多、由粗到到细不断创创作和完善善的过程，，不仅包括括完备的几几何形状、、尺寸信息息，还包含含精度信息息、加工工工艺信息、、装配工艺艺信息、成成本信息等等。因此，，并行设计计的产品信信息模型应应能将来自自不同部门门、不同内内容、不同同形式、不不同关系、、不同结构构的产品信信息，包容容在一个统一的信息息模型之中。(4)具有人工智智能处理不不完备、不不确定信息息的功能。。信息是多种种形式的，，既有数字字信息，又又有非数字字信息；既既有文字信信息，又有有图象信息息；还要涉涉及大量知知识型信息息(概念、规划划等)。因此，并并行设计系系统一定要要具有处理理以上这些些信息的人人工智能。。(5)基于时间的的决策。通过一系列列的优化决决策，组织织、指导并并控制产品品开发过程程，使之能能以最短的的时间开发发出优质的的产品。3.6.4其他设计方方法1．并行设计计(6)分布式软硬硬件环境。。并行设计在在同一时间间内多机、、多程序对对同一设计计总是并行行协同求解解，因此，，网络化、、分布式的的信息系统统是其必要要条件。并并行设计面面向对象的的软件系统统，分布式式的知识库库、数据库库，能够根根据产品设设计的要求求动态编联联成相互独独立的模块块，在多台台终端上同同时运行，，并利用网网络的机问问通讯功能能实现相互互之间的同同步协调。。(7)开放式的系系统界面。。并行设计系系统是一个个高度集成成化的系统统。一方面面应具有优优良的可扩扩展性、可可维护性，，可以按照照产品开发发的需要将将不同的功功能模块组组成完成产产品开发任任务的集成成系统；另另一方面，，开放的系系统界面对对并行设计计系统是至至关重要的的。标准化化的数据交交换规范，，如数据交交换条件、、交互式图图形交换标标准、产品品建模数据据的交换标标准等，以以及大容量量、高速度度的数据交交换通道，，如局域网网、综合业业务数据网网等，是构构造开放式式界面的关关键技术。。(8)系统统化化、、集集成成化化设设计计技技术术。。并行行设设计计是是一一种种系系统统化化、、集集成成化化的的现现代代设设计计技技术术，，它它以以计计算算机机作作为为主主要要技技术术手手段段，，除除了了CAD、CAPP、CAM等单单元元技技术术的的应应用用外外，，还还着着重重解解决决：：①①产产品品并并行行开开发发过过程程建建模模及及优优化化；；②②支支持持并并行行设设计计的的计计算算机机信信息息系系统统；；③③模模拟拟仿仿真真技技术术；；④④产产品品性性能能综综合合评评价价和和决决策策系系统统；；⑤⑤并并行行设设计计中中的的管管理理技技术术。。3.6.4其他他设设计计方方法法2．绿绿色色设设计计1)绿色色设设计计的的基基本本概概念念(1)产品品的的生生命命周周期期在产产品品概概念念设设计计阶阶段段考考虑虑产产品品生生命命周周期期各各个个环环节节，，包包括括设设计计、、研研制制、、生生产产、、供供货货、、使使用用、、直直到到废废弃弃后后拆拆卸卸回回收收或或处处理理处处置置。。3.6.4其他他设设计计方方法法产品品生生命命周周期期的的各各个个环环节节可可用用右右图图描描述述。。在设设计计过过程程中中，，依依据据特特定定的的评评价价函函数数进进行行设设计计案案例例的的选选择择，，而而评评价价函函数数必必须须包包含含图图中中外外圈圈所所示示的的各各项项因因素素。。2．绿绿色色设设计计产品品生生命命周周期期设设计计过过程程可可以以划划分分为为三三个个层层次次：：设设计计层层、、评评价价层层和和综综合合层层，，如如图图3.6-4所示示。。产产品品生生命命周周期期的的市市场场需需求求分分析析、、设设计计开开发发、、生生产产制制造造、、销销售售、、使使用用及及废废弃弃后后的的处处理理六六个个阶阶段段组组成成了了产产品品生生命命周周期期维维，，而而设设计计层层、、评评价价层层和和综综合合层层则则组组成成产产品品的的设设计计过过程程维维。。3.6.4其他他设设计计方方法法2．绿绿色色设设计计1)绿色色设设计计的的基基本本概概念念(2)绿色色产产品品绿色色产产品品是是在在其其生生命命周周期期全全过过程程中中，，符符合合特特定定的的环环境境保保护护要要求求，，对对生生态态环环境境无无害害和和危危害害极极少少，，资资源源利利用用率率最最高高，，能能源源消消耗耗最最低低的的产产品品。。要求求企企业业在在生生产产过过程程中中选选用用清清洁洁原原料料，，清清洁洁工工艺艺，，生生产产出出清清洁洁产产品品；；用用户户在在使使用用产产品品时时不不产产生生、、或或很很少少产产生生环环境境污污染染，，并并对对使使用用者者没没有有造造成成危危害害；；报报废废产产品品在在回回收收处处理理过过程程中中很很少少产产生生废废弃弃物物。。应尽尽量量减减少少材材料料的的使使用用量量和和种种类类，，特特别别是是稀稀有有昂昂贵贵、、有有害害有有毒毒材材料料。。尽尽量量简简化化产产品品结结构构，，使使产产品品中中零零件件材材料料能能最最大大限限度度地地再再利利用用。。绿色色产产品品在在其其生生命命周周期期的的各各个个环环节节所所消消耗耗的的能能源源应应最最少少，，即即最最大大限限度度地地节节约约能能源源。。资资源源及及能能源源的的节节约约利利用用本本身身也也是是很很好好的的环环境境保保护护的的手手段段。。3.6.4其他他设设计计方方法法2．绿绿色色设设计计1)绿色色设设计计的的基基本本概概念念(3)绿色色设设计计的的概概念念绿色色设设计计通通常常也也称称为为生生态态设设计计、、生生命命周周期期设设计计，，都都是是设设计计和和制制造造生生命命周周期期环环境境影影响响为为最最小小的的产产品品。。绿色色设设计计的的基基本本思思想想：：在产产品品生生命命周周期期内内，，着着重重考考虑虑产产品品环环境境属属性性(可拆卸卸性、、可回回收性性、可可维护护性、、可综综合利利用性性等)，并将将其作作为设设计目目标，，在满满足环环境要要求的的同时时，保保证产产品应应有的的功能能、使使用的的寿命命、质质量等等。即即从根根本上上防止止环境境污染染，节节约资资源，，不能能等产产品产产生不不良的的环境境后果果再采采取防防治措措施。。绿色设设计过过程的的4个动态态阶段段：①产品提提高；；②产品再再设计计；③产品功功能创创新；；④产品系系统创创新。。即绿绿色设设计与与创新新是一一个从从部分分到系系统、、从简简单到到复杂杂、从从渐进进创新新到根根本创创新的的过程程。绿色设设计的的3个层次次：①治理技技术与与产品品的设设计，，如““可回回收性性设计计”等等，其其目标标是简简化、、减少少和取取消产产品废废弃后后的处处理处处置过过程及及费用用；②清洁预预防技技术与与产品品设计计，如如“为为预防防污染染而设设计””，““为环环境而而设计计”等等，目目的在在于减减少生生命周周期各各个阶阶段的的污染染；③为价值而而设计，，目的在在于提高高产品的的总价值值，而这这种价值值体系是是人与环环境的共共同体。。3.6.4其他设计计方法2．绿色设设计2)绿色设计计研究的的主要内内容(1)材料选择择与管理理。选材材：考虑产品品的使用用条件和和性能，，考虑环环境约束束准则，，了解材材料对环环境的影影响，选选用无毒毒、无污污染材料料及易回回收、可可重用、、易降解解材料，，这对材材料科学学的发展展提出了了新的挑挑战。对材料的的管理：：不能把含含有有害害成分与与无害成成分的材材料混放放在一起起；达到到生命周周期的产产品，可可重用部部分要充充分回收收利用，，不可用用部分要要采用一一定的工工艺方法法进行处处理，使使其对环环境的影影响降低低到最低低限度。。(2)产品的可可回收设设计。在设计初初期充分分考虑其其零件材材料的回回收可能能性、回回收价值值大小、、回收处处理方法法、回收收处理结结构工艺艺性等，，最终达达到零件件材料资资源、能能源的最最大利用用，并对对环境污污染最小小。(3)产品的装装配与拆拆卸性设设计。产品不仅仅应具有有优良的的装配性性能，还还必须具具有良好好的拆卸卸性能。。拆卸设设计己成成为目前前绿色设设计研究究的主要要热点。。因为不不可拆卸卸不仅会会造成大大量可重重复利用用零件部部件材料料的浪费费，而且且因废弃弃物不好好处置，，还会污污染环境境。3.6.4其他设计计方法2．绿色设设计2)绿色设计计研究的的主要内内容(4)产品包装装设计。。优化包装装方案和和包装结结构，选选用易处处理、可可降解、、可回收收重用和和循环再再生的包包装材料料。(5)绿色产品品的成本本分析。。考虑产品品的回收收、再利利用等性性能，因因此成本本分析时时，必须须考虑污污染物的的替代、、产品拆拆卸、重重复利用用成本、、特殊产产品相应应的环境境成本等等。对企企业来说说，是否否支出环环保费用用，会形形成产品品成本上上的差异异，同样样的环境境项目，，在各国国或地区区间的实实际费用用，也会会形成企企业间成成本的差差异。因因此，在在设计决决策时应应进行绿绿色产品品成本分分析，以以便设计计出的产产品“绿绿色程度度”高、、且总成成本低。。(6)绿色产品品设计数数据库与与知识库库。该数据库库与知识识库应包包括产品品的生命命周期中中与环境境、经济济、技术术、对策策等有关关的一切切数据与与知识，，如材料料成分，，各种材材料对环环境的影影响值，，材料自自然降解解周期，，人工降降解时间间、费用用，制造造、装配配、销售售、使用用过程中中所产生生的附加加物数量量及对环环境的影影响值，，环境评评估准则则所需要要的各种种判断标标准、设设计经验验等。3.6.4其他设计计方法2．绿色设设计3)绿色设计计方法绿色设计计与并行行设计关关系紧密密，并行行设计方方法对绿绿色设计计的实施施有着重重要的支支撑作用用。并行绿色色设计实质上是是“绿色色”与““并行””有机结结合，充充分体现现了绿色色化、并并行化、、集成化化的整体体优势。。图3.6-5反映了并并行绿色色设计所所需的支支撑环境境。3.6.4其他设计计方法2．绿色设设计3)绿色设计计方法有效的绿绿色设计计应在并并行环境境下实施施，其实实施过程程具有闭闭环特性性。3.6.4其他设计计方法美国的废废旧车利利用绿色汽车车应满足足：1）制定基基于环境境因素的的设计规规范，以以保证制制造装配配、产品品的运输输销售、、消费者者使用、、回收再再生等所所有过程程都不会会引起环环境问题题；2）在生产产制造过过程中不不得对环环境产生生损害，，包括噪噪声、振振动、热热、化学学物质、、电辐射射等；3）汽车的的能耗要要低，效效率要高高；4）汽车报报废时要要能够方方便地拆拆卸和回回收。绿色汽车车要求汽汽车厂家家改造生生产工艺艺，选择择新材料料，加重重制造成成本。一一些发达达国家制制定了严严厉的环环境法规规，去约约束汽车车厂商的的生产行行为。如如果规定定汽车报报废时的的回收处处理费用用由汽车车制造厂厂家来承承担，绝绝大部分分汽车的的设计方方案就会会有很大大的修改改。美国每年年更新旧旧车超过过1000万辆。严严格的法法规要求求：美国国的报废废汽车必必须送到到专门的的报废汽汽车回收收利用企企业进行行处理。。高效的的废旧汽汽车回收收业和完完善的二二手车市市场，为为美国的的废旧汽汽车找到到了循环环利用之之路，带带来了巨巨大的经经济、环环境和社社会效益益。美国报废废汽车的的再利用用率已达达到95%。废旧汽汽车回收收成为美美国最大大的回收收行业。。每辆回回收车被被再利用用的零部部件重量量超过该该车总重重量的75%。全美目前前共有1.2万多家报报废汽车车拆解企企业、2万家零部部件再制制造企业业和200家拆后报报废汽车车粉碎企企业。旧车的修修复废废车电池池的回收收美国报废废汽车的的回收利利用流程程：1）被回收收的车辆辆进入报报废汽车车回收工工厂；2）放掉油油箱的汽汽油和机机油等残残留液体体；3）牌照由由相关部部门检验验签字；；4）将“五大总成成”拆除，对对可利用用或销售售的零部部件进行行筛选后后入库；；5）织物及及布料作作垃圾处处理；6）有用的的汽车零零部件被被拆卸下下来，修修理翻新新后重新新投入使使用；7）金属车车架会被被送进大大型挤压压机粉碎碎，再用用磁分离离法将钢钢分离出出来，或或者将钢钢铁进行行压块后后出售给给钢铁回回收部门门。粉碎一辆辆车的废废壳几乎乎能满足足制造一一辆新车车的需要要。汽车车回收业业每年向向美国钢钢铁冶金金行业提提供的废废钢铁占占冶金业业回收量量的1/3还要多。。车身压块块处理后后打包运运输美国汽车车回收业业的蓬勃勃发展，，大大减减少了公公路两旁旁和树林林中报废废的汽车车堆积，，使环境境污染问问题得到到改善。。由于部分分回收零零部件经经整修和和翻新后后再次进进入市场场，有利利于降低低成本，，使广大大消费者者得到实实惠。对于未达达使用年年限，车车主又希希望置换换的旧车车，二手手车市场场则成了了理想的的选择。。美国每每年二手手车的销销量远远远超过新新车销量量。美国国二手车车市场已已相当成成熟。几几乎所有有美国汽汽车经销销商都同同时经营营新车和和二手车车。3．基于TRIZ理论的创创新设计计TRIZ是由俄文文的英文文音译的的首字母母组成，，意思为为发明问题题求解理理论。1)TRIZ理论概述述TRIZ理论是基基于知识识的、面面向人的的解决发发明问题题的系统化方方法学，其核心心是技术系统统进化原原理。TRIZ理论的来来源及主主要构成成如图3.6-7所示。TRIZ理论是解解决发明明问题的的理论，，是实现现发明创创造、创创新设计计、概念念设计的的有效方方法。TRIZ理论已建建立的一一系列实实用方法法能帮助助研究人人员尽快快创造出出满意的的设计方方案。能能提高发发明的成成功率、、缩短发发明周期期，使发发明问题题有可预预见性。。3.6.4其他设计计方法3．基于TRIZ理论的创创新设计计1)TRIZ理论概述述3.6.4其他设计计方法3．基于TRIZ理论的创创新设计计2)TRIZ理论的主主要内容容(1)产品进化化理论。。技术系统统一直处处于进化化之中，，解决冲冲突是进进化的推推动力。。TRIZ理论中的的产品进进化为4个阶段：：婴儿期期、成长长期、成成熟期和和退出期期。产品品进化理理论还研研究产品品进化模模式、进进化定律律与进化化路线。。(2)分析。分析是TRIZ理论的工工具之一一，是解解决问题题的一个个重要阶阶段。它它包括产产品的功功能分析析、可用用资源分分析和冲冲突区域域的确定定等。(3)冲突解决决原理。。TRIZ理论主要要研究技术与物物理两种种冲突。技术冲冲突是指指传统设设计中所所说的折折中，即即由于系系统本身身某一部部分的影影响，所所需要的的目标不不能达到到。物理理冲突是是指一个个物体有有相反的的需求。。TRIZ理论引导导设计者者挑选能能解决特特定冲突突的原理理，其前前提是要要按照标标准参数数确定冲冲突，然然后利用用39×39条标准冲冲突和140条发明创创造原理理解决冲冲突。(4)效应。效应指应应用本领领域和其其他领域域的相关关定律解解决设计计中的问问题，如如采用数数学、化化学、生生物和电电子等领领域中的的原理解解决机械械设计中中的创新新问题。。3.6.4其他设计计方法3．基于TRIZ理论的创创新设计计3）TRIZ理论解决决发明创创造问题题的一般般方法首先将要要解决的的特殊问问题加以以定义、、明确；；然后根根据TRIZ理论提高高的方法法，将需需要解决决的特殊殊问题转转化为类类似的标标准问题题，针对对类似的的标准问问题总结结、归纳纳出类似似标准解解决方法法；最后后，依据据类似的的标准解解决方法法解决用用户需要要解决的的特殊问问题。3.6.4其他设计计方法3．基于TRIZ理论的创创新设计计4)设计计中中的的冲冲突突及及其其解解决决原原理理(1)冲突突的的基基本本概概念念与与分分类类。。机械械产产品品由由多多个个相相关关联联的的零零部部件件组组成成。。当当改改进进某某个个零零部部件件时时，，可可能能会会影影响响到到与与其其相相关关联联零零部部件件，，结结果果使使产产品品另另一一些些方方面面的的性性能能受受到到影影响响。。如如果果这这些些影影响响是是负负面面的的，，就就出出现现了了冲冲突突。。传统统设设计计中中的的折折中中法法没没有有根根本本解解决决冲冲突突，，只只是是降降低低冲冲突突的的程程度度。。TRIZ理论论认认为为，，产产品品创创新新的的核核心心是是解解决决冲冲突突，，产产生生新新的的有有竞竞争争力力的的解解。。通通常常的的冲冲突突分分为为两两个个层层次次，，第第一一个个层层次次分分为为工工程程冲冲突突、、社社会会冲冲突突及及自自然然冲冲突突;每一一类类又又可可细细分分为为若若干干类类。。在在图图3.6-9中，，冲冲突突的的解解决决自自下下而而上上、、自自左左向向右右越越来来越越困困难难。。3.6.4其他他设设计计方方法法3．基基于于TRIZ理论论的的创创新新设设计计4)设计计中中的的冲冲突突及及其其解解决决原原理理(2)物理理冲冲突突及及其其解解决决原原理理。。物理理冲冲突突是是指指为为了了实实现现某某种种功功能能，，一一个个子子系系统统或或元元件件应应具具有有一一种种特特性性，，但但同同时时出出现现了了与与该该特特性性相相反反的的特特性性。。例例如如，，为为了了容容易易起起飞飞，，飞飞机机的的机机翼翼应应有有较较大大的的面面积积，，但但为为了了高高速速飞飞行行，，机机翼翼又又应应有有较较小小的的面面积积，，解解决决该该物物理理冲冲突突是是机机翼翼设设计计的的关关键键。。物理理冲冲突突的的解解决决方方法法是是利利用用分分离离原原理理：：空空间间分分离离、、时时间间分分离离、、基基于于条条件件的的分分离离、、总总体体与与部部分分的的分分离离。。分离离的的基基本本思思路路是是通通过过空空间间、、时时间间、、条条件件等等分分离离方方法法，，以以降降低低解解决决问问题题的的难难度度。。3.6.4其他他设设计计方方法法3．基基于于TRIZ理论论的的创创新新设设计计4)设计计中中的的冲冲突突及及其其解解决决原原理理(3)技术术冲冲突突及及其其解解决决方方法法。。技术术冲冲突突是是指指一一个个作作用用同同时时导导致致有有用用及及有有害害两两种种结结果果，，也也可可指指有有用用作作用用的的引引入入导导致致一一个个或或几几个个子子系系统统或或系系统统性性能能降降低低。。如如波波音音公公司司在在改改进进737机型型的的设设计计时时，，需需要要将将使使用用中中的的发发动动机机改改为为功功率率更更大大的的发发动动机机。。而而发发动动机机功功率率越越大大，，工工作作时时需需要要的的空空气气就就越越多多，，发发动动机机机机罩罩的的直直径径就就必必须须增增大大。。而而发发动动机机机机罩罩直直径径越越大大，，使使机机罩罩离离地地面面的的距距离离就就会会减减少少，，但但该该距距离离的的减减少少是是设设计计所所不不允允许许的的。。TRIZ理论论提提出出用用39个通通用用工工程程参参数数描描述述冲冲突突。。在在实实际际应应用用中中，，首首先先要要把把组组成成冲冲突突的的双双方方内内部部性性能能用用该该39个工工程程参参数数中中的的某某两两个个来来表表示示。。目目的的是是把把实实际际工工程程设设计计中中的的冲冲突突转转化化为为一一般般的的或或标标准准的的技技术术冲冲突突。。表3.6-1是39个通通用用工工程程参参数数名名称称汇汇总总。。3.6.4其他他设设计计方方法法3．基基于于TRIZ理论论的的创创新新设设计计4)设计计中中的的冲冲突突及及其其解解决决原原理理3.6.4其他他设设计计方方法法3．基基于于TRIZ理论论的的创创新新设设计计4)设计计中中的的冲冲突突及及其其解解决决原原理理3.6.4其他他设设计计方方法法3．基基于于TRIZ理论论的的创创新新设设计计5)利用用技技术术进进化化模模式式实实现现创创新新(1)S曲线线及及其其作作用用。。可以以将将产产品品或或技技术术分分为为新新发发明明、、技技术术改改进进和和技技术术成成熟熟三三个个阶阶段段，，或或婴婴儿儿期期、、成成长长期期、、成成熟熟期期和和退退出出期期四四个个阶阶段段。。(2)技术术系系统统进进化化模模式式。。技术术进进化化过过程程有有其其自自身身的的规规律律与与模模式式，，是是可可以以预预测测的的。。进进化化模模式式指指出出了了产产品品如如何何从从一一种种技技术术转转移移到到另另一一种种技技术术，，新新旧旧技技术术所所完完成成的的基基本本功功能能相相同同，，但但是是新新技技术术的的性性能能极极限限提提高高、、成成本本降降低低，，即即产产品品沿沿进进化化路路线线的的过过程程是是新新旧旧技技术术更更替替的的过过程程。。3.6.4其他他设设计计方方法法图3.6-12技术术系系统统的的11条进进化化模模式式。。Pro/Innovator创新新软软件件Pro/Innovator两大大理理论论基基础础：：TRIZ理论和本本体论。。本体论是哲学中中的一个个重要流流派，它它着眼于于探讨世世间万物物之间普普遍存在在的联系系。在实实践中，，应用本本体论可可以揭示示出事物物之间相相互转换换变迁的的规律性性，并构构建出反反映这种种规律性性的本体体论知识识库。创创新或创创造就是是设法找找出前人人或他人人所未曾曾找到的的事物之之间联系系的过程程。Pro/Innovator对使用者者有何要要求？用户需要要对待分分析的产产品有足足够的了了解，能能够清楚楚地明确确产品各各个组件件的功能能关系和和功能特特点。使使用者应应具备基基本的、、对于Pro/Innovator所提供的的、针对对用户所所需解决决问题的的一系列列“概念念”───科学原原理、创创新原理理、应用用实例、、专利技技术等───能很很好地理理解，并并能由此此及彼地地想到可可行的实实施方法法。例：取果果仁的功功能描述述功能分析解法构思砸壳外部加压：砸(利用重力)

适度抽象化

夹：杠杆作用(核桃夹子)

压：螺旋压力机冲击：水力冲击冲射：把桃核作为子弹射到硬靶上侧向思维：使壳变脆，让壳易碎

把壳溶解，只溶解壳而不落解桃仁逆向思维：内部加压：钻孔，向壳内充气撑破外壳分离壳与桃仁

整体加压：外压甄减，内压撑破外壳4．人机工工程设计计人机工程程学是从从系统论论的观点点研究人人-机-环境组成成的系统统，研究究其三要要素及其其相互间间的关系系，其关关键问题题是从人人的生理理和心理理特征考考虑，使使机、环环境与人人相互协协调。实践证明明，系统统的有效效性越来来越取决决于人机机之间的的配合关关系。传统的做做法是在在机器设设计的基基础上，，根据操操作要求求训练使使用者。。旦由于于人体机机能的局局限性，，迫使设设计师不不得不考考虑改进进人机界界面的设设计，力力图通过过人机界界面的改改善，提提高系统统的有效效性。人机工程程学通过过功能分分析、功功能分配配、界面面设计、、人员训训练、硬硬件设计计及系统统综合等等方法，，使人机机之间的的功能相相互协调调，发挥挥最大潜潜力。3.6.4其他设计计方法4．人机工工程设计计人机工程程设计的的一般原原则：(1)工作空间间应符合合人体尺尺寸和工工作类型型，身体体姿势、、体力和和运动应应适宜操操作。在考虑工工作空间间时，应应使四肢肢具有足足够的活活动空间间。工作作器具应应与人的的四肢相相适应。。各种操操纵器具具的布置置应在人人体功能能可能实实施的范范围内。。身体姿势势一般坐坐姿优于于立姿，，坐站交交替效果果更好。。在身体运运动方面面，宁可可选择活活动而不不要选择择不动。。由身体传传递很大大的力时时，距离离应尽可可能短，，同时应应取合适适的姿势势或有适适当的支支撑物。。应避免免身体强强制保持持一定的的姿势。。不宜超过过体力所所允许的的负荷。。使用的的力应与与人体的的活动状状况相适适应。设计显示示板(屏)时，应有有适当距距离。眼眼睛左右右方向的的最适宜宜转动角角度为15°，最大角角度为35°；上下方方向最适适宜转动动角度为为15°，向上最最大角度度为40°，向下最最大角度度为20°。头部左左右方向向的最大大转动角角度为60°，向上最最大角度度为65°，向下最最大角度度为35。头部和和眼睛都都转动时时，左右右方向最最适宜角角度为15°，上下方方向最适适宜角度度为15°，向上最最大角度度为90°，向下最最大角度度为70°。3.6.4其他设计计方法4．人机工工程设计计人机工程程设计的的一般原原则：(2)信息的显显示与信信号的选选择设计计和布置置。信息的显显示有视视觉、听听觉和触触觉三类类。通常常，信息息通过视视觉获得得，但在在紧急情情况下，，使用听听觉显示示的效果果更大。。因为对对于突然然发生的的声音，，人具有有特殊的的反应能能力。但但过度地地应用听听觉显示示，易使使人疲劳劳。各种显示示器设计计的一般般要求和和特殊要要求：①①显示器器只显示示对完成成规定任任务极为为重要的的信息；；②显示示器所提提供信息息的精度度应满足足控制要要求；③③系统或或设备有有故障时时应有信信息显示示；④应应按功能能或显示示顺序分分组；⑤⑤应有适适当的照照明、编编码和标标记。3.6.4其他设计计方法4．人机工工程设计计人机工程程设计的的一般原原则：(3)操纵、调调节部件件的选择择、造型型和布置置，应适适合有关关身体部部位及其其运动，，并考虑虑有关灵灵敏度、、精确度度、速度度、作用用力等要要求。控制件设设计的一一般要求求：①控制件件的运动动方向应应与被控控制动作作或显示示器的运运动方向向一致；；②控制件件的造型型应使操操作者只只用一般般的体力力；③要求精精确度较较高的操操作活动动，只能能使用较较小的体体力，但但应保持持适当的的阻力，，使操作作者对操操作的精精确度有有所感觉觉；④不同设设备完成成相同功功能控制制件的大大小和形形状应一一致；⑤控制件件应易于于识别，，可以用用颜色、、尺寸、、形状或或在控制制面板上上加说明明予以区区别；⑥除非故故意联动动，控制制件的使使用不应应互相干干扰；⑦要求迅迅速或精精确调整整的地方方用手进进行操作作；⑧为执行若若干个分段段控制，应应采用止动动型控制件件；⑨当控制件件要求用力力大或要求求连续向前前用力时，，可选用脚脚操作。3.6.4其他设计方方法4．人机工程程设计人机工程设设计的一般般原则：(3)操纵、调节节部件的选选择、造型型和布置，，应适合有有关身体部部位及其运运动，并考考虑有关灵灵敏度、精精确度、速速度、作用用力等要求求。控制件设计计的特殊要要求：①手柄。形状应使与与手的接触触面积最多多；把手应应能自由转转动；对于于站立的操操作者，手手柄应在地地板上90～120cm之间；曲柄柄把手外缘缘与任何障障碍之间的的间距不小小于7．5cm；当手柄要要求快速转转动时，转转动轴线的的水平倾斜斜不大于30°。②手轮。把握面应有有适当的槽槽形或滚花花，以便于于握紧；需需用双手连连续操纵的的手轮，其其转动角度度应限制在在120°以内；用作作阀门控制制器的手轮轮应标出功功能及转动动方向。③用钥匙的开开关。钥匙的形状状应使操作作人员明显显地知道其其正确的插插入方法；；除了在““关”(0FF)位置外，钥钥匙在其他他位置均应应插在锁内内；仅单侧侧有齿的钥钥匙应将齿齿向上插入入；双侧都都有齿的钥钥匙应有编编号，以便便正确插入入；““开”和““关”都应应设有标记记。④旋钮。粗调用小旋旋钮，应设设有锯齿槽槽或滚花以以避免打滑滑；执行同同样功能的的旋钮形状状相同；应应有一定阻阻力，防止止偶然触摸摸或外力改改变已设定定的位置。。⑤操纵杆。当操纵杆安安装在地板板上并垂直直时，手柄柄的高度应应在腰和肩肩之间；在在操纵杆平平行于地板板的地方，，对于站立立的操作者者，其握把把应在距地地板115cm处；在要求求准确的地地方，操纵纵杆应采用用推动方式式；在要求求