研究生课程CADCAM讲稿2011-ch04-产品设计方法学及计算机辅助设计-S

《CAD/CAM根底理论与应用》机械工程及其自动化一级学科硕士生学位课第4章产品设计方法学及计算机辅助设计CAD/CAM研究室了解企业产品开发的根本流程了解和掌握计算机辅助产品设计方法了解和掌握计算机辅助概念设计的根本定义和内容掌握计算机辅助协同设计的根本内涵本章学习要点4.1.2产品设计类型的划分4.1.3产品的设计过程4.1.1产品的生命周期4.1企业产品开发流程由产品的市场调研、需求分析、设计、制造〔生产、装配、试验、调试〕、包装、运输、存储、销售、安装、使用〔培训、运行〕、维护〔维修〕到报废回收等组成的一系列的有序状态指产品从生成到报废一系列有序状态的集合，这一有序状态从设计开始，经过生产、使用、维护与报废等一系列状态，组成了产品生命周期产品生命周期产品全生命周期4.1.1产品的生命周期4.1.2产品设计类型的划分4.1.3产品的设计过程4.1.1产品的生命周期4.1企业产品开发流程指针对客户或市场的需求，制订产品开发的目标，运用一定的科学技术原理，经过一系列规划、分析、计算和决策，产生满足这种需求的文字、数据、图形等信息的活动产品设计的结果是得到优化产品设计方案，通过制造生成产品产品设计的定义产品设计的方法传统设计方法设计者根据设计任务要求，参考已有经验和资料，进行构思设计方案、建立设计模型、计算、分析、绘图、反复修改等过程，最后设计出满足设计要求的方案，并绘出图样和编制设计文件该方法为经验、类比式的设计方法。采用封闭式的收敛设计思维，进行经验类比设计4.1.2产品设计的类型划分传统设计方法〔续〕缺点:

采用收敛式的类比试验，功能原理分析不充分，过早进入具体方案，不易找到最优方案

静态分析和计算结果与实际的动态情况不符，导致设计的可靠性差，容易出现结构尺寸偏大或强度不够的缺陷

手工设计效率低下，精度与稳定性差，出现问题时，返工量大，不便于修改设计

过分依赖主观与经验，易出现认识片面的问题4.1.2产品设计的类型划分产品设计的方法现代设计方法设计方法学、优化设计、可靠性设计、有限元法、并行工程、反求工程、相似性设计、模块化设计、工业产品艺术造型设计等

设计方法学用系统的观点，结合自然科学、社会科学、经济科学等学科相关内容，研究产品的一般设计进程、设计规律、设计思维和工作方法、设计工具的综合性学科设计的最终目标是在多个满足条件的技术系统中确定最优技术系统技术系统的设计进程遵循：系统总功能划分、功能元求解、方案综合、方案评价4.1.2产品设计的类型划分产品特征1、复杂化、极限化、网络智能化、2、个性化、组合集成化、3、生态化。产品设计过程：1、基于知识的创新、智能化、全球化、2、柔性化、定制化、分布协同化、3、并行化。CAD/CAE：分布式、智能化、网络化、虚拟化。需求，目标方法，手段满足产品特征的设计方法4.1.2产品设计的类型划分协同设计机械人人协同纵向协同设计横向协同设计

人机协同机机协同

光电控制信息企业之间企业内工程组内生命周期设计专业领域并行设计******DFX人机关系功能领域空间领域驱动执行协同设计4.1.2产品设计的类型划分Q狭义质量C价格T生产周期E环境S售后效劳

现代机械设计广义质量系统可靠性人机平安性环境无害性工作耐久性造型艺术性设计经济性结构性能制造工艺性零件标准性生产的周期设备维修性废品回收性制造经济性

工艺性能工效实用性工作稳定性指标优越性操作宜人性故障可测性使用经济性

工作性能产品设计综合质量的内涵4.1.2产品设计的类型划分

优化设计1〕定义以数学规划为理论根底、以计算机为工具寻求最优参数的先进设计方法2〕分类根据用到的数学方法的不同可将优化设计分为：线性规划问题、非线性规划问题、动态规划、整数规划、0一1规划等3〕数学模型优化问题的数学模型采用设计变量、目标函数和约束条件进行描述4.1.2产品设计的类型划分优化设计〔续1〕

设计变量指设计过程中需优选的独立参数。如零件几何尺寸、材料性质等为简化问题，通常将对设计目标影响较大的少量参数设为设计变量设包含设计变量有n个，矩阵表达形式为：3〕数学模型4.1.2产品设计的类型划分为评价设计优劣的准那么，是设计变量的数学函数，通过确定一组设计变量的参数值使得目标函数值到达最正确值根据一项设计准那么建立的目标函数称为单目标函数，如寿命假设某项工程要求兼顾多个设计准那么，那么需构造多目标函数，解决多目标函数的方法是将其转化成单目标函数，再对其求解。例如，将其中一个目标作为设计目标，其余的作为设计约束，该方法称为主要目标法；引入加权系数，给各个设计目标适当的权值，将多目标问题转化成单目标问题求解，使问题简化

目标函数3〕数学模型4.1.2产品设计的类型划分指必须满足附加设计条件，是对设计变量取值的限制，即约束约束条件将n维欧氏空间的设计点分成两局部：满足约束条件的设计点：可行性设计点，其集合为可行性设计区域不满足约束条件的设计点：非可行性设计点，其集合为不可行性区域

约束条件3〕数学模型4.1.2产品设计的类型划分3〕数学模型在确定了目标函数、设计变量和约束函数后，即可得到优化设计的数学模型设某项设计有n个设计变量：在满足以下约束条件：目标函数为：其最小值为最优解：如果是可行设计区域内的最小值，那么其为全局最优解；否那么为局部最优解

数学模型的建立4.1.2产品设计的类型划分3〕数学模型通常采用数值迭代法，原理步骤为：

优化设计数学模型的求解算法

选设计空间某一设计点作为初始点；根据给定的优化规那么确定搜索方向和步长，得到一个改进的目标函数值设计点；以为新的起点重复上述过程，取得进一步改进的目标函数，即第二个设计点；

按照上述原理，依次获取一系列设计点，，…，直至得到满足设计精度的最优设计点为止4.1.2产品设计的类型划分3〕数学模型

优化设计数学模型的求解算法得到最终的迭代表达式：理论上，该迭代过程直至目标函数无限趋近于理论最小值为止。工程上，根据工程精度要求确定迭代终止准那么，只要满足迭代终止准那么，该迭代值即为所求最小值4.1.2产品设计的类型划分

可靠性设计建立在概率统计理论根底上的以零件、产品或系统的失效规律为根本研究内容的一门学科影响产品失效寿命的因素是复杂和不可预测的，因此产品的寿命，即产品的失效时间具备随机性1〕根本概念解决方法：根据长期、大量的统计与实验，找出必然规律与描述该规律的数学模型4.1.2产品设计的类型划分可靠性设计〔续1〕概率论是一门研究偶然事件中的必然规律的学科。这种规律反映在随机变量与随机变量发生的可能性〔概率〕之间的关系上在产品设计过程中，会发生各种偶然事件〔故障〕，这种偶然事件的内在规律可用概率论的知识描述2〕概率统计学知识简介有多种描述随机变量与其发生的概率的关系的数学模型：正态模型、指数模型、布尔模型等。正态模型最常用t为随机变量；u为平均值；σ为标准差4.1.2产品设计的类型划分可靠性设计〔续2〕该数学模型称为随机变量t的概率密度函数。它表示变量t发生概率的密集程度的变化规律随机变量t在某点以前发生的概率计算为：2〕概率统计学知识简介对于时间型随机变量而言，

反映了故障发生可能的大小，它的值是在[0，1]之间的某个数。其值愈小，表示故障发生的可能性就愈小4.1.2产品设计的类型划分可靠性设计〔续3〕

互补定理如果某产品出现故障的概率为F(t)，正常运行的概率(可靠度)为R(t)，那么有：3〕与可靠性设计相关的几个数学概念说明产品或处于正常运行状态，或处于故障状态，两者必居其一在设计时，应尽量减小。采用冗余设计(或提高平安系数)是减小的方法之一，但并不总是有效，因为冗余设计会造成结构庞大或浪费4.1.2产品设计的类型划分可靠性设计〔续4〕

加法定理产品在运行过程中，可能出现各种各样的故障。如果A故障出现的概率为P(A)，B故障出现的概率为P(B)，计算产品出现故障的概率要分为两种情况进行：3〕与可靠性设计相关的几个数学概念A与B是互斥事件当产品的故障源越多时，产品的故障率就越高，系统相当于一个串联系统，只要其中一个环节发生故障，系统就不能正常运行4.1.2产品设计的类型划分可靠性设计〔续5〕

加法定理3〕与可靠性设计相关的几个数学概念A与B是非互斥事件4.1.2产品设计的类型划分可靠性设计〔续6〕

乘法定理3〕与可靠性设计相关的几个数学概念用来计算产品在运行过程中，同时发生故障的概率当A事件的发生不影响B事件的发生时，称A、B两事件为相互独立的事件。相互独立事件同时发生的概率为上式说明故障同时发生的可能性总是比单独发生的可能性小当A、B两事件不互为独立时，称A与B为相关事件。该情况下两种事件同时发生的概率为：4.1.2产品设计的类型划分可靠性设计〔续7〕

数学期望3〕与可靠性设计相关的几个数学概念指随机变量取值的平均数，建立在长期、大量统计根底上的平均数，可用下式计算4.1.2产品设计的类型划分可靠性设计〔续8〕

置信度3〕与可靠性设计相关的几个数学概念对产品进行可靠性评价时，需对其进行抽样，然后对样品进行寿命试验，再以所得结果来估计母体的失效概率得到的结果总会与母体的真实情况有一定差异，度量这种差异大小的指标叫置信度在概念上，可靠度是对产品本身而言的，而置信度那么是对试验而言的4.1.2产品设计的类型划分可靠性设计〔续9〕

可靠度3〕与可靠性设计相关的几个数学概念零件〔系统〕在规定的运行条件下和规定的工作时间内，能正常工作的概率可靠度包含五个根本要素：

对象包括系统、机器、部件等。系统和零件是个相对概念，如果研究包括某台机器在内的一个大系统，那么这台机器可视为零件4.1.2产品设计的类型划分可靠性设计〔续10〕

可靠度3〕与可靠性设计相关的几个数学概念

规定工作条件包括对象所处的环境条件和维护条件，即对象预期的运行条件。产品的工作条件不同，是无法比较它们的可靠度的。同一产品工作条件不同，设计依据也不同

规定工作时间指对象的工作期限，可用各种方式来表示：如滚动轴承用小时数表示，齿轮的寿命采用应力循环次数等4.1.2产品设计的类型划分可靠性设计〔续11〕

可靠度3〕与可靠性设计相关的几个数学概念

正常工作指产品能到达人们对它要求的运行效能，否那么产品失效

概率可靠度函数设失效时间随机变量服从指数分布，那么其失效概率密度函数为：可靠度函数：4.1.2产品设计的类型划分1.指数分布指数分布在可靠性领域里应用最多，由于它的特殊性，以及在数学上易处理成较直观的曲线，故在许多领域中首先把指数分布讨论清楚。假设产品的寿命或某一特征值t的故障密度为(λ＞0，t≥0)那么称t服从参数λ的指数分布。可靠性设计〔续12〕

常用寿命分布函数4.1.2产品设计的类型划分f(t)tR(t)tλ(t)t可靠性设计〔续13〕

常用寿命分布函数1.指数分布4.1.2产品设计的类型划分那么有：不可靠度(t≥0)可靠度(t≥0)故障率

平均故障间隔时间可靠性设计〔续14〕

常用寿命分布函数指数分布4.1.2产品设计的类型划分指数分布的一个重要性质是无记忆性。无记忆性是产品在经过一段时间t0工作之后的剩余寿命仍然具有原来工作寿命相同的分布，而与t无关(马尔克夫性)。这个性质说明，寿命分布为指数分布的产品，过去工作了多久对现在和将来的寿命分布不发生影响。实际意义?在“浴盆曲线〞中，它是属于偶发期这一时段的。指数分布性质可靠性设计〔续16〕

常用寿命分布函数4.1.2产品设计的类型划分2.正态分布正态分布在机械可靠性设计中大量应用，如材料强度、磨损寿命、齿轮轮齿弯曲、疲劳强度以及难以判断其分布的场合。假设产品寿命或某特征值有故障密度

(t≥0，μ≥0，σ≥0)那么称t服从正态分布。可靠性设计〔续17〕

常用寿命分布函数4.1.2产品设计的类型划分那么有：不可靠度可靠度

故障率正态分布计算可用数学变换把上式变换成标准正态分布，查表简单计算,得出各参数值。可靠性设计〔续18〕

常用寿命分布函数正态分布4.1.2产品设计的类型划分3.威布尔分布威布尔分布应用比较广泛，常用来描述材料疲劳失效、轴承失效等寿命分布的。威布尔分布是用三个参数来描述，这三个参数分别是尺度参数α，形状参数β、位置参数γ，其概率密度函数为：

(t≥γ，α＞0，β＞0)

可靠性设计〔续19〕

常用寿命分布函数4.1.2产品设计的类型划分不同α值的威布尔分布（β=2，γ=0）α=1/3α=1/2α=2α=1f(t)t可靠性设计〔续20〕

常用寿命分布函数威布尔分布4.1.2产品设计的类型划分不同β值的威布尔分布〔α=1，γ=0〕tβ=3β=1/2β=2β=1f(t)可靠性设计〔续21〕

常用寿命分布函数威布尔分布4.1.2产品设计的类型划分不同γ值的威布尔分布〔α=1，β=2〕γ=0γ=0.5γ=-0.5γ=1f(t)t可靠性设计〔续22〕

常用寿命分布函数威布尔分布4.1.2产品设计的类型划分那么有：不可靠度

可靠度

故障率可靠性设计〔续23〕

常用寿命分布函数威布尔分布4.1.2产品设计的类型划分平安系数法〔许用应力法〕结构承受外载荷后，由计算得到工作应力σ应小于该结构件的许用应力［σ］，即

其中σlim为材料的极限应力；n为预定的设计平安系数。可靠性设计〔续24〕

机械类产品可靠性设计思想4.1.2产品设计的类型划分根本出发点：认为零件材料的强度c是服从于概率密度函数f(c)随机变量，而作用于零件危险截面上的工作应力s，是服从于概率密度函数g(s)的随机变量。g(s)f(c)f(c)c,sμc

μsg(s)可靠性设计〔续25〕强度概率计算法的根本理论4.1.2产品设计的类型划分概率密度曲线不重叠。工作应力大于零件强度的概率等于零。如用平安系数的概念来表达，那么计算平安系数小于1的概率等于零，即P(s＞c)=0P(n计＜1)=0具有这样强度—应力关系的机械零件是平安的，不会发生强度破坏。可靠性设计〔续26〕强度概率计算法的根本理论4.1.2产品设计的类型划分g(s)f(c)f(c)c,sμc

μs两概率密度曲线有相互重叠的局部。虽然工作应力的平均值μs仍远小于极限应力(强度)的平均值μc，但不能绝对保证工作应力在任何情况下都不大于极限应力。虽然以均值计算的平安系数是大于1的，但从上分析可见，仍不能保证100%的平安。对于机械零件的疲劳强度，零件的承载能力将随时间而衰减可靠性设计〔续27〕4.1.2产品设计的类型划分Relex软件美国的Relex公司是全世界R&MA软件界最著名的公司。经过十几年的开展，开发出了完全商品化的R&MA软件Relex。由于功能强大、高度集成化、灵活易用，已在世界30多个国家得到广泛应用，并已成为R&MA软件的世界标准。Relex软件是一个功能完善、直观易用、高度集成的可靠性分析综合软件，它提供了分析产品潜在可靠性和维修性改进关键点的完整软件工具。利用它可以预计所设计产品的可靠性和维修性参数，分析潜在的故障模式及其影响，甚至可以调整其冗余结构以优化产品的可靠度和可用度。Relex软件的主要功能包括以下几个方面：RelexReliabilityPrediction〔可靠性预计〕、RelexRBD〔可靠性框图〕、RelexFMECA〔故障模式影响及危害性分析〕以及RelexFTA〔故障树分析〕、RelexETA〔事件树分析〕、RelexMaintainability〔维修性分析〕、RelexWeibull〔威布尔数据分析〕、RelexMarkov〔复杂系统可用性分析〕等。4.1.2产品设计的类型划分利用RelexRBD进行可靠性框图建模利用RelexRBD进行可靠性建模时数据获取

Relex软件4.1.2产品设计的类型划分利用RelexFMEA/CA进行FMEA/CA利用RelexFMEA/CA绘制危害性矩阵

Relex软件4.1.2产品设计的类型划分

反求工程指以先进产品的实物、软件和影象为研究对象，应用现代设计的理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识，进行系统的分析研究，探索掌握其关键技术，进而开发出同类产品的方法。包括设计反求、工艺反求、管理反求等根据反求对象，可分为实物反求、影象反求、软件反求等对实物反求，采用实测的手段获取所需的参数、性能、材料和尺寸4.1.2产品设计的类型划分反求工程〔续〕对软件反求，分析软件资料，探求其工作的可靠性、原理方案的科学性、技术经济的可行性、使用维护的方便性以及外观造型的艺术性等对影象反求，用透视法与解析法求出主要尺寸的大小与相对位置关系，将其与参照物进行比照，在求出假设干绝对尺寸的根底上，再推算其它尺寸对材料与工艺反求，那么需要通过试制与试验决定4.1.2产品设计的类型划分模块化设计〔产品族设计〕产品族设计的思想是利用通用的产品平台〔ProductPlatform〕，通过匹配功能、色彩、性能等不同的定制模块，以最短的开发周期、最低的本钱向市场提供不同系列的产品，以满足不同客户群的需求。因此，通用化、模块化和标准化是产品族设计的核心指将产品划分成不同的功能模块，然后建立模块系列型谱，按照型谱的不同排列组合进行设计，确定设计参数，根据功能分析法建立不同性质的功能模块，设计根本模块、辅助模块、特殊模块和调整模块及其结合部位要素，进行排列组合与编码，设计基型与扩展型产品1〕根本概念4.1.2产品设计的类型划分模块化设计〔产品族设计〕2〕产品族设计与大规模定制生产的关系4.1.2产品设计的类型划分模块化设计〔产品族设计〕2〕产品族设计与大规模定制生产的关系4.1.2产品设计的类型划分4.1.2产品设计的类型划分模块化设计〔产品族设计〕3〕产品族设计根本框架模块化设计〔产品族设计〕4〕产品族设计结果例如4.1.2产品设计的类型划分以建立产品零部件之间的相关性分析为根底，以产品生命周期设计要求为约束建立目标函数，然后采用定性或定量的方法对模块划分进行解的寻优产品模块划分研究方法的根本思想及步骤4.1.2产品设计的类型划分产品设计的类型创新设计指针对具有创新原理要求的设计需求，应用新技术进行