先进制造技术 课件 第二章 现代设计技术

先进制造技术第2章现代设计技术2.1现代设计方法概述2.2优化设计2.3计算机辅助设计技术2.4逆向工程2.5可靠性设计2.6绿色设计2.1.1现代设计特征与内涵2.1.2现代设计的体系结构2.1现代设计方法概述2.1.1现代设计技术内涵

现代设计就是以满足应市产品的质量、性能、时间、成本/价格综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研究，改进，创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。1.设计方法现代化2.设计手段计算机化3.现代设计技术是多种设计技术、理论与方法的交叉与综合4.向全寿命周期设计发展5.现代设计技术实现了设计过程的并行化、智能化6.由单纯考虑技术因素转向综合考虑技术、经济和社会因素，注意考虑市场、价格、安全、美学、资源、环境等方面的影响7.管理水平的提高8组织模式的开放1.主要技术特征2.1.2现代设计的体系结构2.2.1优化设计流程与建模2.2.2优化计算方法2.2.3优化设计方法典型实例2.2优化设计2.2优化设计优化设计（OptimalDesign）是20世纪60年代随着计算机的广泛使用而迅速发展起来的一种现代设计方法，它是最优化技术和计算机技术在计算领域中应用的结果。优化设计能为工程及产品设计提供一种重要的科学设计方法，使得在解决复杂设计问题时，能从众多的设计方案中寻得尽可能完善的或最适宜的设计方案，因而采用这种设计方法能大大提高设计质量和设计效率。2.2.1优化设计流程与建模2.2.1优化计算方法优化计算方法算法名称原理与优缺点一维优化算法黄金分割法(0.618法)区间消减法原理简单、有效、成熟的一维直接搜索方法，应用广泛二次插值算法函数逼近二次插值法不需要导数三次插值算法函数逼近需要导数无约束优化方法坐标轮换法(降维法)-直接法它将一个多维无约束优化问题转化为一系列一维优化问题来求解，即依次沿着坐标轴的方向进行一维搜索，求得极小点计算稳定，可靠性好，变成容易，收敛速度较慢，不用导数牛顿法此法为梯度法的进一步发展，它的搜索方向是根据目标函数的负梯度和二阶偏导数矩阵来构造的使用导数，利用多元函数的极值原理，寻求合理搜索方向，迭代次数较少；当用差分法求近似导数值时，存在误差干扰，计算的可靠性和稳定性较差约束优化方法遗传算法模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一种自适应全局优化概率搜索算法

惩罚函数法(间接解法)是将一个约束的优化问题转化为一系列的无约束优化问题来求解构造无约束极值子问题的解法，方法比较简单，计算效率较低复合形法(直接解法)是求解约束优化问题的一种重要的直接解法，在可行域构造初始复合形，对该复合形各顶点的目标函数值进行比较，构成新复合形，逼近最优点方法直观易懂，计算效率较低

多目标优化方法主要目标法假设按照设计准则建立了多个分目标函数，根据这些准则的重要程度，构成一个新的单目标优化问题单目标问题的最优解作为所求多目标问题的相对最优解；目标函数较多时，计算量大，确定有效解复杂统一目标法将各个分目标函数按照某种关系建立一个统一的目标函数，包括目标规划、乘数法、加权线性组合法等通过单目标函数的最优解确定有效解集1）单级直齿圆柱齿轮传动减速器的优化设计

假设单级直齿圆柱齿轮减速器的传动比i=5，输入扭矩T1=2674Nm，在保证承载能力的条件下，要求确定该减速器的结构参数，使减速器的自重最轻。大齿轮选用四孔辐板式结构，小齿轮选用实心轮结构，其结构尺寸如图2.3所示，图中△1=280mm，△2=320mm。2.2.3优化设计方法典型实例(a)传动图

(b)小齿轮

(c)大齿轮步骤1：数学模型的建立

由上可得，减速器的齿轮与轴的体积之和为步骤2：设计变量的确定

步骤3：目标函数的建立

步骤4：约束条件的确定

传递动力的齿轮，要求齿轮模数一般应大于2mm，故得步骤5：优化问题的数学模型

综上所述，可得该优化问题的数学模型为2.3计算机辅助设计技术2.3.1计算机辅助设计的系统组成与技术优势2.3.2计算机辅助设计技术的关键技术2.3.3计算机辅助设计与其他技术集成2.3.4计算机辅助设计的发展趋势2.3.5计算机辅助设计的工程举例2.3.1计算机辅助设计内涵与发展机械产品CAD技术可以在面向机械产品的整个设计过程中，将设计经验、知识形式化、数字化并以显示的方式保存下来并且采用符合设计思维的知识模型和知识处理技术以延伸、启发和提高设计者的设计能力。计算机辅助设计优势具体体现优势具体实现提升机械设计制造效率将计算机辅助技术运用到机械设计制造过程中,能很好的互补了以往机械设计制造相应的缺点，实现对于设计、制造以及计算等三者的改善优化机械设计制造工艺实现对机械特定性质与运作条件进行充分的衡量，采取行业产品对应的专业化软件对产品设计及制造流程进行优化，进而达到弥补其存在问题的效果，促进了机械设计能够快速并且高效率实现提升机械设计制造质量能够大幅度的增加机械设计制造效能和品质,保障了制造的机械产品具有优质的特性2.3.2计算机辅助设计技术的关键技术1.参数化与变量化设计

所谓参数化设计，就是在工程设计中，用可变参数而不是固定尺寸表达零件形状或部件装配关系，可以完成零件的形状或装配关系的修改。2.

特征分析与建模技术

(1)特征分类；(2)特征描述；(3)特征建模参数化设计原理图

特征分类图特征建模分类分类具体描述交互式特征定义(InteractiveFeatureDifinition)

首先利用现有的几何造型系统建立产品的几何模型；用户直接通过图形来提取定义特征的几何要素；将特征参数或精度、技术要求、材料热处理等信息作为属性添加到几何模型中，建立产品的数据结构特征识别(FeatureRecognition)

建立几何模型后，通过专门的程序，利用实体建模信息，自动处理几何数据库，搜索并提取特征信息从而产生特征模型；基于特征的设计(DesignbyFeature)

利用预定义的标准特征或用户自定义的特征存储到特征库；以它为基本建模单元建立特征模型从而完成产品设计；此方法使用范围广，数据易于共享，应用范围大；2.3.3计算机辅助设计与其他技术集成1.CAD设计结果建立了所设计对象的基本三维数字化模型。

2.为了使产品生产的后续环节也能有效地利用CAD设计结果，充分利用已有的信息资源，提高综合生产效率，须3.将CAD技术与其他CAX技术（X指产品设计、工艺设计、数控编程、工装设计等）、优化设计、有限元分析、模拟仿真、虚拟设计、工程数据库等）进行有效的集成，包括CAD/CAM技术的集成、CAD与CIMS等其他功能系统的集成。序号其他CAX技术要点1CAD/CAE1)CAD用于几何建模，而CAE技术用于性能分析；进行三维建模和装配，利用计算机有限元方法进行设计计算，并进行后续的运动仿真和模拟计算以及虚拟样机制造与虚拟装配设计，可以在设计阶段通过极小的代价和时间，进行产品的优化和改进设计；2)各种商业化CAD软件（Pro/E、UG、Solidworks、Catia等）与CAE软件（ANSYS、Nastran、Fluent和ABAQUS等）己经在机械行业中得到广泛应用；3)利用数据交换接口将CAD几何模型输入CAE系统（如ANSYS、NASTRON等）、对模型进行必要的数据修复、对模型中局部细小特征进行简化、定义载前与添加边界约束条件、进行单元网格剖分等前处理过程；方程求解及可视化后处理；2CAD/CAM1)曲面建模技术、曲面与实体集成技术、实体建模技术、大型组件设计技术等；2)PDM与CAD/CAPP的技术集成技术：当前和今后一个时期，主要集中在封装、接口和集成技术；3）数字化设计与虚拟制造的无缝连接：基于CAD技术和以计算机支持的仿真技术，形成虚拟环境，虚拟制造过程、虚拟产品、虚拟企业，大大缩短产品开发周期，提高一次成功率；4)数字化设计的网络化3CAD/CAPP1）产品设计、工艺规划、加工制造和管理的整个过程，各过程之间的关联性要求越来越高，因此对系统集成化程度的要求也越高；2)加工工艺设计系统；3)可视化装配工艺设计系统:提供可视化的装配工艺设计工具，解决设计与装配对象在研发过程中难以；4)基于PDM平台的工艺设计系统4CAFD计算机辅助夹具设计(CAFixtureDesign-CAFD)包含的4个研究方面(安装规划，装夹规划，夹具构形设计，夹具性能评价)；基于人工智能包括知识和专家系统的应用，算法，推理及功能分析方法等的应用)的计算机辅助夹具设计研究

CAD与其他技术集成应用举例1汽车产品的数字化开发建立在CAD技术的基础之上，CAD技术的发展使三维设计和虚拟装配成为现实；逆向工程技术(RE)极大地缩短了从造型到产品的转换周期；CAE技术使结构分析和运动校核可以在设计阶段完成，避免了反复试验和试制；CAM技术使设计数据直接用于加工，大大缩短了产品的制造周期。这些技术的广泛采用使汽车产品开发发生了根本性的变革，使汽车产品也可以按照不断变化的客户需求进行及时响应，开发一个全新车型的周期已经从4～5年缩短到18个月左右。数字样车(DMU)安全测试应用举例2电动汽车创新先行者蔚来汽车选择了3DEXPERIENCE平台及其提供的电动交通运输加速器行业解决方案，作为其企业级研发（R&D）工作的基础平台；工程师能够在任何时间、任何地点快速访问完整的车辆数据，并验证车辆的数字工程样机，仅靠一个系统就能完成所有工作；通过中国、美国和欧洲的地区团队之间的协作，以更快的速度设计和推出新车型；通过3DEXPERIENCE系统，能够在3D环境下直观地开展设计和审核工作，可以采用直接、简单、快速的方式与其他团队进行协作；从概念设计到ES8的推出，蔚来汽车仅用了三年时间；三维环境下快速定位、优化设计方案整车级的空间浏览、刨切、测量及DMU2.4.1逆向工程概念2.4.2逆向工程研究内容2.4.3逆向工程工作流程与关键技术2.4.4逆向工程应用举例2.4逆向工程2.4.1逆向工程概念逆向工程是以产品设计方法学为指导，以现代设计理论、方法和技术为基础，运用各种领域工程技术人员的设计经验、知识和创新思维，通过对已有产品进行测量和重构模型，在探索和熟悉设计图纸的基础上，运用产品设计的关键技术，实现对产品的修复和再设计，达到设计创新、产品更新及产品开发的目的。正向工程逆向工程2.4.2逆向工程研究内容逆向工程应考虑零部件和产品的数量、大小、复杂性、材料、表面处理、几何形状等方面的要求。逆向工程的一般过程分三个阶段，分别是零部件和产品数据采集、点处理和模型开发。数据采集-接触式扫描、非接触式扫描；数据处理与模型重建；模型开发；数据采集方式接触式扫描是采用带有接触探针的扫描设备自动跟踪零部件和产品表面的轮廓，见图2.15。目前的市场上，接触探针扫描设备基于三坐标测量机技术，其公差范围为+0.01～0.02mm；非接触式扫描是在不接触零部件和产品表面的情况下采集数据，见图2.16。非接触式设备通过激光、光学和电荷耦合器件(CCD)传感器来采集零部件和产品表面点数据。非接触式扫描设备可在较短的时间内获取大量点数据，其公差可以控制在±0.025～0.2mm以内接触式扫描非接触式扫描2.4.3逆向工程的工作流程与关键技术1.逆向工程对象的分析(1)逆向工程对象的功能原理分析；(2)逆向工程对象的材料分析；

(3)逆向工程对象的加工装配工艺分析；(4)逆向工程对象的精度分析(5)逆向工程对象的造型分析

(6)逆向工程对象的系列化和模块化分析2.逆向工程数据处理技术(1)点云简化；(2)点云分离；(3)点云的补缺；(4)点云的多视图对齐3.模型曲面构建技术(1)特征曲线构建；(2)轮廓描摹构建；(3)结构线提炼法构建；4.曲面光顺技术(1)平均值过滤法；(2)中间值过滤法；(3)高斯过滤法；应用举例1.首先采用非接触激光扫描仪等数据采集设备对零件样本模型进行表面几何参数采集，获取零件表面点云数据；2.对采集的点云数据进行预处理，包括噪声清除、缺陷修补、坐标校正、数据拼合等；3.构建曲面型面，包括截面剖分、截面数据点获取、截面曲线拟合、构建曲面型面、曲面型面平滑光顺、构建型面边界曲线等；4.建立零件三维实体模型，包括曲面型面及其他表面；5.将三维实体模型转换为STL格式文件，供给快速原型机加工，得到零件实体模型，以供模具开发等其他应用2.5.1可靠性的定义2.5.2可靠性设计主要内容2.5.3系统的可靠性设计2.5.4可靠性设计在机械工程的应用2.5可靠性设计2.5.1可靠性的定义1.可靠性定义

在“可靠性维修性保障性术语”中对可靠性进行了定义：“产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力”。

产品的可靠性，是与规定的条件有关的。

规定的条件是指产品所处的环境条件、负荷条件及工作方式等。环境条件包括气候环境（温度、湿度、气压、辐射、霉菌、雾、风、沙、工业气体等）和机械环境（冲击、碰撞、振动、离心、、跌落、摇摆、引线疲劳、变频振动等)。

负荷条件包括所加电压、电流的大小和它所处的电场条件等。工作方式可分为连续工作和间断工作等。2.可靠性分类(1)基本可靠性和任务可靠性；(2)固有可靠性与使用可靠性；(3)工作可靠性与不工作可靠性；(4)软件可靠性；(5)储存可靠性；2.5.2可靠性的研究内容1.系统可靠性指标2.系统可靠性模型3.系统可靠性预测4.系统可靠性分配5.系统可靠性设计6.系统故障模式影响及危害性分析7.系统故障树分析8.人机系统可靠性1）系统可靠性指标：根据系统的区别，选取适合系统的可靠性指标。2）系统可靠性模型：用统计分析的方法使故障(失效)机理模型化，

建立计算用的可靠度模型或故障模型。3）系统可靠性预测：在设计开始时，通过合适手段所获得的数据得

出比较确切的可靠性指标，并加以验证。4）系统可靠性分配：可采用优化设计方法将系统可靠性指标值分配

给各个零部件，以求得到最大经济效益下的各零部件可靠性指标

值的最合理匹配。5）系统可靠性设计：必须通过各种具体的可靠性设计有效地消除隐

患和薄弱环节，提高系统和设备的可靠性。6）系统故障模式影响及危害性分析：通过对各个零件的分析，找出

系统中潜在的薄弱环节和关键的零部件，采取必要的措施，以避

免不必要的损失和伤亡。7）系统故障树分析：以故障事件作为顶事件，找到发生故障的所有

直接因素和原因，逐级排查，找到最原始的直接因素。8）人机系统可靠性：研究人与机器的功能分配，尽量防止产生人的

不安全行为和机器的不安全状态，做到安全生产。可靠性设计常用指标：（1）可靠度：产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率称为可靠度。假定规定时间为𝑡，产品寿命为𝑇，如果某产品寿命𝑇比规定时间𝑡长(𝑇>𝑡)，则称此产品在规定时间𝑡内能够实现规定功能。可靠度函数R(t)

在一批产品中，各个产品寿命有可能𝑇>𝑡，也可能𝑇≤𝑡，这是一个随机事件，产品可靠性的定义可近似用下式表示：

𝑅(𝑡)=𝑃(𝑇>𝑡)(2)失效率：是指工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。

(3)平均寿命：对于不可修复的产品和可修复的产品的含义是不同的。

失效前平均工作时间:对于不可修复产品来说，平均寿命是指产品从开始工作到发生失效前的平均工作时间，称为失效前平均工作时间，记为MTTF(MeanTimeToFailure)。

平均无故障工作时间:对于可修复产品来说，平均寿命是指两次故障之间的平均工作时间，称为平均无故障工作时间，记为MTBF(MeanTimeBe-tweenFailure)。将MTTF和MTBF统称为平均寿命，记𝜃。其计算公式为

系统的可靠性设计系统的可靠度：机械系统的可靠度取决于机械零部件本身的可靠

度和机械零部件组合成系统的组合方式；系统可靠性预测：根据系统、部件、零件的功能、工作环境及有

关资料，推测该系统将具有的可靠度；系统可靠性分配：将工程设计规定的系统可靠度指标合理地分配

给系统的各个单元，确定系统各组成单元的可靠性定量要求，使

整个系统可靠性指标得到保证。

（系统中占有重要位置的单元，应优先保证其可靠度）；系统可靠性最优化：在满足系统最低限度可靠性要求的同时使系

统的“费用”最小；1)花费最少的最优化分配方法：即尽可能地提高可靠度，又要使

其花费最少。2)拉格朗日乘子法：将约束最优化问题转化为无约束最优化问题

的求优方法。3)动态规划法：将多个变量的决策问题分解为只包含一个变量的

一系列子问题，通过解这一系列子问题而求得最优解。2.5.4可靠性设计在机械工程中的应用1.产品设计了解整个生产过程分析产品的可靠性分配组件性能绘制设计指标2.产品制造（1）产品制造需要充分考虑机械产品的制造连接；（2）产品制造需要选择相对较高的技术水平并提高技术指标；（3）产品制造需要考虑到材料和设备的加工；（4）产品制造需要对产品进行全面分析。3.使用和维护阶段（1）维护可以有效地延长设备的使用寿命，显著增加资源使用效能；（2）依据自己的考虑因素和逻辑从实际情况出发，以确定要维修的产品

的位置和特定的维修方法。4.设计结合了传统的设计方法和可靠性（1）不建议将可靠性概率设计用于简单零件；（2）使用概率设计方法改进安全系数方法，使用各种复杂的设计方法进行产品设计计算；（3）将理论计算值与实际测试结果进行比较，总结相关的设计经验以供未来参考。2.6.1绿色设计的概念与内涵2.6.2绿色设计的设计原则及其主要内容2.6.3绿色设计的工程举例2.6绿色设计2.6.1

绿色设计的概念和内涵绿色设计最初是出自于“绿色思潮”，《生存之路》中有句话：人类应该通过面对环境资源，从而调整自己的生存方式，让人类去适应环境，而不是环境适应人。人们希望可以借助于设计来改善人、环境、社会之间的关系，从而达到三者之间可持续发展的目的。在这个时期以前，人类的生活方式受益于工业设计，但却加重了能源方面的消耗，破坏了地球生态系统的平衡；绿色设计指的是在设计过程中，环境因素被视为设计目标或者机会而不是约束，要点是结合环境问题的同时，使产品性能、使用寿命、功能等损失最小，两个基本目标是废物的防止和材料管理；在产品从设计到报废的整个生命周期内，着重考虑产品各个环节的循环利用以及维护性，并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，又不能有损产品的功能、质量、使用寿命。1）绿色产品定义

--可以拆卸、分解的产品；

--原材料使用合理化，并能处理回收的产品；

--从生产、使用、回收过程对生态环境无害或危害小的产品；

--可翻新和重新利用的产品；综合定义：在产品全生命周期内，节约资源和能源，对生态环境无危害或少危害，对生产者及使用者具有良好保护性的产品。2）绿色设计定义

--绿色设计是由绿色产品引申的一种设计技术；

--绿色设计是使产品及其制造过程对环境负面影响最小，各项指标符合绿色环保要求。

--绿色设计为低消耗、可回收、再利用、可降解。绿色产品及绿色设计定义传统设计绿色设计设计目的为市场需求而设计为市场需求和环境而设计，滿足可持续发展要求设计依据以用户对产品提出的功能、性能、质量、成本要求为设计依据以环境效率、生态环境指标以及产