現(xiàn)代設(shè)計方法在工程設(shè)計中的意義

1、現(xiàn)代設(shè)計方法在工程設(shè)計中的意義專業(yè)：材料工程 學(xué)號： 姓名： 指導(dǎo)老師：毛志偉摘要：現(xiàn)代設(shè)計方法是隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用而在涉及領(lǐng)域發(fā)展起來的一門新興的多元交叉學(xué)科。它是以設(shè)計產(chǎn)品為目標(biāo)的一個總的知識群體的總稱。目前它的內(nèi)容主要包括：計算機輔助設(shè)計、有限元設(shè)計、反求工程設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、并行設(shè)計、虛擬設(shè)計、綠色設(shè)計、可靠性設(shè)計、動態(tài)設(shè)計、模塊化設(shè)計、人機學(xué)設(shè)計、疲勞設(shè)計等。關(guān)鍵詞：多元交叉；知識群體；設(shè)計Abstract: the modern design method is with the rapid development of modern science a

2、nd technology and the wide application of computer technology in the field of development of a new multi - dimensional cross discipline. It is a generic term for a general knowledge group to design products as the goal. At present its contents mainly include: computer aided design, finite element de

3、sign, reverse engineering design, optimization design, concurrent design, virtual design, green design, reliability design, dynamic design, modular design, ergonomics design, fatigue design, etc.Key words: multiple cross; knowledge group; design第一章 引言各國研究的設(shè)計方法在內(nèi)容上各有側(cè)重，但共同的特點都是總結(jié)設(shè)計規(guī)律，啟發(fā)創(chuàng)造性，采用現(xiàn)代化的先進理論

4、和方法使設(shè)計過程自動化、合理化，其目的是為了提高設(shè)計水平和質(zhì)量，設(shè)計出更多功能全、性能好、成本低、外形美的產(chǎn)品,以滿足社會的需求和適應(yīng)日趨尖銳的市場競爭。 我國在20世紀(jì)80年代不斷吸收引進國外研究成果，開展了現(xiàn)代設(shè)計方法的理論和應(yīng)用研究，并取得了一系列成果。目前我國的工程機械已進入快速發(fā)展時期 , 由以前的仿制為主轉(zhuǎn)為自主創(chuàng)新 、自主研發(fā)階段 , 但工程機械產(chǎn)品大都結(jié)構(gòu)復(fù)雜 、龐大 , 由幾千個甚至幾十萬個零部件組成 , 有的重量高達上千噸 , 若采用傳統(tǒng)的設(shè)計計算方法和手段 , 設(shè)計周期長 、設(shè)計成本高 , 無法滿足市場需求 , 而先進的三維數(shù)字化設(shè)計 、虛擬仿真等現(xiàn)代設(shè)計方法以其準(zhǔn)確 、

5、快捷和高質(zhì)量的特點被越來越多的企業(yè)所采用 。因此 , 培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才是時代對高等學(xué)校工程機械專業(yè)提出的迫切要求 , 需要從培養(yǎng)目標(biāo) 、培養(yǎng)方案和教學(xué)組織管理等方面對工程機械專業(yè)的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式進行研究與實踐 , 加強計算機三維輔助設(shè)計 、優(yōu)化技術(shù) 、有限元分析技術(shù) 、動態(tài)仿真模擬等技術(shù)理論和實踐能力培養(yǎng) , 滿足社會對應(yīng)用型 、復(fù)合型 、創(chuàng)新型工程機械專業(yè)人才的培養(yǎng)要求 。為此 , 必須對 “工程機械 ”專業(yè)方向的課程體系進行整體優(yōu)化 , 建立以現(xiàn)代設(shè)計方法為核心的課程群 。第二章 現(xiàn)代設(shè)計方法概述現(xiàn)代設(shè)計方法（Modern Design Technigue）是新理論與計算機應(yīng)用相結(jié)合的

6、產(chǎn)物。它是以思維科學(xué)、設(shè)計理論系統(tǒng)工程為基礎(chǔ),以方法論為手段,以計算機為工具的各種方案、圖樣和程序的總和。 對此定義作出以下解釋: :迄今為止, 尚未閱讀或檢索到有明確給出過現(xiàn)代設(shè)計方法的定義, 盡管這種叫法、書名有很多, 或偶爾見到有對現(xiàn)代設(shè)計方法(技術(shù))作過某種解釋, 但很難視之為對這一概念的定義。:雖有文獻報道, 在機械設(shè)計理論、設(shè)計技術(shù)等方面出現(xiàn)的新領(lǐng)域中, 已有設(shè)計方法學(xué)- 是研究科學(xué)的設(shè)計思想、設(shè)計步驟和設(shè)計組織等的方法。及設(shè)計系統(tǒng)學(xué)- 是研究對于同一問題所能取得幾種設(shè)計方案的科學(xué)方法, 可也未提到現(xiàn)代設(shè)計方法。：于是, 借助于各種字詞典, 對現(xiàn)代設(shè)計方法做出上述定義尋找依據(jù):“現(xiàn)

7、代”、是個泊來詞，是指現(xiàn)在這個時代(中國多指 1919 年至現(xiàn)在)?！霸O(shè)計”、為了滿足人類和社會的功能需求，將預(yù)定的目標(biāo)通過人們創(chuàng)造型思維經(jīng)過一系列規(guī)劃、分析和決策產(chǎn)生載有相應(yīng)的文字、數(shù)據(jù)、圖形等信息的技術(shù)文件。以取得最滿意的社會與經(jīng)濟效益。 “方法”多指解決問題的門路、程序等。如工作方法、思想方法。綜合以上解釋, 加之考量現(xiàn)代設(shè)計方法領(lǐng)域的實際, 成為定義現(xiàn)代設(shè)計方法依據(jù)?；谝陨弦罁?jù)而給出上述現(xiàn)代設(shè)計方法的這個定義, 只是個人認(rèn)識, 不一定完全正確, 也不一定十分科學(xué), 僅供參考, 并請大家討論。第三章 現(xiàn)代設(shè)計方法應(yīng)用一、CADCAD（計算機輔助設(shè)計）。他是把計算機技術(shù)引入設(shè)計過程并用來

8、完成計算、選型、繪圖及其他作業(yè)的一種現(xiàn)代設(shè)計方法。 計算機、繪圖積極其他外圍設(shè)備構(gòu)成CAD硬件系統(tǒng)，而操作系統(tǒng)、語言處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和應(yīng)用軟件等構(gòu)成CAD的軟件系統(tǒng)。通常所說的CAD系統(tǒng)是只由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件組成，兼有計算、圖形處理、數(shù)據(jù)庫等功能，并能綜合利用這些功能完成設(shè)計作業(yè)的系統(tǒng)。機械計算機輔助設(shè)計（機械CAD）技術(shù)，是在一定的計算機輔助設(shè)計平臺上，對所設(shè)計的機械零、部件，輸入要達到的技術(shù)參數(shù)，由計算機進行強度，剛度，穩(wěn)定性校核，然后輸出標(biāo)準(zhǔn)的機械圖紙，簡化了大量人工計算及繪圖，效率比人工提高幾十倍甚至更多。計算機輔助設(shè)計的過程,首先進行功能設(shè)計,選擇合適的科學(xué)原理或構(gòu)造原理,

9、然后進行產(chǎn)品總圖的初步設(shè)計、產(chǎn)品選型和外型的初步設(shè)計;從總圖派生出零件,對零件的造型、尺寸、色彩等進行設(shè)計,對零件進行有限元分析,使其結(jié)構(gòu)及尺寸與應(yīng)力狀態(tài)相適應(yīng);對零件進行加工模擬,對其性能做出評價、分析和優(yōu)化,最終完成零件的工作圖;在計算機上制定零件制造工藝,在相應(yīng)的設(shè)備上制造出零件。如各種建模軟件， solidworks、solidedge、UG、proE、 AutoCAD等。二、有限元法設(shè)計 有限元法（Finite Method）是以電子計算機為工具的一種數(shù)值計算方法。目前，該方法不僅能用于工程中復(fù)雜的非線性問題、非穩(wěn)態(tài)問題（如結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)、電磁場等方面的問題）的求解，而且

10、還可以用于工程設(shè)計中進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動力學(xué)分析，并能準(zhǔn)確地計算復(fù)雜零件的應(yīng)力分布和變形，成為復(fù)雜零件強度和剛度計算的有利分析工具。三、反求工程設(shè)計反求工程設(shè)計（Reverse Engineering）是消化吸收并改進國內(nèi)外先進技術(shù)的一系列工作方法和技術(shù)的總和。它是通過實物或技術(shù)資料對已有的先進產(chǎn)品進行分析、解剖、試驗，了解其材料、組成、結(jié)構(gòu)、性能、功能，掌握其工藝原理和工作機理，已進行消化仿制、改進或發(fā)展、創(chuàng)造新產(chǎn)品的一種方法和技術(shù)。它是針對消化吸收先進技術(shù)的系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的組合。四、優(yōu)化設(shè)計隨著與機電一體化技術(shù)不斷的發(fā)展和光反運用，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)

11、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。優(yōu)化設(shè)計（Optimal Design）是根據(jù)設(shè)計方法學(xué)理論，把最優(yōu)化數(shù)學(xué)原理應(yīng)用于工程設(shè)計問題，以計算機為實現(xiàn)手段，借助于三維圖形軟件、智能化設(shè)計軟件和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，以及多媒體、超媒體工具進行產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計、表達產(chǎn)品的構(gòu)思、描述產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，與控制論、信息論、決策論相結(jié)合，對產(chǎn)品進行開發(fā)設(shè)計，在所有可行方案中尋求最佳設(shè)計方案的一種現(xiàn)代設(shè)計方法。在進行工程優(yōu)化設(shè)計時，首先把工程問題按優(yōu)化設(shè)計所規(guī)定的格式建立數(shù)學(xué)模型，然后選用合適的優(yōu)化計算方法在計算機上對數(shù)學(xué)模型進行尋優(yōu)求解，得到工程設(shè)計

12、問題的最優(yōu)設(shè)計方案。在建立優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型的過程中，把影響設(shè)計方案選取的那些參數(shù)稱為設(shè)計變量；設(shè)計變量應(yīng)當(dāng)滿足的條件稱為約束條件；而設(shè)計者選定來衡量設(shè)計方案優(yōu)劣并期望得到改進的指標(biāo)表示為設(shè)計變量的函數(shù)，稱為目標(biāo)函數(shù)。設(shè)計變量、約束函數(shù)、目標(biāo)函數(shù)組成了優(yōu)化設(shè)計問題的數(shù)學(xué)模型。優(yōu)化設(shè)計需要把數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化算發(fā)放到計算機程序中用計算機自動尋優(yōu)求解。常用的優(yōu)化算法有：0.618法、鮑威爾（Power）法、變尺度法、復(fù)合型法、懲罰函數(shù)法。而實現(xiàn)的手段有:(l)模糊設(shè)計。模糊設(shè)計是以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，它首先通過對設(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)引子，然后

13、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?，F(xiàn)在機電產(chǎn)品中涉及到模糊理論的場合很多，如模糊冰箱、模糊洗衣機、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)，一般由多輸人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。它通過反復(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

14、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)。五、并行設(shè)計并行設(shè)計(Parallel Design)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。并行設(shè)計作為現(xiàn)代設(shè)計理論及方法的范疇，目前已形成的并行設(shè)計方法基本上可以分為兩大類：(l)基于人員協(xié)同和集成的并行化。就是把組成與產(chǎn)品方面有關(guān)

15、的，針對給定設(shè)計任務(wù)的專門的、綜合性的設(shè)計團體(企業(yè))協(xié)同起來。(2)基于信息、知識協(xié)同和集成的并行化。該方法基于計算機網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，各零部件的設(shè)計人員通過計算機網(wǎng)絡(luò)對機電產(chǎn)品進行設(shè)計，并進行可制造性、經(jīng)濟性、可靠性、可裝配性等內(nèi)容的分析及時的反饋信息，并按要求修改各零部件的設(shè)計模型，直至整個機電產(chǎn)品完成為止。可以采用面向制造(DFM)和面向裝配(DFA)的設(shè)計方法，涉及CAX技術(shù)、產(chǎn)品信息集成(PDM)技術(shù)以及與人員協(xié)同集成有關(guān)的信息技術(shù)。當(dāng)然，這兩種機電產(chǎn)品并行設(shè)計方法并不是相互獨立的。在實際應(yīng)用過程中，它們往往是緊密結(jié)合在一起的。實例：并行工程應(yīng)用于整車項目開發(fā)案例研究在組織機構(gòu)上，建立一

16、支跨部門矩陣式的開發(fā)團隊，團隊全體成員共同對團隊的目的和目標(biāo)負(fù)責(zé)，每一個成員都能理解其職責(zé)。它確定團隊活動的焦點，包括服務(wù)和產(chǎn)品。全體成員相互依賴，在協(xié)同環(huán)境中工作，實施信息預(yù)發(fā)布、設(shè)計評審及反饋，定期組織團隊會議，進行信息交流、討論，進行團隊決策，確保團隊計劃向前推進。結(jié)構(gòu)上可將開發(fā)團隊劃分成若干小組（IPT）。并行工程所需的體系結(jié)構(gòu)通常由工程設(shè)計、質(zhì)量管理、過程管理、軟件環(huán)境和生產(chǎn)制造等5個系統(tǒng)組成。一般地，汽車整車產(chǎn)品開發(fā)共有4個大的階段，即策劃階段、設(shè)計階段、樣品試制階段和小批試制階段。并行工程在實施過程中對設(shè)計進度和質(zhì)量控制都可分多級并行循環(huán)體，對開發(fā)進行協(xié)同、配合、反饋和修改的循環(huán)

17、工作。設(shè)計部門與技術(shù)支持、工藝、質(zhì)量、制造、銷售、計算機仿真和供應(yīng)商等部門形成一個大的循環(huán)體，各部門內(nèi)部又有各專業(yè)小組之間的小循環(huán)體，根據(jù)需求不同可建立不同的循環(huán)體。在整車項目開發(fā)周期管理中的作用如下:整車開發(fā)過程的大計劃，縱向列出全部工作內(nèi)容，橫向列出整體開發(fā)的時間，在什么時間完成什么內(nèi)容，是什么部門完成一目了然。大計劃通過各部門充分討論，達成共識、會簽，并經(jīng)總經(jīng)理簽字下發(fā)。各部門再根據(jù)大計劃編制各部門更詳細(xì)的計劃，然后按計劃并行實施。大部分工作下游部門都提前幾個月介入，這是縮短開發(fā)周期的關(guān)鍵，即所謂的并行，而傳統(tǒng)的開發(fā)流程總是需要上游部門完成后再進行下游部門的工作。以模、夾具的開發(fā)為例，運

18、用并行工程，其與車身工程設(shè)計幾乎同時進行，從整個計劃第4個月開始介入，在整個開發(fā)周期的第22個月完成。而運用串行工程，其在車身工程設(shè)計完成后進行，從整個計劃第15個月才介入，在整個開發(fā)周期的第34個月才完成。運用并行工程開發(fā)時間上節(jié)約近36%，整個產(chǎn)品開發(fā)周期可以縮短40%50%。設(shè)計部門不斷預(yù)發(fā)布、評審、輸出，相關(guān)部門評審、驗證意見和建議不斷反饋，然后設(shè)計不斷更改，通過預(yù)發(fā)布和設(shè)計評審、修改若干個循環(huán)，這樣可以把不必要的失誤和不足消滅在設(shè)計階段，同時優(yōu)化設(shè)計。在各系統(tǒng)設(shè)計輸出評審的時候，相關(guān)部門的意見至關(guān)重要。在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段解決設(shè)計問題，所冒的風(fēng)險和損失最小。各系統(tǒng)的設(shè)計和預(yù)發(fā)布評審都

19、需相關(guān)部門的工程師參加，反饋意見馬上修改。造型設(shè)計，預(yù)發(fā)布評審需邀請設(shè)計部門的領(lǐng)導(dǎo)、設(shè)計總師、設(shè)計工程師、工藝工程師、模具工程師、制造工程師和銷售人員等?？偛贾迷O(shè)計，需邀請車身、底盤、電器以及內(nèi)外飾各系統(tǒng)工程師、整車安全法規(guī)工程師等參與預(yù)發(fā)布評審。小批試制階段，小批試制是批產(chǎn)前的關(guān)鍵過程，所有的問題必須在此階段解決，無論是技術(shù)性的還是生產(chǎn)性的問題，設(shè)計、工藝、模具、夾具、制造和質(zhì)量工程師必須全程跟蹤，發(fā)現(xiàn)問題及時修改、驗證。公告認(rèn)證、安全氣囊匹配驗證和ABS匹配驗證等的驗證工作大都選用這階段生產(chǎn)的車，因為時間上可以提前，可并行完成，車況上與量產(chǎn)車非常接近?？傊?，在整車開發(fā)的各個過程中，相關(guān)的部

20、門都是提前滲入、協(xié)同工作、及時反饋、及時修改，使開發(fā)全過程方案更改次數(shù)減少50%以上，質(zhì)量達到最佳，為質(zhì)量的“零缺陷”打下基礎(chǔ)。六、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是虛擬設(shè)計的范疇。所謂的虛擬制造(也叫擬實制造)指的是利用仿真技術(shù)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)和現(xiàn)實制造活動中的人、物、信息及制造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(Dummy Design)能實現(xiàn)在產(chǎn)品加工制造之前，建立產(chǎn)品的

21、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One-Step仿真軟件進行快速沖壓成形性校核，可大大減少設(shè)計返回帶來巨大損失。(2) 模具設(shè)計階段采用Increment仿真軟件進行沖壓仿真分析，可減少模具調(diào)試時間。汽車制造中瓶頸問題之一是車輛模具設(shè)計與制造，特別是拉延模設(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

22、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和我們自行開發(fā)KMAS/Increment軟件等。七、綠色設(shè)計綠色設(shè)計(Environmental Protection Design)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)防污染的措施納人產(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)境的影響為最小。產(chǎn)品的綠色設(shè)計主要包括以下內(nèi)容：(l)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

23、。(2)產(chǎn)品可拆卸性和可回收性設(shè)計。可拆卸性設(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，及用利于產(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

24、對環(huán)境的影響因素。八、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（Reliability Design）是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為理論基礎(chǔ)，是以失效分析、失效預(yù)測及各種可靠性試驗為依據(jù)，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，以保證產(chǎn)品的可靠性為目標(biāo)的現(xiàn)代設(shè)計方法。 可靠性設(shè)計的基本內(nèi)容是：選定產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)及量值，對可靠性指標(biāo)進行合理的分配，再把規(guī)定的可靠性指標(biāo)設(shè)計到產(chǎn)品中去。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)分布模和

25、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)平均壽命(MeanUfe)。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:(l)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?？赏ㄟ^這些數(shù)學(xué)模型并采適當(dāng)?shù)乃惴▉碛嬎愠鰴C電系統(tǒng)的可靠性。(3)可靠性可預(yù)測。預(yù)測單元(機械單元、電氣單元或混合單元

26、)的可靠性，首先要確定單元的基本失效率，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)公式入=k入b來確定各單元的應(yīng)用失效率，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。現(xiàn)在常用的分配方法有等分發(fā)、再分發(fā)、Agree分配法和相對失效法和相對概率法。九、動態(tài)設(shè)計動態(tài)設(shè)計法（Development Design）是在計算參數(shù)難以準(zhǔn)確確定、設(shè)計理論和方

27、法帶有經(jīng)驗性和類比性時，根據(jù)施工中反饋的信息和監(jiān)控資料完善設(shè)計，是一種客觀求實、準(zhǔn)確安全的設(shè)計方法。傳統(tǒng)的機械設(shè)計主要是依據(jù)靜態(tài)條件下強度、剛度、穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)要求和材料選擇來進行設(shè)計的，動態(tài)設(shè)計則以系統(tǒng)論，控制論為依據(jù)，在一定的位移，速度，力和力矩的干擾下對影響整機性能非常重要的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)（包括響應(yīng)速度、跟蹤精度和動態(tài)穩(wěn)定性等）進行設(shè)計。 對初步設(shè)計產(chǎn)品(或需要進行改進的產(chǎn)品)進行機械結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)動力學(xué)建模和動態(tài)特性分析，根據(jù)工程實際要求，給出所要求的動態(tài)特性設(shè)計目標(biāo)，按結(jié)構(gòu)動力學(xué)“逆問題”分析法求解結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而得到一個具有良好動靜態(tài)特性的產(chǎn)品，即不僅具有良好的工作工藝指標(biāo)，而且機械設(shè)備本身還能

28、夠安全、可靠地工作，并滿足相應(yīng)的工作壽命要求。機械動態(tài)設(shè)計的理論與方法主要包括以下四個方面：動力學(xué)建模、動態(tài)特性、計算實物試驗、模型試驗與試驗建模、機械結(jié)構(gòu)動力修改基坑支護動態(tài)設(shè)計應(yīng)用實例動態(tài)設(shè)計通過建立監(jiān)測系統(tǒng)和信息反饋有利于控制施工安全，并不斷地將現(xiàn)場地下水及地質(zhì)變化情況反饋到設(shè)計單位，調(diào)整完善設(shè)計。這一設(shè)計方法很適合用于基坑開挖支護、邊坡治理等巖土工程?，F(xiàn)以廣東省某試驗研究中心基坑設(shè)計為例，簡要地介紹了動態(tài)設(shè)計的內(nèi)容及方法。十、模塊化設(shè)計模塊化設(shè)計（Module Design）主要是以功能化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分解現(xiàn)有的產(chǎn)品，在分解中考慮到各個要素的可行性，從而在早期就預(yù)測到設(shè)計中可能會出

29、現(xiàn)的矛盾，提高設(shè)計的可行性和可靠性，降低產(chǎn)品的成本。模塊化設(shè)計在齒輪減速器中的應(yīng)用：市場調(diào)查分析與參數(shù)范圍的確定模塊化設(shè)計的一個重要前提是必須對產(chǎn)品的品種和規(guī)格以及市場對同類產(chǎn)品的需求量有充分的了解，只有這樣才能開展模塊的劃分、創(chuàng)建、組合。根據(jù)市場調(diào)查，為滿足冶金、礦山、建筑、化工、輕工等行業(yè)的需要，擬設(shè)計中小功率的通用齒輪減速器系列齒輪減速器主要有圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器、圓柱圓錐齒輪減速器三種結(jié)構(gòu)，為了使齒輪減速器通過單元模塊組合，實現(xiàn)系列產(chǎn)品內(nèi)傳動件互換，擬定產(chǎn)品的裝配形式共減速器各級齒輪傳動中心距的確定主要考慮兩個因素：一是盡可能實現(xiàn)各級齒輪等接觸強度傳動；減速器整機結(jié)構(gòu)具有明顯

30、的分級特性，在進行模塊化設(shè)計時，以產(chǎn)品的功能分析為基礎(chǔ)，將產(chǎn)品的總功能分解為若干層次較高的綜合性功能單元，然后根據(jù)不同的需求，將這些綜合性功能單元分別細(xì)化為若干層次較低的、可互換的、獨立的基礎(chǔ)單元，如齒輪、軸承的分級分解如圖對一定界限內(nèi)的不同產(chǎn)品的性能、規(guī)格進行分析得出的一系列的功能模塊，這些模塊成為基礎(chǔ)，通過對它的選擇，重新組合構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市場需求。根據(jù)各部件的位置及功能不同，設(shè)計為一個個獨立的模塊，模塊之間又可以組成一個大單元，如機械液力變矩器、變速器和中央傳動一體化單元等，使整機的裝配和維護更為方便。從工程機械的傳動方式看，傳統(tǒng)的“液力變矩十動力換檔變速箱+兩級最終傳動”方式，

31、逐步向模塊化的傳動方式轉(zhuǎn)變。如采用典型模塊化設(shè)計的傳動系統(tǒng)為：外分流式液力變矩器+傳動軸+動力換檔變速器與中央傳動的組合+離合器與盤式制動器的組合+行星最終傳動。十一、人機學(xué)設(shè)計應(yīng)用人體測量學(xué)、人體力學(xué)、勞動生理學(xué)、勞動心理學(xué)等學(xué)科的研究方法，對人體結(jié)構(gòu)特征和機能特征進行研究，提供人體各部分的尺寸、重量、體表面積、比重、重心以及人體各部分在活動時的相互關(guān)系和可及范圍等人體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)；還提供人體各部分的出力范圍、以及動作時的習(xí)慣等人體機能特征參數(shù)，分析人的視覺、聽覺、觸覺以及膚覺等感覺器官的機能特性；分析人在各種勞動時的生理變化、能量消耗、疲勞機理以及人對各種勞動負(fù)荷的適應(yīng)能力；探討人在工作中

32、影響心理狀態(tài)的因素以及心理因素對工作效率的影響等.所謂人性化產(chǎn)品(Humanity Production)，就是包含人機工程的的產(chǎn)品，只要是“人”所使用的產(chǎn)品，都應(yīng)在人機工程上加以考慮，產(chǎn)品的造型與人機工程無疑是結(jié)合在一起的。實例：電腦椅,學(xué)生電腦椅人機工程學(xué)設(shè)計方案:人的身體姿勢與腰椎形狀的關(guān)系:1、人的背后仰和放松時，椎間盤內(nèi)壓力最小。2、靠背傾斜角越大，肌肉負(fù)荷越小。 3、5cm厚的短靠腰（靠住腰部，也叫地靠腰），與最簡單的面的靠背相比，可降低椎間盤壓力，減輕肌肉負(fù)荷。4、靠背最佳傾斜角（與程度面夾角）為120°，坐面最佳角度（與程度面夾角）為14°，靠背應(yīng)力5cm厚

33、的地靠背支撐著身體上部分的重量，從而減小了椎間盤內(nèi)壓力。根據(jù)人的身體姿勢與腰椎形狀的關(guān)系確定學(xué)生座椅的具體人機設(shè)計要素：學(xué)生電腦椅使用時人身體前傾，凹緣支撐住腰部，而放松休息時，人的身體后靠，靠背又保持了脊柱的自然“S”形曲線。因此應(yīng)具有高靠背墊腰凹緣。1、高度可調(diào)。辦公椅的高度調(diào)節(jié)范圍為38-53cm。2、可防止座椅滑動和翻倒。椅腳應(yīng)設(shè)計5個，等分在直徑為40-45cm的圓周上。3、給人留有足夠的活動空間。需要時常站起來的座椅應(yīng)采用小腳輪。4、應(yīng)保證腿的活動空間，以減輕腿的疲勞。5、坐面為4045cm寬，3842cm長，坐面中部下凹，前緣呈弧球面，坐面后傾4°6°。6、坐

34、面的材料應(yīng)透氣而且不出溜(例如毛料)，以增加坐面的舒服感。7、在座椅右側(cè)扶手旁邊設(shè)置一個可以上翻后旋轉(zhuǎn)的鍵盤和鼠標(biāo)的操作臺，使座椅與顯示器熒幕之間的間隔有更大的自由度同時利于騰出電腦桌空間。此附帶加上裝置可配合電腦桌擁擠時使用，觀看視頻或圖片（畫手繪就利便了）。用電腦，把臺面分為可別離調(diào)整高度的兩部分，保證適合的顯示器高度和鍵盤高度。十二、疲勞設(shè)計疲勞設(shè)計（Tiredness Design）是指材料、零件和構(gòu)件在循環(huán)加載下，在某點或某些點產(chǎn)生局部的永久性損傷，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進一步擴展直到完全斷裂的現(xiàn)象。發(fā)展趨勢： 飛機、船舶、汽車、動力機械、工程機械 、冶金、石油等機械以

35、及鐵路橋梁等的主要零件和構(gòu)件，大多在循環(huán)變化的載荷下工作，疲勞是其主要的失效形式。因此，疲勞理論和疲勞試驗對于設(shè)計各類承受循環(huán)載荷的機械和結(jié)構(gòu)，成為重要的研究內(nèi)容。疲勞有限壽命設(shè)計中進行壽命估算，必須了解材料的疲勞性能，以此作為理論計算的依據(jù) 。由于疲勞壽命的長短取決于所承受的循環(huán)載荷大小，為此還必須編制出供理論分析和全尺寸疲勞試驗用的載荷譜，再根據(jù)與各種疲勞相適應(yīng)的損傷模型估算出疲勞壽命。疲勞理論的工程應(yīng)用，經(jīng)歷了從無限壽命設(shè)計到有限壽命設(shè)計，有限壽命設(shè)計尚處于完善階段。發(fā)展趨勢是：宏觀與微觀結(jié)合，探討從位錯、滑移、微裂紋、短裂紋、長裂紋到斷裂的疲勞全過程 ，尋求壽命估算各階段統(tǒng)一的物理-力

36、學(xué)模型 。研究不同環(huán)境下的疲勞及其壽命估算方法。概率統(tǒng)計方法在疲勞中的應(yīng)用，如隨機載荷下的可靠性分析方法，以及耐久性設(shè)計等。從設(shè)計內(nèi)容上看，設(shè)計貫穿了產(chǎn)品從孕育到消亡的整個生命周期，涵蓋了需求獲取、概念設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、工藝設(shè)計、營銷設(shè)計及回收設(shè)計等設(shè)計活動，并把實驗、研究、設(shè)計、制造、安裝、使用、維修作為一個整體來進行規(guī)劃。過去，在理論上主要以力學(xué)為基礎(chǔ)，在實踐上主要以經(jīng)驗作為基礎(chǔ)現(xiàn)在，作為基礎(chǔ)的理論遠(yuǎn)不止力學(xué)，還有系統(tǒng)論、控制論、信息論、傳感理論、信號處理理論、電子學(xué)、計算機等等，作為實踐的基礎(chǔ)遠(yuǎn)不止經(jīng)驗，而且還涉及各有關(guān)的學(xué)科，同時，自身也在形成自己的學(xué)科體系制造理論、工藝?yán)碚摗?/p>

37、第四章 總結(jié)值得一提的是：上述各種方法并不是完全孤立的，各類方法之間都存在一定程度上的聯(lián)系，如結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計方法中，劃分結(jié)構(gòu)模塊時就蘊含有系統(tǒng)化思想，建立產(chǎn)品特征及設(shè)計方法知識庫和推理機時，通常也需運用系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)模塊化方法，此外，基于產(chǎn)品特征知識的設(shè)計同時又是方案智能化設(shè)計的基礎(chǔ)之一。在機械產(chǎn)品方案設(shè)計中，視能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能的通用零件、部件或常用機構(gòu)為結(jié)構(gòu)模塊，并將其應(yīng)用到系統(tǒng)化設(shè)計有關(guān)層次的具體設(shè)計中，即將結(jié)構(gòu)模塊化方法融于系統(tǒng)化設(shè)計方法中，不僅可以保證設(shè)計的規(guī)范化，而且可以簡化設(shè)計過程，提高設(shè)計效率和質(zhì)量，降低設(shè)計成本。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，異地協(xié)同設(shè)計與制造，以及從用戶對產(chǎn)品的功能需求設(shè)

38、計加工裝配成品這一并行工程的實現(xiàn)成為可能。但是，達到這些目標(biāo)的重要前提條件之一，就是實現(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計效果的三維可視化。為此，不僅三維圖形軟件、智能化設(shè)計軟件愈來愈多地應(yīng)用于產(chǎn)品的方案設(shè)計中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及多媒體、超媒體工具也在產(chǎn)品的方案設(shè)計中初露鋒芒。目前，德國等發(fā)達國家正著力于研究超媒體技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP，以及標(biāo)準(zhǔn)虛擬現(xiàn)實造型語言VRML(Intemet 上基于虛擬環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)交換格式)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用。機械產(chǎn)品的方案設(shè)計正朝著計算機輔助實現(xiàn)、智能化設(shè)計和滿足異地協(xié)同設(shè)計制造需求的方向邁進，由于產(chǎn)品方案設(shè)計計算機實現(xiàn)方法的研究起步較晚，目前還沒有成熟的、能夠達到上述目標(biāo)的方案設(shè)計工具軟件