先進(jìn)制造技術(shù)課件第2章課件

2.1現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)內(nèi)涵與體系結(jié)構(gòu)2.1.1現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的內(nèi)涵和特點(diǎn)2.1.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)體系

2.1.1現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的內(nèi)涵與特點(diǎn)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的繼承和發(fā)展，多專業(yè)和多學(xué)科交叉，綜合性技術(shù)?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)靜態(tài)、經(jīng)驗(yàn)、被動、手工設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)過程中解決具體設(shè)計(jì)問題的各種方法和手段傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的定義…方法維產(chǎn)品規(guī)劃方案設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)施工設(shè)計(jì)分析綜合評價(jià)決策時(shí)間維邏輯維可靠性設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊化設(shè)計(jì)

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的時(shí)間維產(chǎn)品規(guī)劃--需求分析、市場預(yù)測、可行性分析、總體參數(shù)、制約條件和設(shè)計(jì)要求；方案設(shè)計(jì)--功能原理設(shè)計(jì)，確定原理方案；技術(shù)設(shè)計(jì)--將產(chǎn)品的功能原理具體化為機(jī)器產(chǎn)品及其零部件的具體結(jié)構(gòu)；施工設(shè)計(jì)--指工程圖繪制，工藝文件編寫，說明書編寫等。分析--明確設(shè)計(jì)任務(wù)本質(zhì)；綜合--綜合各種因素，探求解決方案；評價(jià)--對多種方案進(jìn)行比較和評定，方案調(diào)整和改進(jìn)；決策--確定最佳的設(shè)計(jì)方案現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的邏輯維主體技術(shù)基礎(chǔ)技術(shù)支撐技術(shù)應(yīng)用技術(shù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與方法各產(chǎn)品領(lǐng)域知識與技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)可信性設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)技術(shù)相關(guān)學(xué)科與技術(shù)先進(jìn)制造工藝材料科學(xué)自動化技術(shù)系統(tǒng)管理技術(shù)自然科學(xué)政治經(jīng)濟(jì)文化社會科學(xué)市場營銷學(xué)……….現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)體系結(jié)構(gòu)框圖2.1.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)體系2.2.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的基本概念2.2.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)2.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)零件造型、產(chǎn)品裝配產(chǎn)品渲染、動態(tài)顯示、運(yùn)動仿真工程分析，如有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)繪制工程圖樣、編制物料清單（BOM)2.2.1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的基本概念CAD技術(shù)主要功能計(jì)算機(jī)的支持和參與利用計(jì)算機(jī)信息存儲、邏輯推理、長時(shí)間重復(fù)工作、快速精確的計(jì)算等能力和特長，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量；設(shè)計(jì)者的主導(dǎo)作用計(jì)算機(jī)不可能完全取代人進(jìn)行設(shè)計(jì)作業(yè)；主要輔助完成技術(shù)設(shè)計(jì)不可能也沒有必要涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)。CAD技術(shù)特征

線框模型：以頂點(diǎn)和棱邊描述三維形體，為兩表結(jié)構(gòu)；

表面模型：以表面描述形體方法，為三表結(jié)構(gòu)；

實(shí)體建模：能完整表示三維的幾何信息和拓?fù)湫畔ⅲ袙呙璞硎痉?、邊界表示法、?gòu)造實(shí)體幾何法等結(jié)構(gòu)形式；

特征造型：以具有工程語義的各類特征來定義描述形體的方法，便于CAD/CAM技術(shù)的集成。2.2.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品的造型建模技術(shù)特征就是描述產(chǎn)品信息的集合，也是構(gòu)成零、部件設(shè)計(jì)與制造的基本幾何體，它既能反映零件的幾何信息，又反映了零件的加工工藝信息。常用的零件特征包括：形狀特征、精度特征、材料特征、裝配特征等。

形狀特征是特征造型的主要部分，是其他特征的載體，形狀特征定義為一組唯一確定該特征的參數(shù)，這組參數(shù)中有形狀參數(shù)及定位參數(shù)。

精度特征可分為兩類：一種是各幾何元素本身的要求，如尺寸公差、表面粗糙度等，另一種和其他幾何元素相關(guān)，即相對于基準(zhǔn)的精度要求，如形狀及位置公差。

材料特征分為整體材料特征、表面處理特征及局部處理特征，整體材料特征作為零件的屬性，包括材料種類代號、性能、熱處理方法等，表面處理特征作為表面的屬性，包括表面淬火、滲碳、滲氮等。只需要建立兩張表就能描述任一復(fù)雜的物體，一是點(diǎn)（立體的頂點(diǎn)）表；二是邊（點(diǎn)的連線）表，如圖所示棱錐體，表2-1和2-2即為其全部幾何信息表2-1點(diǎn)表表2-2邊表表2-3面表單一數(shù)據(jù)庫：與設(shè)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)來自同一數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品相關(guān)性設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短開發(fā)周期。相關(guān)性設(shè)計(jì)：任何設(shè)計(jì)改動，都將及時(shí)反映到其它相關(guān)環(huán)節(jié)上。如：零件圖-產(chǎn)品裝配圖-零件數(shù)控程序-二維工程圖；左視圖-主視圖-俯視圖-三維實(shí)體模型；單一數(shù)據(jù)庫與相關(guān)性設(shè)計(jì)NURBS（Non-UnifromRationalB-Splines）可統(tǒng)一自由曲線/曲面和規(guī)則曲線/曲面的數(shù)學(xué)模型，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有利于曲線、曲面操作和修改。NURBS曲面造型技術(shù)CAD與CAX集成涉及建模技術(shù)、工程數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)交換接口等技術(shù)。包括如下集成：①CAD/CAE/CAPP/CAM--工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域集成；②CAD/ERP--與管理系統(tǒng)集成；③

異地、異構(gòu)系統(tǒng)企業(yè)間CAD集成，如全球化設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、虛擬制造及虛擬企業(yè)等。CAD與CAX集成技術(shù)目的：支持異構(gòu)、跨平臺的工作環(huán)境。如：IGES（InitialGraghicalExchangeSystem)圖形交換標(biāo)準(zhǔn)；STEP(StandardfortheExchangeofProductModelData)產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型交換標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)

2.2.3計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)計(jì)算機(jī)輔助產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)難題：建模和推理計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同設(shè)計(jì)難題：信息實(shí)時(shí)可靠交換；異構(gòu)環(huán)境下可靠運(yùn)行；通訊方法與手段海量信息處理存儲、管理和檢索技術(shù)智能CAD技術(shù)：將人工智能技術(shù)與CAD技術(shù)融為一體，難題：解決人類思維模型建立和表達(dá)CAD與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的集成

VR向設(shè)計(jì)者提供視覺、聽覺、觸覺等直觀、自然、實(shí)時(shí)的感知，目前VR所需軟硬件價(jià)格昂貴，技術(shù)開發(fā)難度大計(jì)算機(jī)安全技術(shù)保密，防病毒感染2.3現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法2.3.1優(yōu)化設(shè)計(jì)

最優(yōu)化設(shè)計(jì)是借助最優(yōu)化數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)，求取工程問題的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。即：進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，首先必須將實(shí)際問題加以數(shù)學(xué)描述，形成一組由數(shù)學(xué)表達(dá)式組成的數(shù)學(xué)模型，然后選擇一種最優(yōu)化數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)程序，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)算求解，得到一組最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)。1）優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型實(shí)例1：有一塊邊長為6m的正方形鋁板，四角各裁去一個(gè)小的方塊，做成一個(gè)無蓋的盒子。試確定裁去的四個(gè)小方塊的邊長，以使做成的盒子具有最大的容積。解：設(shè)裁去的四個(gè)小方塊的邊長為x，則盒子的容積可表示成x的函數(shù)f(x)＝x(6-2x)2于是，上述問題可描述為變量x—設(shè)計(jì)變量

f(x)＝x(6-2x)2—目標(biāo)函數(shù)

g(x)＝x>0—約束條件使函數(shù)f(x)＝x(6-2x)2

極大化即對f(x)=6x-2x3求導(dǎo)

f’(x)=1-x2=0

得出：x=1,-1∵x>0∴x=1為所求解。設(shè)計(jì)定容積瓦楞紙箱的尺寸，使其滿足集裝箱的裝箱量最大，并且瓦楞紙箱的長、寬、高比例滿足一定的要求，使其不形狀怪異，易于為實(shí)際所接受。設(shè)：x,y,z為紙箱的長、寬、高，紙箱的定容積為K目標(biāo)函數(shù)：maxf(x,y,z)約束條件：x.y.z=k

數(shù)學(xué)模型的一般形式實(shí)例可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型由設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件三部分組成，可寫成以下統(tǒng)一形式：求變量x1,x2,…..,xn

使極小化函數(shù)f(x1,x2,…..,xn)

滿足約束條件gu(x1,x2,…..,xn)≤0(u=1,2,…m)hv(x1,x2,…..,xn)=0(v=1,2,…p)設(shè)計(jì)變量目標(biāo)函數(shù)不等式約束條件等式約束條件（1）設(shè)計(jì)變量

設(shè)計(jì)變量的不同參數(shù)表示不同的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)變量必須是一組相互獨(dú)立的變量，將其表示成X，即：X=（x1,x2,…,xn)T其中n是設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)，也稱為維數(shù)。設(shè)計(jì)變量的取值：一是連續(xù)變化量，另一是離散量比如齒輪的模數(shù)。

由n個(gè)設(shè)計(jì)變量所組成一個(gè)向量空間，稱之為設(shè)計(jì)空間。

N=1,設(shè)計(jì)空間為一根實(shí)數(shù)軸，稱為一維優(yōu)化問題N=2,設(shè)計(jì)空間為一平面，稱為二維優(yōu)化問題N=3,設(shè)計(jì)空間為三維立體，稱為三維立體。N>3,設(shè)計(jì)空間為超越空間。一個(gè)設(shè)計(jì)方案相當(dāng)于設(shè)計(jì)空間中的一個(gè)點(diǎn)。（2）目標(biāo)函數(shù)每一個(gè)設(shè)計(jì)問題，都有一個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)中所追求的目標(biāo)。用設(shè)計(jì)變量的函數(shù)來表示。目標(biāo)函數(shù)是準(zhǔn)則性函數(shù)，又稱為評價(jià)函數(shù)。可表示為：F(X)=F(x1,x2,…,xn)T

優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的：按要求選擇所需的設(shè)計(jì)變量，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最佳值。最佳值可能是極大值，也可能是極小值。如求產(chǎn)值最大、效率最高等問題，屬于求極大值問題，maxF(X)產(chǎn)品的重量最輕、成本最低等問題，即為求目標(biāo)函數(shù)的極小值問題，屬于求目標(biāo)函數(shù)的極大值問題，記為minF(X)為了優(yōu)化算法與處理程序的統(tǒng)一，可將目標(biāo)函數(shù)均規(guī)格化為求極小化問題，即

minF(X)=-maxF(X)或mixF(x)=1/maxF(X)(3)設(shè)計(jì)約束與可行域

優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅要使所選擇方案的設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到最佳值，同時(shí)還必須滿足一系列的附加設(shè)計(jì)條件，這些附加設(shè)計(jì)都構(gòu)成對設(shè)計(jì)變量取值的限制，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中被稱為設(shè)計(jì)約束。設(shè)計(jì)約束有兩種：一種是不等式約束，另一種是等式約束。不等式約束形式：gu(x)<=0或gu(x)>=0等式約束形式：hv(x)=0由于設(shè)計(jì)約束的存在，在整個(gè)設(shè)計(jì)空間范圍內(nèi)被分為可行域和非可行域兩個(gè)不同的區(qū)域。g（X）=0g（X）>0g（X）<0非可行域可行域x1x20約束變量影響設(shè)計(jì)空間可行域

2）優(yōu)化方法的分類按目標(biāo)函數(shù)數(shù)量：單目標(biāo)優(yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化按設(shè)計(jì)變量數(shù)量(n)：

n=2-10小型優(yōu)化

n=10-50中型優(yōu)化

n>50大型優(yōu)化按約束條件：無約束優(yōu)化和有約束優(yōu)化；求解方法：準(zhǔn)則法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃和動態(tài)規(guī)劃。設(shè)計(jì)對象的分析設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)約束條件的確定目標(biāo)函數(shù)的建立、合適的優(yōu)化計(jì)算方法的選擇優(yōu)化結(jié)果分析3）優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟常用優(yōu)化求解方法一維搜索法黃金分割法多項(xiàng)式逼近法無約束非線性規(guī)劃算法間接法梯度法（最速下降法）牛頓法（二階梯度法）DFP變尺度法直接法Powell法（方向加速）單純形法有約束非線性規(guī)劃算法直接法網(wǎng)格法隨機(jī)方向法復(fù)合形法間接法拉格郎日乘子法罰函數(shù)法可變?nèi)莶罘▋?yōu)化設(shè)計(jì)步驟

4)優(yōu)化設(shè)計(jì)舉例如圖對稱兩桿桁架：

2P＝300KN，2L＝1500mm，H＝900mm，

E＝2.1×105N/mm，ρ＝7.85×103Kg/m3，

σs＝350N/mm2，D＝25-60mm、B＝3-8mm。求解：滿足強(qiáng)度前提下桁架重量最輕時(shí)的管徑D及壁厚B。設(shè)計(jì)變量：確定目標(biāo)函數(shù)：①強(qiáng)度約束條件—壓應(yīng)力不大于屈服極限σs：

②穩(wěn)定性約束條件—壓應(yīng)力不大于壓桿穩(wěn)定的臨界應(yīng)力σk：

③邊界約束條件——限制尺寸取值的約束條件：

確定約束條件求解結(jié)果：B=4mm,D=44.4mmW=10.26Kg（1）可靠性的概念及其發(fā)展產(chǎn)品的可靠性：在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。二次大戰(zhàn)美國空軍由于故障而損失飛機(jī)達(dá)21000架，比被擊落的飛機(jī)多1.5倍?？煽啃允怯擅绹娇詹块T提出，到了50年代電子產(chǎn)品平均使用失效率達(dá)到了1×10－10-1×10－12（1/h）水平。60年代末建立了以強(qiáng)度－應(yīng)力為基礎(chǔ)的機(jī)械產(chǎn)品可靠性模型。目前，機(jī)械產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)已趨成熟。2.3.2可靠性設(shè)計(jì)可靠性的基本要素：1）規(guī)定的時(shí)間2）規(guī)定的條件3）規(guī)定的功能（1）要求產(chǎn)品做什么（2）產(chǎn)品進(jìn)行工作的指標(biāo)要求4）能力故障機(jī)理和故障模型研究

研究產(chǎn)品元件材料老化失效機(jī)理，掌握老化規(guī)律，揭示影響老化因素，建立失效機(jī)理模型?？煽啃栽囼?yàn)技術(shù)研究

試驗(yàn)是取得可靠性數(shù)據(jù)主要來源，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研制階段的問題，恰當(dāng)?shù)脑囼?yàn)方法有利于保證和提高產(chǎn)品的可靠性，能夠節(jié)省人力和費(fèi)用?？煽啃运降拇_定

制定相關(guān)產(chǎn)品的可靠性水平等級，為產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（2）可靠性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容（3）可靠性設(shè)計(jì)的常用指標(biāo)產(chǎn)品的工作能力

產(chǎn)品完成規(guī)定功能所處的狀態(tài)；產(chǎn)品工作能力的耗損過程屬于隨機(jī)過程。產(chǎn)品在某一時(shí)刻t時(shí)的工作能力，就是產(chǎn)品在t時(shí)刻所處的狀態(tài)?？煽慷?/p>

在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率R(t)，可靠度愈大，工作愈可靠，0≤R(t)≤1?？煽慷仁抢鄯e分布函數(shù)，它表示在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)圓滿工作的產(chǎn)品占全部工作產(chǎn)品累積起來的百分?jǐn)?shù)。設(shè)有N個(gè)相同的產(chǎn)品在相同的條件下工作，到任一給定的工作時(shí)間t時(shí)，累積有Ｎｆ（ｔ）個(gè)產(chǎn)品失效，剩下Ｎｐ（ｔ）個(gè)產(chǎn)品仍能正常工作。那么，該產(chǎn)品到時(shí)間ｔ的可靠度Ｒ（ｔ）為思考：如何計(jì)算產(chǎn)品在正常運(yùn)行一定時(shí)間后再正常運(yùn)行一段時(shí)間的可靠度？采用經(jīng)驗(yàn)可靠度R(t）=Np(t)/N例子：在某批產(chǎn)品N個(gè)中，已有88個(gè)正常工作2400小時(shí)，在繼續(xù)工作800小時(shí)，還有66個(gè)能正常工作，問在這800小時(shí)中的可靠度是多少？解：因?yàn)镹p(t）=Np(2400)=88Np(t+△t)=Np(2400+800)=66所以失效率

表示產(chǎn)品工作到某一時(shí)刻后，在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率λ(t)，失效率愈低，產(chǎn)品愈可靠,能決定每一時(shí)刻的可靠度。由此可知，失效率是個(gè)條件概率。失效率的觀測值：失效率通常的單位是10-3/小時(shí)、10-5/小時(shí)。對于高可靠性產(chǎn)品通常用10-9/小時(shí)作單位，稱為一個(gè)菲特（Fit),其含義：1000個(gè)產(chǎn)品工作100萬小時(shí)，只有一個(gè)可能失效有100塊IC，在1000小時(shí)內(nèi)失效5塊，在1000～1010小時(shí)失效38塊，求t＝1000，和t＝1010h的失效率的估計(jì)值？

代入公式：λ(t)＝?n(t)/?t[N-n(t)]

求解：

λ(1000)＝5/1000(100-0)=5×10－5/h

＝50000Fit

λ(1010)＝38/(1010-1000)(100-5)

＝0.4%h－1失效率為一個(gè)時(shí)間的函數(shù)，用二維圖形進(jìn)行描述，可以得到一條二維曲線。圖2-6為典型的失效率曲線2-6典型的失效率曲線1）早期失效階段磨合階段，原因是產(chǎn)品內(nèi)部存在缺陷和工藝質(zhì)量欠佳。讓成品在上市前模擬工作條件運(yùn)行一段時(shí)間，可以剔除早期失效產(chǎn)品2）偶然失效階段偶然失效階段是產(chǎn)品的正常使用階段，此時(shí)產(chǎn)品的失效是隨機(jī)的，失效率基本是一常數(shù)。3）耗損失階段經(jīng)過長時(shí)間的工作，產(chǎn)品進(jìn)入衰老狀態(tài)，表現(xiàn)為失效率迅速上升，直到報(bào)廢。改善方法：不段提高零部件的使用壽命或及時(shí)更換即將失效的零部件平均壽命

不可修復(fù)產(chǎn)品--發(fā)生失效前的工作時(shí)間（MTTF）可修復(fù)產(chǎn)品--相鄰兩故障間工作時(shí)間（MTBF）式N—對不可修復(fù)產(chǎn)品為試驗(yàn)品數(shù)，對可修復(fù)產(chǎn)品為總故障次數(shù)；ti—對不可修復(fù)產(chǎn)品為第i個(gè)產(chǎn)品失效前工作時(shí)間，對可修復(fù)產(chǎn)品為第i次故障前的無故障工作時(shí)間。可靠度的許用值災(zāi)難性的：R（t）→1經(jīng)濟(jì)性的：損失重大時(shí)：R（t）>0.99損失不大時(shí)，R（t）>0.90無后果：R（t）<0.90（4）機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)機(jī)械零件可靠性設(shè)計(jì)內(nèi)容較多，這里僅討論機(jī)械零件應(yīng)力和強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)問題應(yīng)力Y：作用于零件上的應(yīng)力、溫度、濕度、沖擊力等物理量強(qiáng)度X：零件能夠承受這類應(yīng)力的程度。當(dāng)強(qiáng)度X大于應(yīng)力Y時(shí)，能夠正常工作。當(dāng)強(qiáng)度X小于應(yīng)力Y時(shí)，則發(fā)生失效若使零件在規(guī)定的時(shí)間和規(guī)定的條件內(nèi)進(jìn)行可靠地工作，必須滿足

在機(jī)械零件中，認(rèn)為強(qiáng)度X和應(yīng)力Y是相互獨(dú)立的隨機(jī)變量，并且兩者都是一些變量的函數(shù)，即概率密度分布曲線如圖2-7所示，其干涉區(qū)即為零件可能失效區(qū)域，干涉區(qū)越小，可靠性越高。0g(y)f(x)x，y強(qiáng)度f(x)應(yīng)力g(y)圖2-7應(yīng)力與強(qiáng)度概率密度分布零件應(yīng)力與強(qiáng)度干涉模型是零件可靠性設(shè)計(jì)的基本模型，清楚地揭示零件可靠性設(shè)計(jì)的本質(zhì)：任何設(shè)計(jì)都存在失效的可能行，即可靠度R<1.若已知隨機(jī)變量X及Y的分布規(guī)律，利用零件應(yīng)力和強(qiáng)度干涉模型，可以求得零件的可靠度及失效率。設(shè)零件的可靠度為R，則h(z)μZz>00zRPFz<0可靠度R=P(X-Y≥0)

設(shè)隨機(jī)變量X和Y的概率度函數(shù)分別為f(x)和g(y）；令Z=X-Y為干涉隨機(jī)變量，Z的概念密度函數(shù)為零件的可靠度R和失效率設(shè)零件強(qiáng)度X及應(yīng)力Y的均服從正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)分別為式中(5)系統(tǒng)的可靠性預(yù)測任何一個(gè)能實(shí)現(xiàn)所需功能的產(chǎn)品都是由一定數(shù)量的獨(dú)立單元組成的系統(tǒng)，因此，系統(tǒng)的可靠度取決于各個(gè)獨(dú)立單元本身的可靠度和它們組成形式。組成形式的不同，系統(tǒng)的可靠度也有很大的差別。系統(tǒng)的組成形式有：串聯(lián)、并聯(lián)和混合型。定義：用已知組成系統(tǒng)的各個(gè)獨(dú)立單元的可靠度計(jì)算系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。1）串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度計(jì)算12n-1nN個(gè)元件組成的串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度RS：串聯(lián)系統(tǒng)：只要一個(gè)元件失效，系統(tǒng)就不能完成規(guī)定功能串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度比系統(tǒng)中最不可靠的元件可靠度還低例:若R1=0.99,R2=0.90,R3=0.85,則：RS=R1*R2*R3=0.99*0.90*0.85=0.75712┋n并聯(lián)系統(tǒng)：只有所有元件全部失效情況下整個(gè)系統(tǒng)才失效并聯(lián)系統(tǒng)可靠度計(jì)算：若R1＝R2＝…＝Rn＝R時(shí)，則：RS＝1－（1－R）n例如：Ri=0.95,n=5時(shí)，則Rs=1-(1-Ri)n=1-(1-0.95)5=0.9999996875單元數(shù)目越多，系統(tǒng)的可靠性越高，但系統(tǒng)的體積，重量以及成本等也隨之增加?；旌舷到y(tǒng)：由串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)組合而成?？煽慷扔?jì)算方法：先將并聯(lián)單元轉(zhuǎn)化為一個(gè)串聯(lián)單元，然后串聯(lián)系統(tǒng)計(jì)算。例：行星輪機(jī)構(gòu)，3個(gè)行星輪2為并聯(lián)系統(tǒng)，則系統(tǒng)可靠度：Rs=R1?R222?R3=R1?[1-(1-R2)3]?R3（6）系統(tǒng)可靠性分配

可靠性分配就是將系統(tǒng)設(shè)計(jì)所要求達(dá)到的可靠性，合理地分配給各組成單元的一種方法。常用的可靠性分配方法有：等分配法、按相對失效率分配

等分配法：是將系統(tǒng)中的所有單元分配以相同的可靠度，計(jì)算簡單，但未考慮各單元各自特征

串聯(lián)系統(tǒng)：若系統(tǒng)可靠度為RS，各單元可靠度均為Ri，則：并聯(lián)系統(tǒng):RS＝1－（1－Ri）nRi=1-(1-Rs)1/n按相對失效率分配：

使每個(gè)單元允許失效率正比于預(yù)計(jì)失效率。分配步驟：獲取各單元預(yù)計(jì)失效率；由單元預(yù)計(jì)失效率計(jì)算每一單元分配權(quán)系數(shù)；計(jì)算出各單元的容許失效率。（7）可靠性試驗(yàn)是為了定量評價(jià)產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)而進(jìn)行的各種試驗(yàn)的總稱。獲得可靠性指標(biāo)，如平均壽命、可靠度R（t）、失效概率λ（t）等。常用試驗(yàn)：（1）環(huán)境可靠性試驗(yàn)（2）壽命試驗(yàn)（3）現(xiàn)場可靠性試驗(yàn)2.3.3價(jià)值工程（1）產(chǎn)生和發(fā)展

價(jià)值工程的創(chuàng)立者是美國人L.D邁爾斯(miles),他從產(chǎn)品功能角度出發(fā)來研究和解決材料的代用問題。日本的價(jià)值設(shè)計(jì)和價(jià)值革新到70年代末，價(jià)值工程技術(shù)引入我國。（2）價(jià)值工程基本概念

產(chǎn)品價(jià)值V是產(chǎn)品功能F與產(chǎn)品成本C的綜合反映。

價(jià)值(V)--“合算不合算”或“值得不值得”；

功能(F)--為功用、作用、效能、用途、目的等；

成本(C)--是指實(shí)現(xiàn)功能所支付的全部費(fèi)用。三者關(guān)系為：V=F/C提高產(chǎn)品價(jià)值有以下五種途徑：1）功能不變，降低成本2）成本不變，提高功能3）功能提高，成本降低4）成本略有提高，功能有更大的提高5）功能略有下降，成本有更大的下降。價(jià)值工程的活動程序價(jià)值工程的活動程序有分析、綜合、評價(jià)三個(gè)階段，具體步驟列于表

對象選擇是回答“它是什么”？能否從叢多產(chǎn)品中準(zhǔn)確地選擇分析對象，關(guān)系到價(jià)值工程地效果，應(yīng)選擇在改進(jìn)功能、降低成本上有較大潛力地對象。1）對象選擇主要原則：

從產(chǎn)品功能考慮：不能滿足用戶要求，功耗大、效率低、可靠性低的產(chǎn)品；

從產(chǎn)品成本考慮：原材料昂貴、加工成本高的產(chǎn)品；

從企業(yè)外部環(huán)境考慮：市場需求量大，發(fā)展前景好的產(chǎn)品（3）對象選擇綜合加權(quán)評分法：①分析影響產(chǎn)品價(jià)值因素，并確定權(quán)重；②將各因素對所選擇對象進(jìn)行評分；③將各對象中各因素的得分與權(quán)重相乘；④求取各對象總分值，以此作為選擇對象依據(jù)。ABC分類法--將零件分為ABC三類，A類零件占產(chǎn)品總數(shù)10%-20%，而成本卻占總成本60-70%；B類60－70％，成本占10－20％；其余為C類。將A類零件作為價(jià)值分析對象。2）選擇的基本方法價(jià)值系數(shù)分析法--價(jià)值系數(shù)作為選擇對象的依據(jù)

vi=fi/ci式中fi——功能系數(shù)ci=Ci/∑Ci——成本系數(shù)，其中Ci為零件成本，∑Ci為產(chǎn)品總成本。Vi=1

零件的功能比重與成本比重基本相同。可以不作重點(diǎn)對象Vi<1說明零件功能系數(shù)小，而成本系數(shù)大，作為重點(diǎn)選擇對象Vi>1說明零件的比較重要，而分配的成本比較小功能定義

用簡明語言對分析對象功能作出表述，說明它干什么用。例如車床產(chǎn)品的功能是“車削工件”的。產(chǎn)品的功能具有多樣性。主要分類方法有：1）按功能的重要程度分，將功能分為基本功能和輔助功能。2）按功能的性質(zhì)分，有使用功能和外觀功能。3）按用戶需要分，有必要功能和不必要功能（4）功能分析功能整理

確定產(chǎn)品必要功能，調(diào)整過剩功能，明確產(chǎn)品功能區(qū)域。功能評價(jià)是回答成本是多少和價(jià)值是多少的提問，其目的是尋求給定功能的最低成本。一對一比較法（0-1評分法）

0-1評分法是把產(chǎn)品的各個(gè)功能逐個(gè)相互比較，排定功能重要性的次序，具體方法如下：如果產(chǎn)品有七個(gè)功能，先將功能填入功能比較表，然后逐行一對一比較，較重要的功能得1分，較次要的功能得0分。逐行計(jì)算得分。同功能相比計(jì)以符號×,X作為1分計(jì)算。將每個(gè)功能的得分與所有功能的總分比較，得出每個(gè)功能評價(jià)系數(shù)。如表1-1表1-1功能系數(shù)新方案的創(chuàng)建與評價(jià)這是回答“有沒有新方案？”問題，創(chuàng)建新方案應(yīng)注意：要敢于打破框框，不受原設(shè)計(jì)的束縛；要發(fā)動大家參加這一工作，互相啟發(fā)，相互觸動靈感；把不同想法進(jìn)行集中，發(fā)展成方案，使其完善。對新方案進(jìn)行評價(jià)：保證功能、降低成本，以回答“新方案的成本是對少”提問。驗(yàn)證和定案這是回答“新方案能否滿足要求”提問，驗(yàn)證內(nèi)容包括：新方案規(guī)格和條件是否合理恰當(dāng)；方案的優(yōu)缺點(diǎn)是否確切；存在的問題有無進(jìn)一步解決的措施等。例：某企業(yè)生產(chǎn)臺虎鉗，有100mm、125mm、150mm和200mm四種不同的規(guī)格。利用價(jià)值工程對該產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。如表2-5所示：①該產(chǎn)品的最大實(shí)際夾持力遠(yuǎn)高于部頒標(biāo)準(zhǔn)；②125mm和150mm兩種規(guī)格最大實(shí)際夾持力基本相近；③原材料成本占產(chǎn)品成本的平均比例達(dá)60％左右，說明產(chǎn)品耗材太多，顯得笨重。因此，可以從減少材料消耗入手對產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以提高產(chǎn)品價(jià)值。功能分析：總體設(shè)計(jì)尚屬合理，活動鉗體和固定鉗體消耗材料的80%。將兩個(gè)鉗體作為改進(jìn)對象。調(diào)查表明，鉗體幾乎未出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，而虎脖子部件，易斷裂，兩鉗體壽命過剩。改進(jìn)：適當(dāng)降低鉗體的強(qiáng)度及剛度，增強(qiáng)虎脖子部件強(qiáng)度和剛度。改進(jìn)后：①產(chǎn)品重量大大減輕，減少了原材料消耗和運(yùn)輸費(fèi)用；②價(jià)格降低3元，每年6萬臺計(jì)算，為用戶減少支出18萬元；產(chǎn)品開發(fā)的兩種模式：1、從市場需求出發(fā)，從無到有(正向工程)：

市場分析→概念設(shè)計(jì)→結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)→加工制造→裝配檢驗(yàn)2、從已有產(chǎn)品出發(fā)，從有到新(反求工程)：已有產(chǎn)品→實(shí)物測量→重構(gòu)模型→創(chuàng)新改進(jìn)→加工制造反求工程類型：

(1)實(shí)物反求信息源為產(chǎn)品實(shí)物模型，應(yīng)用最廣(2)軟件反求信息源為產(chǎn)品工程圖樣、數(shù)控程序、技術(shù)文件等技術(shù)軟件；(3)影像反求信息源為圖片、照片或影像等資料。2.3.4反求工程反求工程基本步驟

1、反求對象的分析反求對象的功能及原理分析；反求對象的材料分析；反求對象的加工、裝配工藝分析；反求對象的精度分析；反求對象造型的分析；反求對象的系列化、模塊化分析。反求工程的關(guān)鍵技術(shù)2、反求對象幾何參數(shù)采集

形體幾何參數(shù)采集基本方法模型重構(gòu)技術(shù)模型重構(gòu)：根據(jù)所采集的樣本幾何數(shù)據(jù)