先進制造技術第2章現代設計技術2.1現代設計方法概述2.2優化設計2.3計算機輔助設計技術2.4逆向工程2.5可靠性設計2.6綠色設計2.1.1現代設計特征與內涵2.1.2現代設計的體系結構2.1現代設計方法概述2.1.1現代設計技術內涵

現代設計就是以滿足應市產品的質量、性能、時間、成本/價格綜合效益最優為目的，以計算機輔助設計技術為主體，以知識為依托，以多種科學方法及技術為手段，研究，改進，創造產品活動過程所用到的技術群體的總稱。1.設計方法現代化2.設計手段計算機化3.現代設計技術是多種設計技術、理論與方法的交叉與綜合4.向全壽命周期設計發展5.現代設計技術實現了設計過程的并行化、智能化6.由單純考慮技術因素轉向綜合考慮技術、經濟和社會因素，注意考慮市場、價格、安全、美學、資源、環境等方面的影響7.管理水平的提高8組織模式的開放1.主要技術特征2.1.2現代設計的體系結構2.2.1優化設計流程與建模2.2.2優化計算方法2.2.3優化設計方法典型實例2.2優化設計2.2優化設計優化設計（OptimalDesign）是20世紀60年代隨著計算機的廣泛使用而迅速發展起來的一種現代設計方法，它是最優化技術和計算機技術在計算領域中應用的結果。優化設計能為工程及產品設計提供一種重要的科學設計方法，使得在解決復雜設計問題時，能從眾多的設計方案中尋得盡可能完善的或最適宜的設計方案，因而采用這種設計方法能大大提高設計質量和設計效率。2.2.1優化設計流程與建模2.2.1優化計算方法優化計算方法算法名稱原理與優缺點一維優化算法黃金分割法(0.618法)區間消減法原理簡單、有效、成熟的一維直接搜索方法，應用廣泛二次插值算法函數逼近二次插值法不需要導數三次插值算法函數逼近需要導數無約束優化方法坐標輪換法(降維法)-直接法它將一個多維無約束優化問題轉化為一系列一維優化問題來求解，即依次沿著坐標軸的方向進行一維搜索，求得極小點計算穩定，可靠性好，變成容易，收斂速度較慢，不用導數牛頓法此法為梯度法的進一步發展，它的搜索方向是根據目標函數的負梯度和二階偏導數矩陣來構造的使用導數，利用多元函數的極值原理，尋求合理搜索方向，迭代次數較少；當用差分法求近似導數值時，存在誤差干擾，計算的可靠性和穩定性較差約束優化方法遺傳算法模擬生物在自然環境中的遺傳和進化過程而形成的一種自適應全局優化概率搜索算法

懲罰函數法(間接解法)是將一個約束的優化問題轉化為一系列的無約束優化問題來求解構造無約束極值子問題的解法，方法比較簡單，計算效率較低復合形法(直接解法)是求解約束優化問題的一種重要的直接解法，在可行域構造初始復合形，對該復合形各頂點的目標函數值進行比較，構成新復合形，逼近最優點方法直觀易懂，計算效率較低

多目標優化方法主要目標法假設按照設計準則建立了多個分目標函數，根據這些準則的重要程度，構成一個新的單目標優化問題單目標問題的最優解作為所求多目標問題的相對最優解；目標函數較多時，計算量大，確定有效解復雜統一目標法將各個分目標函數按照某種關系建立一個統一的目標函數，包括目標規劃、乘數法、加權線性組合法等通過單目標函數的最優解確定有效解集1）單級直齒圓柱齒輪傳動減速器的優化設計

假設單級直齒圓柱齒輪減速器的傳動比i=5，輸入扭矩T1=2674Nm，在保證承載能力的條件下，要求確定該減速器的結構參數，使減速器的自重最輕。大齒輪選用四孔輻板式結構，小齒輪選用實心輪結構，其結構尺寸如圖2.3所示，圖中△1=280mm，△2=320mm。2.2.3優化設計方法典型實例(a)傳動圖

(b)小齒輪

(c)大齒輪步驟1：數學模型的建立

由上可得，減速器的齒輪與軸的體積之和為步驟2：設計變量的確定

步驟3：目標函數的建立

步驟4：約束條件的確定

傳遞動力的齒輪，要求齒輪模數一般應大于2mm，故得步驟5：優化問題的數學模型

綜上所述，可得該優化問題的數學模型為2.3計算機輔助設計技術2.3.1計算機輔助設計的系統組成與技術優勢2.3.2計算機輔助設計技術的關鍵技術2.3.3計算機輔助設計與其他技術集成2.3.4計算機輔助設計的發展趨勢2.3.5計算機輔助設計的工程舉例2.3.1計算機輔助設計內涵與發展機械產品CAD技術可以在面向機械產品的整個設計過程中，將設計經驗、知識形式化、數字化并以顯示的方式保存下來并且采用符合設計思維的知識模型和知識處理技術以延伸、啟發和提高設計者的設計能力。計算機輔助設計優勢具體體現優勢具體實現提升機械設計制造效率將計算機輔助技術運用到機械設計制造過程中,能很好的互補了以往機械設計制造相應的缺點，實現對于設計、制造以及計算等三者的改善優化機械設計制造工藝實現對機械特定性質與運作條件進行充分的衡量，采取行業產品對應的專業化軟件對產品設計及制造流程進行優化，進而達到彌補其存在問題的效果，促進了機械設計能夠快速并且高效率實現提升機械設計制造質量能夠大幅度的增加機械設計制造效能和品質,保障了制造的機械產品具有優質的特性2.3.2計算機輔助設計技術的關鍵技術1.參數化與變量化設計

所謂參數化設計，就是在工程設計中，用可變參數而不是固定尺寸表達零件形狀或部件裝配關系，可以完成零件的形狀或裝配關系的修改。2.

特征分析與建模技術

(1)特征分類；(2)特征描述；(3)特征建模參數化設計原理圖

特征分類圖特征建模分類分類具體描述交互式特征定義(InteractiveFeatureDifinition)

首先利用現有的幾何造型系統建立產品的幾何模型；用戶直接通過圖形來提取定義特征的幾何要素；將特征參數或精度、技術要求、材料熱處理等信息作為屬性添加到幾何模型中，建立產品的數據結構特征識別(FeatureRecognition)

建立幾何模型后，通過專門的程序，利用實體建模信息，自動處理幾何數據庫，搜索并提取特征信息從而產生特征模型；基于特征的設計(DesignbyFeature)

利用預定義的標準特征或用戶自定義的特征存儲到特征庫；以它為基本建模單元建立特征模型從而完成產品設計；此方法使用范圍廣，數據易于共享，應用范圍大；2.3.3計算機輔助設計與其他技術集成1.CAD設計結果建立了所設計對象的基本三維數字化模型。

2.為了使產品生產的后續環節也能有效地利用CAD設計結果，充分利用已有的信息資源，提高綜合生產效率，須3.將CAD技術與其他CAX技術（X指產品設計、工藝設計、數控編程、工裝設計等）、優化設計、有限元分析、模擬仿真、虛擬設計、工程數據庫等）進行有效的集成，包括CAD/CAM技術的集成、CAD與CIMS等其他功能系統的集成。序號其他CAX技術要點1CAD/CAE1)CAD用于幾何建模，而CAE技術用于性能分析；進行三維建模和裝配，利用計算機有限元方法進行設計計算，并進行后續的運動仿真和模擬計算以及虛擬樣機制造與虛擬裝配設計，可以在設計階段通過極小的代價和時間，進行產品的優化和改進設計；2)各種商業化CAD軟件（Pro/E、UG、Solidworks、Catia等）與CAE軟件（ANSYS、Nastran、Fluent和ABAQUS等）己經在機械行業中得到廣泛應用；3)利用數據交換接口將CAD幾何模型輸入CAE系統（如ANSYS、NASTRON等）、對模型進行必要的數據修復、對模型中局部細小特征進行簡化、定義載前與添加邊界約束條件、進行單元網格剖分等前處理過程；方程求解及可視化后處理；2CAD/CAM1)曲面建模技術、曲面與實體集成技術、實體建模技術、大型組件設計技術等；2)PDM與CAD/CAPP的技術集成技術：當前和今后一個時期，主要集中在封裝、接口和集成技術；3）數字化設計與虛擬制造的無縫連接：基于CAD技術和以計算機支持的仿真技術，形成虛擬環境，虛擬制造過程、虛擬產品、虛擬企業，大大縮短產品開發周期，提高一次成功率；4)數字化設計的網絡化3CAD/CAPP1）產品設計、工藝規劃、加工制造和管理的整個過程，各過程之間的關聯性要求越來越高，因此對系統集成化程度的要求也越高；2)加工工藝設計系統；3)可視化裝配工藝設計系統:提供可視化的裝配工藝設計工具，解決設計與裝配對象在研發過程中難以；4)基于PDM平臺的工藝設計系統4CAFD計算機輔助夾具設計(CAFixtureDesign-CAFD)包含的4個研究方面(安裝規劃，裝夾規劃，夾具構形設計，夾具性能評價)；基于人工智能包括知識和專家系統的應用，算法，推理及功能分析方法等的應用)的計算機輔助夾具設計研究

CAD與其他技術集成應用舉例1汽車產品的數字化開發建立在CAD技術的基礎之上，CAD技術的發展使三維設計和虛擬裝配成為現實；逆向工程技術(RE)極大地縮短了從造型到產品的轉換周期；CAE技術使結構分析和運動校核可以在設計階段完成，避免了反復試驗和試制；CAM技術使設計數據直接用于加工，大大縮短了產品的制造周期。這些技術的廣泛采用使汽車產品開發發生了根本性的變革，使汽車產品也可以按照不斷變化的客戶需求進行及時響應，開發一個全新車型的周期已經從4～5年縮短到18個月左右。數字樣車(DMU)安全測試應用舉例2電動汽車創新先行者蔚來汽車選擇了3DEXPERIENCE平臺及其提供的電動交通運輸加速器行業解決方案，作為其企業級研發（R&D）工作的基礎平臺；工程師能夠在任何時間、任何地點快速訪問完整的車輛數據，并驗證車輛的數字工程樣機，僅靠一個系統就能完成所有工作；通過中國、美國和歐洲的地區團隊之間的協作，以更快的速度設計和推出新車型；通過3DEXPERIENCE系統，能夠在3D環境下直觀地開展設計和審核工作，可以采用直接、簡單、快速的方式與其他團隊進行協作；從概念設計到ES8的推出，蔚來汽車僅用了三年時間；三維環境下快速定位、優化設計方案整車級的空間瀏覽、刨切、測量及DMU2.4.1逆向工程概念2.4.2逆向工程研究內容2.4.3逆向工程工作流程與關鍵技術2.4.4逆向工程應用舉例2.4逆向工程2.4.1逆向工程概念逆向工程是以產品設計方法學為指導，以現代設計理論、方法和技術為基礎，運用各種領域工程技術人員的設計經驗、知識和創新思維，通過對已有產品進行測量和重構模型，在探索和熟悉設計圖紙的基礎上，運用產品設計的關鍵技術，實現對產品的修復和再設計，達到設計創新、產品更新及產品開發的目的。正向工程逆向工程2.4.2逆向工程研究內容逆向工程應考慮零部件和產品的數量、大小、復雜性、材料、表面處理、幾何形狀等方面的要求。逆向工程的一般過程分三個階段，分別是零部件和產品數據采集、點處理和模型開發。數據采集-接觸式掃描、非接觸式掃描；數據處理與模型重建；模型開發；數據采集方式接觸式掃描是采用帶有接觸探針的掃描設備自動跟蹤零部件和產品表面的輪廓，見圖2.15。目前的市場上，接觸探針掃描設備基于三坐標測量機技術，其公差范圍為+0.01～0.02mm；非接觸式掃描是在不接觸零部件和產品表面的情況下采集數據，見圖2.16。非接觸式設備通過激光、光學和電荷耦合器件(CCD)傳感器來采集零部件和產品表面點數據。非接觸式掃描設備可在較短的時間內獲取大量點數據，其公差可以控制在±0.025～0.2mm以內接觸式掃描非接觸式掃描2.4.3逆向工程的工作流程與關鍵技術1.逆向工程對象的分析(1)逆向工程對象的功能原理分析；(2)逆向工程對象的材料分析；

(3)逆向工程對象的加工裝配工藝分析；(4)逆向工程對象的精度分析(5)逆向工程對象的造型分析

(6)逆向工程對象的系列化和模塊化分析2.逆向工程數據處理技術(1)點云簡化；(2)點云分離；(3)點云的補缺；(4)點云的多視圖對齊3.模型曲面構建技術(1)特征曲線構建；(2)輪廓描摹構建；(3)結構線提煉法構建；4.曲面光順技術(1)平均值過濾法；(2)中間值過濾法；(3)高斯過濾法；應用舉例1.首先采用非接觸激光掃描儀等數據采集設備對零件樣本模型進行表面幾何參數采集，獲取零件表面點云數據；2.對采集的點云數據進行預處理，包括噪聲清除、缺陷修補、坐標校正、數據拼合等；3.構建曲面型面，包括截面剖分、截面數據點獲取、截面曲線擬合、構建曲面型面、曲面型面平滑光順、構建型面邊界曲線等；4.建立零件三維實體模型，包括曲面型面及其他表面；5.將三維實體模型轉換為STL格式文件，供給快速原型機加工，得到零件實體模型，以供模具開發等其他應用2.5.1可靠性的定義2.5.2可靠性設計主要內容2.5.3系統的可靠性設計2.5.4可靠性設計在機械工程的應用2.5可靠性設計2.5.1可靠性的定義1.可靠性定義

在“可靠性維修性保障性術語”中對可靠性進行了定義：“產品在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的能力”。

產品的可靠性，是與規定的條件有關的。

規定的條件是指產品所處的環境條件、負荷條件及工作方式等。環境條件包括氣候環境（溫度、濕度、氣壓、輻射、霉菌、霧、風、沙、工業氣體等）和機械環境（沖擊、碰撞、振動、離心、、跌落、搖擺、引線疲勞、變頻振動等)。

負荷條件包括所加電壓、電流的大小和它所處的電場條件等。工作方式可分為連續工作和間斷工作等。2.可靠性分類(1)基本可靠性和任務可靠性；(2)固有可靠性與使用可靠性；(3)工作可靠性與不工作可靠性；(4)軟件可靠性；(5)儲存可靠性；2.5.2可靠性的研究內容1.系統可靠性指標2.系統可靠性模型3.系統可靠性預測4.系統可靠性分配5.系統可靠性設計6.系統故障模式影響及危害性分析7.系統故障樹分析8.人機系統可靠性1）系統可靠性指標：根據系統的區別，選取適合系統的可靠性指標。2）系統可靠性模型：用統計分析的方法使故障(失效)機理模型化，

建立計算用的可靠度模型或故障模型。3）系統可靠性預測：在設計開始時，通過合適手段所獲得的數據得

出比較確切的可靠性指標，并加以驗證。4）系統可靠性分配：可采用優化設計方法將系統可靠性指標值分配

給各個零部件，以求得到最大經濟效益下的各零部件可靠性指標

值的最合理匹配。5）系統可靠性設計：必須通過各種具體的可靠性設計有效地消除隱

患和薄弱環節，提高系統和設備的可靠性。6）系統故障模式影響及危害性分析：通過對各個零件的分析，找出

系統中潛在的薄弱環節和關鍵的零部件，采取必要的措施，以避

免不必要的損失和傷亡。7）系統故障樹分析：以故障事件作為頂事件，找到發生故障的所有

直接因素和原因，逐級排查，找到最原始的直接因素。8）人機系統可靠性：研究人與機器的功能分配，盡量防止產生人的

不安全行為和機器的不安全狀態，做到安全生產?？煽啃栽O計常用指標：（1）可靠度：產品在規定條件下和規定時間內完成規定功能的概率稱為可靠度。假定規定時間為??，產品壽命為??，如果某產品壽命??比規定時間??長(??>??)，則稱此產品在規定時間??內能夠實現規定功能?？煽慷群瘮礡(t)

在一批產品中，各個產品壽命有可能??>??，也可能??≤??，這是一個隨機事件，產品可靠性的定義可近似用下式表示：

??(??)=??(??>??)(2)失效率：是指工作到某時刻尚未失效的產品，在該時刻后單位時間內發生失效的概率。

(3)平均壽命：對于不可修復的產品和可修復的產品的含義是不同的。

失效前平均工作時間:對于不可修復產品來說，平均壽命是指產品從開始工作到發生失效前的平均工作時間，稱為失效前平均工作時間，記為MTTF(MeanTimeToFailure)。

平均無故障工作時間:對于可修復產品來說，平均壽命是指兩次故障之間的平均工作時間，稱為平均無故障工作時間，記為MTBF(MeanTimeBe-tweenFailure)。將MTTF和MTBF統稱為平均壽命，記??。其計算公式為

系統的可靠性設計系統的可靠度：機械系統的可靠度取決于機械零部件本身的可靠

度和機械零部件組合成系統的組合方式；系統可靠性預測：根據系統、部件、零件的功能、工作環境及有

關資料，推測該系統將具有的可靠度；系統可靠性分配：將工程設計規定的系統可靠度指標合理地分配

給系統的各個單元，確定系統各組成單元的可靠性定量要求，使

整個系統可靠性指標得到保證。

（系統中占有重要位置的單元，應優先保證其可靠度）；系統可靠性最優化：在滿足系統最低限度可靠性要求的同時使系

統的“費用”最小；1)花費最少的最優化分配方法：即盡可能地提高可靠度，又要使

其花費最少。2)拉格朗日乘子法：將約束最優化問題轉化為無約束最優化問題

的求優方法。3)動態規劃法：將多個變量的決策問題分解為只包含一個變量的

一系列子問題，通過解這一系列子問題而求得最優解。2.5.4可靠性設計在機械工程中的應用1.產品設計了解整個生產過程分析產品的可靠性分配組件性能繪制設計指標2.產品制造（1）產品制造需要充分考慮機械產品的制造連接；（2）產品制造需要選擇相對較高的技術水平并提高技術指標；（3）產品制造需要考慮到材料和設備的加工；（4）產品制造需要對產品進行全面分析。3.使用和維護階段（1）維護可以有效地延長設備的使用壽命，顯著增加資源使用效能；（2）依據自己的考慮因素和邏輯從實際情況出發，以確定要維修的產品

的位置和特定的維修方法。4.設計結合了傳統的設計方法和可靠性（1）不建議將可靠性概率設計用于簡單零件；（2）使用概率設計方法改進安全系數方法，使用各種復雜的設計方法進行產品設計計算；（3）將理論計算值與實際測試結果進行比較，總結相關的設計經驗以供未來參考。2.6.1綠色設計的概念與內涵2.6.2綠色設計的設計原則及其主要內容2.6.3綠色設計的工程舉例2.6綠色設計2.6.1

綠色設計的概念和內涵綠色設計最初是出自于“綠色思潮”，《生存之路》中有句話：人類應該通過面對環境資源，從而調整自己的生存方式，讓人類去適應環境，而不是環境適應人。人們希望可以借助于設計來改善人、環境、社會之間的關系，從而達到三者之間可持續發展的目的。在這個時期以前，人類的生活方式受益于工業設計，但卻加重了能源方面的消耗，破壞了地球生態系統的平衡；綠色設計指的是在設計過程中，環境因素被視為設計目標或者機會而不是約束，要點是結合環境問題的同時，使產品性能、使用壽命、功能等損失最小，兩個基本目標是廢物的防止和材料管理；在產品從設計到報廢的整個生命周期內，著重考慮產品各個環節的循環利用以及維護性，并將其作為設計目標，在滿足環境目標要求的同時，又不能有損產品的功能、質量、使用壽命。1）綠色產品定義

--可以拆卸、分解的產品；

--原材料使用合理化，并能處理回收的產品；

--從生產、使用、回收過程對生態環境無害或危害小的產品；

--可翻新和重新利用的產品；綜合定義：在產品全生命周期內，節約資源和能源，對生態環境無危害或少危害，對生產者及使用者具有良好保護性的產品。2）綠色設計定義

--綠色設計是由綠色產品引申的一種設計技術；

--綠色設計是使產品及其制造過程對環境負面影響最小，各項指標符合綠色環保要求。

--綠色設計為低消耗、可回收、再利用、可降解。綠色產品及綠色設計定義傳統設計綠色設計設計目的為市場需求而設計為市場需求和環境而設計，滿足可持續發展要求設計依據以用戶對產品提出的功能、性能、質量、成本要求為設計依據以環境效率、生態環境指標以及產