现代机械制造工程(第二章)

第二章现代设计技术2新产品开发的重要意义产品是企业的生命线产品满足消费者的需求，是社会繁荣的标志产品是社会制造技术水平的体现产品也是技术发展的推动力新产品采用新技术原理、新设计构思研制生产的全新型产品，或应用新技术原理、新设计构思，在结构、材质、工艺等任一方面比老产品有重大改进，显著提高了产品性能或扩大了使用功能的改进型产品。据有关资料统计，产品设计成本约占产品成本的10％，但却决定了产品制造成本的70%~80%，在产品质量事故中，约有50%是由于不良设计所造成的。比如飞机水平尾翼的控制螺杆长期磨损失效导致的飞行事故。3新产品开发过程源于市场，归于市场新产品开发过程涉及企业内部众多部门，不仅受到企业内部各种因素的影响，同时还要受到企业外部各种条件的制约。这些内部因素包括：企业本身的人员素质、管理水平、技术水平、经济实力等。外部条件包括：相关技术的现实发展水平，当时当地所能提供的技术手段(材料、元件、设备等)，以及国家的有关政策、法律等。因此，新产品开发是一个技术科学、管理科学、人文科学的综合作用过程。立邦漆，中国盘龙柱事件“光脚岛”卖鞋4立邦公司广告宣传事件5现代设计技术概述设计是人类高级而复杂的创造性思维活动，它是运用已有的知识和技术解决问题或创造出新事物以满足社会需要的一种技术活动，是创造人为事物的科学。现代设计技术是根据产品功能要求和市场竞争(时间、质量、价格等)的需要，应用现代技术和科学知识，经过设计人员创造性思维、规划和决策，制定可以用于制造的方案，并使方案付诸实施的技术。涉及范围相关支撑科学技术•系统工程技术•虚拟现实技术•人工智能技术•多媒体技术•数据标准与接口技术•数据库技术•人机工程学•设计方法学•决策支持系统•计算机网络技术6传统设计技术的继承和发展，多专业和多学科交叉，综合性技术。现代设计技术静态、经验、被动、手工传统设计技术7主体技术基础技术支撑技术应用技术传统设计理论与方法各产品领域知识与技术计算机辅助设计技术现代设计方法学可信性设计技术设计试验技术相关学科与技术先进制造工艺材料科学自动化技术系统管理技术自然科学政治经济文化社会科学市场营销学……….现代设计技术体系结构8现代设计技术体系结构基础技术传统的设计理论与方法，特别是运动学、静力学与动力学、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法。是现代设计技术的坚实的理论基础，是现代设计技术发展的源泉。主体技术—CAD支撑技术现代设计方法学•平行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配制、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象的设计（DFX），工业造型设计等。可信性设计•主要包括：可靠性设计，安全性设计、防断裂设计、疲劳设计、防腐蚀件设计、减摩和耐磨损设计、动态分析与设计、健壮设计、耐环境设计、维修性设计和维修保障设计、人机工程设计等。设计试验技术•产品性能试验、可靠性试验、环保性能试验与控制、数字仿真试验和虚拟试验应用技术针对实用目的解决各类具体产品设计领域的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械的现代设计内容，可以看作是现代设计技术派生出来的丰富多采的具体技术群，促进了产品质量与性能的提高。9…方法维产品规划方案设计技术设计施工设计分析综合评价决策时间维逻辑维可靠性设计优化设计模块化设计现代设计技术的三维特点10产品规划--需求分析、市场预测、可行性分析、总体参数、制约条件和设计要求；方案设计--功能原理设计，确定原理方案；技术设计--将产品的功能原理具体化为机器产品及其零部件的具体结构；施工设计--指工程图绘制，工艺文件编写，说明书编写等。现代设计技术的时间维11分析--明确设计任务本质；综合--综合各种因素，探求解决方案；评价--对多种方案进行比较和评定，方案调整和改进；决策--确定最佳的设计方案现代设计技术的逻辑维12现代设计技术发展趋势与未来核心因素•质量、时间、成本（T,Q,C）1314现代设计技术发展趋势与未来设计过程数字化(CAD)并行设计•集成地、平行地处理产品设计制造及其相关过程的系统方法。•特征：信息资源共享，即时交互、协同。协同设计•不同的设计人员之间，不同的设计组织之间，不同部门的工作人员之间，均可实现资源共享，实时交互，协同参与，合作设计。以提高设计效率，避免不必要的重复性工作。面向环境与生态的绿色设计•绿色材料•绿色能源•绿色设计（可回收）•绿色制造综合智能优化设计•基于知识的人工智能建模和寻优•引入新的数学方法和理论•依托多媒体虚拟现实技术建立人机一体化智能综合优化技术体系15CAD技术简介新产品设计要求概念设计产品模型描述分析计算和仿真设计结果满意否？详细设计工程数据库产品数据模型图纸及有关文件CAPP、CAD图形终端及交互设备人机交互市场预测YNCAD技术流程图1需求分析2问题定义3综合设计4分析、优化5评价6表示7几何造型8工程分析1需求分析2问题定义3综合设计4分析、优化5评价6表示9产生设计结果并评价10自动绘图CAD系统的组成实时输入输出装置图形显示终端图形输入设备主机外存•数据库•程序库•图形库输入设备数字终端数字终端数字终端外围设备硬拷贝装置打印机硬拷贝装置磁带机磁带机纸带穿孔机绘图机数控机床CAM20外存储器磁带磁盘优盘计算机（主机）通讯接口输入设备键盘、数字化仪、光笔、鼠标器图形显示器设备字符终端图形显示器输出设备打印机自动绘图机21•零件造型、产品装配•产品渲染、动态显示、运动仿真•工程分析，如有限元分析、优化设计、可靠性设计•绘制工程图样、编制物料清单（BOM)计算机辅助设计的基本概念CAD技术主要功能22•计算机的支持和参与利用计算机信息存储、逻辑推理、长时间重复工作、快速精确的计算等能力和特长，提高产品设计效率和质量；•设计者的主导作用计算机不可能完全取代人进行设计作业；•主要辅助完成技术设计不可能也没有必要涉及产品设计的所有环节。CAD技术特征•20世纪50年代－CAD技术的萌芽期1950：图形显示设备；1958：滚筒式绘图仪、平板绘图仪•20世纪60年代－CAD技术的成长期SketchPAD图形系统；CADAM、GRAPHIC1软件系统；60年代末美国安装的CAD工作站已达200多台套•20世纪70年代－CAD技术的发展期线框模型、曲面模型成熟；各种CAD功能模块基本形成•20世纪80年代－CAD技术的普及期PC微机、工作站CAD系统得到广泛使用；实体建模成熟；1988年美国CAD系统达63000套•20世纪90年代－CAD技术集成化期计算机辅助设计技术的发展24线框模型：以顶点和棱边描述三维形体，为两表结构；表面模型：以表面描述形体方法，为三表结构；实体建模：能完整表示三维的几何信息和拓扑信息，有扫描表示法、边界表示法、构造实体几何法等结构形式；特征造型：以具有工程语义的各类特征来定义描述形体的方法，便于CAD/CAM技术的集成。计算机辅助设计的关键技术产品的造型建模技术25单一数据库：与设计相关数据来自同一数据库，实现产品相关性设计，提高设计质量，缩短开发周期。相关性设计：任何设计改动，都将及时反映到其它相关环节上。如：零件图-产品装配图-零件数控程序-二维工程图；左视图-主视图-俯视图-三维实体模型；单一数据库与相关性设计NURBS（Non-UnifromRationalB-Splines）可统一自由曲线/曲面和规则曲线/曲面的数学模型，简化系统结构，有利于曲线、曲面操作和修改。NURBS曲面造型技术26CAD与CAX集成涉及建模技术、工程数据管理、数据交换接口等技术。包括如下集成：①CAD/CAE/CAPP/CAM--工程设计领域集成；②CAD/ERP--与管理系统集成；③异地、异构系统企业间CAD集成，如全球化设计、虚拟设计、虚拟制造及虚拟企业等。CAD与CAX集成技术目的：支持异构、跨平台的工作环境。如：IGES（InitialGraghicalExchangeSystem)原始图形交换标准；STEP(StandardfortheExchangeofProductModelData)产品数据模型交换标准。标准化技术27•计算机辅助产品的概念设计难题：建模和推理•计算机支持的协同设计难题：信息实时可靠交换；异构环境下可靠运行；通讯方法与手段•海量信息处理存储、管理和检索技术•智能CAD技术：将人工智能技术与CAD技术融为一体，难题：解决人类思维模型建立和表达•CAD与虚拟现实（VR）技术的集成VR向设计者提供视觉、听觉、触觉等直观、自然、实时的感知，目前VR所需软硬件价格昂贵，技术开发难度大•计算机安全技术保密，防病毒感染计算机辅助设计的研究热点28优良性能设计基础技术可靠性设计系统动态设计摩擦学设计优化设计29可靠性设计二次大战美国空军由于故障而损失飞机达21000架，比被击落的飞机多1.5倍。可靠性是由美国航空部门提出，到了20世纪50年代电子产品平均使用失效率达到了1×10－10-1×10－12（1/h）水平。60年代末建立了以强度－应力为基础的机械产品可靠性模型。目前，机械产品的可靠性设计已趋成熟。大飞机安全吗？国产大飞机安全性能如何？经测算，人在各种最精密的仪器间工作出错的概率是10的-6次方，也就是每百万飞行小时会有一次人为失误，由于这个人为的失误，会酿成飞机的故障甚至灾难。C919副总设计师黎先平介绍，在飞机制造环节，中国商飞的要求比这个数更苛刻。在关键的核心技术上，商飞要求防出错概率达到10的-9次方，最高的地方，也就是有可能造成机毁人亡的重大项目是10的-11次方，达到每千亿个小时的保障。3031理论基础——概率统计学可靠性的概念产品在规定条件下和规定时间区间内，完成规定功能的能力,当用数值来表示时，就称为可靠度。可靠性设计就是在满足产品功能、成本等要求的前提下，使产品可靠地运行的设计过程。它包括确定产品的可靠度、失效率、平均无故障的工作时间(平均寿命)系统的可靠性设计建立可靠性模型•串联、并联、混联、备用冗余系统可靠度预测可靠度分配32可靠性设计的主要内容故障机理和故障模型研究研究产品元件材料老化失效机理，掌握老化规律，揭示影响老化因素，建立失效机理模型。可靠性试验技术研究试验是取得可靠性数据主要来源，发现产品设计和研制阶段的问题，恰当的试验方法有利于保证和提高产品的可靠性，能够节省人力和费用。可靠性水平的确定制定相关产品的可靠性水平等级，为产品的可靠性设计提供依据。33•产品的工作能力产品完成规定功能所处的状态；•可靠度产品在规定条件下和规定时间区间内，完成规定功能的能力,当用数值来表示时，就称为可靠度R(t)，可靠度愈大，工作愈可靠，0≤R(t)≤1；•失效率表示产品工作到某一时刻后，在单位时间内发生故障的概率λ(t)，失效率愈低，产品愈可靠。•平均寿命不可修复产品--发生失效前的工作时间（MTTF）可修复产品--相邻两故障间工作时间（MTBF）•可靠度的许用值灾难性的：R（t）→1经济性的：损失重大时：R（t）0.99损失不大时，R（t）0.90无后果：R（t）0.90可靠性设计的常用指标34典型的失效率曲线350g(y)f(x)x，y强度f(x)应力g(y)h(z)μZz00zRPFz0•设零件所受应力为Y，零件强度为X，须满足：Z＝X-Y≥0•概率密度分布曲线如图示，其干涉区即为零件可能失效区域，干涉区越小，可靠性越高。•应力强度可以从广义上理解，即外部条件和内在基础都存在着分布关系。可靠度R=P(X-Y≥0)机械零件可靠性设计3612n-1nininnSRRRRRR1121N个元件组成的串联系统的可靠度RS：串联系统：只要一个元件失效，系统就不能完成规定功能例:若R1=0.99,R2=0.90,R3=0.85,则：RS=R1*R2*R3=0.99*0.90*0.85=0.757串联系统的可靠度比系统中最不可靠的元件可靠度还低系统的可靠度计算3712┋n)1(1