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现代设计方法,宁夏大学机械工程学院朱学军,ModernDesignMethodology,REVIEW,第一章绪论,1.从传统设计到现代设计,人类设计经历的阶段,直觉设计阶段,经验设计阶段,半理论半经验设计阶段,2.现代设计的主要特点,第一章绪论,3.机械产品设计,1）现代机械,Servosystem:akindofautomaticcontrolsystem,whichcanbeusedtocontroldisplacementorangleofamachine.,第一章绪论,3.机械产品设计,第一章绪论,2）设计类型：,开发性设计,适应性设计,变型设计,3）机械产品的设计过程：,五个阶段,第一章绪论,4.价值工程（VE）,第一章绪论,5.并行工程（ConcurrentEngineeringCE）,定义：,1988年，美国国防部防卫分析研究所（IDA）发表R338报告：并行工程（CE）是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品全生命周期（从概念形成到产品报废）中所有的因素，包括质量、成本、进度与用户需求。,注：支持过程包括对制造过程的支持（原材料的获取,中间产品的库存，工艺过程设计，生产计划制定）和使用过程的支持（产品销售，使用维护，售后服务，产品报废后的处理）,5.并行工程（ConcurrentEngineeringCE）,第二章设计方法学,第二章设计方法学,第二章设计方法学,第二章设计方法学,7.典型系统化设计的综合过程,第三章优化设计,1.最优化与优化设计,最优化的概念使问题的解决在一定程度上达到无可争议的完善化。,优化设计以计算机为工具，运用数学规划理论寻求复杂设计问题最佳方案的现代设计方法。,优化设计的主要内容分析对象，建立正确的数学模型；选择适当的优化方法，应用计算机求解。,第三章优化设计,构成模型的三大要素：设计变量：在设计过程中需不断修正、一直处于变化状态的基本参数，直接决定设计质量。约束条件：一个可行设计必须满足的限制条件。按性质分为：性能约束；侧面约束（边界约束）按表达式分为：等式约束；不等式约束目标函数：使设计得以优化的函数，又称评价函数。,2.优化设计的数学模型,第三章优化设计,3.求解优化设计问题的基本方法,4.优化设计的迭代终止准则,第三章优化设计,5.偏导数、方向导数、梯度,偏导数（；）：是目标函数沿某一坐标轴方向函数值的变化率。,方向导数（）：是目标函数在设计空间任意点p处，沿任意方向S的函数值变化率。,梯度（）：是由目标函数一阶偏导数组成的列向量；是等值线上某点处法线方向，也是方向导数取最大值的方向；是目标函数值变化最快的方向。,第三章优化设计,5.偏导数、方向导数、梯度,梯度、方向导数的关系,第三章优化设计,6.无约束求取极值的充要条件,必要条件：,第三章优化设计,7.凸集、凸函数和凸规划,凸集：,第三章优化设计,7.凸集、凸函数和凸规划,函数凸性的判断：,第三章优化设计,7.凸集、凸函数和凸规划,凸规划的任一局部最优解即为全局最优解。,第三章优化设计,8.区间消去法原理：确定搜索区间的外推法,一维搜索方法：试探法（0.618法）、插值法（二次）,第三章优化设计,9.（一阶）梯度法：最速下降法,第三章优化设计,10.共轭梯度法,1）共轭方向的基本性质,2）共轭梯度法的主要特点,第三章优化设计,11.Newton法：对二次型函数一次收敛,算法步骤,第三章优化设计,12.变尺度法：拟Newton法,第三章优化设计,13.复合形法,第三章优化设计,14.罚函数法,第四章可靠性设计,一、相关基础概念,第四章可靠性设计,一、相关基础概念,3.可靠性设计的特点,由设计决定产品固有的可靠度（R的分配、预测）,将设计变量视为随机变量并用分布函数进行描述、计算,以强度大于应力法则来度量可靠性指标,用安全度或失效率定量描述产品的可靠性,第四章可靠性设计,4.失效率：(t),失效率曲线与失效类型（1）早期失效期为递减型。主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、起动不当等人为因素造成。使产品失效率达到偶然失效期的时间t0称为交付使用点。（2）偶然失效期为恒定型。主要由非预期的过载、误操作、偶然因素所造成。偶然失效期是能有效工作的时期，称为有效寿命。（3）耗损失效期，失效率是递增型。是由产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的，故称为耗损失效期。,第四章可靠性设计,第四章可靠性设计,二、常用分布函数：指数分布,当时，产品寿命的密度函数其分布函数F(t)与可靠度R(t)分布为这个分布函数为指数分布，它的数学期望（即：均值）为：,结论：若产品寿命服从指数分布，其平均寿命为失效率的倒数,第四章可靠性设计,三、应力-强度干涉模型,第四章可靠性设计,四、可靠度计算,现考虑整个应力区间内的情况，有强度大于应力的概率（可靠度）为当已知应力和强度的概率密度函数时，根据以上表达式即可求得可靠度。,第四章可靠性设计,四、可靠度计算,结论：零件的安全度由可靠度和平均安全系数综合表征。,第四章可靠性设计,五、系统的可靠性预测,根据串联系统的定义及逻辑框图，其数学模型为：式中Rs(t)系统的可靠度；Ri(t)第i个单元的可靠度。,第四章可靠性设计,若各单元的寿命分布均为指数分布，即式中s系统的故障率；i各单元的故障率。,例：由4个单元串联组成的系统，单元的可靠度分别为：RA=0.9RB=0.8RC=0.7RD=0.6,求系统的可靠度RSRS=0.90.80.70.6=0.3024,第四章可靠性设计,五、系统的可靠性预测,纯并联系统可靠度：RS=1(1Ri)=1(10.9)=10.1=0.9992/3表决系统可靠度为：RS=3R2R=30.9=0.972一般公式：n中取k系统的可靠度可按二项式分布计算R(t)=Pn(i)=CniRiFn-i,第四章可靠性设计,六、故障树分析故障树是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，它用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。“底事件”是导致其故障的原因事件，位于所讨论故障树底端。“结果事件”是由其它事件或事件组合所导致的事件。它总是位于某个逻辑门的输出端。故障树的建立步骤：1）熟悉并分析对象；2）选定顶事件；3）故障树的构造与简化；4）计算分析；5）评价改进。,第四章可靠性设计,六、故障树的定性分析,目的寻找顶事件的原因事件及原因事件的组合（最小割集）发现潜在的故障发现设计的薄弱环节，以便改进设计指导故障诊断，改进使用和维修方案割集、最小割集概念割集：故障树中一些底事件的集合，当这些底事件同时发生时，顶事件必然发生；最小割集：若将割集中所含的底事件任意去掉一个就不再成为割集。,第四章可靠性设计,第五章有限元法,一、有限元法的应用：工程领域,二、FEM的基本步骤,三、总刚度矩阵的特性,3.奇异性：计入边界条件前，K为奇异矩阵。,1.对称性：,4.对角线元素Kij为正。,第五章有限元法,四.前置处理前置处理是在用有限元法进行结构分析之前，按所使用的单元类型对结构进行剖分；根据要求对结点进行顺序编号；输入单元特性及结点坐标；生成网格图象并显示。,五后置处理（1）数据输出：将结点位移、单元应力按用户的要求输出规格化的数据文件。,（2）图形显示：包括有限元网格图、结构变形图、等值线图以及振型图等。,第五章有限元法,第六章机械动态设计,一、机理建模（有限元法）,第六章机械动态设计,4.边界条件处理：消除刚度矩阵的奇异性,第六章机械动态设计,脉冲激励测验（锤击试验）,Frequency,Distance,Amplitude,Beam,方法:Responsemeasuredatonepoint（在一点测试响应）Excitationofthestructureatanumberofpoints（用带传感器的锤头在不同的点激励）,确定结构的模态,计算激励点和测点的频响函数,Acceleration,第七章计算机辅助设计,1.CAD的特点,第七章计算机辅助设计,2.CAD的发展趋势,参数化智能化三维化集成化网络化标准化,硬件大型主机智能终端小型机（TurnKeySystem）工作站微机网络化软件线框系统曲线曲面造型实体造型技术参数化特征造型变量化创新协同设计模块化，专业分工PLM：产品生命周期管理,第七章计算机辅助设计,3.软件组成,满足需要模块化易用性开放性二次开发能力文件接口丰富常用外设支持公司背景技术支持,第七章计算机辅助设计,4.数据结构（Database内数据的组织方式）,1）层次型描述零部件各参数之间的耦合关系；树型组织结构；一对多。2）网络型多对多；层次型数据结构是网络型的特例。3）关系型用集合论中的n维数组表示数据存储方式：顺序存储、链式存储。,第七章计算机辅助设计,5.数据库与工程数据库系统,1）Database系统的特点数据共享；数据存储结构化；数据的独立性；数据保护。2）DBMS是DBS的核心，是用户与数据库之间的接口。帮助用户建立、使用和维护数据库；实现对数据库的安全性、完整性、并发性控制。,第七章计算机辅助设计,5.数据库与工程数据库系统,3）工程数据库系统工程数据分析管理型数据：数据间关系分明、数据相对稳定、语义一致；设计型数据：数据呈动态；语义不完全一致；图形数据：动态数据；设计过程中急剧增加；各类软件包：数据具有独立性，必要时可以被激活。EDBMS的特点数据类型的多样性；数据模型的复杂性；数据的动态性；交互式操作方式（OOP）,第七章计算机辅助设计,6.图形处理基础,图形输出的基础：屏幕显示、硬拷贝基本图素：矢量图素、像素图素坐标系统：世界坐标系、设备坐标系、NDC窗口：用户坐标系中定义的确定显示内容的区域视区：设备坐标系中定义的矩形区域，输出窗口图形二维图形的裁剪：逐点比较法、双边裁剪法,第七章计算机辅助设计,7.二维齐次变换矩阵,第八章人工神经元计算,ANN是由神经元广泛互连构成的常用的有以下几种：前向网络：前向网络又称为前馈网络。神经元分层排列，分别组成输入层、中间层和输出层。每一层神经元只接收来自前一层神经元的输入。输入信息经各层变换后，最终在输出层输出。,1.ANN分类,第八章人工神经元计算,第八章人工神经元计算,第八章人工神经元计算,6.BP网络建模特点非线性映照能力：神经网络能以任意精度逼近任何非线性连续函数。在建模过程中的许多问题正是具有高度的非线性。并行分布处理方式：在神经网络中信息是分布储存和并行处理的，这使它具有很强的容错性和很快的处理速度。自学习和自适应能力：神经网络在训练时，能从输入、输出的数据中提取出规律性的知识，记忆于网络的权值中，并具有泛化能力数据融合的能力：神经网络可以同时处理定量信息和定性信息，因此它可以利用传统的数值运算和人工智能技术（符号处理）。多变量系统：神经网络的输入和输出变量的数目是任意的，不必考虑各子系统间的解耦问题。,第九章遗传算法,（1）参数搜索转化为编码搜索；（2）多点并行寻优，全局搜索；（3）通过目标函数计算适配值，无需其他辅助信息；（4）概率确定寻优规则，高效启发式搜索；（5）适用于大规模、非线性复杂规划的求解。,1.遗传算法的主要特点,第九章遗传算法,2.SGA,基本遗传算法（SimpleGeneticAlgorithms，简称SGA，又称简单遗传算法或标准遗传算法），由Goldberg总结、是其它遗传算法的雏形和基础。,（1）编码（产生初始种群）（2）适应度函数（3）遗传算子（选择、交叉、变异）（4）运行参数,第十章智能工程,1.智能工程的原则,开放性透明性继承性集成性,第十章智能工程,2.IE、AI、ES的区别与联系,IE：应用向导的工程学科面向实际问题求解；知识的操作、控制，接口与协调管理功能至关重要。,AI：理论研究导向智能活动过程的机理；仿人、仿生；模型、算法；收敛速度、精度。,ES