机械现代设计方法

3.6机械现代设计方法考核知识点了解并行设计、绿色设汁、和基于TRIZ理论的创新设计的基本概念、适用场合，及其设计的基本思路。熟悉机械优化设计、可靠性设计、有限元分析方法的基本概念、应用领域和设计原则。传统设计方法vs现代设计方法传统设计方法

以生产经验为基础，以力学和数学公式、图表、手册等为依据，着眼于产品的功能和技术规范，按照产品的设计经验总结出有关的设计理论、步骤、方法进行设计。特点：

(1)用人工试凑法求得设计对象的各种结构尺寸和性能参数，其中，经验类比法设计占很大比重；

(2)以静态为假设条件，进行定性目标和某些定量的设计；

(3)设计者和制造者往往独立工作，分别活动；

(4)周期长，效率低，质量差，费用高，带有很大的盲目性和随意性，产品缺乏竞争力。传统设计方法vs现代设计方法现代设计方法以理论为指导，以计算机为手段，以分析、优化、动态、定量、综合为核心，设计过程自动化，设计的效率、水平、质量以及设计过程中的主动性、科学性和准确性大大提高。特点：

(1)突出设计的创造性；

(2)设计过程科学化和程式化；

(3)处理问题时具有系统性和综合性；

(4)最大程度运用计算机技术，以获得整体最优的设计结果。包括：优化设计、可靠性设计、模块化设计、智能设计、并行设计、虚拟设计、绿色设计、反求设计、创新设计、稳健设计、有限元设计、人机工程设计……

3.6.1优化设计1.优化设计的基本概念根据产品设计要求，合理确定各种参数，如质量、成本、性能、承载能力等，使其达到最佳的设计目标。将最优原理和计算机技术应用于设计领域，把经验的、感性的、类比的传统设计方法转变为科学的、理性的设计，立足于计算分析。在解决复杂设计问题时，能从众多的设计方案中寻找到尽可能完善的或最适宜的设计方案，从而大大提高设计效率和质量。3.6.1优化设计1.优化设计的设计过程(1)根据设计要求和目的定义优化设计问题。(2)建立优化设计问题数学模型。(3)选用合适的优化计算方法。(4)确定必要的数据和设计初始点。(5)编写包括数学模型和优化算法的计算机程序，通过计算机的求解计算获取最优参数。(6)对结果数据和设计方案进行合理性和适用性分析。3.6.1优化设计2.选择优化设计方法的基本原则优化设计的方法：如无约束问题的优化设计方法（一维搜索方法、最速下降法、共轭梯度法、牛顿法等）；约束问题的优化设计方法（内点惩罚函数法、外点惩罚函数法、混合惩罚函数法等）。应了解各种方法的特点及使用的场合，充分考虑计算机运行时间、储存量、上机前数学模型及程序的准备时间、计算精度等。基本原则：所选用的方法及程序适用于设计者的数学模型；计算效率高、容易收敛到规定的精度要求；尽可能避免采用求导数的方法，以避免人为的错误和减少上机前的准备时间。

优化结果的常用形式：最大值或最小值。优化的相对性：优化是相对某种目标的，目标不同优化的结果不同；在大多数的情况下，优化结果并不是最优的，只是相对好的。优化目标的矛盾性：很多优化目标往往是互相抵触的。把不同的目标综合在一起考虑，如果侧重点不同，最优解也是不同的。优化的实效性：优化设计往往只是针对某时期的产品而言，具有相对性。随着科技的发展，当时的"优化设计"也可能会被淘汰。3.6.1优化设计优化技术主要包含两部分内容：建模技术：将实际问题抽象成优化设计问题，并建立起符合实际设计要求的数学模型。需要掌握优化设计方法的基本理论、设计问题抽象和数学模型处理的基本技能，还要具有丰富的设计经验。求解技术：对所建的模型进行解算，分析实际问题与数学模型之间存在的差距，修正优化设计数学模型，才可能建立正确的数学模型，求解到的最优解。3.6.1优化设计1．可靠性的基本概念产品质量既包括功能指标，也包括可靠性指标。可靠性的数值指标常用可靠度、实效率、平均寿命、有效寿命、维修度、有效度和重要度等来表示。有了可靠性的尺度，产品在可靠性方面就具有了明确而统一的指标。这样，在设计和生产产品时，可以利用数学方法来计算和预测它们的可靠性；在产品生产出来之后，可用一定的试验方法来评定其可靠性。3.6.2可靠性设计2．可靠性评价指标1)可靠度

可靠度(无故障概率Pt）是用概率表示产品的可靠的程度，其定义为：“产品在规定的条件下和规定的时间内完成功能的概率”。可靠度的基本要素：

(1)对象：包括系统、机器、部件等，可以是复杂的设备，也可以是一个零件。如果对象是一个系统，则不仅包括硬件，还包括软件和人的判断和操作等因素。

(2)使用条件：包括运输、储存及允许条件。

(3)规定时间：研究对象的工作期限，可以用时间表示，也可以用距离、次数来表示。例如通常滚动轴承的工作期限用小时，车轮的工作期限用行车公里数。

(4)规定功能：研究对象在规定的使用条件下能维持正常工作而不失效。

(5)概率：“可靠度”是可靠性的概率表示。概率是一个特定形式的事件出现的可能性，用分数和百分数来表示。3.6.2可靠性设计2．可靠性评价指标

2)累计失效概率(故障概率)Ft。指产品在规定条件、规定时间内失效的概率。可靠度与累计失效概率构成一个完整的事件组。即Pt+Ft=1。

3)平均寿命(平均无故障工作时问)MTBF。指产品在使用寿命期内的某个观察期间累计工作时间与故障次数之比。

4)失效率(故障率)。指工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。3.6.2可靠性设计可靠性设计1机械产品可靠性的特点：（1）机械产品的故障模式具有多样性和复杂性。机械产品的故障模式与其材料、具体结构、载荷性质和大小等有密切关系。失去规定的功能可以是损坏、失调、渗漏、堵塞、老化、松脱等多种表现形式。（2）机械零部件通用化、标准化程度低。难以给出像电子元器件那样工程上实用的机械零部件故障率手册。（3）机械零部件的故障既有偶然性故障，又有耗损性故障。后者的故障机理大多与磨损、疲劳、腐蚀、老化等耗损过程密切相关。（4）机械加工制造质量对产品可靠性影响大。机械产品通过设计获得了固有可靠性，但在加工制造过程中，工艺设备、工艺方法、工艺流程、各种工艺因素控制、装配工艺等对产品质量将产生重大影响。

可靠性设计22机械产品可靠性设计的原则（1）传统设计与可靠性设计相结合

不应完全摒弃安全系数法，对一些条件成熟或精度要求非常高的关键件可逐步开展可靠性概率设计。按照传统设计方法确定零部件的材料及结构尺寸等，而后根据相应的模型进行可靠性定量计算。（2）定性设计与定量设计相结合

定量设计并不能解决所有的可靠性问题。对于难以进行定量计算的零部件进行可靠性定性设计往往更加合理和有效。（3）既要进行系统可靠性设计，又要进行零部件可靠性设计。（4）既要进行可靠性设计，又要进行耐久性设计。

可靠性设计针对的是偶然性故障，耐久性设计针对的是渐变性故障，它们的故障机理是不同的。

可靠性设计法（概率法设计）就是对全部或部分设计变量进行统计，在建立统计数学模型的基础上，运用概率统计理论解决工程设计问题的方法。而传统的机械设计方法是将设计参数(如强度、应力等)均视为单值的，保证强度σ大于应力s，即:n＝σ/s>[n]

[n]为安全系数，通常是根据经验选取。但实际上强度和应力是受多种因素影响的具有较多随机性，仅靠[n]这一定值，不能给出一个精确的度量来说明设计的产品在多大程度上是安全的。可靠性设计3可靠性设计4可靠性设计5从计算结果看，可靠性设计的直径虽小，但破坏概率仅有0.01%。A.传统设计没有考虑参数、数据的分散性，认为动载荷、静载荷、强度极限、弹性模量、极限应力、尺寸、材料性能等参数是不变的，设计中使用的是平均值；而可靠性设计认为所有与设计有关的变量均随时间的变化而变化，并将它们视为属于某种概率分布的统计量，这样就保证了载荷测定的准确性和材料性能的稳定性，从而保证了结构的可靠性。B.传统设计是在这种加入了主观的、人为因素的模式下进行设计，为了保证机械的可靠性，往往根据经验对影响计算结果的各个参数乘以相应的系数和安全系数。

可靠性设计对结构的安全系数做了统计分析，这样求得的安全系数就更加贴近实际。可靠性设计6分布状态直接影响设计结果设人高的统计规律为正态分布，均值为1710mm，方差为60mm和100mm，试问车门应设计多高，才使碰头的概率小于百分之一。解：根据题目要求不碰头的概率为0.99，则Z=2.33，车高分别为：

H=2.33x60+1710=1850mm或H=2.33x100+1710=1943mm

由此可见，虽然均值相同，方差不同，其设计结果相差甚大，这是传统的设计方法解决不了的。可靠性设计72010年清华分数线5522010年一本线4682009年一本线462分数分数分布2009年清华分数线556600分考分分布对录取分数线的影响2009、2010上海市录取分数线对比1．有限元法的基本概念和特点有限元法是一种实用的数值方法，它避开了在整个求解区域上寻找连续解析函数的难点，转为寻求在各子域(单元)上适当控制方程，并满足整个物体的边界条件和连续条件的分块近似的插值函数。具体方法：（1）将研究对象分成若干小单元，各单元通过节点联系，对于每个单元都用节点的未知量通过插值函数近似地表示单元内部的多种物理量，并使其在单元内部满足该问题的控制方程，从而将各单元对整体的影响通过单元的节点传递；（2）将这些单元组装成整体，使它们满足整个物体的边界条件和连续条件，得到一组有关节点未知量的联立方程；（3）解出方程后，再用插值函数和有关公式求得物体内部各点所要求的多种物理量。如果插值函数选的合适，单元分得越细，计算结果就越精确。但是，单元数的增加，计算量和存储信息会迅速增加，因此一般都是根据问题对精度的要求，只取一定数量的单元进行分析。3.6.3有限元分析1．有限元法的基本概念和特点有限元法的特点：(1)不受物体几何形状限制，可以用大大小小的多种单元进行拼装，以适应各种工程结构的复杂几何形状。(2)可分析包括各种特殊结构的复杂结构体。同时，单元之间材料性质可以有跳跃性的变化，能处理许多物体内部带有间断性的复杂问题。(3)可以适应不连续的边界条件和载荷条件。(4)便于实现规范化和在计算机上统一编程，容易将程序编成模块式结构。(5)有限元法最后得到的大型联立方程组的系数是一个稀疏矩阵，其中所有元素分布在矩阵的主对角线附近，且是对称的正定矩阵，方程间的联系较弱。这种方程计算工作量小，稳定性好，便于求解。3.6.3有限元分析2．有限元法的应用领域

(1)杆、梁、板、壳、三维块体、二维平面、管道等各种单元复杂结构的静力分析。

(2)各种复杂结构的动力分析，包括频率、振型和动力响应计算。

(3)复杂机械系统(如水压机、汽车、发电机、机床等)的静力和动力分析。

(4)工程结构和机械零部件的弹塑性应力分析及大变形分析。

(5)工程结构和机械零件的热弹性蠕变、黏弹性、黏塑性分析。3.6.3有限元分析3．实用有限元分析方法对于不同分析类型，尽管所分析的内容不一、应用的有限元方程不同，但分析过程是相近的。图3.6-1以静力分析、动力分析和热分析为例，说明了有限元法分析的主要步骤。从应用角度来看，无论何种类型有限元分析方法，其过程均可分为三个阶段：(1)建模阶段；(2)计算阶段；(3)后处理阶段。3.6.3有限元分析3．实用有限元分析方法3.6.3有限元分析1．并行设计(1)概念：产品在设计时与相关过程进行集成的一种系统化设计方法。即在产品设计阶段同时考虑产品全生命周期(从概念形成到产品回收或报废处理)的各种主要性能指标，从而避免在产品研制后期出现不必要的返工与重复。3.6.4其他设计方法(2)产品开发过程的并行重组及团队工作方式。通过工作步骤的平行交叉，缩短开发周期。如当产品开发处于某一特定环节时，原本只是由一个或几个部门进行操作的，可能会得到来自其他部门的共同关注，他们随时发表评价和建议，与产品的开发过程一直保持接触。并行设计把不同的专业人员组成并行开发小组，以协同工作的方式进行开放的和交互式的通信联系，以缩短从概念设计至开始生产的准备时间，消除返工。1．并行设计(3)统一的产品信息模型。产品设计过程是一个产品信息由少到多、由粗到细不断创作和完善的过程，不仅包括完备的几何形状、尺寸信息，还包含精度信息、加工工艺信息、装配工艺信息、成本信息等。因此，并行设计的产品信息模型应能将来自不同部门、不同内容、不同形式、不同关系、不同结构的产品信息，包容在一个统一的信息模型之中。(4)具有人工智能处理不完备、不确定信息的功能。信息是多种形式的，既有数字信息，又有非数字信息；既有文字信息，又有图象信息；还要涉及大量知识型信息(概念、规划等)。因此，并行设计系统一定要具有处理以上这些信息的人工智能。(5)基于时间的决策。通过一系列的优化决策，组织、指导并控制产品开发过程，使之能以最短的时间开发出优质的产品。3.6.4其他设计方法1．并行设计(6)分布式软硬件环境。并行设计在同一时间内多机、多程序对同一设计总是并行协同求解，因此，网络化、分布式的信息系统是其必要条件。并行设计面向对象的软件系统，分布式的知识库、数据库，能够根据产品设计的要求动态编联成相互独立的模块，在多台终端上同时运行，并利用网络的机问通讯功能实现相互之间的同步协调。(7)开放式的系统界面。并行设计系统是一个高度集成化的系统。一方面应具有优良的可扩展性、可维护性，可以按照产品开发的需要将不同的功能模块组成完成产品开发任务的集成系统；另一方面，开放的系统界面对并行设计系统是至关重要的。标准化的数据交换规范，如数据交换条件、交互式图形交换标准、产品建模数据的交换标准等，以及大容量、高速度的数据交换通道，如局域网、综合业务数据网等，是构造开放式界面的关键技术。(8)系统化、集成化设计技术。并行设计是一种系统化、集成化的现代设计技术，它以计算机作为主要技术手段，除了CAD、CAPP、CAM等单元技术的应用外，还着重解决：①产品并行开发过程建模及优化；②支持并行设计的计算机信息系统；③模拟仿真技术；④产品性能综合评价和决策系统；⑤并行设计中的管理技术。3.6.4其他设计方法2．绿色设计1)绿色设计的基本概念

(1)产品的生命周期

在产品概念设计阶段考虑产品生命周期各个环节，包括设计、研制、生产、供货、使用、直到废弃后拆卸回收或处理处置。3.6.4其他设计方法

产品生命周期的各个环节可用右图描述。在设计过程中，依据特定的评价函数进行设计案例的选择，而评价函数必须包含图中外圈所示的各项因素。2．绿色设计产品生命周期设计过程可以划分为三个层次：设计层、评价层和综合层，如图3.6-4所示。产品生命周期的市场需求分析、设计开发、生产制造、销售、使用及废弃后的处理六个阶段组成了产品生命周期维，而设计层、评价层和综合层则组成产品的设计过程维。3.6.4其他设计方法2．绿色设计

1)绿色设计的基本概念

(2)绿色产品绿色产品是在其生命周期全过程中，符合特定的环境保护要求，对生态环境无害和危害极少，资源利用率最高，能源消耗最低的产品。要求企业在生产过程中选用清洁原料，清洁工艺，生产出清洁产品；用户在使用产品时不产生、或很少产生环境污染，并对使用者没有造成危害；报废产品在回收处理过程中很少产生废弃物。应尽量减少材料的使用量和种类，特别是稀有昂贵、有害有毒材料。尽量简化产品结构，使产品中零件材料能最大限度地再利用。绿色产品在其生命周期的各个环节所消耗的能源应最少，即最大限度地节约能源。资源及能源的节约利用本身也是很好的环境保护的手段。3.6.4其他设计方法2．绿色设计

1)绿色设计的基本概念

(3)绿色设计的概念

绿色设计通常也称为生态设计、生命周期设计，都是设计和制造生命周期环境影响为最小的产品。

绿色设计的基本思想：在产品生命周期内，着重考虑产品环境属性(可拆卸性、可回收性、可维护性、可综合利用性等)，并将其作为设计目标，在满足环境要求的同时，保证产品应有的功能、使用的寿命、质量等。即从根本上防止环境污染，节约资源，不能等产品产生不良的环境后果再采取防治措施。

绿色设计过程的4个动态阶段：①产品提高；②产品再设计；③产品功能创新；④产品系统创新。即绿色设计与创新是一个从部分到系统、从简单到复杂、从渐进创新到根本创新的过程。

绿色设计的3个层次：

①治理技术与产品的设计，如“可回收性设计”等，其目标是简化、减少和取消产品废弃后的处理处置过程及费用；②清洁预防技术与产品设计，如“为预防污染而设计”，“为环境而设计”等，目的在于减少生命周期各个阶段的污染；③为价值而设计，目的在于提高产品的总价值，而这种价值体系是人与环境的共同体。3.6.4其他设计方法2．绿色设计

2)绿色设计研究的主要内容(1)材料选择与管理。选材：考虑产品的使用条件和性能，考虑环境约束准则，了解材料对环境的影响，选用无毒、无污染材料及易回收、可重用、易降解材料，这对材料科学的发展提出了新的挑战。对材料的管理：不能把含有有害成分与无害成分的材料混放在一起；达到生命周期的产品，可重用部分要充分回收利用，不可用部分要采用一定的工艺方法进行处理，使其对环境的影响降低到最低限度。(2)产品的可回收设计。在设计初期充分考虑其零件材料的回收可能性、回收价值大小、回收处理方法、回收处理结构工艺性等，最终达到零件材料资源、能源的最大利用，并对环境污染最小。(3)产品的装配与拆卸性设计。产品不仅应具有优良的装配性能，还必须具有良好的拆卸性能。拆卸设计己成为目前绿色设计研究的主要热点。因为不可拆卸不仅会造成大量可重复利用零件部件材料的浪费，而且因废弃物不好处置，还会污染环境。3.6.4其他设计方法2．绿色设计

2)绿色设计研究的主要内容(4)产品包装设计。优化包装方案和包装结构，选用易处理、可降解、可回收重用和循环再生的包装材料。(5)绿色产品的成本分析。考虑产品的回收、再利用等性能，因此成本分析时，必须考虑污染物的替代、产品拆卸、重复利用成本、特殊产品相应的环境成本等。对企业来说，是否支出环保费用，会形成产品成本上的差异，同样的环境项目，在各国或地区间的实际费用，也会形成企业间成本的差异。因此，在设计决策时应进行绿色产品成本分析，以便设计出的产品“绿色程度”高、且总成本低。(6)绿色产品设计数据库与知识库。该数据库与知识库应包括产品的生命周期中与环境、经济、技术、对策等有关的一切数据与知识，如材料成分，各种材料对环境的影响值，材料自然降解周期，人工降解时间、费用，制造、装配、销售、使用过程中所产生的附加物数量及对环境的影响值，环境评估准则所需要的各种判断标准、设计经验等。3.6.4其他设计方法2．绿色设计

3)绿色设计方法绿色设计与并行设计关系紧密，并行设计方法对绿色设计的实施有着重要的支撑作用。并行绿色设计实质上是“绿色”与“并行”有机结合，充分体现了绿色化、并行化、集成化的整体优势。图3.6-5反映了并行绿色设计所需的支撑环境。3.6.4其他设计方法2．绿色设计

3)绿色设计方法

有效的绿色设计应在并行环境下实施，其实施过程具有闭环特性。3.6.4其他设计方法美国的废旧车利用

绿色汽车应满足：

1）制定基于环境因素的设计规范，以保证制造装配、产品的运输销售、消费者使用、回收再生等所有过程都不会引起环境问题；

2）在生产制造过程中不得对环境产生损害，包括噪声、振动、热、化学物质、电辐射等；

3）汽车的能耗要低，效率要高；

4）汽车报废时要能够方便地拆卸和回收。

绿色汽车要求汽车厂家改造生产工艺，选择新材料，加重制造成本。一些发达国家制定了严厉的环境法规，去约束汽车厂商的生产行为。如果规定汽车报废时的回收处理费用由汽车制造厂家来承担，绝大部分汽车的设计方案就会有很大的修改。美国每年更新旧车超过1000万辆。严格的法规要求：美国的报废汽车必须送到专门的报废汽车回收利用企业进行处理。高效的废旧汽车回收业和完善的二手车市场，为美国的废旧汽车找到了循环利用之路，带来了巨大的经济、环境和社会效益。美国报废汽车的再利用率已达到95%。废旧汽车回收成为美国最大的回收行业。每辆回收车被再利用的零部件重量超过该车总重量的75%。全美目前共有1.2万多家报废汽车拆解企业、2万家零部件再制造企业和200家拆后报废汽车粉碎企业。旧车的修复废车电池的回收美国报废汽车的回收利用流程：1）被回收的车辆进入报废汽车回收工厂；2）放掉油箱的汽油和机油等残留液体；3）牌照由相关部门检验签字；4）将“五大总成”拆除，对可利用或销售的零部件进行筛选后入库；5）织物及布料作垃圾处理；6）有用的汽车零部件被拆卸下来，修理翻新后重新投入使用；7）金属车架会被送进大型挤压机粉碎，再用磁分离法将钢分离出来，或者将钢铁进行压块后出售给钢铁回收部门。粉碎一辆车的废壳几乎能满足制造一辆新车的需要。汽车回收业每年向美国钢铁冶金行业提供的废钢铁占冶金业回收量的1/3还要多。车身压块处理后打包运输美国汽车回收业的蓬勃发展，大大减少了公路两旁和树林中报废的汽车堆积，使环境污染问题得到改善。由于部分回收零部件经整修和翻新后再次进入市场，有利于降低成本，使广大消费者得到实惠。

对于未达使用年限，车主又希望置换的旧车，二手车市场则成了理想的选择。美国每年二手车的销量远远超过新车销量。美国二手车市场已相当成熟。几乎所有美国汽车经销商都同时经营新车和二手车。3．基于TRIZ理论的创新设计

TRIZ是由俄文的英文音译的首字母组成，意思为发明问题求解理论。1)TRIZ理论概述

TRIZ理论是基于知识的、面向人的解决发明问题的系统化方法学，其核心是技术系统进化原理。TRIZ理论的来源及主要构成如图3.6-7所示。

TRIZ理论是解决发明问题的理论，是实现发明创造、创新设计、概念设计的有效方法。TRIZ理论已建立的一系列实用方法能帮助研究人员尽快创造出满意的设计方案。能提高发明的成功率、缩短发明周期，使发明问题有可预见性。3.6.4其他设计方法3．基于TRIZ理论的创新设计1)TRIZ理论概述3.6.4其他设计方法3．基于TRIZ理论的创新设计

2)TRIZ理论的主要内容

(1)产品进化理论。技术系统一直处于进化之中，解决冲突是进化的推动力。TRIZ理论中的产品进化为4个阶段：婴儿期、成长期、成熟期和退出期。产品进化理论还研究产品进化模式、进化定律与进化路线。

(2)分析。分析是TRIZ理论的工具之一，是解决问题的一个重要阶段。它包括产品的功能分析、可用资源分析和冲突区域的确定等。

(3)冲突解决原理。TRIZ理论主要研究技术与物理两种冲突。技术冲突是指传统设计中所说的折中，即由于系统本身某一部分的影响，所需要的目标不能达到。物理冲突是指一个物体有相反的需求。TRIZ理论引导设计者挑选能解决特定冲突的原理，其前提是要按照标准参数确定冲突，然后利用39×39条标准冲突和140条发明创造原理解决冲突。(4)效应。效应指应用本领域和其他领域的相关定律解决设计中的问题，如采用数学、化学、生物和电子等领域中的原理解决机械设计中的创新问题。3.6.4其他设计方法3．基于TRIZ理论的创新设计

3）TRIZ理论解决发明创造问题的一般方法首先将要解决的特殊问题加以定义、明确；然后根据TRIZ理论提高的方法，将需要解决的特殊问题转化为类似的标准问题，针对类似的标准问题总结、归纳出类似标准解决方法；最后，依据类似的标准解决方法解决用户需要解决的特殊问题。3.6.4其他设计方法3．基于TRIZ理论的创新设计

4)设计中的冲突及其解决原理

(1)冲突的基本概念与分类。机械产品由多个相关联的零部件组成。当改进某个零部件时，可能会影响到与其相关联零部件，结果使产品另一些方面的性能受到影响。如果这些影响是负面的，就出现了冲突。传统设计中的折中法没有根本解决冲突，只是降低冲突的程度。TRIZ理论认为，产品创新的核心是解决冲突，产生新的有竞争力的解。通常的冲突分为两个层次，第一个层次分为工程冲突、社会冲突及自然冲突;每一类又可细分为若干类。在图3.6-9中，冲突的解决自下而上、自左向右越来越困难。3.6.4其他设计方法3．基于TRIZ理论的创新设计

4)设计中的冲突及其解决原理

(2)物理冲突及其解决原理。物理冲突是指为了实现某种功能，一个子系统或元件应具有一种特性，但同时出现了与该特性相反的特性。例如，为了容易起飞，飞机的机翼应有较大的面积，但为了高速飞行，机翼又应有较小的面积，解决该物理冲突是机翼设计的关键。物理冲突的解决方法是利用分离原理：空间分离、时间分离、基于条件的分离、总体与部分的分离。分离的基本思路是通过空间、时间、条件等分离方法，以降低解决问题的难度。3.6.4其他设计方法3．基于TRIZ理论的创新设计

4)设计中的冲突及其解决原理

(3)技术冲突及其解决方法。

技术冲突是指一个作用同时导致有用及有害两种结果，也可指有用作用的引入导致一个或几个子系统或系统性能降低。如波音公司在改进737机型的设计时，需要将使用中的发动机改为功率更大的发动机。而发动机功率越大，工作时需要的空气就越多，发动机机罩的直径就必须增大。而发动机机罩直径越大，使机罩离地面的距离就会减少，但该距离的减少是设计所不允许的。

TRIZ理论提出用39个通用工程参数描述冲突。在实际应用中，首先要把组成冲突的双方内部性能用该39个工程参数中的某两个来表示。目的是把实际工程设计中的冲突转化为一般的或标准的技术冲突。表3.6-1是39个通用工程参数名称汇总。3.6.4其他设计方法3．基于TRIZ理论的创新设计

4)设计中的冲突及其解决原理

3.6.4其他设计方法3．基于TRIZ理论的创新设计

4)设计中的冲突及其解决原理

3.6.4其他设计方法3．基于TRIZ理论的创新设计

5)利用技术进化模式实现创新

(1)S曲线及其作用。可以将产品或技术分为新发明、技术改进和技术成熟三个阶段，或婴儿期、成长期、成熟期和退出期四个阶段。

(2)技术系统进化模式。技术进化过程有其自身的规律与模式，是可以预测的。进化模式指出了产品如何从一种技术转移到另一种技术，新旧技术所完成的基本功能相同，但是新技术的性能极限提高、成本降低，即产品沿进化路线的过程是新旧技术更替的过程。3.6.4其他设计方法图3.6-12技术系统的11条进化模式。Pro/Innovator创新软件

Pro/Innovator两大理论基础：TRIZ理论和本体论。

本体论是哲学中的一个重要流派，它着眼于探讨世间万物之间普遍存在的联系。在实践中，应用本体论可以揭示出事物之间相互转换变迁的规律性，并构建出反映这种规律性的本体论知识库。创新或创造就是设法找出前人或他人所未曾找到的事物之间联系的过程。

Pro/Innovator对使用者有何要求？

用户需要对待分析的产品有足够的了解，能够清楚地明确产品各个组件的功能关系和功能特点。使用者应具备基本的、对于Pro/Innovator所提供的、针对用户所需解决问题的一系列“概念”──科学原理、创新原理、应用实例、专利技术等──能很好地理解，并能由此及彼地想到可行的实施方法。例：取果仁的功能描述功能分析解法构思砸壳外部加压：砸(利用重力)

适度抽象化

夹：杠杆作用(核桃夹子)

压：螺旋压力机冲击：水力冲击冲射：把桃核作为子弹射到硬靶上侧向思维：使壳变脆，让壳易碎

把壳溶解，只溶解壳而不落解桃仁逆向思维：内部加压：钻孔，向壳内充气撑破外壳分离壳与桃仁

整体加压：外压甄减，内压撑破外壳4．人机工程设计人机工程学是从系统论的观点研究人-机-环境组成的系统，研究其三要素及其相互间的关系，其关键问题是从人的生理和心理特征考虑，使机、环境与人相互协调。实践证明，系统的有效性越来越取决于人机之间的配合关系。传统的做法是在机器设计的基础上，根据操作要求训练使用者。旦由于人体机能的局限性，迫使设计师不得不考虑改进人机界面的设计，力图通过人机界面的改善，提高系统的有效性。人机工程学通过功能分析、功能分配、界面设计、人员训练、硬件设计及系统综合等方法，使人机之间的功能相互协调，发挥最大潜力。3.6.4其他设计方法4．人机工程设计人机工程设计的一般原则：(1)工作空间应符合人体尺寸和工作类型，身体姿势、体力和运动应适宜操作。在考虑工作空间时，应使四肢具有足够的活动空间。工作器具应与人的四肢相适应。各种操纵器具的布置应在人体功能可能实施的范围内。身体姿势一般坐姿优于立姿，坐站交替效果更好。在身体运动方面，宁可选择活动而不要选择不动。由身体传递很大的力时，距离应尽可能短，同时应取合适的姿势或有适当的支撑物。应避免身体强制保持一定的姿势。不宜超过体力所允许的负荷。使用的力应与人体的活动状况相适应。设计显示板(屏)时，应有适当距离。眼睛左右方向的最适宜转动角度为15°，最大角度为35°；上下方向最适宜转动角度为15°，向上最大角度为40°，向下最大角度为20°。头部左右方向的最大转动角度为60°，向上最大角度为65°，向下最大角度为35。头部和眼睛都转动时，左右方向最适宜角度为15°，上下方向最适宜角度为15°，向上最大角度为90°，向下最大角度为70°。3.6.4其他设计方法4．人机工程设计人机工程设计的一般原则：(2)信息的显示与信号的选择设计和布置。信息的显示有视觉、听觉和触觉三类。通常，信息通过视觉获得，但在紧急情况下，使用听觉显示的效果更大。因为对于突然发生的声音，人具有特殊的反应能力。但过度地应用听觉显示，易使人疲劳。各种显示器设计的一般要求和特殊要求：①显示器只显示对完成规定任务极为重要的信息；②显示器所提供信息的精度应满足控制要求；③系统或设备有故障时应有信息显示；④应按功能或显示顺序分组；⑤应有适当的照明、编码和标记。3.6.4其他设计方法4．人机工程设计人机工程设计的一般原则：(3)操纵、调节部件的选择、造型和布置，应适合有关身体部位及其运动，并考虑有关灵敏度、精确度、速度、作用力等要求。控制件设计的一般要求：①控制件的运动方向应与被控制动作或显示器的运动方向一致；②控制件的造型应使操作者只用一般的体力；③要求精确度较高的操作活动，只能使用较小的体力，但应保持适当的阻力，使操作者对操作的精确度有所感觉；④不同设备完成相同功能控制件的大小和形状应一致；⑤控制件应易于识别，可以用颜色、尺寸、形状或在控制面板上加说明予以区别；⑥除非故意联动，控制件的使用不应互相干扰；⑦要求迅速或精确调整的地方用手进行操作；⑧为执行若干个分段控制，应采用止动型控制件；⑨当控制件要求用力大或要求连续向前用力时，可选用脚操作。3.6.4其他设计方法4．人机工程设计人机工程设计的一般原则：(3)操纵、调节部件的选择、造型和布置，应适合有关身体部位及其运动，并考虑有关灵敏度、精确度、速度、作用力等要求。控制件设计的特殊要求：①手柄。形状应使与手的接触面积最多；把手应能自由转动；对于站立的操作者，手柄应在地板上90～120cm之间；曲柄把手外缘与任何障碍之间的间距不小于7．5cm；当手柄要求快速转动时，转动轴线的水平倾斜不大于30°。②手轮。把握面应有适当的槽形或滚花，以便于握紧；需用双手连续操纵的手轮，其转动角度应限制在120°以内；用作阀门控制器的手轮应标出功能及转动方向。③用钥匙的开关。钥匙的形状应使操作人员明显地知道其正确的插入方法；除了在“关”(0FF)位置外，钥匙在其他位置均应插在锁内；仅单侧有齿的钥匙应将齿向上插入；双侧都有齿的钥匙应有编号，以便正确插入；“开”和“关”都应设有标记。④旋钮。粗调用小旋钮，应设有锯齿槽或滚花以避免打滑；执行同样功能的旋钮形状相同；应有一定阻力，防止偶然触摸或外力改变已设定的位置。⑤操纵杆。当操纵杆安装在地板上并垂直时，手柄的高度应在腰和肩之间；在操纵杆平行于地板的地方，对于站立的操作者，其握把应在距地板115cm处；在要求准确的地方，操纵杆应采用推动方式；在要求迅速操作时，应采用前后操作；当操纵杆有分段操作定位时，应使其有适当的制动力；当用小操纵杆进行精调时，把大移动量给肘支撑，小移动量给前臂支撑，把精确移动量给手腕支撑。3.6.4其他设计方法4．人机工程设计人机工程设计的一般原则：控制件设计的特殊要求：⑥踏板。要求用力大、移动远的地方使用脚踏板；踏板上脚的重量要用弹簧张力支撑；操作者腿的运动应简单而直接；踏板表面应防滑。踏板中心线与墙或障碍物之间的距离不小于12.5cm。⑦按钮。按钮起作用时，应有一定的感觉或可听见咔嗒声；按钮应有一逐渐增大的弹性阻力；按钮起作用时，设备应有反应反馈给操作人员；为适应手指形状，按钮表面应向里凹；为预防偶然作用，可采用适当的保护措施。⑧旋转选择开关。开关位置最小间距为15°，最大间距为45°，在要求非目视定位的地方，开关位置的最小间距为30°；开关位置最多为24个。在开关不打算360°全部连续使用的地方，其首尾位置应设止动器；顺时钟方向旋转时，刻盘的数字或字母应增大；一般应有一个可动的旋钮指针和一个固定的刻度盘；旋钮指针相对于刻盘的位置应使视差最小。⑨钮子开关。能往复操作并具有快速作用触点；方向垂直的开关向上位置为“开”；方向水平的开关向右位置为“开”；应有防止偶然作用的保护措施；三位钮子开关一般限于非关键系统时使用。3.6.4其他设计方法4．人机工程设计人机工程设计的一般原则：(4)环境、安全和技术文件等方面的考虑。工作环境对人的工作能力和安全有巨大影响。但广义工作环境设计的探讨已超出设备设计的范畴。环境条件包括温度、湿度、辐射热、灰尘、射线、气体、气压、重力、加速度、照明、色彩、噪声、振动等。在人一机设计中着重考虑的应是设备本身对人(操作人员或服务对象)所处环境的劣化和设备设计对人所处环境的改善两个方面。在交通运输设备中，设备为有关人员提供了“小”环境条件，空调、通风、减振、降噪等是此类设备的设计所必须考虑的人机界面问题。3.6.4其他设计方法5．模块化设计模块化设计是在对产品进行市场分析、预测、功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用的功能模块，根据用户要求，对模块进行选择和组合，参考齿轮(同一模数)啮合原理，构成不同功能或功能相同性能不同、规格不同的产品。随着生产的发展，人们需要多品种、多规格产品以满足不同的工作和使用要求。目前中小批量产品约占产品总数的70％～80％，为了满足不同的功能及性能要求，而且要迅速、经济地设计出更多变型新产品，因此，系列化设计和模块化设计是当今产品设计的发展方向。3.6.4其他设计方法5．模块化设计模块化设计的主要方式：(1)横系列模块化设计。不改变产品主参数，利用模块发展变型产品，易实现，应用广。在基型品种上更换或添加模块，形成新的变型品种。例如，更换端面铣床的铣头，加装立铣头、卧铣头、转塔铣头等，形成立式铣床、卧式铣床或转塔铣床。(2)纵系列模块化设计。在同一类型中对不同规格的基型产品进行设计。主参数不同，动力参数也不同，导致结构形式和尺寸不同，较复杂。若把与动力参数有关的零部件设计成相同的通用模块，势必造成强度或刚度的欠缺或冗余，欠缺影响功能发挥，冗余则造成结构庞大。因而，在与动力参数有关的模块设计时，往往先合理划分区段，在同一区段内模块通用；对于与动力或尺寸无关的模块，可在更大范围内通用。(3)横系列和跨系列模块化设计。除发展横系列产品之外，改变某些模块还能得到其他系列产品，便属于横系列和跨系列模块化设计。如镗铣床的模块化设计中，除可发展横系列的数控及各类型镗铣加工中心外，更换立柱、滑座及工作台，即可将镗铣床变为跨系列的落地镗床。(4)全系列模块化设计。包括纵系列和横系列。例如，工具铣的模块化，除可改变为立铣头、卧铣头、转塔铣头等形成横系列产品外，还可改变床身、横梁的高度和长度，得到三种纵系列产品。(5)全系列和跨系列模块化设计。主要是在全系列基础上用于结构比较类似的跨系列产品的模块化设计。例如，全系列龙门铣床结构与龙门刨、龙门刨铣床和龙门导轨磨床相似，可以发展跨系列模块化设计。3.6.4其他设计方法5．模块化设计模块化产品是由一组特定模块(具有一定功能和特定结合要素的零件、组件或部件)在一定范围内组成多种不同功能或同样功能不同性能的产品。由于模块一般为批量生产，用少品种模块组成多品种产品。将模块化原理和模块化系统设计引入产品设计，得到模块化系列产品，其适应性及经济效益更为突出。

模块划分原则:力求以少数模块组成尽可能多的产品，并在满足要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉，且模块结构应简单、规范，模块间的联系尽可能简单。划分模块既要兼顾制造管理方便，具有较大灵活性，避免组合时产生混乱，又要考虑到该模块系列将来的扩展和向专用、变型产品的辐射。总之，划分前必须对系统进行完善的功能分析和结构分析，并要注意：①模块在整个系统中的作用及其更换的可能性和必要性；②保持模块在功能及结构方面有一定的独立性和完整性；⑧模块间的接合要素应便于连接与分离；④模块的划分不能影响系统的主要功能。3.6.4其他设计方法6.反求设计

对已有的先进产品或有关的影像、资料、图样等进行分解、试验、分析、研究，在充分掌握其功能特点的基础上，吸收优点，充实提高，发展创新产品的一种设计方法。反求工程的特点：①目标明确。从功能要求及各项技术经济指标均有实物样品或技术资料作为准则，它也是反求工程所追求、赶超的总目标。②设计水平起步高。反求工程项目一般是国外科技先进的产品，不但缩短了我国与发达国家之间的差距，还可以启迪设计人员的思维，提高设计人员的设计水平，可节省人力、物力，缩短设计周期。反求工程发展的时代背景：

二次大战后，许多国家（特别是战败国）急于恢复和振兴经济。日本在60年代初提出科技立国方针：“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”，其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最突出。为要国产化的改进，迫切需要对别国产品进行消化、吸收、改进和挖潜，这就是反求设计（InverseDesign）或反求工程（Inverse

Engineering）。反求工程的大量采用为日本的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了良好基础。

实际上，任何产品问世，包括创新、改进和仿制的，都蕴含着对已有科学、技术的继承和应用借鉴。因而反求思维在工程中的应用已源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究，则是60年代初出现的。正设计与反设计正设计：关注“怎么做?”

。反设计：关注“为什么要这样做?”

正设计是主动的创造；反设计是先被动后主动的创造。反设计并非正设计的简单逆过程，因为一个先进成熟的产品，凝集着设计者的智慧和技术，要去吃透、消化，包含很多复杂内容。往往吃透别人的技术比自己创造还难，因为：（1）先进产品中总有“绝招”、“诀窍”和关键技术，我们并不掌握；（2）很难摸透别人的思维。多年来，我国测绘仿制的产品，大多数达不到原产品的水平，涉及原因、内容和技术是多方面的，正说明发展反求工程的研究和应用的重要性。市场需求、设计要求→设计师的创造性活动→产品已知事物（产品、照片、资料）→消化、吸收、再创造→新产品

反求工程与知识产权

任何一项新技术、新产品，应该受到有关保护法（如专利法、知识产权法、商标法等）的保护，才能引导正常的市场竞争和贸易。反求工程绝不等于偷技术，它是在科技道德和法律制约下，从学术、工程、技术方面来促进科技的发展。因为：

（1）任何产品的设计、开发，总要借鉴、继承已有的知识和技术，市场上的产品总要被别人借鉴，关键要划清产权的界限。（2）青出于蓝而胜于蓝是发展规律，通过反求来发展新产品，起点高，周期短，成效快，决非照抄照搬。

(3）科学的反求，有助于促进技术革新，扩大眼界，有助于培养新人。

但作为一个国家、民族，为发展科技和振兴经济，不能全靠反求来生存；鼓励独立的创造性永远是主旋律或主题。

反求的类别

从工程技术角度看，反求对象可概括：

1.为实物反求

2.软件反求

3.影像反求

实物反求

1.实物反求的试验方案

在未解体前进行功能、性能等全面试验考核，测试其各功能和性能指标：

(1）根据样本、使用说明书，摸清有哪些功能指标；

(2）为要进行试验，制定试验条件和试验规范；

(3）选择和完善试验台及相应测试仪表及精度；

(4）对试验结果的科学处理，其中有静态数据和动态数据；

(5）试验中出现故障现象的记录，为进一步分析提供依据。实物反求

2.测绘中的关键问题

(1)尺寸、精度问题。机器经过磨合后，其尺寸、形状、表面等精度会有变化，故要反求其公差和表面精度；（2)曲线和曲面拟合问题。有些零件或组件，尽管可测出其特征点，但难以勾画出其形状（例如三维曲面），这就要用三坐标测量和CAD中曲面造型等技术去解决；

(3）无损检测问题。对样机的零件测绘不允许有损伤，要能恢复原状。例如：材质成分和硬度的检测；内表面难以测量的尺寸和形状的测绘等等。一般用无损检测，如激光技术、材料转移的光谱技术、三维全息照相显示技术等等。（4)测绘后对关键问题的分析和反设计问题。测绘完后要完整变成图纸，需各种标注和根据对零件工作特性提出技术要求；特殊的形状曲线（例如高次方凸轮轮廓、各种过渡曲线等）应通过优化设计反求其科学依据；箱体等结构复杂件应采用有限元法去反求其强度和刚度等。软件反求

产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件反求中有三类情况：（1）既有实物，又有全套技术软件；（2）有实物而无技术软件；（3）无实物，仅有全套或部分技术软件。

利用CAD技术对复杂曲面的反求：

有很多复杂曲线、曲面，可以测出其特征点，但很难靠人工绘图方法，去拟合和拼接出原来的曲面，例如汽车车身外形曲面等等。（1)利用三坐标测量仪与CAD软件进行反求

三坐标测量仪在设定基准下可以测出所需要的全部三维点坐标，是表面数字化过程，如何利用这些数值信息构成曲面，需利用CAD软件中曲面重构处理。Pro－E、UG、Cimatron等已有为反求工程的应用模块。将测量数据按其格式输入后，即可生成各种曲面。进一步发展，是将CAD所得信息与CAM连接，直接利用计算机辅助制造加工出产品。（2）利用特殊材料对反求样品进行复制

利用环氧树脂类材料熔化后涂在样件表面，冷却后即变成样件制造的阴模，直接生成样件，不经过表面数字化过程。但这仅仅是复制，未进行技术性的反求。

影像反求

影像反求既无实物，又无技术软件，仅有产品相片、图片、广告介绍、参观印象和影视画面等，要从中去构思、想象来反求，称影像反求，这是反求对象中难度最大的。影像反求本身就是创新过程。目前还未形成成熟的技术，一般要利用透视变换和透视投影，形成不同透视图，从外形、尺寸、比例和专业知识，去琢磨其功能和性能，进而分析其内部可能的结构。

正向工程

产品设计→制造→检验（三坐标测量机）逆向工程

早期：美工设计→手工模型（1：1）→三轴靠模铣床

当今：工件（模型）→维测量（三坐标测量机）→设计→制造

逆向工程定义：将实物转变为CAD模型相关的数字化技术，几何模型重建技术和产品制造技术的总称。广义逆向工程：包括几何逆向，工艺逆向，材料逆向，管理逆向等诸多方面的系统工程。逆向工程设备：1.测量机：获得产品三维数字化数据（点云/特征）；2.曲面/实体反求软件：对测量数据进行处理，实现曲面重构，甚至实体重构；3.CAD/CAE/CAM软件；4.数控机床；

逆向工程中的技术难点：1.获得产品的数字化点云（测量扫描系统）；2.将点云数据构建成曲面及边界，甚至是实体（逆向工程软件）；3.与CAD/CAE/CAM系统的集成；（通用CAD/CAM/CAE软件）4.为快速准确地完成以上工作，需要经验丰富的专业工程师（人员）；

三坐标测量机（CMM）

将被测零件放入它允许的测量空间，精确的测出被检测零件表面的三维空间位置点的坐标值，将这些点的坐标数值通过计算机，应用数学计算的方法得出测量元素（如，圆、球、圆柱等）及其形状以及位置公差等几何量数据。三坐标测量机组成：1.主机机械系统：X、Y、Z三轴或其它。2.测头系统：在沿X，Y，Z三个轴的方向装有光栅尺和读数头；测头可以以手动或机动方式轻快地移动到被测点上；测头接触工件并发出采点信号。3.电气控制硬件系统：采集当前机床三轴坐标相对于机床原点的坐标值；数显装置把被测点的坐标值显示出来。4.数据处理软件系统：测量软件。三坐标测量机

测量机可以用来测量直接尺寸，也可以获得间接尺寸和形位公差及各种相关数据。可以实现全面扫描和一定的数据处理功能，为加工提供数据和测量结果。自动型可以进行自动测量，实现批量零件的自动检测。触发式测头、扫描测头和非接触测头可快速进行更换。对于小型工件，多采用悬臂式、仪器台式与移动桥式等；对于中型工件，多采用移动桥式；对于大型工件，则多采用龙门式；对于需回转测量的工件，可选带分度台的测量机。三坐标测量机

从60年代初发明到现在，三坐标测量机（CMM）在制造业得到广泛应用，成为3D检测工业标准设备。配套检测软件得到快速的发展，目前可以解决绝大部分问题，基于CAD的测量成为目前三坐标测量软件的发展热点。对于传统的三坐标测量机检测来说，通常是设计部门提供二维图纸，检验部门根据图纸对工件进行尺寸及形位公差的检测。针对三维CAD建模技术进行设计，各制造商推出了基于三维CAD技术的测量软件，直接将客户设计好的三维CAD模型导入测量软件进行检测。这样不需要额外的图纸，理论值可以直接捕获，进行测量仿真。对于传统的曲面测量，现在可以