《先进制造系统》-chapter 02 现代设计方法（讲课用）

1现代设计技术是先进制造技术中的首要关键技术。产品的质量、性能、成本等在很大程度上取决于设计的好坏和设计的质量。机械产品的质量事故约有50%是由设计不当造成的，而产品成本的70%～80%在时间阶段就已经确定了。市场竞争的需要和各种新方法、新技术、新工艺、新材料不断涌现，推动了设计方法和技术的进步，产品设计从传统的经验设计进入现代设计。现代设计技术概述12设计在整个生产周期中所占的比重时间/百分比（%)设计开发制造3开发设计工作的重要性开发设计生产准备与加工原材料与外购件的采购管理和销售010203040506070对成本的影响所需的工时4将核心工作放在本企业

——“两头在内，中间在外”开发设计市场销售制造5现代设计的技术特征与内涵现代设计理论、方法与技术现代设计遵循的原则现代设计的技术体系现代设计的技术特点现代设计的发展趋势现代设计技术概述16以计算机设计为核心设计手段的更新产品表示的转变设计方法的发展工作方式的变化设计与制造一体化管理水平的提高组织模式的开放一、现代设计的技术特征与内涵设计手段从手工向自动的转变产品表达从二维向三维的转变设计方法从经验向科学的转变工作方式从串行向并行的转变设计制造从独立向一体的转变管理水平从人为向数据的转变组织模式从封闭向开放的转变7以设计理论为指导传统设计主要是以生产经验为基础，结合运用力学、数学公式、经验公式、图表及手册等作为依据进行。现代设计方法是基于理论形成的方法，利用这种方法指导设计可减小经验设计的盲目性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准确性。因此，现代设计是以理论指导为主、经验为辅的一种设计。

一、现代设计的技术特征与内涵8现代设计的内涵：以市场为驱动，以知识为依托，以知识获取为中心，以产品全生命周期为对象，人、机、环境相容的设计理念。

一、现代设计的技术特征与内涵9二、现代设计的技术体系传统设计理论和方法：理论力学、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学等。计算机科学与计算机辅助技术（CAD、CAE、虚拟设计、模拟仿真与工程数据库等技术）。设计方法学；可信性设计；设计试验技术。基础技术主体技术支撑技术应用技术解决各类具体产品设计领域的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械等具体技术群。10三、现代设计遵循的原则功能满足原则质量保障原则工艺优良原则经济合理原则社会实用原则性能指标可靠性强度原则刚度原则稳定性抗磨损性抗腐蚀性抗蠕变性动态特性平衡特性热特性可制造性可装配性可测试性可维修性可拆卸性环境友好性环境适应性人机友好性安全性可回收性11四、现代设计理论、方法与技术现代设计理论与方法突变论信息论智能论系统论优化论对应论功能论控制论离散论模糊论艺术论现代设计的基石现代设计的依据现代设计的核心现代设计的前提现代设计的宗旨现代设计的捷径现代设计的目标现代设计的深化现代设计的细化现代设计的发展现代设计的美感应用的主要领域是什么？12四、现代设计理论、方法与技术（1）现代设计方法学系统设计价值工程功能设计并行设计模块化设计质量功能配置反求设计绿色设计模糊设计面向对象的设计工业造型设计（2）计算机辅助设计技术有限元法优化设计计算机辅助设计模拟仿真与虚拟设计智能计算机辅助设计工程数据库（3）可信性设计技术可靠性设计安全设计动态设计防断裂设计抗疲劳设计减摩耐磨设计防腐蚀设计健壮设计耐环境设计维修设计和维修保障设计

测试性设计人机工程设计13设计理论与方法的延伸、思维的变化及设计范畴的扩展

静态的设计原理向动态的延伸；经验的、类比的设计方法向精确的、优化的方法延伸；确定的设计模型向随机的模糊的延伸；单维思维模式向多维思维模式延伸；传统的设计通常只限于方案设计、技术设计(总体设计与工艺设计)，如DesignForManufacturing——DFM，DesignForAssembly——DFA，DesignFor“X”——DFX，ConcurrentDesign——CD，GreenDesign——GD，MainterinabilityDesign——MD)等，现代设计可以说是设计师、制造工程师、管理营销人员以及工人、财会人员、专利律师等通力合作、集体智慧的结晶。

五、现代设计的技术特点14多种设计技术、理论与方法的交叉与综合设计手段的精确化、计算机化、自动化与虚拟化并行化、最优化和智能化的设计过程并行设计过程全过程的优化设计人机结合的智能化设计过程面向产品寿命周期全过程的可信性设计多种设计试验技术的综合运用五、现代设计的技术特点15设计过程的数字化设计过程的自动化和智能化研究动态多变量优化和工程不确定模型优化(模糊优化)、不可微模型优化及多目标优化等优化方法与程序的研究，并进一步发展到广义工程大系统的优化设计的研究网络化并行设计及协同设计技术、方法及软件的研究虚拟设计和仿真虚拟试验及快速成形技术的深入研究面向集成制造和分布式经营管理的设计方法、人员组织及规划的研究微型机电系统的设计理论及设计方法和技术的研究

面向生态环境的绿色设计理论与方法的研究注重基础性设计理论及共性设计技术的深层次研究六、现代设计的发展趋势及研究领域16概念设计定义与概念产品概念设计的创造方法概念设计的内涵概念设计的步骤机械系统概念设计的内容计算机辅助概念设计概念设计（ConceptualDesign）217产品设计过程一般可划分为5个阶段：产品规划总体方案设计——概念设计详细设计工艺设计改进设计

18总体方案设计即称为概念设计。该阶段是由设计人员根据产品的功能要求，构思或创造出产品的原理方案的过程。该阶段，没有尺寸关系的详细要求，目的是根据产品的功能来匹配合适的结构（包括产品原理的构思、结构的设想等）。所以说，概念设计的工作主要是依靠设计人员的创造能力，还有他对艺术的审美能力，以及他的综合能力与设计经验。概念设计（ConceptualDesign）219在概念设计阶段，设计中的不确定性因素很多，设计的可塑性及自由度很大，这一阶段是最能充分发挥设计者创造力的时候。产品设计过程中的概念设计相当于产品过程设计的60%-70%的设计任务。概念设计（ConceptualDesign）220概念产品可以是实物，如油泥制造的实物模型；也可以是借助计算机三维造型技术和虚拟现实技术创造出的数字化产品。概念产品21概念车通常有两种，一种是真正能跑的，另一种是设计的概念模型。都是在向人们展示设计人员新颖、独特、超前的构思。概念车一般都运用了最新的科技成果，代表着未来汽车的发展方向概念车还处在创意、试验阶段，很可能永远不投产。概念车2012年伦敦奥运观光车2223总功能分析原理参数表、方案原理图功能分解功能载体组合功能原理方案(多个)功能元求解原理试验评价决策最优原理方案一、概念设计的步骤24总功能功能元解功能原理方案最佳功能原理方案明确任务黑箱法功能树创造技法形态学矩阵评价法功能元功能设计与功能分析步骤25面向产品创新的概念设计过程组件特征录入需求分析产品创新设计方案评价方案输出详细设计方案展示不满意26三、机械系统概念设计的内容总功能功能分解机械系统方案执行动作分解检测传感功能信息处理及控制功能机械执行系统检测传感系统处理器及I/O系统机械执行系统的组成由一个或多个执行机构组成。执行构件是执行机构的输出构件，其数量及运动形式、运动规律和传动特性等要求，决定了整个执行系统的结构方案。27功能原理设计根据需要制定机械的总功能，拟定实现总功能的工作原理和技术手段，确定机械所要实现的工艺动作运动规律设计通过对工作原理所提出的工艺动作进行分解，决定采用何种运动规律来实现工作原理执行机构型式设计决定选择何种机构实现给定的运动规律执行系统协调设计执行机构型式设计根据工艺过程对各动作的要求，分析各执行机构应当如何协调配合，设计出机械运动循环图确定各执行机构的运动尺寸，绘制出各执行机构的运动简图运动和动力分析检验执行系统是否满足运动要求和动力性能方面的要求方案评价与决策对方案进行定性评价和定量评价并从中选出最佳设计方案28运动规律设计执行系统的运动规律设计通常是对工艺方法和工艺动作进行分析，把其分解成若干个基本动作。工艺动作分解的方法不同，所形成的运动方案也不同。刀具作复合运动刀具与工作台分别运动29执行机构的型式设计12摩擦轮传动平面盘式无级变速器123齿轮—连杆组合机构30执行系统的协调设计送料机构将原料送入模孔上方后，冲头进入模孔进行冲压冲头上移一段距离后，进行下次送料动作折叠包装机构的两个执行构件两个构件不能同时位于区域MAB中，以免干涉。饼干1342饼干21左折边构件饼干32包装纸4右折边构件饼干1342饼干1342饼干1342包装纸右折边构件右折边构件MBA31概念设计工具计算机辅助设计的内容计算机辅助概念设计有待解决的关键技术问题计算机辅助概念设计简称为CACD，即ComputerAidedConceptualDesign四、计算机辅助概念设计32三维参数化造型软件Pro/Engineer；SolidWork；SoftImage；UG；CATIA…

…设计专家系统知识库；推理机；设计规范咨询；评估器；人机界面1、概念设计工具33建立各种类型产品功能库和功能结构表示库建立各种类型产品相关的功能载体库和载体创新方法库——产品信息相关的数据库概念设计的推理——推理机制产品概念设计的评价体系2、计算机辅助设计的内容34基础理论研究设计创新技术研究人机交互技术研究建模技术研究并行和协同设计技术研究智能技术研究3、计算机辅助概念设计有待解决的关键技术问题35并行工程与并行设计3（1）并行工程的运行特征（3）并行设计内涵的技术特征体现（2）并行设计的概念（4）并行设计的关键技术36产品的开发过程是从对产品进行需求分析到产品最终定型的全部过程。具体包括：产品需求分析、概念设计、详细设计、工艺设计和样机试制及测试、最后投产。长期以来，人们开发新产品，都是按照“顺序”的开发过程进行的。也有人称为“串行”开发方式。串行过程，它以Taloy的工程哲理为指导思想，即将产品开发过程细化为一系列串联的工作步骤，由不同的工程技术人员承担，依次执行。

（1）并行工程的提出37传统的串行的产品开发方式概念设计详细设计工艺设计样机试制及测试抛过墙式产品开发方式38串行开发方式的特点信息的传递是顺序进行的；信息传递滞后。缺点：造成了设计的大量改动和产品试制的返工，所以延长了产品的开发周期，同时也增加了开发成本。39随着市场竞争加剧，企业为了能够快速开发新产品，快速响应市场，在上世纪80年代末期，美国和西方一些国家出现了“并行工程”—ConcurrentEngineering(CE)的生产模式。并行工程认为制造系统是一个有机整体，在空间中似乎相互独立的各个制造作业和知识处理单元之间，实质上都存在不可分割的内在联系，特别是有丰富的双向的信息联系。

40市场分析产品设计工艺规划销售服务制造运行产品开发过程中各主要环节间的内在双向信息联系41并行工程的第二个特点就是强调全局性的考虑问题，即产品研制者从一开始就应该考虑到产品全生命周期中的所有因素。第三方面而言，并行工程的实质就是并行设计。并行工程是针对产品开发过程提出的一种崭新的设计哲理，它的目的是缩短产品的开发周期，降低成本、提高产品质量和保证产品设计能够一次成功。42并行工程要求在进行产品设计时，应将时间上存在先后顺序的知识处理（产品开发各环节其实就是不同的知识处理过程）和作业实施转变为同时考虑和尽可能同时处理或并行处理。在产品设计的一开始，就综合考虑后续环节中的各种需要，将可能出现的问题在一开始就消除掉，从而使产品开发能一次成功。43并行的产品开发方式概念设计详细设计工艺设计样机试制及测试产品需求分析44并行的产品开发的特点不同的设计阶段并行进行；信息流是双向的。45（1）并行工程的运行特征并行工程是一种系统工程的方法或哲理，是一种工作模式。其主要特点和运行机理的要点如下：并行特性即把时间上存在先后顺序的知识处理和作业实施转变为同时考虑和尽可能同时处理或并行处理。并行工程与并行设计346整体特性制造系统是一个有机整体，各个制造作业和知识处理单元之间都存在不可分割的内在联系，特别是有丰富的双向的信息联系。强调设计一开始就应该考虑到产品整个生命周期中的所有因素。追求整体最优，甚至可以牺牲局部利益协同特性强调群体协同工作（TeamWork）。因为现代产品越来越复杂，产品开发涉及的学科门类和专业人员越来越多。要实现整体最优，必须由团队协同工作。47集成特性

人员集成：管理者、设计者、制造者、保障者以及用户应集成为一个协调整体。信息集成：产品全生命周期中各类信息的获取、表示和操作信息都集成在一起,组成统一的管理信息系统。如产品信息模型（PIM）和产品数据管理（PDM）。功能集成：产品全生命周期中企业各部门的功能集成以及产品开发企业与外部协作企业之间功能的集成。技术集成：产品开发过程中涉及的多学科知识以及各种技术、方法的集成。形成集成的知识库和方法库，以利并行工程的实施。48（2）并行设计的概念并行工程的实质就是并行设计，即在产品开发的设计阶段就综合考虑产品生命周期，将下游的可靠性、技术性和生产条件等作为设计环节的约束条件，在产品设计的同时考虑其相关过程，包括加工工艺、装配、检测、销售以及维护等其他环节的影响，通过各环节的并行集成，及早发现与其相关过程不匹配的地方，及时修改和完善，达到缩短产品开发周期，提高质量和降低成本的目的。并行工程与并行设计349（3）并行设计内涵的技术特征体现①产品开发过程采用群组工作方式

（TeamWork）打破传统的，按职能部门划分组织结构的形式，组成以产品开发为对象的集成产品开发团队，即IPT(IntegratingProductDevelopmentTeam)，也称多功能开发团队。并行工程与并行设计350传统的组织结构——面向功能的组织结构51现代的组织结构——面向过程的组织结构Teamwork52统一的产品信息模型产品设计全过程中，要处理的信息是多种形式的，既有数字信息，又有非数字信息；既有文字信息，又有图像信息；还有大量知识型信息（概念、标准、规范等），因此，建立统一的产品信息模型是实施并行设计的基础。并行设计的产品信息模型应包含有关产品设计的所有信息，如用户要求、产品功能及各类设计信息（产品几何形状尺寸信息、材料信息和精度信息、加工工艺信息、装配工艺信息、成本信息、售后服务信息）等53在产品开发和设计的工作中，相关信息的表现形式需求功能图计算资料产品目录标准图纸零件表准则规格说明书材料表工具单DINISO并行设计的系统解决方案如何呢？54图纸管理文档管理零件分类产品结构管理BOM生成2D/3D-CADFEMDTP文档保存基于PDM的系统解决方案零件管理查找通知检查归档分类设计计算绘图建立零件表修改55分布式的信息系统和网络化平台并行设计支持在同一时间（或不同时间）内多机、多程序对同一设计并行协同求解，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在多台终端上同时运行，并能够实现相互之间的同步协调与通信。因此，网络化、分布式的信息系统是其必要条件。56开放式的系统界面并行设计系统能够按照产品开发的需要将不同的功能模块集成起来，如CAD/CAPP/CAM/CAX等模块。同时并行设计系统也要与企业其他系统进行频繁的数据交换，如与ERP系统交换成本信息，与FMS交换加工信息等。开放式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，如数据交换文件DXF、交互式图形交换标准IGES、产品建模数据交换标准STEP等是实现与其它系统、模块之间信息交换和数据共享的关键。57（4）并行设计的关键技术之一产品开发过程建模及优化技术并行工程与并行设计3产品开发过程建模运用的基本方法是IDEF（IntegratedComputerAidedManufacturing,ICAMDEFinition）这是由美国空军开发的一套建模分析和设计方法。目前IDEF族共16套方法。58IDEF0——功能建模（FunctionModeling）IDEF1——信息建模（InformationModeling）IDEF1X——数据建模（DataModeling）IDEF2——仿真建模设计(SimulationModelDesign)IDEF3——过程描述获取（ProcessDescriptionCapture）IDEF4——面向对象的设计（OO设计）（Object-OrientedDesign）IDEF5——实体描述获取（OntologyDescriptionCapture）IDEF6——设计理论获取（DesignRationaleCapture）IDEF7——信息系统审核（InformationSystemAuditing）IDEF8——人－系统交互界面设计（UserInterfaceModeling）IDEF9——场景驱动信息系统设计（Scenario-DrivenISDesign）IDEF10——实施体系结构建模（ImplementationArchitectureModeling）IDEF11——信息制品建模（InformationArtifactModeling）IDEF12——组织建模（OrganizationModeling）IDEF13——三模式映射设计（ThreeSchemaMappingDesign）IDEF14——网络设计方法（NetworkDesign）59支持并行设计的计算机框架和信息系统并行设计的实施，必须构建一个分布式协同设计平台，以支持同时同地、同时异地、异时同地、异时异地的多学科小组成员并行、协同工作，这就需要把计算机、网络、分布式数据库操作系统、产品数据管理系统及一些专用的设计方法和工具集成起来，构建一个适应并行设计工作方式的计算机框架。（4）并行设计的关键技术之二60并行设计方式的计算机网络框架61模拟仿真技术传统的产品开发过程是“设计——样机制作——修改设计”的循环过程，不仅样机制作既费时又费工，延长了产品开发周期，而且在样机制作后如果发现设计存在的问题，将会造成巨大的浪费。（4）并行设计的关键技术之三国外一份调查表明，为了纠正某一产品设计中的错误；需增加的花费情况如下：

在设计阶段加以纠正，仅需花费35美元；

在零件加工之前加以纠正，需花费177美元；

在成批生产之前加以纠正，需花费368美元；

如等到产品投放市场后才加以纠正，加以则需花费59000美元。

62模拟仿真技术并行设计的核心是在产品设计阶段就能充分考虑加工、装配，甚至使用、维修这些与产品开发相关的后续过程。并行设计中不是通过费时费工的样机制作来发现可能影响加工、装配、使用、维修的设计错误和缺陷，而是通过计算机模拟仿真（快速样模制作/虚拟制造、虚拟装配结构有限元计算、产品的动静态性能仿真技术及虚拟现实技术）来实现这一目的。并行设计的模拟仿真内容包括：装配过程仿真、加工过程仿真、生产计划和调动仿真以及对产品性能的测试仿真等。（4）并行设计的关键技术之三63产品性能综合评价和决策系统（4）并行设计的关键技术之四、五阅读相关文献，了解并行设计在大型工程项目中的应用情况。并行设计中的协调管理技术实现产品最优化设计必不可少的环节，根据需要“取舍”。主要涉及判断和推理的问题，受到资源和其他环节的限制。常用人工智能的相关理论和方法来进行处理。冲突成为并行设计中的重要现象。为此，必须具有协调管理的支持技术、工具和系统，建立各功能小组及产品部件之间的依赖关系，协调他们的活动，确保将正确的信息，在正确的时间，以正确的方式，送给正确的小组(小组成员)。64可靠性设计4一、可靠性设计的基本概念及内容二、可靠性设计的理论基础三、机械系统的可靠性设计65一、可靠性设计的基本概念及内容可靠性：指产品（包括零件和元器件、整机设备、系统）在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。对于可靠性的理解应注意：明确产品可靠性研究的对象

必须明确产品可靠性所规定的条件

必须明确所规定的时间

必须明确产品所需完成规定的功能

66一、可靠性设计的基本概念及内容可靠性设计：指在产品（包括零件和元器件、整机设备、系统）设计开发阶段运用各种技术与方法，预测和预防产品在制造和使用过程中可能发生的各种偏差、隐患和故障，保证设计一次成功的过程。与传统设计方法比较：传统设计方法一般称之为“安全系数法”。可靠性设计的主要特征是将常规设计中涉及的设计变量都看作是服从某种分布规律的随即变量，用“概率统计方法设计”产品。67一、可靠性设计的基本概念及内容可靠性设计的主要内容可靠性理论基础——概率统计理论；失效物理；可靠性环境技术；可靠性基础实验等。可靠性应用技术——现场数据收集；可靠性评价与验证；可靠性预测技术等。返回68二、可靠性设计的理论基础1、可靠性常用指标可靠度（Reliability）失效率（FailureRate）平均寿命（MeanLife）有效寿命（UsefulLife）维修度（Maintainability）有效度（Availability）69可靠度——

指产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的概率。它是时间的函数，以R(t)表示。若用T表示在规定条件下的寿命（产品首次发生失效的时间），则“产品在时间t内完成规定功能”等价于“产品寿命T大于t”。所以可靠度函数R(t)可以看作事件“T>t”概率，即

其中，f(t)为概率密度函数70失效分布函数——

显然：

——可靠度R(t)可以用统计方法来估计。设有N个产品在规定的条件下开始使用。令开始工作的时刻t取为0，到指定时刻t时已发生失效数n(t),亦即在此时刻尚能继续工作的产品数为N-n(t)，则可靠度的估计值（又称经验可靠度）为：

71失效率——

失效率是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，记为λ,它是时间t的函数,记为λ(t),称为失效率函数,有时也称为故障率函数或风险函数。设在t=0时有N个产品投试，到时刻t已有n(t)个产品失效，尚有N-n(t)个产品在工作。再过Δt时间，即到t+Δt时刻，有Δn(t)=n(t+Δt)-n(t)个产品失效。产品在时刻t前未失效而在时间（t,t＋Δt）内的失效率为：

，单位时间失效频率

72

失效率——

失效率是在时刻t尚未失效产品在t+△t的单位时间内发生失效的条件概率，即：由条件概率公式的性质和时间的包含关系，可知：

73失效率曲线——浴盆曲线（1）早期失效期为递减型。产品使用的早期，失效率较高而下降很快。主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、跑合、起动不当等人为因素所造成的。使产品失效率达到偶然失效期的时间t0称为交付使用点。74失效率曲线——

（2）偶然失效期为恒定型，主要由非预期的过载、误操作、意外的天灾以及一些尚不清楚的偶然因素所造成。由于失效原因多属偶然，故称为偶然失效期。偶然失效期是能有效工作的时期，这段时间称为有效寿命。为降低偶然失效期的失效率而增长有效寿命，应注意提高产品的质量，精心使用维护。75失效率曲线——

（3）耗损失效期，失效率是递增型。失效率上升较快，这是由于产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起，故称为耗损失效期。针对耗损失效的原因，应该注意检查、监控、预测耗损开始的时间，提前维修，使失效率仍不上升。当然，修复若需花很大费用而延长寿命不多，则不如报废更为经济。76维修度——在规定条件下，使用的产品在规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持和恢复到能完成规定功能的概率。

平均寿命——平均寿命又称平均失效时间（MTBF，MeanTimeBetweenFailure），是失效的平均间隔时间，即平均无故障工作时间。有效度——是指可维修的产品，在某时刻具有或者维持其规定功能的概率。即有效度是可靠度和维修度相结合的尺度，是广义的可靠度。77二、可靠性设计的理论基础2、可靠性研究中常用的概率分布指数分布（ExponentialDistribution）正态分布（NormalDistribution）威布尔分布（WeibullDistribution）78指数分布（ExponentialDistribution）概率密度函数可靠度计算公式指数分布的均值失效率为常数79正态分布（NormalDistribution）概率密度函数可靠度计算公式正态分布的主要参数是均值和标准方差，均值决定正态分布的中心倾向或者集中的趋势，即正态分布曲线的位置；标准方差决定正态分布曲线的形状，表征分布的离散程度。80威布尔分布（WeibullDistribution）概率密度函数可靠度计算公式威布尔分布的主要参数有形状参数b、尺度参数θ和位置参数γ。位置参数只影响曲线的起点位置，当γ＝0时，曲线的起点在坐标原点，当γ<0时，起点在坐标轴的负γ处，当γ>0时，起点在坐标轴的正γ处，对曲线的形状没影响。对于形状参数，当b<1时，它可以描述零件的早期失效分布，此时失效率曲线和早期失效阶段的曲线形状相似；当b＝1时，曲线呈指数分布形状，其形状与偶尔失效阶段的曲线形状相似；当b>1时，失效率曲线与耗损阶段的曲线形状相似。81应力、强度定义在机械产品中，广义的应力是引起失效的负荷，强度是抵抗失效的能力。由于影响应力和强度的因素具有随机性，所以应力和强度具有分散特性。影响应力的因素——影响应力的主要因素有所承受的外载荷、结构的几何形状和尺寸，材料的物理特性等。影响强度的因素——影响强度的主要因素有材料的机械性能、工艺方法和使用环境等。二、可靠性设计的理论基础3、应力-强度干涉模型及可靠度计算82应力－强度干涉模型在机械产品中，零件（部件）是正常还是失效决定于强度和应力的关系。当零件（部件）的强度大于应力时，其能够正常工作；当零件（部件）的强度小于应力时，其发生失效。因此，要求零件（部件）在规定的条件下和规定的时间内能够承载，必须满足以下条件S——零件（部件）的强度；s——零件（部件）的应力。83实际工程中的应力和强度都是呈分布状态的随机变量，把应力和强度的分布在同一座标系中表示。当强度的均值大于应力的均值时，在图中阴影部分表示的应力和强度“干涉区”内就可能发生强度小于应力——即失效的情况。这种根据应力和强度干涉情况，计算干涉区内强度小于应力的概率（失效概率）的模型，称为应力-强度干涉模型。应力－强度干涉模型84在应力-强度干涉模型理论中，根据可靠度的定义，强度大于应力的概率可表示为：当应力为s0时，强度大于应力的概率为：应力s0处于ds内的概率为：应力－强度干涉模型85假设与为两个独立的随机事件，因此两独立事件同时发生的概率为因为上式为应力区间内的任意值，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。

应力－强度干涉模型86应力分布的确定应力受到很多因素的影响，用数学表达式表示为S=f（L，T，A，p，t，m）L——载荷；T——温度；A——几何尺寸变量，如长度、截面积、转动惯量等；p——物理性质变量，如弹性模量、泊松比、热膨胀系数等；t——时间；m——其它。87强度分布的确定建立与失效应力判据相对应的强度判据，常用的强度判据有最大正应力强度判据、最大剪应力强度判据、最大变形能强度判据等。确定名义强度。名义强度指在标准试验条件下确定的试件强度，常用名义强度有强度极限、屈服极限、疲劳极限、变形、变形能和磨损（腐蚀）量等。用适当的修正系数修正名义强度，通常考虑的修正系数有尺寸系数、表面质量系数、应力集中系数等。确定强度方程中所有参数和系数的分布，通过概率运算、矩法或蒙特卡落法得到相应的强度分布。88可靠度的计算方法应力和强度均为正态分布利用应力-强度干涉理论，可靠度定义为强度大于应力的概率：当应力和强度均为正态分布时，有由于应力和强度均为正态分布，根据正态分布的和（差）仍为正态分布的性质，安全余量Z也为正态分布：89可靠度计算

将上式化为标准正态分布形式90式中：

从式可知，当已知应力和强度的分布参数后，就可从正态分布表查得可靠度。因此上式把应力分布参数、强度分布参数和可靠度直接联系起来，称之为“连接方程”。91常用概率分布的可靠度计算公式92

常用概率分布的可靠度计算公式返回93可靠性设计4三、机械系统的可靠性设计94三、机械系统的可靠性设计系统的可靠性在很大程度上取决于零部件的可靠性。对于产品其整体的可靠性取决于组成产品的各个零件和部件的可靠性，因此，当注重于产品内部功能关系时，其整体的可靠性需要根据组件的构成关系加以确定。依据系统（产品）的构成关系，系统可靠性分析模型分为（1）串联系统，（2）并联系统，（3）混联系统。95（1）串联系统系统中各个组件全部工作正常时，系统才正常；当系统中有一个或一个以上的组件失效时，系统就失效，这样的系统就称串联系统。设系统构成组件的可靠度分别为：系统要正常工作，必须各组成单元都正常工作，则有：96系统正常工作的概率为各单元概率之积，因此由于对于串联系统，提高系统的可靠度，可以通过两个途径：1）提高各组成单元的可靠度2）降低各组成单元的失效率97（2）并联系统设组成单元的可靠度分别为相应单元的失效（故障）概率分别为并设并联系统的失效（故障）概率为Qs系统中的组成单元，只要其中一个工作正常，则系统就正常工作，只有全部组件都失效时，系统才失效，这样的系统就称并联系统。98依据并联系统的定义,并联系统中不正常事件是“交”的关系，系统要不正常工作,必须各组成单元都不正常工作,则有系统不正常工作的概率为各单元不正常工作概率之积，因此由于99可靠性指标的分配问题，是可靠性预计的逆过程，即在已知系统可靠性指标时，如何考虑和确定其组成单元的可靠性指标值。所以，所谓可靠性分配就是把系统的可靠性指标对系统中的子系统或部件进行合理分配的过程。可靠性分配的原则1）子系统复杂程度

2）子系统重要程度3）子系统运行环境4）子系统任务时间5）子系统研制周期（3）系统的可靠性分配100可靠性分配的注意事项对于个别研制周期长的单元，允许反复改进设计的时间较紧，在分配指标时应适当放宽。可靠性分配一般还要受费用、重量、尺寸等条件的约束。因此如何在重量、体积和成本等一些限制条件下，使产品的可靠性分配方案更为合理，也是可靠性分配要考虑的问题之一。可靠性分配的目的最终都是力求以最小的代价来达到系统可靠性的要求。可靠性分配的一般方法，经过由元件到组件，由组件到整机，由整机到系统进行逐级计算。101可靠度分配方法之一——等同分配法全部子系统或各组成单元的可靠度相等。2）并联系统的可靠度分配串联系统的失效率的分配1）串联系统的可靠度分配102可靠度分配方法之二——按预计失效率的比例分配法该可靠度分配方法适用于设计阶段的可靠度分配，子系统的寿命服从指数分布。引入相对失效率可靠度分配T为系统任务时间；ti为装置工作时间；Ei为装置的重要度；λS表示该装置的故障会导致系统故障的概率。103可靠度分配方法之三——按复杂度和重要度的分配法该方法假定设备的故障时间符合指数分布。这一假设对大部分系统和整机均适合。复杂度——各装置的基本组成单元数，反映了各装置的复杂程度。重要度——第i个装置的重要度定义为第i个装置的故障引起系统发生故障的概率：104失效率分配可靠度分配该方法是一种比较实用的可靠度分配方法。它考虑了各单元的复杂性、重要性及工作时间等的差别。但它要求各单元工作期间的失效率为一常数，且作为互相独立的串联系统。105（4）系统可靠性优化——机械系统可靠性优化设计实现策略1）耦合优化策略：直接求解系统可靠性优化设计整体数学规划模型；适用于规模不大的机械系统的可靠性优化设计。2）分解协调优化策略：将单元可靠性优化设计模型和系统可靠性优化分配模型联立迭代求解。3）分散优化策略：将单元可靠性优化设计模型和系统可靠性优化分配模型分别独立求解。——后二者适用于规模较大的机械系统可靠性优化设计106——系统可靠性优化的目标1）通过选择每一级合适的可靠度值，使系统的可靠度最大。2）在满足系统最低限度可靠度要求的同时，使系统的“费用”为最小。3）通过增加某个或某几个特定子系统里的冗余部件，使系统的可靠度最大。107问题1:问题2：当要求费用约束条件下，寻求最优的冗余数，使系统的可靠度为最大时，采用以下数学模型：108问题3：当要求系统可靠度等于或小于所希望的水平的约束条件下，使系统的费用最小的数学模型：问题4：对于非串联、并联等复杂的数学模型返回109反求设计与反求工程5一、反求工程技术概述二、反求工程的研究对象及内容四、计算机辅助的实物反求设计方法三、反求设计的程式与研究方法110反求工程是将数据采集设备获取的实物样件表面或内腔数据，输入专门的数据处理软件或带有数据处理能力的三维CAD软件进行处理和三维重构，在计算机上复现实物样件的几何形状，并在此基础上进行原样复制，修改或重设计。该方法主要用于对难以精确表达的曲面形状或未知设计方法的构件形状进行三维重构和再设计。一、反求设计（ReverseDesign）概念111应用阶段——一般只考虑购买先进的机器设备，目的是利用这些设备在生产过程中发挥作用，做到“知其然”；消化阶段——对引进的机器设备或产品进行深入的分析研究，以科学的理论和先进的测试设备对其性能进行研究，这一阶段的主要目的是仿制引进的先进设备或产品，做到“知其所以然”；创新阶段——在综合消化引进的机器设备或产品、先进技术的基础上，利用各种设计制造手段，对原有技术进行改进、创新，以求设计、制造出在技术、性能等方面更好、市场竞争能力更强的产品。反求工程一般可分为应用、消化和创新三个阶段112反求设计是以先进的实物、软件（图样、程序和技术文件等）或影像（图片和照片等）作为研究对象，应用现代设计的理论方法、工程材料和材料科学等有关专业知识，进行系统的分析研究，探索并掌握其关键技术，进而开发出同类型的新产品。返回113二、反求工程的研究对象与内容114实物类：主要是指先进产品设备的实物本身；软件类：包括先进产品设备的图样、程序、技术文件等；影像类：包括先进产品设备的图片、照片或以影像形式出现的资料。1、反求工程的研究对象115根据反求对象为实物、影像或软件的不同，在形体几何尺寸的确定时，所选用的方法也有所不同。若是实物反求，则可通过常用的测量设备如万能量具、投影仪、坐标机等对产品直接进行测量，以确定形体几何尺寸；若是软件和影像反求，则可采用参照物对比法，利用透视成像的原理和作图技术，并结合人机工程学和相关的专业知识，通过分析计算来确定形体几何尺寸。116从设计角度而言，反求工程的研究内容主要包括：

（1）分析引进产品的设计指导思想；

（2）功能和原理方案分析；

（3）结构与形体几何尺寸分析；

（4）精度分析；（5）材料分析；

（6）工艺分析；

（7）外观造型设计分析；（8）使用和维修分析；（9）包装技术分析。2、反求工程的研究内容117（1）反求对象设计指导思想、功能原理方案分析产品的设计指导思想决定了产品的设计方案，深入分析并掌握产品的设计指导思想是分析、了解整个产品设计的前提。反求对象的功能了解，有助于分析、理解和掌握产品原理方案，才有可能在进行反求设计时得到基于原产品而又高于原产品的原理方案。

118（2）反求对象材料的分析反求对象材料的分析包括了材料成分的分析、材料组织结构的分析和材料的性能检测等。材料成分分析方法常用的有：钢种的火花鉴别法，钢种听音鉴别法，原子发射光谱分析法，红外光谱分析法和化学分析微探针分析技术等；材料的结构分析主要是分析研究材料的组织结构、晶体缺陷及相之间的位相关系，可分为宏观组织分析和微观组织分析；性能检测主要是检测其力学性能和磁、电、声、光、热等物理性能119反求对象材料分析的一般过程120（3）反求对象工艺、装配分析反求设计和反求工艺是相互联系的，缺一不可。在缺乏制造原型产品的先进设备与先进工艺方法和未掌握某些技术诀窍的情况下，对反求对象进行工艺分析通常采用以下几种常用的方法：

l）采用反判法编制工艺规程。以零件的技术要求如尺寸精度、形位公差、表面质量等为依据，查明设计基准，分析关键工艺，优选加工工艺方案，并依次由后向前递推加工工序，编制工艺规程。

1212）改进工艺方案，保证引进技术的原设计要求。在保证引进技术的设计要求和功能的前提条件下，局部地改进某些实现较为困难的工艺方案。对反求对象进行装配分析主要是考虑用什么装配工艺来保证性能要求、能否将原产品的若干个零件组合成一个部件及如何提高装配速度等等。

3）用曲线对应法反求工艺参数。先将需分析的产品的性能指标或工艺参数建立第一参照系，以实际条件建立第二参照系，根据已知点或某些特殊点把工艺参数及其有关的量与性能的关系拟合出一条曲线，并按曲线的规律适当拓宽，从曲线中找出相对于第一参照系性能指标的工艺参数，就是需求的工艺参数。

1224）材料国产化，局部改进原型结构以适应工艺水平由于材料对加工方法的选择起决定性作用，所以，在无法保证使用原产品的制造材料时，或在使用原产品的制造材料后，工艺水平不能满足要求时，可以使用国产化材料，以适应目前的工艺水平。

123（4）反求对象精度的分析产品的精度直接影响到产品的性能，对反求分析的产品进行精度分析，是反求分析的重要组成部分。反求对象精度的分析包括了反求对象形体尺寸的确定、精度的分配等内容。

产品精度分配需根据产品的精度指标、整体技术条件与产品的工作原理图，综合考虑生产的技术水平、产品生产的经济性和国家技术标准等。124（5）反求对象造型的分析

产品造型设计是产品设计与艺术设计相结合的综合性技术。其主要目的是运用工业美学、产品造型原理、人机工程学原理等对产品的外形构型、色彩设计等进行分析，以提高产品的外观质量和舒适方便程度。

例如，在数控系统的设计中，就要充分考虑到数控系统的显示器的布局问题，图形显示和汉字显示问题，数控系统操作面板的造型问题、色彩问题，各个功能操作按键的造型、色彩、布局问题等。125（6）反求对象系列化、模块化分析。分析反求对象时，要做到思路开阔，要考虑到所引进的产品是否已经系列化了，是否为系列型谱中的一个，在系列型谱中是否具有代表性，产品的模块化程度如何等具体问题，使在设计制造时少走弯路，提高产品质量，降低成本，生产出多品种、多规格、通用化较强的产品，提高产品的市场竞争力。

返回126三、反求设计的程式与研究方法1271、反求设计的程式1281）分析需求，明确反求设计的目的；2）对所进行分析的产品进行功能上和结构