現(xiàn)代機械設計理論與方法

1、現(xiàn)代機械設計理論與方法,陳時錦：sjchen@hit.edu.cn機械制造及其自動化系,第一章 概 述,課程教學的目的培養(yǎng)學生運用現(xiàn)代先進的設計理論和方法解決工程問題的能力。教學內(nèi)容現(xiàn)代設計理論：重點內(nèi)容為系統(tǒng)分析法及創(chuàng)造性思維。現(xiàn)代設計方法：重點內(nèi)容為有限元分析、優(yōu)化設計和反求工程設計。,,1.1 傳統(tǒng)設計與現(xiàn)代設計及其范疇,一 傳統(tǒng)設計與現(xiàn)代設計1 設計的起源和設計技術(shù)的傳遞手工藝人的設計及技術(shù)傳遞師傅——徒弟（

2、實用的）傳統(tǒng)設計技術(shù)的傳遞圖紙、經(jīng)驗、類比（實驗為基礎的）現(xiàn)代設計理論體系的建立與發(fā)展仿真、理論分析（分析實驗結(jié)合的）,,1.1 傳統(tǒng)設計與現(xiàn)代設計及其范疇,一 傳統(tǒng)設計與現(xiàn)代設計2 產(chǎn)品屬性變化對設計的要求（傳統(tǒng)產(chǎn)品與現(xiàn)代產(chǎn)品）產(chǎn)品的使用屬性產(chǎn)品的社會屬性產(chǎn)品的服務屬性海爾是如何賺錢的？你把保險公司的產(chǎn)品放到哪里去了？3 現(xiàn)代設計與傳統(tǒng)設計的根本區(qū)別手工的、靜態(tài)的、經(jīng)驗的設計，被動地分析產(chǎn)品的性能計算機化的、

3、動態(tài)的、科學的設計，主動地設計產(chǎn)品的性能,,1.1 傳統(tǒng)設計與現(xiàn)代設計及其范疇,二 現(xiàn)代設計的范疇1 信息論方法 , 如信息分析法、技術(shù)預測法等。它是現(xiàn)代設計方法的前提。2 系統(tǒng)論方法 , 如系統(tǒng)分析法、人機工程以及面向產(chǎn)品生命周期的設計。3 控制論方法 , 如動態(tài)分析法等。4 優(yōu)化論方法 , 它是現(xiàn)代設計方法的目標。5 對應論方法 , 如相似設計、反求工程設計等。6 智能論方法 , 如 CAE 、并行工程、人工智能等。是現(xiàn)

4、代設計方法的核心。7 壽命論方法 , 如可靠性設計、價值工程和穩(wěn)健性設計等。8 離散論方法 , 如有限元和邊界元方法。9 模糊論方法 , 如模糊評價和決策等。10 突變論方法 , 如創(chuàng)造性設計等。它是現(xiàn)代設計方法的基礎。11 藝術(shù)論方法 , 如藝術(shù)造型等。,,1.2 設計過程和設計技術(shù)簡述,設計方法的研究內(nèi)容設計素質(zhì)的培養(yǎng)做合格的設計人員設計步驟和程式組織和執(zhí)行設計解決具體問題的方法和手段科學而嫻熟的方法,,1.2

5、 設計過程和設計技術(shù)簡述,一 機械設計過程簡述1 基本設計步驟調(diào)查研究方案設計工作圖設計樣機試制與鑒定2 系統(tǒng)分析設計模式3 創(chuàng)造性設計模式,,1.2 設計過程和設計技術(shù)簡述,二 設計技術(shù)知識維邏輯維時間維三 機械結(jié)構(gòu)設計,,第二章 系統(tǒng)分析設計方法,傳統(tǒng)設計方法的缺陷孤立、靜止地分析問題得到的結(jié)論具有片面性和局部性增加系統(tǒng)的實現(xiàn)難度和成本失敗的案例分析：某大型企業(yè)的技術(shù)引進——XX壓力機設計現(xiàn)代設計方法

6、注重產(chǎn)品設計的全過程注重分析系統(tǒng)內(nèi)部單元的相對關(guān)系從功能分析入手解決產(chǎn)品方案設計,,2.1 技術(shù)系統(tǒng)的組成和處理對象,系統(tǒng)的組成系統(tǒng)單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)邊界條件輸入和輸出的要素,,2.2 系統(tǒng)分析設計方法,系統(tǒng)分析設計的內(nèi)容系統(tǒng)設計系統(tǒng)制造系統(tǒng)運行系統(tǒng)分析設計涉及到產(chǎn)品開發(fā)和運行的所有環(huán)節(jié)，甚至包括產(chǎn)品的售后服務和產(chǎn)品失效（報廢）后處理，所以系統(tǒng)分析設計不是單純的產(chǎn)品設計。,,2.2 系統(tǒng)分析設計方法,一 設計過程剖析1

7、 產(chǎn)品規(guī)劃重要度：極高。極少數(shù)人行為確定，受控度低，無補救措施。2 方案設計重要度：高。少數(shù)人行為確定，受控范圍小，補救困難。3 技術(shù)設計重要度：中。較多人行為確定，受控范圍大，較易補救。4 施工設計重要度：低。受控度高，一般能及時發(fā)現(xiàn)，易補救。工程設計中，大多數(shù)人理解施工設計十分重要，其原因是施工設計是十分費時而細致的工作，而且多數(shù)人只能看到施工設計或只有看見施工設計的能力。,,2.2 系統(tǒng)分析設計方法,二 產(chǎn)品規(guī)劃

8、明確所設計系統(tǒng)的目的、任務和要求撰寫設計任務書目的：提供設計、評價和決策的依據(jù),,2.2 系統(tǒng)分析設計方法,二 產(chǎn)品規(guī)劃1 市場需求分析1) 消費者對產(chǎn)品功能、性能、質(zhì)量和數(shù)量等的具體要求2) 現(xiàn)有類似產(chǎn)品的銷售情況和銷售趨勢 3) 競爭對手在技術(shù)、經(jīng)濟方面的優(yōu)缺點及發(fā)展趨向 4) 主要原料、配件和半成品的現(xiàn)狀、價格及變化趨勢等,,2.2 系統(tǒng)分析設計方法,二 產(chǎn)品規(guī)劃2 可行性分析1) 技術(shù)分析——系統(tǒng)實現(xiàn)的難點和

9、創(chuàng)新點2) 經(jīng)濟分析——成本、性能價格比分析3) 社會分析——產(chǎn)品開發(fā)的經(jīng)濟效益和社會效益,,2.2 系統(tǒng)分析設計方法,二 產(chǎn)品規(guī)劃3 可行性分析報告的內(nèi)容1) 產(chǎn)品開發(fā)的必要性 、市場調(diào)查和預測情況 2) 有關(guān)產(chǎn)品的國內(nèi)外水平及發(fā)展趨勢 3) 從技術(shù)上預期能達到的水平4) 需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題 5) 經(jīng)濟效益、社會效益的分析 6) 投資費用及時間進度計劃 7) 現(xiàn)有條件下開發(fā)的可能性及準備采取的措施,,2.2 系

10、統(tǒng)分析設計方法,二 產(chǎn)品規(guī)劃4 設計要求的擬定1) 產(chǎn)品功能和性能2) 設計參數(shù)和相關(guān)的指標 3) 制造及使用等方面的限制條件,,2.2 系統(tǒng)分析設計方法,三 方案設計1 功能分析和原理方案擬定1) 功能分析2) 創(chuàng)造性設計 3) 分析——綜合——評價,,2.2 系統(tǒng)分析設計方法,三 方案設計2 功能分析的目的1) 啟發(fā)創(chuàng)造性 2) 全面掌握對產(chǎn)品各方面的要求 3) 避免設計的盲目性 4) 全面考慮功能和成本的

11、關(guān)系功能分析,,2.2 系統(tǒng)分析設計方法,三 方案設計3 功能的分類1) 基本功能和輔助功能 手機的功能分析2) 必要功能和不必要功能 短命的產(chǎn)品——金長城家用電腦的功能分析3) 使用功能和外觀功能 二十年來服裝的變化趨勢或潮流,,2.2 系統(tǒng)分析設計方法,三 方案設計4 依據(jù)功能的設計1) 參考有關(guān)資料、專利或產(chǎn)品求解 2) 利用各種創(chuàng)造性方法以開闊思想來探尋解法3) 采用形態(tài)綜合法或相關(guān)表和

12、相關(guān)網(wǎng)法進行組合,,2.2 系統(tǒng)分析設計方法,三 方案設計5 功能分析設計法舉例1) 挖掘機的原理方案設計,,2.2 系統(tǒng)分析設計方法,三 方案設計5 功能分析設計法舉例2) 電子皮帶秤的原理方案設計,,2.2 系統(tǒng)分析設計方法,四 方案設計舉例瓶蓋整列裝置的原理方案設計,,2.2 系統(tǒng)分析設計方法,四 方案設計舉例原理方案設計,,2.2 系統(tǒng)分析設計方法,四 方案設計舉例原理方案設計,,第三章 創(chuàng)造性設計方法,什么是創(chuàng)造

13、建立新系統(tǒng)的過程狹義創(chuàng)造廣義創(chuàng)造個體創(chuàng)造力創(chuàng)造性設計競爭力與創(chuàng)造性的關(guān)系典型企業(yè)特征Wintel——用新產(chǎn)品進行“搶劫”麥當勞和肯德基——為什么會虧損？,,3.1 創(chuàng)造力和創(chuàng)造過程,一 培養(yǎng)創(chuàng)造力的條件創(chuàng)造力的培養(yǎng)1) 豐富的知識和經(jīng)驗——知識和經(jīng)驗是創(chuàng)造的基礎 , 是智慧的源泉。創(chuàng)造就是用已有的知識為前提去開拓新的知識。淺談水變油——沒有知識的創(chuàng)新只能是滑稽的創(chuàng)新淺談海水變油——1升海水所蘊含的能量相當于30

14、0升汽油,,3.1 創(chuàng)造力和創(chuàng)造過程,一 培養(yǎng)創(chuàng)造力的條件創(chuàng)造力的培養(yǎng)2) 高度的創(chuàng)造精神——創(chuàng)造性思維能力并不是與知識量簡單地成比例的 , 還需要有強烈的參與創(chuàng)造的意識和動力。少年牛頓萊特兄弟孫圣和教授與博士生培養(yǎng),,3.1 創(chuàng)造力和創(chuàng)造過程,一 培養(yǎng)創(chuàng)造力的條件創(chuàng)造力的培養(yǎng)3) 健康的心理品質(zhì)——要有不怕困難、刻意求新、百折不撓的堅強意志。愛迪生與諾貝爾墻頭漫步的精神病人,,3.1 創(chuàng)造力和創(chuàng)造過程,一 培養(yǎng)創(chuàng)造力

15、的條件創(chuàng)造力的培養(yǎng)4) 科學而嫻熟的方法——必須掌握各種創(chuàng)造技法和其他的工程技術(shù)研究方法。馮康教授與有限元法,,3.1 創(chuàng)造力和創(chuàng)造過程,一 培養(yǎng)創(chuàng)造力的條件創(chuàng)造力的培養(yǎng)5) 嚴謹而科學的管理——創(chuàng)造需要引發(fā)和參與 ,也需要對其每個階段或步驟進行嚴謹而科學的管理, 這也是促進創(chuàng)造發(fā)明的實現(xiàn)的因素之一。淺談神州飛船,,3.1 創(chuàng)造力和創(chuàng)造過程,一 培養(yǎng)創(chuàng)造力的條件創(chuàng)造力的培養(yǎng)1) 要克服思想僵化和片面性 , 樹立辯證觀點。

16、2) 要擺脫傳統(tǒng)思想的束縛 , 不盲目相信權(quán)威等。3) 要消除不健康的心理 , 如膽怯和自卑。4) 要克服妄自尊大的排他意識 , 注意發(fā)揮群體的創(chuàng)造意識等。從過高空懸索看我們自身的心理弱點。從同學到上司。我看文化革命。,,3.1 創(chuàng)造力和創(chuàng)造過程,二 創(chuàng)造發(fā)明過程分析準備階段——提出問題、搜集材料、定向科學分析等。創(chuàng)造階段——構(gòu)思、頓悟和發(fā)現(xiàn)等。整理結(jié)果階段——驗證、評價和公布等。尺有所短，寸有所長——談創(chuàng)造發(fā)明中的

17、人才任用,,3.1 創(chuàng)造力和創(chuàng)造過程,二 創(chuàng)造發(fā)明過程分析1 意念什么是意念及意念的獲取方法值得研究？值得改進？也許能實現(xiàn)？顧客需要的不是這個？顧客需要的也許是這個？下屬對我的做法不滿意？上級對我的工作不滿意？同級覺得和我溝通困難？客戶對我不滿意？客戶流失？,,3.1 創(chuàng)造力和創(chuàng)造過程,二 創(chuàng)造發(fā)明過程分析2 概念報告（廣義的履歷表、計劃表）概念報告的內(nèi)容概念報告的修正概念報告的作用,,3.1 創(chuàng)造力和創(chuàng)

18、造過程,二 創(chuàng)造發(fā)明過程分析3 可行模型4 工程模型5 可見模型從可視化到虛擬制造6 樣品原型 7 小批生產(chǎn),,3.2 創(chuàng)造性思維,創(chuàng)造性思維和創(chuàng)造技法是創(chuàng)造的核心常規(guī)思維的主要特點常規(guī)性——即習慣性、通常性單向性——即只向常規(guī)的習慣方向思考單一性——即只考慮一種方案、一種思路邏輯性——即通常的邏輯思維范疇等創(chuàng)造性思維的主要特點獨特性——即與眾不同 多向發(fā)散性——即立體性思維、多答案 非邏輯性——即出人意

19、料 連動性——即由此及彼性綜合性——創(chuàng)造是多種思維方式的綜合 , 在綜合中創(chuàng)新,,3.2 創(chuàng)造性思維,一 發(fā)散思維與收斂思維發(fā)散思維是一種讓思路向多方向、多數(shù)量全面展開的立體型、輻射型的思維方式。收斂思維是指針對由發(fā)散思維所提出的各種方案 , 分別逐一地進行討論 , 做出比較、評價 和選擇 , 將問題集中到使它獲得解決的某一種或某幾種方案上 , 并最終使問題獲得解決的思維 過程。發(fā)散思維和收斂思維都具有它們各自的特點 , 缺一

20、不可。,,3.2 創(chuàng)造性思維,二 想像想像是人腦在過去的感知的基礎上對所感知的形象進行加工、改造，創(chuàng)建出新形象的過 程。是對沒有關(guān)聯(lián)的事物經(jīng)過重新組合、搭配 , 構(gòu)成新的有聯(lián)系的事物的思維過程。消極想像和積極想像再造想像、創(chuàng)造想像和憧憬,,3.2 創(chuàng)造性思維,三 靈感人們在創(chuàng)造活動中 , 有時長期冥思苦想 , 找不出好的辦法去解決問題 , 但在某種情況下卻恍然大悟 , 問題迎刃而解。這種現(xiàn)象稱為靈感。靈感具有突發(fā)性、目標性、

21、獨創(chuàng)性、隨機性和瞬時性的特點 , 是創(chuàng)造性思維中作用巨大的一種思維形式 , 是創(chuàng)造活動中達到最高階段出現(xiàn)的一種最富有創(chuàng)造性的心理狀態(tài)。,,3.2 創(chuàng)造性思維,三 靈感在長期積累的前提下偶然得之； 在有意追求的過程中元意得之；在循常思維的基礎上反常得之 ；在良好的精神狀態(tài)下怡然得之；在和諧的環(huán)境中欣然得之。,,3.3 創(chuàng)造技法,一 列舉法希望列舉法電冰箱的冷藏冷凍區(qū)域劃分缺點列舉法單放機的發(fā)明故事特性列舉法專賣店與超

22、市,,3.3 創(chuàng)造技法,二 智爆法（集體聯(lián)想方式 ）會議要求人員、計劃解決的問題確定會議原則創(chuàng)新、聆聽、贊賞實施程序氣氛、主持人技巧,,3.3 創(chuàng)造技法,三 提問追溯法5W1HWhen?Where?Who?What?Why?How?二維微位移工作臺的工程圖設計問題舉例,,3.3 創(chuàng)造技法,三 提問追溯法奧斯本檢核表法 1) 可否將產(chǎn)品的形狀、制造方法等加以改變 ? 2) 可否另作他用 ?3) 有無其他

23、更佳設想 ?4) 改變一下如何 ?5) 放大如何 ?6) 縮小如何 ?7) 用別的替代如何 ?8) 反之如何 ?9) 組合起來如何 ?,,3.3 創(chuàng)造技法,四 反向探求和向前推演法反向探求法對現(xiàn)有的解決方案系統(tǒng)地加以否定或?qū)ふ移渌纳踔料喾吹囊幻?, 找出新的解法或啟發(fā)新的想法。向前推演法從一個最初的設想按一定方向逐步向前探索 , 尋找新的想法。,,3.3 創(chuàng)造技法,五 聯(lián)想類推法相似聯(lián)想法河蚌育珠、牛黃抽象類

24、比法噴氣發(fā)動機與沙漠中的沙丘借用法、仿生法蜂窩結(jié)構(gòu),,3.3 創(chuàng)造技法,六 組合法主體附加手機和收音機異類組合手表和U盤同類組合DVD和VCD分解組合 前掠翼飛機單兵飛行器輻射組合——納米技術(shù)坐標組合——北京某肉制品廠的起死回生,,3.3 創(chuàng)造技法,七 功能分析法八 同中求異與異中求同對于熟悉的事物 把它看成是 “陌生的”清華校訓 “自強不息，厚德載物”：出自《周易》：“天行健，君子以自強不息”

25、、“地勢坤，君子以厚德載物” 。哈工大校訓“規(guī)格嚴格，功夫到家” ：航天人的精神被概括為：特別能吃苦，特別能戰(zhàn)斗，特別能攻關(guān)，特別能奉獻。 對陌生的事物持 “熟悉的” 態(tài)度 快速虎鉗的設計案例,,第四章 機械可靠性設計,什么是可靠性可靠性能不能被量化可靠、不可靠；十分可靠、很不可靠；可靠度達到99.99%??可靠性與合格可靠性的代價數(shù)據(jù)的獲取代價產(chǎn)品失效的代價,,4.1 關(guān)于機械可靠性設計的幾個問題,一 為什么要

26、研究可靠性的問題由于市場競爭激烈 , 產(chǎn)品 更新快 , 許多新元件、新材料、新工藝等未及成熟試驗就被采用 , 因而造成故障。隨著產(chǎn)品或系統(tǒng)日益向大容量、高性能參數(shù)發(fā)展 , 尤其是機電一體化技術(shù)的發(fā)展 , 使 整機或系統(tǒng)變得復雜 , 零、部件的數(shù)量大增 , 致使其發(fā)生故障的機會增多 , 往往由于一個小零 件、小裝置的失效而釀成大事故。為了維護用戶的利益 , 在一些工業(yè)國家中實行產(chǎn)品責任索賠辦法。 產(chǎn)品或系統(tǒng)可靠性的提高可使用戶獲得

27、較大的經(jīng)濟效益和社會效益。,,4.1 關(guān)于機械可靠性設計的幾個問題,二 我國機電產(chǎn)品可靠性現(xiàn)狀可靠性差汽車電子產(chǎn)品芯片的生產(chǎn)方式阻礙新技術(shù)的應用航天研究中的新技術(shù)應用,,4.1 關(guān)于機械可靠性設計的幾個問題,三 為什么會出現(xiàn)可靠性問題安全系數(shù)為主的機械設計方法計算安全系數(shù)時認為材料的強度 F 和零件所承受的應力 S 都是取單值的坦克的設計問題坦克的戰(zhàn)場壽命坦克的損壞方式,,4.1 關(guān)于機械可靠性設計的幾個問題,三

28、為什么會出現(xiàn)可靠性問題可靠性設計 假設強度分布和應力分布都是正態(tài)分布,,4.1 關(guān)于機械可靠性設計的幾個問題,三 為什么會出現(xiàn)可靠性問題,,4.1 關(guān)于機械可靠性設計的幾個問題,四 機械可靠性設計的內(nèi)容可靠性理論基礎。如可靠性數(shù)學 , 可靠性物理 , 可靠性設計技術(shù)、可靠性環(huán)境技術(shù) , 可靠性數(shù)據(jù)處理技術(shù) , 可靠性基礎實驗以及人在操作過程中的可靠性等?？煽啃詰眉夹g(shù)。如使用要求調(diào)查 , 現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集和分析 , 失效分析 , 零

29、件、機器和系統(tǒng) 的可靠性設計和預測 , 軟件可靠性 , 可靠性評價和驗證 , 包裝、運輸、保管和使用的可靠性規(guī)范 , 可靠性標準等。,,4.2 可靠性的概念和指標,可靠性：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。故障：產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能。維修度：可以維修的產(chǎn) 品在規(guī)定條件下使用，在規(guī)定的時間內(nèi)按規(guī)定的程序和方法進行維修時 ， 保持或恢復到能完成 規(guī)定功能的能力。有效度：可以維修的產(chǎn)品在某時刻所具有的或能維持規(guī)定功能的能力。

30、,,4.2 可靠性的概念和指標,產(chǎn)品完成的規(guī)定功能1) 性能不超過規(guī)定范圍的 “性能可靠性”2) 結(jié)構(gòu)不斷裂破損 的 “結(jié)構(gòu)可靠性”3) 狹義可靠性和廣義可靠性,,4.2 可靠性的概念和指標,可靠性的指標1) 可靠度 (Reliability)2) 失效率或故障率 (Failure Rate)3) 平均壽命 (Mean Life)4) 有效壽命 (Useful Life)5) 維修度 (Maintainability)

31、6) 有效度 (Availability)7) 重要度 (Importance),,4.2 可靠性的概念和指標,一 可靠度和失效率可靠度——是時間的函數(shù)故障 ( 失效 ) 概率,,4.2 可靠性的概念和指標,一 可靠度和失效率故障概率密度函數(shù),,4.2 可靠性的概念和指標,一 可靠度和失效率故障分布函數(shù)（累計故障概率密度函數(shù)）可靠度失效率,,4.2 可靠性的概念和指標,二 三種失效率——失效模式隨機失效——指數(shù)分布

32、失效概率為常數(shù)功能失效——正態(tài)分布零件的疲勞壽命和強度——韋布爾分布,,4.2 可靠性的概念和指標,三 平均壽命平均壽命又稱平均失效時間 (MTBF), 它是一個和可靠性有關(guān)的很有用的數(shù)量指標。它是失效的平均間隔時間 , 即平均無故障工作時間。,,4.3 可靠性設計方法舉例,（自學）主要設計依據(jù)應力強度干涉理論期望、標準差平均壽命、可靠度設計方法查表數(shù)值積分,,4.4 系統(tǒng)的可靠性設計,系統(tǒng)的組成單元→子系統(tǒng)→

33、系統(tǒng)靠性設計的含義可靠性預測 可靠性分配,,4.4 系統(tǒng)的可靠性設計,一 系統(tǒng)模型1 串聯(lián)系統(tǒng),,4.4 系統(tǒng)的可靠性設計,一 系統(tǒng)模型2 并聯(lián)系統(tǒng),,4.4 系統(tǒng)的可靠性設計,一 系統(tǒng)模型3 混聯(lián)系統(tǒng),,4.4 系統(tǒng)的可靠性設計,一 系統(tǒng)模型4 備用冗余系統(tǒng),,4.4 系統(tǒng)的可靠性設計,一 系統(tǒng)模型5 復雜系統(tǒng),,4.4 系統(tǒng)的可靠性設計,一 系統(tǒng)模型6 表決系統(tǒng)如果組成系統(tǒng)的 n 個單元中 , 只要有 K

34、個單元不失效 , 系統(tǒng)就不會失效 , 這樣的系統(tǒng)稱為n 中取 K 系統(tǒng) , 簡寫成 K/n 系統(tǒng)。,,4.4 系統(tǒng)的可靠性設計,一 系統(tǒng)模型嚴格地說 , 上述六種系統(tǒng)中 , 除串聯(lián)系統(tǒng)外 , 都可稱為冗余系統(tǒng)或貯備系統(tǒng)。因為并聯(lián)、混聯(lián)、等待系統(tǒng)等等 , 實際上也都是部分單元在工作 , 而另一些單元是作為備用的。備用冗余系統(tǒng)又可分為 : 冷貯備系統(tǒng)和熱貯備系統(tǒng)兩類。貯備單元在貯備期間沒有失效的叫冷貯備系統(tǒng) ; 而貯備單元在貯備期間可能

35、失效時 , 則稱為熱貯備系統(tǒng)。因此 , 并聯(lián)系統(tǒng)和表決系統(tǒng)是熱貯備系統(tǒng)。,,4.4 系統(tǒng)的可靠性設計,二 系統(tǒng)的可靠性預測1 串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度計算對于串聯(lián)系統(tǒng) , 雖然提高其組成單元的可靠度或降低它們的失效率可以提高整個系統(tǒng)的 可靠度 , 但提高單元可靠度必將提高產(chǎn)品的制造成本 , 因此宜權(quán)衡其得失。例如 , 對于一個由 10 個單元組成的串聯(lián)系統(tǒng)。假定這 10 個單元的可靠度相同 , 則當失效率從 10% 降低到 1%, 系 統(tǒng)的

36、可靠度將從 0.0026% 升高到 36.6% 。然而 , 這個數(shù)值對一般產(chǎn)品或系統(tǒng)來說 , 并不是很理 想的。但失效率從 10% 降到 1% 卻是件不容易的事。這樣一權(quán)衡 , 可能是得不償失的。如果把同種零、部件進行并聯(lián)組合 , 卻可在不提高零件可靠度 ( 即不降低失效率 ) 的條件下 , 提高產(chǎn)品或系統(tǒng)的可靠度。,,4.4 系統(tǒng)的可靠性設計,二 系統(tǒng)的可靠性預測2 并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度計算這類系統(tǒng)只有當所有的組成單元都失效時系統(tǒng)才

37、失效。,,4.4 系統(tǒng)的可靠性設計,二 系統(tǒng)的可靠性預測3 混聯(lián)系統(tǒng)的可靠度計算混聯(lián)系統(tǒng)是串聯(lián)和并聯(lián)系統(tǒng)的組合 , 它們的可靠度計算可直接參照串聯(lián)和并聯(lián)系統(tǒng)的公式進行。也可以采用 " 等效單元 " 的辦法進行計算 , 即首先把其中的串聯(lián)和并聯(lián)系統(tǒng)分別進行計 算 , 得出 " 等效單元 " 的可靠度 , 然后再就等效單元組成的系統(tǒng)進行綜合計算 , 從而給出系統(tǒng)的 可靠度。,,4.4 系統(tǒng)的可靠

38、性設計,二 系統(tǒng)的可靠性預測4 備用冗余系統(tǒng)的可靠度計算假定貯備單元在儲備期時間 t 內(nèi)不發(fā)生故障 , 且轉(zhuǎn)換開關(guān) ( 自動或手動的 ) 是完全可靠的。則當各單元的可靠度函數(shù)是指數(shù)分布 , 并且 時 , 則系統(tǒng)的可 靠度為 :,,4.4 系統(tǒng)的可靠性設計,二 系統(tǒng)的可靠性預測5 表決系統(tǒng)的可靠度計算 設表決系統(tǒng)中每個單元的可靠度為 R(t), 則系統(tǒng)的可靠度為 :,,4.4 系統(tǒng)的可靠性設計,二 系統(tǒng)的可靠性預測5 復雜系統(tǒng)的

39、可靠度計算當系統(tǒng)可以分解為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)系統(tǒng)時 , 復雜系統(tǒng)可靠度的計算就可以按照前面說明的方法進行。但在實際中 , 有的系統(tǒng)是不能簡單地分解成串聯(lián)、并聯(lián)等來進行計算的。例如 , 橋 式網(wǎng)絡系統(tǒng)和非串、并聯(lián)系統(tǒng)就是這類系統(tǒng)。對這類復雜系統(tǒng) , 可以采用分解法、布爾真值表法或卡諾圖法進行計算。,,4.6 失效分析方法——失效樹分析,,,第五章 有限元分析方法,什么是有限元法連續(xù)問題轉(zhuǎn)換為規(guī)則離散區(qū)域計算的方法有限元法的發(fā)展早期

40、應用名詞提出有限元法所能解決的問題,,第五章 有限元分析方法,有限元應用結(jié)構(gòu)分析流體及空氣動力學分析電場 及磁場分析線性分析非線性分析,,5.1 有限元分析方法的基本概念,一 物體離散化二 單元特性分析三 單元組集四 求解未知節(jié)點位移,,5.2 有限元法中單元特性的導出方法,一 直接方法運用基本定義直接推導單元特性,,5.2 有限元法中單元特性的導出方法,一 直接方法運用基本定義直接推導單元特性,,5.2 有限

41、元法中單元特性的導出方法,一 直接方法Kij表示j號節(jié)點的單位位移對i號節(jié)點力的貢獻。由功的互等定理有 , 所以單元剛度矩陣是對稱的。,,5.2 有限元法中單元特性的導出方法,一 直接方法,,5.2 有限元法中單元特性的導出方法,一 直接方法,,5.2 有限元法中單元特性的導出方法,一 直接方法,,5.2 有限元法中單元特性的導出方法,二 虛功原理1 設定位移函數(shù),,5.2 有限元法中單元特性的導出方法,二 虛功原理1 設定位移函

42、數(shù),,5.2 有限元法中單元特性的導出方法,二 虛功原理1 設定位移函數(shù),,5.2 有限元法中單元特性的導出方法,二 虛功原理1 設定位移函數(shù),,5.2 有限元法中單元特性的導出方法,二 虛功原理1 設定位移函數(shù),,5.2 有限元法中單元特性的導出方法,二 虛功原理1 設定位移函數(shù),,5.2 有限元法中單元特性的導出方法,二 虛功原理2 由位移函數(shù)求應變,,5.2 有限元法中單元特性的導出方法,二 虛功原理3 由應變求應力

43、,,5.2 有限元法中單元特性的導出方法,二 虛功原理4 由虛功原理求單元的剛度矩陣根據(jù)虛功原理 ,當結(jié)構(gòu)受載荷作用處于平衡狀態(tài)時 , 在任意給出的節(jié)點虛位移下 , 外力 ( 節(jié)點力 ) 及內(nèi)力 所做的虛功之和應等于零 。,,5.2 有限元法中單元特性的導出方法,二 虛功原理平面應力問題的三角形單元剛度矩陣,,5.3 有限元法的解題步驟,一 單元剖分和插值函數(shù)的確定二 單元特性分析三 單元組集四 解有限元方程五 計算應力

44、,,5.3 有限元法的解題步驟,六 用梁單元進行計算的實例1. 單元剖分,,5.3 有限元法的解題步驟,六 用梁單元進行計算的實例2.單元特性分析,,5.3 有限元法的解題步驟,六 用梁單元進行計算的實例2.單元特性分析,,,K,,K,5.3 有限元法的解題步驟,六 用梁單元進行計算的實例2.單元特性分析,,5.3 有限元法的解題步驟,六 用梁單元進行計算的實例2.單元特性分析,,5.3 有限元法的解題步驟,六 用梁單元進行計

45、算的實例3.單元組集 把單元① , ②組合起來 , 形成原結(jié)構(gòu)的整體。因為各個節(jié)點是處于平衡狀態(tài)的 , 所以節(jié)點1,3 的內(nèi)力 Fy1 ,Mz1和 Fy3,Mz3分別等于節(jié)點 1,3 處的支反力和支反彎矩。,,5.3 有限元法的解題步驟,六 用梁單元進行計算的實例3.單元組集 組集后，外力為：,,5.3 有限元法的解題步驟,六 用梁單元進行計算的實例3.單元組集 組集后，右端項為：,,5.3 有限元法

46、的解題步驟,六 用梁單元進行計算的實例3.單元組集 由單元的形式表示為：,,5.3 有限元法的解題步驟,六 用梁單元進行計算的實例3.單元組集從單元剛陣組集成全結(jié)構(gòu)總剛陣,就是將各個單元的對應于各自由度的剛度系數(shù) , 按原節(jié) 點自由度對應的行號和列號對號入座 ,填入全結(jié)構(gòu)總剛陣相對應的行號和列號的位置中去。對于幾個單元共用的節(jié)點,則應將這幾個單元對應于該節(jié)點各自由度的剛度系數(shù)相加, 作為全結(jié)構(gòu)剛陣中該節(jié)點自由度的剛度系

47、數(shù)。而在沒有剛度系數(shù)與之對應的地方,就填入0。,,5.3 有限元法的解題步驟,六 用梁單元進行計算的實例4.求解變形邊界條件處理因為由結(jié)構(gòu)支承條件給出兩端為剛性固支：對于固支的自由度可以直接消除掉行和列。,,5.3 有限元法的解題步驟,六 用梁單元進行計算的實例4.求解變形,,5.3 有限元法的解題步驟,六 用梁單元進行計算的實例5. 求解支反力可將已求得的 、 的數(shù)值一起代入方程組即可。,,5.3 有限元法的解題步驟,七

48、用三角形單元計算的實例（理解利用對稱性降低求解難度和提高求解精度）,,5.4 結(jié)構(gòu)分析的有限元法,一 矩形單元二 薄板彎曲問題如板的厚度 t 與板在其他兩方向的尺寸之比小于 1/15 時 , 可認為是薄板。對一般機器的箱 體、支承件等 , 在用有限元計算將其離散為單元時 , 大都采用這類薄板單元。,,5.4 結(jié)構(gòu)分析的有限元法,二 薄板彎曲問題薄板彎曲問題在小變形時有如下的基本假設 :1) 法線假設一一在板變形前垂直于中面的

49、法線段 , 在板變形后仍然垂直于彎曲了的中面。法線假設類似于梁彎曲的平截面假設 ;2) 正應力假設一一在平行于中面的截面上 , 正應力可忽略不計；3) 小撓度假設一一板的中面只發(fā)生彎曲變形 , 且撓度很小。假設中面內(nèi)各點沒有平行于中面的變形 。,,5.4 結(jié)構(gòu)分析的有限元法,三 矩形薄板單元的位移函數(shù),,5.5 結(jié)構(gòu)動力學問題的有限元法,一 結(jié)構(gòu)的動力學方程完整的動力學方程求解的難度和意義簡化的求解方法求解的實際意義,,5.

50、5 結(jié)構(gòu)動力學問題的有限元法,二 單元的質(zhì)量矩陣一致質(zhì)量矩陣集中質(zhì)量矩陣,,5.5 結(jié)構(gòu)動力學問題的有限元法,三 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力學問題的有限元解法求解系統(tǒng)特征值問題的方法 , 有雅可比方法、幕迭代法和反迭代法、子空間迭代法等。 求解系統(tǒng)響應問題的方法 , 有振型疊加法和逐步積分法（顯式和隱式）等。,,5.6 有限元法的前后置處理簡介,一 有限元網(wǎng)格自動生成 結(jié)構(gòu)的計算機表示形式自動剖分的一般步驟線段剖分面剖分體剖分,,5

51、.6 有限元法的前后置處理簡介,二 有限元法的后置處理 模型圖描述曲線表示表格表示,,第六章 優(yōu)化設計方法,6.1 優(yōu)化設計概述實現(xiàn)要求的功能,,,,期望輸出角,實際輸出角,min,6.1 優(yōu)化設計概述,約束條件滿足運動條件滿足存在條件其他要求,,,,6.1 優(yōu)化設計概述,實現(xiàn)最低成本,,,,6.1 優(yōu)化設計概述,實現(xiàn)最佳性能,,,,6.1 優(yōu)化設計概述,優(yōu)化設計的數(shù)學模型1. 設計變量 2. 約束條件 3. 目標函

52、數(shù),,,,6.1 優(yōu)化設計概述,優(yōu)化問題的幾何解釋,,,,6.1 優(yōu)化設計概述,優(yōu)化問題的幾何解釋,,,,6.1 優(yōu)化設計概述,優(yōu)化問題的極值條件,,,,6.1 優(yōu)化設計概述,優(yōu)化問題的極值條件,,,,6.1 優(yōu)化設計概述,解析解法與數(shù)值解法優(yōu)化準則法與數(shù)學規(guī)劃法 迭代終止條件,,,,6.2 無約束優(yōu)化方法,一 概述 無約 束優(yōu)化方法可以分為兩類。一類是利用目標函數(shù)的一階 或二階導數(shù)的無約束優(yōu)化方法 , 如最速下降法、共扼梯

53、度法、牛頓法及變尺度法等。另一類是只利用目標函數(shù)值的無約束優(yōu)化方法 , 如坐標輪換法 , 單形替換法及鮑 威爾 (Powell) 法等。,,,,6.2 無約束優(yōu)化方法,二 一維搜索方法試探法黃金分割二次插值,,,,6.2 無約束優(yōu)化方法,三 最速下降法,,,,6.2 無約束優(yōu)化方法,四 牛頓型方法,,,,6.2 無約束優(yōu)化方法,五 共扼方向法共扼方向,,,,6.2 無約束優(yōu)化方法,六 共軛梯度法利用函數(shù)的梯度構(gòu)造共軛方向,,

54、,,6.2 無約束優(yōu)化方法,七 變尺度法擬牛頓條件,,,,6.2 無約束優(yōu)化方法,八 坐標輪換法,,,,6.3約束優(yōu)化問題的解法,一 概述二 隨機方向法三 復合行法,,,,6.3約束優(yōu)化問題的解法,四 可行方向法,,,,,X,6.3約束優(yōu)化問題的解法,四 可行方向法,,,,6.3約束優(yōu)化問題的解法,四 懲罰函數(shù)法——內(nèi)點法,,,,6.3約束優(yōu)化問題的解法,四 懲罰函數(shù)法——內(nèi)點法由于內(nèi)點法的迭代過程在可行域內(nèi)進行 ,

55、障礙項的作用是阻止迭代點越出可行域。由障礙 項的函數(shù)形式可知 , 當?shù)c靠近某一約束邊界時 , 其值趨近于 0, 而障礙項的值陡然增加 , 并 趨近于無窮大 , 好象在可行域的邊界上筑起了一道 " 圍墻 ", 使迭代點始終不能越出可行域。顯 然 , 只有當懲罰因子 r → 0 時 , 才能求得在約束邊界上的最優(yōu)解。,,,,6.3約束優(yōu)化問題的解法,四 懲罰函數(shù)法——內(nèi)點法,,,,6.3約束優(yōu)化問題的解法,五 懲

56、罰函數(shù)法——外點法,,,,6.3約束優(yōu)化問題的解法,五 懲罰函數(shù)法——外點法由于外點法的迭代過程在可行域之外進行。懲罰項的作用是迫使迭代點逼近約束邊界或 等式約束曲面。由懲罰項的形式可知 , 當?shù)c x 不可行時 , 懲罰項的值大于 0 。使得懲罰函數(shù) ￠(x,r) 大于原目標函數(shù) , 這可看成是對迭代點不滿足約束條件的一種懲罰。當?shù)c離約束 邊界愈遠 , 懲罰項的值愈大 , 這種懲罰愈重。但當?shù)c不斷接近約束邊界和等式約束曲

57、面時 , 懲罰項的值減小 , 且趨近于 0, 懲罰項的作用逐漸消失 , 迭代點也就趨近于約束邊界上的最優(yōu)點了。,,,,6.3約束優(yōu)化問題的解法,六 增廣乘子法懲罰函數(shù)法原理簡單 , 算法易行 , 適用范圍廣 , 并且可以和各種有效的無約束 最優(yōu)化方法結(jié)合起來 , 因此得到廣泛應用。但是 , 懲罰函數(shù)也存在不少問題 , 從理論上講 , 只有當 r →∞ ( 外點法 ) 或 r → 0( 內(nèi)點法 ) 時 , 算法才能收斂 , 因此序列迭

58、代過程收斂較慢。另外 , 當 懲罰因子的初值 取得不合適時 , 懲罰函數(shù)可能變得病態(tài) , 使無約束最優(yōu)化計算發(fā)生困難。,,,,6.3約束優(yōu)化問題的解法,六 增廣乘子法——等式約束,,,,6.3約束優(yōu)化問題的解法,六 增廣乘子法——等式約束,,,,6.3約束優(yōu)化問題的解法,六 增廣乘子法——等式約束,,,,6.3約束優(yōu)化問題的解法,七 廣義簡約梯度法1. 簡約梯度法,,,,,,,,6.3約束優(yōu)化問題的解法,七 廣義簡約梯度

59、法1. 簡約梯度法,,,,6.3約束優(yōu)化問題的解法,七 廣義簡約梯度法2.廣義簡約梯度法 解決問題的思想——線性化用廣義簡約梯度法求解具有不等式約束函數(shù)的優(yōu)化問題時 , 需引進新變量 , 將不等式約束函數(shù)轉(zhuǎn)化成等式約束函數(shù),,,,,,第八章 反求工程設計,8.1 概 述一 什么是 “反求工程”反求工程是針對消化吸收先進技術(shù)的一系列分析方法和技術(shù)的綜合。應用反求技術(shù)可以探索先進產(chǎn)品設計的指導思想 , 分析產(chǎn)品的原理方案

60、 , 掌握相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。,,,,第八章 反求工程設計,8.1 概 述二 反求工程的類型實物反求影像反求技術(shù)文件反求,,8.1 概 述,三 反求工程所涉及的知識范圍系統(tǒng)分析設計法創(chuàng)造性設計方法有限元分析方法幾何、半幾何的相似設計方法模塊化設計的方法圖形透視和圖形的幾何變換 尺寸和公差的確定 零件材料的選擇、材料的替換及表面處理方法傳動鏈精度分析、零件動態(tài)精度分析,,8.2 相似理論及相似設計方法,一 相

61、似概念1. 相似和相似常數(shù)表述相似現(xiàn)象的所有量 , 在空間中相對應各點和在時間上相對應 的各瞬間 , 各自互成一定的比例關(guān)系 , 并且被約束在一定的數(shù)學關(guān)系之中。對應量（有量綱）的比例常數(shù)C 稱為相似常數(shù),,8.2 相似理論及相似設計方法,一 相似概念1. 相似和相似常數(shù)(1) 幾何相似(2) 時間相似,,8.2 相似理論及相似設計方法,一 相似概念2. 相似變換 如果把一個已知系統(tǒng)的每一個量的大小都用 Cu 的倍數(shù)來進

62、行變換 , 那么所得到的新系統(tǒng)就和原來的己知系統(tǒng)相似。這種從己知系統(tǒng)變換得到新的相似系 統(tǒng)稱為相似變換。,,8.2 相似理論及相似設計方法,一 相似概念2. 相似變換關(guān)于相似常數(shù)的推論：,,8.2 相似理論及相似設計方法,一 相似概念3. 相似定數(shù)一個已知系統(tǒng)任何物理量的比值等于與之相似的系統(tǒng)中相對應量的比值。相似定數(shù)是同一系統(tǒng)內(nèi)同類物理量之間的比值。4. 相似常數(shù)和相似定數(shù)的區(qū)別,,,8.2 相似理論及相似設計方法,

63、一 相似概念5. 相似指標有些物理量的相似定數(shù)不是一個簡單的數(shù)群，例如質(zhì)點的速度是長度和時間的導出量。,,,,,,綜合數(shù)群，稱為相似指標,8.2 相似理論及相似設計方法,一 相似概念5. 相似指標相似常數(shù)和相似定數(shù)只是規(guī)定了單值條件的相似 , 即物理 ( 物理量 ) 、空間 ( 幾何 ) 條件、時間條件 ( 包括初始條件和過程的定常與不定?；蚍Q穩(wěn)定與不穩(wěn)定性 ) 和邊界條 件 ( 即周圍介質(zhì)相互作用的條件 , 如對流體在管中的流

64、動來說 , 入口處與出口處的壓力和速度 以及管壁處的速度等就是邊界條件 ) 等的相似。然而 , 當考慮到一個物理現(xiàn)象的時候 , 往往是 從描述這個現(xiàn)象的方程式或方程組出發(fā) , 即要考慮許多個對物理現(xiàn)象有影響的物理量 , 而不僅是某一個物理量。因此 , 現(xiàn)象的相似不能只局限在相似常數(shù)和相似定數(shù)上面。,,8.2 相似理論及相似設計方法,一 相似概念6. 相似準則（用牛頓運動定律說明相似準則）力 = 質(zhì)量x加速度F=m x dv /

65、 dt (F/m) x (dt/dv) =1 —— Ft/mv=idem,,8.2 相似理論及相似設計方法,一 相似概念6. 相似準則在已知系統(tǒng)和相似系統(tǒng)中 , 不同類物理量之間的乘積 ( 綜合數(shù)群 ) 必須在數(shù)值上相等。相似準則是一個無量綱的數(shù)。,,8.2 相似理論及相似設計方法,相似準則是一個無量綱的數(shù)首先 , 無量綱量能體現(xiàn)較深入的內(nèi)容。例如 , 無量綱長度 l/d 表示幾倍于直徑的長度 , 在流 體力學中 , 它的數(shù)值

66、可以確定管內(nèi)流動的狀態(tài) ; 無量綱速度ω/α( α是音速 ) 表示幾倍于聲音的 速度 , 它給人以流動范圍 ( 亞音速、超音速等 ) 的概念 , 也使人聯(lián)想到在此不同流動范圍內(nèi)的一些有關(guān)問題 , 如壓縮性、空氣功力和加熱寺 ; 無量綱數(shù)群wl/v=Re(雷諾常數(shù))體現(xiàn)慣性力與粘滯力的比值 ,它的大小決定流動處于層流、紊流狀態(tài) , 也使人們聯(lián)想到一些有關(guān)的問題 , 如阻力特點等。,,8.2 相似理論及相似設計方法,相似準則是一個無量綱的數(shù)

67、其次 , 有量綱量的數(shù)值和單位制的選擇有關(guān) , 這就涉及人的主觀意志。而物理定律是客觀 存在的 , 它們不應隨人的意志在體現(xiàn)時有所轉(zhuǎn)移。如果體現(xiàn)客觀規(guī)律的關(guān)系式用無量綱量來表 述 , 則不管采用什么單位 , 只要同類量的單位一致 , 則無量綱量關(guān)系式的形式不會有任何改變。因此 , 表達自然規(guī)律的最終形式應該是無量綱的關(guān)系式。,,8.2 相似理論及相似設計方法,相似準則是一個無量綱的數(shù)再次,用無量綱量整理試驗結(jié)果,可以推廣到相似現(xiàn)象中

68、去 , 也使試驗內(nèi)容明顯減少。 如果用無量綱量給相似下定義的話 , 則相似是指無量綱量場幾何全等的現(xiàn)象。,,8.2 相似理論及相似設計方法,一 相似概念7. 相似準則的組合與變換相似準則是根據(jù)一定的方程式推導出來的 , 不是任意選擇或拼湊起來的 , 它具有一定的物理意義。對于復雜現(xiàn)象 , 可能存在幾個相似準則。因為相似現(xiàn)象的相似準則在數(shù)值上相等 , 所以相似現(xiàn)象可以根據(jù)需要寫成不 同的形式 , 也可以和常數(shù)值或其他的相似準則進行