先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)第三學(xué)時(shí)

1、先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù),有限元分析,反求工程,,2,1,3,4,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù),概述,5,綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì),6,可靠性設(shè)計(jì),,了解逆向工程基本概念和基本步驟了解逆向工程應(yīng)用領(lǐng)域了解RE的軟件系統(tǒng),本節(jié)課要求,逆向工程,正向設(shè)計(jì)：“從無(wú)到有” ，設(shè)計(jì)人員首先構(gòu)思產(chǎn)品的外形、性能和大致的技術(shù)參數(shù)等，然后利用CAD技術(shù)建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終將這個(gè)模型轉(zhuǎn)入制造流程，完成產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)制造周期。市場(chǎng)需求?設(shè)計(jì)要求?設(shè)計(jì)師的創(chuàng)造性活動(dòng)?產(chǎn)品

2、 反向設(shè)計(jì)：“從有到無(wú)”，就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（包括設(shè)計(jì)圖紙或數(shù)字模型）的過(guò)程。已有產(chǎn)品?消化、再創(chuàng)造?市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的新產(chǎn)品,反求工程流程,傳統(tǒng)的復(fù)制方法：是用立體雕刻機(jī)或液壓三次元靠模銑床制作出一比一成等比例的模具，再進(jìn)行量產(chǎn)。這種方法屬稱(chēng)類(lèi)比式復(fù)制，無(wú)法建立工件尺寸圖檔，也無(wú)法做任何的外形修改，已漸漸為新型數(shù)字化的逆向工程系統(tǒng)所取代。逆向工程(Reverse Engineering,RE)：由高速

3、三維激光掃描機(jī)對(duì)已有的樣品或模型進(jìn)行準(zhǔn)確、高速的掃描，得到其三維輪廓數(shù)據(jù)，配合反求軟件進(jìn)行曲向重構(gòu)，并對(duì)重構(gòu)的曲面進(jìn)行在線(xiàn)精度分析、評(píng)價(jià)構(gòu)造效果，最終生成IGES或STL數(shù)據(jù)，據(jù)此就能進(jìn)行快速成型或CNC數(shù)控加工。,反向設(shè)計(jì)的兩種方法,逆向工程技術(shù): “將產(chǎn)品樣件轉(zhuǎn)化為CAD模型的相關(guān)數(shù)字化技術(shù)和幾何模型重建技術(shù)”的總稱(chēng). 逆向工程不僅僅是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的模仿，更是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的改造，是一種超越。逆向工程主要任務(wù) 將

4、原始物理模型轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)概念或產(chǎn)品數(shù)字化模型：一方面為提高工程設(shè)計(jì)、加工分析的質(zhì)量和效率提供充足的信息；另一方面為充分利用CAD／CAE／CAM技術(shù)對(duì)已有的產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)服務(wù)。,實(shí)物逆向：在已有實(shí)物條件下，通過(guò)試驗(yàn)、測(cè)繪和分折，提出再創(chuàng)造的關(guān)鍵；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、精度、使用規(guī)范等多方面的逆向。實(shí)物逆向?qū)ο罂梢允钦麢C(jī)、部件、組件和零件。軟件逆向：產(chǎn)品樣本、技術(shù)文件、設(shè)計(jì)書(shū)、使用說(shuō)明書(shū)、圖紙、有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

5、、管理規(guī)范和質(zhì)量保證手冊(cè)等均稱(chēng)為技術(shù)軟件。軟件逆向中有三類(lèi)情況：1)既有實(shí)物，又有全套技術(shù)軟件；2)有實(shí)物而無(wú)技術(shù)軟件；3)無(wú)實(shí)物，僅有全套或部分技術(shù)軟件。影像逆向：無(wú)實(shí)物，無(wú)技術(shù)軟件，僅有產(chǎn)品相片、圖片、廣告介紹、參觀印象和影視畫(huà)面等，要從其中去構(gòu)思、想象來(lái)逆向，稱(chēng)為影像逆向，這是逆向?qū)ο笾须y度最大的。影像逆向本身就是創(chuàng)新過(guò)程。目前還未形成成熟的技術(shù)。一般要利用透視變換和透視投影．形成不同透視圖，從外形、尺寸、比例和專(zhuān)業(yè)知識(shí)，去琢磨

6、其功能和性能，進(jìn)而分析其內(nèi)部可能的結(jié)構(gòu)。,逆向工程分類(lèi),逆向工程的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?shí)物模型轉(zhuǎn)化為CAD模型以進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析（CAE）、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）等。對(duì)外形要求較高的零部件的設(shè)計(jì)：如在飛機(jī)、汽車(chē)、摩托車(chē)、家用電器等產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，根據(jù)木制或油泥模型獲得產(chǎn)品CAD模型?？焖偕a(chǎn)一些大型設(shè)備，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)組等損壞的零部件，迅速回復(fù)生產(chǎn)。快速原型（Rapid Prototype，RP）制造：如藝術(shù)品、考古文物的復(fù)制，人體

7、骨骼、關(guān)節(jié)、假肢制造，特種服裝、頭盔等的制造。計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)，利用工業(yè)CT技術(shù)，可以快速發(fā)現(xiàn)、定位物體的內(nèi)部缺陷。,,機(jī)械工程及制造領(lǐng)域（航空、航天和汽車(chē)制造等）；醫(yī)療模具、醫(yī)療器械和仿真人體器官；用于影視設(shè)計(jì)和游戲開(kāi)發(fā)；紡織和客戶(hù)消費(fèi)領(lǐng)域；家具和玩具造型領(lǐng)域。,油泥模型 測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù) 提取特征曲線(xiàn) 曲面重構(gòu) 曲面模型,汽車(chē)逆向工程設(shè)計(jì),反求工程的基本步驟,三維實(shí)體幾何形狀數(shù)據(jù)采集

8、規(guī)則或大量離散數(shù)據(jù)處理三維實(shí)體模型重建、加工等,逆向工程關(guān)鍵技術(shù),實(shí)體模型數(shù)據(jù)采集,逆向工程測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)三維掃描測(cè)量實(shí)物表面的三維坐標(biāo)點(diǎn)集，得到的大量坐標(biāo)點(diǎn)的集合稱(chēng)為點(diǎn)云（Point Cloud)。接觸式測(cè)量 根據(jù)測(cè)頭的不同，可分為觸發(fā)式和連續(xù)式。 如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 非接觸式測(cè)量 根據(jù)原理的不同，可分為三角形法、結(jié)構(gòu)光法、計(jì)算機(jī)視覺(jué)法、激光干涉法、激光衍射法、CT測(cè)量法、MRI測(cè)量法、超聲波法和層析法等。,

9、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，逐點(diǎn)掃描，速度慢。,,,接觸式掃描,激光線(xiàn)掃描儀,逐線(xiàn)掃描,非接觸式掃描,破壞式——斷層掃描,逆向工程中數(shù)據(jù)采集規(guī)劃,產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集原則：沿著特征方向走，順著法向方向采集。 1、規(guī)則形狀的數(shù)據(jù)采集規(guī)劃 對(duì)規(guī)則形狀諸如點(diǎn)、直線(xiàn)、圓弧、平面、圓柱、圓錐、球等，也包括擴(kuò)展規(guī)則形狀如雙曲線(xiàn)、螺旋線(xiàn)、齒輪、凸輪等，數(shù)據(jù)采集多用精度高的接觸式探頭，依據(jù)數(shù)學(xué)定義這些元素所需的點(diǎn)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集規(guī)劃。,各規(guī)則元素?cái)?shù)學(xué)描述所需的最

10、小數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，要描述其公差與變化，實(shí)際需要測(cè)量更多的點(diǎn)。,2、自由曲面的數(shù)據(jù)采集規(guī)劃 對(duì)非規(guī)則形狀，統(tǒng)稱(chēng)自由曲面，多采用非接觸式探頭或二者相結(jié)合。原則上，要描述自由形狀的產(chǎn)品，只要記錄足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)信息即可，但評(píng)判足夠數(shù)據(jù)點(diǎn)是很難的。實(shí)際數(shù)據(jù)采集規(guī)劃中，多依據(jù)工件的整體特征和流向，進(jìn)行順著特征走，法向特征掃的數(shù)據(jù)采集規(guī)劃；對(duì)局部變化較大的地方，仍采用這一原則進(jìn)行分塊補(bǔ)充。 3、智能數(shù)據(jù)采集規(guī)劃 當(dāng)前智能數(shù)據(jù)采集還

11、處于剛開(kāi)始階段，但它是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)所追求的目標(biāo)，它包括樣件自動(dòng)定位、自動(dòng)元素識(shí)別、自動(dòng)采集規(guī)劃和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集。,（1）測(cè)量方式：接觸式測(cè)量、非接觸式測(cè)量、斷層式（2）測(cè)量數(shù)據(jù)可分為四類(lèi)： 散亂數(shù)據(jù)－無(wú)序 掃描線(xiàn)數(shù)據(jù)－掃描線(xiàn)上點(diǎn)在掃描平面內(nèi)有序排列 網(wǎng)格化數(shù)據(jù)－點(diǎn)云所有點(diǎn)均與參數(shù)域中一個(gè)均勻網(wǎng)格定點(diǎn)對(duì)應(yīng) 多邊形數(shù)據(jù)－測(cè)量點(diǎn)分布在一系列平行平面內(nèi)，用小線(xiàn)段將同一平面內(nèi)距離最小的若干點(diǎn)依次連接。,反求

12、工程的基本步驟,1.數(shù)據(jù)獲?。悍辞蠊こ藽AD建模的首要環(huán)節(jié),散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù),測(cè)量點(diǎn)沒(méi)有明顯的幾何分布特征，呈散亂無(wú)序狀態(tài),掃描線(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù),點(diǎn)云由一組掃描線(xiàn)組成，掃描線(xiàn)上的所有點(diǎn)位于掃描平面內(nèi),網(wǎng)格化點(diǎn)云,點(diǎn)云中所有點(diǎn)都與參數(shù)域中一個(gè)均勻網(wǎng)格的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)網(wǎng)格化插值,三角網(wǎng)格點(diǎn)云數(shù)據(jù),點(diǎn)云中的點(diǎn)與鄰點(diǎn)構(gòu)成三角網(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)系,多邊形點(diǎn)云,測(cè)量點(diǎn)分布在一系列平行平面內(nèi)，用一小線(xiàn)段將同一平面內(nèi)距離最小的若干相鄰點(diǎn)依次連接，可形成有嵌套的平行多邊形層

13、切法、核磁共振、工業(yè)CT,多邊形點(diǎn)云數(shù)據(jù),分析、理解事物模型的設(shè)計(jì)意圖及造型方法基于測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行原始設(shè)計(jì)參數(shù)還原三種模型參數(shù)：設(shè)計(jì)參數(shù)、實(shí)物參數(shù)、重構(gòu)參數(shù),反求工程CAD建模方案制定,反求工程的基本步驟,2.建模方案制定,反求工程的基本步驟,3.數(shù)據(jù)預(yù)處理,數(shù)據(jù)拼合數(shù)據(jù)光滑數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)修復(fù)數(shù)據(jù)分塊,點(diǎn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程,曲線(xiàn)處理過(guò)程,曲面處理過(guò)程,邊界識(shí)別,拓?fù)渲亟?拓?fù)渲亟?孔洞識(shí)別,孔洞識(shí)別,孔洞識(shí)別,數(shù)據(jù)拼合,也叫多視拼合，

14、因?yàn)橐淮螠y(cè)量完成對(duì)全體件的數(shù)字化是很困難的 CMM中多次裝夾光學(xué)測(cè)量?jī)x中，多視角測(cè)量可以在測(cè)量過(guò)程中由軟件自動(dòng)拼合，也可以在測(cè)量結(jié)束后輸入到反求工程軟件中拼合,拼合方法,點(diǎn)位法：測(cè)量點(diǎn)中確定三個(gè)非共線(xiàn)點(diǎn)，作為分視 圖的局部坐標(biāo)系標(biāo)準(zhǔn),拼合結(jié)果,數(shù)據(jù)光滑,實(shí)際測(cè)量過(guò)程中受到人為或隨機(jī)因素的影響，使得測(cè)量結(jié)果包含噪聲，為了降低或消除噪聲對(duì)后續(xù)建模質(zhì)量的影響，有必要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波。人機(jī)交互 程序?yàn)V波變

15、形光順,濾波示意圖,程序?yàn)V波,光順效果,光順效果,數(shù)據(jù)修復(fù),測(cè)量過(guò)程中因?yàn)橘N定位片、遮擋等原因?qū)е虏糠謹(jǐn)?shù)據(jù)測(cè)量不完整重新測(cè)量軟件中修補(bǔ),殘缺數(shù)據(jù)修復(fù),殘缺數(shù)據(jù)修復(fù),數(shù)據(jù)修復(fù),數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化,按數(shù)據(jù)點(diǎn)間的距離 指定數(shù)據(jù)點(diǎn)間的臨界距離，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間的距離小于臨界距離，則刪除其中的一個(gè)。按給定的法向精度根據(jù)刪除一個(gè)點(diǎn)在曲面法向引起的誤差大小作為測(cè)點(diǎn)刪除的依據(jù)。測(cè)點(diǎn)到最小二乘擬合曲面的垂直距離作為刪除該點(diǎn)引起的近似法向誤差，若小于某一閾值，刪

16、除該點(diǎn)。曲率較小的地方分布較少的點(diǎn)，曲率大或尖銳棱邊保留較多的點(diǎn)。,給定距離簡(jiǎn)化,下圖為某鞋廠新款鞋樣實(shí)施反求工程，采用線(xiàn)結(jié)構(gòu)光視覺(jué) 傳感器坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)鞋楦進(jìn)行測(cè)量、建模，獲得的模型。,實(shí)例,逆向工程的加工,加工 加工是將數(shù)字產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為真實(shí)產(chǎn)品的過(guò)程。逆向工 程的加工更注重加工工藝的自動(dòng)化和加工的自動(dòng)化 完成。,例子：電吹風(fēng)葉輪的快速設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),,,,總結(jié)仿制是產(chǎn)品發(fā)展的原動(dòng)力，逆向工程是產(chǎn)品研發(fā)的有效途徑。逆向工程把

17、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、CAD/CAM/CAE軟件、CNC機(jī)床有機(jī)而又高效地結(jié)合在一起，成為產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的一個(gè)高效、便捷的途徑。 逆向工程不僅僅是產(chǎn)品的仿制，它更肩負(fù)著數(shù)學(xué)模型的還原和再設(shè)計(jì)的優(yōu)化等多項(xiàng)重任。,國(guó)外逆向工程軟件,Geomagic(美國(guó)RainDrop公司的)逆向工程軟件，具有豐富的數(shù)據(jù)處理手段，可以根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)快速構(gòu)造出多張連續(xù)的曲面模型。Imageware作為UG NX中提供的逆向工程造型軟件。具有強(qiáng)大的測(cè)量數(shù)據(jù)處理、曲面

18、造型、誤差檢測(cè)功能?？梢蕴幚韼兹f(wàn)至幾百萬(wàn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造的A級(jí)曲面(CLASS A)具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性。Imageware的模型檢測(cè)功能可以方便、直觀地顯示所構(gòu)造的曲面模型與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)之間的誤差以及平面度、真圓度等幾何公差。CopyCAD(英國(guó)DELCAM公司系列產(chǎn)品)，主要處理測(cè)量數(shù)據(jù)的曲面造型。DELCAM的產(chǎn)品涵蓋了從設(shè)計(jì)到制造、檢測(cè)的全過(guò)程；包括PowerSHAPE、Power-MILL、PowerI

19、NSPECT、ArtCAM、CopyCAD、PS-TEAM等諸多軟件產(chǎn)品。CopyCADM系列中的其它軟件可以很好地集成。RapidForm(韓國(guó)INUS公司開(kāi)發(fā))逆向工程軟件，主要用于處理測(cè)量、掃描數(shù)據(jù)的曲面建模以及基于CT數(shù)據(jù)的醫(yī)療圖像建模．還可完成藝術(shù)品的測(cè)景建模以及高級(jí)圖形生成。RapidForm提供一整套模型分割、曲面生成、曲面檢測(cè)的工具．用戶(hù)可以方便地利用以前構(gòu)造的曲線(xiàn)網(wǎng)格經(jīng)過(guò)縮放處理后應(yīng)用到新的模型重構(gòu)過(guò)程中。,國(guó)內(nèi)逆向

20、工程軟件,國(guó)內(nèi)在逆向工程軟件方面的研究．主要集中在高等學(xué)校(如清華大學(xué)、浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué))，也有軟件產(chǎn)品出現(xiàn)，但是由于系統(tǒng)穩(wěn)定性、可操作性等原因，這些研究性軟件還沒(méi)具備與國(guó)外商業(yè)化軟件競(jìng)爭(zhēng)的條件。QuickForm是較好的一個(gè)：該系統(tǒng)采用先進(jìn)的幾何引擎，運(yùn)行穩(wěn)定性好，并有良好的可操作性。由于開(kāi)發(fā)人員具有豐富的逆向工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)．因此系統(tǒng)的功能設(shè)置、操作方式符合國(guó)內(nèi)用戶(hù)的習(xí)慣，這是國(guó)外軟件所無(wú)法具備的。QuickForm還具有

21、價(jià)格優(yōu)勢(shì)，QuickForm的價(jià)格在同類(lèi)軟件中具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力；采用國(guó)產(chǎn)軟件也是對(duì)國(guó)內(nèi)制造業(yè)和軟件行業(yè)的支持。,Imageware,Imageware是著名的逆向工程軟件，世界四大逆向工程軟件之一，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空、航天、消費(fèi)家電、模具、計(jì)算機(jī)零部件領(lǐng)域。擁有廣大的用戶(hù)群，國(guó)外有BMW、Boeing、GM、Chrysler、Ford、raytheon、Toyota；國(guó)內(nèi)已有上海大眾、上海交大、上海DELPHI、成都飛機(jī)制造公司等。

22、以前該軟件主要應(yīng)用于航空航天和汽車(chē)工業(yè)，因?yàn)檫@兩個(gè)領(lǐng)域?qū)諝鈩?dòng)力學(xué)性能要求很高，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的開(kāi)始階段就要認(rèn)真考慮空氣動(dòng)力性。常規(guī)的設(shè)計(jì)流程首先根據(jù)工業(yè)造行需要設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)，制作出油泥模型，然后將模型送到風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室去測(cè)量空氣動(dòng)力學(xué)性能，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行修改，經(jīng)過(guò)反復(fù)修改直到獲得滿(mǎn)意結(jié)果為止，這樣所得到的最終油泥模型才是符合我們需要的模型。,Imageware,如何將油泥模型的外形精確地輸入計(jì)算機(jī)成為電子模型，這就需要采用逆向工程

23、軟件、首先利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器測(cè)出模型表面點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，利用逆向工程軟件（例如：Imageware、surfacer）進(jìn)行處理，獲得class 1曲面。隨著技術(shù)進(jìn)步和消費(fèi)水準(zhǔn)的不斷提高，很多其他行業(yè)也開(kāi)始紛紛采用逆向工程軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，例如，微軟公司生產(chǎn)的鼠標(biāo)器，就其功能來(lái)講，只需要三個(gè)鍵就可以了，可是怎樣才能讓鼠標(biāo)器手感最好，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用而不易產(chǎn)生疲勞感確是生產(chǎn)廠商需要認(rèn)真考慮的問(wèn)題。因此微軟公司首先根據(jù)人體工程學(xué)制作了幾個(gè)模型，并

24、交給使用者評(píng)估，根據(jù)評(píng)估意見(jiàn)對(duì)模型直接修改，直到模型修改到大家都滿(mǎn)意為止，然后將模型數(shù)據(jù)利用逆向工程軟件Imageware生成CAD數(shù)據(jù)。當(dāng)產(chǎn)品推出市場(chǎng)后，由于外觀新穎、曲線(xiàn)流暢、加上手感好，符合人體工程學(xué)原理，迅速獲得用戶(hù)的廣泛認(rèn)可，產(chǎn)品市場(chǎng)占有率大幅度上升。,應(yīng)用展望,反求工程是一門(mén)開(kāi)拓性、綜合性和實(shí)用性很強(qiáng)的技術(shù)。盡管?chē)?guó)內(nèi)外已有大量成功經(jīng)驗(yàn)，但目前還很少有這方面系統(tǒng)的論著，大多散見(jiàn)在各個(gè)行業(yè)的案例或設(shè)計(jì)資料中，很多企業(yè)也不愿將其反

25、求技術(shù)公開(kāi)。應(yīng)該看到，反求工程有其獨(dú)特的共性技術(shù)和內(nèi)容，還是一門(mén)新興的交叉學(xué)科分支，正如高新技術(shù)層出不窮，解密技術(shù)亦要相應(yīng)發(fā)展。在工程專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，需有設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、使用、維修、檢測(cè)等方面知識(shí)；在現(xiàn)代設(shè)計(jì)法領(lǐng)域，應(yīng)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化、有限元、價(jià)值工程、可靠性、工業(yè)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新技法等知識(shí)；在計(jì)算機(jī)方面，需有硬件和軟件的基本知識(shí)，等等?？傊F(xiàn)行產(chǎn)品中的各種復(fù)雜、高新技術(shù)，在反求工程中都會(huì)遇到如何消化吸收問(wèn)題。,小結(jié),了解反求工程的概念、研究

26、對(duì)象及研究?jī)?nèi)容；掌握反求工程的設(shè)計(jì)流程。,先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù),有限元分析,反求工程,,2,1,3,4,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù),概述,5,綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì),6,可靠性設(shè)計(jì),,可靠性設(shè)計(jì),可靠性工作的意義,可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。,重要關(guān)鍵產(chǎn)品的可靠性問(wèn)題突出，如航空航天產(chǎn)品； 量大面廣的產(chǎn)品，可靠性與經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān)，如洗衣機(jī)等； 高可靠性的產(chǎn)品，市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)；,可靠性學(xué)科的內(nèi)容,可靠性基礎(chǔ)理論：數(shù)學(xué)、失效物理學(xué)(疲勞、磨損、蠕變機(jī)理）等

27、；,可靠性工程：可靠性分析、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、使用與維護(hù)等；,可靠性管理：可靠性規(guī)劃、評(píng)審、標(biāo)準(zhǔn)、指標(biāo)及可靠性增長(zhǎng)；,固有可靠性：由設(shè)計(jì)所決定的產(chǎn)品固有的可靠性；,使用可靠性：在特定的使用條件下產(chǎn)品體現(xiàn)出的可靠性；,可靠性定義與指標(biāo),１、可靠性定義,產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。,可靠性：(Reliability),維修性：(Maintainability),可維修的產(chǎn)品在某時(shí)刻具有或維持規(guī)定功能的能力。,有效性：(A

28、vailability),有效性→廣義可靠性＝（狹義）可靠性?維修性,在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法完成維修的能力。,可靠性指標(biāo),? 可靠度：(Reliability),產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。,記為：R(ｔ)　　　即：R(ｔ)=P{Ｔ>ｔ},其中：T為產(chǎn)品的壽命；ｔ為規(guī)定的時(shí)間；,事件{Ｔ>ｔ}有下列三個(gè)含義：? 產(chǎn)品在時(shí)間ｔ內(nèi)完成規(guī)定的功能；? 產(chǎn)品在時(shí)間ｔ內(nèi)無(wú)故障；

29、? 產(chǎn)品的壽命Ｔ大于ｔ。,若有N個(gè)相同的產(chǎn)品同時(shí)投入試驗(yàn)，經(jīng)歷時(shí)間ｔ后有n(t)件產(chǎn)品失效，則產(chǎn)品的可靠度為：,失效概率為：,? 失效率,例：若有100件產(chǎn)品，實(shí)驗(yàn)10小時(shí)已有2件失效。此時(shí)觀測(cè)1小時(shí)，發(fā)現(xiàn)有1件失效，這時(shí),若實(shí)驗(yàn)到50小時(shí)時(shí)共有10件失效。再觀測(cè)1小時(shí)，也發(fā)現(xiàn)有1件失效，這時(shí),可靠性指標(biāo),? 平均壽命,? 對(duì)于不可修產(chǎn)品為平均無(wú)故障時(shí)間MTTF (Mean Time To Failure),對(duì)于可修產(chǎn)品為平均故障間

30、隔時(shí)間MTBF (Mean Time Between Failure),? 維修度,在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法完成維修的概率。(M(t)),? 有效度,平均維修時(shí)間：MTTR(Mean Time To Repair),可以維修的產(chǎn)品在某時(shí)刻具有或維持規(guī)定功能的概率。,可靠性指標(biāo),先進(jìn)

31、設(shè)計(jì)技術(shù),有限元分析,反求工程,,2,1,3,4,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù),概述,5,綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì),6,可靠性設(shè)計(jì),,1.綠色設(shè)計(jì)的概念,1.1 產(chǎn)品生命周期,傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程圖,A.直接再循環(huán)/重復(fù)利用；B.可重復(fù)利用的再制造C.循環(huán)材料再加工；D.單體/原材料再生考慮綠色設(shè)計(jì)的產(chǎn)品生命周期圖,1.綠色設(shè)計(jì)的概念,傳統(tǒng)產(chǎn)品一般只是為了滿(mǎn)足人們的某些功能需要來(lái)為企業(yè)贏得大的利潤(rùn)。 綠色產(chǎn)品（Green product , GP），又稱(chēng)環(huán)

32、境協(xié)調(diào)產(chǎn)品（Environment Conscious Product，ECP）?？蛇@樣定義：GP就是在其生命周期全過(guò)程中，符合特定的環(huán)保要求，對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)害或危害很小，資源利用率很高，能源消耗低的產(chǎn)品。綠色產(chǎn)品不僅要對(duì)環(huán)境友好，具有宜人的使用方式，為人們的健康生活方式服務(wù)，倡導(dǎo)綠色消費(fèi)文化。綠色產(chǎn)品在傳統(tǒng)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，使產(chǎn)品與環(huán)境(自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境)、產(chǎn)品與消費(fèi)者的關(guān)系更加密切。,1.2 傳統(tǒng)產(chǎn)品和綠色產(chǎn)品,1.綠色設(shè)計(jì)的概念

33、,1.3 綠色設(shè)計(jì),綠色設(shè)計(jì)（Green Design，GD）又稱(chēng)生態(tài)設(shè)計(jì)（Ecological Design，ED），環(huán)境設(shè)計(jì)（Design for Environment，DFE）等。 “綠色設(shè)計(jì)”是20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的一股國(guó)際設(shè)計(jì)潮流。早在20世紀(jì)60年代末著名的工業(yè)設(shè)計(jì)師及教育家維可多?佩帕尼克就出版了在設(shè)計(jì)界引起強(qiáng)烈反響的著作《為現(xiàn)實(shí)生活而設(shè)計(jì)》，在書(shū)中提出了在當(dāng)時(shí)與眾不同的觀點(diǎn)，他認(rèn)為我們周遭的事物都是由設(shè)計(jì)師創(chuàng)造的

34、，設(shè)計(jì)師在市場(chǎng)銷(xiāo)售和用戶(hù)滿(mǎn)意度方面不單單只是起到“美化”的作用，同時(shí)應(yīng)強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)師的社會(huì)及道德的倫理價(jià)值。 進(jìn)入21世紀(jì)，因世界各國(guó)政府對(duì)環(huán)境問(wèn)題的重視，有關(guān)環(huán)境保護(hù)法規(guī)的建立，企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)，使得帶有理想主義色彩的“綠色設(shè)計(jì)”潮流逐步有了現(xiàn)實(shí)意義。,1.綠色設(shè)計(jì)的概念,可這樣定義：綠色設(shè)計(jì)是在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)（設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、銷(xiāo)售、使用或消費(fèi)、廢棄處理），著重考慮產(chǎn)品的環(huán)境屬性（自然資源的利用、對(duì)環(huán)境和人的影響、可拆卸性、可回收性

35、、可重復(fù)利用性等），并將其作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，在滿(mǎn)足環(huán)境目標(biāo)要求的同時(shí)，并行地考慮并保證產(chǎn)品應(yīng)有的基本功能、使用壽命、經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量等。,1.3 綠色設(shè)計(jì),2. 綠色設(shè)計(jì)的特征,設(shè)計(jì)目標(biāo)。設(shè)計(jì)目標(biāo)中除考慮功能、性能、質(zhì)量、成果等方面外，還必須考慮產(chǎn)品在整個(gè)生命周期過(guò)程中與環(huán)境和人的友好性；設(shè)計(jì)技術(shù)。除常規(guī)設(shè)計(jì)方法外，還必須采用可拆卸、可回收、模塊化設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)?？紤]從原料提煉、加工、制造、裝配、包裝、運(yùn)輸、廢棄回收、重用處理等整個(gè)產(chǎn)品生命

36、周期內(nèi)，對(duì)環(huán)境造成的影響為最?。辉O(shè)計(jì)流程。并行閉環(huán)型設(shè)計(jì)，從廢棄后的回收、重用、修復(fù)、再加工，進(jìn)入新一輪的產(chǎn)品生命周期。設(shè)計(jì)目的。兼顧產(chǎn)品性能需求和環(huán)保影響。,3. 綠色設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù),4. 綠色設(shè)計(jì)過(guò)程模型,綠色產(chǎn)品過(guò)程模型將綠色設(shè)計(jì)分為4個(gè)部分：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、產(chǎn)品環(huán)境性能設(shè)計(jì)與產(chǎn)品資源性能設(shè)計(jì)，每一部分都從全生命周期的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇，并通過(guò)評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)相互聯(lián)系。,綠色設(shè)計(jì)過(guò)程模型圖,4. 綠色設(shè)計(jì)過(guò)程模型,4.1 綠色

37、產(chǎn)品的描述與建模,即弄清楚什么是綠色產(chǎn)品，不同產(chǎn)品的綠色屬性如何表現(xiàn)，并通過(guò)生命周期分析方法（LCA）與并行工程思想建立綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型。,4.2 綠色產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),綠色產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)除滿(mǎn)足普通產(chǎn)品的基本要求外，還要考慮結(jié)構(gòu)的易于拆卸與回收處理。 不可拆卸會(huì)造成大量可重復(fù)利用的零部件的浪費(fèi)，因而現(xiàn)代產(chǎn)品不僅要有優(yōu)良的裝配性能，還應(yīng)有良好的拆卸性能。 可回收性設(shè)計(jì)指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期就充分考慮其回收的可能性、回收價(jià)值的大小、回收處理的方式等。

38、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括：產(chǎn)品的可拆卸性設(shè)計(jì)和可回收性設(shè)計(jì)。,4. 綠色設(shè)計(jì)過(guò)程模型,4.3 綠色設(shè)計(jì)的材料選擇,傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要從材料的功能、性能、經(jīng)濟(jì)性和是否滿(mǎn)足要求等角度選材。綠色設(shè)計(jì)選材不僅要考慮產(chǎn)品的性能和條件，還要考慮環(huán)境的約束準(zhǔn)則、選用無(wú)毒、無(wú)或少污染、易降解和易回收利用的材料。,4. 綠色設(shè)計(jì)過(guò)程模型,綠色設(shè)計(jì)的材料選擇原則：1、減少所用材料種類(lèi)。Whirlpool公司把包裝材料從20種減少到4種，處理廢物的成本下降了50

39、％以上，材料成本降低，性能提高。2、減少在加工過(guò)程中對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響的材料。（能源）3、選用易回收材料或能再生材料。美國(guó)設(shè)計(jì)師利用再生材料制成的雙層波紋板代替木板制成包裝用托架，與同強(qiáng)度木材比重量減輕3/4，節(jié)約了木材資源和運(yùn)輸成本，且能循環(huán)處理利用。（塑料 /鋁）4、選用廢棄后能自然分解并能為自然界吸收的材料。如廢棄后能在光合作用或生化作用下自然分解的塑料制品包裝材料。5、盡可能選擇無(wú)毒、無(wú)害的材料。,4. 綠色設(shè)計(jì)過(guò)程模型

40、,4.4 產(chǎn)品資源性能設(shè)計(jì),綠色設(shè)計(jì)通過(guò)并行考慮產(chǎn)品生命周期的各個(gè)階段，使產(chǎn)品的資源得到合理利用合配置。,4. 綠色設(shè)計(jì)過(guò)程模型,4.5 產(chǎn)品環(huán)境性能設(shè)計(jì),在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，將其環(huán)境性能作為設(shè)計(jì)目標(biāo)是綠色設(shè)計(jì)區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)之一。由于不同的產(chǎn)品有不同的環(huán)境性能，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)、使用環(huán)境與要求分別予以滿(mǎn)足。如對(duì)電冰箱而言，其環(huán)境性能主要表現(xiàn)在不用氯氟氫類(lèi)的制冷劑和發(fā)泡劑，減少或消除酸洗、磷化過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)境污染物，降低能耗、

41、減少噪聲、減少所用材料種類(lèi)等。,4. 綠色設(shè)計(jì)過(guò)程模型,4.6 產(chǎn)品設(shè)計(jì)評(píng)價(jià),綠色設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)主要解決綠色設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿(mǎn)足預(yù)期需求和目標(biāo)，是否有改善潛力的問(wèn)題。其主要內(nèi)容包括： 建立系統(tǒng)、完整的綠色設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系； 對(duì)現(xiàn)行評(píng)價(jià)方法研究的基礎(chǔ)上，利用層次分析法、模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，建立綠色設(shè)計(jì)的綜合評(píng)價(jià)模型。,5. 產(chǎn)品的可拆卸性設(shè)計(jì),產(chǎn)品的可拆卸性是產(chǎn)品可回收性的重要條件，直接影響產(chǎn)品的可回收再生性。面向拆卸的設(shè)計(jì)：Desi

42、gn for Disassembly，DFD,5.1 影響產(chǎn)品可拆卸性的因素待拆卸零件的數(shù)目待拆卸零部件在產(chǎn)品中所處的拆卸深度拆卸過(guò)程 的并行與串行待拆的連接數(shù)目連接的拆卸時(shí)間連接的種類(lèi)與拆卸所需工具數(shù)連接的可達(dá)性連接在使用后的可能狀態(tài),5.2 拆卸設(shè)計(jì)準(zhǔn)則拆卸工作量最少原則：在滿(mǎn)足使用要求的前提下盡量去掉一些不必要的功能，如零件相似功能的合并，減少材料的種類(lèi)并考慮材料之間的相容性。結(jié)構(gòu)的可拆卸性準(zhǔn)則。在選擇零件間的

43、連接方法時(shí)應(yīng)考慮拆卸分離的方便性，并且緊固件的數(shù)量應(yīng)盡量少。拆卸易于操作的準(zhǔn)則。在拆卸過(guò)程中，不僅要使拆卸動(dòng)作快，而且要采用合理的結(jié)構(gòu)，使拆卸易于進(jìn)行，如采用快開(kāi)機(jī)構(gòu)；在拆卸零件上留有可供抓取的表面。,5. 產(chǎn)品的可拆卸性設(shè)計(jì),5. 產(chǎn)品的可拆卸性設(shè)計(jì),拆卸評(píng)價(jià)主要包括對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性評(píng)價(jià)、環(huán)境性評(píng)價(jià)及拆卸的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。通常以經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)（拆卸成本、回收利潤(rùn)或拆卸時(shí)間）為單位，定量地評(píng)價(jià)零部件拆卸的難易程度，并根據(jù)拆卸后果將設(shè)計(jì)缺陷信息

44、反饋給設(shè)計(jì)者，使其在設(shè)計(jì)初始階段修改方案，設(shè)計(jì)出易于拆卸的產(chǎn)品。,5.3 拆卸評(píng)價(jià)體系,6. 產(chǎn)品的可回收性設(shè)計(jì),傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在著的回收通常只停留在如材料回收的低層次回收上。為更大限度地利用廢棄產(chǎn)品，提高廢棄產(chǎn)品的利用率和再生率，提出了回收設(shè)計(jì)（Design for Recovering，DFR）的概念。,可回收性設(shè)計(jì)是在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)候，充分考慮產(chǎn)品零部件及材料的回收可能性、回收價(jià)值大小、回收處理方法、回收處理結(jié)構(gòu)工藝性等與可回收性

45、有關(guān)的問(wèn)題。 使零部件及材料資源和能源的充分和有效利用，并在回收過(guò)程中對(duì)環(huán)境污染最小的一種設(shè)計(jì)思想和方法。,6. 產(chǎn)品的可回收性設(shè)計(jì),研究表明：零部件的重復(fù)利用可使產(chǎn)品的最終成本平均下降30%。,6. 產(chǎn)品的可回收性設(shè)計(jì),6.1 可回收材料及其標(biāo)志 產(chǎn)品報(bào)廢后，其零部件材料能否回收，取決于其材料本身的性能變化情況。如根據(jù)寶馬公司研究，由加強(qiáng)聚氨玻璃纖維制造的汽車(chē)進(jìn)氣管零件，在汽車(chē)報(bào)廢后，其彈性模量和阻尼特性幾乎沒(méi)有改變，可以

46、100％回收重用。但一般來(lái)說(shuō)，材料性能在使用過(guò)程中均會(huì)有所退化。 識(shí)別產(chǎn)品中零部件、材料能否回收或重用的標(biāo)志有：產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)用不同的顏色表明材料的可回收性或標(biāo)注專(zhuān)門(mén)的分類(lèi)編碼代號(hào)等。如寶馬3系列汽車(chē)，所使用的材料80％是可以回收的，并采用了一種特殊的編碼系統(tǒng)，識(shí)別產(chǎn)品中不同零件的數(shù)量。 對(duì)大多數(shù)塑料零件采用顏色編碼標(biāo)志，綠色表示純塑料，藍(lán)色表示可回收的塑料。采用這種標(biāo)志減少了不同塑料數(shù)量，完全避免了有毒、有害物質(zhì)，要求

47、對(duì)數(shù)量超過(guò)100g的所有聚合物做出標(biāo)志。在塑料零件上做出條形碼標(biāo)志。具有條形碼的塑料零件可以用激光掃描儀及機(jī)器人進(jìn)行分類(lèi)。條形碼包括了拆卸產(chǎn)品的許多信息如：成分、年代、環(huán)境危害及添加劑分等。,6. 產(chǎn)品的可回收性設(shè)計(jì),6.2 回收設(shè)計(jì)準(zhǔn)則考慮零件的異化使用方法，在全社會(huì)范圍內(nèi)尋找其再使用的途徑，充分利用回收的零部件。如發(fā)動(dòng)機(jī)回收后可用于汽車(chē)修理，也可作為教學(xué)實(shí)物用于教學(xué)。物質(zhì)使用最小化。在保證總功能前提下，遵循“最少就是好”原則。

48、材料種類(lèi)最少化。提高分類(lèi)效率和回收效率并降低材料購(gòu)買(mǎi)價(jià)格。選擇理想材料。在不影響功能的前提下，盡可能使用可再循環(huán)利用材料、生物材料及回收再生材料，促使整個(gè)社會(huì)形成一個(gè)有效使用資源的良性循環(huán)。充分考慮材料的兼容性。即使這些材料構(gòu)成的零部件無(wú)法拆卸，也可一起被再生利用。,6. 產(chǎn)品的可回收性設(shè)計(jì),6.3 回收的經(jīng)濟(jì)性分析 回收的經(jīng)濟(jì)性是零件材料能否有效回收的決定性因素。 回收的經(jīng)濟(jì)性可根據(jù)產(chǎn)品類(lèi)型、生產(chǎn)方式、所

49、有材料種類(lèi)等，根據(jù)設(shè)計(jì)制造實(shí)踐，整理各有關(guān)的數(shù)據(jù)、資料并參考現(xiàn)行 的成本預(yù)算方式，建立可回收性經(jīng)濟(jì)評(píng)估數(shù)學(xué)模型。,6. 產(chǎn)品的可回收性設(shè)計(jì),6.4 拆卸成本和回收效益拆卸回收的經(jīng)濟(jì)性是由拆卸成本和回收效益決定的，它決定產(chǎn)品的拆卸深度。拆卸成本由拆卸操作引起，隨著拆卸操作的不斷進(jìn)行而增加，同時(shí)它使得有用零部件和材料的回收成為可能，并帶來(lái)回收效益。零部件的回收效益是指回收的總價(jià)值扣除拆卸成本后所得到的效益。由五部分組成：重用零件

50、的回收效益、重用部件的回收效益、材料回收效益、焚燒和填埋處理的費(fèi)用。,6.5 產(chǎn)品的回收效率產(chǎn)品的回收效率指零部件的凈回收效益與其所具有的回收總效益之比。,7. 綠色設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì),1)使用天然的材料，以“未經(jīng)加工的”形式在家具產(chǎn)品、建筑材料和織物中得到體現(xiàn)和運(yùn)用。2)懷舊的簡(jiǎn)潔的風(fēng)格，精心融入“高科技”的因素，使用戶(hù)感到產(chǎn)品是可親的、溫暖的。3)實(shí)用且節(jié)能。4)強(qiáng)調(diào)使用材料的經(jīng)濟(jì)性，摒棄無(wú)用的功能和純裝飾的樣式，創(chuàng)造形象生動(dòng)的