1、第三章 机械设计及现代设计方法,4.1 概论 4.2 毛坯制造方法 4.3 材料热处理及表面处理技术 4.4 零件加工制造 4.5 机器装备 4.6 机械制造装备,3.1 概论,3.1.1 工程设计的概念,产品是设计结果的物质表现。若设计人员所设计的产品,是以一定技术手段来实现社会特定需求的人造系统,则称之为技术系统。工程设计主要是对技术系统而言的,它是广义设计在工程技术领域中的特有表现,是对技术系统进行构思、分析并把设想变为现实的技术实践活动。,3.1 概论,3.1.1 工程设计的概念,技术系统的处理对象是能量、物料及信息。随着时间及其他条件的影响,系统中存在能量、物料及信息的变化,即能量流
2、、物料流和信息流。其中,能量包括机械能、电能、光能、核能等形式,在图3-1中用实线箭头表示;物料可为材料、毛坯、试件、半成品等形式,在图3-1中用双线箭头表示;而信息往往体现为测量值、指示值、控制信号、脉冲显示等形式,在图3-1中用虚线箭头表示。,图3-1 技术系统,3.1 概论,3.1.1 工程设计的概念,图3-2所示为压力机用于冲压时的技术系统示意图,通过对系统的输入和输出的主要内容分析可知,压力机这一机械系统用来使物料分离或产生塑性变形。采用这种分析方法,便于抓住系统的本质,有助于进一步改进或开发新的技术系统。,图3-2 压力机用于冲压时的技术系统,3.1 概论,3.1.1 工程设计的概
3、念,技术系统的性质可分为整体性质、基本设计性质和工作性能,如图3-3所示。,图3-3 技术系统的性质,3.1 概论,3.1.1 工程设计的概念,结构、材料、形状、尺寸及工作表面被称为技术系统的基本设计性质的原因： 首先在于它们决定了系统的其他性质,例如系统的强度、刚度等主要取决于零件的材料、尺寸,结构及工作表面影响载荷分布及应力状态等; 其次,这五种性质是设计人员可调节的,例如当空间受到限制时可以选用较好的材料,需要减小应力集中影响时可以改变零件的形状等。 因此,也有人认为,设计过程就是基本设计性质的调节过程,以使技术系统具备所期望的性质。,3.1 概论,3.1.1 工程设计的概念,工程设计是
4、一种技术实践活动,旨在创造人为事物,实践性是其最根本的特征之一。 从信息处理角度,设计是一种信息转换装置,输入的是设计要求和约束条件信息,设计者运用一定的知识和方法通过计算机、试验设备等工具进行设计,最后输出的是方案、图样、程序、文件等设计结果。 设计并不仅仅是计算和绘图。随着高新技术的发展和社会需求的多样化,工业生产迅速走向大规模、集成化和复杂化,从而使现代工业特别是机械工业面临新的机遇和挑战。,3.1 概论,3.1.2 设计的地位和意义,设计的目的：保证系统的功能,建立性能优良、成本低廉、价值最佳的技术系统。它对产品的技术和经济效果起着决定性作用,其重要性是不言而喻的。 设计的意义：设计作
5、为现代工业生产的关键性环节,在产品的整个生命周期中占有极其重要的位置,它从根本上决定着产品的内在和外在品质及成本。,3.1 概论,3.1.3 设计的分类,按照不同的划分标准,设计有不同的分类。例如,按照设计活动的时间进程,设计可分为方案设计(概念设计)、技术设计(详细设计)和施工设计。基于对设计本质的认识,根据设计活动中创造性的大小,则可将其分为三类:常规设计(Routine Design)、革新设计(Innovative Design)和创新设计(Creative Design)。,3.1 概论,3.1.3 设计的分类,常规设计,是指以成熟技术结构为基础,运用常规方法来进行的产品设计。 创造
6、性设计是创新设计和革新设计的统称。创新设计旨在提供具有社会价值的、新颖而独特成果的设计。 革新设计是指为增加原有产品的功能、适用范围,提高它的性能或改进其结构、尺寸或外形的变型设计,因此又可称为改进设计。,3.1 概论,3.1.3 设计的分类,从设计任务的要求来划分,通常有三种不同类型的设计: 1)开发性设计。运用成熟的科学技术,从工作原理和结构上设计过去没有的新型产品,这是一种完全创新的设计。 2)适应性设计。在原理、方案基本保持不变的前提下,对产品作局部的变更设计,使之更能满足用户的需求。 3)变型设计。在功能和工作原理不变的情况下,变更现有产品的结构配置、布置方式和尺寸,使之适应多方面的
7、使用要求。,3.1 概论,3.1.4 设计的本质与过程,设计的本质可以从下面几方面来说明: 1)从工作性质与内容看,设计的内容广泛。 2)从设计的过程与方法看,设计是一种活动。 设计是一种工程活动。 设计是一种创造性的智力活动。 设计是一个综合、决策、迭代、寻优的过程。 设计是一种创造性活动,设计的本质是创造和革新,从这个意义上讲,创新是设计的灵魂。,1.设计的本质,3.1 概论,3.1.4 设计的本质与过程,设计的本质是由如下设计的基本特征所决定的: 1) 约束性。 2)多解性。 3)相对性。,1.设计的本质,3.1 概论,3.1.4 设计的本质与过程,2.设计的过程,首先,对设计对象作出正
8、确的分析,确定它的技术经济指标。 其次,采用系统学或创造性的设计方法,确定可能的设计方案,根据经验或通过简单的计算作出分类,然后再用价值分析方法或优选方法选择方案。 最后,用优化设计方法确定所选方案的主要参数,选择经济的材料和工艺过程,并完成设计阶段的一切技术文件。,图3-4 机械产品设计过程的工作循环流程,3.2 设计理论与方法,3.2.1 设计理论与方法的分类,图3-5 现代机械设计方法的分类,3.2 设计理论与方法,3.2.2 机械设计理论与方法的发展趋向,图3-6 现代机械设计理论与方法的发展趋向,3.3 现代设计技术,3.3.1 现代设计技术的定义与特点,现代设计技术:以满足应市产品
9、的质量、性能、时间、成本/价格综合效益最优为目的,以计算机辅助设计技术为手段,以知识为依托,以多种科学方法及技术为手段,研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。,3.3 现代设计技术,3.3.1 现代设计技术的定义与特点,现代设计技术具有如下特点: (1)设计范畴扩展化 (2)设计手段计算机化 (3)设计过程并行化 (4)设计过程智能化 (5)设计手段拟实化 (6)分析手段精确化 (7)多种手段综合应用 (8)强调设计的逻辑性和系统性 (9)进行动态多变量的优化 (10)强调产品的环保性 (11)强调产品的宜人性 (12)强调用户参与 (13)强调设计阶段的质量控制 (14)设计和
10、制造一体化 (15)强调产品全生命周期最优化,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,优良性能设计基础技术是一组以提高机械产品综合性能为目标的设计技术,是各种创新技术发展的基础,是全生命周期设计技术的必要条件。它包括可靠性设计技术、试验技术、防疲劳断裂设计技术、系统动态设计技术、稳定性设计技术、摩擦学设计技术、优化设计技术、防腐蚀设计技术、表面工程设计技术、状态监测和补偿控制技术等。,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,(1)可靠性的概念及其发展 产品的可靠性可定义为:产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。 “规定的时间”,它具有一定寿命的数值概念
11、。这个规定的时间指的是产品出厂后的一段时间,这一段时间可以叫做产品的保险期; “规定的条件”,包括环境条件、储存条件以及受力条件等; “规定的功能”,它说的是保持功能参数在一定界限值之内的能力,不能任意扩大界限值的范围。,1.可靠性设计,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,(2)可靠性的研究内容和可靠性指标 可靠性的主要研究内容有可靠性理论基础和可靠性应用技术。可靠性理论基础包括概率统计理论、失效物理、可靠性设计技术、可靠性环境技术、可靠性数据处理技术、可靠性基础实验及人在操作过程中的可靠性等。可靠性应用技术包括使用要求调查、现场数据收集和分析、失效分析、零部件和系统的可靠
12、性设计与预测、软件可靠性、可靠性评价和验证、包装运输保管和使用的可靠性规范、可靠性标准等。,1.可靠性设计,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,(2)可靠性的研究内容和可靠性指标 可靠性的数值标准常采用以下指标(或称特征值):可靠度、失效率或故障率和平均寿命等。 1)可靠度(Degree Of Reliability)。可靠度的定义是:零件(系统)在规定的运行条件下及在规定的工作时间内,能正常工作的概率。,1.可靠性设计,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,(2)可靠性的研究内容和可靠性指标 2)失效率(Failure Rate)。机电产品零件的典型失效
13、率曲线(即失效或故障模式)如图3-7所示。,1.可靠性设计,3.3 现代设计技术,2)失效率(Failure Rate)。 典型失效率曲线可以划分为三个区域。 早期失效区域最初的失效率较高,此后迅速下降。 正常工作区域出现的失效具有随机性,失效率变化不太大,有的微微下降或上升。在此区域内,失效率较低。 功能失效区域的失效率迅速上升。一般情况下,零件表现为耗损、疲劳或老化所致的失效。预测这一时间的意义非常重大。 失效率曲线的三个区域反映了产品零件的三种失效率或故障模式,它们均具有一定的概率分布特性。,图3-7 机电产品零件的典型失效率曲线,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,
14、(3)机械可靠性设计 机械可靠性设计是在满足产品功能、成本等要求的前提下,使产品可靠运行的设计过程。 机械可靠性设计的主要特征是将常规设计变量,如材料强度、疲劳寿命、载荷、几何尺寸及应力等所具有的多值现象都看成是服从某种分布的随机变量,根据机械产品的可靠性指标要求,用概率统计的方法设计出零部件的主要参数和结构尺寸。,1.可靠性设计,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,(3)机械可靠性设计 机械可靠性设计内容包括: 1)可靠性预测。 可靠性预测是一种预报方法,即从所得到的失效数据预报一个零部件或系统实际可能达到的可靠度,预报这些零部件或系统在规定的条件下和在规定的时间内完成规
15、定功能的概率。其目的有:协调设计参数及指标,提高产品的可靠性;对比设计方案,以选择最佳系统;预示薄弱环节,采取改进措施。它可以按单元子系统系统的顺序自下而上地落实可靠性指标,是一种合成方法。,1.可靠性设计,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,(3)机械可靠性设计 机械可靠性设计内容包括: 2)可靠性分配。 可靠性分配就是将系统设计所要求达到的可靠性,合理地分配给各组成单元,从而求出各单元应具有的可靠度。可靠性分配的目的在于合理地确定每个单元的可靠性指标,并将它作为元件设计和选用的重要依据。它是按系统子系统单元的顺序自上而下地落实可靠性指标,是一种分解方法。,1.可靠性设计
16、,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,(3)机械可靠性设计 机械可靠性设计内容包括: 3)可靠性试验。 可靠性试验是为了定量评价产品的可靠性指标而进行的各种试验的总称。通过试验可以获得受试产品的可靠性指标,如平均寿命、可靠度、失效概率等,验证产品是否达到设计要求。通过对试验样品的失效分析,可以揭示产品的薄弱环节及其原因,制定相应措施,达到提高可靠性的目的。因此,可靠性试验是研究产品可靠性的基本手段,也是预测产品可靠性的基础。,1.可靠性设计,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,(1)系统动态设计的技术内涵 机械设计可以分为静态设计和动态设计。 1)静态设
17、计。认为结构是相对“不动的”,它承受的载荷和周围介质的状态参数(如温度、压力、流速及电磁场等)也是“不变的”,只对其静态性能进行分析、评价和设计。 2)动态设计。动态设计是相对静态设计而言,与静态设计的本质区别在于:变“不动”为“运动”,变“不变”为“变化”,是对结构的动态特性,如固有频率、振型、动力响应和运动稳定性等进行分析、评价与设计,谋求结构系统在工作过程中受到各种预期可能的瞬变载荷及环境作用时,仍然保持良好的动态性能与工作状态。,2.系统动态设计,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,(1)系统动态设计的技术内涵 系统动态设计的技术内涵主要体现在:建立可靠的数学模型,
18、借助电子计算机技术,采用先进的科学计算方法,以实验数据为依托,全面分析研究机械结构系统在预期可能的各种载荷与周围介质作用下,力与运动、结构变形、内部应力以及稳定性之间的关系,据此调整结构参数,确保机械结构系统在实际工作运行中具备优良的动态性能、足够的稳定裕度、良好的工作状态。,2.系统动态设计,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,(2)系统动态设计方法 目前系统动态设计方法主要有传递函数分析法、模态分析法和模态综合法。 1)传递函数分析法。,2.系统动态设计,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,(2)系统动态设计方法 1)传递函数分析法。 传递函数是系统
19、动态分析设计方法研究的中心内容。因为利用传递函数不必求解微分方程,就可研究初始条件为零的系统在输入信号作用下的动态过程,同时还可研究系统参数变化或结构参数变化对动态过程的影响,因而使分析和研究过程大为简化;另一方面,还可以把对系统性能的要求转化为对系统传递函数的要求,把系统的各种特性用数学模型有机地结合在一起,使综合设计易于实现。,2.系统动态设计,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,(2)系统动态设计方法 2)模态分析法。 应用传递函数进行系统或设备的动态特性分析虽然方便,但首先需要有相应的传递函数,而在许多情况下,求不出相应的传递函数。为了解决这样一些问题,可以采用模态
20、分析法。,2.系统动态设计,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,(2)系统动态设计方法 2)模态分析法。 将一个多自由度振动系统的固有特性用一系列模态参量来表达,这些参量的关系就形成了系统的传递函数。一个具有个自由度的振动系统,将有一个阶的传递函数矩阵。用实验和其他数据处理手段(如有限元方法)找出该系统特有的模态参量或传递函数,并用以对系统的动态性能进行分析、预测、评价和优化,这种处理问题的方法就叫做模态分析法。,2.系统动态设计,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,(2)系统动态设计方法 3)模态综合法。 模态综合法的基本思想是:首先,按照工程观点和结
21、构(系统)的几何特点,将整个结构划分为若干个子结构;其次,建立子结构的运动方程,进行子结构的模态分析;再次,将子结构的运动方程变为模态方程,在模态坐标下将各个子结构进行模态综合,从而计算整个结构系统的模态;最后,返回到原物理坐标以再现整机结构的动态特性。,2.系统动态设计,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,(2)系统动态设计方法 3)模态综合法。 主要特点是:第一,通过求解若干个小型的特征值问题来取代计算大型的特征值问题;第二,对于不同的子结构还可以用不同的方法来进行分析。例如,有些子结构目前还不宜采用计算的方法直接分析,则采用实验的方法测出它的动态特性。,2.系统动态设
22、计,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,(1)概述 优化设计是以数学规划为理论基础,以计算机为工具,在充分考虑多种约束的前提下,寻求满足某项预定目标的最佳设计方案。 优化设计技术是优化设计全过程中各种方法、技术的总称,它主要包含两部分内容:优化设计问题的建模技术和优化设计问题的求解技术。,3.优化设计,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,(2)优化设计的数学模型 优化设计中常用以下几个基本术语: 1)设计变量。在构成一项设计方案的全部参数中,可能有一部分参数根据实际情况预先确定了数值,它们在优化设计过程中始终保持不变,这样的参数称为给定参数;另一部分参数
23、则是需要优选的参数,它们的数值在优化设计过程中是变化的,这类参数称为设计变量。它们相当于数学上的自变量。,3.优化设计,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,(2)优化设计的数学模型 2)目标函数。每一个设计问题,都有一个或多个设计所追求的目标,它们可以用设计变量的函数来加以描述,如f(x),在优化设计中称它们为目标函数,当给定一组设计变量值时,就可计算出相应的目标函数值。优化设计的目的就是要求所选择的设计变量使目标函数值达到最佳值。最佳值可能是极大值,也可能是极小值,由于求目标函数f(x)的极大化等价于求目标函数-f(x)的极小化,因此,为算法和程序的统一,通常最优化就是指
24、极小化,即f(x)min。,3.优化设计,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,(2)优化设计的数学模型 3)设计约束。优化设计不仅要使所选择方案的设计指标达到最佳值,同时还必须满足一些附加的条件。这些附加的设计条件都是对设计变量取值的限制,在优化设计中叫做设计约束。它的表现形式有两种,一种是不等式约束。 即 或 另一种是等式约束,即,3.优化设计,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良性能设计基础技术,(2)优化设计的数学模型 4)优化设计问题的最优解。优化设计就是求解个设计变量,在满足约束条件下使目标函数达到最小值,即,3.优化设计,3.3 现代设计技术,3.3.2 优良
25、性能设计基础技术,(2)优化设计的数学模型 (3)最优化求解方法 多数最优化求解方法的基本思想都是由迭代算法而来,无约束最优化方法的主要步骤为: 1)选定初始点,计算目标函数初始值f(x0)。 2)选取一个能使目标函数值下降的方向,沿该方向取一下降点x1,能使目标函数值下降,f(x1)f(x0)。 3)当不存在下降方向,或虽存在但点与点已足够靠近,则认为找到了一个最优解,结束求解过程,否则,转步骤2)继续。,3.优化设计,3.3 现代设计技术,竞争优势创建技术是从产品的工作特性和功能目标出发,在技术、经济和社会等具体条件下,根据相邻学科的原理,创造性地设计产品,并使它在技术及经济上达到最佳水平
26、。它包括创新设计技术、降低成本设计技术、快速响应设计技术、大批量定制设计技术、仿真与虚拟设计技术、快速成型与反求设计技术、智能设计技术、广义优化技术及工业产品造型设计技术等。,3.3.3 竞争优势创建设计技术,3.3 现代设计技术,3.3.3 竞争优势创建设计技术,在制造业中,一般把产品的技术创新分为如下两种: 第一种是无重要新技术,但在形式上翻新,因而能获得相应竞争能力的创新。 第二种是含有(开发了)新技术,使产品竞争力有重大提高,或形成新竞争力制高点的创新。,1.创新设计技术,3.3 现代设计技术,3.3.3 竞争优势创建设计技术,(1)快速响应工程 快速响应工程主要包括以下一些内容: 1
27、)建立快速捕捉市场动态需求信息的决策机制。 2)实现产品的快速设计。 3)追求新产品的快速试制定型。 4)推行快速响应制造的生产体系。,2.快速响应设计技术,3.3 现代设计技术,3.3.3 竞争优势创建设计技术,(2)实现快速响应设计的关键 实现快速响应设计的关键是有效利用各种信息资源。信息同以实物呈现的硬件(材料、能源)相比,具有如下特点:能量级小、存储性好(体积小、重量轻)、渗透力强(传播迅速)、处理方便(加工容易)等。最大的优点就是共享性极佳。,2.快速响应设计技术,3.3 现代设计技术,3.3.3 竞争优势创建设计技术,(3)虚拟设计技术 虚拟设计是指设计者在虚拟环境中进行设计。设计
28、者可以在虚拟环境中用交互手段对在计算机内建立的模型进行修改。虚拟设计以虚拟现实技术为基础。虚拟现实(Virtual Reality, VR) 技术是基于三维计算机图形技术与计算机硬件技术发展起来的高级人机交互技术,为用户提供逼真的感觉,包括三维视觉、立体听觉、触觉、甚至嗅觉和味觉等多种知觉方式。,2.快速响应设计技术,3.3 现代设计技术,3.3.3 竞争优势创建设计技术,(3)虚拟设计技术 虚拟设计具有以下优点: 继承了虚拟现实技术的所有特点; 继承了传统CAD设计的优点,便于利用原有成果; 具备仿真技术的可视化特点,便于改进和修正原有设计;支持协同工作和异地设计,利于资源共享和优势互补,从
29、而缩短产品开发周期; 便于利用和补充各种先进技术,保持技术上的领先优势。,2.快速响应设计技术,图3-8 基于虚拟现实技术的虚拟设计系统,3.3 现代设计技术,3.3.4 全生命周期设计技术,产品全生命周期设计,不仅是设计产品的功能和结构,也要考虑产品的规划、设计、制造、经销、运行、使用、维修及保养直到回收再处置的全过程,意味着在设计阶段就要考虑到产品生命历程的所有环节,以求产品全生命周期设计的综合优化。 全生命周期设计的基本内容就是面向制造的设计,实现设计的最优化,所借助的手段是并行设计,而顺利完成设计任务的关键技术是数据管理。全生命周期设计有: 并行设计技术、DFX(“X”可能是装配、制造
30、、质量等)设计技术、协同设计技术等。本书主要介绍并行设计技术及面向制造的设计技术。,1.概述,3.3 现代设计技术,3.3.4 全生命周期设计技术,2.并行设计技术,在串行设计过程中,由市场调查部门分析消费者或客户的需求,并将销售计划提交给计划部门,计划部门分析生产中的技术需求,然后将信息提交给产品设计小组,由设计小组独自设计,直至完成,最后,设计结果送去加工制造。,图3-9 串行设计过程,3.3 现代设计技术,3.3.4 全生命周期设计技术,与串行设计相比,并行设计中同一时刻内可容纳更多的设计活动,使设计活动尽可能并行进行,以此来减少整个设计过程的时间。它在产品开发设计阶段即考虑产品生命周期
31、中制造、装配、测试及维护等环节的影响,通过各环节的并行集成来缩短产品开发时间,提高产品设计质量,降低产品成本。,2.并行设计技术,3.3 现代设计技术,3.3.4 全生命周期设计技术,2.并行设计技术,图3-10 并行设计模式,图3-11 并行设计和串行设计生命周期的比较,3.3 现代设计技术,3.3.4 全生命周期设计技术,并行设计的特点是“集成”与“并行”。所谓集成,是指在信息集成的基础上更强调过程的集成。所谓信息集成,主要针对企业在设计、管理和加工制造过程中需要和产生的大量数据进行统一管理,实现正确、高效的数据交换和共享。过程集成需要优化和重组产品的开发过程,组织多学科专家队伍,在协同工
32、作环境下,齐心协力,共同完成设计任务。,2.并行设计技术,3.3 现代设计技术,3.3.4 全生命周期设计技术,面向制造的设计的关键在于把产品设计和工艺设计集成起来,它的目的是使设计的产品易于制造,易于装配,在满足用户要求的前提下降低产品成本,缩短产品开发周期。 面向制造的设计的关键技术有: (1)计算机辅助概念设计(CACD,Computer Aided Conceptual Design) (2)产品可制造性模型及其评价方法的研究 (3)并行设计过程建模 (4)设计试验技术,3.面向制造的设计技术,3.3 现代设计技术,3.3.5 绿色产品设计技术,绿色产品的两种定义: 1)绿色产品是指以
33、环境和环境资源保护为核心概念而设计生产的可以拆卸并分解的产品,其零部件经过翻新处理后可以重新使用。 2)绿色产品从生产到使用乃至回收的整个过程都符合特定的环境保护要求,对生态环境无害或危害极少,以及利用资源再生或回收循环再用的产品。 编者给出的参考定义：绿色产品就是在其生命周期全过程中,符合特定的环境保护要求,对生态环境无害或危害极少,对资源利用率最高,能源消耗最低的产品。,1.绿色产品的定义及内涵,3.3 现代设计技术,3.3.5 绿色产品设计技术,绿色产品应具有以下内涵: 1)最大限度地保护环境。 2)最大限度地利用材料资源。 3)最大限度地节约能源。,1.绿色产品的定义及内涵,3.3 现
34、代设计技术,3.3.5 绿色产品设计技术,绿色产品的设计是以环境资源保护为核心概念的设计过程,它要求在产品的整个生命周期内把产品的基本属性和环境属性紧密结合,在进行设计决策时,除满足产品的物理目标外,还应满足环境目标,以达到优化设计要求。 绿色设计考虑的主要因素包括:产品基本属性、技术先进性、环境保护、劳动保护、资源能源优化利用、产品生命周期成本以及资源再生的物流循环等。,2.绿色产品设计的概念及评价标准,3.3 现代设计技术,3.3.5 绿色产品设计技术,绿色产品的设计就是实现产品绿色要求的设计。其目的是克服传统设计的不足,使所设计的产品具有绿色产品的各个特征。,2.绿色产品设计的概念及评价
35、标准,图3-12 传统产品设计过程与绿色产品设计过程比较 a)传统产品设计过程 b)绿色产品设计过程,3.3 现代设计技术,3.3.5 绿色产品设计技术,对于机械产品绿色设计的准则有: (1)与材料有关的准则 (2)与结构有关的准则 (3)与制造工艺有关的准则 (4)绿色产品设计的管理准则,2.绿色产品设计的概念及评价标准,3.3 现代设计技术,3.3.5 绿色产品设计技术,由绿色产品的上述评价标准及设计的准则可见,进行绿色产品设计应包括以下主要内容: (1)绿色产品设计的材料选择与管理 (2)产品的可回收性设计 (3)产品的可拆卸性设计 (4)绿色产品的成本分析 (5)绿色产品设计数据库,3
36、.绿色产品设计的主要内容及方法,3.3 现代设计技术,3.3.5 绿色产品设计技术,(1)面向环境的设计技术 面向环境的设计(DFE,Design for Environment)也称为绿色设计(GD,Green Design)是以面向环境的技术为原则所进行的产品设计。面向环境的设计是一种系统化的设计方法,即在产品整个生命周期内,以系统集成的观点考虑产品环境属性(可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性和人身健康及安全性等)和基本属性,并将其作为设计目标,使产品在满足环境目标要求的同时保证应有的基本性能、使用寿命和质量等。,4.绿色产品设计的关键技术,3.3 现代设计技术,3.3.5 绿色产
37、品设计技术,(2)面向能源的设计技术 面向能源的设计技术是指用对环境影响最小和资源消耗最少的能源供给方式支持产品的整个生命周期,并以最少的代价获得能量的可靠回收和重新利用的设计技术。,4.绿色产品设计的关键技术,3.3 现代设计技术,3.3.5 绿色产品设计技术,(2)面向能源的设计技术 面向能源的设计技术要求:在设计理念上,采用合适的能源供给形式;设计中,在满足功能的前提下,尽量优化能源消耗路径和方式,使能量供给或能量消耗保持在最佳的低点;充分预见到各环节和各种能耗机构的能量耗散形式,寻求最合理、最高效、最低成本的回收手段和重新利用的方法;要考虑对产品的加工工艺、制造过程中的能源消耗等加以控
38、制和优化;在产品的拆卸、维修或回收重用过程中,能估算出能量消耗,从能量控制的角度确定合理的拆卸路径、可重用部件及其所付出的能量代价的关系。,4.绿色产品设计的关键技术,3.3 现代设计技术,3.3.5 绿色产品设计技术,(3)面向材料的设计技术 面向材料的设计技术是以材料为对象,在产品的整个生命周期(设计、制造、使用、废弃)中的每一阶段,以材料对环境的影响和有效利用作为控制目标,在实现产品功能要求的同时,使其对环境污染最小和能源消耗最少的绿色设计技术。,4.绿色产品设计的关键技术,3.3 现代设计技术,3.3.5 绿色产品设计技术,(3)面向材料的设计技术 面向材料的设计技术的内容包括: 产品
39、计划阶段。 方案设计阶段。 结构设计阶段。 详细设计阶段。,4.绿色产品设计的关键技术,3.3 现代设计技术,复习思考题,1.简要阐述设计的概念及本质。 2.举例说明机械产品设计的基本过程。 3.简述现代机械设计理论与方法的发展趋势。 4.简述现代设计方法的含义及技术。 5.什么是优良性能设计基础技术?试举例说明。 6.简要说明优化设计的定义及数学模型。 7.什么是竞争优势创建设计技术?试举例说明。 8.简要说明快速响应工程的含义及内容。 9.什么是全生命周期设计技术?试举例说明。 10.简要说明并行设计的含义及特点。 11.简述面向制造的设计的关键技术。 12.简述绿色产品设计的内容及方法。,本章完 谢谢,
