1、现代制造系统,第13章 现代设计方法（3-4） 东北大学秦皇岛分校 黄亮 n-xyz,第13章 现代设计方法 13.1 计算机辅助设计技术 13.2 计算机辅助制造技术 13.3 计算机辅助工程技术 13.4 其它现代设计方法,13.3 计算机辅助工程技术,计算机辅助工程（computer aided engineering, CAE）主要指在三维实体模型的基础上，对产品进行结构强度、刚度、弹塑力、动力响应、热传导等力学性能分析。 其主要方法为有限元分析（finite element analysis，FEA），此外还有边界元分析（boundary element analysis，BEA）、
2、机构运动分析、流场分析、电路分析和磁场分析等。,有限元分析（finite element analysis，FEA）分析， 它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。 有限元分析的整体思想可概括为“化整为零、积零为整”。,有限元分析的主要步骤： （1）问题及求解域定义。 案例1，求某零件受力后的变形， 首先构造该零件的三维几何模型。,有限元分析的步骤：（2）求解域离散化。 根据一定方法划分单元格，可适当忽略细节。 例如，选择三节点三角形平面作为应力单元。,有限元分析步骤： （3）确定状态变量及控制方法。
3、 根据简单的弹性变形公式， 查找零件材质的相关系数， 计算出局部单元的变形。,有限元分析步骤：（4）单元推导。 从直接受力的单元，逐步计算相邻单元受力。,有限元分析步骤：（5）总装求解。 由局部单元的位移量计算零件总体位移量。,有限元分析步骤：（6）联立方程组求解。 最后显示分析结果， 通常采用应力分析图或位移分析图等形式。,对零件的受力和变形进行分析是保证机械工程质量的基本方法之一，特别是对于载荷较大的重型机械，有限元分析显得必不可少。 参考视频：“大型重工的CAE分析”。 除了校核零件强度这类基本工作外，有限元分析还可进一步用于零件结构的优化研究。 案例2，机床床身结构拓扑优化。 思考：为
4、何要在床身上打孔和安置筋板。,案例2，机床床身的综合载荷图谱：,筋板方案1,筋板方案2,由此获得筋板布置方案：,原始方案,改进方案1,改进方案2,建立原始与改进方案实体模型：,原始方案的应力及变形,改进方案的应力及变形,方案1,方案2,对原始与改进方案实体模型进行受力分析， 选出成本与承载性能综合最优的方案。,除了静力分析，动力和温度也是常见的分析对象。 案例3，引擎管道内流体动态压力分布图。,案例3，引擎管道壁温度分布图：,与CAE相关的概念和技术： 多种CAE分析技术的综合应用： （1）物理引擎； 结合专用的输入、输出设备： （2）虚拟现实； 进一步在制造系统中广泛应用： （3）虚拟设计和
5、虚拟制造。,（1）物理引擎： 应用CAE技术，可以让CAD构造的三维实体根据现实中的物理规律更加真实地运动。 能够实现上述功能的软件开发工具包称为物理引擎，其被广泛地应用于各种仿真工具以及三维游戏中。 参考视频： “刚体破坏模拟“， “水的模拟“， “汽车碰撞模拟“。,（2）虚拟现实（Virtual Reality，VR） ： 将物理引擎与一些专用的输入、输出设备配合，让人在计算机构造的虚拟三维环境中体验或练习一些现实中操作。,虚拟现实中常用的输入设备为 数据手套、位置传感器； 常用的输出设备为 虚拟现实头盔。 参考视频： “动作捕捉1”， “动作捕捉2”。,利用虚拟现实技术可以实现对多种复杂
6、操作的模拟，从而减少训练成本。 参考视频：“起重机操作模拟”。,虚拟现实技术在很多领域都有应用。,（3）虚拟设计（virtual design） 和虚拟制造（virtual manufacturing）： 虚拟制造除了指虚拟企业（virtual organization）、企业动态联盟（dynamic alliance of enterprises）等跨企业层制造模式外（参考第6.4节） ， 另一层含义就是使用虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）建立 零件、产品、加工、装配和车间等模型， 辅助解决实际生产中的各种设计或制造问题， 这也称为虚拟设计或虚拟制造。,虚拟设计和虚拟制造
7、产品模型： 目前三维建模技术在设计领域已普遍使用， 代表软件有 Pro/E、UG、 Solidwork、 ANSYS等。,虚拟设计和虚拟制造加工模型： 目前，Pro/E、UG等主流CAD软件的新版本都提供设备加工建模功能。,虚拟设计和虚拟制造加工模型：,虚拟设计和虚拟制造装配模型：,虚拟设计和虚拟制造车间模型： 指各种仿真类生产过程模型。,第13章 现代设计方法 13.1 计算机辅助设计技术 13.2 计算机辅助制造技术 13.3 计算机辅助工程技术 13.4 其它现代设计方法,13.4 其它现代设计方法,现代设计理论与方法是目前机械设计相关专业普遍开设的一门课程。 其中“现代”的含义与现代制
8、造系统中“现代”的含义类似，都是指距今50年以内提出的新方法和新技术。 现代设计理论与方法课程通常包括创新设计、有限元分析、优化设计和可靠性设计4大主要部分，而CAD、CAM等内容会有其它课程专门讲授。,参考现代设计理论与方法课程内容，补充其它先进设计方法，本课程将各种现代设计方法按照其主体思想分成4大类： （1）首先是计算机辅助技术， 即利用计算机及相应的软件提高现有设计工作的效率和质量，并降低设计成本。 其中代表性的方法是前面介绍的CAD、CAM和CAE，以及与之相关的CAPP、PDM和虚拟设计等技术。（参考第13.1节至13.3节。）,现代设计方法的主体思想： （2）其次是优化设计技术，
9、 即对现有的设计目标精益求精，提高产品的工作精度、简化结构、降低制造成本等。 其中用到的关键技术之一是产品的三维建模技术，这之中CAD与CAE技术的广泛应用功不可没。它们提供了许多传统设计方法难以实现的分析手段。 关键技术之二就是优化算法，除了传统的数学规划方法外，智能优化算法成为近期的研究热点，包括遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法和粒子群算法等（参考第10.3节）。,广义上的优化设计还包括对设计工作上的优化， 除了应用ERP、MES、PDM和CAPP等能够辅助设计管理工作的软件外， 还包括使用一些偏管理方面的现代设计理论，主要有 并行工程（参考第10.1节）， 产品全生命周期管理（参考第6.
10、4节）， 协同设计（参考第13.2节）， 相似性设计（把个别现象的研究结果推广到所有相似现象上去的方法，类似于模块化设计中的系列产品设计），等等。,现代设计方法的主体思想： （3）再次是扩展产品优化目标的范围， 其中当前研究最多的是可靠性设计， 其它还有动态设计、模块化设计、绿色设计和人因工程等。,可靠性设计（reliability design）： 可靠性的定义是产品在规定的条件下和在规定的时间内完成规定功能的能力。 相对于传统研究直接拿平均值定义产品的寿命、强度等质量信息，可靠性研究则通过概率函数模拟产品的质量相关信息，从而可以更准确的描述并且能够更细致地优化这些设计信息。 例如，可靠性设
11、计中著名的应力-强度干涉模型如下页所示：,在机械产品中，零件是正常还是失效决定于强度和应力的关系。当零件的强度大于应力时，能够正常工作；当零件的强度小于应力时，则发生失效。 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(如图所示)，横坐标表示应力或强度，纵坐标表示应力和强度的概率密度，函数f(s)和f(S)分别表示应力和强度的概率密度函数。,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的干涉情况，计算干涉区内强度小于应力的概率（失效概率）模型，称为应力强度干涉模型。,可靠
12、性设计 还包括复杂系统的可靠性分析与分配等内容。,相关概念 组成系统的所有元件中有任何一个元件失效就会导致系统失效，则这种系统称为串联系统； 组成系统的所有元件中只要一个元件不失效，整个系统就不会失效，则称这一系统为并联系统。 （参考第8.9节制造质量模型。） 在实际问题中，有很多复杂的系统不能简化为串联、并联或串并联等简单的系统模型而加以计算，只能用分析其成功和失效的各种状态，然后采用一种布尔真值表法来计算其可靠度（如上页所示）。,动态设计（dynamic design 或 kinetic design）： 指在动态作用下，以结构构件动力状态反应为依据的设计。其主要内容包括 振动设计：在已知
13、输入情况下，设计系统的振动特性，使得它的动态响应满足一定要求，这是结构动力学的正问题。 系统辨识：通过已知的输入和输出来确定系统的动态特性，这是结构动力学的第一类逆问题。 环境预测，也称为载荷识别：已知系统的动态特性和输出的情况下来反识别输入，这是结构动力学的第二类逆问题。,在实际应用方面， 动态设计最主要的研究就是分析机械的振动形式以及减少振动带来的影响。 其设计目的主要有 防止共振；减少零件的振动幅度； 提高结构模态刚度和模态阻尼比； 避免零件疲劳破坏；增加系统稳定性等。,案例，共振的危害： 1906年的一天，一队沙俄骑兵通过彼得堡封塔克河上的爱纪毕特桥时，马匹迈着节奏的步伐登上大桥，以显
14、示军威。当骑兵刚走到桥心时，突然间桥裂成数段坠入河中。 事情发生后，政府派了专人进行调查。调查者认为骑兵对桥的压力没有超过桥的负载能力。造成事故的原因是马队整齐步伐的频率和桥的固有频率相同，大桥由于共振而断裂。,人们从中吸取教训，当很多人通过大桥时再也不敢迈着整齐步伐前进了。这已成为很多国家过桥时一条不成文的规定了。,案例，动平衡实验： 任何转子在围绕其轴线旋转时，由于相对于轴线的质量分布不均匀而产生离心力。这种不平衡离心力作用在转子轴承上会引起振动，产生噪声和加速轴承磨损，以致严重影响产品的性能和寿命。 动平衡实验的目的就是分析这种不平衡离心力，并通过进一步的设计将其减少。,案例，设备振动检
15、测与故障诊断：,目前，CAD和CAE技术成为动态设计的有力工具。 案例，螺旋桨的动态受力分析：,模块化设计（block-based design ）: 包含系列产品设计和组合产品设计。 前者应用了相似性设计理论，提高了设计效率，并降低了设计成本； 后者是支持大规模定制的重要方法，在第5.3节有所介绍。,绿色设计（green design）： 又称生态设计（ecological design），环境设计（design for environment），环境意识设计（environment conscious design）， 指在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性（可拆卸性，可回收性、可维
16、护性、可重复利用性等）并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、质量等要求。,绿色设计与绿色制造的概念有许多相似之处（参考第12.4节）。,人因工程（Human Factors Engineering，HFE） 是研究人和机器、环境的相互作用及其合理结合，使设计的机器和环境系统适合人的生理、心理等特点，达到在生产中提高效率、安全、健康和舒适目的的一门科学（参考人因工程相关课程）。,现代设计方法的主体思想： （4）最后是获得新的设计方案， 一类方法是从实际存在的参考物中获得新的启发，如仿生学（第12.3节）和反求工程等； 另一类则是研究创新的规律，通过这些规律的
17、指导获得新的设计方案，称为创新设计。 在创新设计领域，目前研究最多的是如何让计算机代替人设计出新的方案，属于人工智能相关的研究领域，因此称为智能设计，或智能创新设计。,反求工程（Reverse Engineering, RE）： 也称为逆向工程、反向工程， 是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据从样品生成产品数字化信息模型，并在此基础上进行产品设计、开发及生产的全过程。 反求工程的研究对象主要有 实物类：指先进产品、设备的实物； 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（参考视频：“汽车的曲面设计”）。,对实
18、物进行反求工程所需的主要技术： 实物原型的数字化技术。 实物样件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法，获取零件表面离散点的几何坐标数据的过程。,对实物进行反求工程所需的主要技术： 数据点云的预处理技术。 主要包括测量补偿；去除噪声、误差点；精简数据等操作。,对实物进行反求工程所需的主要技术： 三维重构技术。 通常仪器只能探测实物样品表面，获得的数据点云也是成曲面状分布，因此这里使用的三维重构技术为复杂曲面造型技术。 主要包括：多项式插值法（孔斯曲面）、B样条曲面法、 Bezier曲面法等。,当获得的点云过于复杂时，较新的研究也有使用人工神经网络等人工智能领域的技术加以研究。,对实物进行反求工
19、程所需的主要技术： 曲面光顺技术。 目的是使构造出的三维曲面更加光滑、光顺，弥补数据采集点不足时产生的精度问题。 主要包括最小二乘法、能量法、回弹法、基于小波的光顺技术等。,Pro/E、UG等三维造型软件提供曲面的反射条纹功能，来辅助检查曲面的光顺性。,案例，某摩托车油箱的反求工程：,1.数据点云,2.曲面模型的线框表示,3.光顺检查,4.最终获得的三维模型,TRIZ理论由俄国人阿利赫舒列尔 （Genrich Altshuller）在1946年代所创。他审阅世界各种专利达四十万项，而发现这些发明之后的规律。 目前，国际上已经对超过250万项出色的专利进行过研究，大大充实了TRIZ的理论和方法体
20、系。,创新设计中最著名的是TRIZ理论： TRIZ是俄文英译的缩写，直译为“发明家式的解决任务理论”。,经过阿利赫舒列尔成立TRIZ研究机构多年的研究，TRIZ理论已经形成一个相当庞大的理论体系，主要包括 8大技术系统进化法则； IFR最终理想解； 40个发明原理； 39个通用参数和阿奇舒勒矛盾矩阵； 物理矛盾和分离原理； 物-场模型分析； 76个标准解法； ARIZ发明问题解决算法； 科学原理知识库。,除了TRIZ方法外，目前智能创新设计领域的研究很多，难以一一列举，仅举例介绍。 案例，使用台湾成功大学的颜鸿森教授的颜氏创新设计法进行摩托车后悬挂系统创新设计。,思考：对已有产品更换机构设计方
21、案的目的？ 答案：回避专利限制。,现存方案,本田 pro-link 悬挂,川崎 uni-trak 悬挂,铃木 full-floater 悬挂,铃木 full-floater 悬挂,6杆7副的运动链,全部可能的方案的数学推导：,将推导出的新方案实例化：,从实例化方案中寻找未在专利出现过的新方案：,课程要求（13.3-4）,知道有限元分析的主要思想： 化整为零、积零为整。 简单了解有限元分析的主要步骤（6步）。 简单了解物理引擎、虚拟现实、虚拟设计和虚拟制造等概念。 知道现代设计方法的主要组成： 创新设计、有限元分析、优化设计和可靠性设计。 简单了解其它现代设计方法：动态设计、模块化设计、绿色设计、人因工程、反求工程和TRIZ理论，知道应用上述理论的主要目的。,
