现代设计方法综述.docx
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现代设计方法综述
现代设计方法综述
年级:
大一
学号:
20111063
姓名:
杨豆豆
专业:
机械设计制造及其自动化
二零一二年四月
摘要
本文主要介绍现代先进设计技术与方法的内容、方法.特点和发展趋势,对主要的现代设计技术与方法进行了介绍.广大工程技术人员应不断更新设计思维,采用现代设计技术与方法,真正提高产品的设计水平.
关键词:
现代设计;产品质量;设计方法
Abstract
Thispapermainlyintroducesthemodernadvanceddesigntechnologyandmethodofthecontents,methods.Characteristicsanddevelopmenttrendsofthemainmoderndesigntechnologyandmethodareintroducedinthispaper.Theengineeringandtechnicalpersonnelshouldbeconstantlyupdateddesignthinking,adoptingthemoderndesigntechnologyandmethod,andreallyimproveproductdesignlevel.
Keywords:
moderndesign;productquality;keyword;designmethod
1.1本论文的背景和意义..............................................................................................1
1.2本论文研究的主要内容、目标与方法..................................................................1
2.2.1建模方法...........................................................................................................2
2.2.2数学建模的形式..............................................................................................3
2.3机械动态优化设计方法.........................................................................................3
2.4当前机械动态优化设计当中的主要问题.............................................................4
2.5机械动态优化设计的发展方向.............................................................................4
3.3.2加强产品的可回收设计..................................................................................8
3.3.3控制废气、废渣、废液(切削液)的排放..................................................8
3.3.4绿色产品的成本分析......................................................................................8
3.3.5产品的装配与可拆卸性设计..........................................................................8
3.3.6产品包装设计和外形设计..............................................................................8
3.3.7绿色产品设计数据库与知识库......................................................................9
3.3.8减少不必要的维修时间和次数,提高故障诊断技术..................................9
3.4绿色设计原则...........................................................................................................9
3.5绿色设计的评价体系...............................................................................................9
3.6绿色设计的发展趋势.............................................................................................10
第4章面向X的设计.....................................................................................................12
4.1面向X的设计中X的含义....................................................................................12
4.2各种不同类型的X..................................................................................................13
4.2.1面向材料选择的设计(DesignforMaterials)....................................................13
4.2.2面向拆卸型设计(DesignforDisassembly)....................................................13
4.2.3面向回收型设计(DesignforRecyling&Recovery)......................................13
4.2.4面向制造的设计(DesignforManufacturability,DFM)...................................14
4.2.5面向装配的设计(DesignforAssembly,DFA).................................................14
4.2.6可维修性设计(DesignforMaintainability,DFMAIN).....................................15
4.2.7面向环境的绿色设计(DesignforEnvironment)...............................................16
第5章价值工程.................................................................................................................17
5.1价值工程的产生与发展.........................................................................................17
5.1.1价值工程的产生................................................................................................17
5.1.2价值工程的发展................................................................................................18
5.1.3价值工程迅速发展的背景与原因....................................................................19
5.1.4价值工程在我国的推广与应用........................................................................20
5.1.4.1我国价值工程的发展...................................................................................20
5.1.4.2我国价值工程的应用成果...........................................................................21
5.2价值工程的基本概念.............................................................................................23
5.2.1价值....................................................................................................................23
5.2.2功能....................................................................................................................24
5.2.2.1功能定义.......................................................................................................24
5.2.2.2功能分类.......................................................................................................25
5.2.3成本....................................................................................................................26
5.3价值工程的特点.....................................................................................................26
5.4价值工程的工作程序.............................................................................................27
5.5选择的一般原则.....................................................................................................29
5.6选择VE工作对象的基本方法.............................................................................29
第6章健壮设计.................................................................................................................30
6.1基于质量工程的健壮设计.....................................................................................30
6.1.1质量工程............................................................................................................30
6.1.2健壮性设计的概念............................................................................................30
6.1.3健壮性设计方法的改进....................................................................................30
6.1.4基于质量工程的健壮设计................................................................................31
6.2基于灵敏度分析的健壮设计.................................................................................31
6.3对健壮结构的研究.................................................................................................32
6.4对结构控制一体化的健壮性研究.........................................................................32
结论......................................................................................................................................34
致谢......................................................................................................................................35
参考文献..............................................................................................................................36
第1章绪论
1.1本论文的背景和意义
从目前的发展趋势看,21世纪的市场需求瞬息万变且竞争将愈来愈激烈,而且市场竞争具有国际化、动态化和多元化特征.企业要在市场中占有一席之地,就必须以最快的速度率先推出功能满足要求,质量上乘、价格合理、服务完善而且符合环保要求的产品.即在满足功能的前提下综合考虑Time(时间)、Quality(质量)、Cost(成本)、Service(服务)、Environment(环保)的要求.传统的设计方法是以经验总结为基础,运用力学和数学形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计的依据,通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计,已远远不能满足产品的功能需求和市场需求。
目前出现的以电子计算机为手段,以网络为基础,建立在现代管理技术之上,运用工程设计的新理论和新方法,实现计算结果最优化,设计过程高效化和自动化的现代设计方法则大大提高了产品设计的质量、精度和效率,并将产品的适应性、经济性、可靠性统一起来,能够设计出性能优良、经济效益显著的新型产品,完全可以适应剧烈竞争的市场需要.当前,我国正在进行社会主义现代化建设,迫切需要质量好、效率高、消耗低、价格便宜的产品,因而现代设计方法则责无旁贷的担当了现代企业的设计任务.
1.2本文研究的主要内容、目标与方法
现代工业的不断发展,人们对产品质量的要求逐步提高,传统的产品设计技术目前已远远不能满足产品的功能和市场的要求.而现代设计技术是以电子计算机为手段,以网络为基础,建立在现代管理之上,运用工程设计的新理论、新方法,实现计算机结果最优化,设计过程高效化的设计技术,它是传统设计技术的延伸和发展,它使传统技术发生了质的飞跃.本文就近年来出现并不断发展的动态设计、绿色设计、面向X的设计、价值工程、和健壮设计做出相应介绍。
旨在通过对现代设计方法的系统介绍使其更加大众化、普及化,真正提高产品的设计水平.本文主要采用的方法是逐一分析,纵横对比。
第2章动态设计
2.1机械动态优化设计的概念、目的及必要性
机械产品和机械设备日益朝着高速、高效、精密、轻量化及自动化的方向发展,产品结构日趋复杂,产品更新换代的速度日益加快,对产品的性能要求越来越高,这要求产品或设备的结构系统具有良好的静态和动态特性。
如何降低产品或设备在工作情况下的振动和噪声,保护操作者的身心健康以及设备本身,同时尽量不影响周围的环境,成为一个必须解决的问题。
传统的静态理论规范越来越难以满足市场的迅速变化,同时,传统的设计方法,很难综合考虑各方面的约束条件,得到的往往只是复杂问题的可行方案,而非最优方案,也难以很好的满足机械设备动态特性要求。
对产品进行动态优化设计,可以在很大程度上解决此类问题,其特点是把问题解决在设计阶段;其优点是代价较小,能够适应当前激烈的市场竞争的需要。
机械动态优化设计主要是指系统参数的数值优化,其研究内容是将数学规划理论、机械振动理论和数值计算方法结合起来,以计算机为工具,建立一整套科学的、系统的、可靠而又高效的方法。
其主要内容有:
(1)建立符合实际情况的结构动力学模型。
(2)选择有效的结构动态优化设计方法。
本质是在产品的设计阶段就将系统的动态特性问题考虑进去,从而取代传统设计中所使用的先依据静态设计规范及理论设计出样品或样机,再不断进行修改的设计方法,即进行动态优化设计。
其目的是在产品的开发阶段就对产品的动态性能进行优化,这是一项正在迅速发展的技术,它涉及到现代动态分析、计算机技术、产品结构动力学理论、设计方法等许多学科,由于其涉及问题的复杂性,迄今为止还没有提出一套完整的动态优化设计理论、方法和体系。
2.2建立机械系统动态优化设计的数学模型
对于机械动态优化设计,主要依据机械振动理论以及一些数学基础理论。
2.2.1建模方法
(1)有限元法。
对于复杂机械结构的动态设计,有限元法是一种应用广泛的理论建模方法。
它的基本思想是把结构离散化,使结构变为离散的物理模型(有限元模型),然后利用弹性力学中的变分原理,建立单元的动力学方程,以此为基础,利用所有单元在公共结点上位移相等的原理,对各单元动力学方程进行组结,便得到整个系统的动力学方程,加上边界条件,就成为所需的数学模型。
(2)传递矩阵法。
传递矩阵法属于集中参数建模方法,它主要用于研究轴类组件的弯曲振动和机械传动系统的扭转振动,其基本思想是将轴及轴上各组件简化成质量元件、梁元件、径向支承元件、轴向支承元件等,根据相应理论分别写出各元件的传递矩阵,将各元件的传递矩阵按一定顺序相乘,就得到轴的累积传递矩阵,而建立起整个系统的数学模型。
(3)实验模态法。
20世纪70年代以来,由于快速傅立叶变换(FFT)技术的发展,模态分析设备发展非常迅速,推动了试验模态整体技术的发展,它是利用试验的方法完成数学模型的建立,通过测量对结构的激振和系统的响应来得到系统的模态参数,从而完成对于系统特性的分析,它在实际中已经得到了广泛的应用。
(4)混合建模法。
它是将理论建模方法与实验建模方法相结合,利用理论建模方法与实验建模方法各自的优点而形成的一种建模方法。
(5)利用人工神经网络理论建模。
其理论基础是Kolmogorov定理,即对任一映射Φ:
Em→Rn,Φ(X)=Y(E为单位闭区间),Φ可以精确地由三层神经网络实现,且该神经网络的第一层有m个神经元,中间层有(2m+1)个神经元,第三层有n个神经元。
这就从理论上保证任意一个映射都能通过一个前向三层神经网络实现,从而在数学上保证了三层BP神经网络的高度非线性映射能力。
而机械系统的结构参数与系统动态特性参数之间的关系从本质上讲,就是一种非线性的映射关系,分别将系统的结构参数和系统动态特性参数与神经网络的网络输入和网络输出相对应,利用已有的数据进行训练,就可以将对应结构的数学模型建立起来,用学习后的模型进行结构设计的再修改及优化,可大大减少运算时间,提高运算效率。
从理论上讲,这种建模方式既可以解决动态优化设计中的“正问题”也可以解决“逆问题”,只是参数的对应方式不同而已,但由于此问题的复杂性,需要对这种近年来出现的方法进行更为深入的研究。
2.2.2 数学模型的形式
机械系统的动态特性可用如下微分方程来描述:
[M]{¨x}+[C]{Ûx}+[K]{x}={P(t)}{x(0)}={x0}{Ûx(0)}={Ûx0}其中,[M]、[C]、[K]分别是系统质量、阻尼和刚度矩阵,{P(t)}为激振力向量,{x(0)}={x0},{Ûx(0)}={Ûx0}为初始条件,{x}为响应向量,它往往与设计变量有很大关系。
系统动态优化设计问题可以归纳为:
在满足约束条件下,寻求设计变量的最优解,使目标函数达到最小值,其数学模型可以表示为:
X=[X1 X2 ⋯ Xn]Tminf(X)hj(X)=0(j=1,2,3,⋯,p;p (1)目标函数和约束条件都是系统微分方程解的函数,每一次优化迭代都需要求解系统动力学微分方程,因而计算量很大。 (2)对于包括非线性因素的机械系统,因其响应特性的复杂性,在优化过程中,即使优化方法是收敛的,也可能由于系统振动响应的原因而难以得到最佳结果[1]
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