第二章 现代设计技术(2)

（3）便于产品标准化、系列化 利用CAD技术的参数化设计功能，可以方便地实现产品的系列设计；利用存储于计算机中的标准设计信息，能够实现设计过程中的资源共享。 （4）在设计阶段可预估产品的特性 利用CAD技术中的运动分析、有限元分析、动态仿真等技术，可以在设计阶段预估产品的特性。因此，可及早发现设计缺陷，从而能够提高设计质量、提高产品的可靠性、缩短新产品的试制周期。 （5）易于实现网络化设计 随着网络技术的迅速发展，基于网络的CAD系统也越来越多。利用这样的系统，工程技术人员可以实现不同部门、不同地点之间的设计信息交流，提高设计工作的效率与灵活性，实现设计资源的跨平台共享。 （6）为实现CAM提供了基础 采用CAD技术生成的零件模型可以直接由计算机的CAM (Computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造)软件转化为加工、管理信息，并传送给数控机床和生产组织者，实现产品设计与制造的一体化。 （7）使产品快速进入市场 在产品设计完成以后，即可根据设计文件及有关数据，利用仿真技术和多媒体技术生成数字样机，通过网络等各种媒体进行产品宣传，提前进行市场拓展。 采用CAD技术可以提高设计质量、缩短设计周期、降低设计成本、加快产品的更新换代速度，使企业可以保持良好的竞争能力。但采用CAD技术也会给企业带来一定的风险和问题，具体体现在以下几个方面。 （1）一次性资金投入较大 采用CAD技术需要较大的资金投入来购买计算机的软硬件系统、支付相关的培训和开发费用，并且需要为软硬件的不断升级提供资金支持，但这些投资可能不会在短期内产生效益，需要有一段滞后期。 （2）对工程技术人员的素质和技能要求较高 设计人员是CAD系统的重要组成部分，并在系统中发挥着主导作用。如果缺乏具有良好素质并能掌握CAD技术的工程技术人员，则很难使所配置的CAD系统发挥应有的作用。因此，企业在采用CAD技术时，应根据自身资金及人员结构情况综合考虑，以寻求系统的最佳配置。 第三节 现代设计方法 一、优化设计 所谓优化就是一种对问题寻优的过程，人们所从事的任何工作都希望尽可能做好，以期得到一个理想的目标。要实现问题的优化必须具备两个条件：一是存在一个优化目标，另一是具有多个方案可供选择。 优化设计是20世纪60年代发展起来的一门新的学科，它是最优化技术和计算机技术在设计领域应用的结果。 1、优化设计的数学模型 工程设计问题的优化，可以表达为一组优选的参数，在满足一系列限制条件下，使设计指标达到最优。因此，优化设计的数学模型可由设计变量、目标函数和设计约束三部分组成，被称之为优化设计的三要素。 （1）设计变量 在优化设计的过程中，不断进行修改、调整，一直处于变化的参数称为设计变量。 设计变量可以是表示构件形状、大小、位置等几何量，也可以是表示质量、速度、加速度等物理量，设计变量的全体实际上是一组独立的变量，可用一个列向量表示： 由n个设计变量所组成一个向量空间，称之为设计空间。 （2）目标函数 目标函数是设计变量的函数，是设计中所追求的目标。如：轴的质量，弹簧的体积，齿轮的承载能力等。 在优化设计中，用目标函数的大小来衡量设计方案的优劣，故目标函数也可称评价函数。 目标函数的一般表示式为： 优化设计的目的就是要求所选择的设计变量使目标函数达到最佳值，通常。 在工程设计中，所追求的目标可能是多种多样。当目标函数只包含一项设计指标时，被称为单目标优化；当目标函数包含多项设计指标时，称为多目标优化。 目前处理多目标设计问题的方法是组合成一个复合的目标函数，如采用线性加权的形式，即 （3）设计约束与可行域 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设计条件，这些附加条件都构成对设计变量取值的限制，在优化设计中被称之为设计约束。 设计约束的表现形式有两种：一种是等式约束；另一种是不等式约束。 等式约束：不等式约束： 可行域：凡满足所有约束条件的设计点，它在设计空间的活动范围。 （4）数学模型的规格化 优化设计的数学模型是对优化设计问题的数学抽象。为便于表达和计算的方便，一般将数学模型写成如下规格形式： 2、优化设计步骤 （1）设计对象的分析 （2）设计变量和设计约束条件的确定 （3）目标函数的建立 （4）合适的优化计算方法的选择 （5）优化结果分析 二、可靠性设计 1、可靠性的概念 可靠性（Reliability）：在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力。 2、可靠性设计的主要内容 （1）故障机理和故障模型研究 （2）可靠性试验技术研究 （3）可靠性水平的确定 3、可靠性设计的常用指标 （1）产品的工作能力 在保证功能参数到达技术要求的同时，产品完成功能所处的状态，称为产品的工作能力。 （2）可靠度 可靠度是指产品在规定的工作条件下和规定的时间内完成规定功能的概率。可靠度越大，说明产品的可靠性越大。 假设有N0个相同的产品在相同的条件下工作，从他们开始运行到t时刻的时间内，有Nf（t）个产品失效，Ns（t）个产品工作完好。则，该产品到时间t的可靠度可表示为： 系统的不可靠度F(t)可相应地表示为： 因为一个系统发生故障和无故障是互斥事件，必须满足R(t)+F(t)=1。故可靠度还可以写成： 例如，某种系统(或部件或元件)1000个，工作1000h，有10个发生故障。我们可以计算出这种系统(或部件或元件)千小时的可靠度为： （3）失效率 失效率又称故障率，它表示产品工作到某一时刻后，在单位时间内发生故障的概率。失效率越低，产品越可靠。 （4）平均寿命 描述可靠性的另一个重要参数称为平均故障间隔时间MTBF或平均无故障时间(也称为故障前平均时间)MTTF。前者用来描述可修复的产品；后者用于描述不可修复产品。将MTTF与MTBF统称为平均寿命，用θ表示： N——试验品数（不可修复产品），总故障次数（可修复产品） ti——第i个产品失效前工作时间（不可修复产品），第i次故障前的无故障工作时间（可修复产品） 例如，1000台微型计算机，运行1000h，累计出现10次故障，则这种微型机的MTBF计算如下： 4、机械零件可靠性设计 （1）应力、强度定义： 在机械产品中，广义的应力是引起失效的负荷，强度是抵抗失效的能力。由于影响应力和强度的因素具有随机性，所以应力和强度具有分散特性。要确定应力和强度的随机特性，首先应了解影响应力和强度随机性的因素。 影响应力的因素： 影响应力的主要因素有所承受的外载荷、结构的几何形状和尺寸，材料的物理特性等。 影响强度的因素： 影响强度的主要因素有材料的机械性能、工艺方法和使用环境等。 1）应力－强度干涉理论 在机械产品中，零件（部件）是正常还是失效决定于强度和应力的关系。 当零件（部件）的强度大于应力时，其能够正常工作； 当零件（部件）的强度小于应力时，其发生失效。 因此，要求零件（部件）在规定的条件下和规定的时间内能够承载，必须满足以下条件 S——零件（部件）的强度； s——零件（部件）的应力。 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2-1所示） 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干涉情况，计算干涉区内强度小于应力的概率（失效概率）的模型，称为应力—强度干涉模型。 在应力—强度干涉模型理论中，根据可靠度的定义，强度大于应力的