現(xiàn)代設(shè)計方法

1、現(xiàn)現(xiàn) 代代 設(shè)設(shè) 計計 方方 法法寧夏大學(xué)寧夏大學(xué) 機械工程學(xué)院機械工程學(xué)院朱學(xué)軍朱學(xué)軍Modern Design Methodology自動設(shè)計自動設(shè)計手工設(shè)計手工設(shè)計靜態(tài)設(shè)計靜態(tài)設(shè)計動態(tài)設(shè)計動態(tài)設(shè)計安全設(shè)計安全設(shè)計優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化設(shè)計并行設(shè)計并行設(shè)計串行設(shè)計串行設(shè)計定性設(shè)計定性設(shè)計定量設(shè)計定量設(shè)計人類設(shè)計人類設(shè)計經(jīng)歷的階段經(jīng)歷的階段直覺設(shè)計階段直覺設(shè)計階段經(jīng)驗設(shè)計階段經(jīng)驗設(shè)計階段半理論半經(jīng)驗半理論半經(jīng)驗設(shè)計階段設(shè)計階段 系統(tǒng)性系統(tǒng)性: 2: 2種體系種體系, ,即即: :設(shè)計方法學(xué)、創(chuàng)造性設(shè)計法。設(shè)計方法學(xué)、創(chuàng)造性設(shè)計法。 社會性社會性：面向市場、面向社會解決產(chǎn)品生命周期中的問題。：面向市場、

2、面向社會解決產(chǎn)品生命周期中的問題。 創(chuàng)造性創(chuàng)造性：發(fā)散思維、激勵創(chuàng)新，獲取最優(yōu)方案，改變品質(zhì)。：發(fā)散思維、激勵創(chuàng)新，獲取最優(yōu)方案，改變品質(zhì)。 最優(yōu)化最優(yōu)化：規(guī)劃建模，選擇方法，定性、定量地尋求最優(yōu)解。：規(guī)劃建模，選擇方法，定性、定量地尋求最優(yōu)解。 動態(tài)化動態(tài)化：多變量、離散化的可靠性設(shè)計，逼近實際工況。：多變量、離散化的可靠性設(shè)計，逼近實際工況。 宜人性宜人性：內(nèi)在品質(zhì)實用性與外觀質(zhì)量的藝術(shù)性相結(jié)合。：內(nèi)在品質(zhì)實用性與外觀質(zhì)量的藝術(shù)性相結(jié)合。 智能化智能化：信息的綜合運用，高智能化的產(chǎn)品。仿人、仿生：信息的綜合運用，高智能化的產(chǎn)品。仿人、仿生 CA化化：CAD、CAPP、CAM、CAE、PDM

3、 CIMS 信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、控制信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、控制動力學(xué)任務(wù)動力學(xué)任務(wù)機電一體化機電一體化伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)Servo systemServo system: a kind of automatic control system, which can be used : a kind of automatic control system, which can be used to control displacement or angle of a machine.to control displacement or angle of a machine.開發(fā)性設(shè)計開發(fā)性設(shè)計適應(yīng)性設(shè)計適應(yīng)性設(shè)計

4、變型設(shè)計變型設(shè)計五個階段五個階段產(chǎn)品規(guī)劃產(chǎn)品規(guī)劃( (概念設(shè)計概念設(shè)計) )總體方案設(shè)計總體方案設(shè)計結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計生產(chǎn)施工設(shè)計生產(chǎn)施工設(shè)計( (工藝設(shè)計工藝設(shè)計) )改進(jìn)設(shè)計改進(jìn)設(shè)計定義：定義：力求以最低壽命周期費用，可靠地實現(xiàn)產(chǎn)品或作業(yè)的必要功能，力求以最低壽命周期費用，可靠地實現(xiàn)產(chǎn)品或作業(yè)的必要功能，籍以提高其價值，是著重于功能研究的、有組織的活動。籍以提高其價值，是著重于功能研究的、有組織的活動。中心：中心：功能分析是核心；創(chuàng)造是關(guān)鍵；信息是基礎(chǔ)功能分析是核心；創(chuàng)造是關(guān)鍵；信息是基礎(chǔ)物品的用途、功用，即性能和機能。價值工程追求的是物品的用途、功用，即性能和機能。價值工程追求的是

5、用戶所需的必要功能。用戶所需的必要功能。功能：功能：C=C1+C2C=C1+C2 （C C：壽命周期成本；：壽命周期成本；C1C1：生產(chǎn)成本；：生產(chǎn)成本； C2C2：使用成本）：使用成本）壽命周期成本：壽命周期成本：定義：定義： 19881988年，美國國防部防衛(wèi)分析研究所年，美國國防部防衛(wèi)分析研究所（IDAIDA）發(fā)表發(fā)表R338R338 報告：報告：這種工作模式力圖使開發(fā)者從一開始就考慮到產(chǎn)品全生命周期這種工作模式力圖使開發(fā)者從一開始就考慮到產(chǎn)品全生命周期（從概念形成到產(chǎn)品報廢）中所有的因素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度（從概念形成到產(chǎn)品報廢）中所有的因素，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度與用戶需求。與用戶需

6、求。注：注：支持過程支持過程 包括對包括對制造過程制造過程的支持（原材料的獲的支持（原材料的獲取取, ,中間產(chǎn)品的庫存，工藝過程設(shè)計，生產(chǎn)計劃制定中間產(chǎn)品的庫存，工藝過程設(shè)計，生產(chǎn)計劃制定）和）和使用過程使用過程的支持（產(chǎn)品銷售，使用維護(hù)，售后服務(wù)，產(chǎn)品的支持（產(chǎn)品銷售，使用維護(hù)，售后服務(wù)，產(chǎn)品報廢后的處理報廢后的處理）CECE的核心是產(chǎn)品及其相關(guān)過程（加工工藝、裝配、檢測、質(zhì)量的核心是產(chǎn)品及其相關(guān)過程（加工工藝、裝配、檢測、質(zhì)量控制、銷售、售后服務(wù)控制、銷售、售后服務(wù)）設(shè)計的）設(shè)計的集成集成。 各活動間的關(guān)系可歸納為：各活動間的關(guān)系可歸納為：串行依賴、并行獨立、交互耦合串行依賴、并行獨立、交

7、互耦合?；咎卣骰咎卣髦饕夹g(shù)特點主要技術(shù)特點 產(chǎn)品產(chǎn)品開發(fā)過程的并行重組開發(fā)過程的并行重組 支持并行設(shè)計的支持并行設(shè)計的群組工作方式群組工作方式 統(tǒng)一的產(chǎn)品信息模型統(tǒng)一的產(chǎn)品信息模型 基于時間的決策基于時間的決策 分布式的軟、硬環(huán)境分布式的軟、硬環(huán)境 開放式的系統(tǒng)界面開放式的系統(tǒng)界面 縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期404060%60%；提高設(shè)計質(zhì)量（早期生產(chǎn)中工；提高設(shè)計質(zhì)量（早期生產(chǎn)中工程變更次數(shù)減小一半以上，產(chǎn)品報廢及反復(fù)工作減小程變更次數(shù)減小一半以上，產(chǎn)品報廢及反復(fù)工作減小75%75%）；制造）；制造成本下降成本下降303040% 40% 。CECE的效益的效益 設(shè)計方法學(xué)是用

8、系統(tǒng)觀點研究產(chǎn)品的設(shè)計方法學(xué)是用系統(tǒng)觀點研究產(chǎn)品的一般設(shè)計進(jìn)程、設(shè)計規(guī)律、一般設(shè)計進(jìn)程、設(shè)計規(guī)律、設(shè)計思維、工作方法、設(shè)計工具設(shè)計思維、工作方法、設(shè)計工具的綜合性學(xué)科。的綜合性學(xué)科。 對具體的產(chǎn)品設(shè)計而言，對具體的產(chǎn)品設(shè)計而言，具有方法論的性質(zhì)具有方法論的性質(zhì)。目的是指導(dǎo)設(shè)計目的是指導(dǎo)設(shè)計師應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計方法開發(fā)、創(chuàng)新，設(shè)計出高性價比的產(chǎn)品。師應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計方法開發(fā)、創(chuàng)新，設(shè)計出高性價比的產(chǎn)品。設(shè)計對象：設(shè)計對象：能夠?qū)崿F(xiàn)一定技術(shù)過程的技術(shù)系統(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)一定技術(shù)過程的技術(shù)系統(tǒng)。設(shè)計進(jìn)程：設(shè)計進(jìn)程：設(shè)定技術(shù)過程、劃定技術(shù)系統(tǒng)邊界、功能分解及求解。設(shè)定技術(shù)過程、劃定技術(shù)系統(tǒng)邊界、功能分解及求解。設(shè)

9、計評價：設(shè)計評價：多目標(biāo)優(yōu)化規(guī)劃多目標(biāo)優(yōu)化規(guī)劃最佳設(shè)計方案的確定。最佳設(shè)計方案的確定。設(shè)計思維：設(shè)計思維：激發(fā)、培養(yǎng)創(chuàng)新思維的能力和方法。激發(fā)、培養(yǎng)創(chuàng)新思維的能力和方法。設(shè)計工具：設(shè)計工具：信息集約信息集約 Database Database，調(diào)用、參考。，調(diào)用、參考?，F(xiàn)代設(shè)計理論和方法應(yīng)用：現(xiàn)代設(shè)計理論和方法應(yīng)用：完善方法論，推廣、應(yīng)用。完善方法論，推廣、應(yīng)用。技術(shù)系統(tǒng)：技術(shù)系統(tǒng)：針對作業(yè)對象針對作業(yè)對象, ,完成某種技術(shù)過程的支持系統(tǒng)。完成某種技術(shù)過程的支持系統(tǒng)。作業(yè)對象：作業(yè)對象：物料物料( (Materiel) )、能量、能量( (Energy) )、信息、信息( (Informati

10、on) )。舉例：舉例：坯料是坯料是作業(yè)對象作業(yè)對象；加工中心是；加工中心是技術(shù)系統(tǒng)技術(shù)系統(tǒng)；加工是；加工是技術(shù)過程技術(shù)過程。分析分析作業(yè)對象及其轉(zhuǎn)換要求；作業(yè)對象及其轉(zhuǎn)換要求；分析分析實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的工作原理；實現(xiàn)轉(zhuǎn)換的工作原理；明確明確實現(xiàn)技術(shù)過程的環(huán)境和約束條件；實現(xiàn)技術(shù)過程的環(huán)境和約束條件；明確明確主要技術(shù)過程和其他輔助過程；主要技術(shù)過程和其他輔助過程；劃定劃定技術(shù)系統(tǒng)的邊界（工作范圍）。技術(shù)系統(tǒng)的邊界（工作范圍）。技術(shù)系統(tǒng)所具有的功能，是完成技術(shù)過程的根本特性。技術(shù)系統(tǒng)所具有的功能，是完成技術(shù)過程的根本特性。作業(yè)單元：作業(yè)單元：轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)；轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)；控制單元：控制單元：采集、處理并輸出控

11、制信息；采集、處理并輸出控制信息；動力單元：動力單元：能量的轉(zhuǎn)換、傳遞、分配；能量的轉(zhuǎn)換、傳遞、分配；檢測單元：檢測單元：反饋信息；反饋信息；結(jié)構(gòu)單元：結(jié)構(gòu)單元：系統(tǒng)各部分的聯(lián)接、支承。系統(tǒng)各部分的聯(lián)接、支承。信息集約：信息集約：產(chǎn)品生命周期相關(guān)環(huán)節(jié)所需信息的集成、分配、共享；產(chǎn)品生命周期相關(guān)環(huán)節(jié)所需信息的集成、分配、共享；調(diào)研預(yù)測：調(diào)研預(yù)測：市場、技術(shù)、社會環(huán)境、企業(yè)內(nèi)部；設(shè)計可行的依據(jù)；市場、技術(shù)、社會環(huán)境、企業(yè)內(nèi)部；設(shè)計可行的依據(jù)；可行性報告：可行性報告：系統(tǒng)化產(chǎn)品設(shè)計的初步開發(fā)依據(jù)。系統(tǒng)化產(chǎn)品設(shè)計的初步開發(fā)依據(jù)。并行設(shè)計組并行設(shè)計組技術(shù)、經(jīng)濟技術(shù)、經(jīng)濟社會目標(biāo)評價社會目標(biāo)評價最優(yōu)方案最

12、優(yōu)方案信息集約信息集約調(diào)研預(yù)測調(diào)研預(yù)測可行性報告可行性報告功能分析功能分析功能元求解功能元求解方案綜合方案綜合組合方案組合方案 最優(yōu)化的概念最優(yōu)化的概念 使問題的解決在一定程度上達(dá)到無可爭議的完善化。使問題的解決在一定程度上達(dá)到無可爭議的完善化。 優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化設(shè)計 以計算機為工具，運用數(shù)學(xué)規(guī)劃理論尋求復(fù)雜設(shè)計問題最佳方案以計算機為工具，運用數(shù)學(xué)規(guī)劃理論尋求復(fù)雜設(shè)計問題最佳方案 的現(xiàn)代設(shè)計方法。的現(xiàn)代設(shè)計方法。 優(yōu)化設(shè)計的主要內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計的主要內(nèi)容 分析對象，建立正確的數(shù)學(xué)模型；分析對象，建立正確的數(shù)學(xué)模型； 選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法，應(yīng)用計算機求解。選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法，應(yīng)用計算機求解。 構(gòu)成模型的三

13、大要素：構(gòu)成模型的三大要素： 設(shè)計變量設(shè)計變量：在設(shè)計過程中需不斷修正、一直處于變化狀態(tài)：在設(shè)計過程中需不斷修正、一直處于變化狀態(tài) 的基本參數(shù)，直接決定設(shè)計質(zhì)量。的基本參數(shù)，直接決定設(shè)計質(zhì)量。 約束條件約束條件：一個可行設(shè)計必須滿足的限制條件。：一個可行設(shè)計必須滿足的限制條件。 按性質(zhì)分為：性能約束；側(cè)面約束（邊界約束）按性質(zhì)分為：性能約束；側(cè)面約束（邊界約束） 按表達(dá)式分為：等式約束；不等式約束按表達(dá)式分為：等式約束；不等式約束 目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)：使設(shè)計得以優(yōu)化的函數(shù)，又稱評價函數(shù)。：使設(shè)計得以優(yōu)化的函數(shù)，又稱評價函數(shù)。 1)() 1(kkxx2)() 1()()(kkxfxf3)()(kx

14、f 解析解法解析解法：利用微分或變分法求解：利用微分或變分法求解精確理論解精確理論解 數(shù)值解法數(shù)值解法：利用數(shù)學(xué)規(guī)劃理論求解：利用數(shù)學(xué)規(guī)劃理論求解 中心思想中心思想：搜索，迭代，逼近：搜索，迭代，逼近 迭代公式迭代公式：)()()() 1(kkkkSxx近似解近似解 偏導(dǎo)數(shù)偏導(dǎo)數(shù)（ ； ）：）：是目標(biāo)函數(shù)沿某一坐標(biāo)軸方向函數(shù)值的變化率。是目標(biāo)函數(shù)沿某一坐標(biāo)軸方向函數(shù)值的變化率。ixxf)(22)(ixxf 方向?qū)?shù)方向?qū)?shù)（ ）：）：是目標(biāo)函數(shù)在設(shè)計空間任意點是目標(biāo)函數(shù)在設(shè)計空間任意點p處，沿任意方向處，沿任意方向S的函數(shù)值變化率。的函數(shù)值變化率。pSxf)( 梯度梯度（ ）：）： 是由目標(biāo)函

15、數(shù)一階偏導(dǎo)數(shù)組成的列向量；是由目標(biāo)函數(shù)一階偏導(dǎo)數(shù)組成的列向量； 是等值線上某點處法線方向，也是方向?qū)?shù)取最大值的方向；是等值線上某點處法線方向，也是方向?qū)?shù)取最大值的方向； 是目標(biāo)函數(shù)值變化最快的方向。是目標(biāo)函數(shù)值變化最快的方向。Tnxfxfxfxfxgradf21,)()( 梯度、方向?qū)?shù)的關(guān)系梯度、方向?qū)?shù)的關(guān)系iniioxfxSfcos1SxfTo)(),cos()(Sfxfo 示例：示例：求求 在在 處處 的梯度和方向?qū)?shù)的梯度和方向?qū)?shù)的最大值。的最大值。 524)(212221xxxxxfTox0 , 0 必要條件：必要條件：0,)(21*Tnxfxfxfxf 充分條件：充分條件：

16、)()(*2xfxH正定正定即：要求即：要求HESSIAN 矩陣的行列式，各階主子式的值大于零。矩陣的行列式，各階主子式的值大于零。 例：例：求求522)(1212222141xxxxxxxf的極小值。的極小值。0)(*xf;11*Tx 24410)(xH正定正定且且故故4)(*xf 定義：對任意的一個集合定義：對任意的一個集合R，若，若 且有且有 時，時， 等式等式 ，則稱，則稱R為一凸集。為一凸集。RxRx21,10 aRyxaax21)1 ( 幾何意義：任意集合幾何意義：任意集合R中，若任意兩點連線上的所有元素均屬于中，若任意兩點連線上的所有元素均屬于 集合集合R，則稱，則稱R 為一凸集

17、。為一凸集。 凸集：凸集： 函數(shù)凸性的判斷：函數(shù)凸性的判斷： 利用不等式判斷利用不等式判斷：若若Rn為凸集，有任意的為凸集，有任意的x1 Rn， x2 Rn，且不等式，且不等式)()()()(11212xfxxxfxfT恒成立，則恒成立，則f(x)是定義在是定義在Rn上的凸函數(shù)。上的凸函數(shù)。若若)()()()(11212xfxxxfxfT 成立，則成立，則f(x)是嚴(yán)格凸函數(shù)。是嚴(yán)格凸函數(shù)。 利用利用Hessian矩陣判斷：矩陣判斷：若若Rn為凸集，為凸集，f(x)具有連續(xù)二階偏導(dǎo)數(shù)，且具有連續(xù)二階偏導(dǎo)數(shù)，且H(x)半正定（即半正定（即: H(x) 各階主子式的值均大于等于各階主子式的值均大于

18、等于0），則），則f(x)是定義在是定義在Rn上的凸函數(shù)。上的凸函數(shù)。若若Hessian矩陣矩陣H(x) 正定（即正定（即H(x) 各階主子式的值均大于各階主子式的值均大于0），），則則f(x)是定義在是定義在Rn上的嚴(yán)格凸函數(shù)。上的嚴(yán)格凸函數(shù)。 例例：試判斷：試判斷124)(2221xxxf是否為凸函數(shù)，其中是否為凸函數(shù)，其中. 0)(; 0)(2211xxgxxg凸規(guī)劃：凸規(guī)劃：目標(biāo)函數(shù)、約束函數(shù)都是定義在凸集上的凸函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)、約束函數(shù)都是定義在凸集上的凸函數(shù)，該優(yōu)化規(guī)劃稱為凸規(guī)劃。該優(yōu)化規(guī)劃稱為凸規(guī)劃。 凸規(guī)劃的任一局部最優(yōu)解即為全局最優(yōu)解。凸規(guī)劃的任一局部最優(yōu)解即為全局最優(yōu)解。一維

19、搜索方法：一維搜索方法：試探法（試探法（0.618法）、插值法（二次）法）、插值法（二次）鋸齒現(xiàn)象鋸齒現(xiàn)象，其等值面近似，其等值面近似數(shù)可以用二次函數(shù)近似數(shù)可以用二次函數(shù)近似在極小點附近，目標(biāo)函在極小點附近，目標(biāo)函橢球面。橢球面。1x*x2x3x它它只只是是。標(biāo)標(biāo)函函數(shù)數(shù)的的一一種種局局部部性性質(zhì)質(zhì)最最速速下下降降方方向向反反映映了了目目快快的的方方向向。局局部部目目標(biāo)標(biāo)函函數(shù)數(shù)值值下下降降最最注注1）共軛方向的基本性質(zhì)共軛方向的基本性質(zhì)。，令精度要求，任取初始點1. 1)1(kxstep為所求極小點；停止，若令)1(1)1(1,|, )(. 2xgxfgstep。令，）計算利用公式（否則，令

20、)1(1)1()2(11)1(3,SxxgS為所求極小點；停止，若令)1(1)1(1,|, )(. 3kkkkxgxfgstep為：其中否則，令kkkkkSgd,)(1)1(。轉(zhuǎn)，令計算3,. 4)()()1(kkkkkSxxstep。令令1: kk221|kkkgg2）共軛梯度法的主要特點共軛梯度法的主要特點算法步驟算法步驟0:, 0. 10kxstep，精度給定初始點10)()(. 3kkkkxxxHgxQstep解出由方程組)()(. 22kkkkxfHxfgstep和計算?？赡鏁r，當(dāng)kkkkkgHxxH11;,|)(|. 41*1kkxxxfstep停止，若。轉(zhuǎn)令，否則2, 1:ste

21、pkk）收斂速度要快（的計算量要?。ㄙ|(zhì)）迭代公式具有下降性（的要求：對321)3kkHH0 kH)HHH(HHHkkkkkk 111 kkGH則則有有記記,11kkkkkkxxsggy kkkkkxxggH111)(kkksyH1nkn21 將有約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為一系列無約束優(yōu)化問題將有約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為一系列無約束優(yōu)化問題進(jìn)行求解。進(jìn)行求解。（Sequential Unconstrained Minimization Technique - SUMT）算法思想：算法思想：算法類型：算法類型：q 外點法（外懲法）外點法（外懲法） q 內(nèi)點法（內(nèi)懲法內(nèi)點法（內(nèi)懲法）1.1.可靠性：可靠性：產(chǎn)品

22、產(chǎn)品在在規(guī)定規(guī)定的條件下的條件下和和規(guī)定的規(guī)定的時間內(nèi)時間內(nèi)，完成，完成規(guī)定功能規(guī)定功能的的能力能力。環(huán)境約束環(huán)境約束溫度、介質(zhì)、負(fù)載溫度、介質(zhì)、負(fù)載時變時變隨機事件隨機事件技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)精度、穩(wěn)定性精度、穩(wěn)定性2.2.可靠度：可靠度：產(chǎn)品產(chǎn)品在在規(guī)定規(guī)定的條件下的條件下和和規(guī)定的規(guī)定的時間內(nèi)時間內(nèi)，完成，完成規(guī)定功能規(guī)定功能的的概率概率。是是產(chǎn)品可靠性的產(chǎn)品可靠性的概率度量概率度量：Reliability3.3.可靠性設(shè)計的特點可靠性設(shè)計的特點由由設(shè)計決定產(chǎn)品固有的可靠度設(shè)計決定產(chǎn)品固有的可靠度（R的分配、預(yù)測的分配、預(yù)測）將將設(shè)計變量設(shè)計變量視為隨機變量并視為隨機變量并用分布函數(shù)進(jìn)行描述

23、、計算用分布函數(shù)進(jìn)行描述、計算以以強度大于應(yīng)力法則強度大于應(yīng)力法則來度量可靠性指標(biāo)來度量可靠性指標(biāo)用用安全度或失效率定量描述安全度或失效率定量描述產(chǎn)品的可靠性產(chǎn)品的可靠性4.4.失效率：失效率：(t)(t)失效率曲線與失效類型失效率曲線與失效類型 （1）早期失效期為遞減型早期失效期為遞減型。主要由于設(shè)計、制造、貯存、運輸。主要由于設(shè)計、制造、貯存、運輸?shù)刃纬傻娜毕荩约罢{(diào)試、起動不當(dāng)?shù)热藶橐蛩卦斐?。等形成的缺陷，以及調(diào)試、起動不當(dāng)?shù)热藶橐蛩卦斐?。使產(chǎn)品失效率達(dá)到偶然失效期的時間使產(chǎn)品失效率達(dá)到偶然失效期的時間t0稱為交付使用點。稱為交付使用點。 （2）偶然失效期為恒定型偶然失效期為恒定型。主要

24、由非預(yù)期的過載、誤操作、偶。主要由非預(yù)期的過載、誤操作、偶然因素所造成。然因素所造成。偶然失效期是能有效工作的時期，稱為有效壽命。偶然失效期是能有效工作的時期，稱為有效壽命。 （3）耗損失效期，失效率是遞增型耗損失效期，失效率是遞增型。是由產(chǎn)品已經(jīng)老化、疲勞、。是由產(chǎn)品已經(jīng)老化、疲勞、磨損、蠕變、腐蝕等所謂有耗損的原因所引起的，故稱為耗損失磨損、蠕變、腐蝕等所謂有耗損的原因所引起的，故稱為耗損失效期。效期。5.5.平均壽命：平均壽命：Mean LifeMean Life 一批產(chǎn)品從投入運行到發(fā)生失效的平均工作時間。一批產(chǎn)品從投入運行到發(fā)生失效的平均工作時間。 MTTF：不可修復(fù)產(chǎn)品；從開始使用

25、到發(fā)生失效的平均時間不可修復(fù)產(chǎn)品；從開始使用到發(fā)生失效的平均時間 MTBF：可修復(fù)產(chǎn)品；相鄰兩次故障間工作時間的平均時間可修復(fù)產(chǎn)品；相鄰兩次故障間工作時間的平均時間6.6.維修度：維修度：Maintain abilityMaintain ability 規(guī)定條件下使用的產(chǎn)品，在規(guī)定時間內(nèi)按規(guī)定程序和方法維規(guī)定條件下使用的產(chǎn)品，在規(guī)定時間內(nèi)按規(guī)定程序和方法維修，保持或恢復(fù)到規(guī)定功能狀態(tài)的概率修，保持或恢復(fù)到規(guī)定功能狀態(tài)的概率。00)()()(0）（可以修復(fù)）（不可修復(fù)MMdmTPM7.7.有效度：有效度：AvailabilityAvailability 可修復(fù)產(chǎn)品，維持其功能在正常工作狀態(tài)的概率

26、可修復(fù)產(chǎn)品，維持其功能在正常工作狀態(tài)的概率。)()(1 )(),(MtRtRtA指數(shù)分布指數(shù)分布)(ttetf.)(tetF1)(tetR)(1)()(00dttedtttfTEt 當(dāng)當(dāng) 時，產(chǎn)品壽命的密度函數(shù)時，產(chǎn)品壽命的密度函數(shù) 其其分布函數(shù)分布函數(shù)F(t)F(t)與可靠度與可靠度R(t)R(t)分布為分布為 這個分布函數(shù)為指數(shù)分布，它的數(shù)學(xué)期望（即：這個分布函數(shù)為指數(shù)分布，它的數(shù)學(xué)期望（即：均值）為：均值）為：結(jié)論：結(jié)論：若產(chǎn)品壽命服從指數(shù)分布，其平均壽命為失效率的倒數(shù)若產(chǎn)品壽命服從指數(shù)分布，其平均壽命為失效率的倒數(shù)0應(yīng)力應(yīng)力- - 強度干涉模型強度干涉模型 g () f () f ()

27、 g ()干涉區(qū)干涉區(qū)o 現(xiàn)考慮整個應(yīng)力區(qū)間內(nèi)的情況，有強度大于現(xiàn)考慮整個應(yīng)力區(qū)間內(nèi)的情況，有強度大于 應(yīng)力的概率（可靠度）為應(yīng)力的概率（可靠度）為o 當(dāng)已知應(yīng)力和強度的概率密度函數(shù)時，根據(jù)當(dāng)已知應(yīng)力和強度的概率密度函數(shù)時，根據(jù) 以上表達(dá)式即可求得可靠度。以上表達(dá)式即可求得可靠度。 ddgfdRR222)(exp21)(xxf22SSZR25. 540803508202222SSZR/n)7(9 . 0)(RZR34. 2350/820n 根據(jù)串聯(lián)系統(tǒng)的定義及邏輯框圖，其數(shù)學(xué)模型為：根據(jù)串聯(lián)系統(tǒng)的定義及邏輯框圖，其數(shù)學(xué)模型為： 式中式中 R Rs s ( (t t) )系統(tǒng)的可靠度；系統(tǒng)的可靠

28、度； R Ri i ( (t t) )第第i i個單元的可靠度。個單元的可靠度。 niistRtR1)()( (一一) )串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度計算串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度計算 組成系統(tǒng)的所有單元中任一單元的故障就會導(dǎo)組成系統(tǒng)的所有單元中任一單元的故障就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)故障的系統(tǒng)稱串聯(lián)系統(tǒng)。致整個系統(tǒng)故障的系統(tǒng)稱串聯(lián)系統(tǒng)。它屬于非貯它屬于非貯備可靠性模型，其邏輯框圖如圖所示。備可靠性模型，其邏輯框圖如圖所示。 1 12 23 3n n 若各單元的壽命分布均為指數(shù)分布，即若各單元的壽命分布均為指數(shù)分布，即 式中式中 s s 系統(tǒng)的故障率；系統(tǒng)的故障率； i i 各單元的故障率。各單元的故障率。 tiietR)(

29、ttnitssniiseeetR11)(niis1例：由例：由4個單元串聯(lián)組成的系統(tǒng)，單元的可靠度個單元串聯(lián)組成的系統(tǒng)，單元的可靠度分別為：分別為：RA=0.9 RB =0.8 RC=0.7 RD=0.6,求系求系統(tǒng)的可靠度統(tǒng)的可靠度 RS RS=0.9 0.8 0.7 0.6=0.3024純并聯(lián)系統(tǒng)可靠度：純并聯(lián)系統(tǒng)可靠度： R RS S = 1= 1 (1(1 R Ri i) ) =1 =1 (1(1 0.9) 0.9) = 1 = 1 0.1=0.999 0.1=0.999 2/32/3表決系統(tǒng)可靠度為：表決系統(tǒng)可靠度為： R RS S= 3R= 3R 2R = 3 2R = 3 0.9

30、0.9 = 0.972 = 0.972 一般公式：一般公式：n n中取中取k k系統(tǒng)的可靠度可按二項式系統(tǒng)的可靠度可按二項式分布計算分布計算 R(t)=R(t)= P Pn n(i)= (i)= C Cn ni i R Ri i F Fn-in-i六、故障樹分析六、故障樹分析 故障樹故障樹是一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關(guān)系圖是一種特殊的倒立樹狀邏輯因果關(guān)系圖，它用事件符，它用事件符號、邏輯門符號和轉(zhuǎn)移符號描述系統(tǒng)中各種事件之間的因果關(guān)系。號、邏輯門符號和轉(zhuǎn)移符號描述系統(tǒng)中各種事件之間的因果關(guān)系。 “底事件底事件”是導(dǎo)致其故障的原因事件是導(dǎo)致其故障的原因事件，位于所討論故障樹底，位于所討論故障樹底

31、端。端。 “ “結(jié)果事件結(jié)果事件”是由其它事件或事件組合所導(dǎo)致的事件。它是由其它事件或事件組合所導(dǎo)致的事件。它總是總是位于某個邏輯門的輸出端位于某個邏輯門的輸出端。 故障樹的建立步驟故障樹的建立步驟 ： 1 1）熟悉并分析對象；）熟悉并分析對象； 2 2）選定頂事件；）選定頂事件； 3 3）故障樹的構(gòu)造與簡化；）故障樹的構(gòu)造與簡化； 4 4）計算分析；）計算分析； 5 5）評價改進(jìn)。）評價改進(jìn)。 目的目的 尋找頂事件的原因事件及原因事件的組合（尋找頂事件的原因事件及原因事件的組合（最小割集最小割集）發(fā)現(xiàn)潛在的故障發(fā)現(xiàn)潛在的故障發(fā)現(xiàn)設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，以便改進(jìn)設(shè)計發(fā)現(xiàn)設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)，以便改進(jìn)設(shè)計指導(dǎo)

32、故障診斷，改進(jìn)使用和維修方案指導(dǎo)故障診斷，改進(jìn)使用和維修方案 割集、最小割集概念割集、最小割集概念割集：割集：故障樹中一些底事件的集合，當(dāng)這些底事件同故障樹中一些底事件的集合，當(dāng)這些底事件同時發(fā)生時，頂事件必然發(fā)生；時發(fā)生時，頂事件必然發(fā)生；最小割集：最小割集：若將割集中所含的底事件任意去掉一個就若將割集中所含的底事件任意去掉一個就不再成為割集。不再成為割集。 可靠性和可靠度的基本概念：可靠性和可靠度的基本概念：三個規(guī)定；能力；概率三個規(guī)定；能力；概率 可靠性設(shè)計的特點：可靠性設(shè)計的特點：4 4個方面?zhèn)€方面 指數(shù)分布：指數(shù)分布：偶然失效期內(nèi)，平均壽命是失效率的倒數(shù)偶然失效期內(nèi)，平均壽命是失效率

33、的倒數(shù)。 應(yīng)力應(yīng)力- -強度干涉模型強度干涉模型: : 廣義概念廣義概念 零部件可靠度計算零部件可靠度計算: : 正態(tài)分布；聯(lián)結(jié)方程求解正態(tài)分布；聯(lián)結(jié)方程求解 統(tǒng)計指標(biāo)：統(tǒng)計指標(biāo)：可靠度、累計失效概率、失效率、平均壽命可靠度、累計失效概率、失效率、平均壽命 系統(tǒng)可靠性預(yù)測系統(tǒng)可靠性預(yù)測: : 串聯(lián)、并聯(lián)、表決系統(tǒng)可靠度計算串聯(lián)、并聯(lián)、表決系統(tǒng)可靠度計算 故障樹分析故障樹分析: : 故障樹、最小割集、最小路集的概念故障樹、最小割集、最小路集的概念 故障樹分析故障樹分析: : 故障樹的定性分析和定量計算故障樹的定性分析和定量計算jiijKK fDB) 1(123456789101112131415

34、 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1415123456789101112131415帶寬帶寬B=B=（相鄰節(jié)點號的最大差值（相鄰節(jié)點號的最大差值D+1D+1）* *2 2 前置處理是在用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析之前，按所使用前置處理是在用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析之前，按所使用的單元類型的單元類型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖分對結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖分；根據(jù)要求；根據(jù)要求對結(jié)點進(jìn)行順序編號對結(jié)點進(jìn)行順序編號；輸入單元特性及結(jié)點坐標(biāo)輸入單元特性及結(jié)點坐標(biāo)；生成網(wǎng)格圖象并顯示。生成網(wǎng)格圖象并顯示。（1 1）數(shù)據(jù)輸出：）數(shù)據(jù)輸出： 將結(jié)點位移、單元應(yīng)力按用戶的要求輸出規(guī)格化的數(shù)將結(jié)點位移、單元應(yīng)力按用戶的要求

35、輸出規(guī)格化的數(shù)據(jù)文件。據(jù)文件。（2 2）圖形顯示：）圖形顯示：包括包括有限元網(wǎng)格圖、結(jié)構(gòu)變形圖、等值線圖以及振型圖有限元網(wǎng)格圖、結(jié)構(gòu)變形圖、等值線圖以及振型圖等。等。 有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域：有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域：平衡或穩(wěn)態(tài)、特征值、瞬態(tài)問題平衡或穩(wěn)態(tài)、特征值、瞬態(tài)問題 單元剛度系數(shù)的概念；整體剛度矩陣的特點（單元剛度系數(shù)的概念；整體剛度矩陣的特點（4 4個個） FEM FEM的基本求解步驟（的基本求解步驟（6 steps6 steps） 帶寬的概念與簡單應(yīng)用（帶寬的概念與簡單應(yīng)用（P110 5-3P110 5-3 ） 有限元軟件：有限元軟件：前處理的主要功能前處理的主要功能 形函數(shù)的概念與特點（形

36、函數(shù)的概念與特點（2 2個個） 有限元軟件有限元軟件: : 后處理的主要內(nèi)容后處理的主要內(nèi)容結(jié)構(gòu)離散化結(jié)構(gòu)離散化虛功移置、最小勢能原理虛功移置、最小勢能原理單元動力方程單元動力方程公共結(jié)點位移相同公共結(jié)點位移相同組集系統(tǒng)動力方程組集系統(tǒng)動力方程引入邊界條件引入邊界條件系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型虛功移置虛功移置：原載荷與結(jié)點載荷在任意虛位移上所做的功相等：原載荷與結(jié)點載荷在任意虛位移上所做的功相等最小勢能：最小勢能：所有可能位移場中，真實位移場的總勢能最小所有可能位移場中，真實位移場的總勢能最小基礎(chǔ)基礎(chǔ)：單元動力學(xué)方程的轉(zhuǎn)換與組集。：單元動力學(xué)方程的轉(zhuǎn)換與組集。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換

37、為方向余弦矩陣方向余弦矩陣碼轉(zhuǎn)換碼轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為i 0)(MK2結(jié)構(gòu)特征值結(jié)構(gòu)特征值，可獲取不同階次的固有頻率，可獲取不同階次的固有頻率反映結(jié)構(gòu)按某固有頻率振動時的空間形態(tài)，反映結(jié)構(gòu)按某固有頻率振動時的空間形態(tài)，振型、模態(tài)振型、模態(tài)脈沖激勵測驗（錘擊試驗）脈沖激勵測驗（錘擊試驗）FrequencyDistanceAmplitudeBeam一階模態(tài)二階模態(tài)三階模態(tài)ForceForceForceForceForceForceForceForceForceForceForce方法方法: :ResponseResponse measured at measured at one point one

38、 point （在一點測試響應(yīng)在一點測試響應(yīng) ）ExcitationExcitation of the structure at a of the structure at a number of pointsnumber of points（用帶傳感器的錘頭在不同的點激勵）用帶傳感器的錘頭在不同的點激勵）Frequency Domain Viewv確定結(jié)構(gòu)的模態(tài)確定結(jié)構(gòu)的模態(tài)v計算激勵點和測點的頻響函數(shù)計算激勵點和測點的頻響函數(shù)ForceModal Domain ViewAcceleration參數(shù)化參數(shù)化智能化智能化三維化三維化集成化集成化網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)絡(luò)化標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)化大型主機大型主機智能終端智

39、能終端小型機（小型機（TurnKeyTurnKey SystemSystem）工作站工作站微機微機網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)絡(luò)化線框系統(tǒng)線框系統(tǒng)曲線曲面造型曲線曲面造型實體造型技術(shù)實體造型技術(shù)參數(shù)化特征造型參數(shù)化特征造型變量化變量化創(chuàng)新協(xié)同設(shè)創(chuàng)新協(xié)同設(shè)計計模塊化，專業(yè)分工模塊化，專業(yè)分工PLMPLM：產(chǎn)品生命周期管理：產(chǎn)品生命周期管理 滿足需要滿足需要 模塊化模塊化 易用性易用性 開放性開放性 二次開發(fā)能力二次開發(fā)能力 文件接口豐富文件接口豐富 常用外設(shè)支持常用外設(shè)支持 公司背景公司背景 技術(shù)支持技術(shù)支持應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件描述零部件各參數(shù)之間的耦合關(guān)系；樹型組織結(jié)構(gòu)；一對多。描述零部件各參數(shù)之間的

40、耦合關(guān)系；樹型組織結(jié)構(gòu)；一對多。多對多；層次型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)型的特例。多對多；層次型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)型的特例。用集合論中的用集合論中的n n維數(shù)組表示維數(shù)組表示順序存儲、鏈?zhǔn)酱鎯?。順序存儲、鏈?zhǔn)酱鎯?。?shù)據(jù)共享；數(shù)據(jù)共享；數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)化；數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)化；數(shù)據(jù)的獨立性；數(shù)據(jù)的獨立性；數(shù)據(jù)保護(hù)。數(shù)據(jù)保護(hù)。是是DBSDBS的核心，是用戶與數(shù)據(jù)庫之間的接口。的核心，是用戶與數(shù)據(jù)庫之間的接口。幫助用戶建立、使用和維護(hù)數(shù)據(jù)庫；幫助用戶建立、使用和維護(hù)數(shù)據(jù)庫；實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的安全性、完整性、并發(fā)性控制。實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的安全性、完整性、并發(fā)性控制。工程數(shù)據(jù)分析工程數(shù)據(jù)分析管理型數(shù)據(jù)：管理型數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)間關(guān)系分明、數(shù)據(jù)相

41、對穩(wěn)定、語義一致；數(shù)據(jù)間關(guān)系分明、數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定、語義一致；設(shè)計型數(shù)據(jù)：設(shè)計型數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)呈動態(tài)；語義不完全一致；數(shù)據(jù)呈動態(tài)；語義不完全一致；圖形數(shù)據(jù)：圖形數(shù)據(jù)：動態(tài)數(shù)據(jù)；設(shè)計過程中急劇增加；動態(tài)數(shù)據(jù)；設(shè)計過程中急劇增加；各類軟件包：各類軟件包：數(shù)據(jù)具有獨立性，必要時可以被激活。數(shù)據(jù)具有獨立性，必要時可以被激活。 EDBMSEDBMS的特點的特點數(shù)據(jù)類型的多樣性；數(shù)據(jù)模型的復(fù)雜性；數(shù)據(jù)類型的多樣性；數(shù)據(jù)模型的復(fù)雜性；數(shù)據(jù)的動態(tài)性；數(shù)據(jù)的動態(tài)性； 交互式操作方式（交互式操作方式（OOPOOP） 圖形輸出的基礎(chǔ)：圖形輸出的基礎(chǔ)：屏幕顯示、硬拷貝屏幕顯示、硬拷貝 基本圖素：矢量圖素、像素圖素基本圖素：矢

42、量圖素、像素圖素 坐標(biāo)系統(tǒng)：坐標(biāo)系統(tǒng)：世界坐標(biāo)系、設(shè)備坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系、設(shè)備坐標(biāo)系、NDC NDC 窗口：用戶坐標(biāo)系中定義的確定顯示內(nèi)容的區(qū)域窗口：用戶坐標(biāo)系中定義的確定顯示內(nèi)容的區(qū)域 視區(qū)：設(shè)備坐標(biāo)系中定義的矩形區(qū)域，輸出窗口圖形視區(qū)：設(shè)備坐標(biāo)系中定義的矩形區(qū)域，輸出窗口圖形 二維圖形的裁剪：二維圖形的裁剪：逐點比較法、雙邊裁剪法逐點比較法、雙邊裁剪法 ANN ANN是由神經(jīng)元廣泛互連構(gòu)成的常用的有以下幾種：是由神經(jīng)元廣泛互連構(gòu)成的常用的有以下幾種：(1)(1)前向網(wǎng)絡(luò)：前向網(wǎng)絡(luò)：前向網(wǎng)絡(luò)又稱為前饋網(wǎng)絡(luò)。前向網(wǎng)絡(luò)又稱為前饋網(wǎng)絡(luò)。 神經(jīng)元分層排列，分別組成神經(jīng)元分層排列，分別組成輸入層、中間

43、層和輸出層。輸入層、中間層和輸出層。每每一層神經(jīng)元只接收來自前一層神經(jīng)元的輸入。輸入信息經(jīng)一層神經(jīng)元只接收來自前一層神經(jīng)元的輸入。輸入信息經(jīng)各層變換后，最終在輸出層輸出。各層變換后，最終在輸出層輸出。(1) (1) 能較好地模擬人的形象思維。能較好地模擬人的形象思維。(2) (2) 具有大規(guī)模并行協(xié)同處理能力。具有大規(guī)模并行協(xié)同處理能力。 (3)(3) 具有較強的容錯能力和聯(lián)想能力。具有較強的容錯能力和聯(lián)想能力。(1) (1) 有導(dǎo)師學(xué)習(xí)（有導(dǎo)師學(xué)習(xí)（Supervised LearningSupervised Learning）(2) (2) 無導(dǎo)師學(xué)習(xí)無導(dǎo)師學(xué)習(xí)(Unsupervised Learning)(Unsupervised Learning) (3)(3)