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文檔簡介

26/26現(xiàn)代設計技術0引言現(xiàn)代設計技術是先進制造技術中的首要關鍵技術,它是現(xiàn)代科技進展和全球市場競爭的產物。產品設計是以社會需求為目標,在一定設計原則的約束下,利用設計方法和手段制造出產品結構的過程,如圖l所示。市場競爭的需要和各種新方法、新技術、新工藝、新材料不斷涌現(xiàn),推動了設計方法和技術的進步,產品設計從傳統(tǒng)的經驗設計進入現(xiàn)代設計。1現(xiàn)代設計的內涵1.1現(xiàn)代設計的特征現(xiàn)代設計是傳統(tǒng)設計的深入、豐富和完善,而非獨立于傳統(tǒng)設計的全新設計。盡管目前對現(xiàn)代設計尚無確切定義,但可從以下特征來理解。⑴以計算機技術為核心這是現(xiàn)代設計的要緊特征。計算機技術的飛速進展對設計產生了巨大阻礙,表現(xiàn)為以下幾方面:①設計手段的更新計算機技術推動了設計手段從“手工”向“自動”的轉變。傳統(tǒng)設計以圖板、直尺、鉛筆等作為工具,這種設計手段效率低、人工強度大。CAD技術的出現(xiàn)和進展,甩掉圖板的“無紙設計”作為現(xiàn)代設計的主流,顯著提高了設計效率。②產品表示的改變計算機技術推動了產品表示從“二維”向“三維”的轉變。傳統(tǒng)設計利用投影原理表示產品結構,這種二維表示的數據單一,數據量少,不便于產品的進一步分析和制造。隨著CAD技術的進展,三維“產品模型(ProductModel)”越來越得到廣泛應用。這種表示不僅包括反映產品形狀和尺寸的幾何信息,還可包括分析、加工、材料、特性等數據,從而可直接用于分析和制造。③設計方法的進展促進了一些新的設計方法的出現(xiàn),高性能的計算機硬件和先進的軟件技術是這些方法實施的保證。一些先進的設計方法如有限元分析、優(yōu)化、模態(tài)分析等都涉及大量復雜計算,只有計算機技術的進展才能推動這些方法的進步和應用。新的設計方法如并行設計、虛擬設計、計算機仿真等。④工作方式的變化計算機技術促進了設計方式從“串行”到“并行”的變化。受設計手段限制,傳統(tǒng)設計過程采納串行方式進行,即設計任務按時序從一個環(huán)節(jié)傳入下一環(huán)節(jié)。隨著數據庫技術和網絡技術的進展,并行設計正得到廣泛應用。它要求設計小組(Team)同時地、并行地參與設計,并最大限度地交流信息,以縮短設計周期及有助于將各種新思想、新技術、新方法融入到產品設計中。⑤設計與制造一體化存在于計算機內的產品模型可直接進入CAPP系統(tǒng)進行工藝規(guī)劃和NC編程,進而加工代碼可直接傳入NC機床、加工中心進行加工。產品模型加強了設計與制造兩個環(huán)節(jié)的連接,提高了產品開發(fā)的效率。⑥治理水平的提高產品設計是一個復雜的系統(tǒng)工程,設計過程中涉及大量設計數據和設計行為的治理。數據庫技術的進展改變了傳統(tǒng)的手工治理模式,各種MIS、PDM系統(tǒng)的廣泛應用大大提高了設計的治理水平,保證了設計過程的高效、協(xié)同和安全。⑦組織模式的開放網絡技術的進展加快了數據通訊速度,縮短了企業(yè)之間的距離。傳統(tǒng)的局限于企業(yè)內部的封閉設計正在變?yōu)椴皇苄姓`屬關系約束的、多企業(yè)共同參與的異地設計。為完成一種設計任務形成的虛擬企業(yè)或動態(tài)聯(lián)盟將實現(xiàn)優(yōu)勢互補和資源共享,極大地提高設計效率和水平。⑵以設計理論為指導受科學技術進展水平的限制,傳統(tǒng)設計是以生產經驗為基礎,以運用力學和數學形成的計算公式、經驗公式、圖表、手冊等作為依據進行的。隨著理論研究的深入,許多工程現(xiàn)象不斷升華和總結為揭示事物內在規(guī)律和本質的理論,如摩擦學理論、模態(tài)分析理論、可靠性理論、疲勞理論、潤滑理論等。現(xiàn)代設計方法是基于理論形成的方法,利用這種方法指導設計可減小經驗設計的盲目性和隨意性,提高設計的主動性、科學性和準確性。因此,現(xiàn)代設計是以理論指導為主、經驗為輔的一種設計。1.2現(xiàn)代設計的內涵通過對其特征的分析,能夠認為:“現(xiàn)代設計”確實是以滿足應市產品的質量、性能、時刻、成本/價格綜合效益最優(yōu)為目的,以計算機輔助設計技術為主體,以知識為依托,以多種科學方法及技術為手段,研究、改進、制造產品活動過程所用到的技術群體的總稱。既以市場需求為驅動,以知識獵取為中心,以現(xiàn)代設計思想、方法為指導和現(xiàn)代技術手段為工具,考慮產品的整個生命周期和人、機、環(huán)境相容性因素的設計。1.現(xiàn)代設計作為一個研究領域,包含范圍極其廣泛。既包含指導設計進程及邏輯規(guī)律的設計方法學(屬于思維方面),也包含能用來提高設計效率和設計質量的各種單項技術(如CAD技術、有限元分析、可靠性設計等),同時還包含有高產品市場競爭優(yōu)勢的技術(如商品化設計、工業(yè)造型技術、市場預測與分析技術等),貫穿其中專門重要一點確實是并行工程的應用:產品設計開始就要同時考慮制造、使用及全生命周期的各個因素,另外,關于一個任務,能夠以網絡技術為基礎組織不同制造商(網上動態(tài)聯(lián)盟)來共同完成。因此,2.現(xiàn)代設計只能綜合理解為:計算機為工具,專業(yè)設計技術為基礎,網絡為效率,市場為導向的一種綜合設計理念,事實上現(xiàn)沒有固定的模式。簡單的講,現(xiàn)代設計的內涵確實是以市場為驅動,以知識為依托,以知識獵取為中心,以產品全生命周期為對象,人、機、環(huán)境相容的設計理念。2現(xiàn)代設計的技術體系現(xiàn)代設計技術的整個體系好比一棵大樹,由基礎技術、主體技術、支撐技術和應用技術四個層次組成。圖22.1基礎技術指傳統(tǒng)的設計理論與方法,特不是運動學、靜力學與動力學、材料力學、結構力學、熱力學、電磁學、工程數學的差不多原理與方法等方面。它不僅為現(xiàn)代設計技術提供了堅實的理論基礎,也是現(xiàn)代設計技術進展的源泉。現(xiàn)代設計技術也能夠講是在傳統(tǒng)設計技術的基礎上,以新的形式和更豐富的內涵發(fā)揚光大傳統(tǒng)設計技術中的優(yōu)秀內核與精華。圖2現(xiàn)代設計技術體系與其他學的關系2.2主體技術現(xiàn)代設計技術的誕生和進展與計算機技術的進展息息相關、相輔相成。能夠毫不夸張地講,沒有計算機科學與計算機輔助技術(如計算機輔助設計、智能CAD(IntelligentCAD——ICAD)、優(yōu)化設計、有限元分析程序、模擬仿真、虛擬設計和工程數據庫等),便沒有現(xiàn)代設計技術;另一方面,沒有其他現(xiàn)代設計技術的多種理論與方法,計算機技術的應用也會大大受到限制,因為運用優(yōu)化設計、可靠性設計、模糊設計等理論構造的數學模型,來編制計算機應用程序,能夠更廣泛、更深入地模擬人的推理與思維,從而提高計算機的“智力”。而計算機輔助設計技術正是以它對數值計算和對信息與知識的獨特處理能力,成為現(xiàn)代設計技術群體的主干。2.3支撐技術不管是設計對象的描述,設計信息的處理、加工、推理與映射及驗證,都離不開設計方法學、產品的可信性設計技術及設計試驗技術所提供的多種理論與方法及手段的支撐。設計方法學、可信性設計技術及試驗設計技術所包含的種種內容,可視為現(xiàn)代設計技術群體的支撐技術。2.4應用技術應用技術是針對有用目的解決各類具體產品設計領域的技術。如機床、汽車、工程機械、周密機械的現(xiàn)代設計內容,能夠看作是現(xiàn)代設計技術派生出來的豐富多彩的具體技術群?,F(xiàn)代設計技術在各類產品設計領域的廣泛應用,促進了產品質量與性能的提高?,F(xiàn)代設計已擴展到產品規(guī)劃、制造、營銷、運行、回收等各個方面,除了必要的傳統(tǒng)設計理論與方法的基礎知識外,相關的學科與技術,尤其是制造工藝、自動化技術、系統(tǒng)治理技術、材料知識與經驗及廣泛的自然科學知識等也是十分必要的。值得一提的是,現(xiàn)代設計技術體系框架的劃分只是相對的,而不是絕對的;主體技術、支撐技術、應用技術、基礎技術之間并不存在截然的界限。主體技術所包含的計算機輔助設計的有關技術本身往往確實是應用技術。在特定情況下,某些支撐技術也能夠成為主體技術,例如變載荷及隨機干涉下零件的疲勞設計和穩(wěn)定性設計,這時疲勞設計、健壯設計確實是相應情況下的主體技術。有些設計支撐技術本來確實是由傳統(tǒng)的強度、變形及失效理論“繁衍”出來的多種設計理論,如疲勞設計、防斷裂設計、可靠性設計等,因此,這些設計支撐技術,也可看作基礎技術。3現(xiàn)代設計原則設計原則是為設計產品應滿足的條件,也是對設計行為的約束。受設計水平、觀念、體制等限制,傳統(tǒng)設計所考慮的原則著眼于產品的功能和技術范疇,而設計的阻礙貫穿產品整個生命周期,因此設計原則必須面向生命周期內的各個時期?,F(xiàn)代設計原則是傳統(tǒng)設計原則的擴充和完善,兩者并無本質區(qū)不。可歸納為以下幾類。3.1功能滿足原則產品設計的目的是構造能夠實現(xiàn)規(guī)定功能的產品。假如產品不具備要求的功能,設計就失去價值。因此滿足功能是各類產品設計的必要原則。3.2質量保障原則保證質量是產品設計的重要原則。產品質量要緊由性能和可靠性決定,因此這類原則要緊包括:(1)性能指標。指產品的各類技術指標,如機床加工精度、傳動系統(tǒng)運動精度,電視機分辨率等。先進的技術指標是實現(xiàn)高質量產品的前提。(2)可靠性。指產品在規(guī)定的條件和規(guī)定時刻內完成規(guī)定功能的能力。產品只有可靠性能才有有用價值,因此性能的發(fā)揮依靠于可靠性。(3)強度原則。要求產品零件具有抵抗整體斷裂、塑性變形和某些表面損傷的能力。(4)剛度原則。要求外載作用下產品變形在規(guī)定的彈性變形之內。(5)穩(wěn)定性。指產品在外載作用下能夠恢復其平衡的特性。(6)抗磨損性。要求零件在規(guī)定時刻內材料的磨損量在規(guī)定值以內。(7)抗腐蝕性。要求產品在惡劣環(huán)境下不被周圍介質侵蝕的特征。(8)抗蠕變性。要求高溫環(huán)境工作的產品不發(fā)生蠕變或蠕變變形在規(guī)定值以內。(9)動態(tài)特性。指在動載荷作用下產品具有良好的抗振特性,以保證產品的平穩(wěn)和低噪聲運行。(10)平衡特性。指旋轉產品具有良好的靜平衡和動平衡特性。(11)熱特性。保證產品具有要求的溫度大小、溫度分布和熱流狀態(tài),以及熱應力、熱變形在規(guī)定值以內。3.3工藝優(yōu)良原則指設計能夠且容易通過生產過程實現(xiàn),它包括:(1)可制造性。指利用現(xiàn)有設備能夠制造出滿足精度等要求的零件,且制造成本低,效率高。(2)可裝配性。指零件能夠裝配成滿足裝配精度要求的部件和整機,且裝配成本低、效率高。(3)可測試性。指產品能夠且容易通過適當方進行有關測試,以評估設計、制造和裝配。3.4經濟合理原則要求產品具有較低的開發(fā)成本和使用費用。3.5社會使用原則考慮產品投放市場后的表現(xiàn)行為,包括:(1)環(huán)境友好性。保證產品產生盡可能少的廢水、廢氣、噪聲、射線等,符合環(huán)保法規(guī),對生態(tài)環(huán)境破壞最小。環(huán)境友好性是可持續(xù)進展戰(zhàn)略在設計中的重要體現(xiàn)。(2)環(huán)境適應性。適應使用環(huán)境的濕度、溫度、載荷、震動等專門條件。(3)人機友好性。滿足使用者生理、心理等方面要求,使產品外形美觀,色彩宜人,操作簡單、方便、舒適。(4)可維修性。使產品能夠且易于維修,維修的停機時刻、費用、復雜性、人員要求和差錯盡可能最小。(5)安全性。保證不對人的生命財產造成破壞。(6)可安裝性。保證產品使用前安裝容易、可靠,且安裝費用最小。(7)可拆卸性??紤]產品的材料回收和零組件的重新使用。(8)可回收性??紤]產品報廢及回收方式。上面分類介紹了各種原則,有些歸類并不十分嚴格。設計時應依照產品特點選擇部分原則,而在選擇的原則中又分要緊和次要原則。依照所選要緊原則的不同,目前已形成許多針對性設計方法,如面向制造和裝配的設計(DFMA)、面向環(huán)境的設計(DFE);面向拆卸的設計(DFD)等。4現(xiàn)代設計理論、方法與技術設計理論是對產品原理和機理的科學總結。設計方法是使產品滿足以及推斷產品是否滿足設計原則的依據。現(xiàn)代設計方法是基于設計理論形成的,因而更具科學性和邏輯性。但一些方法還有完善和進展的過程,因此現(xiàn)代設計方法還不能完全取代傳統(tǒng)設計方法,一些行之有效的經驗方法目前仍在廣泛使用,它們仍是現(xiàn)代設計方法的重要組成。4.1現(xiàn)代設計法的內容與范疇現(xiàn)代設計方法實質上是科學方法論在設計中的應用。概括為十一論:突變論、信息論、智能論、系統(tǒng)論、優(yōu)化論、對應論、功能論、操縱論、離散論、模糊論、藝術論。這些論與廣義設計(有目的的意識活動)直接有關,有的已形成單一學科,有的正在形成。①突變論方法突變制造是現(xiàn)代設計的基石。如制造性設計。要緊應用于定性的方案決策、系統(tǒng)設計;②智能論方法發(fā)揮智能載體的潛力,是現(xiàn)代設計的核心。如10計算機輔助計算:僅借助計算機代替人的初級智能;20CAD:30CAE:40智能機器化方法:即指高級人工智能,如機器人、專家系統(tǒng)等。應用于能代替人的智力的一切場合。③信息論方法設計信息的分析是現(xiàn)代設計的依據。如:10預測技術法:用歷史性趨向及參數,預測現(xiàn)需與以后的動向與參數;20方差分析法:對一系列已知數據因素,進行參數的可能與識不檢驗;30信息合成法:將各種不同信息合成為所需的廣義系統(tǒng),如人工合成細胞、圖形等。要緊用于通過歷史性或試驗性數據進行預測與信號分析及可行性論證。④系統(tǒng)論方法系統(tǒng)分析是現(xiàn)代設計的前提。常用:10系統(tǒng)分析法:把任何系統(tǒng)、功能、元件均看做系統(tǒng),加以分析,進行輸入一輸出關系的描述,得到合理的系統(tǒng)與功能;20邏輯分析法:運用邏輯數學從各系統(tǒng)之間相互關聯(lián)與制約關系,設計出優(yōu)化系統(tǒng);30模式識不法:把已有若干模式的系統(tǒng)樣本,進行模式的確定;要緊用于總體方案與系統(tǒng)設計及可行性論證。⑤操縱論方法動態(tài)分析是現(xiàn)代設計的深化。常用:10動態(tài)分析法:運用傳遞函數與狀態(tài)方程,研究輸人情號與輸出功能之間的定性定量關系,以獲得最好的動態(tài)特性指標;20振蕩分析法:對振型模態(tài)進行識不,以利用振動或消除振動及噪音(廣義);30柔性設計法:把剛性系統(tǒng)按實際彈性系統(tǒng)進行設計計算;40動態(tài)優(yōu)化法:要緊是研究大系統(tǒng)優(yōu)化與最佳動態(tài)數學模型;一般用于系統(tǒng)確定后的動態(tài)指標定性分析與定量校正。⑥優(yōu)化論方法廣義優(yōu)化是現(xiàn)代設計的宗旨。常用:10優(yōu)化設計法:包括各種優(yōu)化值的搜索方法,如線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃、整數規(guī)劃、幾何規(guī)劃、多目標優(yōu)化、試驗優(yōu)化、經驗優(yōu)化、方案優(yōu)化、模糊優(yōu)化等;20優(yōu)化操縱法:要緊是動態(tài)優(yōu)化、最優(yōu)操縱等。可用于方案設計與參數設計。⑦對應論方法相似模擬是現(xiàn)代設計的捷徑。常用:10相似設計法:似同類參照物為依據求出設計對象與參照對象間的數學關系;20模擬分析法:以異類參照物為依據,設計系統(tǒng)結構與求得參數;30仿真技術:用電子數字計算機及仿真語言模擬復雜系統(tǒng)與過程,求得解析法不能取得的參數;40仿生技術:模擬生物的專門功能為設計服務。要緊用于已有參照,模型的構思與定量計算。⑧功能論方法功能實現(xiàn)是現(xiàn)代設計的目標。有限壽命是自然與社會的差不多客觀現(xiàn)實,因此設計時應保證有限使用期限內設計對象的經濟有效功能,其方法有功能分析設計法、可靠性分析預測、可靠性設計及功能價值工程等。要緊應用于方案設計與功能價值、功能安全可靠性定量分析;⑨離散論方法離散分析是現(xiàn)代設計的細解。事物特不是復雜廣義系統(tǒng)由離散體組成,是自然與社會另一個差不多客觀現(xiàn)象,因此,用離散化方法近似確定參數是必定可靠的,其方法有有限單元法、邊界元法、離散優(yōu)化、子模態(tài)分析法及其他運用離散數學技術的方法等。要緊用于近似細解的精細設計。⑩模糊論方法模糊定量是現(xiàn)代設計的進展。事物的模糊性是一種大量的客觀存在,因此運用模糊分橋的量度方法(避開精確的數學方法)是必要的,其方法目前要緊運用隸屬函數的論域法,能夠進行模糊分析、模糊評價、模糊操縱與模糊設計等的運用。要緊用于模糊性參數確定與方案的綜合評價;⑾藝術論方法悅心宜人是現(xiàn)代設計的美感。任何設計都盡可能把設計對象形成一件藝術品,是設計的重要觀念,現(xiàn)代藝術論不僅如此,還要采納技術美學,計算機造型、模糊藝術等處理方法。要緊用于使設計達到悅心宜人的功能;4.2目前所指的現(xiàn)代設計技術1)現(xiàn)代設計方法學(1)系統(tǒng)設計(2)價值工程(3)功能設計(4)并行設計(5)模塊化設計(6)質量功能配置(7)反求設計(8)綠色設計(9)模糊設計(10)面向對象的設計(11)工業(yè)造型設計2)計算機輔助設計技術(1)有限元法(2)優(yōu)化設計(3)計算機輔助設計(4)模擬仿真與虛擬設計(5)智能計算機輔助設計(6)工程數據庫3)可信性設計(可信性設計技術可看作廣義可靠性設計內容的擴展)(1)可靠性設計(2)安全設計(3)動態(tài)設計(4)防斷裂設計(5)抗疲勞設計(6)減摩耐磨設計(7)防腐蝕設計(8)健壯設計(9)耐環(huán)境設計(10)維修設計和維修保障設計(11)測試性設計(12)人機工程設計5現(xiàn)代設計手段設計手段是人的設計思想借以實現(xiàn)的工具和技術。計算機技術、軟件技術和數據庫技術的進展對設計手段起到了變革性的作用,以計算機為工作平臺的設計工具正在廣泛取代傳統(tǒng)的圖板,計算機輔助設計正在成為現(xiàn)代設計的要緊手段,它使設計效率、設計水平和設計質量得到全面提高。計算機輔助設計包括如下內容。6現(xiàn)代設計技術的特點由現(xiàn)代設計技術的涵義及其體系可見,它具有以下一系列特點。6.1設計理論與方法的延伸、思維的變化及設計范疇的擴展現(xiàn)代設計技術是傳統(tǒng)的設計理論與方法的繼承、延伸與擴展。靜態(tài)的設計原理向動態(tài)的延伸;經驗的、類比的設計方法向精確的、優(yōu)化的方法延伸;確定的設計模型向隨機的模糊的延伸,單維思維模式向多維思維模式延伸;而且設計范疇在不斷擴大。傳統(tǒng)的設計通常只限于方案設計、技術設計(總體設計與工藝設計),如先進制造技術中的面向制造的設計(DesignForManufacturing——DFM),面向裝配的設計(DesignForAssembly——DFA)及面向X的設計(DesignFor“X”——DFX),并行設計(ConcurrentDesign——CD)、虛擬設計、綠色設計(GreenDesign——GD)、模糊設計、維修性設計(MainterinabilityDesign——MD)、健壯設計等,便是工程設計范疇擴大的集中體現(xiàn)?,F(xiàn)代設計能夠講是設計師、制造工程師、治理營銷人員以及工人、財會人員、專利律師等通力合作、集體智慧的結晶。6.2多種設計技術、理論與方法的交叉與綜合計算機技術與信息科學對機械產品的滲透、改造與應用,使產品的結構、功能產生專門大的變化,現(xiàn)代的機械產品正朝著機電一體化,物質、能量、信息一體化,集成化,模塊化方向進展。數控機床及數控裝置、加工中心、工業(yè)機器人等典型的機電一體化產品,不僅具有傳統(tǒng)意義上的物質與能量轉換的功能,而且具有自動檢測、自動數據處理(運算、推斷、存儲、經歷)、自動顯示、自動操縱、故障診斷和自動愛護及維護性、可回收性等功能,從而對產品的質量、可靠性、穩(wěn)定性、穩(wěn)健性及效益等均提出更為嚴格的要求。因此,現(xiàn)代設計技術必須是多學科的融合交叉,多種設計理論、設計方法、設計手段的綜合運用,以系統(tǒng)的、集成的設計概念設計出符合時代特征和科技進展趨勢的產品及整體綜合效益最佳的產品。6.3設計手段的精確化、計算機化、自動化與虛擬化(1)精確化在傳統(tǒng)設計中,面對載荷、應力、環(huán)境等因素的復雜化,通常以某種條件性的假設建立所謂穩(wěn)定的、理想的載荷(集中的或勻布的)和應力(名義的、平均的)模型,它與實際情況有差異的許多因素,則以安全系數和一系列的載荷系數、應力系數及其它阻礙系數等加以考慮,這往往使計算的結果誤差較大?,F(xiàn)代設計技術能夠采納概率設計(可靠性設計)描述載荷應力、環(huán)境條件等隨機因素的分布規(guī)律,133,通過有限元法、動態(tài)分析、疲勞設計、防斷裂設計、健壯設計、耐環(huán)境設計等分析工具和建模手段,準確模擬系統(tǒng)的真實情況,從而得到比較符合實際工況的真實解,提高了設計的精確化程度。(2)計算機化計算機化的標志是計算機在工程設計中得到廣泛的應用,并逐漸替代傳統(tǒng)的手工設計。硬件功能日益增強,計算機在設計中的應用已從計算機輔助分析計算和輔助繪圖,進展到優(yōu)化設計、并行設計、三維特征建模、設計過程治理、面向制造與面向裝配的設計制造一體化,形成了CAD、CAPP、CAM的集成化、網絡化,并逐步向設計智能化、模擬仿真和虛擬設計、國際互聯(lián)網絡條件下進行計算機輔助設計過渡。計算機輔助設計技術,特不是工程數據庫和網絡技術的廣泛應用,加速了實現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)和全球化制造的進程。(3)自動化設計自動化的含義、內容與范圍目前尚無確切定論,但它一直是設計領域追求的目標。(4)虛擬化設計手段虛擬化(或擬實化),是以虛擬現(xiàn)實的系統(tǒng)軟件在計算機上實現(xiàn)仿真、實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的三維建模,包括幾何建模、運動建模、物理建模、對象特性建模及模型切分等,使設計者能在虛擬的設計環(huán)境下看到設計內容,如設計對象的形狀、外表、物體的移動、旋轉和各部分是否干涉與碰撞,以及對象的質量、重量、慣性、表面特性(光滑與粗糙)、硬度、結構形式等改變模式,從而實現(xiàn)設計可視化,快速顯示設計內容,靈活而方便地修改設計,同時由于虛擬制造技術,以及快速原形技術的出現(xiàn),使設計者在零件被制造之前就看到了它加工后的形狀并感受到它。這些虛擬技術與手段的運用,大大提高了設計效果與質量。6.4并行化、最優(yōu)化和智能化的設計過程現(xiàn)代設計技術中的并行設計、優(yōu)化設計及智能化設計(如智能CAD,專家系統(tǒng)(ES)等)均是現(xiàn)代設計技術中的重要設計技術,是設計開發(fā)新產品過程不可缺少的方法和技術手段。(1)并行設計過程并行設計(ConcurrentDesign)有時又稱為并行工程(ConcurrentEngineering)。這是一種綜合工程設計、制造、治理、經營的思想、方法和工作模式。并行工程技術能夠在一個工廠、一個企業(yè)(包括跨地區(qū)、跨行業(yè)的大型企業(yè)及跨國公司)以通信治理方式在計算機軟、硬件環(huán)境下實現(xiàn)。其核心是產品的設計時期就考慮到產品生命周期(從概念形成到產品報廢)中的所有因素(包括設計、分析、制造、裝配、檢驗、維護、質量、成本、進度與用戶需求等),強調多學科小組、各有關部門協(xié)同工作,強調對產品設計及其相關過程(制造過程和支持過程)進行并行地、集成地、一體化地進行設計,使產品開發(fā)一次成功,縮短產品開發(fā)周期,提高產品質量。這是一項包括人機集成和系統(tǒng)功能集成的多目標多層次、整體優(yōu)化的集成,需要用到專門多現(xiàn)代技術與方法,如建模與仿真技術、優(yōu)化方法與技術、系統(tǒng)與集成技術、信息治理技術、專家系統(tǒng)與模糊技術、CAPP技術、全面質量治理與操縱技術、決策支持及評價系統(tǒng)、價值工程及其預測技術、分布式并行處理的智能協(xié)同求解技術等。其關鍵技術是建模與仿真技術、信息系統(tǒng)及其治理技術、決策支持及評價系統(tǒng)等。美國于80年代末首先在福特、通用和克萊斯勒三大汽車公司組織實施并行工程技術,取得了顯著的經濟效益。我國近年來在一些大型企業(yè)中也開始部分實施并行工程技術,這項技術是提高我國企業(yè)水平,參與全球化競爭的一個重要進展方向。(2)全過程的優(yōu)化設計現(xiàn)代設計技術中的一般性優(yōu)化設計方法及其應用已日趨成熟,一般的連續(xù)變量優(yōu)化設計、混合離散變量優(yōu)化設計,已進展到隨機變量優(yōu)化設計(可靠性優(yōu)化設計)、模糊變量優(yōu)化設計,單目標優(yōu)化設計已進展到多目標優(yōu)化設計。僅將優(yōu)化設計的范圍局限于優(yōu)化方法及其應用程序的編制上已不能適應工程技術進展的需要。廣義的工程優(yōu)化設計:應是優(yōu)化設計的重要進展方向,其內容要緊包括工程優(yōu)化設計問題的自動建模技術、優(yōu)化設計問題的前處理與后處理、優(yōu)化設計結果的評價等。此外,基于優(yōu)化設計和制造的分級分解優(yōu)化也是目前重要的研究內容。上述優(yōu)化方向的實現(xiàn),必定涉及到人工智能、信息技術、操縱技術等多種方法、多種技術、多個軟件系統(tǒng)的綜合運用。(3)人機結合的智能化設計過程產品設計是一個制造性的思維、推理和決策的過程,CAD技術在產品設計中的成功應用,引起設計領域產生了深刻的變革,由人完成的設計過程,已轉變?yōu)橛扇藱C緊密結合共同完成設計過程的智力與智能活動。如人工智能原理和專家系統(tǒng)(包括一般專家系統(tǒng)與模糊專家系統(tǒng))技術應用于CAD產生了智能CAD(ICAD)系統(tǒng),實現(xiàn)了對設計過程基于符號性知識模型和符號處理的推理工作,用于完成概念設計的有關內容。能夠講智能CAD系統(tǒng)是模擬人腦對知識處理,并拓展了人在設計過程中的智能活動。6.5面向產品壽命周期全過程的可信性設計隨著科學技術的進展和日益增長的社會需求,產品的類型、規(guī)格及性能迅速地發(fā)生變化,產品的壽命周期越來越短。人們對產品質量要求的含義也在不斷變化,不僅要滿足功能要求,對可信性、安全性、可靠性、合理的壽命、方便使用和維護保養(yǎng)條件與方式也提出了更高的要求,并要符合有關標準、法律和生態(tài)環(huán)境要求及滿足用戶非物質功能的要求等等。為貫徹這些標準和要求,需要設計、制造、治理、維護、使用等一系列環(huán)節(jié)有嚴格的技術措施加以保證,其中最重要的是設計、制造水平,因為產品的質量是設計和制造出來的,而不是檢驗出來的。因此,現(xiàn)代設計技術的重要內容之一確實是面向產品壽命周期全過程進行可信性設計,以滿足市場與用戶對產品質量的要求。針對不同產品和各個設計時期擬采納其中某些適宜的、有效的可信性設計技術與方法,以解決設計中各個具體的和總體的要求,把產品的設計從經驗的、類比的、靜態(tài)的傳統(tǒng)設計提高到全方位的獵取信息,并結合運用其他現(xiàn)代設計理論、方法和手段、進行動態(tài)的、多變量的全過程的可信性優(yōu)化設計。6.6多種設計試驗技術的綜合運用為了有效地驗證設計目標是否達到和檢驗設計過程、制造過程的技術措施,全面把握產品的質量信息,做到萬元一失,在設計全過程中對產品進行必要的、針對性的試驗是不可忽視和超越的。在產品的設計過程中,人們依照不同產品的特點和需要,通過物理模型試驗、動態(tài)試驗、可靠性試驗、產品環(huán)保性能試驗與操縱等,獵取相應的產品參數和數據,為評定設計方案的優(yōu)劣和幾種方案的比較提供一定的依據,也為開發(fā)新

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