機(jī)械工程導(dǎo)論-基于智能制造（第2版）第3章 機(jī)械設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

第3章機(jī)械設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法本章提要

本章首先回顧了機(jī)械設(shè)計(jì)方法的發(fā)展歷程，由此引出傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法；然后介紹了機(jī)械設(shè)計(jì)的一般方法和一般步驟；最后詳細(xì)介紹5種常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法：優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)和反求工程，并引入實(shí)例對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行應(yīng)用。內(nèi)容提綱概述3.13.23.3機(jī)械設(shè)計(jì)的基本方法常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法本章重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)：機(jī)械設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)，有限元設(shè)計(jì)，可靠性設(shè)計(jì)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)，反求設(shè)計(jì)難點(diǎn)：各種設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用

3.1概述3.1.1機(jī)械設(shè)計(jì)方法發(fā)展歷程圖3-2凸輪機(jī)構(gòu)示意圖圖3-1四連桿機(jī)構(gòu)示意圖

3.1概述3.1.1機(jī)械設(shè)計(jì)方法發(fā)展歷程從人類生產(chǎn)的進(jìn)步過(guò)程來(lái)看，整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)程大致經(jīng)歷了如下四個(gè)階段：（1）直覺(jué)設(shè)計(jì)階段。（2）經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段。（3）半理論半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段。（4）現(xiàn)代設(shè)計(jì)階段。

3.1概述3.1.1機(jī)械設(shè)計(jì)方法發(fā)展歷程（1）直覺(jué)設(shè)計(jì)階段。古代的設(shè)計(jì)是一種直覺(jué)設(shè)計(jì)，當(dāng)時(shí)人們從自然現(xiàn)象中直接得到啟示，憑借直觀感覺(jué)設(shè)計(jì)制作工具。設(shè)計(jì)者多為豐富經(jīng)驗(yàn)的手工藝人，設(shè)計(jì)者之間信息交流傳遞很少。產(chǎn)品的制造是根據(jù)制造者本人的經(jīng)驗(yàn)或其頭腦中的構(gòu)思完成的，設(shè)計(jì)與制造無(wú)法分開(kāi)。車輪獨(dú)木舟

3.1概述3.1.1機(jī)械設(shè)計(jì)方法發(fā)展歷程（2）經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段。17世紀(jì)初，數(shù)學(xué)與力學(xué)結(jié)合后，人們開(kāi)始運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)解決設(shè)計(jì)中一些問(wèn)題，并開(kāi)始按圖紙進(jìn)行制造。圖紙的出現(xiàn)，既可使具有豐富經(jīng)驗(yàn)的手工藝人通過(guò)圖紙將其經(jīng)驗(yàn)或構(gòu)思記錄下來(lái)，更便于其他設(shè)計(jì)者在已有圖紙的基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析、改進(jìn)和提高，使得先前經(jīng)驗(yàn)得以積累并更深入的發(fā)展；同時(shí)還可以滿足更多的人同時(shí)參加同一產(chǎn)品的生產(chǎn)活動(dòng)，滿足社會(huì)對(duì)產(chǎn)品的需求及生產(chǎn)率的要求。橋梁設(shè)計(jì)圖戰(zhàn)車設(shè)計(jì)圖

3.1概述3.1.1機(jī)械設(shè)計(jì)方法發(fā)展歷程（3）半理論半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段。20世紀(jì)初以來(lái)，隨著試驗(yàn)技術(shù)與測(cè)試手段的迅速發(fā)展和應(yīng)用，人們把對(duì)產(chǎn)品采用局部試驗(yàn)、模擬試驗(yàn)等作為設(shè)計(jì)輔助手段。通過(guò)中間試驗(yàn)取得較可靠的數(shù)據(jù)，選擇較合適的結(jié)構(gòu)，從而縮短了試制周期，提高了設(shè)計(jì)可靠性，這個(gè)階段稱為半理論半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段。

在這個(gè)階段，材料應(yīng)力應(yīng)變、摩擦磨損理論，零件失效與壽命的研究，從而為設(shè)計(jì)提供了大量信息，如包含大量設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的圖表（圖冊(cè)）和設(shè)計(jì)手冊(cè)等；加強(qiáng)關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)研究。特別是加強(qiáng)了關(guān)鍵零部件的模擬試驗(yàn)，大大提高了設(shè)計(jì)速度和成功率；加強(qiáng)零件標(biāo)準(zhǔn)化、部件通用化、產(chǎn)品系列化的研究。

3.1概述3.1.1機(jī)械設(shè)計(jì)方法發(fā)展歷程（4）現(xiàn)代設(shè)計(jì)階段。

近幾十年來(lái)，由于科學(xué)和技術(shù)迅速發(fā)展，特別是電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，對(duì)設(shè)計(jì)工作產(chǎn)生了革命性的突變，同時(shí)為新的時(shí)代對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提出了多樣性的需求準(zhǔn)備了必要的條件。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)階段，相應(yīng)地產(chǎn)生了多種現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法。例如，針對(duì)成本和環(huán)保要求，學(xué)者提出產(chǎn)品全生命周期設(shè)計(jì)；針對(duì)客戶的多樣性要求以及對(duì)產(chǎn)品多用途使用，學(xué)者提出模塊化設(shè)計(jì)；為了沿用已有設(shè)計(jì)成果和縮短研發(fā)周期，學(xué)者提出參數(shù)化設(shè)計(jì)等等。

3.1概述3.1.1機(jī)械設(shè)計(jì)方法發(fā)展歷程模塊化設(shè)計(jì)案例：festo氣源組件參數(shù)化設(shè)計(jì)案例：festo氣源組件

3.1概述3.1.2傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的關(guān)系

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是以經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為基礎(chǔ)，運(yùn)用力學(xué)和數(shù)學(xué)而形成的經(jīng)驗(yàn)、公式、圖表、設(shè)計(jì)手冊(cè)等作為設(shè)計(jì)的依據(jù)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式、近似系數(shù)或類比等方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在長(zhǎng)期運(yùn)用中得到不斷地完善和提高，是符合當(dāng)代技術(shù)水平的有效設(shè)計(jì)方法。但由于所用的計(jì)算方法和參考數(shù)據(jù)偏重于經(jīng)驗(yàn)的概括和總結(jié)，往往忽略了一些難解或非主要的因素，因而造成設(shè)計(jì)結(jié)果的近似性較大，也難免有不確切和失誤。

此外，在信息處理、參量統(tǒng)計(jì)和選取、經(jīng)驗(yàn)或狀態(tài)的存儲(chǔ)和調(diào)用等方面還沒(méi)有一個(gè)理想的有效方法，計(jì)算和繪圖也多用手工完成，所以不僅影響設(shè)計(jì)速度和設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高，也難以做到精確和優(yōu)化的效果。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)、技術(shù)與美學(xué)也未能做到很好地統(tǒng)一，使設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的局限性。這些都是有待于進(jìn)一步改進(jìn)和完善的不足之處。

3.1概述3.1.2傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的關(guān)系

現(xiàn)代設(shè)計(jì)繼承了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的精華，吸收了當(dāng)代科技成果和計(jì)算機(jī)技術(shù)。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，它則是一種以動(dòng)態(tài)分析、精確計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)和CAD為特征的設(shè)計(jì)方法?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，主要完成了以下幾方面的轉(zhuǎn)變：（1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析的定量化；（2）產(chǎn)品工況分析的動(dòng)態(tài)化；（3）產(chǎn)品質(zhì)量分析的可靠性化；（4）產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)果的最優(yōu)化；（5）產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的高效化和自動(dòng)化。

目前，我國(guó)設(shè)計(jì)領(lǐng)域正面臨著由傳統(tǒng)設(shè)計(jì)向現(xiàn)代設(shè)計(jì)過(guò)渡，廣大設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡快適應(yīng)這一新的變化。通過(guò)推行現(xiàn)代設(shè)計(jì)，盡快提高我國(guó)機(jī)電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、可靠性和在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。

3.2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本方法

機(jī)械設(shè)計(jì)方法，就是從零件、機(jī)構(gòu)、機(jī)器設(shè)備的結(jié)構(gòu)、尺寸、功能等方面入手，采用科學(xué)的方法和理論，設(shè)計(jì)出滿足人類需求的機(jī)械產(chǎn)品的過(guò)程。產(chǎn)品設(shè)計(jì)一般流程

3.2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本方法3.2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求機(jī)械設(shè)計(jì)的一些基本要求：（1）功能要求

設(shè)計(jì)的產(chǎn)品應(yīng)達(dá)到實(shí)現(xiàn)功能的要求，包括在規(guī)定的壽命使用期內(nèi)實(shí)現(xiàn)功率、速度、精度以及某些特殊使用要求。組成產(chǎn)品的所有零件必須具有相應(yīng)的功能。為避免在設(shè)計(jì)期限內(nèi)失效，所設(shè)計(jì)的機(jī)械零件應(yīng)具有強(qiáng)度大、剛度足、抗疲勞、耐磨損和防腐蝕等性能，否則就容易提前失效。CA6140車床

3.2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本方法3.2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求（2）結(jié)構(gòu)工藝性要求

機(jī)械產(chǎn)品及其零件應(yīng)當(dāng)具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性，就是要求所設(shè)計(jì)的零件結(jié)構(gòu)合理、外形簡(jiǎn)單、在既定生產(chǎn)條件下易于加工和裝配。零件的結(jié)構(gòu)工藝性不僅與毛坯制造、機(jī)械加工和裝配要求有關(guān)，還與制造零件的原材料、生產(chǎn)批量和生產(chǎn)設(shè)備條件有關(guān)。零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)零件的結(jié)構(gòu)工藝性具有決定性的影響，對(duì)此要予以足夠的重視。零件上孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本方法3.2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求（3）可靠性要求

產(chǎn)品的可靠性不僅取決于機(jī)械零件的可靠性，同時(shí)和零件之間的裝配關(guān)系密切相關(guān)。為了提高零件的可靠性，設(shè)計(jì)零件時(shí)，盡量使零件的性能滿足工作環(huán)境條件的要求，并在使用時(shí)加強(qiáng)維護(hù)，對(duì)工作條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)出合理的裝配結(jié)構(gòu)和裝配工藝，保證系統(tǒng)整體的可靠性。失效率“浴盆曲線”

3.2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本方法3.2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求（4）經(jīng)濟(jì)性要求

經(jīng)濟(jì)性要求就是在滿足功能要求的前提下盡可能降低生產(chǎn)成本。采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和方法，如CAD技術(shù)、虛擬設(shè)汁等。機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要力求簡(jiǎn)單、緊湊、輕便、穩(wěn)定。要合理地規(guī)定結(jié)構(gòu)尺寸、精度、表面質(zhì)量，多用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化的零部件。選用經(jīng)濟(jì)性好的材料，采用先進(jìn)的制造工藝技術(shù)，便于加工、裝配，從而縮短制造周期，減少制造費(fèi)用、降低材料及能源的消耗。車身載荷受力分析

3.2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本方法3.2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求（5）社會(huì)性要求

新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品應(yīng)順應(yīng)新時(shí)代的社會(huì)要求?？紤]產(chǎn)品的能耗問(wèn)題，滿足環(huán)保的“綠色”、“低碳”要求，盡量降低噪音、振動(dòng)，減少?gòu)U氣、廢液排放，避免對(duì)環(huán)境的污染，在產(chǎn)品的全生命周期設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮產(chǎn)品報(bào)廢后的回收利用。

此外，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)重視市場(chǎng)提出的新要求，如客戶的個(gè)性化定制、簡(jiǎn)潔舒適的人機(jī)交互界面、故障在線監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)以及和融入物聯(lián)網(wǎng)等要求。新能源汽車

3.2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本方法3.2.2機(jī)械設(shè)計(jì)方法和一般步驟一、機(jī)械設(shè)計(jì)方法的分類

從不同的角度出發(fā)，機(jī)械設(shè)計(jì)方法可以分為多種種類。從機(jī)械設(shè)計(jì)方法的發(fā)展過(guò)程的角度來(lái)看，可以將其分為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。其中，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法包括以下3種：（1）理論設(shè)計(jì)

根據(jù)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)出來(lái)的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行的設(shè)計(jì)，稱為理論設(shè)計(jì)。理論設(shè)計(jì)的計(jì)算過(guò)程通常分為設(shè)計(jì)計(jì)算和校核計(jì)算兩部分。前者是指按照已知的運(yùn)動(dòng)要求、載荷情況及零部件的材料特性等，運(yùn)用一定的理論，設(shè)計(jì)零部件尺寸和形狀的計(jì)算過(guò)程。如轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度、剛度計(jì)算等；校核計(jì)算是先根據(jù)類比法、實(shí)驗(yàn)法等其他方法初步定出零部件的尺寸和形狀。再用理論公式進(jìn)行精確校核的計(jì)算過(guò)程，它多用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)力分布情況復(fù)雜，但又能用現(xiàn)有的應(yīng)力分析方法（以強(qiáng)度為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則時(shí)）或變形分析方法（以剛度為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則時(shí)）進(jìn)行計(jì)算的場(chǎng)合。理論設(shè)計(jì)可以得到比較準(zhǔn)確而可靠的結(jié)果，重要的零部件通常選擇這種方法。

3.2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本方法3.2.2機(jī)械設(shè)計(jì)方法和一般步驟（2）經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)歸納出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，或根據(jù)設(shè)計(jì)者本人的工作經(jīng)驗(yàn)用類比的辦法進(jìn)行的設(shè)計(jì)叫做經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。應(yīng)用于一些次要的零部件，或者對(duì)于一些理論上尚不夠成熟的，或雖有理論但沒(méi)有必要用反復(fù)的理論設(shè)計(jì)的零部件。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)那些變動(dòng)不大而結(jié)構(gòu)形狀已經(jīng)典型化的零件，是一個(gè)行之有效的方法。例如，對(duì)于箱體、機(jī)架、傳動(dòng)零件的各種具體結(jié)構(gòu)要素的設(shè)計(jì)就可以采取經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。汽車變速箱箱體機(jī)架導(dǎo)軌

3.2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本方法3.2.2機(jī)械設(shè)計(jì)方法和一般步驟（3）模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)于一些尺寸巨大而結(jié)構(gòu)又很復(fù)雜的重要零件，把初步設(shè)計(jì)的零部件或機(jī)器做成小模型或小尺寸樣機(jī)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的手段對(duì)其各方面的特性進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行逐步的修改，從而逐步完善，稱為模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法費(fèi)時(shí)、昂貴，適用于特別重要的設(shè)計(jì)場(chǎng)合。如新型、重型設(shè)備、飛機(jī)的機(jī)身、新型艦船的船體等。動(dòng)車風(fēng)洞試驗(yàn)

3.2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本方法3.2.2機(jī)械設(shè)計(jì)方法和一般步驟序號(hào)設(shè)計(jì)方法名稱序號(hào)設(shè)計(jì)方法名稱1優(yōu)化設(shè)計(jì)6綠色設(shè)計(jì)2創(chuàng)新設(shè)計(jì)7模塊化設(shè)計(jì)3有限元設(shè)計(jì)8參數(shù)化設(shè)計(jì)4可靠性設(shè)計(jì)9并行設(shè)計(jì)5反求工程10全生命周期設(shè)計(jì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法是以研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)為對(duì)象的科學(xué)。它運(yùn)用工程設(shè)計(jì)的新理論和新方法，以計(jì)算機(jī)為工具，通過(guò)高效化和自動(dòng)化的計(jì)算過(guò)程，最終得到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果表3-1列出了目前現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法的主要內(nèi)容。表3-1現(xiàn)代設(shè)計(jì)的主要理論和方法

3.2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本方法3.2.2機(jī)械設(shè)計(jì)方法和一般步驟二、機(jī)械設(shè)計(jì)的一般步驟機(jī)械設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)就是繼承與創(chuàng)新的緊密結(jié)合，是一個(gè)系統(tǒng)性、協(xié)作性很強(qiáng)的工作。機(jī)械設(shè)計(jì)作為一種創(chuàng)造性工作，有其內(nèi)在規(guī)律可循，一個(gè)完整的設(shè)計(jì)過(guò)程主要由下面的各個(gè)階段所組成。（1）編制設(shè)計(jì)任務(wù)書（2）擬定設(shè)計(jì)方案（3）總體設(shè)計(jì)（4）加工工藝設(shè)計(jì)（5）鑒定和評(píng)價(jià)（6）產(chǎn)品定型設(shè)計(jì)

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)力的不斷進(jìn)步，設(shè)計(jì)方法學(xué)和創(chuàng)造方法學(xué)的開(kāi)發(fā)與運(yùn)用，一系列現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法（如優(yōu)化設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、有限元設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、反求設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、智能設(shè)計(jì)、穩(wěn)健設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等）在工程中得到廣泛應(yīng)用和巨大成功，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的出現(xiàn)，為計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)構(gòu)建了良好的發(fā)展基礎(chǔ)?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法內(nèi)容廣泛、學(xué)科繁多，在此重點(diǎn)介紹5種常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。優(yōu)化設(shè)計(jì)3.3.13.2.23.3.3有限元設(shè)計(jì)反求設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)3.3.43.3.5

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)，是借助最優(yōu)化數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)，求取工程問(wèn)題的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。首先需要將實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，形成一組由數(shù)學(xué)表達(dá)式組成的數(shù)學(xué)模型；然后選擇一種最優(yōu)化數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)程序，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)算求解，得到一組最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)，該設(shè)計(jì)參數(shù)就是設(shè)計(jì)的最優(yōu)解。一、優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本術(shù)語(yǔ)（1）數(shù)學(xué)模型建立數(shù)學(xué)模型，就是采用數(shù)學(xué)形式將實(shí)際問(wèn)題準(zhǔn)確地表達(dá)出來(lái)，在眾多的設(shè)計(jì)參數(shù)中選取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)變量，按照預(yù)先規(guī)定的設(shè)計(jì)指標(biāo)列出目標(biāo)函數(shù)，并將所有的設(shè)計(jì)限制條件（約束條件）以設(shè)計(jì)變量的函數(shù)形式給出。數(shù)學(xué)模型

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)（2）設(shè)計(jì)變量在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中需要調(diào)整和優(yōu)選的參數(shù)，稱為設(shè)計(jì)變量。如在工程及工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，一個(gè)零部件或一臺(tái)機(jī)器的設(shè)計(jì)方案，常用一組基本參數(shù)來(lái)表示。該參數(shù)概括起來(lái)可分為兩類：一類是按照具體設(shè)計(jì)要求事先給定，且在設(shè)計(jì)過(guò)程中保持不變的參數(shù)，稱為設(shè)計(jì)常量；另一類是在設(shè)計(jì)過(guò)程中須經(jīng)不斷調(diào)整，以確定其最優(yōu)值的參數(shù)，則為設(shè)計(jì)變量。優(yōu)化設(shè)計(jì)的任務(wù)，就是確定設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)值以得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。由于設(shè)計(jì)對(duì)象不同，選取的設(shè)計(jì)變量也不同。它可以是幾何參數(shù)：零件外形尺寸、截面尺寸、機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)尺寸等；也可以是某些物理量：零部件的重量、體積、力與力矩、慣性矩等；還可以是代表工作性能的導(dǎo)出量：應(yīng)力、變形等?？傊?，設(shè)計(jì)變量必須是對(duì)該項(xiàng)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)優(yōu)劣有影響的參數(shù)。摩托車強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)變量的對(duì)象

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)變量是一組相互獨(dú)立的基本參數(shù)。一般用向量X來(lái)表示。設(shè)計(jì)變量的每一個(gè)分量都是相互獨(dú)立的。以n個(gè)設(shè)計(jì)變量為坐標(biāo)軸所構(gòu)成的實(shí)數(shù)空間稱為設(shè)計(jì)空間，或稱n維實(shí)歐式空間，用Rn表示。當(dāng)n=2時(shí)，X=[x1，x2]T是二維設(shè)計(jì)向量；當(dāng)n=3時(shí)，X=[x1，x2，x3]T為三維設(shè)計(jì)向量，設(shè)計(jì)變量x1，x2，x3組成一個(gè)三維空間；當(dāng)n>3時(shí)，設(shè)計(jì)空間是一個(gè)想象的超越空間，稱n維實(shí)屬空間。其中二維和三維設(shè)計(jì)空間如圖3-3所示。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)是用來(lái)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。一種機(jī)械設(shè)計(jì)方案的好壞，可以用一些設(shè)計(jì)指標(biāo)來(lái)衡量，這些設(shè)計(jì)指標(biāo)可表示為設(shè)計(jì)變量的函數(shù)，該函數(shù)就稱為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)。n維設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)記為f（X）=f（x1，x2，…，xn）。它代表設(shè)計(jì)中某項(xiàng)最重要的特征，如機(jī)械零件設(shè)計(jì)中的重量、體積、效率、可靠性、承載能力，機(jī)械設(shè)計(jì)中的運(yùn)動(dòng)誤差、動(dòng)力特性，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的成本、壽命等。目標(biāo)函數(shù)是一個(gè)標(biāo)量函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)值的大小，是評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)化設(shè)計(jì)就是要尋求一個(gè)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，即最優(yōu)點(diǎn)X*，從而使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)值f（X*）。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，一般取最優(yōu)值為目標(biāo)函數(shù)的最小值。目標(biāo)函數(shù)可以通過(guò)等值線（面）在設(shè)計(jì)空間中表現(xiàn)出來(lái)，如圖3-4所示：

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)二維變量的目標(biāo)函數(shù)f（x1，x2）的圖形可以用三維空間描述出來(lái)。令目標(biāo)函數(shù)f（x1，x2）的值分別等于C1，C2，…，則對(duì)應(yīng)這些設(shè)計(jì)點(diǎn)的集合是在坐標(biāo)平面xlOx2內(nèi)的一族曲線，每一條曲線上的各點(diǎn)都具有相等的目標(biāo)函數(shù)值，所以這些曲線稱為目標(biāo)函數(shù)的等值線。由圖可見(jiàn)，等值線族反映了目標(biāo)函數(shù)值的變化規(guī)律，等值線越向里面，目標(biāo)函數(shù)值越小。對(duì)于有中心的曲線族來(lái)說(shuō)，等值線族的共同中心就是目標(biāo)函數(shù)的無(wú)約束極小點(diǎn)X*。因此，從幾何意義上來(lái)說(shuō)，求目標(biāo)函數(shù)無(wú)約束極小點(diǎn)也就是求其等值線族的共同中心。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)（4）約束條件在設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往要根據(jù)實(shí)際情況，給出設(shè)計(jì)變量取值的限制，這些限制統(tǒng)稱為設(shè)計(jì)約束條件。約束條件一般有兩種形式，一種是等式約束，另一種是不等式約束，即

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)二、優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程（1）設(shè)計(jì)課題分析首先確定設(shè)計(jì)目標(biāo)，它可以是單項(xiàng)指標(biāo)，也可以是多項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的組合。就機(jī)械設(shè)計(jì)而言，機(jī)器的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能、體積與總量、效率、成本、可靠性等，都可以作為設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)。然后分析設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的要求，主要的有：某些參數(shù)的取值范圍；某種設(shè)計(jì)性能或指標(biāo)按設(shè)計(jì)規(guī)范推導(dǎo)出的技術(shù)性能；還有工藝條件對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的限制等。（2）建立數(shù)學(xué)模型將實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題用數(shù)學(xué)方程的形式予以全面、準(zhǔn)確地描述，其中包括：確定設(shè)計(jì)變量，即哪些設(shè)計(jì)參數(shù)參與優(yōu)選；構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，即評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的設(shè)計(jì)指標(biāo)；選擇約束函數(shù)，即把設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的各類條件以等式或不等式的形式表達(dá)。建立數(shù)學(xué)模型要做到準(zhǔn)確、齊全這兩點(diǎn)，即必須嚴(yán)格地按各種規(guī)范作出相應(yīng)的數(shù)學(xué)描述，必須把設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的各種因素全部包括進(jìn)去，這對(duì)于整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果是至關(guān)重要的。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)（3）選擇優(yōu)化方法根據(jù)數(shù)學(xué)模型的函數(shù)性態(tài)、設(shè)計(jì)精度要求等選擇使用的優(yōu)化方法，并編制出相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序。（4）上機(jī)計(jì)算擇優(yōu)將所編程序及有關(guān)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行運(yùn)算，求解得最優(yōu)值，然后對(duì)所算結(jié)果作出分析判斷，得到設(shè)計(jì)問(wèn)題的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。上述優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程的四步其核心是進(jìn)行如下兩項(xiàng)工作：一是分析設(shè)計(jì)任務(wù)，將實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題，即建立優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型；二是選用適用的優(yōu)化方法在計(jì)算機(jī)上求解數(shù)學(xué)模型，尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)三、優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例如圖3-6所示，有一圓形等截面的銷軸，一端固定，一端作用著集中載荷F=10000N和轉(zhuǎn)矩T=100N?m。由于結(jié)構(gòu)需要，軸的長(zhǎng)度l不得小于8cm，已知銷軸材料的許用彎曲應(yīng)力[σω]=120MPa，許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力[τ]=80MPa，允許撓度[f]=0.01cm，密度ρ=7.8t/m3，彈性模量E=2×105MPa。現(xiàn)要求在滿足使用要求的條件下，試設(shè)計(jì)一個(gè)用料最省（銷軸質(zhì)量最輕）的方案。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)解：根據(jù)上述問(wèn)題，該銷軸的力學(xué)模型是一個(gè)懸臂梁。設(shè)銷軸直徑為d，長(zhǎng)度為l，體積為V，則該問(wèn)題的物理表達(dá)式如下：（1）銷軸用料最?。大w積最小）：可見(jiàn)銷軸用料取決于其直徑d和長(zhǎng)度l。這是一個(gè)合理選擇d和l而使體積V最小的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。（2）設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足的條件：1）強(qiáng)度條件，強(qiáng)度條件包括彎曲強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和剛度條件。彎曲強(qiáng)度公式：扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度公式：

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)剛度條件的撓度表達(dá)式：2）結(jié)構(gòu)尺寸邊界條件：l≥lmin=8cm將題中的相關(guān)數(shù)值代入，建立該優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型：設(shè)

x1=d，x2=l設(shè)計(jì)變量：

X=[d

l]T=[x1

x2]T目標(biāo)函數(shù)：

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件：通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，將優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求目標(biāo)函數(shù)的最小值問(wèn)題，即具有4個(gè)約束條件的二元非線性的約束優(yōu)化問(wèn)題。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2有限元設(shè)計(jì)有限元法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)計(jì)算方法。該方法于20世紀(jì)50年代首先被用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性分析及其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，隨后很快就廣泛應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體力學(xué)等連續(xù)性問(wèn)題。由于該方法的理論基礎(chǔ)牢靠，物理概念清晰，解題效率高，適應(yīng)性強(qiáng)，目前已成為機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)、靜、熱特性分析的重要手段，它的程序包已是機(jī)械產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法庫(kù)中不可缺少的內(nèi)容之一?；钊B桿的有限元分析

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2有限元設(shè)計(jì)一、有限元分析過(guò)程目前工程中實(shí)用的數(shù)值解法主要有三種：有限差分法、有限元法和邊界元法。其中，以有限元法通用性最好，解題效率高，目前在工程中的應(yīng)用最為廣泛。有限元法的分析過(guò)程可概括如下：（1）連續(xù)體離散化連續(xù)體是指所求解的對(duì)象（物體或結(jié)構(gòu)），離散化就是將所求解的對(duì)象劃分為有限個(gè)具有規(guī)則形狀的微小塊體，把每個(gè)微小塊體稱為單元，兩相鄰單元之間只通過(guò)若干點(diǎn)互相連接，每個(gè)連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。圖3-7所示為將一懸臂梁建立有限元分析模型的例子，圖中將該懸臂梁劃分為許多三角形單元，三角形單元的三個(gè)頂點(diǎn)都是節(jié)點(diǎn)。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2有限元設(shè)計(jì)連續(xù)體離散化，相鄰單元只在節(jié)點(diǎn)處連接，載荷也只通過(guò)節(jié)點(diǎn)在各單元之間傳遞，這些有限個(gè)單元的集合體即原來(lái)的連續(xù)體。離散化也稱為劃分網(wǎng)格或網(wǎng)絡(luò)化。單元?jiǎng)澐趾?，給每個(gè)單元及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)；選定坐標(biāo)系，計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；確定各個(gè)單元的形態(tài)和性態(tài)參數(shù)以及邊界條件等。下圖所示為將一橫梁建立有限元分析模型的例子，圖中將該懸臂梁劃分為不規(guī)則四邊形，單元的頂點(diǎn)都是節(jié)點(diǎn)。橫梁有限元分析模型

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2有限元設(shè)計(jì)（3）整體分析在對(duì)全部單元進(jìn)行完單元分析之后，就要進(jìn)行單元組集，即把各個(gè)單元的剛度矩陣集成為總體剛度矩陣，以及將各單元的節(jié)點(diǎn)力向量集成總的力向量，求得整體平衡方程。集成過(guò)程所依據(jù)的原理是節(jié)點(diǎn)變形協(xié)調(diào)條件和平衡條件。（4）確定約束條件由上述所形成的整體平衡方程是一組線性代數(shù)方程，在求解之前，必需根據(jù)具體情況，分析與確定求解對(duì)象問(wèn)題的邊界約束條件，并對(duì)這些方程進(jìn)行適當(dāng)修正。（5）有限元方程求解解方程，即可求得各節(jié)點(diǎn)的位移，進(jìn)而根據(jù)位移計(jì)算單元的應(yīng)力及應(yīng)變。（6）結(jié)果分析與討論有限元法求解應(yīng)力類問(wèn)題時(shí)，根據(jù)未知量和分析方法的不同，有三種基本解法：

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2有限元設(shè)計(jì)二、有限元應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍程序名稱ADINAANSYSASKAMARCNASTRANSAP非線性分析√√√√√

塑性分析√√√√

斷裂力學(xué)

√

熱應(yīng)力與蠕變√√√√√

厚板厚殼√√√√√√管路系統(tǒng)

√

√√√船舶結(jié)構(gòu)√√√

√√焊接接頭

√

粘彈性材料

√√√

熱傳導(dǎo)√√√√√√薄板薄殼√√√√√√復(fù)合材料

√

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

√√

流體力學(xué)√

√

瞬態(tài)分析√√√√√√電場(chǎng)√

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2有限元設(shè)計(jì)三、有限元軟件簡(jiǎn)介在選用有限元軟件時(shí)，可綜合考慮以下幾個(gè)方面：①軟件的功能；②單元庫(kù)內(nèi)單元的種類；③前后處理功能；④軟件運(yùn)行環(huán)境；⑤軟件的價(jià)位；⑥數(shù)據(jù)交換類型、接口及二次開(kāi)發(fā)可能性。有限元軟件一般由三部分組成：前置處理部分；有限元分析，這是其主要部分，它包括進(jìn)行單元分析和整體分析、求解位移和應(yīng)力值的各種計(jì)算程序；后置處理部分。（1）有限元分析的前、后置處理用有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，需要輸入大量的數(shù)據(jù)，如單元數(shù)、單元特性、節(jié)點(diǎn)數(shù)、節(jié)點(diǎn)編號(hào)、節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)等．這些稱為有限元的前置處理。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2有限元設(shè)計(jì)圖3-8是用SAP5軟件對(duì)矩形截面懸梁做結(jié)構(gòu)分析時(shí)，根據(jù)輸入的單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)，前置處理自動(dòng)生成的網(wǎng)格圖。系統(tǒng)把懸梁結(jié)構(gòu)分成了5個(gè)三維實(shí)體單元，每個(gè)單元20個(gè)節(jié)點(diǎn)共68個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)網(wǎng)格圖，可檢查輸入的數(shù)據(jù)是否正確，如輸入數(shù)據(jù)有誤，網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)就會(huì)偏離正確的位置，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的網(wǎng)格圖。圖3-8矩形截面懸梁結(jié)構(gòu)分析——SAP5

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2有限元設(shè)計(jì)案例：發(fā)動(dòng)機(jī)殼體有限元分析應(yīng)力應(yīng)變圖

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2有限元設(shè)計(jì)（2）典型有限元分析軟件簡(jiǎn)介1）SAP系列軟件SAP是由SAP1、SAP2、…、SAP7組成的系列有限元軟件，其中SAP1～SAP6是線性分析軟件，SAP7是非線性分析軟件，功能更強(qiáng)。SAP6采用FOR-TRAN語(yǔ)言編寫，除主程序外，共有357個(gè)子程序，計(jì)33300條語(yǔ)句，有配置的前置處理程序MODDL、后置處理程序POST和溫度場(chǎng)分析程序TAP6，單元庫(kù)內(nèi)有多種二維和三維單元類型，可以建立二維和三維結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型，可用于對(duì)承受靜力、慣性載荷和動(dòng)力載荷的彈性結(jié)構(gòu)體進(jìn)行動(dòng)、靜力學(xué)分析與計(jì)算。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2有限元設(shè)計(jì)3）ANSYSANSYS系統(tǒng)是ANSYS有限公司開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，其單元庫(kù)中有二維單元、軸對(duì)稱固體、殼和彎曲板等100多種單元類型，材料庫(kù)中有鋼、銅、鋁等10種材料數(shù)據(jù)，具有自動(dòng)生成網(wǎng)格，自動(dòng)編節(jié)點(diǎn)號(hào)、繪圖等功能。該系統(tǒng)功能齊全，可以進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)、線性和非線性、均質(zhì)與非均質(zhì)分析。AUTOFEA是ANSYS公司開(kāi)發(fā)的與AUTOCADR12和AUCADR13集成化的有限元分析系統(tǒng)。它可以在AUTOCAD平臺(tái)上使用，用ADSTAU-TOI.ISP作為開(kāi)發(fā)工具，用戶可以方便地進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.2有限元設(shè)計(jì)4）I-DEAS中的有限元分析模塊I-DEAS是美國(guó)SDRC公司開(kāi)發(fā)的CAD／CAM／CAE系統(tǒng)軟件，其嵌套了有限元分析模塊。該模塊可以進(jìn)行圖形有限元建模，梁結(jié)構(gòu)的綜合造型設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)、熱傳導(dǎo)模擬分析。I—DEAS由前后置處理、數(shù)據(jù)輸入、模型求解、優(yōu)化設(shè)計(jì)、框架分析等模塊組成。其中框架分析模塊又包含三種模塊：①SAGS模塊，用于分析靜載荷下的梁、殼結(jié)構(gòu)，可得到節(jié)點(diǎn)的位移、轉(zhuǎn)角、支反力、單元載荷和應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)；②IiAGS模塊，可以對(duì)連續(xù)彈性體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并可輸出整體位移、整個(gè)結(jié)構(gòu)所受的載荷和結(jié)構(gòu)累積能量的列表數(shù)據(jù)；③DAGS模塊，可以計(jì)算梁、殼類的固有頻率，無(wú)阻尼受迫動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及進(jìn)行模態(tài)分析。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.3可靠性設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)是一種很重要的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，是產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，它標(biāo)志著產(chǎn)品不會(huì)喪失工作能力的可靠程度?？煽啃缘亩x是：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。目前，這一設(shè)計(jì)方法已在現(xiàn)代機(jī)、電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，它對(duì)提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量，降低產(chǎn)品的成本，保證產(chǎn)品的可靠性、安全性起著極其重要的作用?？煽啃栽O(shè)計(jì)在產(chǎn)品生命周期中的應(yīng)用

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.3可靠性設(shè)計(jì)一、可靠性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)（1）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是將安全系數(shù)作為衡量安全與否的指標(biāo)，可靠性設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)階段就把可靠度直接引進(jìn)到零件中去，即由設(shè)計(jì)直接確定固有的可靠度。（2）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是把設(shè)計(jì)變量視為確定性的單值變量并通過(guò)確定性的函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，可靠性設(shè)計(jì)則把設(shè)計(jì)變量視為隨機(jī)變量并運(yùn)用隨機(jī)方法對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行描述和運(yùn)算。（3）可靠性設(shè)計(jì)中，由于應(yīng)力s和強(qiáng)度f(wàn)都是隨機(jī)變量，所以判斷一個(gè)零件是否安全可靠，就以強(qiáng)度c大于應(yīng)力s的概率大小來(lái)表示，這就是可靠度指標(biāo)。（4）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)都是以零件的安全或失效作為研究?jī)?nèi)容，因此，兩者間又有著密切的聯(lián)系。可靠性設(shè)計(jì)是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的延伸與發(fā)展。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.3可靠性設(shè)計(jì)二、可靠性設(shè)計(jì)常用指標(biāo)（1）可靠度R(t)可靠度是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率?？煽慷韧ǔＳ米帜窻表示?？紤]到它是時(shí)間t的函數(shù)，故也記為R(t)，稱為可靠度函數(shù)。設(shè)有N個(gè)相同的產(chǎn)品在相同的條件下工作，到任一給定的工作時(shí)間時(shí)，累積有個(gè)產(chǎn)品失效，其余N—n（t）個(gè)產(chǎn)品仍能正常工作，那么該產(chǎn)品到時(shí)間t的可靠度的估計(jì)值為其中，也稱存活率。當(dāng)N→∞時(shí)，lim=R(t)，即為該產(chǎn)品的可靠度。由于可靠度表示的是一個(gè)概率，所以R(t)的取值范圍為0≤R(t)≤1可靠度是評(píng)價(jià)產(chǎn)品可靠性的最重要的定量指標(biāo)之一。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.3可靠性設(shè)計(jì)（2）不可靠度或失效概率F(t)產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)喪失規(guī)定功能的概率，稱為不可靠度或稱累積失效概率（簡(jiǎn)稱失效概率），常用字母F表示，由于是時(shí)間t的函數(shù)，記為F(t)，稱為失效概率函數(shù)。不可靠度的估計(jì)值為其中，F(xiàn)(t)也稱不存活率。當(dāng)N→∞時(shí)，，即為該產(chǎn)品的不可靠度。由于失效和不失效是相互對(duì)立事件，根據(jù)概率互補(bǔ)定理，兩對(duì)立事件的概率和恒等于1，因此R(t)與F(t)之間有如下的關(guān)系：R(t)+F(t)=1

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.3可靠性設(shè)計(jì)（3）失效率λ(t)失效率又稱為故障率，其定義為：產(chǎn)品工作f時(shí)刻時(shí)尚未失效（或故障）的產(chǎn)品，在該時(shí)刻f以后的下一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效（或故障）的概率。失效率是標(biāo)志產(chǎn)品可靠性常用的特征量之一，失效率愈低，則可靠性愈高。產(chǎn)品的失效率λ(t)與時(shí)間t的關(guān)系曲線如圖3-9所示。因其形狀似浴盆，故稱浴盆曲線，它可分為三個(gè)特征區(qū)：圖3-9產(chǎn)品典型失效率曲線

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.3可靠性設(shè)計(jì)1）早期失效期早期失效期一般出現(xiàn)在產(chǎn)品開(kāi)始工作后的較早時(shí)期，一般為產(chǎn)品試車跑合階段。在這一階段中，失效率由開(kāi)始很高的數(shù)值急劇地下降到某一穩(wěn)定的數(shù)值。引起這一階段失效率特別高的原因主要是由于材料不良、制造工藝缺陷、檢驗(yàn)差錯(cuò)以及設(shè)計(jì)缺點(diǎn)等因素引起。發(fā)動(dòng)機(jī)磨合運(yùn)行剖視圖

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.3可靠性設(shè)計(jì)2）正常運(yùn)行期在該階段內(nèi)如果產(chǎn)品發(fā)生失效，一般都是由于偶然的原因而引起的，因而該階段也稱為偶然失效期。其失效的特點(diǎn)是隨機(jī)的，例如個(gè)別產(chǎn)品由于使用過(guò)程中工作條件發(fā)生不可預(yù)測(cè)的突然變化而導(dǎo)致失效。這個(gè)時(shí)期的失效率低且穩(wěn)定，近似為常數(shù)，是產(chǎn)品的最佳狀態(tài)時(shí)期，產(chǎn)品、系統(tǒng)的可靠度通常以這一時(shí)期為代表。通過(guò)提高可靠性設(shè)計(jì)質(zhì)量，改進(jìn)設(shè)備使用管理，加強(qiáng)產(chǎn)品的工況故障診斷和維護(hù)保養(yǎng)等工作，可使產(chǎn)品的失效率降到最低水平，延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。機(jī)床正常運(yùn)行期

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.3可靠性設(shè)計(jì)3）耗損失效期耗損失效期出現(xiàn)在產(chǎn)品使用的后期。其特點(diǎn)是失效率隨工作時(shí)間的增加而上升。耗損失效主要是產(chǎn)品經(jīng)長(zhǎng)期使用后，由于某些零件的疲勞、老化、過(guò)度磨損等原因，已漸近衰竭，從而處于頻發(fā)失效狀態(tài)，使失效率隨時(shí)間推移而上升，最終會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的功能終止。改善耗損失效的方法是不斷提高產(chǎn)品零、部件的工作壽命，對(duì)壽命短的零、部件，在整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)就要制訂一套預(yù)防性檢修和更新措施，在它們到達(dá)耗損失效期前就及時(shí)予以檢修或更換，這樣就可以把上升的失效率降下來(lái)。機(jī)床耗損失效期

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.3可靠性設(shè)計(jì)（4）平均壽命平均壽命是常用的一種可靠性指標(biāo)。所謂平均壽命(meanlife)，是指產(chǎn)品壽命的平均值，而產(chǎn)品的壽命則是它的無(wú)故障的工作時(shí)間。平均壽命在可靠性特征量中有兩種：MTTF(meantimetofailure)和MTBF(meantimebetweenfailure)。MTTF是指不可修復(fù)產(chǎn)品從開(kāi)始使用到失效的平均工作時(shí)間，或稱平均無(wú)故障工作時(shí)間。MTBF是指可修復(fù)產(chǎn)品兩次相鄰故障間工作時(shí)間（壽命）的平均值，或稱為平均無(wú)故障工作時(shí)間。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.3可靠性設(shè)計(jì)三、可靠性設(shè)計(jì)的應(yīng)用系統(tǒng)是由零件、部件、子系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)的可靠性不僅與組成該系統(tǒng)各單元的可靠性有關(guān)，而且也與組成該系統(tǒng)各單元間的組合方式和相互匹配有關(guān)。系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的目的就是要使系統(tǒng)在滿足規(guī)定可靠性指標(biāo)、完成預(yù)定功能的前提下，使該系統(tǒng)的技術(shù)性能、重量指標(biāo)、制造成本及使用壽命等各方面取得協(xié)調(diào)，并求得最佳的設(shè)計(jì)方案；或者在性能、重量、成本、壽命和其他要求的約束下，設(shè)計(jì)出最佳的可靠性系統(tǒng)。系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)主要有兩方面的內(nèi)容：可靠性預(yù)測(cè)和可靠性分配。影響LED路燈的可靠性的因素

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.3可靠性設(shè)計(jì)（1）元件可靠性預(yù)測(cè)元件（零件）的可靠性預(yù)測(cè)是進(jìn)行系統(tǒng)可靠性預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。一旦確定出系統(tǒng)中的所有元件（零件）或組件的可靠度后，則把這些元件（零件）或組件的可靠度進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合就可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)的可靠度。因而，在系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)中，首先要進(jìn)行的工作之一就是預(yù)測(cè)元件的可靠性。（2）系統(tǒng)可靠性預(yù)測(cè)系統(tǒng)的可靠性是與組成系統(tǒng)的零部件數(shù)量、零部件的可靠度以及零部件之間的相互關(guān)系和組合方式有關(guān)。系統(tǒng)可靠性預(yù)測(cè)的目的是：協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)及指標(biāo)，提高產(chǎn)品的可靠性；對(duì)比設(shè)計(jì)方案，以選擇最佳系統(tǒng)；預(yù)示薄弱環(huán)節(jié)，以采取改進(jìn)措施。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.3可靠性設(shè)計(jì)1）串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性：如果組成系統(tǒng)的所有元件中任何一個(gè)元件失效就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效，則這種系統(tǒng)稱為串聯(lián)系統(tǒng)。串聯(lián)系統(tǒng)邏輯圖如圖3-10所示。設(shè)各元件的可靠度分別為R1，R2，…Rn，如果各元件的實(shí)效互相獨(dú)立，則由n個(gè)單元組成的串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度為：Rs=R1R2…Rn圖3-10串聯(lián)系統(tǒng)邏輯圖

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.3可靠性設(shè)計(jì)2）并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性：如果組成系統(tǒng)的所有元件中只要一個(gè)元件不失效，整個(gè)系統(tǒng)就不會(huì)失效，則稱這一系統(tǒng)為并聯(lián)系統(tǒng)。其邏輯圖見(jiàn)圖3-11。由n個(gè)單元組成的并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度Rs為：Rs=1—(1—R1)(1—R2)…(1—Rn)圖3-11并聯(lián)系統(tǒng)邏輯圖

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.3可靠性設(shè)計(jì)3）儲(chǔ)備系統(tǒng)的可靠性如果組成系統(tǒng)的元件中只有一個(gè)元件工作，其他元件不工作而作儲(chǔ)備，當(dāng)工作元件發(fā)生故障后，原來(lái)未參加工作的儲(chǔ)備元件立即工作，而將失效的元件換下進(jìn)行修理或更換，從而維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行。則該系統(tǒng)稱為儲(chǔ)備系統(tǒng)。當(dāng)開(kāi)關(guān)可靠時(shí)，儲(chǔ)備系統(tǒng)的可靠度比并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度高。其邏輯圖見(jiàn)圖3-12。圖3-12儲(chǔ)備系統(tǒng)邏輯圖

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.3可靠性設(shè)計(jì)（3）系統(tǒng)可靠性分配可靠性分配就是將設(shè)計(jì)任務(wù)書上規(guī)定的系統(tǒng)可靠度指標(biāo)，合理地分配給系統(tǒng)的各個(gè)組成單元的一種設(shè)計(jì)方法。其目的是合理地確定出每個(gè)單元的可靠度指標(biāo)，以使整個(gè)系統(tǒng)的可靠度能獲得確切的保證?；谙到y(tǒng)的可靠性分配原則不同，因此就有不同的分配方法。常用的可靠性分配方法有平均分配法和按相對(duì)失效概率分配可靠度。平均分配法又稱等分配法，該方法是將對(duì)系統(tǒng)中的全部單元分配以相等的可靠度；按相對(duì)失效概率分配可靠度，是基于使系統(tǒng)中各單元的容許失效概率正比于該單元的預(yù)計(jì)失效概率的原則來(lái)分配系統(tǒng)中各單元的可靠度。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)一、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)(MechanicalCreativeDesign，MCD)是指充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造力，利用人類已有的相關(guān)科學(xué)技術(shù)成果，進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思、設(shè)計(jì)出具有新穎性、創(chuàng)造性及實(shí)用性的機(jī)構(gòu)或機(jī)械產(chǎn)品（裝置）的一種實(shí)踐活動(dòng)。它包含兩個(gè)部分：首先是改進(jìn)完善生產(chǎn)或生活中現(xiàn)有的機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、適用性等；二是創(chuàng)造設(shè)計(jì)出新機(jī)器、新產(chǎn)品，以滿足新的生產(chǎn)或生活的需要。創(chuàng)新思維創(chuàng)新案例

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)過(guò)程中的原理方案設(shè)計(jì)是機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容，在原理方案設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)解決以下問(wèn)題。(1)確定系統(tǒng)的總功能。(2)進(jìn)行總功能分解。將總功能分解為若干分功能是實(shí)現(xiàn)功能工作原理方案的最好辦法，它使設(shè)計(jì)者易于構(gòu)思各種各樣的上作原理方案。(3)功能元求解。功能元求解就是將所需執(zhí)行的動(dòng)作，用合適的執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。(4)功能原理方案的確定。由于每個(gè)功能的解有多個(gè)，因此組成機(jī)械的功能原理方案可以有多個(gè)。(5)方案的評(píng)價(jià)與決策。針對(duì)不同的機(jī)械確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法，對(duì)多個(gè)方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和決策。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)二、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過(guò)程（1）確定機(jī)械的基本原理?？赡軙?huì)涉及到機(jī)械學(xué)對(duì)象的不同層次、不同類型的機(jī)構(gòu)組合，或不同學(xué)科知識(shí)、技術(shù)的問(wèn)題。（2）機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型綜合及優(yōu)選。優(yōu)選的結(jié)構(gòu)類型對(duì)機(jī)械整體性能和經(jīng)濟(jì)性具有重大影響，它多伴隨新機(jī)構(gòu)的發(fā)明。機(jī)械發(fā)明專利的大部分屬于結(jié)構(gòu)類型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)（3）機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)尺寸綜合及其運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)選，其難點(diǎn)在于求得非線性方程組的完全解，為優(yōu)選方案提供較大的空間。隨著優(yōu)化法、代數(shù)消元法等數(shù)學(xué)方法引入機(jī)構(gòu)學(xué)，使該問(wèn)題有了突破性進(jìn)展。（4）機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)綜合及其動(dòng)力學(xué)參數(shù)優(yōu)選，其難點(diǎn)在于動(dòng)力學(xué)參數(shù)量大、參數(shù)值變化域廣的多維非線性動(dòng)力學(xué)方程組的求解，這是一個(gè)亟待深入研究的問(wèn)題。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有下面的特點(diǎn)：涉及多種學(xué)科，如機(jī)械、液壓、電力、氣動(dòng)、熱力、電子、光電、電磁及控制等多種科技的交叉、滲透與融合；設(shè)計(jì)過(guò)程中相當(dāng)部分工作是非數(shù)據(jù)性、非計(jì)算性的。必須依靠在知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上思考、推理、判斷，以及創(chuàng)造性的發(fā)散思維，在基于知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)靈感與想像力的系統(tǒng)中搜索并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)是多次反復(fù)、多級(jí)篩選的過(guò)程，每一設(shè)計(jì)階段都有其特定內(nèi)容與方法，但各階段之間又密切相關(guān)，形成一個(gè)整體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。泊車位的創(chuàng)新：立體車庫(kù)

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)三、創(chuàng)新思維方法（1）直覺(jué)思維直覺(jué)思維是一種在具有豐富經(jīng)驗(yàn)和推理判斷技巧的基礎(chǔ)上，對(duì)要解決的問(wèn)題進(jìn)行快速推斷，領(lǐng)悟事物本質(zhì)或得出問(wèn)題答案的思維方式。直覺(jué)思維的基本特征是其產(chǎn)生的突然性，過(guò)程的突發(fā)性和成果的突破性。在直覺(jué)思維的過(guò)程中，不僅是意識(shí)起作用，而且潛意識(shí)也在發(fā)揮著重要的作用，潛意識(shí)是處于意識(shí)層次的控制下，不能靠意志努力來(lái)支配的一種意識(shí)，但它可以受到外在因素的激發(fā)。雖然直覺(jué)思維的結(jié)論并不是十分可靠的，但是，它在創(chuàng)造性活動(dòng)中方向的選擇、重點(diǎn)的確定、問(wèn)題關(guān)鍵和實(shí)質(zhì)的辨識(shí)、資料的獲取、成果價(jià)值的判定等方面具有重要的作用，也是產(chǎn)生新構(gòu)思、新美學(xué)的基本途徑之一。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)（2）邏輯思維邏輯思維是一種嚴(yán)格遵循人們?cè)诳偨Y(jié)事物活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律的基礎(chǔ)上概括出來(lái)的邏輯規(guī)律，進(jìn)行系統(tǒng)的思考，由此及彼的聯(lián)動(dòng)推理。邏輯思維有縱向推理、橫向推理和逆向推理等幾種方式?？v向推理是針對(duì)某一現(xiàn)象進(jìn)行縱深思考，探求其原因和本質(zhì)而得到新的啟示。例如車工在車床上切削工件時(shí)由于突然停電，造成硬質(zhì)合金刀具牢固地黏結(jié)在工件上面，通過(guò)分析這次偶然的事故所造成刀具與工件黏結(jié)的原因，從而發(fā)明了“摩擦焊接法”。摩擦焊

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)橫向推理是根據(jù)某一現(xiàn)象聯(lián)想與其相似或相關(guān)的事物，進(jìn)行“特征轉(zhuǎn)移”而進(jìn)入新的領(lǐng)域。例如，根據(jù)面包多孔松軟的特點(diǎn)，進(jìn)行“特征轉(zhuǎn)移”的橫向推理，在其他領(lǐng)域開(kāi)發(fā)出泡沫塑料，夾氣混凝土和海綿肥皂等不同的產(chǎn)品。逆向推理是根據(jù)某一現(xiàn)象、問(wèn)題或解法，分析其相反的方面、尋找新的途徑。例如，根據(jù)氣體在壓縮過(guò)程中會(huì)發(fā)熱的現(xiàn)象，逆行推理到壓縮氣體變成常壓時(shí)應(yīng)該吸熱制冷，從而發(fā)明了壓縮式空調(diào)機(jī)。創(chuàng)造性思維是直覺(jué)思維和邏輯思維的綜合，這兩種包括漸變和突變的復(fù)雜思維過(guò)程互相融合、補(bǔ)充和促進(jìn)，使設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性思維得到更加全面的開(kāi)發(fā)。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)四、創(chuàng)新方法簡(jiǎn)介（1）頭腦風(fēng)暴法該方法是一種發(fā)揮集體智慧的方法，由美國(guó)人于1938年提出的一種方法。這種方法是先把具體的功能目標(biāo)告知每個(gè)人，經(jīng)過(guò)一定的準(zhǔn)備后，大家可以不受任何約束地提出自己的新概念、新方法、新思路、新設(shè)想、各抒己見(jiàn)，在較短的時(shí)間內(nèi)可獲得大量的設(shè)想與方案，經(jīng)分析討論，去偽存真、由粗到細(xì)、進(jìn)而找出創(chuàng)新的方法與實(shí)施方案，最后由主持人負(fù)責(zé)完成。該方法要求主持人有較強(qiáng)的業(yè)務(wù)能力、工作能力和較大的凝聚力。頭腦風(fēng)暴法

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)（2）仿生創(chuàng)新法通過(guò)對(duì)自然界生物機(jī)能的分析和類比，創(chuàng)新設(shè)計(jì)新機(jī)器，這也是一種常用的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)方法。仿人機(jī)械手、仿爬行動(dòng)物的海底機(jī)器人、仿動(dòng)物的四足機(jī)器人、多足機(jī)器人，就是仿生設(shè)計(jì)的產(chǎn)物。由于仿生法的迅速發(fā)展，目前已經(jīng)形成仿生工程學(xué)這一新的學(xué)科。使用該方法時(shí)，要注意切莫刻意仿真，否則會(huì)走入誤區(qū)。仿生袋鼠

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)（3）反求設(shè)計(jì)創(chuàng)新法反求設(shè)計(jì)是指在引入別國(guó)先進(jìn)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，加以分析、改進(jìn)、提高，最終創(chuàng)新設(shè)計(jì)出新產(chǎn)品的過(guò)程。日本、韓國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展都與大量使用反求設(shè)計(jì)創(chuàng)新法有關(guān)。（4）類比求優(yōu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)法類比求優(yōu)是指把同類產(chǎn)品相對(duì)比較，研究同類產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，然后集其優(yōu)點(diǎn)，去其缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出同類產(chǎn)品中的最優(yōu)良產(chǎn)品。日本豐田摩托車就是集世界上幾十種摩托車的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)成功的性能最好、成本最低的品牌。但這種方法的前期資金投入過(guò)大。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)（5）功能設(shè)計(jì)創(chuàng)新法功能設(shè)計(jì)創(chuàng)新法是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，是一種正向設(shè)計(jì)法。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定功能目標(biāo)后，再擬定實(shí)施技術(shù)方案，從中擇優(yōu)設(shè)計(jì)。（6）移置技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)法移置技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)是指把一個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的先進(jìn)技術(shù)移置到另外一個(gè)領(lǐng)域，或把一種產(chǎn)品的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到另一種產(chǎn)品中，從而獲得新產(chǎn)品。（7）計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新法利用計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的大量信息，進(jìn)行機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)，這是近期出現(xiàn)的新方法。目前，正處于發(fā)展和完善之中。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)五、創(chuàng)新方法實(shí)例（1）設(shè)計(jì)目的學(xué)生每天到食堂就餐都得從筷筒里胡亂地抓取筷子，這樣既不方便又不衛(wèi)生，久而久之便萌發(fā)了設(shè)計(jì)一種自動(dòng)送筷機(jī)的靈感。從設(shè)想到構(gòu)思送筷原理，模擬送筷實(shí)驗(yàn)，再到產(chǎn)品試制、修改、定型，花費(fèi)了數(shù)月的時(shí)間。目前，產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，預(yù)計(jì)不久將批量投放市場(chǎng)。自動(dòng)出筷子的消毒柜

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)（2）設(shè)計(jì)過(guò)程1）送筷方式的確定初定的送筷方式（利用功能設(shè)計(jì)創(chuàng)新法）有3種：朝上豎直送（如圖3-13(a)所示）；水平橫向送（如圖3-13(b)所示）；水平豎向送（如圖3-13(c)所示）。通過(guò)反復(fù)多次模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，朝上豎直送取筷子最為方便，但筷子的水平移動(dòng)距離長(zhǎng)，所需水平推力也大，將導(dǎo)致機(jī)器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本增加。水平橫向送筷子，由于筷子尺寸、形狀、人小及擺放的不規(guī)則，能順利取出筷子的概率不足30%。而水平豎向送筷子不僅出筷順暢，而且在抽出筷子后，在重力作用下筷子會(huì)白由下落，省去了機(jī)械傳動(dòng)成本，這種方式取筷也比較方便。因此，最終選擇了第三種方案。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)（a）朝上豎直送（b）水平橫向送（b）水平橫向送圖3-13送筷方式示意圖

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)2）出筷機(jī)構(gòu)的選擇圖3-14曲柄滑塊與移動(dòng)凸輪組合機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖1-箱體；2-筷子；3-移動(dòng)凸輪(推桿)；4-推板：5-滑塊：6-連桿：7-曲柄

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)3）電動(dòng)機(jī)的選擇通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)定推筷子的阻力和最佳的出筷子速度，從而確定電動(dòng)機(jī)的功率為25W，減速電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為60r/min。（3）工作原理當(dāng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑塊帶動(dòng)移動(dòng)凸輪（階梯斜面）反復(fù)移動(dòng)，將筷子水平送出。推出的一截筷子如果未被取走，則移動(dòng)凸輪空推，已推出的筷子靜候抽取。如果推出的筷子被取走，則上方的筷子在重力作用下會(huì)自由下落到箱體底部，而被再次推出，如圖3-15所示。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)圖3-15階梯推桿推筷示意圖l-階梯推桿；2-推出最長(zhǎng)筷；3-推出較短筷；4-推出最短筷

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)階梯推桿的目的：一是提高送筷子的效率；二是防止筷子由于擺放不規(guī)則，出現(xiàn)機(jī)械卡死、架空等現(xiàn)象。初定的推桿只能推一雙筷子，不僅效率低，而且經(jīng)常出現(xiàn)卡死、架空等現(xiàn)象。階梯推桿推出的3雙筷子成并排階梯狀。伸出箱體最長(zhǎng)的筷子被抽取走后，如果上方筷子不能自由下落，則再抽取伸出較短的一雙，如果抽走后上方的筷子還不能自由下落，則再抽走最短的第三雙筷子，由于3雙筷子較寬，故3雙都抽走后，上方筷子必然失去支撐而下落到箱體底部。階梯推桿斜面的作用：一是起振動(dòng)作用；二是防止筷子未對(duì)準(zhǔn)出口時(shí)被頂斷，如圖3-16所示。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)圖3-16斜面推桿作用示意圖1-筷子；2-箱體；3-斜面推桿；4-筷子出口當(dāng)筷子未對(duì)準(zhǔn)出口、頂在箱體壁上時(shí)，筷子在階梯推桿的斜面上滑過(guò)。經(jīng)過(guò)多次作用，只有筷子對(duì)準(zhǔn)出口時(shí)才能被頂出。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.4創(chuàng)新設(shè)計(jì)（4）主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)1）產(chǎn)品創(chuàng)新該產(chǎn)品屬國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)查及網(wǎng)上查詢，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有自出筷機(jī)等自動(dòng)出筷裝置。由于市場(chǎng)容量很大，產(chǎn)品又獲得專利權(quán)，投放市場(chǎng)后將取得良好的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。2）機(jī)構(gòu)創(chuàng)新點(diǎn)將曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與移動(dòng)輪機(jī)構(gòu)（階梯斜面推桿）有機(jī)組合，能實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)功能：一是機(jī)構(gòu)組合本身結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單、緊湊，可大幅度降低成本及機(jī)器的結(jié)構(gòu)尺寸；二是階梯推桿可有效地防止筷子被卡住而不能自由下落的現(xiàn)象；三是斜面推桿能有效防止筷子未對(duì)準(zhǔn)出口而被機(jī)器頂斷的現(xiàn)象；四是斜面推桿可適用所有不同橫截面的筷子。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.5反求設(shè)計(jì)在現(xiàn)代社會(huì)中，科技成果的應(yīng)用已成為推動(dòng)生產(chǎn)力發(fā)展的重要手段。把已有的科技成果加以引進(jìn)、消化吸收、改進(jìn)提高，再進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，進(jìn)而發(fā)展自己的新技術(shù)，是學(xué)習(xí)借鑒、發(fā)展自身技術(shù)水平的捷徑，該過(guò)程稱為反求工程。反求工程是消化吸收先進(jìn)技術(shù)的一系列工作方法和技術(shù)的綜合工程，同時(shí)通過(guò)反求工程在掌握先進(jìn)技術(shù)中創(chuàng)新，是機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要途徑之一。反求設(shè)計(jì)流程圖

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.5反求設(shè)計(jì)一、反求設(shè)計(jì)反求設(shè)計(jì)是對(duì)已有的產(chǎn)品或技術(shù)進(jìn)行分析研究，掌握其功能原理、零部件的設(shè)計(jì)參數(shù)、材料、結(jié)構(gòu)、尺寸、關(guān)鍵技術(shù)等指標(biāo)，再根據(jù)現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法，對(duì)原產(chǎn)品進(jìn)行仿造設(shè)計(jì)、改進(jìn)設(shè)計(jì)或創(chuàng)新設(shè)計(jì)。反求設(shè)計(jì)中應(yīng)注意如下問(wèn)題：（1）探索原產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想探索原產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想是產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)的前提。如某減速器有2個(gè)輸入軸，一個(gè)用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)考慮到停電時(shí)用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，其設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想一定是應(yīng)用在非常重要的場(chǎng)合。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.5反求設(shè)計(jì)（2）探索原產(chǎn)品的原理方案設(shè)計(jì)各種產(chǎn)品都是按一定的要求設(shè)計(jì)的，而滿足一定要求的產(chǎn)品，可能有多種不同的形式，所以產(chǎn)品的功能目標(biāo)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題，不同的功能目標(biāo)可引出不同的原理方案，如設(shè)計(jì)一個(gè)夾緊裝置時(shí)，把功能目標(biāo)定在機(jī)械手段上，則可能設(shè)計(jì)出螺旋夾緊、凸輪夾緊、連桿機(jī)構(gòu)夾緊、斜面夾緊等原理方案。如把功能目標(biāo)擴(kuò)大，則可能出現(xiàn)液壓、氣動(dòng)、電磁夾緊等原理方案。探索原產(chǎn)品的原理方案設(shè)計(jì)，可以了解功能目標(biāo)的確定原則，這對(duì)產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)有極大的幫助。（3）研究產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)品中零部件的具體結(jié)構(gòu)是產(chǎn)品功能目標(biāo)的保證，對(duì)產(chǎn)品的性能、成本、壽命、可靠性有著極大的影響。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.5反求設(shè)計(jì)（4）對(duì)產(chǎn)品的零部件進(jìn)行測(cè)繪對(duì)產(chǎn)品的零部件進(jìn)行測(cè)繪是反求設(shè)計(jì)中工作量很大的一部分工作。用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)所測(cè)的零件進(jìn)行分析，進(jìn)而確定反求時(shí)的設(shè)計(jì)方法。汽車三維掃描過(guò)程掃描后的三維模型

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.5反求設(shè)計(jì)（5）對(duì)產(chǎn)品的零件公差與配合公差進(jìn)行分析通過(guò)測(cè)量，只能得到零件的加工尺寸，不能獲得幾何精度的分配。合理設(shè)計(jì)其幾何精度，對(duì)提高產(chǎn)品的裝配精度和機(jī)械性能至關(guān)重要。（6）對(duì)產(chǎn)品中零件的材料進(jìn)行分析通過(guò)零件的外觀比較、重量測(cè)量、硬度測(cè)量、化學(xué)分析、光譜分析、金相分析等手段，對(duì)物料的物理、化學(xué)成分、熱處理進(jìn)行鑒定。公差分配方法金相組織分析

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.5反求設(shè)計(jì)（7）對(duì)產(chǎn)品的工作性能進(jìn)行分析通過(guò)分析產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)力特性及其工作特性，了解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法，提出改進(jìn)措施。（8）對(duì)產(chǎn)品的造型進(jìn)行分析對(duì)產(chǎn)品的造型及色彩進(jìn)行分析，從美學(xué)原則、顧客需求心理、商品價(jià)值等角度進(jìn)行構(gòu)型設(shè)計(jì)和色彩設(shè)計(jì)。（9）對(duì)產(chǎn)品的維護(hù)與管理進(jìn)行分析分析產(chǎn)品的維護(hù)與管理方式，了解重要零部件及易損的零部件，有助于維修、改進(jìn)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.5反求設(shè)計(jì)反求設(shè)計(jì)案例：日本的SONY公司從美國(guó)引入在軍事領(lǐng)域中應(yīng)用的晶體管專利技術(shù)后，進(jìn)行反求工程設(shè)計(jì)，將其反求結(jié)果用于民用，開(kāi)發(fā)出晶體管收音機(jī)，并迅速占領(lǐng)了國(guó)際市場(chǎng)，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。日本的本田公司從世界各國(guó)引進(jìn)500多種型號(hào)的摩托車，對(duì)其進(jìn)行反求設(shè)計(jì)，綜合其優(yōu)點(diǎn)，研制出耗油少、噪音低、成本低、性能好、造型美的新型本田摩托車，風(fēng)靡全世界。日本的鋼鐵公司從國(guó)外引進(jìn)高爐、連鑄、熱軋、冷軋等鋼鐵技術(shù)，幾大鋼鐵公司聯(lián)合組成了反求工程研究機(jī)構(gòu)，經(jīng)過(guò)消化、吸收、改造和完善，建立了世界一流水平的鋼鐵工業(yè)。在反求工程的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)爐，并向英美等發(fā)達(dá)國(guó)家出口，使日本一躍成為世界鋼鐵大國(guó)。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.5反求設(shè)計(jì)二、新產(chǎn)品的引進(jìn)原則對(duì)于新產(chǎn)品的引進(jìn)，在實(shí)施反求工程時(shí)一般要經(jīng)歷以下過(guò)程：（1）引進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程學(xué)會(huì)引進(jìn)產(chǎn)品或生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)操作和維修，令其在生產(chǎn)中發(fā)揮作用，并創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。在生產(chǎn)實(shí)踐中，了解其結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝、技術(shù)性能、特點(diǎn)以及不足之處，做到“知其然”。（2）引進(jìn)技術(shù)的消化過(guò)程對(duì)引進(jìn)產(chǎn)品或生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝、管理方法等項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行深入的分析研究，用現(xiàn)代的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法及測(cè)試手段對(duì)其性能進(jìn)行計(jì)算測(cè)定，了解其材料配方、工藝流程、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制、安全保護(hù)等技術(shù)條件，特別要找出它的關(guān)鍵技術(shù)，做到“知其所以然”。（3）引進(jìn)技術(shù)的創(chuàng)新過(guò)程在上述基礎(chǔ)上，消化、綜合引進(jìn)的技術(shù)，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出具有特色的新產(chǎn)品。

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.5反求設(shè)計(jì)三、反求設(shè)計(jì)方法（1）已知機(jī)械設(shè)備的反求與創(chuàng)新設(shè)計(jì)已知機(jī)械設(shè)備的反求設(shè)計(jì)，因存在具體的機(jī)器實(shí)物，又稱實(shí)物的反求設(shè)計(jì)是反求工程中最常用的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)反求的目的，機(jī)械設(shè)備反求設(shè)計(jì)可分為三種：1）整機(jī)的反求。整機(jī)的反求是指對(duì)整臺(tái)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行反求設(shè)計(jì)，如一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、一輛汽車、一臺(tái)機(jī)車、一臺(tái)機(jī)床、整套設(shè)備中的某一設(shè)備等。發(fā)動(dòng)機(jī)的反求設(shè)計(jì)

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.5反求設(shè)計(jì)2）部件反求。反求對(duì)象是機(jī)械裝置中的某一些部件，如機(jī)床中的主軸箱、汽車中的后橋、內(nèi)燃機(jī)車中的液力變矩器、飛機(jī)中的起落架等組件。反求部件一般是機(jī)械中的重點(diǎn)或關(guān)鍵部件，也是各國(guó)進(jìn)行技術(shù)控制的部件。如空調(diào)、電冰箱中的壓縮機(jī)，就是產(chǎn)品的關(guān)鍵部件。3）零件反求。反求對(duì)象是機(jī)械中的某些零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)中的凸輪軸、汽車后橋中的圓錐齒輪、滾動(dòng)軸承中的滾動(dòng)體等零件。反求的零件一般是機(jī)械中的關(guān)鍵零件。零件的反求設(shè)計(jì)

3.3常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法3.3.5反求設(shè)計(jì)采用哪種反求實(shí)物，取決于技術(shù)引入國(guó)的引入目的、需求、生產(chǎn)水平、科技水平以及經(jīng)濟(jì)能力。機(jī)械設(shè)備反求設(shè)計(jì)主要包括以下方面的主要內(nèi)容：1）零部