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如果选择对了设计方法将更加高效的设计出更好的产品,所以了解一些常用的机械设计方法及其注意事项十分必要。
以下内容主要介绍了动态设计、绿色设计、面向X的设计、价值工程、健壮设计。
一.动态设计
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 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。
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:
E
→R
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。
3有关动态设计手段方面的理论基础
从设计手段来看,有振动分析、有限元和边界元方法、优化设计、动态仿真、试验方法等。
下面分别地加以叙述:
1)振动分析方法
在机械动态设计中,振动分析与计算起着十分重要的作用,一种机器,特别是高速运转的机器,如果工作在连续运转的状态下,应该通过振动分析的方法,研究其动力学特性,即研究系统的固有特性(包括固有频率与振动型),系统在某一或某些激励下响应等,进而选择理想的技术参数,使系统处在较理想的状态下工作:
对于有害的振动,要设法限制系统出现有害的振动;
对于有用的振动,要采取相应的有效措施,使振动得到有效的利用。
振动的种类较多,形式各异,要针对不同形式开展有相应的研究。
振动按其与位移、速度与加速度关系式的不同,可分为线性振动与非线性振动两类;
此外,按能量积聚所表现出的特殊运动形式及通常只能用统计方法加以分析与处理的,有自激振动、随机振动等。
振动分析的方法按系统自由度的多少,可分为单自由度、双自由度系统、多自由度系统与连续体系统等;
按方法的种类可分为解析方法、图解方法、数值方法、实验方法等;
按求解的精确程度来分,有近似方法与精确方法两类;
由于求解非线性振动系统,特别在求解多自由度非线性振动系统,在数学上存在一定的困难,因此,对于非线性振动系统常常采用近似求解方法。
由于科学技术的发展,目前振动学已逐渐扩展为许多研究分支和相邻的交叉学科;
如线性振动与非线性振动、随机振动、模态分析与模态试验、结构动力学、机械动力学、转子动力学、包装动力学、土动力学、振动与噪声控制、结构抗振振动及控制、振动利用工程、振动测试、信号分析和故障诊断等。
2)有限元与边界元方法
对于结构型零部件,若要对其振动模态及动变形和动应力进行分析计算,常常采用有限单元法(FiniteElementMethod,FEM)。
为了对已完成初步设计产品或需要改进的产品进行机械结构系统动力学建模和动态特性分析,进行结构修改,或对修改结构进行动态特性预测,以使产品获得良好动态特性,可以采用有限元法。
有限元法是建立结构系统动力学模型、进行动特性分析和动力学行为预测的有效数值分析方法。
3)多体系统动力学方法
在研究机构和机器人动力学的过程中,多体系统动力学得到广泛的应用。
多体系统动力学是研究多刚体或多柔体系统运动学和动力学特性的一门学科或课程。
机构或机器人的运动学和动力学问题,如其各个杆件的位移、速度和加速度及其运动轨迹,以及系统及各个子系统或元件的固有频率与振型和系统在某些激励下响应,都是多体系统动力学所关注的问题。
通过分析,寻求并获得最理想的运动学和动力学参数,进而使系统处在较理想的状态下工作。
多体系统动力学可分为多刚体和多柔体系统动力学两类,它的理论基础是分析力学与机械动力学。
4)优化设计方法
产品综合设计法中的核心内容:
功能优化、动态优化、智能优化和可视优化等各项设计工作都冠以“优化”二字,这里强调了各项设计工作的“优化”,那么如何去实现呢?
本文所说的“优化”不单纯指的是书本中所说的以数学规划为核心内容的最优化方法,而指的是包括所有优化方法在内的广义优化方法,产品的设计过程要采用各种的优化方法,而不能单纯依靠数学规划的优化方法,因为多数机械产品都比较复杂,单纯依赖最优化方法是难以做到的。
对于企业部门的工程师来说,他们最常采用的是根据已有的经验和知识积累对产品的方案或结构进行比较,最后做出决策,选用较为合理的一种方案。
对于一些结构型零部件,除依赖已有的经验进行设计外,还要采用以数学规划为核心内容的最优化设计法。
因此,在这里我们特别地指出产品设计必须采用包括所有优化方法在内的广义优化方法;
此外,在设计过程中也常常要对产品的整体或全部(也可以是其中的一部分)结构、系统、功能和性能、过程进行综合优化,我们把这种优化方法称为集成优化或全局优化。
机械产品的优化设计在提高产品设计质量的过程中起着十分重要的作用。
机械产品优化设计可按照优化的基本原理及优化设计所包括的范围加以分类。
5)动态仿真方法或动态可视化方法
在研究工程非线性振动问题时,计算机的仿真也是不可缺少的,因为工程非线性振动问题完全依靠试验很难做到的,只能对某些问题进行试验。
在试验研究的基础上,非线性振动的动态仿真可以代替一部分试验工作,但是,它不能代替所有试验工作,动态仿真首先应该建立非线性振动系统的动力学模型,而动力学模型应该以实践资料为基础。
6)模型试验和样机试验方法
研究机械设备“运动学与动力学”的基本任务是为了解决工程中的所遇到的实际问题。
如前所述,其一是为了消除或减轻那些对人类生产和生活产生有害影响的运动学与动力学问题所造成的危害;
另一是充分地或有效地利用那些对人类生产和生活产生有益作用的运动学与动力学问题所创造的效益。
因此,在研究所遇到的运动学与动力学问题时,所建立的模型及求得的结果必须与实际情况相吻合,这样才能通过研究,使所遇到的问题切实地得到解决。
由于人们的认识与客观实际往往存在一定的差异,甚至有很大的差异,这会导致错误的处理结果,用这些不符合实际的结果去处理实际问题有时会产生相反的效果。
所以在解决实际问题时,不能过分信赖仅仅依靠数学分析所得的结果,而所得的数学分析结果必须通过实际试验和使用的检验。
由上可见,动态优化设计的内容十分广泛,既有广度,又有深度,并有较大的难度。
为做好这项工作,除了要有足够的设计经验外,还必须有良好的理论基础和技术基础,这一要求是大多数技术人员不具备的和难以做到的,因此,产、学、研结合是一种理想的产品设计组织形式。
4 当前机械动态优化设计当中的主要问题
(1)目标函数和约束条件函数难以准确的写出。
对复杂机械系统进行动态优化设计时,从数学原理上看,机械结构振动系统的设计变量与其动态特性参数之间的关系,实际上是一种高度非线性的映射关系,无法用一个简单的数学函数来表示,因此其目标函数很难建立。
约束条件众多,有些条件很难用准确的函数式来表达。
(2)就动态优化设计而言,由于其问题的复杂性,至今还没有一套完整的动态优化设计理论来供人们遵循,设计中很多方面有许多主观因素在内。
(3)特别地,在如下几方面有待进一步的探索和研究:
对具有非线性特性的复杂系统,如何解决其动态优化设计问题;
具有可变参数的最优振动控制系统,如何求得参数函数的最优值;
对具有非线性特性的复杂系统,在随机激励条件下,如何进行系统动态优化。
5机械动态设计理论的发展方向
(1)寻找可靠而又高效的算法。
(2)利用人工神经网络来解决目标函数和约束条件函数难以准确的写出的问题。
(3)机械结构的动态虚拟设计是一项正在迅速发展的技术,它是以计算机仿真、建模为基础,集计算机图形学、智能技术、虚拟现实技术、多媒体技术机械动力学、有限元和优化设计方法为一体,由多学科知识组成的综合系统技术,是机械结构动力学设计与分析在计算机环境中数字化、图象化的映射。
通过虚拟动态环境,进行虚拟产品开发,对于产品的动态特性做出分析,这种庞大的计算量是需要计算机技术的支持,采用并行算法也许会加快这一问题的解决。
6小结及感想
现代机械产品正在向高速、高精度、轻量化的方向发展,产品结构日趋复杂,产品更新换代的速度日益加快,对产品或设备的结构系统的静态和动态特性要求越来越高。
如何提高系统的性能越来越受到人们的重视。
对产品进行动态优化设计是提高产品性能的主要手段,在产品设计中起着非常重要的作用。
现代机械动态优化设计是在产品的研究和开发过程中,对机械产品的运动学与动力学及与此相关的动态可靠性、安全性、疲劳强度和工作寿命等问题,进行分析和计算,以保证所研究和开发的设备具有优良的结构性能及其它相关性能。
动态优化设计在现代机械产品设计中占有十分重要的地位,这是因为绝大多数现代机械设备都处在连续运转过程中,而且由于这些机械的工作速度越来越高,结构越来越复杂,尺寸越来越大,对微型机械来说尺寸越来越小,精度越来越高,功能越来越齐全,对其工作的可靠性、安全性和工作连续性的要求也越来越高。
在这种情况下,产品动态设计已成为现代机械研究开发不可缺少的和至关重要的环节,对保证产品的工作可靠性、安全性、工作耐久性至关重要。
二.绿色设计
1绿色设计的必要性
绿色设计(GreenDesign),又称又称生态设计(EcologicalDesign)、面向环境的设计(DesignforEnvironment)等,是指借助产品生命周期中与产品相关的各类信息(技术信息、环境协调性信息、经济信息),利用并行设计等各种先进的设计理论,使设计出的产品具有先进的技术性、良好的环境协调性以及合理的经济性的一种系统设计方法。
绿色设计着眼于人与自然的生态平衡关系,在设计过程的每一个决策中都充分考虑到环境效益,尽量减少对环境的破坏。
对工业设计而言,绿色设计的核心是“3R”,即Reduce、Recycle和Reuse,不仅要尽量减少物质和能源的消耗、减少有害物质的排放,而且要使产品及零部件能够方便地分类回收并再生循环或重新利用。
绿色设计不仅是一种技术层面的考量,更重要的是一种观念上的变革,要求设计师放弃那种过分强调产品在外观上标新立异的做法,而将重点放在真正意义上的创新上面,以一种更为负责的方法去创造产品的形态,用更简洁、长久的造型使产品尽可能地延长其使用寿命。
2绿色设计之环境的需求——环保的产品
在不少国家和地区,交通工具不仅是空气和噪声污染的主要来源,并且消耗了大量宝贵的能源和资源。
因此交通工具,特别是汽车的绿色设计备受设计师们的关注。
新技术、新能源和新工艺的不断出现,为设计出对环境友善汽车工辟了崭新的前景。
不少工业设计师在这方面进行了积极的探索,在努力解决环境问题的同时,也创造了新颖、独特的产品形象。
绿色设计不仅成了企业塑造完美企业形象的一种公关策略,也迎合了消费者日益增强的环保意识。
减少污染排放是汽车绿色设计最主要的问题。
以技术而言,减少尾气污染的方法主要有两个方面,一是提高效率从而减少排污量,二是采用新的清洁能源。
2004款Prius将是第一台装备新的高压/高能的混合协同驱动系统的丰田车。
完全混合动力系统的优势是非常明显的,更重要的是在某些情况下汽车可以完全用电能驱动,这在燃料消耗以及排放的减少上,意义非常。
混合协同驱动系统的排放比当前已经非常环保的Prius还要低30%,比普通的内燃机引擎尾管排出的废气物质低了近90%,另外非常重要的一点是Prius彻底打破了环保与性能不可兼得的定论。
3绿色设计之时代需求——简洁的产品
远古的人类,磨石为刀,削木成箭,抓住了造物的本质。
通过应用、感觉,进而使之得心应手,却从不去雕饰形态。
“舍”得大胆,“取”得精简。
即使有些装饰,也都给与深刻的内容,且服务于功能结构。
随着工业的发展,包豪斯创始人格罗佩斯打破了洛可可和文艺复兴的建筑模式,适合现代世界对功能的严格要求和尽量节省材料、费用、劳动力和时间,提出设计师的脑力劳动的贡献表现在井然有序的平面布置和具有良好的比例的体量,而不在于多余的装饰。
绿色设计正是这种并不十分注意美学表现或狭义的设计语言,但绿色设计强调尽量减少无谓的材料消耗。
在绿色设计中,“小就是美”,“少就是多”具有了新的含义。
从20世纪80年代开始,一种追求极端简单的设计流派,讲产品的造型化简到极致,这就是所谓的“简约主义”。
简约设计不仅是功能上达到了设计的目的,而最为重要的就在于材料的节省与加工的方便。
芬兰设计大师卡伊·
弗兰克说:
“我不愿意为外形而设计,我更愿意探究餐具的基本功能——用来做什么?
我的设计理念与其说是设计,不如说是基本想法。
”这种注重产品功能,以“为大众提供人人都觉得好”的设计宗旨正是“绿色设计”与“艺术”的完美体现。
芬兰设计中最经典的杰作——白瓷餐具系列体现了北欧设计哲学的精髓:
好的设计就是没有设计。
看似不起眼的餐具,却是最以人为本的设计。
造型简洁,没有多余装饰的现代设计产品不仅适宜于大批量生产,而且大大降低了生产成本,使多数人能够承担。
现代主义的设计经典MT8金属台灯是包豪斯的代表作之一。
这个台灯充分利用了材料的特性:
乳白的透明玻璃灯罩,金属质地的支架,同时其几何造型零部件十分适用于大批量工业生产。
这个现代主义风格的经典作品在市场上十分成功,直到今天依然在生产。
4绿色设计之未来的需求——绿色产品
以新型电视机的设计为例,项目描述与制定。
随着环境与生产矛盾的日益突出以及绿色观念的盛行,再加上生产技术成熟程度、普及率的提升,电视机,作为人们常用的大型家电之一,其传统模式的生产与销售面临着重重压力。
为提高产品竞争力和市场占有率,宜采用可持续发展的绿色设计观,研制出健康、宜人的绿色电视。
市场调研,网络调查为主,实地考察为辅,以调查问卷或设计竞赛的形式搜集电视机需求与创意,把握目标对象及大致价格;
从专利、新闻资料中搜查科技、法律信息,利于产品材料选择、结构工艺的设计,调查生产企业的企业文化、生产能力、设备、绿色程度等。
产品及工艺设计,可持续发展的绿色设计观要求产品设计要综合考虑环境、材料、工艺、造型、使用环境、消费者心理等各种因素,而以环境亲和性、使用合理性、消费者心理的满足性为开发重点。
4.1设计定位:
经过信息汇总后,我们将使用人群主要定位于初建家庭的青中年身上,价格在人民币1000-3000之间。
他们正处于精力旺盛的时期,收入丰厚,生活紧张。
电视机对他们来说,既是获得信息、充实生活的工具,更是饭后休息、缓解生活压力的有效渠道。
因此,他们对电视机的健康安全性、造型体现的文化性尤其关心。
4.2设计方案:
经过创意整合,各部门的共同参与,确立了本套方案。
1)环境因素:
以可完全回收的聚碳酸酯类为主,配以木质外壳;
因技术所限,部分有毒有害材料集成于模块之中。
外包装为可再生纸,内衬泡类防震物。
2)结构工艺:
通过可拆卸、可回收的模块化设计,使整个产品成为利于拆卸的几个部分,方便装配、拆卸、维修、回收。
3)生产加工:
注重生产过程的环境、资源属性,对木质材料浅加工。
4)运输与销售:
提高运输效率,适度扩大生产网点;
货到后立即拆去包装,运回再使。
5)使用:
杜绝辐射污染,采用新技术节能节点。
6)维修与服务:
模块化生产零部件,再加上易拆卸结构,遍布网点,为消费者创造优秀的服务。
7)回收处理:
优先重用回收零部件,尽量提高材料回收利用率,革新废弃物的处理工艺,减弱其对环境的影响。
8)人体生理因素;
采用液晶(LCA)等先进无辐射技术,保证人体健康;
设定电视摆放高度、倾斜度、视距等参考值;
遥控器、按键等按人机工程学设计,并保证较大自由度,方便抓握、使用;
9)人体心理因素:
彩电荧屏好似一幅侧放的国画,纯平,比例恰当;
“画轴”则是两个可互换的音箱,营造出立体声的效果;
内设电子器件的木质底座,平衡稳定。
另外,彩电的遥控器造型精巧,风格飘逸。
这款绿色电视充分的体现了未来电视所应具备的优点。
它在生产制造的过程中采用了环保节能型材料加工、零部件制造、装配工艺,慎重到了考虑生产部门的工作环境对人们生理、心理的影响,充分的展现了绿色未来产品的方向。
这既符合法律法规的要求,又体现人类的道德伦理。
5未来绿色设计的要求——顺应世界发展,迈向绿色设计时代
从某些角度看,“绿色设计”不能被看作是一种风格的表现。
成功的“绿色设计”的产品来自于设计师对环境问题的高度意识,并在设计和开发过程中运用设计师和相关组织的经验、知识和创造性结晶。
目前大致有以下几种设计主题和发展趋势:
1)使用天然的材料,以“未经加工的”形式在家具产品、建筑材料和织物中得到体现和运用。
2)怀旧的简洁的风格,精心融入“高科技”的因素,使用户感到产品是可亲的、温暖的。
3)实用且节能。
4)强调使用材料的经济性,摒弃无用的功能和纯装饰的样式,创造形象生动的造型,回归经典的简洁。
5)多种用途的产品设计,通过变化可以增加乐趣的设计,避免因厌烦而替换的需求;
它能够升级、更新,通过尽可能少地使用其它材料来延长寿命;
使用“附加智能”或可拆卸组件。
6)产品与服务的非物质化。
7)组合设计和循环设计。
历史是不断向前推进的,每时每刻都在更新着,因而绿色设计的相对性也就愈加明显,并且由其时代性,进而引发出局限性,有局限性就有了发展的必要性,固于成法,墨守成规,只能把绿色设计埋进历史的黄沙之中,成为陈迹;
设计当随时代,每个时期的人眼中都有自己的设计,不断创造着自己的设计,改造着自己的设计,在承继与欣赏设计的同时,又不断注入新的内容,使其发展。
即使有着曲折与反复,但是绿色设计的意义仍是不断的前行着,是一种螺旋式的上升。
真正的绿色设计已经不单单是设计本身,它已然上升到一种文化,提纯为一种精神,对于一个民族、一个社会乃至一切的文化领域和文化现象都具有普遍的意义,是民族的,也是世界的。
并且真正的绿色设计是永远也不会过时的,它随着时代的发展而发展,并时刻感染着人们的生命,进而影响着人们的生活。
历史不可谏,来者犹可追。
要有效地、正确地处理好人类与自然及人类自身的各种关系,“绿色设计”理念为我们提供了光明的前途。
沿着“绿色设计”之路走下去,为了世间万物,也为了我们自己!
6绿色设计的方法及原则
绿色产品是循环经济的载体,实现产品的绿色化关键是从设计开始。
绿色设计,通常也称为生态设计、环境设计、生命周期设计等。
一般来说,绿色设计必须遵循以下原则:
1)产品全生命周期并行的闭环设计原则。
这是因为产品的绿色程度体现在产品的整个生命周期的各个阶段。
2)资源最佳利用原则。
一是选用资源时必须考虑其再生能力和跨时段配置问题,尽可能用可再生资源;
二是尽可能保证所选用的资源在产品的整个生命周期中得到最大限度的利用;
三是在保证产品功能质量的前提下,尽量简化产品结构并使产品的零部件具有最大限度的可拆卸性和可回收再利用性。
3)能源消耗最小原则。
一是尽量使用清洁能源或二次能源;
二是力求产品整个生命周期循环中能耗最少。
4)零污染原则。
设计时实施“预防为主,治理为辅”的清洁生产等环保策略,充分考虑如何消除污染源,从根本上防止污染。
5)技术先进原则。
为使设计体现绿色的特定效果,就必须采用最先进的技术,并加以创造性的应用,以获得最佳的生态经济效益。
7绿色设计的主要内容及模式
根据以上原则,要达到绿色产品的预期目标,其设计的主要内容应包括:
绿色设计材料的选择;
产品的可拆卸性设计;
产品的可回收性设计;
绿色产品成本分析;
绿色产品设计数据库与知识库,它包括与产品生命周期中与环境、经济、技术、对象等有关的一切数据和知识。
绿色设计是以环境为核心,利用产品全生命周期评价技术将当代设计方法中众多的局部设计方法统一为一
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