modern design REVIEW课件.pptx

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1、现现 代代 设设 计计 方方 法法Modern Design MethodologyREVIEW第一章第一章 绪论绪论1.1.从传统设计到现代设计从传统设计到现代设计从传统设计到现代设计从传统设计到现代设计自动设计自动设计综合而言综合而言综合而言综合而言:手工设计手工设计静态设计静态设计动态设计动态设计安全设计安全设计优化设计优化设计并行设计并行设计串行设计串行设计定性设计定性设计定量设计定量设计人类设计人类设计经历的阶段经历的阶段直觉设计阶段直觉设计阶段经验设计阶段经验设计阶段半理论半经验半理论半经验设计阶段设计阶段2.2.现代设计的主要特点现代设计的主要特点现代设计的主要特点现代设计的主要

2、特点 系统性系统性:2:2种体系种体系,即即:设计方法学、创造性设计法。设计方法学、创造性设计法。社会性社会性：面向市场、面向社会解决产品生命周期中的问题。：面向市场、面向社会解决产品生命周期中的问题。创造性创造性：发散思维、激励创新，获取最优方案，改变品质。：发散思维、激励创新，获取最优方案，改变品质。最优化最优化：规划建模，选择方法，定性、定量地寻求最优解。：规划建模，选择方法，定性、定量地寻求最优解。动态化动态化：多变量、离散化的可靠性设计，逼近实际工况。：多变量、离散化的可靠性设计，逼近实际工况。宜人性宜人性：内在品质实用性与外观质量的艺术性相结合。：内在品质实用性与外观质量的艺术性相

3、结合。智能化智能化：信息的综合运用，高智能化的产品。仿人、仿生：信息的综合运用，高智能化的产品。仿人、仿生 CA化化：CAD、CAPP、CAM、CAE、PDM CIMS 第一章第一章 绪论绪论3.3.机械产品设计机械产品设计机械产品设计机械产品设计1 1）现代机械现代机械现代机械现代机械信息网络协调、控制信息网络协调、控制动力学任务动力学任务机电一体化机电一体化伺服系统伺服系统Servo systemServo system:a kind of automatic control system,which can be used:a kind of automatic control syst

4、em,which can be used to control displacement or angle of a machine.to control displacement or angle of a machine.第一章第一章 绪论绪论3.3.机械产品设计机械产品设计机械产品设计机械产品设计第一章第一章 绪论绪论2 2）设计类型：）设计类型：）设计类型：）设计类型：开发性设计开发性设计适应性设计适应性设计变型设计变型设计3 3）机械产品的设计过程：）机械产品的设计过程：）机械产品的设计过程：）机械产品的设计过程：五个阶段五个阶段产品规划产品规划(概念设计概念设计)总体方案设计总体方

5、案设计结构技术设计结构技术设计生产施工设计生产施工设计(工艺设计工艺设计)改进设计改进设计第一章第一章 绪论绪论4.4.价值工程（价值工程（价值工程（价值工程（VEVE）定义：定义：力求以最低寿命周期费用，可靠地实现产品或作业的必要功能，力求以最低寿命周期费用，可靠地实现产品或作业的必要功能，籍以提高其价值，是着重于功能研究的、有组织的活动。籍以提高其价值，是着重于功能研究的、有组织的活动。中心：中心：功能分析是核心；创造是关键；信息是基础功能分析是核心；创造是关键；信息是基础物品的用途、功用，即性能和机能。价值工程追求的是用物品的用途、功用，即性能和机能。价值工程追求的是用户所需的必要功能。

6、户所需的必要功能。功能：功能：C=C1+C2C=C1+C2（C C：寿命周期成本；：寿命周期成本；C1C1：生产成本；：生产成本；C2 C2：使用成本）：使用成本）寿命周期成本：寿命周期成本：第一章第一章 绪论绪论5.5.并行工程（并行工程（并行工程（并行工程（Concurrent Engineering CEConcurrent Engineering CE）定义：定义：1988 1988年，美国国防部防卫分析研究所年，美国国防部防卫分析研究所（IDAIDA）发表发表R338R338 报告：报告：并并并并行行行行工工工工程程程程（CECECECE）是是是是对对对对产产产产品品品品及及及及其其

7、其其相相相相关关关关过过过过程程程程（包包包包括括括括制制制制造造造造过过过过程程程程和和和和支支支支持持持持过过过过程程程程）进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。）进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。）进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。）进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。这这种种工工作作模模式式力力图图使使开开发发者者从从一一开开始始就就考考虑虑到到产产品品全全生生命命周周期期（从从概概念念形形成成到到产产品品报报废废）中中所所有有的的因因素素，包包括括质质量量、成成本本、进进度度与与用户需求。用户需求。注注：支支持持过过程程 包包括括对对制制造造过过程程

8、的的支支持持（原原材材料料的的获获取取,中中间间产产品品的的库库存存，工工艺艺过过程程设设计计，生生产产计计划划制制定定）和和使使用用过过程程的的支支持持（产产品品销销售售，使使用用维维护护，售售后后服服务务，产产品品报废后的处理报废后的处理）CECE的的核核心心是是产产品品及及其其相相关关过过程程（加加工工工工艺艺、装装配配、检检测测、质质量量控制、销售、售后服务控制、销售、售后服务）设计的）设计的集成集成。各活动间的关系可归纳为：各活动间的关系可归纳为：串行依赖、并行独立、交互耦合串行依赖、并行独立、交互耦合。基本特征基本特征主要技术特点主要技术特点 产品产品开发过程的并行重组开发过程的并

9、行重组 支持并行设计的支持并行设计的群组工作方式群组工作方式 统一的产品信息模型统一的产品信息模型 基于时间的决策基于时间的决策 分布式的软、硬环境分布式的软、硬环境 开放式的系统界面开放式的系统界面 缩缩短短新新产产品品开开发发周周期期404060%60%；提提高高设设计计质质量量（早早期期生生产产中中工工程程变变更更次次数数减减小小一一半半以以上上，产产品品报报废废及及反反复复工工作作减减小小75%75%）；制制造造成本下降成本下降303040%40%。CECE的效益的效益5.5.并行工程（并行工程（并行工程（并行工程（Concurrent Engineering CEConcurrent

10、 Engineering CE）第二章第二章 设计方法学设计方法学1.1.主要研究内容主要研究内容主要研究内容主要研究内容 设计方法学是用系统观点研究产品的设计方法学是用系统观点研究产品的一般设计进程、设计规律、一般设计进程、设计规律、设计思维、工作方法、设计工具设计思维、工作方法、设计工具的综合性学科。的综合性学科。对具体的产品设计而言，对具体的产品设计而言，具有方法论的性质具有方法论的性质。目的是指导设计师目的是指导设计师应用先进的设计方法开发、创新，设计出高性价比的产品。应用先进的设计方法开发、创新，设计出高性价比的产品。2.2.主要研究对象主要研究对象主要研究对象主要研究对象设计对象：

11、设计对象：能够实现一定技术过程的技术系统。能够实现一定技术过程的技术系统。设计进程：设计进程：设定技术过程、划定技术系统边界、功能分解及求解。设定技术过程、划定技术系统边界、功能分解及求解。设计评价：设计评价：多目标优化规划多目标优化规划最佳设计方案的确定。最佳设计方案的确定。设计思维：设计思维：激发、培养创新思维的能力和方法。激发、培养创新思维的能力和方法。设计工具：设计工具：信息集约信息集约 Database Database，调用、参考。，调用、参考。现代设计理论和方法应用：现代设计理论和方法应用：完善方法论，推广、应用。完善方法论，推广、应用。第二章第二章 设计方法学设计方法学3.3.

12、技术系统的一般性定义技术系统的一般性定义技术系统的一般性定义技术系统的一般性定义技术系统：技术系统：针对作业对象针对作业对象,完成某种技术过程的支持系统。完成某种技术过程的支持系统。作业对象：作业对象：物料物料(Materiel)、能量、能量(Energy)、信息、信息(Information)。举例：举例：坯料是坯料是作业对象作业对象；加工中心是；加工中心是技术系统技术系统；加工是；加工是技术过程技术过程。4.4.技术过程的确定；技术过程的确定；技术过程的确定；技术过程的确定；5 Steps5 Steps分析分析作业对象及其转换要求；作业对象及其转换要求；分析分析实现转换的工作原理；实现转换

13、的工作原理；明确明确实现技术过程的环境和约束条件；实现技术过程的环境和约束条件；明确明确主要技术过程和其他辅助过程；主要技术过程和其他辅助过程；划定划定技术系统的边界（工作范围）。技术系统的边界（工作范围）。第二章第二章 设计方法学设计方法学5.5.技术系统的功能单元技术系统的功能单元技术系统的功能单元技术系统的功能单元技术系统所具有的功能，是完成技术过程的根本特性。技术系统所具有的功能，是完成技术过程的根本特性。作业单元：作业单元：转换的实现；转换的实现；控制单元：控制单元：采集、处理并输出控制信息；采集、处理并输出控制信息；动力单元：动力单元：能量的转换、传递、分配；能量的转换、传递、分配

14、；检测单元：检测单元：反馈信息；反馈信息；结构单元：结构单元：系统各部分的联接、支承。系统各部分的联接、支承。6.6.其他环节其他环节其他环节其他环节信息集约：信息集约：产品生命周期相关环节所需信息的集成、分配、共享；产品生命周期相关环节所需信息的集成、分配、共享；调研预测：调研预测：市场、技术、社会环境、企业内部；设计可行的依据；市场、技术、社会环境、企业内部；设计可行的依据；可行性报告：可行性报告：系统化产品设计的初步开发依据。系统化产品设计的初步开发依据。第二章第二章 设计方法学设计方法学7.7.典型系统化设计的综合过程典型系统化设计的综合过程典型系统化设计的综合过程典型系统化设计的综合

15、过程并行设计组并行设计组技术、经济技术、经济社会目标评价社会目标评价最优方案最优方案信息集约信息集约调研预测调研预测可行性报告可行性报告功能分析功能分析功能元求解功能元求解方案综合方案综合组合方案组合方案第三章第三章 优化设计优化设计1.1.最优化与优化设计最优化与优化设计最优化与优化设计最优化与优化设计 最优化的概念最优化的概念 使问题的解决在一定程度上达到无可争议的完善化。使问题的解决在一定程度上达到无可争议的完善化。优化设计优化设计 以计算机为工具，运用数学规划理论寻求复杂设计问题最佳方案以计算机为工具，运用数学规划理论寻求复杂设计问题最佳方案 的现代设计方法。的现代设计方法。优化设计的

16、主要内容优化设计的主要内容 分析对象，建立正确的数学模型；分析对象，建立正确的数学模型；选择适当的优化方法，应用计算机求解。选择适当的优化方法，应用计算机求解。第三章第三章 优化设计优化设计 构成模型的三大要素：构成模型的三大要素：设计变量设计变量：在设计过程中需不断修正、一直处于变化状态：在设计过程中需不断修正、一直处于变化状态 的基本参数，直接决定设计质量。的基本参数，直接决定设计质量。约束条件约束条件：一个可行设计必须满足的限制条件。：一个可行设计必须满足的限制条件。按性质分为：性能约束；侧面约束（边界约束）按性质分为：性能约束；侧面约束（边界约束）按表达式分为：等式约束；不等式约束按表

17、达式分为：等式约束；不等式约束 目标函数目标函数：使设计得以优化的函数，又称评价函数。：使设计得以优化的函数，又称评价函数。2.2.优化设计的数学模型优化设计的数学模型优化设计的数学模型优化设计的数学模型第三章第三章 优化设计优化设计3.3.求解优化设计问题的基本方法求解优化设计问题的基本方法求解优化设计问题的基本方法求解优化设计问题的基本方法4.4.优化设计的迭代终止准则优化设计的迭代终止准则优化设计的迭代终止准则优化设计的迭代终止准则 解析解法解析解法：利用微分或变分法求解：利用微分或变分法求解精确理论解精确理论解 数值解法数值解法：利用数学规划理论求解：利用数学规划理论求解 中心思想中心

18、思想：搜索，迭代，逼近：搜索，迭代，逼近 迭代公式迭代公式：近似解近似解第三章第三章 优化设计优化设计5.5.偏导数、方向导数、梯度偏导数、方向导数、梯度偏导数、方向导数、梯度偏导数、方向导数、梯度 偏导数偏导数（；）：）：是目标函数沿某一坐标轴方向函数值的变化率。是目标函数沿某一坐标轴方向函数值的变化率。方向导数方向导数（）：）：是目标函数在设计空间任意点是目标函数在设计空间任意点p处，沿任意方向处，沿任意方向S的函数值变化率。的函数值变化率。梯度梯度（）：）：是由目标函数一阶偏导数组成的列向量；是由目标函数一阶偏导数组成的列向量；是等值线上某点处法线方向，也是方向导数取最大值的方向；是等值

19、线上某点处法线方向，也是方向导数取最大值的方向；是目标函数值变化最快的方向。是目标函数值变化最快的方向。第三章第三章 优化设计优化设计5.5.偏导数、方向导数、梯度偏导数、方向导数、梯度偏导数、方向导数、梯度偏导数、方向导数、梯度 梯度、方向导数的关系梯度、方向导数的关系 示例：示例：求求 在在 处处 的梯度和方向导数的最大的梯度和方向导数的最大值。值。第三章第三章 优化设计优化设计6.6.无约束求取极值的充要条件无约束求取极值的充要条件无约束求取极值的充要条件无约束求取极值的充要条件 必要条件：必要条件：充分条件：充分条件：正定正定即：要求即：要求HESSIAN 矩阵的行列式，各阶主子式的值

20、大于零。矩阵的行列式，各阶主子式的值大于零。例：例：求求的极小值。的极小值。正定正定且且故故第三章第三章 优化设计优化设计7.7.凸集、凸函数和凸规划凸集、凸函数和凸规划凸集、凸函数和凸规划凸集、凸函数和凸规划 定义：对任意的一个集合定义：对任意的一个集合R，若，若 且有且有 时，时，等式等式 ，则称，则称R为一凸集。为一凸集。几何意义：任意集合几何意义：任意集合R中，若任意两点连线上的所有元素均属于中，若任意两点连线上的所有元素均属于 集合集合R，则称，则称R 为一凸集。为一凸集。凸集：凸集：第三章第三章 优化设计优化设计7.7.凸集、凸函数和凸规划凸集、凸函数和凸规划凸集、凸函数和凸规划凸

21、集、凸函数和凸规划 函数凸性的判断：函数凸性的判断：利用不等式判断利用不等式判断：若若Rn为凸集，有任意的为凸集，有任意的x1 Rn，x2 Rn，且不等式，且不等式恒成立，则恒成立，则f(x)是定义在是定义在Rn上的凸函数。上的凸函数。若若 成立，则成立，则f(x)是严格凸函数。是严格凸函数。利用利用Hessian矩阵判断：矩阵判断：若若Rn为凸集，为凸集，f(x)具有连续二阶偏导数，且具有连续二阶偏导数，且H(x)半正定（即半正定（即:H(x)各阶主子式的值均大于等于各阶主子式的值均大于等于0），则），则f(x)是定义在是定义在Rn上的凸函数。上的凸函数。若若Hessian矩阵矩阵H(x)正

22、定（即正定（即H(x)各阶主子式的值均大于各阶主子式的值均大于0），），则则f(x)是定义在是定义在Rn上的严格凸函数。上的严格凸函数。第三章第三章 优化设计优化设计 例例：试判断：试判断是否为凸函数，其中是否为凸函数，其中7.7.凸集、凸函数和凸规划凸集、凸函数和凸规划凸集、凸函数和凸规划凸集、凸函数和凸规划凸规划：凸规划：目标函数、约束函数都是定义在凸集上的凸函数，目标函数、约束函数都是定义在凸集上的凸函数，该优化规划称为凸规划。该优化规划称为凸规划。凸规划的任一局部最优解即为全局最优解。凸规划的任一局部最优解即为全局最优解。第三章第三章 优化设计优化设计8.8.区间消去法原理：区间消去法

23、原理：区间消去法原理：区间消去法原理：确定搜索区间的确定搜索区间的确定搜索区间的确定搜索区间的外推法外推法外推法外推法一维搜索方法：一维搜索方法：试探法（试探法（0.618法）、插值法（二次）法）、插值法（二次）第三章第三章 优化设计优化设计9.9.（一阶）梯度法：（一阶）梯度法：（一阶）梯度法：（一阶）梯度法：最速下降法最速下降法最速下降法最速下降法第三章第三章 优化设计优化设计10.10.共轭梯度法共轭梯度法共轭梯度法共轭梯度法1）共轭方向的基本性质共轭方向的基本性质2）共轭梯度法的主要特点共轭梯度法的主要特点第三章第三章 优化设计优化设计11.Newton 11.Newton 11.Ne

24、wton 11.Newton 法：对二次型函数一次收敛法：对二次型函数一次收敛法：对二次型函数一次收敛法：对二次型函数一次收敛算法步骤算法步骤第三章第三章 优化设计优化设计12.12.12.12.变尺度法：拟变尺度法：拟变尺度法：拟变尺度法：拟Newton Newton Newton Newton 法法法法第三章第三章 优化设计优化设计13.13.复合形法复合形法复合形法复合形法基本思想：基本思想：基本思想：基本思想：在可行域中，构造具有在可行域中，构造具有在可行域中，构造具有在可行域中，构造具有k k个顶点的复合形（个顶点的复合形（个顶点的复合形（个顶点的复合形（）通过顶点函数值的比较，采用

25、通过顶点函数值的比较，采用通过顶点函数值的比较，采用通过顶点函数值的比较，采用反射、延伸、收缩、压缩反射、延伸、收缩、压缩反射、延伸、收缩、压缩反射、延伸、收缩、压缩等搜索策略，等搜索策略，等搜索策略，等搜索策略，改变复合形的形状，逼近约束最优解。改变复合形的形状，逼近约束最优解。改变复合形的形状，逼近约束最优解。改变复合形的形状，逼近约束最优解。算法特点：算法特点：算法特点：算法特点：是单纯形发的扩展，适用于不等式约束下的优化规划求解；是单纯形发的扩展，适用于不等式约束下的优化规划求解；是单纯形发的扩展，适用于不等式约束下的优化规划求解；是单纯形发的扩展，适用于不等式约束下的优化规划求解；属

26、于直接算法；仅利用顶点函数值的信息进行寻优，算法简单；属于直接算法；仅利用顶点函数值的信息进行寻优，算法简单；属于直接算法；仅利用顶点函数值的信息进行寻优，算法简单；属于直接算法；仅利用顶点函数值的信息进行寻优，算法简单；不需要进行一维搜索，存储量少，收敛速度较慢；不需要进行一维搜索，存储量少，收敛速度较慢；不需要进行一维搜索，存储量少，收敛速度较慢；不需要进行一维搜索，存储量少，收敛速度较慢；第三章第三章 优化设计优化设计14.14.罚函数法罚函数法罚函数法罚函数法 将有约束优化问题转化为一系列无约束优化问题将有约束优化问题转化为一系列无约束优化问题进行求解。进行求解。（Sequential

27、 Unconstrained Minimization Technique-SUMT）算法思想：算法思想：算法类型：算法类型：q 外点法（外惩法）外点法（外惩法）q 内点法（内惩法）内点法（内惩法）第四章第四章 可靠性设计可靠性设计一、相关基础概念一、相关基础概念一、相关基础概念一、相关基础概念1.1.可靠性：可靠性：产品产品在在规定规定的条件下的条件下和和规定的规定的时间内时间内，完成，完成规定功能规定功能的的能力能力。环境约束环境约束温度、介质、负载温度、介质、负载时变时变随机事件随机事件技术指标技术指标精度、稳定性精度、稳定性2.2.可靠度：可靠度：产品产品在在规定规定的条件下的条件下和

28、和规定的规定的时间内时间内，完成，完成规定功能规定功能的的概率概率。是是产品可靠性的产品可靠性的概率度量概率度量：Reliability第四章第四章 可靠性设计可靠性设计一、相关基础概念一、相关基础概念一、相关基础概念一、相关基础概念3.3.可靠性设计的特点可靠性设计的特点由由设计决定产品固有的可靠度设计决定产品固有的可靠度（RR的分配、预测）的分配、预测）将将设计变量设计变量视为随机变量并视为随机变量并用分布函数进行描述、计算用分布函数进行描述、计算以以强度大于应力法则强度大于应力法则来度量可靠性指标来度量可靠性指标用用安全度或失效率定量描述安全度或失效率定量描述产品的可靠性产品的可靠性第四

29、章第四章 可靠性设计可靠性设计4.4.失效率：失效率：(t)(t)失效率曲线与失效类型失效率曲线与失效类型 （1）早期失效期为递减型早期失效期为递减型。主要由于设计、制造、贮存、运输。主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、起动不当等人为因素造成。等形成的缺陷，以及调试、起动不当等人为因素造成。使产品失效率达到偶然失效期的时间使产品失效率达到偶然失效期的时间t0称为交付使用点。称为交付使用点。（2）偶然失效期为恒定型偶然失效期为恒定型。主要由非预期的过载、误操作、偶。主要由非预期的过载、误操作、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时期，称为有效寿命。偶然失效期是

30、能有效工作的时期，称为有效寿命。（3）耗损失效期，失效率是递增型耗损失效期，失效率是递增型。是由产品已经老化、疲劳、。是由产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的，故称为耗损失磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的，故称为耗损失效期。效期。第四章第四章 可靠性设计可靠性设计5.5.平均寿命：平均寿命：Mean LifeMean Life 一批产品从投入运行到发生失效的平均工作时间。一批产品从投入运行到发生失效的平均工作时间。MTTF：不可修复产品；从开始使用到发生失效的平均时间不可修复产品；从开始使用到发生失效的平均时间 MTBF：可修复产品；相邻两次故障间工作时间的

31、平均时间可修复产品；相邻两次故障间工作时间的平均时间6.6.维修度：维修度：Maintain abilityMaintain ability 规定条件下使用的产品，在规定时间内按规定程序和方法维修，规定条件下使用的产品，在规定时间内按规定程序和方法维修，保持或恢复到规定功能状态的概率。保持或恢复到规定功能状态的概率。7.7.有效度：有效度：AvailabilityAvailability 可修复产品，维持其功能在正常工作状态的概率。可修复产品，维持其功能在正常工作状态的概率。第四章第四章 可靠性设计可靠性设计二、常用分布函数：二、常用分布函数：二、常用分布函数：二、常用分布函数：指数分布指数分

32、布当当 时，产品寿命的密度函数时，产品寿命的密度函数 其其分布函数分布函数F(t)F(t)与可靠度与可靠度R(t)R(t)分布为分布为 这这个个分分布布函函数数为为指指数数分分布布，它它的的数数学学期期望望（即即：均值）为：均值）为：结论：结论：若产品寿命服从指数分布，其平均寿命为失效率的倒数若产品寿命服从指数分布，其平均寿命为失效率的倒数第四章第四章 可靠性设计可靠性设计三、应力三、应力三、应力三、应力-强度干涉模型强度干涉模型强度干涉模型强度干涉模型0应力应力-强度干涉模型强度干涉模型 g()f()f()g()干涉区干涉区第四章第四章 可靠性设计可靠性设计四、可靠度计算四、可靠度计算四、可

33、靠度计算四、可靠度计算o 现考虑整个应力区间内的情况，有强度大于现考虑整个应力区间内的情况，有强度大于 应力的概率（可靠度）为应力的概率（可靠度）为o 当已知应力和强度的概率密度函数时，根据当已知应力和强度的概率密度函数时，根据 以上表达式即可求得可靠度。以上表达式即可求得可靠度。若强度、应力符合正态分布若强度、应力符合正态分布若强度、应力符合正态分布若强度、应力符合正态分布 N(,)N(,)联结方程联结方程联结方程联结方程第四章第四章 可靠性设计可靠性设计四、可靠度计算四、可靠度计算四、可靠度计算四、可靠度计算结论：零件的安全度由可靠度和平均安全系数综合表征。结论：零件的安全度由可靠度和平均

34、安全系数综合表征。结论：零件的安全度由可靠度和平均安全系数综合表征。结论：零件的安全度由可靠度和平均安全系数综合表征。例：例：例：例：某发动机零件，其强度、应力服从正态分布，即：某发动机零件，其强度、应力服从正态分布，即：某发动机零件，其强度、应力服从正态分布，即：某发动机零件，其强度、应力服从正态分布，即：=N=N（820820，8080），），），），=N=N（350350，4040），单位为），单位为），单位为），单位为MpaMpa，试求该零件的安全度。，试求该零件的安全度。，试求该零件的安全度。，试求该零件的安全度。解：解：解：解：可靠性系数可靠性系数可靠性系数可靠性系数查表可知：查表

35、可知：查表可知：查表可知：此外，零件的平均安全系数：此外，零件的平均安全系数：此外，零件的平均安全系数：此外，零件的平均安全系数：有：有：有：有：第四章第四章 可靠性设计可靠性设计五、系统的可靠性预测五、系统的可靠性预测五、系统的可靠性预测五、系统的可靠性预测根据串联系统的定义及逻辑框图，其数学模型为：根据串联系统的定义及逻辑框图，其数学模型为：式中式中 R Rs s(t t)系统的可靠度；系统的可靠度；R Ri i(t t)第第i i个单元的可靠度。个单元的可靠度。(一一)串联系统的可靠度计算串联系统的可靠度计算 组成系统的所有单元中任一单元的故障就会导组成系统的所有单元中任一单元的故障就会

36、导致整个系统故障的系统称串联系统。致整个系统故障的系统称串联系统。它属于非贮它属于非贮备可靠性模型，其逻辑框图如图所示。备可靠性模型，其逻辑框图如图所示。1 12 23 3n n第四章第四章 可靠性设计可靠性设计若各单元的寿命分布均为指数分布，即若各单元的寿命分布均为指数分布，即 式中式中 s s 系统的故障率；系统的故障率；i i 各单元的故障率。各单元的故障率。例：由例：由4个单元串联组成的系统，单元的可靠度个单元串联组成的系统，单元的可靠度分别为：分别为：RA=0.9 RB=0.8 RC=0.7 RD=0.6,求系求系统的可靠度统的可靠度 RS RS=0.9 0.8 0.7 0.6=0.

37、3024第四章第四章 可靠性设计可靠性设计五、系统的可靠性预测五、系统的可靠性预测五、系统的可靠性预测五、系统的可靠性预测纯并联系统可靠度：纯并联系统可靠度：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表决系统可靠度为：表决系统可靠度为：R RS S=3R=3R 2R=3 2R=3 0.9=0.9=0.9720.972 一般公式：一般公式：n n中取中取k k系统的可靠度可按二项式系统的可靠度可按二项式分布计算分布计算 R(t)=R(t)=P Pn n(i)=(i)=C Cn ni i R Ri

38、 i F Fn-in-i第四章第四章 可靠性设计可靠性设计六、故障树分析六、故障树分析 故故障障树树是是一一种种特特殊殊的的倒倒立立树树状状逻逻辑辑因因果果关关系系图图，它它用用事事件件符符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。“底底事事件件”是是导导致致其其故故障障的的原原因因事事件件，位位于于所所讨讨论论故故障障树树底底端端。“结结果果事事件件”是是由由其其它它事事件件或或事事件件组组合合所所导导致致的的事事件件。它它总是总是位于某个逻辑门的输出端位于某个逻辑门的输出端。故障树的建立步骤故障树的建立步骤 ：1 1

39、）熟悉并分析对象；）熟悉并分析对象；2 2）选定顶事件；）选定顶事件；3 3）故障树的构造与简化；）故障树的构造与简化；4 4）计算分析；）计算分析；5 5）评价改进。）评价改进。第四章第四章 可靠性设计可靠性设计六、故障树的定性分析六、故障树的定性分析六、故障树的定性分析六、故障树的定性分析目的目的 寻找顶事件的原因事件及原因事件的组合（寻找顶事件的原因事件及原因事件的组合（最小割集最小割集）发现潜在的故障发现潜在的故障发现设计的薄弱环节，以便改进设计发现设计的薄弱环节，以便改进设计指导故障诊断，改进使用和维修方案指导故障诊断，改进使用和维修方案 割集、最小割集概念割集、最小割集概念割集：割

40、集：故障树中一些底事件的集合，当这些底事件同故障树中一些底事件的集合，当这些底事件同时发生时，顶事件必然发生；时发生时，顶事件必然发生；最小割集：最小割集：若将割集中所含的底事件任意去掉一个就若将割集中所含的底事件任意去掉一个就不再成为割集。不再成为割集。第四章第四章 可靠性设计可靠性设计 可靠性和可靠度的基本概念：可靠性和可靠度的基本概念：三个规定；能力；概率三个规定；能力；概率 可靠性设计的特点：可靠性设计的特点：4 4个方面个方面 指数分布：指数分布：偶然失效期内，平均寿命是失效率的倒数偶然失效期内，平均寿命是失效率的倒数。应力应力-强度干涉模型强度干涉模型:广义概念广义概念 零部件可靠

41、度计算零部件可靠度计算:正态分布；联结方程求解正态分布；联结方程求解 统计指标：统计指标：可靠度、累计失效概率、失效率、平均寿命可靠度、累计失效概率、失效率、平均寿命 系统可靠性预测系统可靠性预测:串联、并联、表决系统可靠度计算串联、并联、表决系统可靠度计算 故障树分析故障树分析:故障树、最小割集、最小路集的概念故障树、最小割集、最小路集的概念 故障树分析故障树分析:故障树的定性分析和定量计算故障树的定性分析和定量计算第五章第五章 有限元法有限元法一、有限元法的应用：一、有限元法的应用：一、有限元法的应用：一、有限元法的应用：工程领域工程领域工程领域工程领域1.1.平衡或稳态问题平衡或稳态问题

42、平衡或稳态问题平衡或稳态问题 就机械设计而言就机械设计而言就机械设计而言就机械设计而言,主要是主要是主要是主要是应力集中问题应力集中问题应力集中问题应力集中问题，如压力容器、复合，如压力容器、复合，如压力容器、复合，如压力容器、复合材料、联动机构和齿轮的应力分析（材料、联动机构和齿轮的应力分析（材料、联动机构和齿轮的应力分析（材料、联动机构和齿轮的应力分析（P89P89之图之图之图之图5-35-3：轮齿：轮齿：轮齿：轮齿）2.2.特征值问题特征值问题特征值问题特征值问题 是指结构的自然频率、振型以及稳定性等问题（是指结构的自然频率、振型以及稳定性等问题（是指结构的自然频率、振型以及稳定性等问题

43、（是指结构的自然频率、振型以及稳定性等问题（P89 P89 之图之图之图之图5-5-4 4：汽轮机叶片自振特性分析：汽轮机叶片自振特性分析：汽轮机叶片自振特性分析：汽轮机叶片自振特性分析）3.3.瞬态问题瞬态问题瞬态问题瞬态问题 是指动载荷作用下的断裂、应力波传播、结构对非周期性是指动载荷作用下的断裂、应力波传播、结构对非周期性是指动载荷作用下的断裂、应力波传播、结构对非周期性是指动载荷作用下的断裂、应力波传播、结构对非周期性载荷的响应等（载荷的响应等（载荷的响应等（载荷的响应等（P89 P89 之图之图之图之图5-55-5：流体的流线分布：流体的流线分布：流体的流线分布：流体的流线分布）二、

44、二、二、二、FEMFEM的基本步骤的基本步骤的基本步骤的基本步骤3.3.确定单元刚度系数，建立单元平衡方程确定单元刚度系数，建立单元平衡方程确定单元刚度系数，建立单元平衡方程确定单元刚度系数，建立单元平衡方程4.4.集成总体平衡方程集成总体平衡方程集成总体平衡方程集成总体平衡方程5.5.计入边界条件，解方程计入边界条件，解方程计入边界条件，解方程计入边界条件，解方程6.6.后处理计算：后处理计算：后处理计算：后处理计算：依据结点场变量的解，计算其他相关变量。依据结点场变量的解，计算其他相关变量。依据结点场变量的解，计算其他相关变量。依据结点场变量的解，计算其他相关变量。1.1.单元划分：单元划

45、分：单元划分：单元划分：依据基本场变量与坐标的关系，依据基本场变量与坐标的关系，依据基本场变量与坐标的关系，依据基本场变量与坐标的关系，选择合适的单元选择合适的单元选择合适的单元选择合适的单元，将求解，将求解，将求解，将求解域域域域离散离散离散离散成为仅靠结点相联接的成为仅靠结点相联接的成为仅靠结点相联接的成为仅靠结点相联接的有限个单元体有限个单元体有限个单元体有限个单元体。2.2.确定插值函数（形函数）确定插值函数（形函数）确定插值函数（形函数）确定插值函数（形函数）：形函数矩阵，与单元形状和插值形式有关形函数矩阵，与单元形状和插值形式有关形函数矩阵，与单元形状和插值形式有关形函数矩阵，与单

46、元形状和插值形式有关 形函数矩阵分量的数目应与单元的结点自由度数相同。形函数矩阵分量的数目应与单元的结点自由度数相同。形函数矩阵分量的数目应与单元的结点自由度数相同。形函数矩阵分量的数目应与单元的结点自由度数相同。三、三、三、三、总刚度矩阵的特性总刚度矩阵的特性总刚度矩阵的特性总刚度矩阵的特性3.3.奇异性：奇异性：奇异性：奇异性：计入边界条件前，计入边界条件前，计入边界条件前，计入边界条件前，KK为奇异矩阵。为奇异矩阵。为奇异矩阵。为奇异矩阵。1.1.对称性：对称性：对称性：对称性：4.4.对角线元素对角线元素对角线元素对角线元素K Kij ij为正。为正。为正。为正。2.2.稀疏性：稀疏性

47、：稀疏性：稀疏性：非零元素呈带状分布非零元素呈带状分布非零元素呈带状分布非零元素呈带状分布带宽带宽B=B=（相邻节点号的最大差值（相邻节点号的最大差值D+1D+1）*2*2第五章第五章 有限元法有限元法四四四四.前置处理前置处理前置处理前置处理 前置处理是在用有限元法进行结构分析之前，按所使用的前置处理是在用有限元法进行结构分析之前，按所使用的单元类型单元类型对结构进行剖分对结构进行剖分；根据要求；根据要求对结点进行顺序编号对结点进行顺序编号；输输入单元特性及结点坐标入单元特性及结点坐标；生成网格图象并显示。生成网格图象并显示。五后置处理五后置处理五后置处理五后置处理（1 1）数据输出：）数据

48、输出：将结点位移、单元应力按用户的要求输出规格化的数将结点位移、单元应力按用户的要求输出规格化的数据文件。据文件。（2 2）图形显示：）图形显示：包括包括有限元网格图、结构变形图、等值线图以及振型图有限元网格图、结构变形图、等值线图以及振型图等。等。第五章第五章 有限元法有限元法 有限元法的应用领域：有限元法的应用领域：平衡或稳态、特征值、瞬态问题平衡或稳态、特征值、瞬态问题 单元刚度系数的概念；整体刚度矩阵的特点（单元刚度系数的概念；整体刚度矩阵的特点（4 4个个）FEM FEM的基本求解步骤（的基本求解步骤（6 steps6 steps）带宽的概念与简单应用（带宽的概念与简单应用（P110

49、 5-3P110 5-3 ）有限元软件：有限元软件：前处理的主要功能前处理的主要功能 形函数的概念与特点（形函数的概念与特点（2 2个个）有限元软件有限元软件:后处理的主要内容后处理的主要内容第六章第六章 机械动态设计机械动态设计一、机理建模（一、机理建模（一、机理建模（一、机理建模（有限元法有限元法有限元法有限元法）1.1.基本思想基本思想基本思想基本思想结构离散化结构离散化虚功移置、最小势能原理虚功移置、最小势能原理单元动力方程单元动力方程公共结点位移相同公共结点位移相同组集系统动力方程组集系统动力方程引入边界条件引入边界条件系统动态数学模型系统动态数学模型2.2.单元动力学方程的建立单元

50、动力学方程的建立单元动力学方程的建立单元动力学方程的建立虚功移置虚功移置：原载荷与结点载荷在任意虚位移上所做的功相等：原载荷与结点载荷在任意虚位移上所做的功相等最小势能：最小势能：所有可能位移场中，真实位移场的总势能最小所有可能位移场中，真实位移场的总势能最小第六章第六章 机械动态设计机械动态设计3.3.整体结构动力学方程的建立整体结构动力学方程的建立整体结构动力学方程的建立整体结构动力学方程的建立基础基础：单元动力学方程的转换与组集。：单元动力学方程的转换与组集。坐标转换坐标转换：局部坐标系局部坐标系局部坐标系局部坐标系转换为转换为整体坐标系，整体坐标系，整体坐标系，整体坐标系，方向余弦矩阵