产品优化设计
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例： shredder 齿轮，吹吸机扳手
优化设计的工具
优化设计需要的工具： • 计算机是基础：特别是复杂的实际 • 结构优化设计程序系统；如 MOLD FLOW ,ANSYS, ELFINI，ACCESS等。 • 科学，原理等； 步骤为
①建立数学模型。 ②选择最优化算法。 ③程序设计。 ④制定目标要求。 ⑤计算机自动筛选最优设计方案等。通常采用的最优化算法是逐步逼近法， 有线性规划和非线性规划。
• 评价方法 评分法 技术经济评价法 模糊评价法
如何开展产品优化设计
总体设计的评价：评分法 例：割草机的电机组件：技术指标两项：额定功率转速，温升；经济指标 成本；
0.5 额定功率 转速
0.2 成本
0.3 温升
0.8 性能
评价目标
成本RMB
理想值
65
优等值
70
及格指
75
加权系数
0.2
实际值 A 72
环节多、结构复杂 原材料贵重、消耗量大
工艺复杂或落后 次品率、废品率高
产品市场竞争激烈 产品市场趋于饱和
产品返修率高 产品赔偿率、退换率高
效果显著，具有各种改善条件 有改善潜力
情报资料齐全 无需大量人力物力财力，牵涉面不广
如何开展产品优化设计
优化对象的确定： • 从技术角度选择优化对象
综合分析法 1.通过对产品进行技术分析，找出能放映产品技术水平的各个指标并确定 其在产品中的重要程度 2.根据产品的具体运行情况对各项技术指标打分 3.将产品的各项技术指标得分值与其权重相乘，得出各项指标的加权分值 4.将各项加权指标的加权分值汇总，据其高低确定其优化对象。
新产品导入
新产品导入
新产品导入
一 优化设计含义 机械产品的传统设计方法，是根据产品的功能要求与使用条件，通过估算，
类比或实验确定设计方案，然后进行强度、刚度、稳定性和动态特性等的分析 验算，如果达不到要求，则修改有关参数，再进行验算，直至满足设计要求， 这种设计方法不仅消耗大量的时间与精力，而且最终方案也是一种可行方案， 并不是最佳方案。
如何提高这方面的能力
最优化设计需要的技能： • 具有一定的创新思维； • 要有一定理论基础； • 对常规的机械结构有一定的了解 如何提高： • 多留意周边的新产品，新结构 • 遇到问题要去考虑其原理是什么？根本原因是什么？ • 经常参与讨论，讨论中会加快大脑的思考 • 对新的结构要进行举一反三的思考。 • 对产品设计的功能要考虑组合后的好处。
产品优化设计
• 什么是产品优化设计 • 产品优化设计的领域；包括的内容 • 如何开展产品优化设计 • 产品优化设计在我们公司的运用情况 • 产品的结构设计优化 • 如何进行产品结构设计优化 • 进行产品优化设计我们需要具有哪些技能
结构优化设计
面对一项设计任务，设计者总是尽最大努力使所设计的 产品的结构最合理、用料最省、能耗最小、成本最低、工 作性能最好。这些都是设计中的最优化的要求，它是设计 工作的一个基本问题。
--用户评估法 ：角磨， • 功能评价指数法：功能和成本的指数，有利于定位产品区域。STP
如何开展产品优化设计
总体设计的评价：
• 基本术语
1. 评价目标：技术评价目标
经济评价目标 社会评价目标
性能指标、工艺性、可靠性…. 成本、利润、投资回报期…. 品牌影响、环境污染、能源….
2.加权系数：定量评价时，根据目标的相对重要性设置加权系数。 评价目标树: 总目标分解为不同一级子目标及各自的加权系数。一级子目标分 解为二级子目标及各自的加权系数….，最后形成评价目标树
如何开展产品优化设计
优化对象的确定：
• 从技术角度选择优化对象
经验分析法 邀请多位熟悉企业生产、工艺和产品设计的人员，通过集体 研究，凭借专家个人的经验及掌握的大量信息，对企业的生产过程等各种技术 问题和产品设计情况进行全面的分析并确定优化对象。
设计方面
生产方面
优化对象
销售方面 品质方面
效果方面
难易方面
技术角度：设计、品质、生产工艺、销售方面 3.方案设计：连接概念； 电机: 25叠，30叠风叶；头部新开、头部不开； 直接插入，螺纹紧固， 4.方案评价：
我们公司的产品优化过程：SHREDDER
机构优化设计
机构优化设计：机构是具有确定运动的构件系统，用于运动的传递 和变换，它是机械产品最基本的运动单元。机构设计是机械设计中最 基础的问题。常用的机构包括齿轮传动机构，凸轮机构、平面连杆机 构、空间连杆机构等。
操作性
工艺性
安全性
维修性
生产效率
A
5
7
8
6
7
7
B
6
8
7
8
9
8
C
指标加权评分类表
技术指标 可靠性 操作性 工艺性 结构
安全性 维修性 生产效 加权总评
率
分
A
1.25 1.05
1.2
1.2
0.7
1.05
6.45
B
1.5
1.2
1.05
1.6
0.9
1.2
7.55
如何开展产品优化设计
优化对象的确定：
• 从技术角度选择优化对象
•
产品的结构优化
•
产品制造的优化
如何开展产品优化设计
明确总体设计优化目标： • 提高产品的功能值，降低成本，寻找最大的价值系数，是总体设计 优化的目标
总体设计优化的过程: • 确定优化对象 ： 通过分析找出关键点，通过对关键指标，关键零部 件，关键系统的优化带动全局的优化。 • 建立优化方案 • 优化方案的评选： 主要功能处于待完善状态，主要功能是评价的重 点；主要功能满足的情况下，辅助功能是评价的重点；经济性能永远是 评价的重点。
• 从经济角度选择优化对象
1. 成本百分比法 根据各部分费用占总费用所占总费用的比重，选择比重 较大的作为优化对象：成本——利润
2. ABC分类法 它根据不同零部件的局部成本所占总成本的大小来选择优 化分析对象，通常把数量占总数10%-20%，而成本确占70%-80%的零部件称 为A类项目，把零件数量占60%-80%，而成本却占总额的10%-20%，称为C类 项目，其余为B类，ABC法就是把零部件按零部件成本比重大小顺序排列，选 择A作为重点分析对象
机构运动分析包括机构的位置、速度和加速度分析。
机构设计的主要过程如下：
• 根据产品的功能要求进行机构类型的选择。 • 确定机构运动的形式。 • 根据运动学和动力学方面的要求进行机构的运动学和动力学分析， 确定机构和机构长度、支点位置等几何参数，质量质点位置等物理参 数。
• 进行机构的结构强度和工艺设计。 例：shredder 的开关结构，锁紧结构，打草机的护罩， 离合器，
机构优化设计
零件优化设计
机械零件优化设计： 机械零件设计就是确定零件的材料，结构和尺寸参数，使零件满 足有关设计和性能方面的要求。机械零件除一般要满足强度、刚 度、寿命、稳定性、公差等级等方面要求，还要满足材料成本、 加工费用等方面的经济性要求。 常规的机械零件设计方法包括：理论设计、经验设计和模型试验 设计等方法 理论计算：根据现有的设计理论和实验数据进行机械零件的设计。 经验设计：根据现有同类零件长期设计经验积累而得到的 经验 公式进行零件设计，或者依据现有同类零件而进行的类比设计。 模型设计：当难以用理论计算的情况下，根据零件按照一定的比 例进行加工进行试验，确认功能可行性等。
式中 为目标函数，希望其极小化； 和 为不等式和等式约束函数；X 为设计 变量，共有n个分量。问题（1）的解 即为最优设计方案。 三 优化问题的类型
优化问题类型很多，从不同的出发点可做出各种不同的分类。 按目标函数多少分：单目标优化，多目标优化 按设计变量多少分：一维优化，多维优化 按有无约束分：无约束优化，有约束优化 按目标函数、约束函数的形态分：线性优化，非线性优化
机械优化设计就是把机械设计与数学规划理论及方法相结合，借助电子计算 机，寻求最优设计方案和最佳设计参数。 二 优化设计的数学模型
在进行机械产品的优化设计过程中，首先是建立优化设计的数学模型。数学 模型是用于描述设计意图，设计要求及设计参数间关系的数学表达式，它由目 标函数、约束条件及设计变量三要素组成，一般形式为：
3.功能成本双重比例分析法
- 功能比重=项目功能得分/总功能得分
- 成本比重=项目成本/总成本
- 功能成本平均比重=（功能比重+成本比重）/2
如何开展产品优化设计
优化对象的确定：
• 从技术角度选择优化对象 • 从经济角度选择优化对象 • 从市场分析角度选择优化对象
-- 产品寿命周期法 根据产品寿命阶段来选择优化对象，当产品在市场上逐 步进入退让期时，企业应及时对产品进行优化，投入新技术和新功能让其升级 为新产品。
产品优化设计
优化设计涉及的领域：
•
组织框架，流程建设
•
航空、民建
•
生活用品、家电、软件等所有需要用脑力和智慧去开展的工作。
优化设计的方向:一般说来，可以将科学、实用、安全、经济、美观、新颖 作为设计评价的基本原则，并以此作为优化设计的方向
产品优化设计的内容:
•
产品的功能（产品概念）优化
•
产品的原理（产品方案）优化
额定功率转 速RPM 2600 2500 2300 0.5 2550
温升K
70 80 90 0.3 80
电机组件
B 69 C 65
2300
75
2450
90
如何开展产品优化设计
总体设计的优化 根据对总体设计中关键部位的评价结果，寻出问题所在，然后运用创新思 维原理与方法，寻找该方案的优化解，达到总体方案优化的目的，也可以在设 计初就建立几种方案，然后通过评价，选出最佳方案。 例：设计低成本的，满足安全性能，认证要求和使用的280mm的打草机 1.明确优化设计优化目标 2.确定优化对象：经济角度：ABC，头部，手柄是否开模，风叶
技术指性 安全性
15
15
20
维修性 10
生产效率 15
如何开展产品优化设计
综合分析法
技术指标 可靠性 权重（%） 25
各技术指标的权重表
操作性 工艺性 安全性
15
15
20
维修性 10
生产效率 15
各技术指标的评分表（10分法）
技术指标 可靠性 结构
所谓优化设计，就是以数学最优化理论为基础，在满足 给定的各种约束条件的前提下，合理地选择设计变量数值， 以获得在一定意义上的最佳方案的设计方法。
结构优化设计
优化设计概念：在一定的约束情况下，即满足各种设计条 件时，利用数值优化计算方法得到产品的最佳设计值。利 用优化设计，直接提高产品设计性能、降低产品成本的有 效设计方法。优化设计可给企业带来直接的经济效益，从 而提高企业产品的竞争能力。
优化设计的工具
优化设计需要的工具： • 计算机是基础：特别是复杂的实际 • 结构优化设计程序系统；如 MOLD FLOW ,ANSYS, ELFINI，ACCESS等。 • 科学，原理等； 步骤为
①建立数学模型。 ②选择最优化算法。 ③程序设计。 ④制定目标要求。 ⑤计算机自动筛选最优设计方案等。通常采用的最优化算法是逐步逼近法， 有线性规划和非线性规划。
• 评价方法 评分法 技术经济评价法 模糊评价法
如何开展产品优化设计
总体设计的评价：评分法 例：割草机的电机组件：技术指标两项：额定功率转速，温升；经济指标 成本；
0.5 额定功率 转速
0.2 成本
0.3 温升
0.8 性能
评价目标
成本RMB
理想值
65
优等值
70
及格指
75
加权系数
0.2
实际值 A 72
环节多、结构复杂 原材料贵重、消耗量大
工艺复杂或落后 次品率、废品率高
产品市场竞争激烈 产品市场趋于饱和
产品返修率高 产品赔偿率、退换率高
效果显著，具有各种改善条件 有改善潜力
情报资料齐全 无需大量人力物力财力，牵涉面不广
如何开展产品优化设计
优化对象的确定： • 从技术角度选择优化对象
综合分析法 1.通过对产品进行技术分析，找出能放映产品技术水平的各个指标并确定 其在产品中的重要程度 2.根据产品的具体运行情况对各项技术指标打分 3.将产品的各项技术指标得分值与其权重相乘，得出各项指标的加权分值 4.将各项加权指标的加权分值汇总，据其高低确定其优化对象。
新产品导入
新产品导入
新产品导入
一 优化设计含义 机械产品的传统设计方法，是根据产品的功能要求与使用条件，通过估算，
类比或实验确定设计方案，然后进行强度、刚度、稳定性和动态特性等的分析 验算，如果达不到要求，则修改有关参数，再进行验算，直至满足设计要求， 这种设计方法不仅消耗大量的时间与精力，而且最终方案也是一种可行方案， 并不是最佳方案。
如何提高这方面的能力
最优化设计需要的技能： • 具有一定的创新思维； • 要有一定理论基础； • 对常规的机械结构有一定的了解 如何提高： • 多留意周边的新产品，新结构 • 遇到问题要去考虑其原理是什么？根本原因是什么？ • 经常参与讨论，讨论中会加快大脑的思考 • 对新的结构要进行举一反三的思考。 • 对产品设计的功能要考虑组合后的好处。
产品优化设计
• 什么是产品优化设计 • 产品优化设计的领域；包括的内容 • 如何开展产品优化设计 • 产品优化设计在我们公司的运用情况 • 产品的结构设计优化 • 如何进行产品结构设计优化 • 进行产品优化设计我们需要具有哪些技能
结构优化设计
面对一项设计任务，设计者总是尽最大努力使所设计的 产品的结构最合理、用料最省、能耗最小、成本最低、工 作性能最好。这些都是设计中的最优化的要求，它是设计 工作的一个基本问题。
--用户评估法 ：角磨， • 功能评价指数法：功能和成本的指数，有利于定位产品区域。STP
如何开展产品优化设计
总体设计的评价：
• 基本术语
1. 评价目标：技术评价目标
经济评价目标 社会评价目标
性能指标、工艺性、可靠性…. 成本、利润、投资回报期…. 品牌影响、环境污染、能源….
2.加权系数：定量评价时，根据目标的相对重要性设置加权系数。 评价目标树: 总目标分解为不同一级子目标及各自的加权系数。一级子目标分 解为二级子目标及各自的加权系数….，最后形成评价目标树
如何开展产品优化设计
优化对象的确定：
• 从技术角度选择优化对象
经验分析法 邀请多位熟悉企业生产、工艺和产品设计的人员，通过集体 研究，凭借专家个人的经验及掌握的大量信息，对企业的生产过程等各种技术 问题和产品设计情况进行全面的分析并确定优化对象。
设计方面
生产方面
优化对象
销售方面 品质方面
效果方面
难易方面
技术角度：设计、品质、生产工艺、销售方面 3.方案设计：连接概念； 电机: 25叠，30叠风叶；头部新开、头部不开； 直接插入，螺纹紧固， 4.方案评价：
我们公司的产品优化过程：SHREDDER
机构优化设计
机构优化设计：机构是具有确定运动的构件系统，用于运动的传递 和变换，它是机械产品最基本的运动单元。机构设计是机械设计中最 基础的问题。常用的机构包括齿轮传动机构，凸轮机构、平面连杆机 构、空间连杆机构等。
操作性
工艺性
安全性
维修性
生产效率
A
5
7
8
6
7
7
B
6
8
7
8
9
8
C
指标加权评分类表
技术指标 可靠性 操作性 工艺性 结构
安全性 维修性 生产效 加权总评
率
分
A
1.25 1.05
1.2
1.2
0.7
1.05
6.45
B
1.5
1.2
1.05
1.6
0.9
1.2
7.55
如何开展产品优化设计
优化对象的确定：
• 从技术角度选择优化对象
•
产品的结构优化
•
产品制造的优化
如何开展产品优化设计
明确总体设计优化目标： • 提高产品的功能值，降低成本，寻找最大的价值系数，是总体设计 优化的目标
总体设计优化的过程: • 确定优化对象 ： 通过分析找出关键点，通过对关键指标，关键零部 件，关键系统的优化带动全局的优化。 • 建立优化方案 • 优化方案的评选： 主要功能处于待完善状态，主要功能是评价的重 点；主要功能满足的情况下，辅助功能是评价的重点；经济性能永远是 评价的重点。
• 从经济角度选择优化对象
1. 成本百分比法 根据各部分费用占总费用所占总费用的比重，选择比重 较大的作为优化对象：成本——利润
2. ABC分类法 它根据不同零部件的局部成本所占总成本的大小来选择优 化分析对象，通常把数量占总数10%-20%，而成本确占70%-80%的零部件称 为A类项目，把零件数量占60%-80%，而成本却占总额的10%-20%，称为C类 项目，其余为B类，ABC法就是把零部件按零部件成本比重大小顺序排列，选 择A作为重点分析对象
机构运动分析包括机构的位置、速度和加速度分析。
机构设计的主要过程如下：
• 根据产品的功能要求进行机构类型的选择。 • 确定机构运动的形式。 • 根据运动学和动力学方面的要求进行机构的运动学和动力学分析， 确定机构和机构长度、支点位置等几何参数，质量质点位置等物理参 数。
• 进行机构的结构强度和工艺设计。 例：shredder 的开关结构，锁紧结构，打草机的护罩， 离合器，
机构优化设计
零件优化设计
机械零件优化设计： 机械零件设计就是确定零件的材料，结构和尺寸参数，使零件满 足有关设计和性能方面的要求。机械零件除一般要满足强度、刚 度、寿命、稳定性、公差等级等方面要求，还要满足材料成本、 加工费用等方面的经济性要求。 常规的机械零件设计方法包括：理论设计、经验设计和模型试验 设计等方法 理论计算：根据现有的设计理论和实验数据进行机械零件的设计。 经验设计：根据现有同类零件长期设计经验积累而得到的 经验 公式进行零件设计，或者依据现有同类零件而进行的类比设计。 模型设计：当难以用理论计算的情况下，根据零件按照一定的比 例进行加工进行试验，确认功能可行性等。
式中 为目标函数，希望其极小化； 和 为不等式和等式约束函数；X 为设计 变量，共有n个分量。问题（1）的解 即为最优设计方案。 三 优化问题的类型
优化问题类型很多，从不同的出发点可做出各种不同的分类。 按目标函数多少分：单目标优化，多目标优化 按设计变量多少分：一维优化，多维优化 按有无约束分：无约束优化，有约束优化 按目标函数、约束函数的形态分：线性优化，非线性优化
机械优化设计就是把机械设计与数学规划理论及方法相结合，借助电子计算 机，寻求最优设计方案和最佳设计参数。 二 优化设计的数学模型
在进行机械产品的优化设计过程中，首先是建立优化设计的数学模型。数学 模型是用于描述设计意图，设计要求及设计参数间关系的数学表达式，它由目 标函数、约束条件及设计变量三要素组成，一般形式为：
3.功能成本双重比例分析法
- 功能比重=项目功能得分/总功能得分
- 成本比重=项目成本/总成本
- 功能成本平均比重=（功能比重+成本比重）/2
如何开展产品优化设计
优化对象的确定：
• 从技术角度选择优化对象 • 从经济角度选择优化对象 • 从市场分析角度选择优化对象
-- 产品寿命周期法 根据产品寿命阶段来选择优化对象，当产品在市场上逐 步进入退让期时，企业应及时对产品进行优化，投入新技术和新功能让其升级 为新产品。
产品优化设计
优化设计涉及的领域：
•
组织框架，流程建设
•
航空、民建
•
生活用品、家电、软件等所有需要用脑力和智慧去开展的工作。
优化设计的方向:一般说来，可以将科学、实用、安全、经济、美观、新颖 作为设计评价的基本原则，并以此作为优化设计的方向
产品优化设计的内容:
•
产品的功能（产品概念）优化
•
产品的原理（产品方案）优化
额定功率转 速RPM 2600 2500 2300 0.5 2550
温升K
70 80 90 0.3 80
电机组件
B 69 C 65
2300
75
2450
90
如何开展产品优化设计
总体设计的优化 根据对总体设计中关键部位的评价结果，寻出问题所在，然后运用创新思 维原理与方法，寻找该方案的优化解，达到总体方案优化的目的，也可以在设 计初就建立几种方案，然后通过评价，选出最佳方案。 例：设计低成本的，满足安全性能，认证要求和使用的280mm的打草机 1.明确优化设计优化目标 2.确定优化对象：经济角度：ABC，头部，手柄是否开模，风叶
技术指性 安全性
15
15
20
维修性 10
生产效率 15
如何开展产品优化设计
综合分析法
技术指标 可靠性 权重（%） 25
各技术指标的权重表
操作性 工艺性 安全性
15
15
20
维修性 10
生产效率 15
各技术指标的评分表（10分法）
技术指标 可靠性 结构
所谓优化设计，就是以数学最优化理论为基础，在满足 给定的各种约束条件的前提下，合理地选择设计变量数值， 以获得在一定意义上的最佳方案的设计方法。
结构优化设计
优化设计概念：在一定的约束情况下，即满足各种设计条 件时，利用数值优化计算方法得到产品的最佳设计值。利 用优化设计，直接提高产品设计性能、降低产品成本的有 效设计方法。优化设计可给企业带来直接的经济效益，从 而提高企业产品的竞争能力。