优化设计和可靠性设计

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形状特征是特征造型的主要部分,是其他特征 的载体,形状特征定义为一组唯一确定该特征的参 数,这组参数中有形状参数及定位参数。
精度特征可分为两类:一种是各几何元素本身 的要求,如尺寸公差、表面粗糙度等,另一种和其 他几何元素相关,即相对于基准的精度要求,如形 状及位置公差。
材料特征分为整体材料特征、表面处理特征及 局部处理特征,整体材料特征作为零件的属性,包 括材料种类代号、性能、热处理方法等,表面处理 特征作为表面的属性,包括表面淬火、渗碳、渗氮 等。
CAD与CAX集成技术
• CAD与CAX集成涉及建模技术、工程数据管理、数 据交换接口等技术。包括如下集成:

① CAD/CAE/CAPP/CAM--工程设计领域集成;

② CAD/ERP--与管理系统集成;

③ 异地、异构系统企业间CAD集成,如全
球化设计、虚拟设计、虚拟制造及虚拟企业等。
标准化技术 目的:支持异构、跨平台的工作环境。如:IGES (Initial Graghical Exchange System)图形交 换标准;STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)产品数据模型交换标准。
常用优化求解方法
一维搜索法
黄金分割法 多项式逼近法
梯度法(最速下降法)
无约束 非线性 规划算

间接法 直接法
牛顿法(二阶梯度法) DFP变尺度法
Powell法(方向加速) 单纯形法
网格法
有约束 非线性 规划算

直接法 间接法
随机方向法
复合形法
拉格郎日乘子法
罚函数法 可变容差法
2.3.2 可靠性设计
设:x,y,z为纸箱的长、宽、高,纸箱的定容积 为K
目标函数:maxf(x,y,z)
约束条件:x.y.z=k
a xyb c zxd nz H
数学模型的一般形式
实例可以看出,优化设计的数学模型由设计变 量、目标函数和约束条件三部分组成,可写成以
下统一形式:
设计变量
求变量x1,x2, …..,xn 使极小化函数f(x1,x2, …..,xn)
然、实时的感知,目前VR所需软硬件价格昂贵, 技术开发难度大 • 计算机安全 技术保密,防病毒感染
最优化设计
最优化设计是借助最优化数值计算方法和计算机 技术,求取工程问题的最优设计方案。
即:进行最优化设计时,首先必须将实际问 题加以数学描述,形成一组由数学表达式组成的 数学模型,然后选择一种最优化数值计算方法和 计算机程序,在计算机上运算求解,得到一组最 佳的设计参数。
Np(2400 ) 88
Hale Waihona Puke Baidu
失效率 表示产品工作到某一时刻后,在单 位时间内发生故障的概率λ(t),失效率愈 低,产品愈可靠,能决定每一时刻的可靠度。 由此可知,失效率是个条件概率。
(t)
t时刻附近单位时间失效的产品数 t时刻附近仍正常工作的产品数
lim F (t t) F (T )
t 0
R(t)t
单一数据库与相关性设计
• 单一数据库:与设计相关数据来自同一数据库,实现 产品相关性设计,提高设计质量,缩短开发周期。
• 相关性设计:任何设计改动,都将及时反映到其它相 关环节上。如:零件图-产品装配图-零件数控程序-二 维工程图;左视图-主视图-俯视图-三维实体模型;
NURBS曲面造型技术
NURBS(Non-Unifrom Rational B-Splines)可统一自由曲线/曲面和规则 曲线/曲面的数学模型,简化系统结构,有利于曲线、曲面操作和修改。
(1)可靠性的概念及其发展 产品的可靠性:在规定的条件和规定的时间内,
完成规定功能的能力。 二次大战美国空军由于故障而损失飞机达21000架,
比被击落的飞机多1.5倍。 可靠性是由美国航空部门提出,到了50年代电子
产品平均使用失效率达到了1×10-10-1×10-12 (1/h)水平。 60年代末建立了以强度-应力为基础的机械产品 可靠性模型。 目前,机械产品的可靠性设计已趋成熟。
采用经验可靠度R(t)=Np(t)/N
R(t t | t) N p (t t) / N N p (t t)
N p (t) / N
N p (t)
例子: 在某批产品N个中,已有88个正常工作2400小 时,在继续工作800小时,还有66个能正常工 作,问在这800小时中的可靠度是多少?
解:因为Np(t)=Np(2400)=88 Np(t+△t)=Np(2400+800)=66 所以 R(2400 800 | 2400) Np(2400 800 ) 66 75%
3 . 计算机辅助设计的研究热点
• 计算机辅助产品的概念设计 难题:建模和推理 • 计算机支持的协同设计 难题:信息实时可靠交
换;异构环境下可靠运行;通讯方法与手段 • 海量信息处理 存储、管理和检索技术 • 智能CAD技术:将人工智能技术与CAD技术融为
一体,难题:解决人类思维模型建立和表达 • CAD与虚拟现实(VR)技术的集成 • VR向设计者提供视觉、听觉、触觉等直观、自
2.1.2 现代设计技术体系
先进制造工艺
材料科学
自动化技术

系统管理技术
关 学
自然科学

政治经济
与 技
文化社会科学 术
市场营销学
……….
应用技术 支撑技术 主体技术 基础技术
各产品领域知识与技术 现代设计方法学 可信性设计技术 设计试验技术
计算机辅助设计技术
传统设计理论 与方法
现代设计技术体系结构框图
F(t) R(t)
失效率的观测值:
(t) n(t t) n(t)
N n(t)t
失效率 (t) 通常的单位是10-3/小时、
10-5/小时。对于高可靠性产品通常用10-9/小 时作单位,称为一个菲特(Fit),其含义: 1000个产品工作100万小时,只有一个可能 失效
失效率为一个时间的函数,用二维图形进行描 述,可以得到一条二维曲线。图2-6为典型的 失效率曲线
可靠性的基本要素: 1)规定的时间 2)规定的条件 3)规定的功能 (1)要求产品做什么 (2)产品进行工作的指标要求 4)能力
(2)可靠性设计的主要内容
• 故障机理和故障模型研究 研究产品元件材料老 化失效机理,掌握老化规律,揭示影响老化因素, 建立失效机理模型。 • 可靠性试验技术研究 试验是取得可靠性数据主 要来源,发现产品设计和研制阶段的问题,恰当 的试验方法有利于保证和提高产品的可靠性,能 够节省人力和费用。 • 可靠性水平的确定 制定相关产品的可靠性水平 等级,为产品的可靠性设计提供依据。
(3)可靠性设计的常用指标
• 产品的工作能力 产品完成规定功能所处的状态; 产品工作能力的耗损过程属于随机过程。产品在某 一时刻t时的工作能力,就是产品在t时刻所处的状 态。 • 可靠度 在规定条件和规定时间内完成规定功能 的 概 率 R(t) , 可 靠 度 愈 大 , 工 作 愈 可 靠 , 0≤R(t)≤1。 • 可靠度是累积分布函数,它表示在规定的时间内 圆满工作的产品占全部工作产品累积起来的百分数 。
1)优化设计的数学模型 实例1: 有一块边长为6m的正方形铝板,四角各裁去
一个小的方块,做成一个无盖的盒子。试确定裁 去的四个小方块的边长,以使做成的盒子具有最 大的容积。
解:设裁去的四个小方块的边长为x,则 盒子的容积可表示成x的函数
f(x)=x(6-2x)2
于是,上述问题可描述为
变量
x—设计变量
• 设计者的主导作用 计算机不可能完全取代人 进行设计作业;
• 主要辅助完成技术设计 不可能也没有必要涉 及产品设计的所有环节。
2. 计算机辅助设计的关键技术
产品的造型建模技术
• 线框模型:以顶点和棱边描述三维形体,为两表 结构;
• 表面模型:以表面描述形体方法,为三表结构; • 实体建模:能完整表示三维的几何信息和拓扑信
f(x)=x(6-2x)2—目标函数
g(x)=x>0 —约束条件
使函数 f(x)=x(6-2x)2 极大化
即对 f(x)= 6x-2x3 求导
f’(x)=1-x2=0
得出:x=1, -1
∵ x>0
∴ x=1 为所求解。
设计定容积瓦楞纸箱的尺寸,使其满足集装 箱的装箱量最大,并且瓦楞纸箱的长、宽、高比 例满足一定的要求,使其不形状怪异,易于为实 际所接受。
minF(X)
为了优化算法与处理程序的统一,可将目 标函数均规格化为求极小化问题,即
minF(X)=-maxF(X)或
mixF(x)=1/maxF(X)
(3)设计约束与可行域
优化设计不仅要使所选择方案的设计指标达 到最佳值,同时还必须满足一系列的附加设计条 件,这些附加设计都构成对设计变量取值的限制, 在优化设计中被称为设计约束。
F(X)=F(x1,x2,…,xn)T
优化设计的目的:按要求选择所需的设计变量, 使目标函数达到最佳值。最佳值可能是极大值, 也可能是极小值。如求产值最大、效率最高等问 题,属于求极大值问题,
maxF(X)
产品的重量最轻、成本最低等问题,即为 求目标函数的极小值问题,属于求目标函数的 极大值问题,记为
息,有扫描表示法、边界表示法、构造实体几何 法等结构形式; • 特征造型:以具有工程语义的各类特征来定义描 述形体的方法,便于CAD/CAM技术的集成。
特征就是描述产品信息的集合,也是构成零、 部件设计与制造的基本几何体,它既能反映零件的 几何信息,又反映了零件的加工工艺信息。常用的 零件特征包括:形状特征、精度特征、材料特征、 装配特征等。
N=1, 设计空间为一根实数轴,称为一维优 化问题
N=2, 设计空间为一平面, 化问题
称为二维优
N=3, 体。
设计空间为三维立体, 称为三维立
N>3, 设计空间为超越空间。
一个设计方案相当于设计空间中的一个点。
(2)目标函数
每一个设计问题,都有一个或多个设计中所追 求的目标。用设计变量的函数来表示。目标函数是 准则性函数,又称为评价函数。可表示为:
1.计算机辅助设计的基本概念
CAD技术主要功能
• 零件造型、产品装配 • 产品渲染、动态显示、运动仿真 • 工程分析,如有限元分析、优化设计、可靠 性设计 • 绘制工程图样、编制物料清单(BOM)
CAD技术特征
• 计算机的支持和参与 利用计算机信息存储、 逻辑推理、长时间重复工作、快速精确的计算 等能力和特长,提高产品设计效率和质量;
设有N个相同的产品在相同的条件下工作,到任
一给定的工作时间t时,累积有Nf(t)个产品 失效,剩下Np(t)个产品仍能正常工作。那 么,该产品到时间t的可靠度R(t)为
R(t) N p (t) N N f (t) 1 N f (t)
N
N
N
R(t) t f (t).dt
思考:如何计算产品在正常运行一定时间 后再正常运行一段时间的可靠度?
满足约束条件
目标函数 不等式约束条件
gu(x1,x2,…..,xn)≤0 hv(x1,x2,…..,xn)=0
(u=1,2,…m)
(v=1,2,…p)
等式约束条件
(1)设计变量
设计变量的不同参数表示不同的设计方案。 设计变量必须是一组相互独立的变量,将其表示 成X,即:X=(x1,x2,…,xn)T 其中n是设计变量的个数,也称为维数。 设计变量的取值:一是连续变化量,另一是离散 量比如齿轮的模数。 由n个设计变量所组成一个向量空间,称之为设 计空间。
x1
2)优化方法的分类 按目标函数数量:单目标优化和多目标优化
按设计变量数量(n): n=2-10 小型优化 n=10-50 中型优化 n>50 大型优化
按约束条件: 无约束优化和有约束优化;
求解方法: 准则法、数学规划法
线性规划、非线性规划和动态规划。
3)优化设计的步骤
• 设计对象的分析 • 设计变量和设计约束条件的确定 • 目标函数的建立、 • 合适的优化计算方法的选择 • 优化结果分析
设计约束有两种:一种是不等式约束,另一种是 等式约束。
不等式约束形式:gu(x)<=0或gu(x)>=0
等式约束形式: hv(x)=0
由于设计约束的存在,在整个设计 空间范围内被分为可行域和非可行域两 个不同的区域。
x2 g(X)>0
非可行域 g(X)=0
g(X)<0 可行域
0
约束变量影响设计空间可行域
2-6典型的失效率曲线
1)早期失效阶段
磨合阶段,原因是产品内部存在缺陷和工艺质量欠佳。 让成品在上市前模拟工作条件运行一段时间,可以剔 除早期失效产品
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