modern design REVIEW

现代设计方法宁夏大学机械工程学院朱学军ModernDesignMethodologyREVIEW第一章绪论1.从传统设计到现代设计自动设计综合而言:手工设计静态设计动态设计安全设计优化设计并行设计串行设计定性设计定量设计人类设计经历的阶段直觉设计阶段经验设计阶段半理论半经验设计阶段2.现代设计的主要特点系统性:2种体系,即:设计方法学、创造性设计法。社会性：面向市场、面向社会解决产品生命周期中的问题。创造性：发散思维、激励创新，获取最优方案，改变品质。最优化：规划建模，选择方法，定性、定量地寻求最优解。动态化：多变量、离散化的可靠性设计，逼近实际工况。宜人性：内在品质实用性与外观质量的艺术性相结合。智能化：信息的综合运用，高智能化的产品。仿人、仿生CA化：CAD、CAPP、CAM、CAE、PDMCIMS第一章绪论3.机械产品设计1）现代机械信息网络协调、控制动力学任务机电一体化伺服系统Servosystem:akindofautomaticcontrolsystem,whichcanbeusedtocontroldisplacementorangleofamachine.第一章绪论3.机械产品设计第一章绪论2）设计类型：开发性设计适应性设计变型设计3）机械产品的设计过程：五个阶段产品规划(概念设计)总体方案设计结构技术设计生产施工设计(工艺设计)改进设计第一章绪论4.价值工程（VE）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，籍以提高其价值，是着重于功能研究的、有组织的活动。中心：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户所需的必要功能。功能：C=C1+C2（C：寿命周期成本；C1：生产成本；C2：使用成本）寿命周期成本：第一章绪论5.并行工程（ConcurrentEngineering——CE）定义：1988年，美国国防部防卫分析研究所（IDA）发表R338报告：并行工程（CE）是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品全生命周期（从概念形成到产品报废）中所有的因素，包括质量、成本、进度与用户需求。注：支持过程——包括对制造过程的支持（原材料的获取,中间产品的库存，工艺过程设计，生产计划制定…）和使用过程的支持（产品销售，使用维护，售后服务，产品报废后的处理…）CE的核心是产品及其相关过程（加工工艺、装配、检测、质量控制、销售、售后服务…）设计的集成。各活动间的关系可归纳为：串行依赖、并行独立、交互耦合。基本特征主要技术特点产品开发过程的并行重组支持并行设计的群组工作方式统一的产品信息模型基于时间的决策分布式的软、硬环境开放式的系统界面缩短新产品开发周期40～60%；提高设计质量（早期生产中工程变更次数减小一半以上，产品报废及反复工作减小75%）；制造成本下降30～40%。CE的效益5.并行工程（ConcurrentEngineering——CE）第二章设计方法学1.主要研究内容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、设计思维、工作方法、设计工具的综合性学科。对具体的产品设计而言，具有方法论的性质。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。2.主要研究对象设计对象：能够实现一定技术过程的技术系统。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。设计评价：多目标优化规划——最佳设计方案的确定。设计思维：激发、培养创新思维的能力和方法。设计工具：信息集约——Database，调用、参考。现代设计理论和方法应用：完善方法论，推广、应用。第二章设计方法学3.技术系统的一般性定义技术系统：针对作业对象,完成某种技术过程的支持系统。作业对象：物料(Materiel)、能量(Energy)、信息(Information)。举例：坯料是作业对象；加工中心是技术系统；加工是技术过程。4.技术过程的确定；5Steps分析作业对象及其转换要求；分析实现转换的工作原理；明确实现技术过程的环境和约束条件；明确主要技术过程和其他辅助过程；划定技术系统的边界（工作范围）。第二章设计方法学5.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。作业单元：转换的实现；控制单元：采集、处理并输出控制信息；动力单元：能量的转换、传递、分配；检测单元：反馈信息；结构单元：系统各部分的联接、支承。6.其他环节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；调研预测：市场、技术、社会环境、企业内部；设计可行的依据；可行性报告：系统化产品设计的初步开发依据。第二章设计方法学7.典型系统化设计的综合过程并行设计组技术、经济社会目标评价最优方案信息集约调研预测可行性报告功能分析功能元求解方案综合组合方案第三章优化设计1.最优化与优化设计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。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的现代设计方法。优化设计的主要内容•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。第三章优化设计构成模型的三大要素：•设计变量：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。•约束条件：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）按表达式分为：等式约束；不等式约束•目标函数：使设计得以优化的函数，又称评价函数。2.优化设计的数学模型第三章优化设计3.求解优化设计问题的基本方法4.优化设计的迭代终止准则1)()1(kkxx2)()1()()(kkxfxf3)()(kxf解析解法：利用微分或变分法求解精确理论解数值解法：利用数学规划理论求解•中心思想：搜索，迭代，逼近•迭代公式：)()()()1(kkkkSxx近似解第三章优化设计5.偏导数、方向导数、梯度偏导数（；）：是目标函数沿某一坐标轴方向函数值的变化率。ixxf)(22)(ixxf方向导数（）：是目标函数在设计空间任意点p处，沿任意方向S的函数值变化率。pSxf)(梯度（）：•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；•是目标函数值变化最快的方向。Tnxfxfxfxfxgradf21,)()(第三章优化设计5.偏导数、方向导数、梯度梯度、方向导数的关系iniioxfxSfcos1SxfTo)(),cos()(Sfxfo示例：求在处的梯度和方向导数的最大值。524)(212221xxxxxfTox0,0第三章优化设计6.无约束求取极值的充要条件必要条件：0,,)(21*Tnxfxfxfxf充分条件：)()(*2xfxH正定即：要求HESSIAN矩阵的行列式，各阶主子式的值大于零。例：求522)(1212222141xxxxxxxf的极小值。0)(*xf;11*Tx24410)(xH正定且故4)(*xf第三章优化设计7.凸集、凸函数和凸规划定义：对任意的一个集合R，若且有时，等式，则称R为一凸集。RxRx21,10aRyxaax21)1(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集合R，则称R为一凸集。凸集：第三章优化设计7.凸集、凸函数和凸规划函数凸性的判断：利用不等式判断：若Rn为凸集，有任意的x1∈Rn，x2∈Rn，且不等式)()()()(11212xfxxxfxfT恒成立，则f(x)是定义在Rn上的凸函数。若)()()()(11212xfxxxfxfT成立，则f(x)是严格凸函数。利用Hessian矩阵判断：若Rn为凸集，f(x)具有连续二阶偏导数，且H(x)半正定（即:H(x)各阶主子式的值均大于等于0），则f(x)是定义在Rn上的凸函数。若Hessian矩阵H(x)正定（即H(x)各阶主子式的值均大于0），则f(x)是定义在Rn上的严格凸函数。第三章优化设计★例：试判断124)(2221xxxf是否为凸函数，其中.0)(;0)(2211xxgxxg7.凸集、凸函数和凸规划凸规划：目标函数、约束函数都是定义在凸集上的凸函数，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。第三章优化设计8.区间消去法原理：确定搜索区间的外推法一维搜索方法：试探法（0.618法）、插值法（二次）第三章优化设计9.（一阶）梯度法：最速下降法锯齿现象，其等值面近似数可以用二次函数近似在极小点附近，目标函椭球面。1x*x2x3x它只是。标函数的一种局部性质最速下降方向反映了目快的方向。局部目标函数值下降最注第三章优化设计10.共轭梯度法1）共轭方向的基本性质。，令精度要求，任取初始点1.1)1(kxstep为所求极小点；停止，若令)1(1)1(1,||||,)(.2xgxfgstep。令，）计算利用公式（否则，令)1(1)1()2(11)1(3,SxxgS为所求极小点；停止，若令)1(1)1(1,||||,)(.3kkkkxgxfgstep为：其中否则，令kkkkkSgd,)(1)1(。转，令计算3,.4)()()1(kkkkkSxxstep。令1:kk221||||||||kkkgg2）共轭梯度法的主要特点第三章优化设计11.Newton法：对二次型函数一次收敛算法步骤0:,0.10kxstep，精度给定初始点10)()(.3kkkkxxxHgxQstep解出由方程组)()(.22kkkkxfHxfgstep和计算。可逆时，当kkkkkgHxxH11;,||)(||.41*1kkxxxfstep停止，若。转令，否则2,1:stepkk第三章优化设计12.变尺度法：拟Newton法）收敛速度要快（的计算量要小）（质）迭代公式具有下降性（的要求：对321)3kkHH0kH)HHH(HHHkkkkkk111kkGH则有记,,11kkkkkkxxsggykkkkkxxggH111)(kkksyH1第三章优化设计13.复合形法基本思想：在可行域中，构造具有k个顶点的复合形（）通过顶点函数值的比较，采用反射、延伸、收缩、压缩等搜索策略，改变复合形的形状，逼近约束最优解。nkn21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；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；第三章优化设计14.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进行求解。（SequentialUnconstrainedMinimizationTechnique-SUMT）算法思想：算法类型：外点法（外惩法）内点法（内惩法）第四章可靠性设计一、相关基础概念1.可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。环境约束温度、介质、负载时变随机事件技术指标精度、稳定性2.可靠度：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。是产品可靠性的概率度量：Reliability第四章可靠性设计一、相关基础概念3.可靠性设计的特点由设计决定产品固有的可靠度（R的分配、预测）将设计变量视为随机变量并用分布函数进行描述、计算以强度大于应力法则来度量可靠性指标用安全度或失效率定量描述产品的可靠性第四章可靠性设计4.失效率：λ(t)失效率曲线与失效类型（1）早期失效期为递减型。主