ch07_产品结构体系与模块化设计

产品结构体系相似设计模块化设计习题第7章产品结构体系与模块化设计产品结构体系1产品结构体系的类型2产品的系列化第一节产品结构体系第7章产品结构体系与模块化设计一个产品可以从功能上和实体上来认识。产品的功能单元是指那些对产品的整体性能有贡献的独立的运动或支撑部分，各功能单元在确定以某种技术和实体零部件来实现之前，常常以简图的形式加以描述。产品结构体系可以分为两大类：一是集成化体系，另一种是模块化体系。前者为构成产品整体结构的各组件具有紧密耦合的相互关联关系，没有明确的接口界面；后者是构成产品整体结构的各组件具有没有紧密耦合的相互关联关系，有明确的接口界面,如图7-1所示。产品结构体系的类型第一节产品结构体系第7章产品结构体系与模块化设计(a)集成化体系结构图7-1产品结构体系的两种类型(b)模块化体系结构第一节产品结构体系第7章产品结构体系与模块化设计产品结构体系的重要的特征也许就是它的模块化程度。一个模块化的体系结构有以下两大特点：（1）各个组件分别执行一个或若干个功能；（2）组件之间的相互关系是明确的，并且这种相互关系往往是实现一个产品功能的基础。第一节产品结构体系第7章产品结构体系与模块化设计与模块化构造相对的是集成化构造。集成化构造一般具有下列一个或若干个特征：（1）产品的每个功能单元都由多个组件来实现；（2）每个组件参与多个功能单元的实现；（3）组件之间的相互关系并不明确，这种相互关系对产品的基本功能来说并不一定重要。第一节产品结构体系第7章产品结构体系与模块化设计模块化只是产品构造的相对特性。很少有产品是完全模块化或集成化的。推荐在进行产品构造时采用“四步法”，即（1）画出产品的简图；（2）对简图中的元素分组；（3）设计简略的几何结构；（4）确定基本的和附属的相互关系。第一节产品结构体系第7章产品结构体系与模块化设计第一节产品结构体系产品的系列化任何产品（特别是机电产品）都是以一定的结构及形状来实现其功能的，结构与形状的差异构造了五花八门的产品。满足功能与性能是设计产品的第一要素，结构与形状设计要围绕功能与性能来进行。在进行变型设计时，可从不同角度对基型产品进行扩展。产品系列一般分纵系列、横系列和跨系列三类。第7章产品结构体系与模块化设计第7章产品结构体系与模块化设计第一节产品结构体系纵系列产品功能和原理相同，结构相同或相似，但结构尺寸、性能规格参数不同的一系列产品称为纵系列产品。其显著特征是由小到大的尺寸变化，例如，由14英寸、17英寸、19英寸、21英寸、25英寸、29英寸……构成的电视机系列产品。第7章产品结构体系与模块化设计第一节产品结构体系横系列产品主要功能和原理相同，但具有扩展功能和性能的同类变型产品称为横系列产品。其显著特征是主体结构相同，但功能与性能在局部有所差异。例如，同为29英寸的电视机有普通型、带画中画功能型等；家用汽车有手动挡、自动挡；自行车分为普通型、山地车、沙滩车等。第7章产品结构体系与模块化设计第一节产品结构体系跨系列产品采用相同或相似的主要性能参数（例如动力参数），相同的主要基础件和通用零部件，但功能和用途不同，这样形成的不同类变型产品称为跨系列产品。例如压路机，推土机、挖掘机、装载机等都是以内燃机为动力的，当配接不同的工作机后就形成了跨系列的工程机械。救护车、消防车、运钞车等都属于跨系列的汽车。第7章产品结构体系与模块化设计相似设计1相似的基本理论2相似设计方法第二节相似设计一般相似人工相似他相似异类相似146102具体相似7同类相似8相似、相像是自然界普遍存在的现象，一般可将相似分为11种类型模糊相似可拓相似95113自然相似自相似精确相似相似的概念及类型第二节相似设计第7章产品结构体系与模块化设计系统间具体属性和特征的相似。它主要包括系统结构相似、功能相似、信息作用相似、几何特征相似、物理特征相似。广义上的事物间普遍存在着相似。它包括自然科学、社会科学、工程技术中各种系统特性相似，例如，社会分工的相似性、社会发展的相似性、机械工程中组合设计、成组技术等。(1）.一般相似(2).具体相似第二节相似设计第7章产品结构体系与模块化设计第7章产品结构体系与模块化设计1指自然系统间的相似性，例如，天体系统中行星间的相似性、植物之间的相似性、人与人的相似性。(3).自然相似(4).人工相似主要指依靠人的创造性活动，在各种人造系统之间或人造系统与自然系统之间实现的相似性，例如，不同型号汽车相似、自行车相似、仿生机械系统与生物系统相似。第二节相似设计1不同类型机械系统之间的特性存在相似性，不同型号产品系统之间存在相似性，机械系统与电系统之间存在相似性。不同类型系统之间的相似性。（5).他相似（6）.自相似同一系统内部，不同层次的主系统与子系统之间的相似性，即部分与整体的相似，主系统与子系统的相似。第二节相似设计第7章产品结构体系与模块化设计1（7）.同类相似同一类事物之间的相似特性。例如，不同型号汽车外形特征、内部结构等特性相似。对于同类相似特性，因遵从相同自然规律，故可用相同数学方程式来描述。（8）.异类相似不同类之间的相似。例如，温度场、电势场和重力场是不同类型的场，但都可用同一个微分方程来描述。第二节相似设计第7章产品结构体系与模块化设计（9）.可拓相似既有相似特性，可精确度量出相似程度，又有不相似特性，不能精确度量或难以度量。（11）.精确相似（10）.模糊相似例如，昆虫像树枝，植物相似石头，等等。在一组物理现象中，其对应点上基本参数之间成固定的数量比例关系，这一组物理现象特征称为精确相似。第二节相似设计第7章产品结构体系与模块化设计第7章产品结构体系与模块化设计一般工程系统中，可用长度、时间、质量（力）和温度四个相互独立的物理量来描述物质的机械运动，这四个量称为基本物理量。由基本物理量导出并由基本物理量按某种方式组合而成的其他量，称为导出量，例如物体的速度、加速度等。根据相似参数不同，可把物理量相似分为若干种。（1）.几何相似几何相似的图形或物体其对应部分的比值等于同一个常数。物理相似第二节相似设计1（2）.时间相似时间相似指两个物体在运动过程中的时间间隔互成比例。设两个时间序列和，则式中，为时间相似常数。312123tttttttt第二节相似设计第7章产品结构体系与模块化设计第7章产品结构体系与模块化设计1（3）.速度相似速度相似指两个物体在运动过程中，各对应点、对应时刻上速度的方向一致，大小对应成比例。设速度矢量和，则式中，为速度相似常数。同理，可以得出加速度也相似。312123vvvvvvvv第二节相似设计第7章产品结构体系与模块化设计1（4）.动力相似动力相似指在几何相似的力场中，两个物体所有各对应点上的作用力方向对应成比例。设对应点的作用力分别为和，则力相似，即在力相似的基础上，可导出力矩相似、质量相似，统称为动力相似。312123FFFFFFF第二节相似设计第7章产品结构体系与模块化设计1（5）.温度相似温度相似指在温度场中，两个物体各对应点在对应时刻的温度互成比例。设对应点的温度分别为和，则另外，还有密度、电量、光强度相似等。312123TTTTTTT第二节相似设计在一个物理现象中的不同点和不同时刻，其无量纲综合数群的数值不等。当两个物理现象的对应点在对应时刻的无量纲综合数群的数值相等时，这两个物理现象显然相似。我们把描述物理现象的无量纲综合数群称为相似准则。常用的相似准则可以查相似准则表。相似准则第二节相似设计第7章产品结构体系与模块化设计1定义：对于相似现象，其相似指标=1，或相似准则数值相同。换个说法是，彼此相似的现象必定具有数值相同的相似准则。含义：①物理量在空间相对应的各点和在时间上相对应的各瞬间各自互成一定的比例关系；②各相似常数值不能任意选择，它们受某种自然规律的约束。相似第一定理也称为相似正定理，它描述了相似现象的基本特征，揭示了彼此相似现象应具有的性质。相似三定理（1）相似第一定理第二节相似设计第7章产品结构体系与模块化设计第7章产品结构体系与模块化设计1定义：如果一个物理系统的个不同物理量，，…，之间存在一定的函数关系：在中，最多有个物理量的量纲是相互独立的，那么，该函数关系可以演化为另一个函数关系：式中，是由组成的个不同的无量纲量。上式称为准则关系或者关系式，也就是第三定理的数学表达式。（2）相似第二定理1X2XnX12(,,,)0nfXXX(1,2,,)jXjn12(,,,)0if(1,2,,)iinm1mjiiXnm第二节相似设计1含义：①如果把某现象的实验结果整理为无量纲关系式，那么这种准则关系式便可推广到与它相似的所有的其他现象上，即从模型实验到实物设计；②同一系统的物理量不论采用什么基本量单位，其函数关系都是成立的；③是无量纲数且各不相同，个数是固定的但其形式不是唯一的，通常是同一个问题中两个相同性质物理量的比例。第二节相似设计第7章产品结构体系与模块化设计1（3）相似第三定理定义：对于同一类物理现象，如果单值量相似，而且由单值量所组成的相似准则在数值上相等，则这些现象必定相似。这里的单值量是指单值条件（几何、物理、边界和初始条件）中的物理量。第三定理指出了相似的充分必要条件：两个现象相似，除要求对应点上的物理量组成的相似准则数值相同外，其初始状态条件必须相同。相似第三定理是相似设计的理论基础。第二节相似设计第7章产品结构体系与模块化设计量纲分析法是指通过对系统间特征值量纲进行分析，找出各量之间的一般的相互关系，从而求得相似准则。例如，牛顿第二定律，若用量纲表示，则有或者1相似准则的确定（1）量纲分析法Fma2[F][MLT]12[M][FLT]第二节相似设计第7章产品结构体系与模块化设计1【例7-1】描述物体运动的物理量有力、质量、速度和时间，根据相似第二定理，可写出如下π相似准则：式中，a、b、c、d为待确定未知量。代入各物理量的量纲，化为如下量纲方程：等式左边的量纲为0，根据齐次原则，有令a=1，解之得回代入方程，可得牛顿相似准则为abcdFmvt21[][MLT][M][LT][T]abcd1111abcd11FtFmvtmv002()0abacacd第二节相似设计第7章产品结构体系与模块化设计1（2）方程分析法任何系统的物理或者几何模型都可以用数学方程式来表达，因此可根据已知的支配系统特性规律和描述特征的数学方程来求解相似指标和相似准则。第二节相似设计第7章产品结构体系与模块化设计12相似设计方法相似设计是在确定了基型设计的基础上，根据相似理论求出系列中其他产品的参数和规格尺寸，从而完成全系列产品的开发设计。相似产品设计过程如下图所示。第二节相似设计第7章产品结构体系与模块化设计1（1）基型设计根据设计任务及设计要求，先确定一个基型产品及其主参数。在基型产品的基础上，沿纵向、横向进行扩展。（2）确定相似类型相似系列产品一般可分几何相似和半相似系列产品两大类型。第二节相似设计第7章产品结构体系与模块化设计1（3）确定级差公比和系列型谱在系列产品中，相邻两产品的规格参数及尺寸之间的公比称为级差。级差是相似系列品设计的关键。（1）级差公比的选择原则①在一定的尺寸和参数范围内，级差公比值小，所得到的系列产品的型号就多，选择使用范围宽，但生产较麻烦，制造成本较高，所以要兼顾生产与使用两方面。②全系列产品中，级差公比可选为定值或不同数值。例如，采用“两头大，中间小”的级差公比可在常用尺寸范围内得到较多的型号，便于选择使用，在较小及较大尺寸范围第二节相似设计第7章产品结构体系与模块化设计1内型号少，满足了加工制造的经济性。此外，也可采用“先大后小”、“先小后大”等类型的级差公比。③级差公比尽可能是标准公比。此外，也可“隔一取一，隔二取一”等，以减少品种数，也可不同系列混用。（2）级差公比的计算方法①按照等比数列计算。在确定了产品最大型号主值和最小型号主值后，