先进设计技术

现代设计技术现代设计技术概述绿色制造1、现代设计技术概述一、现代设计技术的含义1、在传统的工程设计中,从工作性质与内容看：将设计过程划分为方案设计、技术设计、工艺设计,而随着计算机、信息技术的发展,工程设计的范畴,从传统的设计内容已扩展到产品规划、制造、检测、实验、营销、运行、维护、报废、回收等全过程的全方位设计。2、从设计的过程与方法看:设计是一种工程活动,是一种创造性的智力活动。设计是一个综合、决策、迭代、寻优的过程。由于设计要求和约束条件及多种约束之间相互制约,甚至是相互矛盾的,虽经优化,也只能综合、全衡各方面因素,需要设计师运用自然科学的知识与法则,灵活运用知识和经验处理技术、经济等问题的能力和优良的品质、作风,创造性地构思,寻求设计目标和任务取得相对满意的结果。1、现代设计技术概述一、现代设计技术的含义3、从设计任务的要求划分,通常有3种不同类型的设计:开发性设计,这是一种完全创新的设计。适应性设计,在原理、方案基本保持不变的前提下,对产品作局部的变更设计。变型设计,在功能和工作原理不变的情况下,变更现有产品的结构配置,布置方式和尺寸,使之适应多方面的使用要求。可以说,当今不论何种设计都有必要应用CAD技术及其他行之有效的现代设计技术,如优化设计、可靠性设计、并行设计,模糊设计、虚拟设计等。定义:以满足应市产品的质量、性能、时间、成本/价格综合效益最优为目的,以计算机辅助设计技术为主体,以知识为依托,以多种科学方法及技术为手段,研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。1、现代设计技术概述二、现代设计技术的体系(1)基础技术基础技术是指传统的设计理论与方法,特别是运动学、静力学与动力学、结构力学、强度理论、热力学、电磁学、工程数学等的基本原理与方法,它不仅为现代设计技术提供了坚实的理论基础,也是现代设计技术发展的源泉。(2)主体技术现代设计技术的诞生、发展与计算机辅助技术的发展息息相关、相辅相成,(3)支撑技术无论是设计对象的描述,设计信息的处理、加工、推理与映射及验证,都离不开设计方法学,产品的可信性设计技术及设计试验技术所提供的种种理论与方法及手段的支撑。其中现代设计方法学涉及的内容很广,(4)应用技术是针对实用目的解决各类具体产品设计领域的技术,如机床、汽车、工程机械、精密机械的现代设计内容,可以看作是现代设计技术派生出来的丰富多采的具体技术群。1、现代设计技术概述传统设计理论和方法基础技术现代设计技术应用技术主体技术支撑技术现代设计方法学可靠性设计技术实验设计技术相关学科技术先进制造工艺材料科学自动化技术系统管理技术自然科学政治经济文化社会三、现代设计技术的主要内容1绿色产品设计技术1.1面向环境设计技术(DFEdesignforEnvironment)或称绿色设计(GreenDesign)是在世界“绿色浪潮”中诞生的一种新型产品设计概念。ＤＦＥ是以面向环境的技术为原则所进行的产品设计。按ＤＦＥ设计开发的产品通常称为“绿色产品”。面向环境设计是一种系统化的设计技术,即在产品整个生命周期内,以系统集成的观点考虑产品环境属性(可拆性、可回收性、可维护性、可重复利用性和人身健康及安全性等)和基本属性,并将其作为设计目标,使产品在满足环境目标要求的情况下,同时具备应有的基本性能、使用寿命和质量等。1、现代设计技术概述三、现代设计技术的主要内容1绿色产品设计技术1.2面向能源设计技术是指用对环境影响最小和资源消耗最少的能源供给方式来支持产品的整个生命周期,并以最少的代价来获得能量的可靠回收和重新利用的设计技术,从而全面指导、优化产品设计过程。产品设计是影响能源消耗最关键的环节,在产品功能和基本要素确定的情况下,产品的结构布局、材料选择、加工工艺、可制造性、可装配性和可重复使用性等影响能源消耗的主要因素都是在设计阶段确定的。因此,分析产品设计对能源消耗的影响因素,并从系统的角度研究面向能源优化利用的产品设计技术,对提高能源利用率,改善能源危机的状况有着重要意义。1、现代设计技术概述三、现代设计技术的主要内容1绿色产品设计技术1.3面向材料设计技术随着全球工业化进程的发展,人类生存环境遭到了日益严重的污染。自然资源尤其是非再生资源的滥用与破坏,严重制约了经济的持续发展。在经济发展的同时,任何实现自然资源的合理开发利用,并减少和消除环境污染,已成为人们关注的热点。面向材料的设计技术是以材料为对象,在产品整个寿命周期中的每一阶段,以材料对环境的影响和有效利用作为控制目标,在实现产品功能要求的同时实施,使其对环境污染最小和能源消耗最少。这种设计技术,一方面是以产品技术性能、经济性能和环境性能做为设计目标,选择综合性能优良的绿色材料;另一方面则要考虑绿色材料的使用对产品设计、工艺及制造所带来的影响。1、现代设计技术概述三、现代设计技术的主要内容1绿色产品设计技术1.4人机工程设计技术这是以人机工程学理论为基础的面向人的产品设计技术。人机工程又称为人体工程(美国称ＨｕｍａｎＦａｃｔｏｒｓ,欧洲国家称Ｅｒｇｏｎｏｍｉｃｓ),它依据人的心理和生理特征,利用科学技术成果和数据去设计的技术系统,使之符合人的使用要求,改善环境和优化人机系统,随之达到最佳配合,以最小的劳动代价换取最大的经济成果。人机工程设计的目标是在系统约束条件下,提高工作的有效性,提高生产率及质量,减少操作者可能出现的失误,降低操作者体力和脑力消耗,尽可能地适合不同水平的操作者使用,尽可能简化操作,降低劳动强度,改进工作条件,尽量适合操作者的心理和生理特征,使操作者轻松愉快地完成工作,最终达到人机系统的最佳效率和效能。1、现代设计技术概述三、现代设计技术的主要内容2竞争优势创建设计技术(1)产品创新设计技术是设计人员针对新的或预测的需求,从已知的、经过实践检验可行的理论和技术出发,充分运用创造性思维,构思并设计出过去所没有的全新事物的技术过程。创新设计旨在提供有重要社会价值的新颖独特的设计成果,是设计领域中最富挑战性的方向,是设计人员追求的最高目标。(2)降低成本设计技术亦称面向成本的设计(ＤＦＣ),它是在保证功能和质量的前提下,通过降低成本来提高产品经济性以加强竞争优势的设计技术。实践证明,一个新产品的功能和成本水平基本上已在产品设计阶段就确定了,设计不合理引起的产品技术和经济性方面的先天性不足是用生产过程中的质量控制和成本控制措施所无法挽回的。因此,降低和优化产品成本已成为目前众多机电产品开发设计成功的关键。1、现代设计技术概述三、现代设计技术的主要内容2竞争优势创建设计技术(3)快速设计技术(ＲＤＴ)是在现代设计理论和方法的指导下,应用微电子、信息和管理等现代科学技术,以缩短产品开发周期为目的的一切设计技术的总称。(4)仿真与虚拟设计技术所谓仿真,简单的说就是用动态模型做实验。计算机仿真技术则是以计算机系统为工具,以相似原理、信息技术和控制论为基础,根据系统实验的目的,建立实际或联想的系统模型,并在不同条件下,对模型进行动态运行(实验)的一门综合性技术。近年来不断涌现和迅速发展的高新技术,如计算机仿真建模、ＣＡＤ/ＣＡＭ及先期技术演示验证、可视化计算、遥控机器和计算机艺术等,都有一个共同的需求,就是建立一个比现有计算机系统更为真实方便的输入输出系统,使其能与各种传感器相连,组成更为友好的人机界面,人能沉浸其中,超越其上,进出自如又能交互作用的多维化信息环境。这个环境就是计算机虚拟现实系统(ＶＲＳ),在这个环境中从事设计的技术即称之为虚拟设计(VirtualDesign)。1、现代设计技术概述三、现代设计技术的主要内容2竞争优势创建设计技术(5)智能设计技术设计是对技术系统进行构思和计划,并将其转变为现实的活动,是一个求解和决策的过程,它力图以最少的投入来最好地满足所提出的设计要求。由于缺乏人类设计师所具有的推理和决策能力,传统ＣＡＤ系统已不能满足设计过程自动化的要求。于是智能ＣＡＤ(ＩＣＡＤ)的理论研究和应用实践便随之而产生了。ＩＣＡＤ系统既具有传统ＣＡＤ系统的数值计算和图形处理能力,又具有知识处理能力,能够对设计全过程提供智能化的计算机支持。智能设计就是对智能ＣＡＤ理论和应用的研究。1、现代设计技术概述三、现代设计技术的主要内容3全寿命周期设计技术3.1并行设计技术并行设计(ＣｏｎｃｕｒｒｅｎｔＤｅｓｉｇｎ)是一种对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模式。设计过程中各活动之间的基本联系和相互作用方式可归纳为串性依赖、并行独立和交互耦合3种关系。并行设计过程主要以第3种作用方式为主,其思想是在产品开发的初始阶段,即规划和设计阶段,就以并行的方式综合考虑其生命周期中所有后续阶段,包括工艺规划、制造、装配、试验、检验、营销、运输、使用、维修、保养、直至回用处置等各环节,以降低成本,提高质量。其基本特征是集成性,反映了产品全寿命周期各环节间的耦合作用。1、现代设计技术概述三、现代设计技术的主要内容3全寿命周期设计技术3.2面向制造的设计技术面向制造的设计(ＤＦＭ,ＤｅｓｉｇｎＦｏｒＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ)是产品设计与后继加工制造过程并行设计的方法。在设计阶段尽早考虑与制造有关的约束,全面评价和及时改进产品设计,可以得到综合目标较优的设计方案,并可争取产品设计和制造一次成功,以达到降低成本,提高质量和缩短产品开发周期的目的。3.3产品数据管理技术这是设计技术的关键。如何有效地管理在产品生命链各环节中伴随产生的或者所需要的大量数据和信息,包括工程规范、文档、图纸、ＣＡＥ/ＣＡＤ/ＣＡＭ文件、产品结构模型、产品设计结果、产品定单、供应商状况以及产品工作流程等,做到将正确的数据或信息在适当时间传递到正确的位置或给相应的人,上述工作是产品全寿命周期数据管理技术所研究的根本内容。1、现代设计技术概述绿色制造概论绿色制造的形成背景•环境问题•资源问题•人体健康问题水污染2019年全国废水排放总量为394.4亿吨，其中生活污水排放量194.0亿吨，工业废水排放量200.4亿吨；废水中COD排放总量1503万吨，其中生活COD排放量695万吨，工业COD排放量808万吨；固体废物2019年，我国工业固体废物产生量8.0亿吨，排放量0.7亿吨；废气2019年，对我国约130万个工业企业的排污状况的调查表明：在废气中二氧化硫排放总量2087万吨，烟尘排放总量1335万吨，工业粉尘排放量1344量万吨；噪声•全国90%的城市道路交通噪声处于轻度至中度污染水平，年际间全国平均声级变化不大。全国一半以上城市区域环境噪声居于中等污染水平，少数小城市污染严重，重点城市稳中略有好转。温室效应臭氧层破坏图为2000秋季南极上空的臭氧洞，其中紫色、红色、深酒红、灰色代表臭氧洞，南极上空70%的臭氧遭到破坏。全球酸化的敏感程度富营养作用全球氮富营养临界负荷的分布环境交换潜在影响影响后果CO2全球变暖全球变暖区域气候变化极端天气现象人类生命损失CH4臭氧耗竭紫外线强度增加皮肤癌免疫系统损害生态系统损失HCFC22光化学臭氧形成呼吸系统的问题植物损害材料损坏生活环境损失甲苯酸化作用森林损害死海、死湖材料损坏文化价值损失SO2富营养藻类繁茂缺氧庄稼损失NOx稳定的毒性慢性毒性，例如，癌症和生殖力减弱渔业损失PCB生态毒性生态系统中的急性和慢性毒性物种损失Cd对人类毒性环境中对人类健康的急性和慢性毒性健康标准降低和减少生命HCl填埋的废物地下水污染，水污染、空气污染VOC图4.2排放物、环境潜在影响、以及不同影响结果之间的关系水资源•2019年度我国十大流域（水系）中，63%的监测断面水质超过Ⅲ类标准；辽河、海河污染严重，以Ⅴ类或劣Ⅴ类水质为主；松花江以Ⅳ类水质为主；淮河干流水质有所好转，但总体水质依然较差；黄河干流局部河段污染严重；长江干流和珠江水系水质良好。•近岸海水水质三类及劣于三类占一半以上。南海在四个海区中水质最好，黄海次之，东海污染最重。沙漠化据估计，全球约有29％的陆地呈现荒漠化，35％的土地处于荒漠化威胁之下，严重荒摸化的土地占6%