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机械设计JOURNALOF～【ACHrNEDESIGN249现代机械产品全新设计流程及可视优化设计法在其中的应用木孙伟，李小彭．马辉。闻邦椿(东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳110004)摘要：现代机械产品设计已成为一个复杂的系统工程，要设计出高质量的产品必须对设计过程重新考虑．本文从技术系统的完整性出发，提出了。三阶段。设计流程，即规划阶段、实施阶段和检验阶段．进一步研完了可视优化设计技术对应于设计各阶段的应用情况．最后以振动筛为例，按照。三阶段。设计流程，将可视优化设计技术应用到设计的各个阶段，证明了所提方法的有效性．关键词：设计流程；可视优化；设计方法；应用研究中图分类号：THl22文献标识：A随着产品竞争的加剧，在现代机械产品设计过程中考虑的要素越来越多．例如要考虑产品规划、考虑具体设计的方法、考虑参与的人员以及要利用的物质、考虑设计效果的检验等众多内容，因此现代产品设计已成为一个复杂系统工程．但是，目前在新产品开发过程中，往往对设计的系统性考虑的不够，导致开发的失败或产品质量的欠缺．因此，有必要重新思索并确定在新的市场环境下产品合理的设计过程．可视优化设计法【l】是面向产品广义质量的综合设计法【2均重要组成部分，可视化建模、计算和仿真是其核心技术，因而该方法是一种全数字化的设计方法。应用可视优化设计法可以降低研发成本、加快研发速度和提高产品质量．本文从技术系统的完整性出发并总结现有的研究成果提出“三阶段”设计流程，即规划阶段、实施阶段和检验阶段．进一步研究可视优化设计技术在“三阶段”设计流程中的应用方法，并以振动筛为例进行了实例研究。1机械产品“三阶段”设计流程设计过程(DesignProcess)是指围绕设计目标的一系列求解活动。设计过程的合理性是设计出高质量产品的根本保证，因此，应注重对产品设计过程的研究．1．1机械产品设计过程的一般性描述目前，从事产品设计的科技工作者及工程设计人员对设计过程已做了系统地分析【¨1，对产品设计的具体过程做出不同的论述，但总的来讲并无本质的差别．概括起来，学者们比较认可的设计过程一般分为概念设计、详细设计、设计分析、样机试制等四个阶段．概念设计的目标是通过对系统的功能分析，求解出实现该功能的；详细设计是具体地对零件和装配体的设计；设计分析的目标是为了确保设计出的产品满足各种性能要求而进行的各种分析，比如有限元分析；样机试制是按照详细设计及设计分析的结果创建该产品的样机．在高竞争的市场环境下，顾客对产品设计的质量要求越来越高，企业或具体的研究机构通常期望设计在短时间内获得成功。以上对设计过程的论述只着重于设计的具体实施，而忽略了设计的前期规划以及后续设计效果的检验，因此就过程而言而缺乏完整性性1．2完整技术系统与非完整技术系统可以把所有设计的工作统称为技术系统，而技术系统有完整性和非完整性之分．设一个技术系统必须考虑一个元素，如果考虑的元素≥一则为完整技术系统，否则为非完整技术系统。完整和非完整技术系统可以用式(1)来表达，式中的yJ为考虑的元素．：霉鬻盏嚣L0，㈤，(一《)专乙∽奶，，y。)。‘完整技术系统可以避免设计的片面性、盲目性和随意性，因此，应该将产品设计过程纳入到完整技术系统以提高产品的设计质量。1．3基于设计完整性的“三阶段”设计流程考虑设计的完整性，本文将产品设分为三个主要阶段，分别是规划阶段、实施阶段和检验阶段．规划阶段要对对设计的主观条件、设计的客观环境以及所选用的各种具体的设计方法在产品设计中的地位和作用做系统的考虑，东北大学闻邦椿教授所提的7D设计规划【5】可以在这个阶段很好的应用。实施阶段要采用恰当的方法对产品进行设计，主要从满足产品功能与性能(结构性能、工作性能、工艺性能)的角度出发，具体工作包括概念设计和详细设计等内容。检验阶段要对产品设计的效果做出客观的评价，包括选择合适的检验指标和恰当的检验方法对设计质量进行全面地检验，以及创建物理样机模型进行实物检验等．图1列出了三阶段设计的具体流程以及可视·基金项目：国家自然科学基金资助项目(50535010)作者简介：孙伟(1975一)，男。辽宁营u人。东北大学讲师、博士。主要研究方向：可视化设计、动态设计．闻邦椿(1930一)，男，浙江温岭人，东北大学教授，博士生导师，中国科学院院士．机械设计第25卷增刊优化设计发在其中的应用情况1嘶《：雠}}J絮篇篇}|女t"&}1☆#s#*J1^5Iz&*J“42”鐾嚣4。4‘ll＆t*目l严噻吲l$十日＆k＆$Ⅱ＆＆l图1三阶段设计流程＆日视优但设计法在其中的应用2可视优化设计技术在全新设计流程中的应用可观优化设计法也nI张之为局部范围内的虚拟设计，它是咀“可视”为手段，以预测、检验产品各方面性能．进而获得“最优”产品质量为设计目标的一种方法。可视优化设计法关键技术体现在可视化编程和可视化仿真，作为一种实用的数字化设计方法，可以在设计的各阶段加以应用．见图1。2l在设计规划阶段的应用规划阶段是产品开发过程中的一个重要阶段．可以把设计规划看成是对整个醴计过程的一个预演。7D设计规划是从设计环境(DesignEnvironment)、设计思想(DesignIdeas)、设计过程(DesignProcess)、教计目标(DesignObjective)、设计内窑(DesignContents)、设计方法(DesignMcthods)、设计质量评价(DesignQualityAssessment)等7个环节对产品设计工作做一个系统地考虑。可视优化设计法拒艇划阶段的应用．主要是利用可税化编程技术开发可视化的计算机辅助设计规划(ComputerAidedDesi盯Plannlngj系统。具体包括刨建可视化的操作系统、对相关的数据进行自动统计与分析评判、生成相应的分析撤告等内容一此JⅢ研究可以加速蹬计规划进程，并可以为项目管理者提供科学的决策依据。2．2扯实施阶段的应用实施阶段足跛计者在醴计捌划的指导下对产品进行具体设计的阶段。这个阶段要利用台适的设计理论方法，高质量的完成产品的设计．研究的内容包招概念设计和详细设计．可视优化设计5击作为一种实用的数字化设汁方法在产品概念设计和详细设计中都能很好的被应用。例如，口nl开发』T批化的机构设计与计算系统和基于宴体模型的参数化璇计!I毡配系统，班上两个系统可以加速产品的概念设计速度，从mJ有效地提商研究效率．利用可视化仿真软件平台进行运动学、动力学、工作过程、控制过程、加工过程和装配过程的研究，宴现对机械产品结构性能、工作性能和工艺性能分析、设计及优化。2．3在检验阶段的应用完整的技术设计流程包括规划、实施和检验，其中的检验就是对产品设计的效果做出客观的评价。最有效果的检验是将所设计产品应用到实际工作中去．依靠用户对产品做出客观的评价，这是一种“事后”检验．虽然事后检验对产品设计的好坏评价最为客观，但是如果产品质量有缺陷将会给用户造成负面影响，因而现代设计需要进行“事前检验”．即在产品交付到用户手中之前对产品进行检验．可视优化设计法的理论框架中也包含了对产品设计质量的检验，主要包括了两个环节，一是创建实物仿真模型束检验设计的好坏．二是创建可视化的设计质量评判系统米定性的分析设计质量的优劣。3应用实例研究振动筛是工矿企业中常用的一种设备．以下将以振动筛为例．按照“三阶段”设计流程，具体介绍可视优化设计法在其中的应用情况。3l振动筛的设计规划可以按照7D设计规划原理对振动筛进行规划研究，利用可视化编程技术分别编制设计环境规划、设计目标规划、设计内容规划等功能模块。图2为设计环境规划中评判顾客需求重要度的功能模块。顾客对振动筛的需求共9项，分别是生产率、动载荷、缔面尺寸、使用年限、外型、噪声、重量、价格、筛分效率。该系统用可视化编程软件VB开发．通过创建需求重要度的模糊三元组模型，采用多种贴近度计算方法．实现对顾客所提m备种需求的科学评判．通过该系统可以定性的了解吾项需求的重要程度．可为设计环境规划及i殳计目标的制定提供决策依据。凰2顾客需求重要度评判模块孙伟，等现代机械产品全新设计流程及可视优化设计法在其中的应用‘253．2振动筛设计实旌阶段的可视优化设计与仿真在对振动筛做好设计规划的基础上，可以利用可祝优化设计洁肘振动筛进行设计计算及功能、性能可视他仿真研究．这里要用到可视化编程软件、CAD软件、工程仿真软件等众多软件组成软件平台．图3为振动筛可视化设计计算系统主界面【6】．该模块主要甩于在初步设计阶段快速确定运动学、动力学参教．为后续的详细设计服务．囤4及图5分别为动力学可视化分析和振动筛激振器装配过程分析画面．此抖．在实施阶段，还包括对振动筛起停机的控制以及零件的加工过程的研究．圈3振动赭设计计算模块主鼻面田4振动旃动力学日祝化仿真圈5激撮矗零部件与筛葙侧扳的装配33振动筛设计质量评判系统开发m围绕振动饰的结构性能、工作性能和工艺性能以及具体对应的24个要素．开发了振动筛设计质量综合评判系统．系统采用VB软件开发．将24项性能指标作为评判依据．通过多级模糊评判来实现系统的开发．利用该系统可咀对产品的设计质量做出科学地评判，可作为判定产品设计质量优劣的重要决策依据。闰6为设计质量评判系统的主界面．。’一一⋯。廿：删¨Ⅲ㈣．苎堂苎些竺璺副』竺型兰竺竺到』苎里翌竺剑i}m}￡_H1㈧1’H∞It。i，*㈣』zmmH『nEt㈣}㈣E目”p自^2臣丑!工二臣!I二互#|性t镕”赶艄4晰麴坤删：m∞#ml2一．臣j![丑j日2‘警砷删譬鼍秘i虹目I世哪吖’8’：一一．一Trr玎FFl黜t抖^㈣鼢于忱H垃“日·2wH≈sltHt一一’m*一¨ⅧI『丽葡丽一，op。Pa蛐4m”蛆^：一tI_一臣豇至工三丘!I二五删4删婶4张埔一"；whn女I『o4结论围6设计质量评判系统的主界面本文从设计技术系统的完整性出发，提出了“三阶段”设计流程，包括规划阶段、实施阶段和检验阶段．进一步描述丁可视优化靛计技术在各阶段的应用方法，主要体现在用可视化编程厦可视化仿真技术处理设计过程中的各种问题．最后．以振动筛为倒，简要论述了可视优化擞计技来在“三阶段”设计流程的应用情况．实践表明，“三阶段”的设计流程比较完整地考虑了设计过程中所涉及的差键要素，值得进一步涤入研究与推广．参考文献11]孙伟eW《．f涛，目#椿现代n槭qa优化设计方＆研R川末n★}{报(自然科}版)-2007．28(3)：385-388【2】闻邦椿．*目g，柳*卫面自P目广义质i的铼☆设"理论与女n[Ⅲ北京：科学＆版社．2007[3】韩晓建，※字峰产g挺计过程&4模技术Ⅲ帆饭R"目制造-2f】05(¨)165—16714】谢Ⅸ．}#*fPetrl目的航±P品设计过程模型叩武&★学々*．2006—39(1)：t31|36[5】目邦椿产目±功晚与全性《的综☆设计[町n目：机搬IⅡ＆版‰．2007【6】*镕．}朝*，马#．月邦撂A＆扳自谛日挽*女计"算i统自勺日R；R发明n库S蘸压．2007，35(9)，3“[7】孙伟刘斋，亭小彭，月邦镕机械P目&*Ⅱi*竹＆*价幕统的"＆日宄们机械R"．2007．2{(∞．}7