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1、第二章现代仪器设计方法,2,第二章 现代仪器设计方法,第一节 现代仪器设计方法概述 第二节 设计方法学* 第三节 人机工程学 第四节 优化设计方法 第五节 计算机辅助设计有限元分析* 第六节 可靠性设计*,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,3,第一节 现代仪器设计方法概述,设计 广义：对发展过程的安排，包括发展的方向、程序、细节及达到的目标 狭义：客观需求转化为满足该需求的技术系统的活动 光电仪器设计 工业产品设计 历经直觉设计、经验设计、半理论半经验、现代设计 传统设计 以静态分析、近似计算、经验设计、手工劳动为特征,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,4,第一节 现代仪器设计方法
2、概述,现代设计方法 伴随计算方法、控制理论、系统工程、价值工程、创造工程等学科理论的发展，以及电子计算机的广泛应用出现 主要包括：设计方法学，人机工程，优化设计，可靠性设计，计算机辅助设计，有限元法，反求工程设计，工艺艺术造型设计，虚拟设计,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,5,第三节 人机工程学,流线型 贴合手型,超薄 便携,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,6,第三节 人机工程学,人机工程学(Man-Machine Engineering) Ergonomics（人类工效学）欧洲 Human Factors Engineering（人因工程学） 美国 学科目的 通过心理学、生理
3、学、医学、人体测量学、美学和工程技术等各学科知识的应用，来指导工作器具、工作方式和工作环境的设计和改造，使得作业在效率、安全、健康、舒适等几个方面的特性得以提高 光电仪器中的人机工程（目视光电仪器 ） 便于操作者使用、有利于缓解疲劳 充分利用人眼的视觉特性，使操作主体能力发挥到最大,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,7,第三节 人机工程学,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,8,第三节 人机工程学,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,9,第三节 人机工程学,人机工程设计原则 合理设计仪器参数 人眼基本光学参数 焦距f = 16.68 mm，f = 22.29 mm 瞳孔直径28
4、mm，且随视场的亮度而变化 瞳孔到角膜顶点的距离为4 mm，到眼睫毛约8 mm，目视仪器的出瞳距至少要5 mm 根据瞳间距，双目仪器两个目视镜头之间距离必须在5574 mm内可调,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,10,第三节 人机工程学,人机工程设计原则 合理设计仪器参数 人眼视区分布,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,11,第三节 人机工程学,人机工程设计原则 合理设计仪器参数 视度调节 明视近点250 mm，明视远点无穷远，正常视度调节范围为4个光焦度 一般目视仪器应有5个光焦度的调节范围。 视觉暂留 人眼在观察景物时，光信号传人大脑神经需经一段时间，光作用结束后，视觉形象并
5、不立即消失，残留的视觉称“后像” 残留的时间大约为0.10.4秒，是显示设备决定刷新频率的依据。传统的电影、电视刷新频率为每秒24-25帧，CRT显示器一般为60-85 Hz,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,12,第三节 人机工程学,人机工程设计原则 提高仪器性能 分辨力和瞄准精度 人眼的分辨力：人眼可以分清的两点对人眼的张角 正常的分辨力为1 左右 瞄准精度：人眼判断标志物与被测物是否对准的能力,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,13,第三节 人机工程学,人机工程设计原则 提高仪器性能 颜色对比 伪彩色增强：将一个波段或单一的黑白图像变换为彩色图像，把人眼不能区分的微小的灰度差
6、别显示为明显的色彩差异，有利于解译和提取有用信息 根据：人眼只能分辨几十种不同深浅的灰度级，却能分辨几千种不同的颜色 主要方法：密度分割法（直接对亮度范围进行分割），空间域灰度级-彩色变换（利用色度学原理），频率域伪彩色增强（利用傅里叶变换）等方法 应用领域：使用x光、CT成像等的医学、地质学、金相分析等领域,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,14,第三节 人机工程学,人机工程设计原则 改善操作者主观感受 光环境 保证采光照度满足工作精确度的要求，因为人眼识别的细节尺寸越小时，所需的光照度越高 保证整个工作场所的照度变化不大，否则操作者容易疲劳，也会引起主观上的不适 色彩的心理效应 冷色
7、/暖色 轻色/重色 胖色/瘦色,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,15,第四节 优化设计方法,内涵 将最优化原理与计算机技术应用于设计领域 目的 获得较理想的设计参数，同时提高设计质量和速度 应用领域 机械、宇航、化工、建筑、轻工 光电仪器典型应用：镜头设计 优化设计基本过程 建立数学模型 求解数学问题,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,16,第四节 优化设计方法,数学模型的建立 设计变量的提取 目标函数的确定 约束函数的形成 设计变量 在优化过程中不确定的、希望获得最佳取值的仪器参数 目标函数或评价函数 将方案的好坏量化后得到的衡量指标，包括精度、成本、效率等 约束函数 将设计变
8、量所受的局限、仪器固定的参数、以及参数之间的相互关系表示成各类函数，构成优化问题的约束函数 从数学上来说，约束函数一般以等式或不等式的形式表现,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,17,第四节 优化设计方法,数学问题的求解 数学本质 在约束函数的条件下目标函数的极值问题 目标函数：多元函数 设计变量：取值有限 求解手段 科学计算软件 多目标有约束问题 惩罚函数 单目标无约束问题 解析法，直接法,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,18,基本概念和术语 设计变量 （个数：维数） 目标函数：设计中要达到的目标 例如：效果max，费用min,当目标函数是极大值时， 应转换成极小值,多目标函数
9、转换成 单目标函数,第四节 优化设计方法,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,19,基本概念和术语 约束条件 常量约束 约束方程 等式约束：hl(X)=0 (l=1,2,L) 不等式约束：gj(X)0, (j=1,2,J) 建立数学模型,多目标变成单目标 有约束变成无约束 最终解无约束极小化问题,第四节 优化设计方法,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,20,数值求解极值问题 求解基本思想 Matlab优化工具箱（Optimization Toolbox）,第四节 优化设计方法,搜索,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,21,第五节 有限元分析,计算机辅助工程（Computer-a
10、ided Engineering, CAE） 用计算机来对设计产品实时或者进行随后的分析 应用领域 求解连续结构力学、热传导、电磁场和流体力学等学科领域,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,22,第五节 有限元分析,结构力学,电磁学,流体力学,有限元分析的应用,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,23,第五节 有限元分析,基本思想 将求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体，对每个单元进行数值求解，单元间通过节点传递待求量，从而获得整体的解 一种离散化的数值方法 目的 结构分割单元足够小，使得简单模型能足够近似地表示精确解 单元不能太小，否则计算量很大 通用软
11、件 工程分析通用有限元分析程序库ANSYS，线性结构有限元分析通用程序库SAP系列，非线性结构有限元分析通用程序库ADINA,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,24,第五节 有限元分析,望远镜2米主镜自重变形分析 使用ANSYS软件进行静力学分析 前处理 设置待分析元件几何参数、划分网格、设置材料力学特性 20节点六面体结构单元，得到近7万个单元和10万余个节点 施加载荷及求解 施加载荷、设置边界条件和数值求解 最大位移为70.7 nm，最小位移为38.1 nm 后处理 分析结果输出 结合光学设计软件换算出使用该主镜成像时引入的像差 进一步优化主镜支撑结构,北京理工大学 光电仪器原理与设
12、计 课件,25,第六节 可靠性设计,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,26,第六节 可靠性设计,可靠性设计(Reliability design) 可靠性 表示系统、设备、元器件的功能 在时间上的稳定程度的特性 可靠性设计 事先考虑可靠性的一种设计方法 来源 研究起源于军事,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,27,第六节 可靠性设计,可靠性评价指标：可靠度，失效率，平均寿命，有效寿命，维修度 可靠度R(t) ：产品或系统在规定时间内完成预定功能的概率 失效概率：F(t) = 1R(t) 失效概率密度：f(t) = dF(t)/dt = dR(t)/dt 失效率(t)：系统工作t时间
13、后，单位时间内失效的概率,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,28,第六节 可靠性设计,可靠性评价指标：可靠度，失效率，平均寿命，有效寿命，维修度 平均寿命： （不能修复产品）工作开始到发生故障的平均时间MTTF (Mean time to failure) （能修复产品）一次故障到下一次故障的平均时间MTBF (Mean time between failure) N个产品，从开始工作到发生故障时间为ti，则 有效寿命：和可靠度R0对应的寿命（时间） R0 = 0.5, 中位寿命 维修度：表示维修的难易程度,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,29,第二章 小结与要求,掌握人机工程设计的基本原则，知道如何查找相关参数 了解优化设计、有限元分析、可靠性设计的基本概念和应用,北京理工大学 光电仪器原理与设计 课件,
