机械工程概论第3章-机械设计及现代设计方法

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1、第第3章机械设计及现代设计方法章机械设计及现代设计方法3.1 概论3.2 设计理论与方法3.3 现代设计技术3.1 3.1 概论概论 3.1.1 工程设计的概念工程设计的概念人类从事任何有目的的活动之前都要有所构思或谋划，正如常言所说“凡事预则立，不预则废”，这种构思或谋划活动就是广义的设计。从信息处理角度，设计是一种信息转换装置，输入的是设计要求和约束条件信息，设计者运用一定的知识和方法通过计算机、试验设备等工具进行设计，最后输出方案、图样、程序、文件等设计结果。产品是设计结果的物质表现。若设计人员所设计的产品，是以一定技术手段来实现社会特定需求的人造系统，则称之为技术系统。工程设计主要是对

2、技术系统而言的，它是广义设计在工程技术领域中的特有表现，是对技术系统进行构思、分析并把设想变为现实的技术实践活动。实践性是工程设计其最根本的特征之一。3.1 3.1 概论概论n一般地讲，技术系统可用图3-1表示，它的处理对象是能量、物料及信息。随着时间及其他条件的影响，系统中存在能量、物料及信息的变化，即能量流、物料流和信息流。其中，能量包括机械能、电能、光能、核能等形式；物料可为材料、毛坯、试件、半成品等形式；信息往往体现为测量值、指示值、控制信号、脉冲显示等形式。n 图3-2所示为压力机用于冲压时的技术系统示意图。图图3-13-1技术系统技术系统图图3-23-2压力机用于冲压时的技术系统压

3、力机用于冲压时的技术系统3.1 3.1 概论概论n技术系统的性质可分为整体性质、基本设计性质和工作性能，如图3-3所示。其中，结构、材料、形状、尺寸及工作表面之所以被称为技术系统的基本设计性质，首先在于它们决定了系统的其他性质；其次，这五种性质是设计人员可调节的。n也有人认为，设计过程就是基本设计性质的调节过程，以使技术系统具备所期望的性质。图图3-33-3技术系统的性质技术系统的性质3.1 3.1 概论概论 3.1.2 设计的地位和意义设计的地位和意义设计的目的是保证系统的功能，建立性能优良、成本低廉、价值最佳的技术系统，它对产品的技术和经济效果起着决定性作用。在产品质量事故中，约50%是由

4、不良设计造成的。 设计成本约占产品成本的10%，工作量占产品制造周期的20%，产品成本的70%是由设计阶段决定的；而在运用CAD/CAM技术的工程阶段，只决定着20%的产品成本；在生产过程控制和规划阶段，则只影响成本的10%。设计水平和能力是国家工业创新能力和竞争能力的决定性因素。实践表明，设计结果除了决定着产品的技术指标外，也决定着未来生产的经济效益和社会效益，设计越符合客观实际，则效益越高。3.1 3.1 概论概论 3.1.3 设计的分类设计的分类按照不同的划分标准，设计有不同的分类。按照设计活动的时间进程，设计可分为方案设计（概念设计）、技术设计（详细设计）和施工设计。根据设计活动中创造

5、性的大小，可将其分为三类：常规设计、革新设计和创新设计。u常规设计是指以成熟技术结构为基础，运用常规方法来进行的产品设计，在工业生产中大量存在并且是一种经常性的工作。u创新设计旨在提供具有社会价值的、新颖而独特成果的设计，通常没有现成的设计规划，有时甚至没有类似的设计作为借鉴。u革新设计是指为增加原有产品的功能、适用范围，提高它的性能或改进其结构、尺寸或外形的变型设计，因此又可称为改进设计。3.1 3.1 概论概论从设计任务的要求来划分，通常有三种不同类型的设计：u开发性设计：运用成熟的科学技术，从工作原理和结构上设计过去没有的新型产品，这是一种完全创新的设计。u适应性设计：在原理、方案基本保

6、持不变的前提下，对产品作局部的变更设计，使之更能满足用户的需求。u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。 据德国机械制造工作者协会调查表明：在机械制造业中，产品的55%属于适应性设计；25%为开发性设计；20%为变型设计。3.1 3.1 概论概论n3.1.4 设计的本质与过程设计的本质与过程n 1. 1.设计的本质设计的本质n 1)从工作性质与内容看，设计的内容广泛。n 工程设计的范畴已扩展到产品规划、制造、检测、试验、营销、运行、维护、报废、回收等全过程的全方位设计。n 2)从设计的过程与方法看，设计是一种活动。u设计是一种

7、工程活动。u设计是一种创造性的智力活动。u设计是一个综合、决策、迭代、寻优的过程。n设计是一种创造性活动，设计的本质是创造和革新，从这个意义上讲，创新是设计的灵魂。3.1 3.1 概论概论n设计的本质是由如下设计的基本特征所决定的：u约束性：设计是在多种因素的限制和约束下进行的。包括科学、技术、经济等发展状况和水平的限制，也包括生产厂家提出的特定要求和条件，同时还涉及环境、法律、社会心理、地域文化等因素。u多解性：解决同一技术问题的办法是多种多样的，满足一定目的的设计方案通常也并不是唯一的。u相对性：设计结论或结果都是相对准确的，而不是绝对完备的。例如：既要降低成本，又要增加安全性、可靠性；既

8、要能满足近期需要，又要照顾到长远发展；既要功能全，又要体积小，如此等等。 3.1 3.1 概论概论 2. 2. 设计的过程设计的过程n设计一般需要经过调查研究（资料检索）、拟订方案、（设计模型）、分析计算（论证方案）、绘图和编制技术文件等一系列的工作过程。机械产品设计过程的工作循环流程如图3-4所示。u首先，对设计对象作出正确的分析，确定它的技术经济指标。同时，对过去生产的同类产品进行调查（包括性能、技术参数、生产经验、使用情况、市场信息等），为拟订初步的设计方案打下基础。u其次，采用系统学或创造性的设计方法，确定可能的设计方案，根据经验或通过简单的计算作出分类，然后再用价值分析方法或优选方法

9、选择方案。u最后，用优化设计方法确定所选方案的主要参数，选择经济的材料和工艺过程，并完成设计阶段的一切技术文件。3.1 3.1 概论概论图图3-43-4机械产品设计过程的工作循环流程机械产品设计过程的工作循环流程3.2 3.2 设计理论与方法设计理论与方法多年来，各国学者对产品设计理论和方法进行了研究，并提出了许多设计理论与方法，比较著名的有发明问题解决理论(Theory of Inventive Problem Solving, TIPS)、公理化设计理论(Axiomatic Design, AD)、Tagnchi方法、面向对象的设计(Design for X, DFX)、并行设计、优化设计

10、、绿色设计、虚拟设计、数字化设计等。 3.2.1 设计理论与方法的分类设计理论与方法的分类科学技术工作者已提出并研究了数十种现代机械设计方法。比较有代表性的方法有：优化设计、创新设计、概念设计、动态设计、智能设计、虚拟设计、可视化设计、网络设计、并行设计、数字化设计等。东北大学闻邦椿院士经过研究，从不同角度对这些设计方法进行的分类，如图3-5所示。3.2 3.2 设计理论与方法设计理论与方法图图3-53-5现代机械设计方法的分类现代机械设计方法的分类3.2 3.2 设计理论与方法设计理论与方法 3.2.2 机械设计理论与方法的发展趋向机械设计理论与方法的发展趋向产品的设计理论与方法正在向下图所

11、示的几个主导方向发展。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术n3.3.1 现代设计技术的定义与特点现代设计技术的定义与特点n现代设计技术：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手段，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。n归纳起来，现代设计技术具有如下特点：n(1)设计范畴扩展化n 产品设计向前扩展到产品规划，甚至用户需求分析；向后扩展到工艺设计，使产品规划、产品设计、工艺设计形成一个有机的整体。另外，设计范畴的扩展还体现在面向“X”的设计技术，即在设计过程中同时考虑制造、维修、价格、包装

12、、发运、回收及质量等因素。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术n(2) 设计手段计算机化n从早期的辅助分析计算和辅助绘图，发展到现在的优化设计、并行设计、三维建模、设计过程管理、设计制造一体化、仿真和虚拟制造等。n (3)设计过程并行化n 并行设计技术，专家协同工作等。n (4)设计过程智能化n 人工智能和专家系统技术等。n (5)设计手段拟实化n 三维造型技术、仿真和虚拟制造技术以及快速原型制造技术等。n (6)分析手段精确化n 利用有限元等功能强大的分析工具准确模拟系统的真实工作情况；运用概率论和统计学方法进行产品的可靠性设计等。3.33.3现代设计技术现代设计技术n(7)多种手段综合

13、应用n 各种不同目的的设计方法、设计手段的综合。n (8)强调设计的逻辑性和系统性n (9)进行动态多变量的优化n (10)强调产品的环保性n (11)强调产品的宜人性n (12)强调用户参与n (13)强调设计阶段的质量控制n 产品的质量首先是设计出来的,其次才是制造出来的。n (14)设计和制造一体化n (15)强调产品全生命周期最优化3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术n3.3.2 优良性能设计基础技术优良性能设计基础技术n优良性能设计基础技术是一组以提高机械产品综合性能为目标的设计技术，包括可靠性设计技术、试验技术、防疲劳断裂设计技术、系统动态设计技术、稳定性设计技术、摩擦学设计技

14、术、优化设计技术、防腐蚀设计技术、表面工程设计技术、状态监测和补偿控制技术等。n1.1.可靠性设计可靠性设计n（1）可靠性的概念n产品可靠性：产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。u规定的时间：产品出厂后的一段时间，可以叫做产品的保险期；u规定的条件：包括环境条件、储存条件以及受力条件等；u规定的功能：保持功能参数在一定界限值之内的能力，不能任意扩大界限值的范围。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术n（2）可靠性的研究内容与指标n可靠性的主要研究内容有可靠性理论基础和可靠性应用技术：u可靠性理论基础：概率统计理论、失效物理、可靠性设计技术、可靠性环境技术、可靠性数据处理技术、可靠

15、性基础实验及人在操作过程中的可靠性等。u可靠性应用技术：使用要求调查、现场数据收集和分析、失效分析、零部件和系统的可靠性设计与预测、软件可靠性、可靠性评价和验证、包装运输保管和使用的可靠性规范、可靠性标准等。可靠性的数值标准常采用以下指标（或称特征值）：可靠度、失效率或故障率和平均寿命等。 1）可靠度(Degree Of Reliability)：零件(系统)在规定的运行条件下及在规定的工作时间内，能正常工作的概率。 2)失效率(Failure Rate)：工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术n 机电产品零件的典型失效率曲线(

16、即失效或故障模式)如图3-7所示。n早期失效区域最初的失效率较高，此后迅速下降；正常工作区域出现的失效具有随机性，失效率较低；功能失效区域的失效率迅速上升，一般情况下，零件表现为耗损、疲劳或老化所致的失效，预测这一时间的意义非常重大。n 3)平均寿命(Mean Life)：对于可修复的产品，是指相邻两次故障间工作时间的平均值，称为平均失效间隔时间；对于不可修复的产品，是指从开始使用到发生故障前工作时间的平均值，称为平均失效前时间。图图3-73-7机电产品零件的典型失效率曲线机电产品零件的典型失效率曲线3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术n（3）机械可靠性设计n机械可靠性设计是在满足产品功能

17、、成本等要求的前提下，使产品可靠运行的设计过程。n机械可靠性设计的主要特征是将常规设计变量，如材料强度、疲劳寿命、载荷、几何尺寸及应力等所具有的多值现象都看成是服从某种分布的随机变量，根据机械产品的可靠性指标要求，用概率统计的方法设计出零部件的主要参数和结构尺寸。其设计内容包括：u可靠性预测：根据系统的可靠性模型，用已知组成系统的各个独立单元的可靠度预测出系统的可靠度。u可靠性分配：将系统设计所要求达到的可靠性，合理地分配给各组成单元，从而求出各单元应具有的可靠度。u可靠性试验：为了定量评价产品的可靠性指标而进行的各种试验的总称。 3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术n 2. 2.系统动态

18、设计系统动态设计n（1）系统动态设计的技术内涵n机械设计可以分为静态设计和动态设计：u静态设计：认为结构是相对“不动的”，它承受的载荷和周围介质的状态参数（如温度、压力、流速及电磁场等）也是“不变的”，只对其静态性能进行分析、评价和设计。u动态设计：对结构的动态特性，如固有频率、振型、动力响应和运动稳定性等进行分析、评价与设计，谋求结构系统在工作过程中受到各种预期可能的瞬变载荷及环境作用时，仍然保持良好的动态性能与工作状态。系统动态设计是机械产品现代设计的最重要的内容之一，是结构设计的核心与关键，是提高产品动态性能（如振动、噪声、舒适性及稳定性等）和工作性能（如生产效率、工作质量等）以及运行可

19、靠性和寿命的根本保障。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术n（2）系统动态设计方法n主要有传递函数分析法、模态分析法和模态综合法。n1）传递函数分析法n利用传递函数不必求解微分方程，就可研究初始条件为零的系统在输入信号作用下的动态过程，同时还可研究系统参数变化或结构参数变化对动态过程的影响，因而使分析和研究过程大为简化；另一方面，还可以把对系统性能的要求转化为对系统传递函数的要求，把系统的各种特性用数学模型有机地结合在一起，使综合设计易于实现。n 2）模态分析法n 将一个多自由度振动系统的固有特性用一系列模态参量来表达，这些参量的关系就形成了系统的传递函数。用实验和其他数据处理手段(如有限

20、元方法)找出该系统特有的模态参量或传递函数,并用以对系统的动态性能进行分析、预测、评价和优化。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术n 3）模态综合法u首先，按照工程观点和结构（系统）的几何特点，将整个结构划分为若干个子结构；u其次，建立子结构的运动方程，进行子结构的模态分析；u再次，将子结构的运动方程变为模态方程，在模态坐标下将各个子结构进行模态综合，从而计算整个结构系统的模态；u最后，返回到原物理坐标以再现整机结构的动态特性。主要特点：u第一，通过求解若干个小型的特征值问题来取代计算大型的特征值问题；u第二，对于不同的子结构还可以用不同的方法来进行分析。机械结构系统动态设计的技术基础包括

21、：振动理论、数据库技术、结构疲劳、试验及测试技术、材料疲劳、有限元分析、断裂理论、试验模态分析技术及计算机技术等。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术n 3. 3.优化设计优化设计n（1）概述n现代工程设计中，设计方案往往不是唯一的，从多个可行方案中寻找“尽可能好”的或“最优化”方案的过程，称为优化设计。n优化设计是以数学规划为理论基础，以计算机为工具，在充分考虑多种约束的前提下，寻求满足某项预定目标的最佳设计方案。n工程设计上的“最优值”或“最佳值”是指在满足多种设计目标和约束条件下所获得的最令人满意、最适宜的值。n优化设计技术是优化设计全过程中各种方法、技术的总称，它主要包含两部分内容

22、：优化设计问题的建模技术和优化设计问题的求解技术。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术n3.3.3 竞争优势创建设计技术竞争优势创建设计技术n竞争优势创建技术是从产品的工作特性和功能目标出发，在技术、经济和社会等具体条件下，根据相邻学科的原理，创造性地设计产品，并使它在技术及经济上达到最佳水平。它包括创新设计技术、快速响应设计技术、大批量定制设计技术、仿真与虚拟设计技术、快速成型与反求设计技术、智能设计技术、广义优化技术及工业产品造

23、型设计技术等。n1.1. 创新设计技术创新设计技术n创新包括技术上的创新、管理上的创新、销售上的创新、售后服务上的创新等。在制造业中，一般把产品的技术创新分为如下两种：u无重要新技术，但在形式上翻新，因而能获得相应竞争能力的创新。u含有（开发了）新技术，使产品竞争力有重大提高，或形成新竞争力制高点的创新。此类创新将不仅具有世界意义，而且是具有历史意义的。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术n 2. 2. 快速响应设计技术快速响应设计技术n在以快交货T(Time)、高质量Q(Quality)、低成本C(Cost)和重环保E(Environment)去争取市场份额的市场竞争中，缩短交货期，快速

24、响应市场需求，已经成为竞争的第一要素。n （1）快速响应工程n快速响应工程主要包括以下一些内容:u建立快速捕捉市场动态需求信息的决策机制。u实现产品的快速设计：人们提出了并行工程(CE)，面向制造、装配、检验、质量、服务等的设计(DFX)，计算机协同工作支持环境(CSCW)和功能分解组合的设计思想，这将引起对现代设计方法和CAD发展的新探索。u追求新产品的快速试制定型：尽量利用柔性制造系统FMS (Flexible Manufacturing System)、快速成形RP (Rapid Prototyping)和虚拟制造VM (Virtual Manufacturing)等制造自动化的各种新技

25、术。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术u推行快速响应制造的生产体系：首先，在企业内部，应改变传统的以注重规模和成本为基础建立起来的生产管理系统和组织形式，按照快速响应制造的战略思想，探索一套全新的组织生产方式。其次，从面向全局的视野出发，以产品为纽带，以效益为中心，不分企业内外、地域差异，实行动态联盟，有效地组织产品的设计、制造和营销。 （2）实现快速响应设计的关键实现快速响应设计的关键是有效利用各种信息资源。信息具有如下特点：能量级小、存储性好（体积小、重量轻）、渗透力强（传播迅速）、处理方便（加工容易）等，最大的优点就是共享性极佳。根据这些特点，利用现代计算机和通信技术提供的对信息的

26、高度储存、传播和加工能力，有效利用产品的信息资源，采取产品信息资源重复使用和虚拟制造过程来实现快速响应。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术 （3）虚拟设计技术虚拟设计指设计者在虚拟环境中进行设计，以虚拟现实技术为基础。虚拟现实(Virtual Reality, VR) 技术是基于三维计算机图形技术与计算机硬件技术发展起来的高级人机交互技术，为用户提供逼真的感觉，包括三维视觉、立体听觉、触觉、甚至嗅觉和味觉等多种知觉方式。用户可以利用自然技能，如手摸、头转、身体姿势和调整等与虚拟世界进行交互作用，从而使人成为系统中集成的一部分，进入了沉浸-交互-构思状态，虚拟地与计算机所建造的仿真环境发生

27、交互。虚拟设计具有以下优点：继承了虚拟现实技术的所有特点；继承了传统CAD设计的优点，便于利用原有成果；具备仿真技术的可视化特点，便于改进和修正原有设计；支持协同工作和异地设计，利于资源共享和优势互补，从而缩短产品开发周期；便于利用和补充各种先进技术，保持技术上的领先优势。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术 基于虚拟现实技术的虚拟设计系统如图3-8所示。图图3-83-8基于虚拟现实技术的虚拟设计系统基于虚拟现实技术的虚拟设计系统3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术n3.3.4 全生命周期设计技术全生命周期设计技术n 1. 1. 概述概述n产品全生命周期设计，不仅是设计产品的功能和结构

28、，也要考虑产品的规划、设计、制造、经销、运行、使用、维修及保养直到回收再处置的全过程，意味着在设计阶段就要考虑到产品生命历程的所有环节，以求产品全生命周期设计的综合优化。n全生命周期设计的基本内容就是面向制造的设计，实现设计的最优化，所借助的手段是并行设计，而顺利完成设计任务的关键技术是数据管理。n全生命周期设计有：并行设计技术、DFX（“X”可能是装配、制造、质量等）设计技术、协同设计技术等。n本节主要介绍并行设计技术及面向制造的设计技术。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术n 2. 2. 并行设计技术并行设计技术n传统的设计是串行设计过程。串行开发的模式通常是递阶结构，各阶段的工作按顺

29、序进行，一个阶段的工作完成后，下一阶段的工作才开始，各个阶段依次排列，各阶段都有自己的输入和输出，如图3-9所示。n在串行设计过程中，由市场调查部门分析消费者或客户的需求，并将销售计划提交给计划部门，计划部门分析生产中的技术需求，然后将信息提交给产品设计小组，由设计小组独自设计直至完成，最后，设计结果送去加工制造。图图3-93-9串行设计过程串行设计过程3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术由于设计部门一直独立于生产加工过程，开发的产品很少能一次就可以投入批量生产，设计错误往往要在后期甚至在制造阶段才能被发现，形成了设计制造修改设计重新制造的大循环，导致产品开发周期长、开发成本高和质量无法保

30、证等问题。图图3-103-10并行设计模式并行设计模式与串行设计相比，并行设计中同一时刻内可容纳更多的设计活动，使设计活动尽可能并行进行，以此来减少整个设计过程的时间，如图3-10所示。它在产品开发设计阶段即考虑产品生命周期中制造、装配、测试及维护等环节的影响，通过各环节的并行集成来缩短产品开发时间，提高产品设计质量，降低产品成本。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术图3-11所示为并行设计和串行设计生命周期的比较。与串行设计的一次性输出结果不同，相关的工作小组之间的信息输出与传送是持续的，计工作每完成一部分，就将结果输出给相关过程，设计工作逐步完善，当工作小组不再有输入需求时，设计工作就

31、完成了。图图3-113-11并行设计和串行设计生命周期的比较并行设计和串行设计生命周期的比较并行设计的特点是“集成”与“并行”。所谓集成，是指在信息集成的基础上更强调过程的集成。所谓信息集成，主要针对企业在设计、管理和加工制造过程中需要和产生的大量数据进行统一管理，实现正确、高效的数据交换和共享。过程集成需要优化和重组产品的开发过程，组织多学科专家队伍，在协同工作环境下，齐心协力，共同完成设计任务。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术n 3. 3. 面向制造的设计技术面向制造的设计技术n面向制造的设计（DFM, Design For Manufacturing）是产品设计与后继加工制造过程

32、并行设计的方法。n面向制造的设计的关键在于把产品设计和工艺设计集成起来，它的目的是使设计的产品易于制造，易于装配，在满足用户要求的前提下降低产品成本，缩短产品开发周期。n面向制造的设计在产品设计过程中充分考虑了产品制造的相关约束，全面评价产品设计和工艺设计方案，提供改进信息，优化产品的总体性能，以保证其可制造性。面向制造的设计的关键技术有:u计算机辅助概念设计(CACD, Computer Aided Conceptual Design) 采用计算机辅助技术可以进行产品创造性设计和优化，实现产品概念设计与后续活动的集成与并行。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术u产品可制造性模型及其评价方

33、法的研究 对于可制造性这一多因素、多指标概念而言，有些指标是定量的，而更多的指标是定性的甚至是模糊的。因此，研究建立合理的可制造性模型，采用先进的评价方法对产品可制造性进行合理的评价具有重要意义。u并行设计过程建模 产品设计可扩展到多领域、多学科知识的集成，将增加设计过程的复杂性、综合性与系统性。并行设计过程的管理、协调、控制是实现面向制造的设计的关键，因此对面向制造的设计的研究具有十分重要的意义。u设计试验技术 设计试验技术包括原理方案试验、零件结构及可制造性试验和整机性能试验。应用快速原型技术、计算机仿真技术、虚拟环境和虚拟制造技术、有限寿命和小样本试验方法等先进方法和技术可显著降低试验成

34、本，缩短试验时间，提高产品设计和开发的一次成功率。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术n3.3.5 绿色产品设计技术绿色产品设计技术n 1. 1. 绿色产品的定义及内涵绿色产品的定义及内涵n绿色产品（GP，Green Product）也称为环境协调产品(ECP， Environmental Conscious Product)，是相对于传统产品而言。n绿色产品的两种定义：u绿色产品是指以环境和环境资源保护为核心概念而设计生产的可以拆卸并分解的产品，其零部件经过翻新处理后可以重新使用。u绿色产品从生产到使用乃至回收的整个过程都符合特定的环境保护要求，对生态环境无害或危害极少，以及利用资源再生

35、或回收循环再用的产品。n从上述定义可以看出，虽然描述的侧重点不同，但其实质基本一致：即绿色产品应有利于保护生态环境，不产生环境污染或使污染最小化，同时有利于节约资源和能源，且这一特点应贯穿于产品生命周期全过程。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术n因此，综合上述分析，可以给出绿色产品的下述定义以供参考：n绿色产品就是在其生命周期全过程中，符合特定的环境保护要求，对生态环境无害或危害极少，对资源利用率最高，能源消耗最低的产品。n绿色产品应具有以下内涵：u最大限度地保护环境：即产品从生产到使用乃至废弃、回收处理的各个环节都对环境无害或危害甚小。u最大限度地利用材料资源：绿色产品应尽量减少材料使

36、用量，减少使用材料的种类，特别是稀有、昂贵材料及有毒、有害材料。u最大限度地节约能源：绿色产品在其生命周期的各个环节所消耗的能源应最少。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术n 2. 2.绿色产品设计的概念及评价标准绿色产品设计的概念及评价标准n绿色产品的设计是以环境资源保护为核心概念的设计过程，它要求在产品的整个生命周期内把产品的基本属性和环境属性紧密结合，在进行设计决策时，除满足产品的物理目标外，还应满足环境目标，以达到优化设计要求。n图3-12所示为传统产品设计过程与绿色产品设计过程的比较，其中：a)传统产品设计过程；b)绿色产品设计过程。图图3-123-12传统产品设计过程与绿色产品

37、设计过程比较传统产品设计过程与绿色产品设计过程比较3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术n 对于机械产品绿色设计的准则有：u与材料有关的准则：少用短缺或稀有的原材料，多用废料、余料或回收材料作为原材料；尽量寻找短缺或稀有原材料的代用材料；减少所用材料种类，并尽量采用相容性好的材料，以利于废弃后产品的分类回收；尽量少用或不用有毒有害的原材料；优先采用可再利用或再循环的材料。u与结构有关的准则：在结构设计中树立“小而精”的设计思想，通过产品小型化，尽量节约资源的使用量；简化产品结构,提倡“简而美”的设计原则。u与制造工艺有关的准则：改进和优化工艺技术，提高产品合格率；采用合理工艺，简化产品加工流

38、程，减少加工工序，谋求生产过程的废料最少化，避免不安全因素；减少生产过程中的污染物排放。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术u绿色产品设计的管理准则：规划绿色产品的发展目标，将产品的绿色属性转化为具体的设计目标。为绿色设计定义量化方法，设计人员依据量化来设计产品性能参数、工艺路径和工艺参数，确定合适的产品制造技术；设计人员应考虑产品对环境产生的附加影响和产品废弃后的回收、重用等。 3. 3. 绿色产品设计的主要内容及方法绿色产品设计的主要内容及方法 进行绿色产品设计应包括以下主要内容: (1)绿色产品设计的材料选择与管理 选材时不仅要考虑产品的使用和性能，而且应考虑环境约束准则，同时必须了

39、解材料对环境的影响,选用无毒、无污染材料和易回收、易降解、可再利用材料；加强材料管理，一方面，不能把含有有害成分与无害成分的材料混放在一起；另一方面，达到生命周期的产品，有用部分要充分回收利用，不可用部分要采用一定的工艺方法处理、回收，降低材料成本。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术 (2)产品的可回收性设计 主要包括：可回收材料及其标志；可回收工艺与方法；可回收性经济评估；可回收性结构设计。 (3)产品的可拆卸性设计 设计的结构易于拆卸、维护方便，并在产品报废后对可再利用部分充分有效地回收和再利用，以达到节约资源和能源及保护环境的目的。 (4)绿色产品的成本分析 成本分析时必须考虑污染

40、物的替代、产品拆卸、重复利用成本、特殊产品相应的环境成本等。 (5)绿色产品设计数据库 绿色产品设计数据库对绿色产品的设计过程起着举足轻重的作用，该数据库应包括产品生命周期中环境、经济等有关的一切数据。3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术 4. 4.绿色产品设计的关键技术绿色产品设计的关键技术 (1)面向环境的设计技术 面向环境的设计是一种系统化的设计方法，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(可拆卸性、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同时保证应有的基本性能、使用寿命和质量等。 (2)面向能

41、源的设计技术 面向能源的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支持产品的整个生命周期，并以最少的代价获得能量的可靠回收和重新利用的设计技术。 3.3 3.3 现代设计技术现代设计技术 (3)面向材料的设计技术 面向材料的设计技术是以材料为对象，在产品的整个生命周期(设计、制造、使用、废弃)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，使其对环境污染最小和能源消耗最少的绿色设计技术。 面向材料的设计技术的内容包括： 产品计划阶段：用产品的技术性、经济性和环境性三维指标进行新产品设计的可行性分析，确定出各种可行的与环境协调的设计方案；方案设计阶

42、段：在对各种可行方案进行功能及经济分析的同时，还要对能满足功能需求的各种材料进行环境性能评价，选择出综合性能最优的设计方案；结构设计阶段：所设计的结构既要具备应有的功能、良好的工艺性，同时还要满足易于拆卸和回收；详细设计阶段：对产品所用材料按其拆卸性能、回收性能和重复利用性能进行统计建库，以便于产品废弃后材料的回收与处理。复习思考题复习思考题p简要阐述设计的概念及本质。p举例说明机械产品设计的基本过程。p简述现代机械设计理论与方法的发展趋势。p简述现代设计方法的含义及技术。p什么是优良性能设计基础技术？试举例说明。p简要说明优化设计的定义及数学模型。p什么是竞争优势创建设计技术？试举例说明。p简要说明快速响应工程的含义及内容。p什么是全生命周期设计技术？试举例说明。p简要说明并行设计的含义及特点。p简述面向制造的设计的关键技术。p简述绿色产品设计的内容及方法。