先進設計技術第三學時

1、先進設計技術,有限元分析,反求工程,,2,1,3,4,計算機輔助設計技術,概述,5,綠色產(chǎn)品設計,6,可靠性設計,,了解逆向工程基本概念和基本步驟了解逆向工程應用領域了解RE的軟件系統(tǒng),本節(jié)課要求,逆向工程,正向設計：“從無到有” ，設計人員首先構(gòu)思產(chǎn)品的外形、性能和大致的技術參數(shù)等，然后利用CAD技術建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終將這個模型轉(zhuǎn)入制造流程，完成產(chǎn)品的整個設計制造周期。市場需求?設計要求?設計師的創(chuàng)造性活動?產(chǎn)品

2、 反向設計：“從有到無”，就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品的設計數(shù)據(jù)（包括設計圖紙或數(shù)字模型）的過程。已有產(chǎn)品?消化、再創(chuàng)造?市場競爭的新產(chǎn)品,反求工程流程,傳統(tǒng)的復制方法：是用立體雕刻機或液壓三次元靠模銑床制作出一比一成等比例的模具，再進行量產(chǎn)。這種方法屬稱類比式復制，無法建立工件尺寸圖檔，也無法做任何的外形修改，已漸漸為新型數(shù)字化的逆向工程系統(tǒng)所取代。逆向工程(Reverse Engineering,RE)：由高速

3、三維激光掃描機對已有的樣品或模型進行準確、高速的掃描，得到其三維輪廓數(shù)據(jù)，配合反求軟件進行曲向重構(gòu)，并對重構(gòu)的曲面進行在線精度分析、評價構(gòu)造效果，最終生成IGES或STL數(shù)據(jù)，據(jù)此就能進行快速成型或CNC數(shù)控加工。,反向設計的兩種方法,逆向工程技術: “將產(chǎn)品樣件轉(zhuǎn)化為CAD模型的相關數(shù)字化技術和幾何模型重建技術”的總稱. 逆向工程不僅僅是對現(xiàn)實世界的模仿，更是對現(xiàn)實世界的改造，是一種超越。逆向工程主要任務 將

4、原始物理模型轉(zhuǎn)化為工程設計概念或產(chǎn)品數(shù)字化模型：一方面為提高工程設計、加工分析的質(zhì)量和效率提供充足的信息；另一方面為充分利用CAD／CAE／CAM技術對已有的產(chǎn)品進行設計服務。,實物逆向：在已有實物條件下，通過試驗、測繪和分折，提出再創(chuàng)造的關鍵；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、精度、使用規(guī)范等多方面的逆向。實物逆向?qū)ο罂梢允钦麢C、部件、組件和零件。軟件逆向：產(chǎn)品樣本、技術文件、設計書、使用說明書、圖紙、有關規(guī)范和標準

5、、管理規(guī)范和質(zhì)量保證手冊等均稱為技術軟件。軟件逆向中有三類情況：1)既有實物，又有全套技術軟件；2)有實物而無技術軟件；3)無實物，僅有全套或部分技術軟件。影像逆向：無實物，無技術軟件，僅有產(chǎn)品相片、圖片、廣告介紹、參觀印象和影視畫面等，要從其中去構(gòu)思、想象來逆向，稱為影像逆向，這是逆向?qū)ο笾须y度最大的。影像逆向本身就是創(chuàng)新過程。目前還未形成成熟的技術。一般要利用透視變換和透視投影．形成不同透視圖，從外形、尺寸、比例和專業(yè)知識，去琢磨

6、其功能和性能，進而分析其內(nèi)部可能的結(jié)構(gòu)。,逆向工程分類,逆向工程的應用領域?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)化為CAD模型以進行計算機輔助分析（CAE）、計算機輔助制造（CAM）等。對外形要求較高的零部件的設計：如在飛機、汽車、摩托車、家用電器等產(chǎn)品開發(fā)中，根據(jù)木制或油泥模型獲得產(chǎn)品CAD模型?？焖偕a(chǎn)一些大型設備，如航空發(fā)動機、汽輪機組等損壞的零部件，迅速回復生產(chǎn)?？焖僭停≧apid Prototype，RP）制造：如藝術品、考古文物的復制，人體

7、骨骼、關節(jié)、假肢制造，特種服裝、頭盔等的制造。計算機輔助檢測，利用工業(yè)CT技術，可以快速發(fā)現(xiàn)、定位物體的內(nèi)部缺陷。,,機械工程及制造領域（航空、航天和汽車制造等）；醫(yī)療模具、醫(yī)療器械和仿真人體器官；用于影視設計和游戲開發(fā)；紡織和客戶消費領域；家具和玩具造型領域。,油泥模型 測量點云數(shù)據(jù) 提取特征曲線 曲面重構(gòu) 曲面模型,汽車逆向工程設計,反求工程的基本步驟,三維實體幾何形狀數(shù)據(jù)采集

8、規(guī)則或大量離散數(shù)據(jù)處理三維實體模型重建、加工等,逆向工程關鍵技術,實體模型數(shù)據(jù)采集,逆向工程測量系統(tǒng)通過三維掃描測量實物表面的三維坐標點集，得到的大量坐標點的集合稱為點云（Point Cloud)。接觸式測量 根據(jù)測頭的不同，可分為觸發(fā)式和連續(xù)式。 如三坐標測量機 非接觸式測量 根據(jù)原理的不同，可分為三角形法、結(jié)構(gòu)光法、計算機視覺法、激光干涉法、激光衍射法、CT測量法、MRI測量法、超聲波法和層析法等。,

9、三坐標測量機，逐點掃描，速度慢。,,,接觸式掃描,激光線掃描儀,逐線掃描,非接觸式掃描,破壞式——斷層掃描,逆向工程中數(shù)據(jù)采集規(guī)劃,產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集原則：沿著特征方向走，順著法向方向采集。 1、規(guī)則形狀的數(shù)據(jù)采集規(guī)劃 對規(guī)則形狀諸如點、直線、圓弧、平面、圓柱、圓錐、球等，也包括擴展規(guī)則形狀如雙曲線、螺旋線、齒輪、凸輪等，數(shù)據(jù)采集多用精度高的接觸式探頭，依據(jù)數(shù)學定義這些元素所需的點信息進行數(shù)據(jù)采集規(guī)劃。,各規(guī)則元素數(shù)學描述所需的最

10、小數(shù)據(jù)點數(shù)，要描述其公差與變化，實際需要測量更多的點。,2、自由曲面的數(shù)據(jù)采集規(guī)劃 對非規(guī)則形狀，統(tǒng)稱自由曲面，多采用非接觸式探頭或二者相結(jié)合。原則上，要描述自由形狀的產(chǎn)品，只要記錄足夠的數(shù)據(jù)點信息即可，但評判足夠數(shù)據(jù)點是很難的。實際數(shù)據(jù)采集規(guī)劃中，多依據(jù)工件的整體特征和流向，進行順著特征走，法向特征掃的數(shù)據(jù)采集規(guī)劃；對局部變化較大的地方，仍采用這一原則進行分塊補充。 3、智能數(shù)據(jù)采集規(guī)劃 當前智能數(shù)據(jù)采集還

11、處于剛開始階段，但它是三坐標測量機所追求的目標，它包括樣件自動定位、自動元素識別、自動采集規(guī)劃和自動數(shù)據(jù)采集。,（1）測量方式：接觸式測量、非接觸式測量、斷層式（2）測量數(shù)據(jù)可分為四類： 散亂數(shù)據(jù)－無序 掃描線數(shù)據(jù)－掃描線上點在掃描平面內(nèi)有序排列 網(wǎng)格化數(shù)據(jù)－點云所有點均與參數(shù)域中一個均勻網(wǎng)格定點對應 多邊形數(shù)據(jù)－測量點分布在一系列平行平面內(nèi)，用小線段將同一平面內(nèi)距離最小的若干點依次連接。,反求

12、工程的基本步驟,1.數(shù)據(jù)獲?。悍辞蠊こ藽AD建模的首要環(huán)節(jié),散亂點云數(shù)據(jù),測量點沒有明顯的幾何分布特征，呈散亂無序狀態(tài),掃描線點云數(shù)據(jù),點云由一組掃描線組成，掃描線上的所有點位于掃描平面內(nèi),網(wǎng)格化點云,點云中所有點都與參數(shù)域中一個均勻網(wǎng)格的頂點對應網(wǎng)格化插值,三角網(wǎng)格點云數(shù)據(jù),點云中的點與鄰點構(gòu)成三角網(wǎng)格拓撲關系,多邊形點云,測量點分布在一系列平行平面內(nèi)，用一小線段將同一平面內(nèi)距離最小的若干相鄰點依次連接，可形成有嵌套的平行多邊形層

13、切法、核磁共振、工業(yè)CT,多邊形點云數(shù)據(jù),分析、理解事物模型的設計意圖及造型方法基于測量數(shù)據(jù)進行原始設計參數(shù)還原三種模型參數(shù)：設計參數(shù)、實物參數(shù)、重構(gòu)參數(shù),反求工程CAD建模方案制定,反求工程的基本步驟,2.建模方案制定,反求工程的基本步驟,3.數(shù)據(jù)預處理,數(shù)據(jù)拼合數(shù)據(jù)光滑數(shù)據(jù)簡化數(shù)據(jù)修復數(shù)據(jù)分塊,點數(shù)據(jù)處理過程,曲線處理過程,曲面處理過程,邊界識別,拓撲重建,拓撲重建,孔洞識別,孔洞識別,孔洞識別,數(shù)據(jù)拼合,也叫多視拼合，

14、因為一次測量完成對全體件的數(shù)字化是很困難的 CMM中多次裝夾光學測量儀中，多視角測量可以在測量過程中由軟件自動拼合，也可以在測量結(jié)束后輸入到反求工程軟件中拼合,拼合方法,點位法：測量點中確定三個非共線點，作為分視 圖的局部坐標系標準,拼合結(jié)果,數(shù)據(jù)光滑,實際測量過程中受到人為或隨機因素的影響，使得測量結(jié)果包含噪聲，為了降低或消除噪聲對后續(xù)建模質(zhì)量的影響，有必要對數(shù)據(jù)進行平滑濾波。人機交互 程序濾波變

15、形光順,濾波示意圖,程序濾波,光順效果,光順效果,數(shù)據(jù)修復,測量過程中因為貼定位片、遮擋等原因?qū)е虏糠謹?shù)據(jù)測量不完整重新測量軟件中修補,殘缺數(shù)據(jù)修復,殘缺數(shù)據(jù)修復,數(shù)據(jù)修復,數(shù)據(jù)簡化,按數(shù)據(jù)點間的距離 指定數(shù)據(jù)點間的臨界距離，兩個測點間的距離小于臨界距離，則刪除其中的一個。按給定的法向精度根據(jù)刪除一個點在曲面法向引起的誤差大小作為測點刪除的依據(jù)。測點到最小二乘擬合曲面的垂直距離作為刪除該點引起的近似法向誤差，若小于某一閾值，刪

16、除該點。曲率較小的地方分布較少的點，曲率大或尖銳棱邊保留較多的點。,給定距離簡化,下圖為某鞋廠新款鞋樣實施反求工程，采用線結(jié)構(gòu)光視覺 傳感器坐標測量系統(tǒng)對鞋楦進行測量、建模，獲得的模型。,實例,逆向工程的加工,加工 加工是將數(shù)字產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為真實產(chǎn)品的過程。逆向工 程的加工更注重加工工藝的自動化和加工的自動化 完成。,例子：電吹風葉輪的快速設計與實現(xiàn),,,,總結(jié)仿制是產(chǎn)品發(fā)展的原動力，逆向工程是產(chǎn)品研發(fā)的有效途徑。逆向工程把

17、三坐標測量機、CAD/CAM/CAE軟件、CNC機床有機而又高效地結(jié)合在一起，成為產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的一個高效、便捷的途徑。 逆向工程不僅僅是產(chǎn)品的仿制，它更肩負著數(shù)學模型的還原和再設計的優(yōu)化等多項重任。,國外逆向工程軟件,Geomagic(美國RainDrop公司的)逆向工程軟件，具有豐富的數(shù)據(jù)處理手段，可以根據(jù)測量數(shù)據(jù)快速構(gòu)造出多張連續(xù)的曲面模型。Imageware作為UG NX中提供的逆向工程造型軟件。具有強大的測量數(shù)據(jù)處理、曲面

18、造型、誤差檢測功能?？梢蕴幚韼兹f至幾百萬的點云數(shù)據(jù)。根據(jù)這些點云數(shù)據(jù)構(gòu)造的A級曲面(CLASS A)具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性。Imageware的模型檢測功能可以方便、直觀地顯示所構(gòu)造的曲面模型與實際測量數(shù)據(jù)之間的誤差以及平面度、真圓度等幾何公差。CopyCAD(英國DELCAM公司系列產(chǎn)品)，主要處理測量數(shù)據(jù)的曲面造型。DELCAM的產(chǎn)品涵蓋了從設計到制造、檢測的全過程；包括PowerSHAPE、Power-MILL、PowerI

19、NSPECT、ArtCAM、CopyCAD、PS-TEAM等諸多軟件產(chǎn)品。CopyCADM系列中的其它軟件可以很好地集成。RapidForm(韓國INUS公司開發(fā))逆向工程軟件，主要用于處理測量、掃描數(shù)據(jù)的曲面建模以及基于CT數(shù)據(jù)的醫(yī)療圖像建模．還可完成藝術品的測景建模以及高級圖形生成。RapidForm提供一整套模型分割、曲面生成、曲面檢測的工具．用戶可以方便地利用以前構(gòu)造的曲線網(wǎng)格經(jīng)過縮放處理后應用到新的模型重構(gòu)過程中。,國內(nèi)逆向

20、工程軟件,國內(nèi)在逆向工程軟件方面的研究．主要集中在高等學校(如清華大學、浙江大學、南京航空航天大學)，也有軟件產(chǎn)品出現(xiàn)，但是由于系統(tǒng)穩(wěn)定性、可操作性等原因，這些研究性軟件還沒具備與國外商業(yè)化軟件競爭的條件。QuickForm是較好的一個：該系統(tǒng)采用先進的幾何引擎，運行穩(wěn)定性好，并有良好的可操作性。由于開發(fā)人員具有豐富的逆向工程實施經(jīng)驗．因此系統(tǒng)的功能設置、操作方式符合國內(nèi)用戶的習慣，這是國外軟件所無法具備的。QuickForm還具有

21、價格優(yōu)勢，QuickForm的價格在同類軟件中具有極強的競爭力；采用國產(chǎn)軟件也是對國內(nèi)制造業(yè)和軟件行業(yè)的支持。,Imageware,Imageware是著名的逆向工程軟件，世界四大逆向工程軟件之一，廣泛應用于汽車、航空、航天、消費家電、模具、計算機零部件領域。擁有廣大的用戶群，國外有BMW、Boeing、GM、Chrysler、Ford、raytheon、Toyota；國內(nèi)已有上海大眾、上海交大、上海DELPHI、成都飛機制造公司等。

22、以前該軟件主要應用于航空航天和汽車工業(yè)，因為這兩個領域?qū)諝鈩恿W性能要求很高，在產(chǎn)品開發(fā)的開始階段就要認真考慮空氣動力性。常規(guī)的設計流程首先根據(jù)工業(yè)造行需要設計出結(jié)構(gòu)，制作出油泥模型，然后將模型送到風洞實驗室去測量空氣動力學性能，再根據(jù)實驗結(jié)果對模型進行修改，經(jīng)過反復修改直到獲得滿意結(jié)果為止，這樣所得到的最終油泥模型才是符合我們需要的模型。,Imageware,如何將油泥模型的外形精確地輸入計算機成為電子模型，這就需要采用逆向工程

23、軟件、首先利用三坐標測量儀器測出模型表面點陣數(shù)據(jù)，利用逆向工程軟件（例如：Imageware、surfacer）進行處理，獲得class 1曲面。隨著技術進步和消費水準的不斷提高，很多其他行業(yè)也開始紛紛采用逆向工程軟件進行產(chǎn)品設計，例如，微軟公司生產(chǎn)的鼠標器，就其功能來講，只需要三個鍵就可以了，可是怎樣才能讓鼠標器手感最好，經(jīng)過長時間使用而不易產(chǎn)生疲勞感確是生產(chǎn)廠商需要認真考慮的問題。因此微軟公司首先根據(jù)人體工程學制作了幾個模型，并

24、交給使用者評估，根據(jù)評估意見對模型直接修改，直到模型修改到大家都滿意為止，然后將模型數(shù)據(jù)利用逆向工程軟件Imageware生成CAD數(shù)據(jù)。當產(chǎn)品推出市場后，由于外觀新穎、曲線流暢、加上手感好，符合人體工程學原理，迅速獲得用戶的廣泛認可，產(chǎn)品市場占有率大幅度上升。,應用展望,反求工程是一門開拓性、綜合性和實用性很強的技術。盡管國內(nèi)外已有大量成功經(jīng)驗，但目前還很少有這方面系統(tǒng)的論著，大多散見在各個行業(yè)的案例或設計資料中，很多企業(yè)也不愿將其反

25、求技術公開。應該看到，反求工程有其獨特的共性技術和內(nèi)容，還是一門新興的交叉學科分支，正如高新技術層出不窮，解密技術亦要相應發(fā)展。在工程專業(yè)領域，需有設計、制造、試驗、使用、維修、檢測等方面知識；在現(xiàn)代設計法領域，應有系統(tǒng)設計、優(yōu)化、有限元、價值工程、可靠性、工業(yè)設計、創(chuàng)新技法等知識；在計算機方面，需有硬件和軟件的基本知識，等等?？傊F(xiàn)行產(chǎn)品中的各種復雜、高新技術，在反求工程中都會遇到如何消化吸收問題。,小結(jié),了解反求工程的概念、研究

26、對象及研究內(nèi)容；掌握反求工程的設計流程。,先進設計技術,有限元分析,反求工程,,2,1,3,4,計算機輔助設計技術,概述,5,綠色產(chǎn)品設計,6,可靠性設計,,可靠性設計,可靠性工作的意義,可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的一項重要指標。,重要關鍵產(chǎn)品的可靠性問題突出，如航空航天產(chǎn)品； 量大面廣的產(chǎn)品，可靠性與經(jīng)濟性密切相關，如洗衣機等； 高可靠性的產(chǎn)品，市場的競爭力強；,可靠性學科的內(nèi)容,可靠性基礎理論：數(shù)學、失效物理學(疲勞、磨損、蠕變機理）等

27、；,可靠性工程：可靠性分析、設計、試驗、使用與維護等；,可靠性管理：可靠性規(guī)劃、評審、標準、指標及可靠性增長；,固有可靠性：由設計所決定的產(chǎn)品固有的可靠性；,使用可靠性：在特定的使用條件下產(chǎn)品體現(xiàn)出的可靠性；,可靠性定義與指標,１、可靠性定義,產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。,可靠性：(Reliability),維修性：(Maintainability),可維修的產(chǎn)品在某時刻具有或維持規(guī)定功能的能力。,有效性：(A

28、vailability),有效性→廣義可靠性＝（狹義）可靠性?維修性,在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法完成維修的能力。,可靠性指標,? 可靠度：(Reliability),產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。,記為：R(ｔ)　　　即：R(ｔ)=P{Ｔ>ｔ},其中：T為產(chǎn)品的壽命；ｔ為規(guī)定的時間；,事件{Ｔ>ｔ}有下列三個含義：? 產(chǎn)品在時間ｔ內(nèi)完成規(guī)定的功能；? 產(chǎn)品在時間ｔ內(nèi)無故障；

29、? 產(chǎn)品的壽命Ｔ大于ｔ。,若有N個相同的產(chǎn)品同時投入試驗，經(jīng)歷時間ｔ后有n(t)件產(chǎn)品失效，則產(chǎn)品的可靠度為：,失效概率為：,? 失效率,例：若有100件產(chǎn)品，實驗10小時已有2件失效。此時觀測1小時，發(fā)現(xiàn)有1件失效，這時,若實驗到50小時時共有10件失效。再觀測1小時，也發(fā)現(xiàn)有1件失效，這時,可靠性指標,? 平均壽命,? 對于不可修產(chǎn)品為平均無故障時間MTTF (Mean Time To Failure),對于可修產(chǎn)品為平均故障間

30、隔時間MTBF (Mean Time Between Failure),? 維修度,在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法完成維修的概率。(M(t)),? 有效度,平均維修時間：MTTR(Mean Time To Repair),可以維修的產(chǎn)品在某時刻具有或維持規(guī)定功能的概率。,可靠性指標,先進

31、設計技術,有限元分析,反求工程,,2,1,3,4,計算機輔助設計技術,概述,5,綠色產(chǎn)品設計,6,可靠性設計,,1.綠色設計的概念,1.1 產(chǎn)品生命周期,傳統(tǒng)產(chǎn)品設計過程圖,A.直接再循環(huán)/重復利用；B.可重復利用的再制造C.循環(huán)材料再加工；D.單體/原材料再生考慮綠色設計的產(chǎn)品生命周期圖,1.綠色設計的概念,傳統(tǒng)產(chǎn)品一般只是為了滿足人們的某些功能需要來為企業(yè)贏得大的利潤。 綠色產(chǎn)品（Green product , GP），又稱環(huán)

32、境協(xié)調(diào)產(chǎn)品（Environment Conscious Product，ECP）。可這樣定義：GP就是在其生命周期全過程中，符合特定的環(huán)保要求，對生態(tài)環(huán)境無害或危害很小，資源利用率很高，能源消耗低的產(chǎn)品。綠色產(chǎn)品不僅要對環(huán)境友好，具有宜人的使用方式，為人們的健康生活方式服務，倡導綠色消費文化。綠色產(chǎn)品在傳統(tǒng)產(chǎn)品的基礎上，使產(chǎn)品與環(huán)境(自然環(huán)境和社會環(huán)境)、產(chǎn)品與消費者的關系更加密切。,1.2 傳統(tǒng)產(chǎn)品和綠色產(chǎn)品,1.綠色設計的概念

33、,1.3 綠色設計,綠色設計（Green Design，GD）又稱生態(tài)設計（Ecological Design，ED），環(huán)境設計（Design for Environment，DFE）等。 “綠色設計”是20世紀80年代末出現(xiàn)的一股國際設計潮流。早在20世紀60年代末著名的工業(yè)設計師及教育家維可多?佩帕尼克就出版了在設計界引起強烈反響的著作《為現(xiàn)實生活而設計》，在書中提出了在當時與眾不同的觀點，他認為我們周遭的事物都是由設計師創(chuàng)造的

34、，設計師在市場銷售和用戶滿意度方面不單單只是起到“美化”的作用，同時應強調(diào)設計師的社會及道德的倫理價值。 進入21世紀，因世界各國政府對環(huán)境問題的重視，有關環(huán)境保護法規(guī)的建立，企業(yè)間的競爭，使得帶有理想主義色彩的“綠色設計”潮流逐步有了現(xiàn)實意義。,1.綠色設計的概念,可這樣定義：綠色設計是在產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)（設計、制造、運輸、銷售、使用或消費、廢棄處理），著重考慮產(chǎn)品的環(huán)境屬性（自然資源的利用、對環(huán)境和人的影響、可拆卸性、可回收性

35、、可重復利用性等），并將其作為設計目標，在滿足環(huán)境目標要求的同時，并行地考慮并保證產(chǎn)品應有的基本功能、使用壽命、經(jīng)濟性和質(zhì)量等。,1.3 綠色設計,2. 綠色設計的特征,設計目標。設計目標中除考慮功能、性能、質(zhì)量、成果等方面外，還必須考慮產(chǎn)品在整個生命周期過程中與環(huán)境和人的友好性；設計技術。除常規(guī)設計方法外，還必須采用可拆卸、可回收、模塊化設計；設計評價?？紤]從原料提煉、加工、制造、裝配、包裝、運輸、廢棄回收、重用處理等整個產(chǎn)品生命

36、周期內(nèi)，對環(huán)境造成的影響為最??；設計流程。并行閉環(huán)型設計，從廢棄后的回收、重用、修復、再加工，進入新一輪的產(chǎn)品生命周期。設計目的。兼顧產(chǎn)品性能需求和環(huán)保影響。,3. 綠色設計的關鍵技術,4. 綠色設計過程模型,綠色產(chǎn)品過程模型將綠色設計分為4個部分：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計、材料選擇、產(chǎn)品環(huán)境性能設計與產(chǎn)品資源性能設計，每一部分都從全生命周期的角度進行設計選擇，并通過評價等環(huán)節(jié)相互聯(lián)系。,綠色設計過程模型圖,4. 綠色設計過程模型,4.1 綠色

37、產(chǎn)品的描述與建模,即弄清楚什么是綠色產(chǎn)品，不同產(chǎn)品的綠色屬性如何表現(xiàn)，并通過生命周期分析方法（LCA）與并行工程思想建立綠色產(chǎn)品設計模型。,4.2 綠色產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計,綠色產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)除滿足普通產(chǎn)品的基本要求外，還要考慮結(jié)構(gòu)的易于拆卸與回收處理。 不可拆卸會造成大量可重復利用的零部件的浪費，因而現(xiàn)代產(chǎn)品不僅要有優(yōu)良的裝配性能，還應有良好的拆卸性能。 可回收性設計指在產(chǎn)品設計初期就充分考慮其回收的可能性、回收價值的大小、回收處理的方式等。

38、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計包括：產(chǎn)品的可拆卸性設計和可回收性設計。,4. 綠色設計過程模型,4.3 綠色設計的材料選擇,傳統(tǒng)產(chǎn)品設計主要從材料的功能、性能、經(jīng)濟性和是否滿足要求等角度選材。綠色設計選材不僅要考慮產(chǎn)品的性能和條件，還要考慮環(huán)境的約束準則、選用無毒、無或少污染、易降解和易回收利用的材料。,4. 綠色設計過程模型,綠色設計的材料選擇原則：1、減少所用材料種類。Whirlpool公司把包裝材料從20種減少到4種，處理廢物的成本下降了50

39、％以上，材料成本降低，性能提高。2、減少在加工過程中對環(huán)境產(chǎn)生負面影響的材料。（能源）3、選用易回收材料或能再生材料。美國設計師利用再生材料制成的雙層波紋板代替木板制成包裝用托架，與同強度木材比重量減輕3/4，節(jié)約了木材資源和運輸成本，且能循環(huán)處理利用。（塑料 /鋁）4、選用廢棄后能自然分解并能為自然界吸收的材料。如廢棄后能在光合作用或生化作用下自然分解的塑料制品包裝材料。5、盡可能選擇無毒、無害的材料。,4. 綠色設計過程模型

40、,4.4 產(chǎn)品資源性能設計,綠色設計通過并行考慮產(chǎn)品生命周期的各個階段，使產(chǎn)品的資源得到合理利用合配置。,4. 綠色設計過程模型,4.5 產(chǎn)品環(huán)境性能設計,在產(chǎn)品設計初期，將其環(huán)境性能作為設計目標是綠色設計區(qū)別于傳統(tǒng)設計的主要特點之一。由于不同的產(chǎn)品有不同的環(huán)境性能，設計時應根據(jù)產(chǎn)品特點、使用環(huán)境與要求分別予以滿足。如對電冰箱而言，其環(huán)境性能主要表現(xiàn)在不用氯氟氫類的制冷劑和發(fā)泡劑，減少或消除酸洗、磷化過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染物，降低能耗、

41、減少噪聲、減少所用材料種類等。,4. 綠色設計過程模型,4.6 產(chǎn)品設計評價,綠色設計評價主要解決綠色設計結(jié)果是否滿足預期需求和目標，是否有改善潛力的問題。其主要內(nèi)容包括： 建立系統(tǒng)、完整的綠色設計評價指標體系； 對現(xiàn)行評價方法研究的基礎上，利用層次分析法、模糊數(shù)學、神經(jīng)網(wǎng)絡等方法，建立綠色設計的綜合評價模型。,5. 產(chǎn)品的可拆卸性設計,產(chǎn)品的可拆卸性是產(chǎn)品可回收性的重要條件，直接影響產(chǎn)品的可回收再生性。面向拆卸的設計：Desi

42、gn for Disassembly，DFD,5.1 影響產(chǎn)品可拆卸性的因素待拆卸零件的數(shù)目待拆卸零部件在產(chǎn)品中所處的拆卸深度拆卸過程 的并行與串行待拆的連接數(shù)目連接的拆卸時間連接的種類與拆卸所需工具數(shù)連接的可達性連接在使用后的可能狀態(tài),5.2 拆卸設計準則拆卸工作量最少原則：在滿足使用要求的前提下盡量去掉一些不必要的功能，如零件相似功能的合并，減少材料的種類并考慮材料之間的相容性。結(jié)構(gòu)的可拆卸性準則。在選擇零件間的

43、連接方法時應考慮拆卸分離的方便性，并且緊固件的數(shù)量應盡量少。拆卸易于操作的準則。在拆卸過程中，不僅要使拆卸動作快，而且要采用合理的結(jié)構(gòu)，使拆卸易于進行，如采用快開機構(gòu)；在拆卸零件上留有可供抓取的表面。,5. 產(chǎn)品的可拆卸性設計,5. 產(chǎn)品的可拆卸性設計,拆卸評價主要包括對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性評價、環(huán)境性評價及拆卸的經(jīng)濟性評價。通常以經(jīng)濟性指標（拆卸成本、回收利潤或拆卸時間）為單位，定量地評價零部件拆卸的難易程度，并根據(jù)拆卸后果將設計缺陷信息

44、反饋給設計者，使其在設計初始階段修改方案，設計出易于拆卸的產(chǎn)品。,5.3 拆卸評價體系,6. 產(chǎn)品的可回收性設計,傳統(tǒng)設計中存在著的回收通常只停留在如材料回收的低層次回收上。為更大限度地利用廢棄產(chǎn)品，提高廢棄產(chǎn)品的利用率和再生率，提出了回收設計（Design for Recovering，DFR）的概念。,可回收性設計是在進行產(chǎn)品設計的時候，充分考慮產(chǎn)品零部件及材料的回收可能性、回收價值大小、回收處理方法、回收處理結(jié)構(gòu)工藝性等與可回收性

45、有關的問題。 使零部件及材料資源和能源的充分和有效利用，并在回收過程中對環(huán)境污染最小的一種設計思想和方法。,6. 產(chǎn)品的可回收性設計,研究表明：零部件的重復利用可使產(chǎn)品的最終成本平均下降30%。,6. 產(chǎn)品的可回收性設計,6.1 可回收材料及其標志 產(chǎn)品報廢后，其零部件材料能否回收，取決于其材料本身的性能變化情況。如根據(jù)寶馬公司研究，由加強聚氨玻璃纖維制造的汽車進氣管零件，在汽車報廢后，其彈性模量和阻尼特性幾乎沒有改變，可以

46、100％回收重用。但一般來說，材料性能在使用過程中均會有所退化。 識別產(chǎn)品中零部件、材料能否回收或重用的標志有：產(chǎn)品生產(chǎn)時用不同的顏色表明材料的可回收性或標注專門的分類編碼代號等。如寶馬3系列汽車，所使用的材料80％是可以回收的，并采用了一種特殊的編碼系統(tǒng)，識別產(chǎn)品中不同零件的數(shù)量。 對大多數(shù)塑料零件采用顏色編碼標志，綠色表示純塑料，藍色表示可回收的塑料。采用這種標志減少了不同塑料數(shù)量，完全避免了有毒、有害物質(zhì)，要求

47、對數(shù)量超過100g的所有聚合物做出標志。在塑料零件上做出條形碼標志。具有條形碼的塑料零件可以用激光掃描儀及機器人進行分類。條形碼包括了拆卸產(chǎn)品的許多信息如：成分、年代、環(huán)境危害及添加劑分等。,6. 產(chǎn)品的可回收性設計,6.2 回收設計準則考慮零件的異化使用方法，在全社會范圍內(nèi)尋找其再使用的途徑，充分利用回收的零部件。如發(fā)動機回收后可用于汽車修理，也可作為教學實物用于教學。物質(zhì)使用最小化。在保證總功能前提下，遵循“最少就是好”原則。

48、材料種類最少化。提高分類效率和回收效率并降低材料購買價格。選擇理想材料。在不影響功能的前提下，盡可能使用可再循環(huán)利用材料、生物材料及回收再生材料，促使整個社會形成一個有效使用資源的良性循環(huán)。充分考慮材料的兼容性。即使這些材料構(gòu)成的零部件無法拆卸，也可一起被再生利用。,6. 產(chǎn)品的可回收性設計,6.3 回收的經(jīng)濟性分析 回收的經(jīng)濟性是零件材料能否有效回收的決定性因素。 回收的經(jīng)濟性可根據(jù)產(chǎn)品類型、生產(chǎn)方式、所

49、有材料種類等，根據(jù)設計制造實踐，整理各有關的數(shù)據(jù)、資料并參考現(xiàn)行 的成本預算方式，建立可回收性經(jīng)濟評估數(shù)學模型。,6. 產(chǎn)品的可回收性設計,6.4 拆卸成本和回收效益拆卸回收的經(jīng)濟性是由拆卸成本和回收效益決定的，它決定產(chǎn)品的拆卸深度。拆卸成本由拆卸操作引起，隨著拆卸操作的不斷進行而增加，同時它使得有用零部件和材料的回收成為可能，并帶來回收效益。零部件的回收效益是指回收的總價值扣除拆卸成本后所得到的效益。由五部分組成：重用零件

50、的回收效益、重用部件的回收效益、材料回收效益、焚燒和填埋處理的費用。,6.5 產(chǎn)品的回收效率產(chǎn)品的回收效率指零部件的凈回收效益與其所具有的回收總效益之比。,7. 綠色設計的發(fā)展趨勢,1)使用天然的材料，以“未經(jīng)加工的”形式在家具產(chǎn)品、建筑材料和織物中得到體現(xiàn)和運用。2)懷舊的簡潔的風格，精心融入“高科技”的因素，使用戶感到產(chǎn)品是可親的、溫暖的。3)實用且節(jié)能。4)強調(diào)使用材料的經(jīng)濟性，摒棄無用的功能和純裝飾的樣式，創(chuàng)造形象生動的