第0章传感器绪论

1、回章首回章首 退出退出 第九章第九章 机械设计方法简介机械设计方法简介 9-1常规设计方法常规设计方法 9-2现代设计方法现代设计方法 9-3创新设计方法创新设计方法 9-4反求设计方法反求设计方法 回章首回章首 退出退出 9-1常规设计方法常规设计方法 机械设计方法对机械产品的性能有决定作用机械设计方法对机械产品的性能有决定作用 机械设计方法分为：常规设计方法（传统设计方机械设计方法分为：常规设计方法（传统设计方 法），现代设计方法，创新设计方法。法），现代设计方法，创新设计方法。 他们之间有区别，也有共同性。他们之间有区别，也有共同性。 传统的常规机械设计方法，是以实践经验为基传统的常规机

2、械设计方法，是以实践经验为基 础，依据力学和数学建立的理论公式和经验公式，础，依据力学和数学建立的理论公式和经验公式， 运用图表和手册等技术资料，进行设计计算、绘图运用图表和手册等技术资料，进行设计计算、绘图 和编写设计说明。和编写设计说明。一个完整的常规机械设计主要由一个完整的常规机械设计主要由 下面的各个阶段所组成下面的各个阶段所组成 回章首回章首 退出退出 完整的常规机械设计由下面几个阶段所组成：完整的常规机械设计由下面几个阶段所组成： 1. 市场需求分析市场需求分析 2.明确机械产品的功能目标明确机械产品的功能目标 3.方案设计方案设计 4. 技术设计阶段技术设计阶段 1) 机构设计机

3、构设计 2) 机构系统设计机构系统设计(协调设计协调设计) 3) 结构设计结构设计 4) 总装设计总装设计 5) 制造样机制造样机 在常规机械设计过程中，也包含了设计人员的大量创造性成在常规机械设计过程中，也包含了设计人员的大量创造性成 果，例如在方案设计阶段和结构设计阶段中都含有创新的过程。果，例如在方案设计阶段和结构设计阶段中都含有创新的过程。 回章首回章首 退出退出 9-2 现代设计方法现代设计方法 1 . 计算机辅助设计计算机辅助设计 2 . 可靠性设计可靠性设计 3 . 优化设计优化设计 4 . 动态设计动态设计 5 . 并行设计并行设计 6 . 虚拟设计虚拟设计 7 . 绿色设计绿

4、色设计 回章首回章首 退出退出 （1) 概述 计算机辅助设计：(Computer Aided DesignCAD)： 是指在设计活动中，利用计算机及工程设计软件作为工具，帮助工 程技术人员进行设计的一切有关技术的总称。 （2） 计算机辅助设计系统的构成 硬件系统：计算机主机、输入设备、输出设备、图形显示器、外存 储器及其它通信接口。 软件系统：系统软件平台、支撑软件和应用软件三个层次所构成。 1 .计算机辅助设计计算机辅助设计 回章首回章首 退出退出 2 .可靠性设计可靠性设计 （1）可靠性设计的概念）可靠性设计的概念 可靠性设计是指把概率论、数理统计理论和可靠度指标引入可靠性设计是指把概率论

5、、数理统计理论和可靠度指标引入 到机械设计过程的新的设计方法。到机械设计过程的新的设计方法。 （2）与传统设计的区别）与传统设计的区别 传统设计是以许用应力或安全系数来判断机械零件是否满足传统设计是以许用应力或安全系数来判断机械零件是否满足 工作要求或是否失效。工作要求或是否失效。 可靠性设计的指标是产品的可靠性与可靠度。可靠性设计的指标是产品的可靠性与可靠度。 （3）可靠性设计的理论）可靠性设计的理论 以以应力应力强度强度干涉理论为基础干涉理论为基础 （4）机械强度机械强度可靠性设计可靠性设计过程过程 （5）机械强度可靠性设计机械强度可靠性设计 （6）机械系统可靠性设计机械系统可靠性设计 a

6、 回章首回章首 退出退出 强度分布 强度变化 不安全 应力分布 常 规 设 计 最 初 的 安 全 度 实际 安全 裕量 t0t1 t S S a b 应力强度分布曲线的相互关系应力强度分布曲线的相互关系 回章首回章首 退出退出 载荷统计 和概率分布 应力计算 几何尺寸分布 和其它随机因素分布 干涉模型 应力统计 和概率分布 机械强度可靠性 设计 材料机械性能统计 和概率分布 强度计算 强度统计 和概率分布 机械强度可靠性设计过程框图机械强度可靠性设计过程框图 回章首回章首 退出退出 (5) 机械强度可靠性设计机械强度可靠性设计 1）首先应明确机械产品的工作时间，不同的工作时间具有不同的可）首

7、先应明确机械产品的工作时间，不同的工作时间具有不同的可 靠度。靠度。 2) 其次要明确主要有哪些零部件决定了产品的可靠度，而另外的一其次要明确主要有哪些零部件决定了产品的可靠度，而另外的一 些零部件即使出现故障，也不会造成很严重影响产品功能的后果。些零部件即使出现故障，也不会造成很严重影响产品功能的后果。 因此要根据零件的重要性与否来确定其可靠度值的大小。因此要根据零件的重要性与否来确定其可靠度值的大小。 3) 产品的可靠性指标往往还要根据市场来确定，有时也需要根据用产品的可靠性指标往往还要根据市场来确定，有时也需要根据用 户的要求来确定可靠度指标。户的要求来确定可靠度指标。 4) 可靠度指标

8、还要受到经济和技术水平的制约可靠度指标还要受到经济和技术水平的制约。 回章首回章首 退出退出 系统可靠性设计主要有两类大问题：系统可靠性设计主要有两类大问题： 第一，按照已知零部件或各单元的可靠性数据计算系统的可靠第一，按照已知零部件或各单元的可靠性数据计算系统的可靠 性指标，称为可靠性预测，应进行系统的几种结构模型的计性指标，称为可靠性预测，应进行系统的几种结构模型的计 算、比较，以得到尽量满意的系统设计方案和可靠性指标；算、比较，以得到尽量满意的系统设计方案和可靠性指标； 第二，按照已给定的系统可靠性指标、对组成系统的单元进行第二，按照已给定的系统可靠性指标、对组成系统的单元进行 可靠性分

9、配，并在多种设计方案中比较、选优。可靠性分配，并在多种设计方案中比较、选优。 (6) 机械系统可靠性设计机械系统可靠性设计 回章首回章首 退出退出 3 . 优化设计优化设计 机械优化设计是某项机械设计在规定的各种限制条件下，优选设机械优化设计是某项机械设计在规定的各种限制条件下，优选设 计参数，使某项或几项设计指标获得最优值的设计过程。计参数，使某项或几项设计指标获得最优值的设计过程。 优化设计流程优化设计流程 常规设计流程常规设计流程 优化设计的数学模型：优化设计的数学模型： 回章首回章首 退出退出 优化设计的数学模型：优化设计的数学模型： 一组设计参数称为设计变量，用列向量一组设计参数称为

10、设计变量，用列向量X或行向量的转置来表示。或行向量的转置来表示。 T 321 ., n xxxxX 约束函数或约束条件，可以表示为：约束函数或约束条件，可以表示为： nqqixh pixg i i , 2, 1, 0 , 2, 1,0 目标函数为：目标函数为： n xxxFxF,min 21 工程优化设计可以描述为：确定一组设计变量，在满足全部工程优化设计可以描述为：确定一组设计变量，在满足全部 约束条件的前提下，使目标函数值最小。约束条件的前提下，使目标函数值最小。 回章首回章首 退出退出 4 . 动态设计动态设计 （1） 动态设计的基本内容：动态设计的基本内容： 1)1)振动设计振动设计

11、在已知输入情况下，设计系统的振动特性，使得它的在已知输入情况下，设计系统的振动特性，使得它的 动态响应满足一定要求，这是结构动力学的正问题。动态响应满足一定要求，这是结构动力学的正问题。 2)2)系统辨识系统辨识 通过已知的输入和输出来确定系统的动态特性，这是通过已知的输入和输出来确定系统的动态特性，这是 结构动力学的第一类逆问题。结构动力学的第一类逆问题。 3)3)环境预测（载荷识别）已知系统的动态特性和输出的情况下来反环境预测（载荷识别）已知系统的动态特性和输出的情况下来反 识别输入，这是结构动力学的第二类逆问题。识别输入，这是结构动力学的第二类逆问题。 （2）动态设计的一般步骤动态设计的

12、一般步骤 1） 系统的动态模型系统的动态模型 2） 动态载荷识别动态载荷识别 3) 系统动态特性的分析和确定系统动态特性的分析和确定 4) 动态响应动态响应 5) 载荷谱载荷谱 6)系统仿真及其结构修改与优化系统仿真及其结构修改与优化 在确定了系统模型和动态特性以后，就可以在计算机上对所在确定了系统模型和动态特性以后，就可以在计算机上对所 设计和分析的结构进行仿真输出。设计和分析的结构进行仿真输出。 回章首回章首 退出退出 5 . 并行设计并行设计 （1) 并行设计的基本概念并行设计的基本概念 美国国防分析研究院并行工程的定义：美国国防分析研究院并行工程的定义：对产品设计及其相关过程对产品设计

13、及其相关过程(包括包括 设计过程、制造过程、和支持过程设计过程、制造过程、和支持过程)进行并行、一体化设计的一种系统化进行并行、一体化设计的一种系统化 的工作模式，这种模式力图使开发者一开始就考虑到产品生命周期中的的工作模式，这种模式力图使开发者一开始就考虑到产品生命周期中的 所有因素，包括质量、成本、进度与用户要求所有因素，包括质量、成本、进度与用户要求 （2) 并行设计的基本过程和特点并行设计的基本过程和特点 首先看一下传统串行设计的一般过程首先看一下传统串行设计的一般过程 1） 串行设计过程串行设计过程 在串行设计过程中，设计部门一直是独立于生产过程。在串行设计过程中，设计部门一直是独立

14、于生产过程。 串联方法的设计生命周期总时间可表示为：串联方法的设计生命周期总时间可表示为： 返工系数售后服务产品制造产品定义需求分析 RTTTTSE 2）并行设计过程）并行设计过程 并行设计将产品开发周期分解成许多阶段，每个阶段有自己的独立并行设计将产品开发周期分解成许多阶段，每个阶段有自己的独立 时间段，组成全过程；不同的设计时段之间有一部分重叠，代表了不时间段，组成全过程；不同的设计时段之间有一部分重叠，代表了不 同设计阶段之间可以同时进行。同设计阶段之间可以同时进行。 回章首回章首 退出退出 6 . 虚拟设计虚拟设计 (1) (1) 虚拟设计的概念虚拟设计的概念 : 虚拟设计的描述性定义

15、：以虚拟设计的描述性定义：以“虚拟现实虚拟现实”技术为基础，以机械产品为技术为基础，以机械产品为 对象的设计手段，借助于这样的设计手段，设计人员可以通过多种传对象的设计手段，借助于这样的设计手段，设计人员可以通过多种传 感器与多维的信息环境进行自然的交互，从而帮助深化概念和萌发新感器与多维的信息环境进行自然的交互，从而帮助深化概念和萌发新 意。意。 从图形学的角度来看，产品的形状设计一般包括形体的构成和形体从图形学的角度来看，产品的形状设计一般包括形体的构成和形体 的组合两个过程。在虚拟环境中，设计人员可以置身于虚拟现实环的组合两个过程。在虚拟环境中，设计人员可以置身于虚拟现实环 境中，利用语

16、言命令、手和手指的动作来创建三维形体可以用手抓境中，利用语言命令、手和手指的动作来创建三维形体可以用手抓 物体使其在设计空间中移动，将其从部件上拆下来，或将新零件添物体使其在设计空间中移动，将其从部件上拆下来，或将新零件添 加到部件之上。加到部件之上。 （2） 虚拟设计虚拟设计 回章首回章首 退出退出 7 . 绿色设计绿色设计 绿色设计绿色设计(GD：Green Design)，通常也称为生态设计、环境设，通常也称为生态设计、环境设 计、生命周期设计或环境意识设计等。计、生命周期设计或环境意识设计等。 （1) 绿色设计的基本概念及其特点绿色设计的基本概念及其特点 绿色设计过程一般需要经历以下几

17、个阶段：需求分析、提出明确的绿色设计过程一般需要经历以下几个阶段：需求分析、提出明确的 设计要求、概念设计、初步设计、详细设计和设计实施。从表面上设计要求、概念设计、初步设计、详细设计和设计实施。从表面上 看与一般的产品设计没有多大区别，但在每一设计阶段以及设计评看与一般的产品设计没有多大区别，但在每一设计阶段以及设计评 价的设计策略中都包含了对环境的要求。价的设计策略中都包含了对环境的要求。 （2） 绿色设计过程绿色设计过程 环境方面的总体设计主要包括以下几个方面：自然资源的使用最环境方面的总体设计主要包括以下几个方面：自然资源的使用最 少化；能源校核的最少化、废弃物的产生减量化、对生态系统

18、平衡少化；能源校核的最少化、废弃物的产生减量化、对生态系统平衡 的危害最小化、人类健康和安全性的危害最小化。设计者可以根据的危害最小化、人类健康和安全性的危害最小化。设计者可以根据 具体的设计项目定性或定量地表达这些要求。具体的设计项目定性或定量地表达这些要求。 回章首回章首 退出退出 绿色设计的过程模型绿色设计的过程模型 回章首回章首 退出退出 9-3 机械创新设计方机械创新设计方 法法 创新设计是指设计人员在设计中采用新的技术手段和技术原理、创新设计是指设计人员在设计中采用新的技术手段和技术原理、 发挥创造性，提出新方案，探索新的设计思路，提供具有社会价值发挥创造性，提出新方案，探索新的设

19、计思路，提供具有社会价值 的、新颖的而且成果独特的设计，其特点是运用创造性思维，强调的、新颖的而且成果独特的设计，其特点是运用创造性思维，强调 产品的创新性和新颖性。产品的创新性和新颖性。 常规性设计是以成熟技术为基础，运用公式、图表、经验等常常规性设计是以成熟技术为基础，运用公式、图表、经验等常 规方法进行的产品设计。规方法进行的产品设计。 现代设计方法强调以计算机为工具，以工程软件为基础，运用现代设计方法强调以计算机为工具，以工程软件为基础，运用 现代设计理念，其特点是产品开发的高效性和高可靠性。现代设计理念，其特点是产品开发的高效性和高可靠性。 1 . 机械创新设计的实质机械创新设计的实

20、质 2 . 创新设计过程中的创新思维方法创新设计过程中的创新思维方法 3 . 创新方法简介创新方法简介 4 . 机械创新设计实例分析机械创新设计实例分析 回章首回章首 退出退出 1 . 机械创新设计的实质机械创新设计的实质 机械创新设计机械创新设计(Mechanical Creative Design，MCD)是指充分发挥是指充分发挥 设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果，进行创新构思、设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果，进行创新构思、 设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品(装置装置)的一种实的一种实 践活动。践

21、活动。 它包含两个部分：从无到有和从有到新的设计。它包含两个部分：从无到有和从有到新的设计。 机械创新设计是相对常规设计而言的，它特别强调人在设计过程机械创新设计是相对常规设计而言的，它特别强调人在设计过程 中，特别是在总体方案、结构设计中的主导性及创造性作用。中，特别是在总体方案、结构设计中的主导性及创造性作用。 回章首回章首 退出退出 2 . 创新设计过程中的创新思维方法创新设计过程中的创新思维方法 1) 直觉思维直觉思维 直觉思维的基本特征是其产生的突然性，过程的突发性和成果的突破直觉思维的基本特征是其产生的突然性，过程的突发性和成果的突破 性。在直觉思维的过程中，不仅是意识起作用，而且

22、潜意识也在发挥着重性。在直觉思维的过程中，不仅是意识起作用，而且潜意识也在发挥着重 要的作用。要的作用。 2) 逻辑思维逻辑思维 逻辑思维是一种严格遵循人们在总结事物活动经验和规律的基础上概逻辑思维是一种严格遵循人们在总结事物活动经验和规律的基础上概 括出来的逻辑规律，进行系统的思考，由此及彼的联动推理。逻辑思维有括出来的逻辑规律，进行系统的思考，由此及彼的联动推理。逻辑思维有 纵向推理、横向推理和逆向推理等几种方式。纵向推理、横向推理和逆向推理等几种方式。 纵向推理是针对某一现象进行纵深思考，探求其原因和本质而得到新纵向推理是针对某一现象进行纵深思考，探求其原因和本质而得到新 的启示。的启示

23、。 横向推理是根据某一现象联想其特点与其相似或相关的事物，进行横向推理是根据某一现象联想其特点与其相似或相关的事物，进行 “特征转移特征转移”而进入新的领域。而进入新的领域。 逆向推理是根据某一现象、问题或解法，分析其相反的方面、寻找新逆向推理是根据某一现象、问题或解法，分析其相反的方面、寻找新 的途径。的途径。 创造性思维是直觉思维和逻辑思维的综合，这两种包括渐变和突变的创造性思维是直觉思维和逻辑思维的综合，这两种包括渐变和突变的 复杂思维过程互相融合、补充和促进，使设计人员的创造性思维得到更加复杂思维过程互相融合、补充和促进，使设计人员的创造性思维得到更加 全面的开发。全面的开发。 回章首

24、回章首 退出退出 3 . 创新方法简介创新方法简介 （1） 群智集中法群智集中法 （2） 仿生创新法仿生创新法 （3） 反求设计创新法反求设计创新法 （4） 类比求优创新设计法类比求优创新设计法 （5） 功能设计创新法功能设计创新法 （6） 移置技术创新设计法移置技术创新设计法 （7） 计算机辅助创新法计算机辅助创新法 回章首回章首 退出退出 4. 机械创新设计实例分析机械创新设计实例分析 土豆固定，刀旋转；刀固定，土豆旋转；实现去皮在切片的目的。土豆固定，刀旋转；刀固定，土豆旋转；实现去皮在切片的目的。 采用常规设计方法：采用常规设计方法： 采用现代设计方法：采用现代设计方法： 运动的计算机

25、仿真，设计结果的优化，进行绿色设计等，减运动的计算机仿真，设计结果的优化，进行绿色设计等，减 少消耗、提高产量，但产品本质不便。少消耗、提高产量，但产品本质不便。 清洗后，粉碎，过滤去皮，沉淀后通过型板压制成片。清洗后，粉碎，过滤去皮，沉淀后通过型板压制成片。 采用创新设计方法：采用创新设计方法： 回章首回章首 退出退出 9-4 反求设计创新法反求设计创新法 1 . 反求工程反求工程 把别的国家的科技成果加以引进，消化吸收，改进提高，再进行创把别的国家的科技成果加以引进，消化吸收，改进提高，再进行创 新设计，进而发展自己的新技术，是发展民族经济的捷径，这一过新设计，进而发展自己的新技术，是发展民族经济的捷径，这一过 程称为反求工程。程称为反求工程。 2 . 反求设计反求设计 反求设计是对已有的产品或技术进行分析研究，掌握其功能原理、零反求设计是对已有的产品或技术进行分析研究，掌握其功能原理、零 部件的设计参数、材料、结构、尺寸、关键技术等指标，再根据现代部件的设计参数、材料、结构、尺寸、关键技术等指标，再根据现代 设计理论与方法，对原产品进行仿造设计、改进设计或创新设计。设计理论与方法，对原产品进行仿造设计、改进设计或创新设计。 3 . 反求设计过程反求设计过程 4 . 新产品的引