现代机械设计理论与方法

1、现代机械设计理论与方法第一章 概 述n课程教学的目的培养学生运用现代先进的设计理论和方法解决工程问题的能力。n教学内容现代设计理论：重点内容为系统分析法及创造性思维。现代设计方法：重点内容为有限元分析、优化设计和反求工程设计。1.1 传统设计与现代设计及其范畴一 传统设计与现代设计1 设计的起源和设计技术的传递1) 手工艺人的设计及技术传递师傅徒弟（实用的）2) 传统设计技术的传递图纸、经验、类比（实验为基础的）3) 现代设计理论体系的建立与发展仿真、理论分析（分析实验结合的）1.1 传统设计与现代设计及其范畴一 传统设计与现代设计2 产品属性变化对设计的要求（传统产品与现代产品）1) 产品的

2、使用属性2) 产品的社会属性3) 产品的服务属性n 海尔是如何赚钱的？n 你把保险公司的产品放到哪里去了？3 现代设计与传统设计的根本区别1) 手工的、静态的、经验的设计，被动地分析产品的性能2) 计算机化的、动态的、科学的设计，主动地设计产品的性能1.1 传统设计与现代设计及其范畴二 现代设计的范畴1 信息论方法 , 如信息分析法、技术预测法等。它是现代设计方法的前提。2 系统论方法 , 如系统分析法、人机工程以及面向产品生命周期的设计。3 控制论方法 , 如动态分析法等。4 优化论方法 , 它是现代设计方法的目标。5 对应论方法 , 如相似设计、反求工程设计等。6 智能论方法 , 如 CA

3、E 、并行工程、人工智能等。是现代设计方法的核心。7 寿命论方法 , 如可靠性设计、价值工程和稳健性设计等。8 离散论方法 , 如有限元和边界元方法。9 模糊论方法 , 如模糊评价和决策等。10 突变论方法 , 如创造性设计等。它是现代设计方法的基础。11 艺术论方法 , 如艺术造型等。1.2 设计过程和设计技术简述n设计方法的研究内容设计素质的培养n做合格的设计人员设计步骤和程式n组织和执行设计解决具体问题的方法和手段n科学而娴熟的方法1.2 设计过程和设计技术简述一 机械设计过程简述1 基本设计步骤1) 调查研究2) 方案设计3) 工作图设计4) 样机试制与鉴定2 系统分析设计模式3 创造

4、性设计模式1.2 设计过程和设计技术简述二 设计技术 知识维 逻辑维 时间维三 机械结构设计第二章 系统分析设计方法n传统设计方法的缺陷孤立、静止地分析问题得到的结论具有片面性和局部性增加系统的实现难度和成本n失败的案例分析：某大型企业的技术引进XX压力机设计n现代设计方法注重产品设计的全过程注重分析系统内部单元的相对关系从功能分析入手解决产品方案设计2.1 技术系统的组成和处理对象n系统的组成系统单元系统结构边界条件输入和输出的要素2.2 系统分析设计方法n系统分析设计的内容系统设计系统制造系统运行n系统分析设计涉及到产品开发和运行的所有环节，甚至包括产品的售后服务和产品失效（报废）后处理，

5、所以系统分析设计不是单纯的产品设计。2.2 系统分析设计方法一 设计过程剖析1 产品规划n重要度：极高。极少数人行为确定，受控度低，无补救措施。2 方案设计n重要度：高。少数人行为确定，受控范围小，补救困难。3 技术设计n重要度：中。较多人行为确定，受控范围大，较易补救。4 施工设计n重要度：低。受控度高，一般能及时发现，易补救。n工程设计中，大多数人理解施工设计十分重要，其原因是施工设计是十分费时而细致的工作，而且多数人只能看到施工设计或只有看见施工设计的能力。2.2 系统分析设计方法二 产品规划n明确所设计系统的目的、任务和要求n撰写设计任务书n目的：提供设计、评价和决策的依据2.2 系统

6、分析设计方法二 产品规划1 市场需求分析1) 消费者对产品功能、性能、质量和数量等的具体要求2) 现有类似产品的销售情况和销售趋势 3) 竞争对手在技术、经济方面的优缺点及发展趋向 4) 主要原料、配件和半成品的现状、价格及变化趋势等2.2 系统分析设计方法二 产品规划2 可行性分析1) 技术分析系统实现的难点和创新点2) 经济分析成本、性能价格比分析3) 社会分析产品开发的经济效益和社会效益2.2 系统分析设计方法二 产品规划3 可行性分析报告的内容1) 产品开发的必要性 、市场调查和预测情况 2) 有关产品的国内外水平及发展趋势 3) 从技术上预期能达到的水平4) 需要解决的关键技术问题

7、5) 经济效益、社会效益的分析 6) 投资费用及时间进度计划 7) 现有条件下开发的可能性及准备采取的措施2.2 系统分析设计方法二 产品规划4 设计要求的拟定1) 产品功能和性能2) 设计参数和相关的指标 3) 制造及使用等方面的限制条件2.2 系统分析设计方法三 方案设计1 功能分析和原理方案拟定1) 功能分析2) 创造性设计 3) 分析综合评价2.2 系统分析设计方法三 方案设计2 功能分析的目的1) 启发创造性 2) 全面掌握对产品各方面的要求 3) 避免设计的盲目性 4) 全面考虑功能和成本的关系功能分析2.2 系统分析设计方法三 方案设计3 功能的分类1) 基本功能和辅助功能 手机

8、的功能分析2) 必要功能和不必要功能 短命的产品金长城家用电脑的功能分析3) 使用功能和外观功能 二十年来服装的变化趋势或潮流2.2 系统分析设计方法三 方案设计4 依据功能的设计1) 参考有关资料、专利或产品求解 2) 利用各种创造性方法以开阔思想来探寻解法3) 采用形态综合法或相关表和相关网法进行组合2.1 机械系统的功能原理设计机械系统的功能原理设计2.1.6 2.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合 1 1）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。一个系统的多个原理解。 2 2）组合的方

9、法可以采用形态矩阵法）组合的方法可以采用形态矩阵法( (亦称为模幅箱法亦称为模幅箱法利用形态学方法建立起的模幅箱利用形态学方法建立起的模幅箱) )。 功能原理方案确定时应该注意的问题：功能原理方案确定时应该注意的问题： 一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。 形态矩阵法形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、是把系统功

10、能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，列出横坐标，列出“功能求解矩阵功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出一个，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。222.1 机械系统的功能原理设计机械系统的功能原理设计2.1.6 2.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合 1 1）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。一个系统的多个原理解。 2 2）组合的方法可以采用形态矩阵法）组合的方法可以采用形态矩阵法( (亦称为模幅箱法亦

11、称为模幅箱法利用形态学方法建立起的模幅箱利用形态学方法建立起的模幅箱) )。 功能原理方案确定时应该注意的问题：功能原理方案确定时应该注意的问题： 一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。 形态矩阵法形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，列出横坐标，列出“功能求解矩阵

12、功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出一个，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。232.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合第一步：第一步：用黑箱法寻找总功能的转换关系用黑箱法寻找总功能的转换关系 242.1 机械系统的功能原理设计机械系统的功能原理设计2.1.6 2.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合 1 1）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。一个系统的多个原理解。 2 2）组合的方法

13、可以采用形态矩阵法）组合的方法可以采用形态矩阵法( (亦称为模幅箱法亦称为模幅箱法利用形态学方法建立起的模幅箱利用形态学方法建立起的模幅箱) )。 功能原理方案确定时应该注意的问题：功能原理方案确定时应该注意的问题： 一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。 形态矩阵法形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、是把系统功能

14、元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，列出横坐标，列出“功能求解矩阵功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出一个，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。252.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合第一步：第一步：用黑箱法寻找总功能的转换关系用黑箱法寻找总功能的转换关系 26第二步：第二步：总功能分解（分解依据总功能分解（分解依据挖掘机的技术轮廓挖掘机的技术轮廓）。）。 272.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合2.1 机械系统的功能原理设计机械系统的功能原理设计2.1.

15、6 2.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合 1 1）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。一个系统的多个原理解。 2 2）组合的方法可以采用形态矩阵法）组合的方法可以采用形态矩阵法( (亦称为模幅箱法亦称为模幅箱法利用形态学方法建立起的模幅箱利用形态学方法建立起的模幅箱) )。 功能原理方案确定时应该注意的问题：功能原理方案确定时应该注意的问题： 一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思

16、阶段要考材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。 形态矩阵法形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，列出横坐标，列出“功能求解矩阵功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出一个，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。282.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合第一步：第一步：用黑箱法寻找总功能的转换关系用黑箱法寻找总功能的转换

17、关系 29第二步：第二步：总功能分解（分解依据总功能分解（分解依据挖掘机的技术轮廓挖掘机的技术轮廓）。）。 302.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合第二步：第二步：总功能分解总功能分解 312.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合2.1 机械系统的功能原理设计机械系统的功能原理设计2.1.6 2.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合 1 1）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。一个系统的多个原理解。 2 2）组合的方法可以采用形态矩阵法）组

18、合的方法可以采用形态矩阵法( (亦称为模幅箱法亦称为模幅箱法利用形态学方法建立起的模幅箱利用形态学方法建立起的模幅箱) )。 功能原理方案确定时应该注意的问题：功能原理方案确定时应该注意的问题： 一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。 形态矩阵法形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、是把系统功能元和其所对应的各个解分

19、别作为纵、横坐标，列出横坐标，列出“功能求解矩阵功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出一个，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。322.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合第一步：第一步：用黑箱法寻找总功能的转换关系用黑箱法寻找总功能的转换关系 33第二步：第二步：总功能分解（分解依据总功能分解（分解依据挖掘机的技术轮廓挖掘机的技术轮廓）。）。 342.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合第二步：第二步：总功能分解总功能分解 352.1.6 系统（产品）原理方案的综合系

20、统（产品）原理方案的综合第三步：第三步：建立功能结构图建立功能结构图362.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合2.1 机械系统的功能原理设计机械系统的功能原理设计2.1.6 2.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合 1 1）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。一个系统的多个原理解。 2 2）组合的方法可以采用形态矩阵法）组合的方法可以采用形态矩阵法( (亦称为模幅箱法亦称为模幅箱法利用形态学方法建立起的模幅箱利用形态学方法建立起的模幅箱) )。 功能原理方案确定时应

21、该注意的问题：功能原理方案确定时应该注意的问题： 一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。 形态矩阵法形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，列出横坐标，列出“功能求解矩阵功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出一个，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一

22、个系统解的方法。对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。372.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合第一步：第一步：用黑箱法寻找总功能的转换关系用黑箱法寻找总功能的转换关系 38第二步：第二步：总功能分解（分解依据总功能分解（分解依据挖掘机的技术轮廓挖掘机的技术轮廓）。）。 392.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合第二步：第二步：总功能分解总功能分解 402.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合第三步：第三步：建立功能结构图建立功能结构图412.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合第四步：第

23、四步：寻找原理解法和原理解组合寻找原理解法和原理解组合序序号号分功能分功能技术物理解方案序号技术物理解方案序号1 12 23 34 4A A推压推压齿条齿条钢丝绳钢丝绳油缸油缸B B铲斗铲斗正铲斗正铲斗反铲斗反铲斗抓斗抓斗C C提升提升油缸油缸绳索绳索D D回转回转内齿轮传动内齿轮传动外齿轮传动外齿轮传动液轮液轮E E能量转换能量转换柴油机柴油机F F能量传递与分配能量传递与分配齿轮箱齿轮箱油泵油泵链传动链传动皮带传动皮带传动G G制动制动带式制动带式制动闸瓦制动闸瓦制动片式制动片式制动圆锥形制动圆锥形制动H H变速变速液压式液压式齿轮式齿轮式液压液压齿轮齿轮I I行走行走履带履带轮胎轮胎迈步

24、式迈步式轨道轨道车轮车轮422.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合2.1 机械系统的功能原理设计机械系统的功能原理设计2.1.6 2.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合 1 1）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。一个系统的多个原理解。 2 2）组合的方法可以采用形态矩阵法）组合的方法可以采用形态矩阵法( (亦称为模幅箱法亦称为模幅箱法利用形态学方法建立起的模幅箱利用形态学方法建立起的模幅箱) )。 功能原理方案确定时应该注意的问题：功能原理方案确定时应该注意的问

25、题： 一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。 形态矩阵法形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，列出横坐标，列出“功能求解矩阵功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出一个，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。对应解进行有机组合，以构成一

26、个系统解的方法。432.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合第一步：第一步：用黑箱法寻找总功能的转换关系用黑箱法寻找总功能的转换关系 44第二步：第二步：总功能分解（分解依据总功能分解（分解依据挖掘机的技术轮廓挖掘机的技术轮廓）。）。 452.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合第二步：第二步：总功能分解总功能分解 462.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合第三步：第三步：建立功能结构图建立功能结构图472.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合第四步：第四步：寻找原理解法和原理解组合寻找原理解法和

27、原理解组合序序号号分功能分功能技术物理解方案序号技术物理解方案序号1 12 23 34 4A A推压推压齿条齿条钢丝绳钢丝绳油缸油缸B B铲斗铲斗正铲斗正铲斗反铲斗反铲斗抓斗抓斗C C提升提升油缸油缸绳索绳索D D回转回转内齿轮传动内齿轮传动外齿轮传动外齿轮传动液轮液轮E E能量转换能量转换柴油机柴油机F F能量传递与分配能量传递与分配齿轮箱齿轮箱油泵油泵链传动链传动皮带传动皮带传动G G制动制动带式制动带式制动闸瓦制动闸瓦制动片式制动片式制动圆锥形制动圆锥形制动H H变速变速液压式液压式齿轮式齿轮式液压液压齿轮齿轮I I行走行走履带履带轮胎轮胎迈步式迈步式轨道轨道车轮车轮482.1.6 系统

28、（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合第四步：第四步：寻找原理解法和原理解组合寻找原理解法和原理解组合序号分功能技术物理解方案序号1234A推压齿条钢丝绳油缸B铲斗正铲斗反铲斗抓斗C提升油缸绳索D回转内齿轮传动外齿轮传动液轮E能量转换柴油机F能量传递与分配齿轮箱油泵链传动皮带传动G制动带式制动闸瓦制动片式制动圆锥形制动H变速液压式齿轮式液压齿轮I行走履带轮胎迈步式轨道车轮组合方案数组合方案数= =3 33 32 23 31 14 44 43 34=4=10 36810 368方案方案1 1为履带式正铲机械挖掘机为履带式正铲机械挖掘机(A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I

29、1)(A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1)方案方案2 2为轮胎式正铲液压挖掘机为轮胎式正铲液压挖掘机(A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2)(A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2) 根据设计对功率的要求可知，在能量传递与分配过程中，采用链传动和皮带根据设计对功率的要求可知，在能量传递与分配过程中，采用链传动和皮带传动是不相容的，应去掉。传动是不相容的，应去掉。 故组合方案数故组合方案数=3=33 32 23 31 12 24 43 34=51844=5184。492.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合2.1 机械系统的

30、功能原理设计机械系统的功能原理设计2.1.6 2.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合 1 1）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。一个系统的多个原理解。 2 2）组合的方法可以采用形态矩阵法）组合的方法可以采用形态矩阵法( (亦称为模幅箱法亦称为模幅箱法利用形态学方法建立起的模幅箱利用形态学方法建立起的模幅箱) )。 功能原理方案确定时应该注意的问题：功能原理方案确定时应该注意的问题： 一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、材料

31、和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。 形态矩阵法形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，列出横坐标，列出“功能求解矩阵功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出一个，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。502.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合第一步：第一步：用黑箱法寻

32、找总功能的转换关系用黑箱法寻找总功能的转换关系 51第二步：第二步：总功能分解（分解依据总功能分解（分解依据挖掘机的技术轮廓挖掘机的技术轮廓）。）。 522.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合第二步：第二步：总功能分解总功能分解 532.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合第三步：第三步：建立功能结构图建立功能结构图542.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合第四步：第四步：寻找原理解法和原理解组合寻找原理解法和原理解组合序序号号分功能分功能技术物理解方案序号技术物理解方案序号1 12 23 34 4A A推压推压齿条齿

33、条钢丝绳钢丝绳油缸油缸B B铲斗铲斗正铲斗正铲斗反铲斗反铲斗抓斗抓斗C C提升提升油缸油缸绳索绳索D D回转回转内齿轮传动内齿轮传动外齿轮传动外齿轮传动液轮液轮E E能量转换能量转换柴油机柴油机F F能量传递与分配能量传递与分配齿轮箱齿轮箱油泵油泵链传动链传动皮带传动皮带传动G G制动制动带式制动带式制动闸瓦制动闸瓦制动片式制动片式制动圆锥形制动圆锥形制动H H变速变速液压式液压式齿轮式齿轮式液压液压齿轮齿轮I I行走行走履带履带轮胎轮胎迈步式迈步式轨道轨道车轮车轮552.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合第四步：第四步：寻找原理解法和原理解组合寻找原理解法和原理解组

34、合序号分功能技术物理解方案序号1234A推压齿条钢丝绳油缸B铲斗正铲斗反铲斗抓斗C提升油缸绳索D回转内齿轮传动外齿轮传动液轮E能量转换柴油机F能量传递与分配齿轮箱油泵链传动皮带传动G制动带式制动闸瓦制动片式制动圆锥形制动H变速液压式齿轮式液压齿轮I行走履带轮胎迈步式轨道车轮组合方案数组合方案数= =3 33 32 23 31 14 44 43 34=4=10 36810 368方案方案1 1为履带式正铲机械挖掘机为履带式正铲机械挖掘机(A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1)(A1+B1+C2+D2+E1+F1+G2+H2+I1)方案方案2 2为轮胎式正铲液压挖掘机为轮胎式正铲液

35、压挖掘机(A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2)(A3+B1+C1+D2+E1+F2+G3+H1+I2) 根据设计对功率的要求可知，在能量传递与分配过程中，采用链传动和皮带根据设计对功率的要求可知，在能量传递与分配过程中，采用链传动和皮带传动是不相容的，应去掉。传动是不相容的，应去掉。 故组合方案数故组合方案数=3=33 32 23 31 12 24 43 34=51844=5184。562.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合利用相容性矩阵对原理方案筛选利用相容性矩阵对原理方案筛选 为了便于检验和了解为了便于检验和了解有联系的分功能有联系的分功能( (

36、功能元功能元) )之间的相容之间的相容性性，可以列出相容性矩阵。检验相邻功能元所对应的技术、物，可以列出相容性矩阵。检验相邻功能元所对应的技术、物理效应之间的相容性。理效应之间的相容性。 572.1.6 系统（产品）原理方案的综合系统（产品）原理方案的综合2.2.机械系统总体布置的基本类型机械系统总体布置的基本类型 1)1)按主要工作机构的空间几何位置可分为按主要工作机构的空间几何位置可分为: : 平面式、空间式平面式、空间式等；等； 2)2)按主要工作机构的布置方向可分为按主要工作机构的布置方向可分为: : 水平式水平式( (卧式卧式) )、倾斜式、直立式和圆弧式、倾斜式、直立式和圆弧式等；

37、等； 3)3)按原动机与机架相对位置可分为按原动机与机架相对位置可分为: : 前置式、中置式、后置式前置式、中置式、后置式等；等； 4)4)按工件或机械内部工作机构的运动方式可分为按工件或机械内部工作机构的运动方式可分为: : 回转式、直线式、振动式回转式、直线式、振动式等；等； 5)5)按机架或机壳的形式可分为按机架或机壳的形式可分为: : 整体式、剖分式、组合式，龙门式和悬臂式整体式、剖分式、组合式，龙门式和悬臂式等；等； 6)6)按工件运动回路或机械系统功率传递路线的特点可为分按工件运动回路或机械系统功率传递路线的特点可为分: : 开式、闭式开式、闭式等。等。582.2.3 总体布置设计

38、总体布置设计2.2.机械系统总体布置的基本类型机械系统总体布置的基本类型 1)1)按主要工作机构的空间几何位置可分为按主要工作机构的空间几何位置可分为: : 平面式、空间式平面式、空间式等；等； 2)2)按主要工作机构的布置方向可分为按主要工作机构的布置方向可分为: : 水平式水平式( (卧式卧式) )、倾斜式、直立式和圆弧式、倾斜式、直立式和圆弧式等；等； 3)3)按原动机与机架相对位置可分为按原动机与机架相对位置可分为: : 前置式、中置式、后置式前置式、中置式、后置式等；等； 4)4)按工件或机械内部工作机构的运动方式可分为按工件或机械内部工作机构的运动方式可分为: : 回转式、直线式、

39、振动式回转式、直线式、振动式等；等； 5)5)按机架或机壳的形式可分为按机架或机壳的形式可分为: : 整体式、剖分式、组合式，龙门式和悬臂式整体式、剖分式、组合式，龙门式和悬臂式等；等； 6)6)按工件运动回路或机械系统功率传递路线的特点可为分按工件运动回路或机械系统功率传递路线的特点可为分: : 开式、闭式开式、闭式等。等。592.2.3 总体布置设计总体布置设计卧式布置卧式布置龙门式布置龙门式布置立式布置立式布置悬臂式布置悬臂式布置典型布置形式典型布置形式602.2.机械系统总体布置的基本类型机械系统总体布置的基本类型 1)1)按主要工作机构的空间几何位置可分为按主要工作机构的空间几何位置

40、可分为: : 平面式、空间式平面式、空间式等；等； 2)2)按主要工作机构的布置方向可分为按主要工作机构的布置方向可分为: : 水平式水平式( (卧式卧式) )、倾斜式、直立式和圆弧式、倾斜式、直立式和圆弧式等；等； 3)3)按原动机与机架相对位置可分为按原动机与机架相对位置可分为: : 前置式、中置式、后置式前置式、中置式、后置式等；等； 4)4)按工件或机械内部工作机构的运动方式可分为按工件或机械内部工作机构的运动方式可分为: : 回转式、直线式、振动式回转式、直线式、振动式等；等； 5)5)按机架或机壳的形式可分为按机架或机壳的形式可分为: : 整体式、剖分式、组合式，龙门式和悬臂式整体

41、式、剖分式、组合式，龙门式和悬臂式等；等； 6)6)按工件运动回路或机械系统功率传递路线的特点可为分按工件运动回路或机械系统功率传递路线的特点可为分: : 开式、闭式开式、闭式等。等。612.2.3 总体布置设计总体布置设计卧式布置卧式布置龙门式布置龙门式布置立式布置立式布置悬臂式布置悬臂式布置典型布置形式典型布置形式622.2 机械系统的结构总体设计机械系统的结构总体设计2.2.4 2.2.4 总体参数的确定总体参数的确定总体参数包含的内容总体参数包含的内容 总体参数总体参数是机械系统总体设计和零部件设计的依据是机械系统总体设计和零部件设计的依据总体参数一般包括：总体参数一般包括： 1 1）

42、性能参数）性能参数( (生产能力等生产能力等) )； 2 2）结构尺寸参数；）结构尺寸参数； 3 3）运动参数；）运动参数； 4 4）动力参数）动力参数632.2.机械系统总体布置的基本类型机械系统总体布置的基本类型 1)1)按主要工作机构的空间几何位置可分为按主要工作机构的空间几何位置可分为: : 平面式、空间式平面式、空间式等；等； 2)2)按主要工作机构的布置方向可分为按主要工作机构的布置方向可分为: : 水平式水平式( (卧式卧式) )、倾斜式、直立式和圆弧式、倾斜式、直立式和圆弧式等；等； 3)3)按原动机与机架相对位置可分为按原动机与机架相对位置可分为: : 前置式、中置式、后置式

43、前置式、中置式、后置式等；等； 4)4)按工件或机械内部工作机构的运动方式可分为按工件或机械内部工作机构的运动方式可分为: : 回转式、直线式、振动式回转式、直线式、振动式等；等； 5)5)按机架或机壳的形式可分为按机架或机壳的形式可分为: : 整体式、剖分式、组合式，龙门式和悬臂式整体式、剖分式、组合式，龙门式和悬臂式等；等； 6)6)按工件运动回路或机械系统功率传递路线的特点可为分按工件运动回路或机械系统功率传递路线的特点可为分: : 开式、闭式开式、闭式等。等。642.2.3 总体布置设计总体布置设计卧式布置卧式布置龙门式布置龙门式布置立式布置立式布置悬臂式布置悬臂式布置典型布置形式典型

44、布置形式652.2 机械系统的结构总体设计机械系统的结构总体设计2.2.4 2.2.4 总体参数的确定总体参数的确定总体参数包含的内容总体参数包含的内容 总体参数总体参数是机械系统总体设计和零部件设计的依据是机械系统总体设计和零部件设计的依据总体参数一般包括：总体参数一般包括： 1 1）性能参数）性能参数( (生产能力等生产能力等) )； 2 2）结构尺寸参数；）结构尺寸参数； 3 3）运动参数；）运动参数； 4 4）动力参数）动力参数662.2.4 总体参数的确定总体参数的确定 1 1）性能参数）性能参数( (生产能力生产能力) ) 机械系统的机械系统的理论生产能力理论生产能力是指设计生产能

45、力是指设计生产能力在单位时在单位时间内完成的产品数量，亦可以称为机械系统的间内完成的产品数量，亦可以称为机械系统的生产率生产率。总体参数的含义总体参数的含义机械系统的生产率：机械系统的生产率：fgttTQ11Q机械系统生产率；机械系统生产率；T在机械系统上加工一个工件的循环时间在机械系统上加工一个工件的循环时间/工作周期时间；工作周期时间；tg 工作时间，即直接用在加工或装配一个工件的时间；工作时间，即直接用在加工或装配一个工件的时间；tf 辅助工作时间，如上下料、夹紧工件、换刀等。辅助工作时间，如上下料、夹紧工件、换刀等。672.2 系统分析设计方法三 方案设计5 功能分析设计法举例1) 挖

46、掘机的原理方案设计2.2 系统分析设计方法三 方案设计5 功能分析设计法举例2) 电子皮带秤的原理方案设计2.2 系统分析设计方法四 方案设计举例n瓶盖整列装置的原理方案设计2.2 系统分析设计方法四 方案设计举例n原理方案设计2.2 系统分析设计方法四 方案设计举例n原理方案设计第三章 创造性设计方法n什么是创造建立新系统的过程狭义创造广义创造个体创造力n创造性设计竞争力与创造性的关系典型企业特征nWintel用新产品进行“抢劫”n麦当劳和肯德基为什么会亏损？3.1 创造力和创造过程一 培养创造力的条件n创造力的培养1) 丰富的知识和经验知识和经验是创造的基础 , 是智慧的源泉。创造就是用已

47、有的知识为前提去开拓新的知识。浅谈水变油没有知识的创新只能是滑稽的创新浅谈海水变油1升海水所蕴含的能量相当于300升汽油3.1 创造力和创造过程一 培养创造力的条件n创造力的培养2) 高度的创造精神创造性思维能力并不是与知识量简单地成比例的 , 还需要有强烈的参与创造的意识和动力。少年牛顿莱特兄弟孙圣和教授与博士生培养3.1 创造力和创造过程一 培养创造力的条件n创造力的培养3) 健康的心理品质要有不怕困难、刻意求新、百折不挠的坚强意志。爱迪生与诺贝尔墙头漫步的精神病人3.1 创造力和创造过程一 培养创造力的条件n创造力的培养4) 科学而娴熟的方法必须掌握各种创造技法和其他的工程技术研究方法。

48、冯康教授与有限元法3.1 创造力和创造过程一 培养创造力的条件n创造力的培养5) 严谨而科学的管理创造需要引发和参与 ,也需要对其每个阶段或步骤进行严谨而科学的管理, 这也是促进创造发明的实现的因素之一。浅谈神州飞船3.1 创造力和创造过程一 培养创造力的条件n创造力的培养1) 要克服思想僵化和片面性 , 树立辩证观点。2) 要摆脱传统思想的束缚 , 不盲目相信权威等。3) 要消除不健康的心理 , 如胆怯和自卑。4) 要克服妄自尊大的排他意识 , 注意发挥群体的创造意识等。从过高空悬索看我们自身的心理弱点。从同学到上司。我看文化革命。3.1 创造力和创造过程二 创造发明过程分析n准备阶段提出问

49、题、搜集材料、定向科学分析等。n创造阶段构思、顿悟和发现等。n整理结果阶段验证、评价和公布等。n尺有所短，寸有所长谈创造发明中的人才任用3.1 创造力和创造过程二 创造发明过程分析1 意念n什么是意念及意念的获取方法值得研究？值得改进？也许能实现？顾客需要的不是这个？顾客需要的也许是这个？下属对我的做法不满意？上级对我的工作不满意？同级觉得和我沟通困难？客户对我不满意？客户流失？3.1 创造力和创造过程二 创造发明过程分析2 概念报告（广义的履历表、计划表）n概念报告的内容n概念报告的修正n概念报告的作用3.1 创造力和创造过程二 创造发明过程分析3 可行模型4 工程模型5 可见模型n从可视化

50、到虚拟制造6 样品原型 7 小批生产 3.2 创造性思维n创造性思维和创造技法是创造的核心n常规思维的主要特点常规性即习惯性、通常性单向性即只向常规的习惯方向思考单一性即只考虑一种方案、一种思路逻辑性即通常的逻辑思维范畴等n创造性思维的主要特点独特性即与众不同 多向发散性即立体性思维、多答案 非逻辑性即出人意料 连动性即由此及彼性综合性创造是多种思维方式的综合 , 在综合中创新3.2 创造性思维一 发散思维与收敛思维n发散思维是一种让思路向多方向、多数量全面展开的立体型、辐射型的思维方式。n收敛思维是指针对由发散思维所提出的各种方案 , 分别逐一地进行讨论 , 做出比较、评价 和选择 , 将问

51、题集中到使它获得解决的某一种或某几种方案上 , 并最终使问题获得解决的思维 过程。发散思维和收敛思维都具有它们各自的特点 , 缺一不可。3.2 创造性思维二 想像n想像是人脑在过去的感知的基础上对所感知的形象进行加工、改造，创建出新形象的过 程。是对没有关联的事物经过重新组合、搭配 , 构成新的有联系的事物的思维过程。n消极想像和积极想像再造想像、创造想像和憧憬3.2 创造性思维三 灵感n人们在创造活动中 , 有时长期冥思苦想 , 找不出好的办法去解决问题 , 但在某种情况下却恍然大悟 , 问题迎刃而解。这种现象称为灵感。n灵感具有突发性、目标性、独创性、随机性和瞬时性的特点 , 是创造性思维

52、中作用巨大的一种思维形式 , 是创造活动中达到最高阶段出现的一种最富有创造性的心理状态。3.2 创造性思维三 灵感n在长期积累的前提下偶然得之； n在有意追求的过程中元意得之；n在循常思维的基础上反常得之 ；n在良好的精神状态下怡然得之；n在和谐的环境中欣然得之。3.3 创造技法一 列举法n希望列举法n电冰箱的冷藏冷冻区域划分n缺点列举法n单放机的发明故事n特性列举法n专卖店与超市3.3 创造技法二 智爆法（集体联想方式 ）n会议要求n人员、计划解决的问题确定n会议原则n创新、聆听、赞赏n实施程序n气氛、主持人技巧3.3 创造技法三 提问追溯法5W1HnWhen?nWhere?nWho?nWh

53、at?nWhy?nHow?二维微位移工作台的工程图设计问题举例3.3 创造技法三 提问追溯法奥斯本检核表法 1) 可否将产品的形状、制造方法等加以改变 ? 2) 可否另作他用 ?3) 有无其他更佳设想 ?4) 改变一下如何 ?5) 放大如何 ?6) 缩小如何 ?7) 用别的替代如何 ?8) 反之如何 ?9) 组合起来如何 ?3.3 创造技法四 反向探求和向前推演法n反向探求法n对现有的解决方案系统地加以否定或寻找其他的甚至相反的一面 , 找出新的解法或启发新的想法。n向前推演法n从一个最初的设想按一定方向逐步向前探索 , 寻找新的想法。3.3 创造技法五 联想类推法n相似联想法n河蚌育珠、牛黄

54、n抽象类比法n喷气发动机与沙漠中的沙丘n借用法、仿生法n蜂窝结构3.3 创造技法六 组合法主体附加n手机和收音机异类组合n手表和U盘同类组合nDVD和VCD分解组合 n前掠翼飞机n单兵飞行器辐射组合n纳米技术坐标组合n北京某肉制品厂的起死回生3.3 创造技法七 功能分析法八 同中求异与异中求同对于熟悉的事物 把它看成是 “陌生的”n清华校训 “自强不息，厚德载物”：出自周易：“天行健，君子以自强不息”、“地势坤，君子以厚德载物” 。n哈工大校训“规格严格，功夫到家” ：航天人的精神被概括为：特别能吃苦，特别能战斗，特别能攻关，特别能奉献。 对陌生的事物持 “熟悉的” 态度 n快速虎钳的设计案例

55、第四章 机械可靠性设计n什么是可靠性n可靠性能不能被量化可靠、不可靠；十分可靠、很不可靠；可靠度达到99.99%?n可靠性与合格n可靠性的代价数据的获取代价产品失效的代价4.1 关于机械可靠性设计的几个问题一 为什么要研究可靠性的问题由于市场竞争激烈 , 产品 更新快 , 许多新元件、新材料、新工艺等未及成熟试验就被采用 , 因而造成故障。随着产品或系统日益向大容量、高性能参数发展 , 尤其是机电一体化技术的发展 , 使 整机或系统变得复杂 , 零、部件的数量大增 , 致使其发生故障的机会增多 , 往往由于一个小零 件、小装置的失效而酿成大事故。为了维护用户的利益 , 在一些工业国家中实行产品

56、责任索赔办法。 产品或系统可靠性的提高可使用户获得较大的经济效益和社会效益。4.1 关于机械可靠性设计的几个问题二 我国机电产品可靠性现状可靠性差n汽车n电子产品芯片的生产方式阻碍新技术的应用n航天研究中的新技术应用4.1 关于机械可靠性设计的几个问题三 为什么会出现可靠性问题安全系数为主的机械设计方法n计算安全系数时认为材料的强度 F 和零件所承受的应力 S 都是取单值的n坦克的设计问题坦克的战场寿命坦克的损坏方式4.1 关于机械可靠性设计的几个问题三 为什么会出现可靠性问题可靠性设计n 假设强度分布和应力分布都是正态分布4.1 关于机械可靠性设计的几个问题三 为什么会出现可靠性问题4.1

57、关于机械可靠性设计的几个问题四 机械可靠性设计的内容可靠性理论基础。如可靠性数学 , 可靠性物理 , 可靠性设计技术、可靠性环境技术 , 可靠性数据处理技术 , 可靠性基础实验以及人在操作过程中的可靠性等。可靠性应用技术。如使用要求调查 , 现场数据收集和分析 , 失效分析 , 零件、机器和系统 的可靠性设计和预测 , 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。4.2 可靠性的概念和指标n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。n故障：产品丧失规定的功能。n维修度：可以维修的产 品在规定条件下使用，在规定的时间内按规定的程序和方

58、法进行维修时 ， 保持或恢复到能完成 规定功能的能力。n有效度：可以维修的产品在某时刻所具有的或能维持规定功能的能力。4.2 可靠性的概念和指标n产品完成的规定功能1) 性能不超过规定范围的 “性能可靠性”2) 结构不断裂破损 的 “结构可靠性”3) 狭义可靠性和广义可靠性4.2 可靠性的概念和指标n可靠性的指标1) 可靠度 (Reliability)2) 失效率或故障率 (Failure Rate)3) 平均寿命 (Mean Life)4) 有效寿命 (Useful Life)5) 维修度 (Maintainability)6) 有效度 (Availability)7) 重要度 (Impor

59、tance)4.2 可靠性的概念和指标一 可靠度和失效率可靠度是时间的函数故障 ( 失效 ) 概率4.2 可靠性的概念和指标一 可靠度和失效率故障概率密度函数4.2 可靠性的概念和指标一 可靠度和失效率故障分布函数n（累计故障概率密度函数）可靠度失效率4.2 可靠性的概念和指标二 三种失效率失效模式随机失效n指数分布失效概率为常数功能失效n正态分布零件的疲劳寿命和强度n韦布尔分布 4.2 可靠性的概念和指标三 平均寿命平均寿命又称平均失效时间 (MTBF), 它是一个和可靠性有关的很有用的数量指标。它是失效的平均间隔时间 , 即平均无故障工作时间。 4.3 可靠性设计方法举例（自学）主要设计依

60、据n应力强度干涉理论n期望、标准差n平均寿命、可靠度设计方法n查表n数值积分4.4 系统的可靠性设计n系统的组成单元子系统系统n靠性设计的含义可靠性预测 可靠性分配4.4 系统的可靠性设计一 系统模型1 串联系统4.4 系统的可靠性设计一 系统模型2 并联系统4.4 系统的可靠性设计一 系统模型3 混联系统4.4 系统的可靠性设计一 系统模型4 备用冗余系统4.4 系统的可靠性设计一 系统模型5 复杂系统4.4 系统的可靠性设计一 系统模型6 表决系统p如果组成系统的 n 个单元中 , 只要有 K 个单元不失效 , 系统就不会失效 , 这样的系统称为n 中取 K 系统 , 简写成 K/n 系统