现代机械设计方法简介宋宝玉版

1、现代机械设计方法简介1现代机械设计方法简介一、机械部件设计的一般方法1、常用设计方法1）理论设计 （设计、校核）2）经验设计 （类比）3）模型实验设计 （飞机-风洞）4）虚拟样机设计 5）反求设计 （研仿、仿生）2一、机械部件设计的一般方法2、常用设计准则1）强度准则 （拉伸、剪切）2）刚度准则 （弹性变形）3）精度准则 （尺寸、形状；分配、综合与匹配） 4）寿命准则 （疲劳、磨损、腐蚀）5）振动稳定性准则 （固有频率与激振频率）6）可靠性准则现代机械设计方法简介3现代机械设计方法简介3、传统设计与现代设计的主要区别4现代机械设计方法简介二、现代机械设计方法5现代机械设计方法简介三、未来对机械

2、工程的需求与驱动6现代机械设计方法简介7现代机械设计方法简介8现代机械设计方法简介四、计算机辅助设计（CAD）CAD是以设计者为主体，利用软硬件系统的资源，对产品的设计进行规划决策等，并形成工程文件（档）的创造性活动，是现代设计方法的基础。利用CAD技术，从产品或设备的概念设计到提供用于制造的技术文件之间的过程可大大缩短。 计算机辅助设计比传统设计的优点: 1) 能显著提高设计效率 2)有利于产品的标准化系列化 3)设计与分析可统一 4)设计与制造可一体化9CAD应用领域概略比例（）现代机械设计方法简介10现代机械设计方法简介机械设计实例：2D 、3D图形变换11现代机械设计方法简介12现代机

3、械设计方法简介13现代机械设计方法简介14现代机械设计方法简介15现代机械设计方法简介机械设计实例：凸轮机构CAD设计16现代机械设计方法简介五、可靠性设计1、可靠性定义：产品在规定条件下和规定时间内完成规 定功能的能力。 以概率来表示，也称可靠度。172、可靠度分类等级及应用等级可靠度R用 途低高0us时, ZR0, R0.5;若ur-us为恒值,此时R值将随r及s的值增大而减小.根据传统设计中安全系数Sn的概念: Sn = ur/us1,此时Sn不变,而R却随r、s在变化;(2)当 ur-us=0时, ZR=0, R0.5,r、s对R无影响;(3)当ur-us0时, ZR0, R0.5,且

4、r、s增大,R将朝着减小的方向变化，此时Sn1,这种情况在用安全系数法设计时是不允许的. 由此可见,安全系数设计法存在不合理现象,没有考虑强度及应力的离差r、s的影响. 现代机械设计方法简介28例: 图10所示为一受拉圆型载面杆,已知力和截面直径服从正态分布,分别为N(uP、P)、N(ud、d),屈服强度亦服从正态分布N(ur,r).设可靠度为R,试进行强度可靠性设计(求直径均值和离差)：当R=0.999时，d=?N(ud,d)=d0.015dN(ur,r)=N(1076,42.2)MPaN(up,p)=N(30000,450)N圆杆受拉的强度可靠性模型圆杆受拉力圆杆截面尺寸材料屈服强度现代机

5、械设计方法简介29按可靠性求解，当R= 0.999 时：此时的安全系数现代机械设计方法简介30现代机械设计方法简介6、机械系统可靠性设计31现代机械设计方法简介六、有限元设计1、起源32现代机械设计方法简介六、有限元设计1、起源331）大型桥梁结构的动态分析；2）地下建筑的抗震分析；3）海上石油钻井平台的响应分析(潮、汐、海流、风等)4）飞机、航天飞机等的结构整体分析；5）螺杆抽油泵螺杆的变形和稳定性分析（振型）；6）碟型弹簧的翻转分析（临界失稳）；7）球形超塑过程的模拟（仿真）；8）裂纹尖端的应力强度因子(KIC)；9）疲劳裂纹的计算机模拟；10） 焊接熔池的温度场分析；11） 超硬涂层的失

6、效分析(CVD、PVD涂层)；12） 爆炸冲击波的破坏性分析；13） 支撑结构的稳定性分析；14） 流场分析（导弹发动机、液体流场等）；15） 液体固体耦合分析等(大坝、油罐车)。现代机械设计方法简介六、有限元设计1、起源34现代机械设计方法简介六、有限元设计20世纪50年代 在连续体力学领域飞机结构的静力和动力特性分析中开始应用一种有效的数值分析方法伴随着电子计算机的飞速发展，在20世纪70年代初期，出现了大型通用、功能强大，计算可靠，工作效率高的有限元分析软件，并逐步成为结构分析中的强有力的工具。有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物

7、理系统（几何和载荷工况）进行模拟。利用简单而又相互作用的元素，即单元，实现用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。 1、起源圆的周长与多边形概念35有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解 把一个原来是连续的物体划分为有限个单元，这些单元通过有限个节点相互连接，承受与实际载荷等效的节点载荷，并根据力的平衡条件进行分析，然后根据变形协调条件把这些单元重新组合成整体进行综合求解。这个解不是准确解，而是近似数值解(精度高、适应性强)有限元法的基本思想离散化现代机械设计方法简介六、有限元设计1、起源361）问题及求解域定义：根据实际问题近似

8、确定求解域的物理性质和几何区域。 2）求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分一。 现代机械设计方法简介六、有限元设计2、基本步骤三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。373）确定状态变量及控制方法： 一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示4）单元推导：形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）现代机械设计方法简介六、有限元设计2、基本步骤单元之间由节点相联结,通过节点传递力、温度、位移及其他参量,单元内部的未知场函数(如位移、应力、温度、磁场、电场等)可以通过一定阶数的单元节点参量的插值函数来逼近,然后,在整个求解

9、域内利用边界给定条件确定所有节点的参量值(如节点位移、节点力、 节点温度等),再反过来利用节点参量(此时为已知)的逼近函数去代替单元内部的未知场函数,求得单元内部任意点的未知量的近似值 385）总装求解 单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。6）结果提取与分析处理 求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。现代机械设计方法简介六、有限元设计2、基本步骤393、有限元分析问题的类型：1）按维数分：一维分析（如悬臂梁等）、二维分析(如平面应力

10、问题和平面应变问题、二维刚架等)、三维问题（大部分结构）、动态分析（三维结构+时间）；2）按性质分：弹性小变形分析、弹性大变形分析（材料非线性、几何非线性）、弹塑性分析、粘弹性分析、塑性分析、断裂分析、场分析、接触问题分析等；3）按状态分：平衡问题、稳定性分析、随机激励响应、模态、爆炸冲击波、流体分析、热分析（热震和热冲击），结构校验和优化. 现代机械设计方法简介六、有限元设计40大型通用有限元商业软件：如ANSYS可以分析多学科的问题，例如：机械、电磁、热力学等；还有三维结构设计方面的UG,CATIA,Proe等；电机有限元分析软件NASTRAN等。1）与CAD软件的无缝集成 Pro/ENG

11、INEER、Unigraphics、 SolidWorks、IDEAS和AutoCAD2）更为强大的网格处理能力 3）由求解线性问题发展到求解非线性问题4）由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解 5）程序面向用户的开放性 现代机械设计方法简介六、有限元设计4、常用商业软件及发展趋势41图4-28 位移变形云图 图4-29 等效应力云图 现代机械设计方法简介六、有限元设计5、应用实例42载荷:18000 N ，温度:250 ，转速:15000r/min 现代机械设计方法简介43节点257,182个；SOLID92单元169,158个 现代机械设计方法简介44 最大应力为：58.7MPa，小于材料

12、许用应力； 最大变形为：7.3m ，满足设计要求。应力图变形图现代机械设计方法简介45热应力耦合分析最高温度：250 ；最低温度：45 温度分布云图现代机械设计方法简介46振动模态分析节点268793个；SOLID92单元157923个 现代机械设计方法简介六、有限元设计47固有频率一阶振型（主视）一阶振型（左视）阶数12345频率(Hz)186.0197.7220.3238.88331.8转速(r/min)11160118621321814332.819908现代机械设计方法简介48二阶振型三阶振型四阶振型五阶振型现代机械设计方法简介49现代机械设计方法简介七、摩擦学设计摩擦磨损是日常生活和

13、工业技术中普遍存在的问题.摩擦学影响能源节约、材料损伤、产品质量和设备的生命周期50 摩擦学问题也是所有高技术装备的共性基础问题现代机械设计方法简介七、摩擦学设计51摩擦学的特征1 - 摩擦学行为是系统依赖的摩擦学行为发生在相对运动、相互作用表面和表面间的各种行为原因人们看到的各种与摩擦学有关的现象结果系统依赖, 是指简单系统(见图1)以及由简单系统所构成的任何更为复杂的系统,其行为已不能由任何一个构成它的元素来实现.摩擦副的特性不是摩擦副任何元素材料的固有特性, 而是它们所构成的系统在给定环境中的特性.现代机械设计方法简介七、摩擦学设计52摩擦学的特征2 -摩擦学元素的特性是时间依赖的F i

14、g 2The severity of work condition of a tribo2pair由相对运动和相互作用在构件中引起的变化速度大大超过构件中由其它行为导致的变化, 时不变处理系统时变系统.摩擦学最突出的特征是摩擦磨损过程的耗散性和不可逆性。现代机械设计方法简介七、摩擦学设计53摩擦学的特征3 - 摩擦学行为是多个学科行为间强耦合结果电磁学两表面间存在电场和(或) 磁场将导致电磁学行为, 主要包括产生引力或斥力、导致表面和表面间材料分子排列的变化、导致表面材料中产生涡流和热等. 力学两个表面及两表面介质之间的相对运动和相互作用行为就最简单的摩擦学系统而言热力学和传热学耗散的机械能转变为热能、热能向周边的传递并形成稳定的和不稳定的温度场物理学表面及表面间介质材料的分子相互作用及转移摩擦学的理论就是研究“在摩擦学环境下,它们之间相互耦合作用的