机械工程概论课件

1、第四章 机械设计及现代设计方法设计：人们根据预定目标来生产满足要求的信息的一种活动。 通过图形、文字、数据、符号表达出来。4-1 机械设计基本方法设计发展阶段直觉设计（远古1500年）经验设计（15011849年）半经验设计（18501949年）半自动设计（19501989年）自动化设计（1990现在）明朝，设计制造同一人基本结构的组合装置专门进行另部件研究实验，有标准借助计算机辅助手段进行设计虚拟现实技术计算机集成制造系统机械设计的基本要求设计机器应满足的基本要求1、功能性要求2、可靠性要求3、经济性要求4、劳动保护要求5、其他特殊要求动向预测方案设计技术设计施工设计试生产机械设计的一般步骤

2、1、强度、刚度及寿命要求2、结构工艺性要求3、可靠性要求4、经济性要求5、质量小的要求设计机械零件的基本要求：常见产品及其设计图减速箱减速箱下箱工程图减速箱装配图机械设计方法和步骤1。理论设计（重要的零部件）2。经验设计（已典型化的零件）3。模型实验设计（特别重要的零件）设计的一般步骤1。动向预测2。方案设计3。技术设计4。施工设计5。试生产利用CAD软件进行机械设计实例4-2 现代设计方法 将传统设计中的经验、类比法设计提高到逻辑的、理性的、系统的新设计方法，是在静态分析的基础上，进行动态多变量的最优化。现代设计： 把设计对象看作一个系统，同时考虑系统与外界的联系，通过功能分析、系统综合等方

3、法，力求系统整体最优，使人机之间的功能相互协调。 强调创造能力开发和充分发挥人的创造性；重视原理方案的设计、开发和产品创新。只有创新才能有所发明。（一）现代设计的特征（1）系统性（2）创造性 在设计过程中，综合考虑分析市场需求、设计、生产、管理、使用、销售能各方面的因素；综合运用系统工程、可靠性理论、价值工程等学科的知识，探索多种解决设计问题的途径。 现代设计研究设计的一般进程，包括一般设计战略和用于设计各个具体部分的战术方法。要求设计者从产品规划、方案设计、技术设计、施工设计到实验、试制，按步骤有计划地进行设计。 （3）综合性（4）程式性(二) 现代设计方法的产生 我国从上世纪80年代开始对

4、现代设计方法进行研究，通过和聘请国外专家，推广和普及现代设计的基本知识。现代设计方法优化设计(Optimal design)、价值工程(Value engineering)、可靠性设计(Reliability design) 、计算机辅助设计(CAD) 工业艺术造型设计(Visual design)、反求工程(Inverse engineering)、模块化设计(Modular design)机械动态设计(Dynamic design)、并行设计(Concurrent design) 人机工程学(Ergonomics或Human Engineering )、有限元法(Finite elemen

5、t method) 日本自1960年以来开始现代设计方法的研究，提高设计人员素质，开展工程技术教育。 美国的产品设计图纸基本上由计算机绘制，强调“创造性设计”，提倡设计中创造能力的开发，把设计活动分为创造分析决策三个步骤。一、有限元分析方法 出现于上世纪50年代中期至60年代末。在60年代末70年代初出现了大型通用有限元程序，以功能强、使用方便、计算结果可靠和效率高而成为结构工程强有力的分析工具。 用有限个单元将连续体离散化，通过对有限个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法。 有限元法把连续体离散成有限个单元：杆系结构的单元是每一个杆件；连续体的单元是各种形状（如三角形、四边形、

6、六面体等）的单元体。 根据能量方程或加权残量方程可建立有限个待定参量的代数方程组，求解此离散方程组就得到有限元法的数值解。 目前，有限元法在现代结构力学、热力学、流体力学和电磁学等许多领域都发挥着重要作用。当前，在我国工程界比较流行，被广泛使用的大型有限元分析软件有MSC/Nastran、Ansys、Abaqus、Marc、Adina和Algor等。有限元分析模型有限元的基本构成：1.节点（Node）：就是考虑工程系统中的一个点的坐标位置，构成有限元系统的基本对象。具有其物理意义的自由度，该自由度为结构系统受到外力后，系统的反应。3.自由度（Degree Of Freedom）：上面提到节点具

7、有某种程度的自由度，以表示工程系统受到外力后的反应结果。2.元素（Element）：元素是节点与节点相连而成，元素的组合由各节点相互连接。不同特性的工程系统，可选用不同种类的元素，ANSYS提供了一百多种元素，故使用是必须慎重选则元素型号。有限元分析的系统结构二、优化设计 优化设计是属于创新设计，它使设计工作从过去的完全经验设计及类比设计中解放出来，从理论上建立设计对象的优化数学模型，按现代的设计方法进行计算，设计出符合人为要求的新产品。创新的设计可能是零件、部件、整机以及各行业的工程。优化设计是以数学规划为理论基础，以电子计算机为工具，在充分考虑各种设计约束的前提下，寻求满足某些将预定目标的

8、最优设计方案。 最优化技术是在60年代发展起来的，它建立在近代数学、最优化方法和计算机程序设计的基础上，已成为解决复杂问题的一种有效工具。并成为计算机辅助设计应用中的一个重要方面。优化设计工作包含三个内容: 建立优化数学模型；选取优化方法；用计算机进行求解。（1）优化设计的数学模型求x=x1,x2,.,xnt，使minf(x)=f(x1,x2,.,xn)xrns.t. gi(x)0(i=1,2,p)hj(x)=0(j=1,2,q)设计变量、目标函数和约束条件是优化设计数学模型的三个要素。 工程中的最优化设计，是在考虑诸多影响因素的条件下，以得到最佳的设计方案，即最佳设计参数值。其设计原则是欲得

9、到最佳方案，以电子计算机为计算工具，所用设计方法采用最优化设计方法。 其基本思想是搜索、迭代和逼近。即求解时，从某一初始点出发，利用函数在某一局部区域的性质和信息，确定每一迭代步骤的搜索方向和步长，去寻找新的迭代点，这样一步一步地重复数值计算，用改进后的新设计点替代老设计点，逐步改进目标函数，并最终逼近极值点。 （2）优化方法如图为由两根钢管组成的对称桁架。点A处P=300000N，2L=152cm，钢管厚度T=0.25cm，材料弹性模量E=2.16x107N/cm2，屈服极限s=70300N/cm2。 求：在满足强度和稳定性条件下，使体积最小的圆臂直径d和桁架高度H。 机械优化问题示例解:为

10、保证桁架可靠地工作，就必须要求杆件具有足够的抗压强度和稳定性。 杆内力杆截面压应力抗压强度： s 稳定性:杆件截面上的压应力不超过压杆稳定的临界应力。 三、机械可靠性设计 产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。 可靠性总低于固有可靠性。 起源于电子工业,已经渗透到机械工程及其他各学科领域,并渗透到社会科学的领域,如人的可靠性,工作可靠性等。可靠性的经典定义：可靠性固有可靠性使用可靠性通过设计、制造赋予产品的可靠性受制造、设计及使用条件影响的可靠性可靠性学科可靠性工程可靠性数学可靠性物理可靠性管理可靠性分析,可靠性设计及可靠性实验以概率和数理统计研究可靠性的定量规律研究零部件的失效原

11、因, 模型, 改进措施1、可靠性的理论基础和常用指标（1）可靠度（ Reliability) 产品在规定条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。理论基础：概率统计学研究偶然时间中必然规律的学科数学模型：正态模型、指数模型、威布尔模型正态分布模型：（2）失效率（Failure Rate）产品在规定的条件下和规定的时间内，产品功能失效的概率根据概率互补定理（3）平均寿命和平均无故障工作时间平均寿命：产品寿命的平均值MTTF（Mean Time To Failures）平均无故障工作时间:可修复产品相邻两次故障的平均时间 MTBF（ Mean Time Between Failures ）2、机械

12、可靠性设计的主要内容 机械类和电子类产品可靠性特点的比较 机械可靠性设计的原则和方法1 简单化和标准化 2 失效经验的反馈应用 3 FMECA （故障模式影响和危害度分析）、 FTA （故障 树分析） 和设计评审 4 安全裕度设计5 失效安全和损伤容限设计6 冗余设计 7 机械零件、结构的概率设计 8 健壮设计9 系统可靠性分析和预计10 维修性设计 11 可靠性试验 机械产品 电子产品 系统构成 机械结构 动力系统 操作系统 电气系统 液压系统 电源系统 指示系统 发送信号系统 接受信号系统 放大系统 可靠性指标 耐用寿命（时间、次数） 零件更换寿命 整机可用性 MTBF 元件故障率 整机可

13、用性 故障机制 在定期维修条件下，复杂的整机设备故障呈现随机性，零部件以耗损性故障为主 元件和整机故障多属随即性 故障关联性 与联接、使用、维修方式有关 元件故障基本独立无关 使用环境 使用环境条件复杂，需掌握环境变化和极值条件，应力分析十分重要 使用环境一般良好，有密闭和保护，应力因素可预测 维修方式 一般以预防性维修为主 预防性维修意义不大 可靠性预计 困难 可能 数据准备 公用数据收集不易，积累尚未正规化 数据已广泛发布，已形成数据积累制度 计算机辅助设计CAD(computer aided design) 设计人员借助于计算机进行设计的方法。其特点是将人的创造能力和计算机的高速运算能力

14、，巨大存储能力和逻辑判断能力很好地结合起来。四、计算机辅助设计计算机辅助设计系统由硬件系统和软件系统构成。硬件系统 上世纪60年代以大型机为主机，配图形终端、字符终端、绘图机等构成的主从式系统。 上世纪70年代发展为以小型机为主，配以机械、电子或建筑业通用软件的小型成套系统。 上世纪80年代以来，则以工程工作站加网络构成的分布式系统为主流。 目前，随着中央处理器性能的飞速提高，个人计算机有逐渐挤占工作站市场份额的趋势。1822年研制的差分机1930年电动机械式计算机1941年研制的Z-3型计算机1943年12月巨人计算机运行软件系统只能检索出符合要求的最佳图样针对设计对象编制并调试、修改程序，

15、并输出设计图样按照产品要求，抽象出设计对象的目标函数、约束条件及设计变量，通过优化程序计算出最优设计结果设计人员直接与计算机对话，调用计算机内已有的产品信息、各种设计资料以及各种软件功能进设计，对于以图形显示的设计结果可以反复地进行修改，直到取得满意结果为止。检索型系统试行型系统自动设计型系统交互式系统近年来发展比较迅速计算机辅助设计系统一般以工程数据库、图形库为支持功能：交互式图形设计、几何造型、工程分析与优化设计、人 工智能与专家系统三维CAD技术的意义及发展历程CAD技术起源于美国，它经历了一个由二维设计技术向三维设计技术发展的过程。 早期二维机械CAD 仅仅是计算机辅助绘图 （Comp

16、uter Aided Drafting） 三维CAD技术才是真正意义上的计算机辅助设计技术 （Computer Aided Design）。三维CAD的四次技术革命第一次：由线框造型设计/加工发展到曲（表）面造型设计第二次：由曲（表）面造型设计发展到实体造型设计第三次：由实体造型设计发展到参数化造型设计第四次：由参数化造型设计发展到变量化造型设计的选型原则 。 操作使用的方便性、软件的集成化程度、 CAD功能 、 CAM功能、后处理程序及数控代码输出 、升级方法和技术支援 CAXA是北京北航海尔软件有限公司CATIA最早是由法国达索飞机公司研制，后来属于IBM公司，是一个高档CAD/CAM/C

17、AE系统。最有影响的机械CAD/CAM软件有：Pro/E、I-DEAS、UG、 Auto CAD。占60%以上Master CAM是一种应用广泛的中低档CAD/CAM软件柴油机的设计五、绿色设计 20世纪90年代初期围绕在发展经济同时，如何节约资源，有效利用能源和保护环境这一主题而提出的新的设计概念和方法。1、设计出的产品可以拆 卸、分解，零部件可以翻新和重复使用；2、产品尽量减少零部件和原材料；3、以揿按式结构替代螺丝钉装置等。绿色设计:指以保护环境和环境资源为核心概念的设计过程。 美国几乎每一辆汽车可以重新利用部分的重量占总重量的75，德国宝马汽车的这一比例则高达80。要求:绿色设计的内容

18、绿色产品设计的材料选择与管理；产品的可拆卸性设计；产品的可回收性设计。有害与无害成分的材料分开；到期的产品，有用的要回收利用，不可用部分要用能处理。综合考虑材料的回收可能性，回收价值的大小，回收的处理方法等综合考虑材料的回收可能性，回收价值的大小，回收的处理方法等本质： 为环保而设计（Design for Environment） 为回收而设计（Design for Recycle） 为拆解而设计（Design for Disassembly） 为再制而设计（Design for Re-manufacture） 为永续性而设计（Design for Sustainability） 企业开展绿色设计的原因：(1)顾客要求；(2)国际标准的要求；(3)竞争对手的挑战(4)环保法轨的要求；(5)对产品的照顾责任等企业企业环境管理绿色设计产品服务顾客社会绿色设计在企业环境管理中的地位设计原则：(1)易修护(2)易拆解(3)易回收(4)增长寿命，减少废弃物产生(5)易于共用，增加产品被利用度(6)易升级(7)多功能 供应商材料采购研发方向市场占有消費者行为绿 色 设 计组成制成改变污染防治废弃物处理售后服务材料制作管理面作业面桌上型电脑产品环境负荷生态健康人体健康資源耗损原料阶段EOL阶段使用阶段运输阶段桌上型电脑显