第三章机械设计及现代设计方法

第3章机械设计及现代设计方法3.1概述3.1.1工程设计的概念社会的发展离不开人类的思维活动和设计例如，人类的代步工具的发展历程：

设计：

为了满足社会和人们对产品功能的需要，运用基础知识、专业知识、实践经验和系统工程等方法，将预定的目标通过人们创造性思维，经过一系列规划、计算、分析和决策，产生载有相应的文字、数据、图形等信息的技术文件，以取得最满意的社会与经济效益的全过程工作。

机械设计：

以机械作为对象所开展的设计活动，规划和设计实现预期功能的新机械或改进原有机械的功能。机械设计是推动人类社会和文明发展的重要助推器

牛马等动物→手推车、自行车→火车、汽车及电动车→飞机、航天器等3.1.2机械设计的地位和意义

设计的目的是保证系统的功能，建立性能优良、成本低廉、价值最佳的产品。它对产品的技术和经济效果起着决定性作用，其重要性是不言而喻的。在产品质量事故中，约50%是由不良设计造成的。设计中的失误会造成严重的损失，哪怕是设计中某些考虑不周的地方也可能产生明显的负面效应。意义在产品质量事故中，约50%是由不良设计造成的。设计中的失误会造成严重的损失，哪怕是设计中某些考虑不周的地方也可能产生明显的负面效应。埃及20世纪70年代初竣工的阿斯旺水坝就是一例，它有效地控制了尼罗河流域的水旱灾害，并能供应电力，对国民经济的发展起了一定的作用，但由于设计时对环境因素分析不够，没有考虑对自然生态平衡的影响并采取相应的措施，从而引起一系列严重的问题，如大量泥沙和有机质沉于水库底部，致使尼罗河下游缺乏肥源，土壤变得贫瘠；尼罗河入海口处沙丁鱼食物不足，数量急剧减少；河口三角洲的洼地退缩，影响沿河的军事及工业建筑的安全。水库建成后，下游一些地方的河水变为死水，血吸虫及疟蚊大量繁殖，对居民健康造成很大威胁。由此可见避免设计失误的必要性。3.1.3机械设计的主要类型分类原则为创新与创造在设计中所占的比例开发性设计（或称为原创设计）：开发设计前并不知道机械的设计原理及方案，那么在设计中就要根据设计要求、使用要求、约束条件等创造出机械的原理及结构的设计。适应性设计（或称为再设计）：保持机械的主体原理方案及结构不变，而对其结构和性能进行更新设计，以获得比原机械更优良的性能和结构或一些附加功能的设计。变参数设计：保持机械的功能、原理方案不变，只对其结构性能参数及布局进行调整、变更设计。测绘和仿制：选定某先进机械，通过对其实物进行测绘，获得相关设计技术资料，再通过必要的技术处理（例如标准化、工艺适应性调整等）后形成的设计；仿制是指按照原机械的技术文件（例如设计图纸等），通过适当的工艺后，直接按照原图纸进行生产。1.设计的本质1)设计的本质可以从下面几方面来说明：

①从工作性质与内容看，设计的内容广泛。在传统的工程设计中，将设计过程划分为方案设计、技术设计和工艺设计。随着计算机和信息技术的发展，工程设计的范畴从传统的设计内容已扩展到产品规划、制造、检测、试验、营销、运行、维护、报废、回收等全过程的全方位设计。

②从设计的过程与方法看，设计是一种活动。

2)设计的本质是由如下设计的基本特征所决定的：

①约束性。设计是在多种因素的限制和约束下进行的，其中包括科学、技术、经济等发展状况和水平的限制，也包括生产厂家提出的特定要求和条件，同时还涉及环境、法律、社会心理、地域文化等因素。这些限制和要求构成了一组边界条件，形成了设计人员进行构思或谋划的“设计空间”。设计人员要想高水平地完成设计工作，就要善于协调各种关系，灵活处置，合理取舍，精心构思，而这只有充分发挥自己的创造力才能做到。3.1.4设计的本质和过程②多解性。解决同一技术问题的办法是多种多样的，满足一定目的的设计方案通常也并不是唯一的。任何设计对象本身都是包括多种要素的功能系统，其参数的选取、尺寸的确定、结构形式的设想等都具有很强的可选择性。因此，设计思维的活动空间是广阔的，它为设计人员创造性的发挥提供了天地。

③相对性。设计结论或结果都是相对准确的，而不是绝对完备的，这就使得设计人员经常处于一种相互矛盾的情境之中。例如，既要降低成本，又要增加安全性、可靠性；既要能满足近期需要，又要照顾到长远发展；既要功能全，又要体积小，如此等等。这种相互矛盾的要求给设计工作增加了难度，加上事先难以预料的一些不确定因素的影响，使得设计人员在对设计方案的选择和判定时，只能做到在一定条件下的相对满意和最佳。设计的这种相对性特征一方面要求设计人员必须学会辨证思考；另一方面也给设计人员提供了显示和发挥自己创造才能的机会。机械设计是一个创造性的工作过程，必须有科学的设计步骤和程序从宏观的角度看，机械设计过程可分为产品规划、方案设计、技术设计和施工设计等四个阶段2.设计的过程产品规划：根据生产或生活的需要提出所要设计的产品，在充分的调查研究和分析的基础上，明确提出新产品的功能、重量、强度、成本、安全和可靠性等要求，同时要建立设计时应满足的约束条件，最后制订出详细的设计任务书（或要求表）作为设计、评价和决策的依据。方案设计：方案设计也称概念设计,实质上是产品功能原理设计。技术设计：根据原理方案进行机器及零部件的具体结构化设计，选择材料、拟定零件的形状和尺寸、确定具体参数等，并进行各种必要的性能计算，校核强度、安全性、成本和可靠性，最后画出部件的装配草图，形成完整的计算资料。施工设计：形成最终的制造信息，进行零件工作图和部件装配图的细节设计，对每一个零件提供详细的形状、尺寸、公差、表面质量、材料和热处理、表面处理等信息，完成全部生产图纸并编制设计说明书、工艺卡、使用说明书等技术文件。产品规划方案设计技术设计施工设计功能性、安全性、可靠性、成本、可制造性……迭代详细需求详细图纸和材料选择选择最终设计探讨设计选择概念评价和选择创造概念设计文件零部件购置验证性能最终产品满足理想的性能样机研究分析测试图纸、计算机模型、测试报告，……提出任务典型的机械设计工作流程图3.2.1设计理论与方法的分类3-53.2设计理论与方法3.2.2机械设计理论与方法的发展趋向3-6.3.3现代设计技术(1)设计范畴扩展化传统的设计只限于产品设计，而现代设计则将产品设计向前扩展到产品规划，甚至用户需求分析；向后扩展到工艺设计，使产品规划、产品设计、工艺设计形成一个有机的整体。

(2)设计手段计算机化传统的手工设计正在被计算机辅助设计所代替。

(3)设计过程并行化并行设计技术是目前最热门的技术之一。

(4)设计过程智能化在传统的设计过程中，一切创造性的设计都需要设计人员来完成。

(5)设计手段拟实化在传统的设计过程中，产品和零件的外观形状只有在制造后才能看到。(6)分析手段精确化传统设计中，靠加大安全系数来提高产品的可靠性。

(7)多种手段综合应用现代设计利用高速计算机，可以将各种不同目的的设计方法、设计手段综合起来，以求得系统的整体最优解。

(8)强调设计的逻辑性和系统性传统的设计采用经验法和类比法，现代设计则强调设计的逻辑性和系统性。

(9)进行动态多变量的优化由于手段的限制，传统设计过程一般只能进行静态分析，而现代设计法却可考虑负载率等随机变量，进行动态多变量最优化设计。(10)强调产品的环保性随着人们对环境问题越来越重视，要求能设计出所谓的绿色产品，即要求产品运行过程中的各种污染尽可能少，对人体的危害减至最低限度。(11)强调产品的宜人性现代设计除强调产品的内在质量外，还特别强调产品的外观质量，如美观性、时代性和艺术性，使产品造型具有一定的艺术感染力，使使用者有新颖、心情舒畅、愉快、兴奋等感觉，满足使用者的审美要求。

(12)强调用户参与用户是产品最终消费者，仅仅靠市场调研的结果常常并不能完全反映用户的需求。

(13)强调设计阶段的质量控制现代质量控制理论认为：产品的质量首先是设计出来的，其次才是制造出来的。

(14)设计和制造一体化传统的设计与制造过程是分离的。(15)强调产品全生命周期最优化现代设计强调从市场调研、用户要求，到产品规划、产品设计、工艺设计、制造过程、质量控制、成本核算、销售价格、包装运输、售后服务、维修保养、报废处理、回收再利用等产品全生命周期的综合最优化。3.4优良性能设计基础技术3.4.1

可靠性设计1.可靠性概念及其发展可靠性是产品的质量指标，表示产品正常工作的概率可靠性也可在一般意义上表示可靠性（存活率）、可用性、可维修性和耐久性。可靠性—产品在规定的条件下、规定的时间内完成规定功能的能力。维护费用生产成本总成本总成本最低的可靠度值可靠度R3.机械可靠性设计(1)可靠性预测可靠性预测是一种预报方法,即从所得到的失效数据预报一个零部件或系统实际可能达到的可靠度,预报这些零部件或系统在规定的条件下和在规定的时间内完成规定功能的概率。

(2)可靠性分配可靠性分配就是将系统设计所要求达到的可靠性，合理地分配给各组成单元，从而求出各单元应具有的可靠度。

(3)可靠性试验可靠性试验是为了定量评价产品的可靠性指标而进行的各种试验的总称。1.摩擦学的概念及其发展

摩擦学主要研究相互运动、相互作用表面的摩擦行为对于机械及其系统的作用，接触表面及润滑介质的变化以及失效预测及控制。它是以力学、流变学、表面物理与表面化学为主要理论基础，综合材料科学、工程热物理学科，以数值计算和表面技术为主要手段的边缘学科。它的基本内容是研究工程表面的摩擦、磨损和润滑问题。摩擦学研究的目的在于指导机械及其系统的正确设计和使用，以节约能源，减少原材料消耗，进而达到提高机械装备的可靠性、工作效能和使用寿命的目的。3.4.2.摩擦学设计2.摩擦学设计技术(1)流体动压润滑两摩擦表面相对运动时，具有一定粘度的流体将被带进两表面之间，形成润滑膜以承受载荷并将两表面完全分隔开的润滑方式，称为流体动压润滑。

(2)弹性流体动压润滑弹性流体动压润滑简称弹流润滑，是摩擦学近代发展的重要领域，它是点线接触摩擦副的润滑问题。

(3)流体静压润滑静压滑动支承是靠外部的流体压力源向摩擦表面之间供给一定压力的流体，借助液体静压力来承受载荷。

(4)边界润滑摩擦界面如果存在着一层与介质的性质不同而又具有良好润滑性能的膜，则这种润滑状态称为边界润滑。

(5)摩擦当两个相互接触的物体在外力作用下发生相对运动或具有相对运动的趋势时，在接触表面之间将产生阻止其相对运动或相对运动趋势的作用力，这种阻力称为摩擦力，这种现象称为摩擦现象。

(6)磨损磨损是机械零件的一种破坏形式，它破坏工作表面，影响机器的功能，消耗材料和能源，并降低机械设备的使用寿命。1.系统动态设计技术内涵(1)静态设计认为结构是相对“不动的”,它承受的载荷和周围介质的状态参数(如温度、压力、流速、电磁场)等也是“不变的”,只对其静态性能进行分析、评价和设计。

(2)动态设计动态设计是相对静态设计而言，与静态设计的本质区别在于：变“不动”为“运动”，变“不变”为“变化”，是对结构的动态特性,如固有频率、振型、动力响应和运动稳定性等进行分析、评价与设计,谋求结构系统在工作过程中受到各种预期可能的瞬变载荷及环境作用时,仍能保持良好的动态性能与工作状态。3.4.3系统动态设计1.概述在现代工程设计中，设计方案往往不是唯一的，从多个可行方案中寻找“尽可能好”的或“最优化”方案的过程，称为“优化”设计。传统的设计过程是构思方案→评价→再构思→再评价的过程，这也是一种寻优化过程。但由于受到诸多客观条件的限制，这种设计过程只可能得到“较好的可行解”，无法得到设计的最佳解。为了得到最佳解，国外从20世纪70年代，国内从20世纪80年代初开始，利用计算机辅助寻优，出现了最优化设计这一高新技术。3.4.4优化设计3.5.2快速响应设计技术1、快速响应工程内容：建立快速捕捉市场动态需求信息的决策机制;实现产品的快速响应设计;追求新产品的快速试制定型;推行快速响应制造的生产体系。2.实现快速响应设计的关键

实现快速响应设计的关键，是有效利用各种信息资源。人类自有文明以来，任何人工制品(即产品)和产品的制造系统均由物质、能量和信息三大要素组成。步入21世纪，以信息技术为中心的科技革命浪潮汹涌澎湃，知识经济时代悄然来临，这时，第三大要素——信息就逐渐成为主宰社会生活和生产活动的决定性因素。主要体现在：首先，在许多现代化产品(尤其是信息产品和机电一体化产品)中，凝集着信息(知识)的软件已经成为产品的重要组成部分，产品的智能化程度越高，这部分的比重就越大。其次，在产品的制造过程中，需要使用各种信息，包括产品信息和制造信息两大类。产品信息，指的是为了正确设计产品和确切描述产品特征所需的信息，包括产品的几何形状、尺寸、精度、材质，以及各种规范和技术知识等；制造信息，指的是为了进行某一步制造过程，以获得能满足预定要求的产品所需要的各种信息，包括工艺信息和管理信息。第三，包含在产品中的间接信息。3.虚拟设计技术图3-9基于虚拟现实技术的虚拟设计系统3.6全生命周期设计技术循环型生产用户为主体的生产新经济模式的创出产品计划设计维护研究开发制造贩卖使用回收再循环废弃产品开发采购闭环化3.6.1概述2、并行设计的内涵１）面向产品全生命周期，从设计、制造等角度综合考虑开展产品设计２）设计阶段就考虑产品制造、使用等后续阶段问题要求，并以其进行设计修改评价３）设计、工艺、制造等不同领域设计人员共同参与,协同工作的全新设计工作模式４）产品设计面向产品生命周期后续阶段同步开展，实现设计过程与制造过程的一体化和集成3.7.1绿色产品的定义及内涵定义：1)绿色产品是指以环境和环境资源保护为核心概念而设计生产的可以拆卸并分解的产品，其零部件经过翻新处理后，可以重新使用。

2)绿色产品是从生产到使用乃至回收的整个过程都符合特定的环境保护要求，对生态环境无害或危害极少，以及利用资源再生或回收循环再用的产品。

内涵：1)最大限度地保护环境。

2)最大限度地利用材料资源。

3)最大限度地节约能源。3.7绿色产品设计技术3.7.2绿色产品设计的概念及评价标准(1)与材料有关的准则少用短缺或稀有的原材料,多用废料、余料或回收材料作为原材料；尽量寻找短缺或稀有原材料的代用材料；减少所用材料种类,并尽量采用相容性好的材料,以利于废弃后产品的分类回收；尽量少用或不用有毒有害的原材料；优先采用可再利用或再循环的材料。

(2)与结构有关的准则在结构设计中树立“小而精”的设计思想,通过产品小型化尽量节约资源的使用量。

(3)与制造工艺有关的准则改进和优化工艺技术,提高产品合格率；采用合理工艺,简化产品加工流程,减少加工工序,谋求生产过程的废料最少化,避免不安全因素；减少生产过程中的污染物排放。(4)绿色设计的管理准则规划绿色产品的发展目标，将产品的绿色属性转化为具体的设计目标。1.绿色产品设计的材料选择与管理

绿色产品设计要求产品设计人员要改变传统选材程序和步骤，选材时不仅要考虑产品的使用和性能，而且应考虑环境约束准则，同时必须了解材料对环境的影响，选用无毒、无污染材料和易回收、易降解、可再利用材料。除选材外还应加强材料管理，一方面，不能把含有有害成分与无害成分的材料混放在一起；另一方面，达到生命周期的产品，有用部分要充分回收利用，不可用部分要采用一定的工艺方法处理、回收，使其对环境的影响降低到最低限度，降低材料成本。3.7.3绿色产品设计的主要内容及方法2.产品的可回收性设计

可回收性设计是在产品设计初期充分考虑其零件材料的回收可能性、回收价值大小、回收处理方法、回收处理结构工艺性等与回收性有关的一系列问题，达到零件材料资源、能源的最大利用，并对环境污染为最小的一种设计思想和方法。可回收性设计主要包括：①可回收材料及其标志；②可回收工艺与方法；③可回收性经济评估；④可回收性结构设计。3.产品的可拆卸性设计可拆卸性是绿色产品设计的主要内容之一，它要求在产品设计的初级阶段就将可拆卸性作为结构设计的一个评价准则，使所设计的结构易于拆卸、维护方便，并在产品报废后对可再利用部分充分有效地回收和再利用，以达到节约资源和能源、保护环境的目的。可拆卸结构设计有两种类型：一种是基于成熟结构的“案例”法；另一种则是基于计算机的自动设计方法。

4.绿色产品的成本分析

绿色产品的成本分析与传统的成本分析截然不同。由于在产品设计的初期，就必须考虑产品的回收、再利用等性能，因此成本分析时，就必须考虑污染物的替代、产品拆卸、重复利用成本、特殊产品相应的环境成本等。同样的环境项目，在各国或地区间的实际费用的不同，也会形成企业间成本的差异。因此，绿色产品成本分析，应在每一设计选择时进行，以便设计出的产品更具绿色且成本低。5.绿色产品设计数据库

绿色产品设计数据库是一个庞大复杂的数据库。该数据库对绿色产品的设计过程起着举足轻重的作用。该数据库应包括产品生命周期中环境、经济等有关的一切数据，如材料成分，各种材料对环境的影响值，材料自然降解周期，人工降解时间及费用，制造装配、销售、使用过程中所产生的附加物数量及对环境的影响值，环境评估准则所需的各种判断标准等。3.7.4绿色产品设计的关键技术1.面向环境的设计技术

面向环境的设计DFE(DesignforEnvironment)或称绿色设计GD(Green