机械设计常用方法

机械设计常用方法一.设计理论

“设计是人类征服自然改造世界的基本活动之一,是人们为满足一定的需求而进行的一种创造性的活动实践过程。

各种机械从构思到实现要经过设计和制造两个阶段，机械设计是机械产品生产的重要步骤，产品设计的优劣对产品的销售和竞争有很大的影响。

合理的设计方法是保证设计质量、加快设计速度、避免和减少设计失误的基石！1-1.传统设计和现代设计

传统设计：以经验为基础，运用长期的设计实践和理论计算而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计的依据，通过经验公式近似系数或类比方法进行设计。

现代设计：是传统设计的延伸和发展，并深入、丰富和完善，是以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益为最优目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体总称。传统设计与现代设计的区别：1）传统设计：手工的、静态的、经验的设计，被动地分析产品的性能；2）现代设计：计算机化的、动态的、科学的设计，主动地设计产品的性能。现代设计方法的范畴：1）信息论方法,如信息分析法、技术预测法等。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CAE、并行工程、人工智能等。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.机械设计的一般过程机械产品的设计过程一般有四个阶段组成：产品规划、方案设计、技术设计、施工设计。从系统分析的角度看，机械设计过程的各个阶段实质上都具有分析、综合和评价的内容。

机械产品设计的一般流程

产品规划

1.任务

2.调查研究

3.可行性研究

4.明确任务需求可行性报告设计要求表

方案设计

5.总功能分解

6.功能元求解

7.系统原理解（多个）

8.试验

9.评价

10.最佳原理解

原理方案图

阶段步骤工作结果

阶段

步骤

工作结果

技术设计11.总体设计12.结构设计（构形、选材料、定尺寸）13.价值设计14.结构设计（多个）15.试验16.评价17.最佳方案18.选型设计参数尺寸计算文件和程序

施工设计19.零件图20.装配图21.技术文件全部生产图纸与技术文件

生产22.试制23.投入生产

产品机械产品设计的一般流程机械产品设计过程中的方法和理论

设计阶段

设计方法

设计理论及工具

产品规划

预测技术与开发技术预测理论市场学信息学

方案设计系统化设计法创造性设计法评论与决策方法论系统工程学图论形态学创造学思维心理学决策论线性代数模糊数学机械产品设计过程中的方法和理论

设计阶段

设计方法

设计理论及工具

技术设计构形学价值设计优化设计可靠性设计宜人性设计产品造型设计系列产品设计模化设计（模型试验）系统工程学价值工程学力学摩擦学制造工程学优化理论可靠性理论人机工程学工业美学相似理论施工设计工程图学、工艺学在机械产品的设计过程中，还要富有创造性的思维，为解决问题提供初步的设计方案的设计步骤和程式。例：“新动物”的发明过程：二、机械设计常用方法2-1.机械可靠性设计方法2-2.并行工程设计方法2-3.机械优化设计方法2-4.系统分析设计方法2-5.

反求工程与创新设计方法2-1.机械可靠性设计方法

2-1-1.概述可靠性是指产品在规定条件下和规定的时间内完成规定的功能的能力。规定的时间指该产品有一定寿命的数值概念，也就是最经济有效的使用寿命。规定的功能包括：

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”可靠性的数值标准常用指标：可靠度(Reliability)2)失效率或故障率(FailureRate)3)平均寿命(MeanLife)4)有效寿命(UsefulLife)5)维修度(Maintainability)6)有效度(Availability)7)重要度(Importance)

通过对以上指标的分析，在设计和生产时就可用数学方法来计算和预测，也可用实验方法来评定产品或系统的可靠性。机械设计可靠性设计的内容：

1）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。

2）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。2-1-2.系统可靠性设计系统是由诸多子系统和若干单元组成。系统可靠性设计可靠性预测可靠性分配可靠性预测：单元→子系统→系统已知单元与子系统的可靠度求系统的可靠性。可靠性分配：系统→子系统→单元已知系统可靠性合理的分配到各子系统与单元。1、系统的模型①串联系统模型②并联系统模型③混联系统模型④备用冗余系统⑤复杂系统①串联系统可靠读度计算：式中：是系统的可靠度是单元ⅰ的可靠度i=1,2,3……n。②并联系统的可靠度计算：系统失效概率2、系统可靠性预测③混联系统的可靠度计算：混联系统是串联和并联系统的组合,它们的可靠度计算可直接参照串联和并联系统的公式进行。④备用冗余系统的可靠度计算：假定贮备单元在储备期时间t内不发生故障,且转换开关是完全可靠的。则当各单元的可靠度函数是指数分布,并且时,则系统的可靠度为:系统可靠度

⑤复杂系统的可靠性计算：

当系统可以分解为串联、并联和混联系统时,复杂系统可靠度的计算就可以按照前面说明的方法进行。但在实际中,有的系统是不能简单地分解成串联、并联等来进行计算的。例如,桥式网络系统和非串、并联系统就是这类系统。对这类复杂系统,可以采用分解法、布尔真值表法或卡诺图法进行计算。2-1-3.可靠性设计现状与发展趋势

现状：我国可靠性设计技术和方法的研究始于20世纪60年代，但我国机械行业可靠性设计总体与工业发达国家差距较大，机械产品的质量与可靠性问题已经成为我国机械产品在国内外市场上信誉不高、销路不畅、售价偏低的主要原因。发展趋势可靠性设计、预测技术和方法失效机理和分析技术可靠性实验评定技术和方法制造中工艺缺陷的检测与控制可靠性工程管理技术2-2.并行工程设计2-2-1.概述1、并行工程设计并行设计：是一种集成、并行地处理产品的设计制造及其相关过程的系统方法。2、并行工程的特点并行设计强调在产品开发的初始阶段就全面考虑产品寿命周期的后续活动对产品综合性能的影响因素，建立产品寿命周期中各阶段间性能的继承和约束关系,以使产品在其寿命过程中性能最优。2-2-2.并行工程设计技术和方法

1、并向设计分析并行设计具有：复杂性、综合性和系统性的特点。并行设计过程的两种方式：1）产品设计与相关过程设计实现并行优点：减少设计时间缺点：影响产品质量2）以联系方式对产品设计及其相关过程设计进行并行组织。优点：提高产品质量缺点：增加设计时间·2、并行设计工作模式信 息 管 理 系 统需求分析方案设计技术设计工艺设计制造设计销售服务产品3、并行设计的制约因素阶段制约因素产品设计工艺设计企业内部知识结构、技术水平、设计费用、设计期限、设计标准等生产制造加工条件、装配条件、检验设备等产品销售搬运输送设备、存储设备、存放场地等用户使用用户对产品的要求决定了产品能否长期占领市场报废处理再利用阶段废品性质和其污染程度4、并行设计效果设计质量的改进使早期生产制造变更次数减少50℅以上产品设计及有关过程的并行展开使产品开发周期缩短40%—60%多功能小组进行一体化产品及相关过程设计使制造成本降低30%—40%产品及相关过程的忧化使产品的报废及返工率减少75%而且，并行工程还广泛运用于CAD/CAM/CAPP

2-2-3.并行工程设计的发展1、并行设计的产生并行工程是20世纪80年代末由美国国防部分析研究所（DIA)提出的，现主要用于研究各领域的集成性和系统性及相应的解决策略。2、并行设计的地位随着国际机械产品日趋激烈的竞争，许多工业发达国家对未来机械制造业发展战略进行了大量的技术和对策研究，在这些研究中，并行工程设计作为一种能有效处理复杂系统及过程的通用思想和方法占有重要的地位。4、并行设计的发展前沿资源优化配置模型任务转移模型并行工程集成度并行工程决策评价3、并行设计发展的关键并行设计采用了协调全过程的技术和方法，协调性决定着并行设计的有效性，如何建立各任务间的耦合模型，如何处理各任务间的耦合及协调并行设计群体的活动方式等将是今后并行设计发展的关键。2-3.机械优化设计方法机械优化设计方法建立优化设计问题的数学模型选择合理的优化方法与程序数学模型的建立：应用专业知识确定设计的限制条件和所追求目标，确立设计变量之间的相互关系。2-3-1.概述优化就是采取措施不断改进当前的状态或过程，其核心是如何达到改进的目的。数学模型一旦确定，机械优化设计问题就变成了数学求解问题。根据数学模型的特点，可以选择合适的优化方法，进而编制计算机程序，用计算机求出最佳设计参数。优化设计的主要内容实现要求的功能实现最低成本实现最佳性能机械优化设计，主要是根据力学、机械设计基础知识和各专业机械设备的具体知识来推导方程组，通过它就可以研究各参数对设计对象工作性能的影响。要求：期望输出:实际输出:Min:优化设计的问题最终都是求解方程极小值的问题。实现要求的功能实现最低成本实现最佳性能2-3-2.优化设计技术和方法◆优化设计的概要优化设计理论、技术、和方法包括如下内容：1、优化过程（1）人机合作技术即人类智能和人工智能的互补结合。包括的领域有人机工程、人工智能和认知科学（心理学范畴）等。（2）稳健技术设计即用廉价的零部件组装出性能稳定和质量优良的稳健产品，实现无缺陷的产品设计和计算机辅助稳健优化设计，最终实现产品性能的稳健性。（3）复杂系统优化算法即实现数学规划方法和仿生类算法的结合，重点是实现大规模并向优化算法，以解决多目标、不可微、大型优化设计问题。（4）并行产品优化设计即全过程优化设计，具体涉及领域：CAD/CAPP/CAM/CIMS。（5）建模策略和规划策略即解决数值和非数值、连续和离散、确定性和不确定性、混合建模、全性能、整机、系列化和组合化结合建模及复杂系统优化规划等。主要涉及系统工程学（系统建模和系统规划）2、优化设计软件（1）编制较强使用性和适应性的软件即商品化软件的开发技术。涉及领域：软件开发语言和工具、软件工程、面向对象技术系统集成技术等。（2）工程数据库技术即建立大型、分布式工程数据库管理系统，管理产品信息模型涉及领域：数据库技术、网络技术和产品信息标准化等。（3）图像可视化技术即优化设计模型和过程的可视化涉及领域：计算机图形学和多媒体、仿真及虚拟现实等技术◆重要技术分析1）复杂技术系统建模优化设计建模系统建模优化建模系统建模，针对产品的整体进行优化设计优化建模，直接面向优化搜索两种模型的区别：建模要求：

§模型必须反映对象的真实情况

§建立模型的代价低且模型便于优化建模的意义：建模是用户和优化搜索之间的一座桥梁，在优化设计中起着至关重要的作用。2）优化搜索算法搜索算法的性能指标是搜索的效果和效率。常用搜索方法一维搜索方法试探法黄金分割法二次插值法最速下降法牛顿型法阻尼牛顿法无阻尼牛顿法共轭方向法共轭梯度法变尺度法坐标轮换法

在优化过程中我们除了应用以上搜索方法外，还可以用一下方法解决实际问题。1）在分析现有算法的基础上，建立针对具体问题采取具体算法的选择机制；2）取长补短，融会贯通产生混合算法；3）引入搜索空间或优化问题的知识，用启发式法使搜索进行的更快更好，这就是所谓智能搜索策略；4）吸取其它学科的知识，用来提供新的思路，教典型的有仿生类算法和模拟进化算法等。2-3-3.优化设计现状与发展1.优化设计的现状在国内，数值优化设计约在20世纪70，开始应用于机械工程领域。现应用领域优化设计优化控制优化实验优化管理按优化的内容又可分为：性能、形状和结构等三种优化设计。2.优化设计的需求1）满足复杂系统，主要是工程问题的优化要求，其中包括效果和效率的要求；2）对一个应用领域中技术对象的过程进行优化，例完成某企业设计制造产品全过程的所有优化任务；3）满足不同层次和领域的用户，使其能方便的使用优化工具解决问题。

3.优化设计发展趋势优化设计理论、技术和方法是伴随着应用需求的扩大而发展的，计算机为其发展提供了强有力的基础并使其与信息化技术融合到优化设计中，为解决优化设计的一些难题提供了新的可能。当今世界已进入了经济一体化的阶段，机械产品不仅在国内，而且在全球的竞争日趋激烈。优化设计理论、技术和方法的研究与应用是机械设计领域的前沿和重要组成部分，故应引起我们的高度重视，以尽快赶上世界先进水平。2-4.系统分析设计方法2-4-1.概述传统分析设计方法，是将设计对象分解成许多独立的部分进行研究。具有片面性和局部性的缺点。系统分析设计方法是把设计对象看做是一个系统，用系统工程的概念进行分析和综合，并且按产品或系统开发的进程进行设计，以获得最佳的设计方案。系统的组成系统单元系统结构边界条件输入和输出

系统单元：完成某中功能而无须进一步划分的单元即系统相互联系和作用的基本组成要素。

系统结构：系统内部各个单元之间的关系，即相互联系和作用的联结形式。边界条件：系统与外部环境的作用界面，通过这种界面可以明确分析设计对象的范围。

输入输出：表现了系统与外部环境的相互联系和作用。例：工程技术系统能量可以是：机械能、热能、电能、光能等物料可以是：材料、毛坯、试件、气体、液体等信号可以是：数据、控制脉冲、显示等2-4-2.系统分析设计方法1.设计过程产品规划方案设计技术设计施工设计2.产品规划1）市场需求分析消费者对产品功能、性能、质量和数量的具体要求现有类似产品的销售情况和销售趋势竞争对手在技术、经济方面的优缺点及发展趋向主要原料、配件和半成品的现状、价格及变化趋势2）可行性分析和撰写可行性报告技术分析：解决方法和技术路线经济分析：成本和性能价格比分析社会分析：产品的社会效应与社会价值可行性报告产品开发的必要性，市场调查和预测有关产品的国内外水平、发展趋势预期的经济效益和社会效益的分析设计、工艺等方面的需要解决的关键问题投资费用及时间进度计划现有条件下开发的可能性及准备措施

3）设计要求的拟定根据产品功能和性能提出设计参数和相关的指标如：可靠性、生产率、性能价格比等指标。根据产品制造、使用等方面的限制条件，如工艺方面（加工、装配、检验等）的限制条件和操作条件和操作、安全、维修、外观造型等使用方面的具体要求。3.方案设计1）功能分析和原料方案拟定方案设计阶段，通过分析—综合—评价，求得最佳方案。2）功能分析的目的明确用户的要求和产品所应具有的工作能力，以便有效地进行设计。3）功能元类型数学功能元：实现数学功能的机械、电子、电器组件物理功能元：反映系统中能量、信号变化的基本物料作用

逻辑功能元：通过逻辑组合以实现不同的功能4）功能元求解参考有关资料、专利或产品求解利用各种创造性方法以开阔思想来探寻解法利用设计目录求解5）求系统原理解的功能综合法功能综合法：把系统功能元和局部解分别作为纵横坐标，列出“功能求解综合表”，从每个功能元取出一种局部解进行有机组合，构成一个系统解的方法。瓶盖整列装置的原理方案设计2-4-3.瓶盖整列装置的系统分析设计2-5.反求工程与创新设计2-5-1.概述1、技术引进与反求工程技术引进是吸收国外先进技术,促进民族经济高速增长的战略措施。

反求工程：针对消化吸收引进技术的一系列分析方法和应用技术的组合，它以先进产品设备的实物、软件或影像作为研究对象，应用现代设计理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识，进行系统的分析和研究，探索掌握其关键技术，进而开发出同类的先进产品。引进技术的应用与开发一般过程如下：

应用过程→消化过程→创新过程

应用过程：对引进的产品或设备等硬件技术的操作、使用、维修，令其生产中发挥作用，并创造经济效益。

消化过程：对引进的产品或设备的设计原理、结构、材料、工艺、管理方法等进行深入的分析研究，用现代科学的神经理论、设计方法及测试手段对其性能进行技术测定，了解其材料配方、工艺流程、技术标准、质量控制、安全保护等技术条件，特别要掌握其关键技术。创新过程：对引进的技术进行消化综合，博采众家之长，进行创新设计，开发出具有本国特殊的新产品，并争取进一步实现从技术引进到技术输出的转化，获取更大的经济效益。2、反求工程的研究内容反求工程包含对产品的研究与发展、生产制造工程、管理和市场组成的完整系统的分析和研究。反求工程主要包括以下几个方面：反求工程研究内容探索原产品设计的指导思想探索原产品原理方案的设计研究产品的结构设计确定产品的零部件形体尺寸确定产品众零件的精度确定产品中零件的材料确定产品的工作性能确定产品的造型确定产品的维护与管理3、反求工程的研究特点1）反求工程的理论与方法基础现代的设计理论和方法（如系统工程等）基础理论（数学、力学、材料学、机械等）有关专业的理论和知识2）了解相关产品及技术的发展动向3）深入分析研究，掌握关键技术关键技术涉及到功能、结构、工艺、材料等方面。4、反求工程的设计程序设计任务→反求分析→反求设计→施工设计

反求分析：对分析对象从功能、原理方案、零部件结构尺寸、才来性能、加工装配工艺等有全面深入的了解，明确其关键功能和关键技术，对设计中的特点和不足之处作出必要的评估。反求设计：在反求分析的基础上进行测绘仿制、变参数设计、适应性设计和开发性设计。实物反求整机反求部件反求零件反求2-5-2.实物反求设计与创新设计1、实物反求设计的特点

实物反求设计：以产品实物为依据，对产品的功能原理、设计参数、尺寸、材料、结构、工艺装配、包装使用等进行分析研究，研制开发与原型产品相同或相似的新产品。实物反求的特点：1）具有直观、形象的实物，有利于形象思维；2）可对产品的功能、性能、材料等直观进行试验及分析，以获得详细的设计参数；3）可对产品的尺寸直接进行测绘，以获得重要尺寸的参数；4）缩短了设计周期，提高了产品的生产起点与速度；5）引进的产品就是新产品的检验标准，为新产品开发确定了明确的赶超目标。2、实物反求设计的一般过程3、实物反求的准备过程准备过程决策准备思想和组织准备技术准备行业发展趋势进行可行性研究项目评价工作收集反求对象的资料收集标准资料功能分析总功能子功能原理方案分解分析反求原理方案组合4、实物的功能分析和性能分析1）实物的功能分析产品功能：产品的用途或所具有的特定工作能力。2）实物的性能分析性能测试运转性能整机性能整机寿命整机可靠性实际测试与理论相接合，对关键零件进行理论分析计算，为设计积累资料。原则遵循能“恢复原机”的原则零部件按机器的组成进行编号并保管对不易拆卸零件不予分解分解过程中要做好分解记录5、零部件的测绘与分析1）实物的分解原则与步骤