现代机械设计理论与方法

现代机械设计实际与方法陈时锦：sjchen@机械制造及其自动化系第一章概述课程教学的目的培育学生运用现代先进的设计实际和方法处理工程问题的才干。教学内容现代设计实际：重点内容为系统分析法及发明性思想。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设计的来源和设计技术的传送手工艺人的设计及技术传送师傅——徒弟〔适用的〕传统设计技术的传送图纸、阅历、类比〔实验为根底的〕现代设计实际体系的建立与开展仿真、实际分析〔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〕产品的运用属性产品的社会属性产品的效力属性海尔是如何赚钱的？他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手工的、静态的、阅历的设计，被动地分析产品的性能计算机化的、动态的、科学的设计，自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的。5对应论方法,如类似设计、反求工程设计等。6智能论方法,如CAE、并行工程、人工智能等。是现代设计方法的中心。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,如有限元和边境元方法。9模糊论方法,如模糊评价和决策等。10突变论方法,如发明性设计等。它是现代设计方法的根底。11艺术论方法,如艺术外型等。1.2设计过程和设计技术简述设计方法的研讨内容设计素质的培育做合格的设计人员设计步骤和程式组织和执行设计处理详细问题的方法和手段科学而娴熟的方法1.2设计过程和设计技术简述一机械设计过程简述1根本设计步骤调查研讨方案设计任务图设计样机试制与鉴定2系统分析设计方式3发明性设计方式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构造设计第二章系统分析设计方法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部分性添加系统的实现难度和本钱失败的案例分析：某大型企业的技术引进——XX压力机设计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处理产品方案设计2.1技术系统的组成和处置对象系统的组成系统单元系统构造边境条件输入和输出的要素2.2系统分析设计方法系统分析设计的内容系统设计系统制造系统运转系统分析设计涉及到产品开发和运转的一切环节，甚至包括产品的售后效力和产品失效〔报废〕后处置，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分析1产品规划重要度：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施工设计重要度：低。受控度高，普通能及时发现，易补救。工程设计中，大多数人了解施工设计非常重要，其缘由是施工设计是非常费时而细致的任务，而且多数人只能看到施工设计或只需看见施工设计的才干。2.2系统分析设计方法二产品规划明确所设计系统的目的、义务和要求撰写设计义务书目的：提供设计、评价和决策的根据2.2系统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、质量和数量等的详细要求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、经济方面的优缺陷及开展趋向4)主要原料、配件和半废品的现状、价钱及变化趋势等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——本钱、性能价钱比分析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)有关产品的国内外程度及开展趋势3)从技术上预期能到达的程度4)需求处理的关键技术问题5)经济效益、社会效益的分析6)投资费用及时间进度方案7)现有条件下开发的能够性及预备采取的措施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)设计参数和相关的目的3)制造及运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)发明性设计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)启发发明性2)全面掌握对产品各方面的要求3)防止设计的盲目性4)全面思索功能和本钱的关系功能分析2.2系统分析设计方法三方案设计3功能的分类1)根本功能和辅助功能手机的功能分析2)必要功能和不用要功能短命的产品——金长城家用电脑的功能分析3)运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根据功能的设计1)参考有关资料、专利或产品求解2)利用各种发明性方法以开阔思想来探寻解法3)采用形状综合法或相关表和相关网法进展组合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1)发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瓶盖整列安装的原理方案设计2.2系统分析设计方法四方案设计举例原理方案设计2.2系统分析设计方法四方案设计举例原理方案设计第三章发明性设计方法什么是发明建立新系统的过程狭义发明广义发明个体发明力发明性设计竞争力与发明性的关系典型企业特征Wintel——用新产品进展“抢劫〞麦当劳和肯德基——为什么会亏损？3.1发明力和发明过程一培育发明力的条件发明力的培育1)丰富的知识和阅历——知识和阅历是发明的根底,是智慧的源泉。创培育是用已有的知识为前提去开辟新的知识。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发明力和发明过程一培育发明力的条件发明力的培育2)高度的发明精神——发明性思想才干并不是与知识量简单地成比例的,还需求有剧烈的参与发明的认识和动力。少年牛顿莱特兄弟孙圣和教授与博士生培育3.1发明力和发明过程一培育发明力的条件发明力的培育3)安康的心思质量——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散步的精神病人3.1发明力和发明过程一培育发明力的条件发明力的培育4)科学而娴熟的方法——必需掌握各种发明技法和其他的工程技术研讨方法。冯康教授与有限元法3.1发明力和发明过程一培育发明力的条件发明力的培育5)严谨而科学的管理——发明需求引发和参与,也需求对其每个阶段或步骤进展严谨而科学的管理,这也是促进发明发明的实现的要素之一。浅谈神州飞船3.1发明力和发明过程一培育发明力的条件发明力的培育1)要抑制思想僵化和片面性,树立辩证观念。2)要摆脱传统思想的束缚,不盲目置信权威等。3)要消除不安康的心思,如胆怯和自大。4)要抑制妄自尊大的排他认识,留意发扬群体的发明认识等。从过高空悬索看我们本身的心思弱点。从同窗到上司。我看文化革命。3.1发明力和发明过程二发明发明过程分析预备阶段——提出问题、搜集资料、定向科学分析等。发明阶段——构思、顿悟和发现等。整理结果阶段——验证、评价和公布等。尺有所短，寸有所长——谈发明发明中的人才任用3.1发明力和发明过程二发明发明过程分析1意念什么是意念及意念的获取方法值得研讨？值得改良？也许能实现？顾客需求的不是这个？顾客需求的也许是这个？下属对我的做法不称心？上级对我的任务不称心？同级觉得和我沟通困难？客户对我不称心？客户流失？3.1发明力和发明过程二发明发明过程分析2概念报告〔广义的履历表、方案表〕概念报告的内容概念报告的修正概念报告的作用3.1发明力和发明过程二发明发明过程分析3可行模型4工程模型5可见模型从可视化到虚拟制造6样品原型7小批消费3.2发明性思想发明性思想和发明技法是发明的中心常规思想的主要特点常规性——即习惯性、通常性单向性——即只向常规的习惯方向思索单一性——即只思索一种方案、一种思绪逻辑性——即通常的逻辑思想范畴等发明性思想的主要特点独特性——即与众不同多向发散性——即立体性思想、多答案非逻辑性——即出人预料连动性——即由此及彼性综合性——发明是多种思想方式的综合,在综合中创新3.2发明性思想一发散思想与收敛思想发散思想是一种让思绪向多方向、多数量全面展开的立体型、辐射型的思想方式。收敛思想是指针对由发散思想所提出的各种方案,分别逐一地进展讨论,做出比较、评价和选择,将问题集中到使它获得处理的某一种或某几种方案上,并最终使问题获得处理的思想过程。发散思想和收敛思想都具有它们各自的特点,缺一不可。3.2发明性思想二想像想像是人脑在过去的感知的根底上对所感知的笼统进展加工、改造，创建出新笼统的过程。是对没有关联的事物经过重新组合、搭配,构成新的有联络的事物的思想过程。消极想像和积极想像再造想像、发明想像和憧憬3.2发明性思想三灵感人们在发明活动中,有时长期冥思苦想,找不出好的方法去处理问题,但在某种情况下却恍然大悟,问题迎刃而解。这种景象称为灵感。 灵感具有突发性、目的性、独创性、随机性和瞬时性的特点,是发明性思想中作用宏大的一种思想方式,是发明活动中到达最高阶段出现的一种最富有发明性的心思形状。3.2发明性思想三灵感在长期积累的前提下偶尔得之；在有意追求的过程中元意得之；在循常思想的根底上反常得之；在良好的精神形状下怡然得之；在调和的环境中怅然得之。3.3发明技法一列举法希望列举法电冰箱的冷藏冷冻区域划分缺陷列举法单放机的发明故事特性列举法专卖店与超市3.3发明技法二智爆法〔集体联想方式〕会议要求人员、方案处理的问题确定会议原那么创新、倾听、赞赏实施程序气氛、主持人技巧3.3发明技法三提问追溯法5W1HWhen?Where?Who?What?Why?How?二维微位移任务台的工程图设计问题举例3.3发明技法三提问追溯法奥斯本检核表法1)可否将产品的外形、制造方法等加以改动?2)可否另作他用?3)有无其他更佳想象?4)改动一下如何?5)放大如何?6)减少如何?7)用别的替代如何?8)反之如何?9)组合起来如何?3.3发明技法四反向探求和向前推演法反向探求法对现有的处理方案系统地加以否认或寻觅其他的甚至相反的一面,找出新的解法或启发新的想法。向前推演法从一个最初的想象按一定方向逐渐向前探求,寻觅新的想法。3.3发明技法五联想类推法类似联想法河蚌育珠、牛黄笼统类比法喷气发动机与沙漠中的沙丘借用法、仿生法蜂窝构造3.3发明技法六组合法主体附加手机和收音机异类组合手表和U盘同类组合DVD和VCD分解组合前掠翼飞机 单兵飞行器辐射组合——纳米技术坐标组合——北京某肉制品厂的起死回生3.3发明技法七功能分析法八同中求异与异中求同对于熟习的事物把它看成是“陌生的〞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〞。哈工大校训“规格严厉，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“熟习的〞态度快速虎钳的设计案例第四章机械可靠性设计什么是可靠性可靠性能不能被量化可靠、不可靠；非常可靠、很不可靠；可靠度到达99.99%??可靠性与合格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讨可靠性的问题由于市场竞争猛烈,产品更新快,许多新元件、新资料、新工艺等未及成熟实验就被采用,因此呵斥缺点。随着产品或系统日益向大容量、高性能参数开展,尤其是机电一体化技术的开展,使整机或系统变得复杂,零、部件的数量大增,致使其发生缺点的时机增多,往往由于一个小零件、小安装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责任索赔方法。产品或系统可靠性的提高可运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汽车电子产品芯片的消费方式妨碍新技术的运用航天研讨中的新技术运用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平安系数为主的机械设计方法计算平安系数时以为资料的强度F和零件所接受的应力S都是取单值的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实际根底。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,可靠性数据处置技术,可靠性根底实验以及人在操作过程中的可靠性等。可靠性运用技术。如运用要求调查,现场数据搜集和分析,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、保管和运用的可靠性规范,可靠性规范等。4.2可靠性的概念和目的可靠性：产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的才干。缺点：产品丧失规定的功能。维修度：可以维修的产品在规定条件下运用，在规定的时间内按规定的程序和方法进展维修时，坚持或恢复到能完成规定功能的才干。有效度：可以维修的产品在某时辰所具有的或能维持规定功能的才干。4.2可靠性的概念和目的产品完成的规定功能1)性能不超越规定范围的“性能可靠性〞2)构造不断裂破损的“构造可靠性〞3)狭义可靠性和广义可靠性4.2可靠性的概念和目的可靠性的目的1)可靠度(Reliability)2)失效率或缺点率(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)4.2可靠性的概念和目的一可靠度和失效率可靠度——是时间的函数缺点(失效)概率4.2可靠性的概念和目的一可靠度和失效率缺点概率密度函数4.2可靠性的概念和目的一可靠度和失效率缺点分布函数〔累计缺点概率密度函数〕可靠度失效率4.2可靠性的概念和目的二三种失效率——失效方式随机失效——指数分布失效概率为常数功能失效——正态分布零件的疲劳寿命和强度——韦布尔分布4.2可靠性的概念和目的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目的。它是失效的平均间隔时间,即平均无缺点任务时间。4.3可靠性设计方法举例〔自学〕主要设计根据应力强度干涉实际期望、规范差平均寿命、可靠度设计方法查表数值积分4.4系统的可靠性设计系统的组成单元→子系统→系统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串联络统4.4系统的可靠性设计一系统模型2并联络统4.4系统的可靠性设计一系统模型3混联络统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表决系统假设组成系统的n个单元中,只需有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。4.4系统的可靠性设计一系统模型严厉地说,上述六种系统中,除串联络统外,都可称为冗余系统或贮备系统。由于并联、混联、等待系统等等,实践上也都是部分单元在任务,而另一些单元是作为备用的。备用冗余系统又可分为:冷贮备系统和热贮备系统两类。贮备单元在贮备期间没有失效的叫冷贮备系统;而贮备单元在贮备期间能够失效时,那么称为热贮备系统。因此,并联络统和表决系统是热贮备系统。

4.4系统的可靠性设计二系统的可靠性预测1串联络统的可靠度计算对于串联络统,虽然提高其组成单元的可靠度或降低它们的失效率可以提高整个系统的可靠度,但提高单元可靠度必将提高产品的制造本钱,因此宜权衡其得失。例如,对于一个由10个单元组成的串联络统。假定这10个单元的可靠度一样,那么当失效率从10%降低到1%,系统的可靠度将从0.0026%升高到36.6%。然而,这个数值对普通产品或系统来说,并不是很理想的。但失效率从10%降到1%却是件不容易的事。这样一权衡,能够是得不偿失的。假设把同种零、部件进展并联组合,却可在不提高零件可靠度(即不降低失效率)的条件下,提高产品或系统的可靠度。4.4系统的可靠性设计二系统的可靠性预测2并联络统的可靠度计算这类系统只需当一切的组成单元都失效时系统才失效。4.4系统的可靠性设计二系统的可靠性预测3混联络统的可靠度计算混联络统是串联和并联络统的组合,它们的可靠度计算可直接参照串联和并联络统的公式进展。也可以采用"等效单元"的方法进展计算,即首先把其中的串联和并联络统分别进展计算,得出"等效单元"的可靠度,然后再就等效单元组成的系统进展综合计算,从而给出系统的可靠度。4.4系统的可靠性设计二系统的可靠性预测4备用冗余系统的可靠度计算假定贮备单元在贮藏期时间t内不发生缺点,且转换开关(自动或手动的)是完全可靠的。那么当各单元的可靠度函数是指数分布,并且时,那么系统的可靠度为:4.4系统的可靠性设计二系统的可靠性预测5表决系统的可靠度计算设表决系统中每个单元的可靠度为R(t),那么系统的可靠度为:4.4系统的可靠性设计二系统的可靠性预测5复杂系统的可靠度计算当系统可以分解为串联、并联和混联络统时,复杂系统可靠度的计算就可以按照前面阐明的方法进展。但在实践中,有的系统是不能简单地分解成串联、并联等来进展计算的。例如,桥式网络系统和非串、并联络统就是这类系统。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展计算。4.6失效分析方法——失效树分析第五章有限元分析方法什么是有限元法延续问题转换为规那么离散区域计算的方法有限元法的开展早期运用名词提出有限元法所能处理的问题第五章有限元分析方法有限元运用构造分析流体及空气动力学分析电场及磁场分析线性分析非线性分析5.1有限元分析方法的根本概念一物体离散化二单元特性分析三单元组集四求解未知节点位移5.2有限元法中单元特性的导出方法一直接方法运用根本定义直接推导单元特性5.2有限元法中单元特性的导出方法一直接方法运用根本定义直接推导单元特性5.2有限元法中单元特性的导出方法一直接方法Kij表示j号节点的单位位移对i号节点力的奉献。由功的互等定理有,所以单元刚度矩阵是对称的。5.2有限元法中单元特性的导出方法一直接方法5.2有限元法中单元特性的导出方法一直接方法5.2有限元法中单元特性的导出方法一直接方法5.2有限元法中单元特性的导出方法二虚功原理1设定位移函数5.2有限元法中单元特性的导出方法二虚功原理1设定位移函数5.2有限元法中单元特性的导出方法二虚功原理1设定位移函数5.2有限元法中单元特性的导出方法二虚功原理1设定位移函数5.2有限元法中单元特性的导出方法二虚功原理1设定位移函数5.2有限元法中单元特性的导出方法二虚功原理1设定位移函数5.2有限元法中单元特性的导出方法二虚功原理2由位移函数求应变5.2有限元法中单元特性的导出方法二虚功原理3由应变求应力5.2有限元法中单元特性的导出方法二虚功原理4由虚功原理求单元的刚度矩阵根据虚功原理,当构造受载荷作用途于平衡形状时,在恣意给出的节点虚位移下,外力(节点力)及内力所做的虚功之和应等于零。5.2有限元法中单元特性的导出方法二虚功原理平面应力问题的三角形单元刚度矩阵5.3有限元法的解题步骤一单元剖分和插值函数确实定二单元特性分析三单元组集四解有限元方程五计算应力5.3有限元法的解题步骤六用梁单元进展计算的实例1.单元剖分5.3有限元法的解题步骤六用梁单元进展计算的实例2.单元特性分析5.3有限元法的解题步骤六用梁单元进展计算的实例2.单元特性分析5.3有限元法的解题步骤六用梁单元进展计算的实例2.单元特性分析5.3有限元法的解题步骤六用梁单元进展计算的实例2.单元特性分析5.3有限元法的解题步骤六用梁单元进展计算的实例3.单元组集把单元①,②组合起来,构成原构造的整体。由于各个节点是处于平衡形状的,所以节点1,3的内力Fy1,Mz1和Fy3,Mz3分别等于节点1,3处的支反力和支反弯矩。5.3有限元法的解题步骤六用梁单元进展计算的实例3.单元组集组集后，外力为：5.3有限元法的解题步骤六用梁单元进展计算的实例3.单元组集组集后，右端项为：5.3有限元法的解题步骤六用梁单元进展计算的实例3.单元组集由单元的方式表示为：5.3有限元法的解题步骤六用梁单元进展计算的实例3.单元组集从单元刚阵组集成全构造总刚阵,就是将各个单元的对应于各自在度的刚度系数,按原节点自在度对应的行号和列号对号入座,填入全构造总刚阵相对应的行号和列号的位置中去。对于几个单元共用的节点,那么应将这几个单元对应于该节点各自在度的刚度系数相加,作为全构造刚阵中该节点自在度的刚度系数。而在没有刚度系数与之对应的地方,就填入0。5.3有限元法的解题步骤六用梁单元进展计算的实例4.求解变形边境条件处置由于由构造支承条件给出两端为刚性固支：对于固支的自在度可以直接消除掉行和列。5.3有限元法的解题步骤六用梁单元进展计算的实例4.求解变形5.3有限元法的解题步骤六用梁单元进展计算的实例5.求解支反力可将已求得的、的数值一同代入方程组即可。5.3有限元法的解题步骤七用三角形单元计算的实例〔了解利用对称性降低求解难度和提高求解精度〕5.4构造分析的有限元法一矩形单元二薄板弯曲问题如板的厚度t与板在其他两方向的尺寸之比小于1/15时,可以为是薄板。对普通机器的箱体、支承件等,在用有限元计算将其离散为单元时,大都采用这类薄板单元。5.4构造分析的有限元法二薄板弯曲问题薄板弯曲问题在小变形时有如下的根本假设:1)法线假设一一在板变形前垂直于中面的法线段,在板变形后依然垂直于弯曲了的中面。法线假设类似于梁弯曲的平截面假设;2)正应力假设一一在平行于中面的截面上,正应力可忽略不计；3)小挠度假设一一板的中面只发生弯曲变形,且挠度很小。假设中面内各点没有平行于中面的变形。5.4构造分析的有限元法三矩形薄板单元的位移函数5.5构造动力学问题的有限元法一构造的动力学方程完好的动力学方程求解的难度和意义简化的求解方法求解的实践意义5.5构造动力学问题的有限元法二单元的质量矩阵一致质量矩阵集中质量矩阵5.5构造动力学问题的有限元法三构造系统动力学问题的有限元解法求解系统特征值问题的方法,有雅可比如法、幕迭代法和反迭代法、子空间迭代法等。求解系统呼应问题的方法,有振型叠加法和逐渐积分法〔显式和隐式〕等。5.6有限元法的前后置处置简介一有限元网格自动生成构造的计算机表示方式自动剖分的普通步骤线段剖分面剖分体剖分5.6有限元法的前后置处置简介二有限元法的后置处置模型图描画曲线表示表格表示第六章优化设计方法6.1优化设计概述实现要求的功能期望输出角实践输出角min6.1优化设计概述约束条件满足运动条件满足存在条件其他要求6.1优化设计概述实现最低本钱6.1优化设计概述实现最正确性能6.1优化设计概述优化设计的数学模型1.设计变量2.约束条件3.目的函数6.1优化设计概述优化问题的几何解释6.1优化设计概述优化问题的几何解释6.1优化设计概述优化问题的极值条件6.1优化设计概述优化问题的极值条件6.1优化设计概述解析解法与数值解法优化准那么法与数学规划法迭代终止条件6.2无约束优化方法一概述无约束优化方法可以分为两类。一类是利用目的函数的一阶或二阶导数的无约束优化方法,如最速下降法、共扼梯度法、牛顿法及变尺度法等。另一类是只利用目的函数值的无约束优化方法,如坐标轮换法,单形交换法及鲍威尔(Powell)法等。6.2无约束优化方法二一维搜索方法试探法黄金分割二次插值6.2无约束优化方法三最速下降法6.2无约束优化方法四牛顿型方法6.2无约束优化方法五共扼方向法共扼方向6.2无约束优化方法六共轭梯度法利用函数的梯度构造共轭方向6.2无约束优化方法七变尺度法拟牛顿条件6.2无约束优化方法八坐标轮换法6.3 约束优化问题的解法一概述二随机方向法三复合行法6.3 约束优化问题的解法四可行方向法X6.3 约束优化问题的解法四可行方向法6.3 约束优化问题的解法四惩罚函数法——内点法6.3 约束优化问题的解法四惩罚函数法——内点法由于内点法的迭代过程在可行域内进展,妨碍项的作用是阻止迭代点越出可行域。由妨碍项的函数方式可知,当迭代点接近某一约束边境时,其值趋近于0,而妨碍项的值陡然添加,并趋近于无穷大,好象在可行域的边境上筑起了一道"围墙",使迭代点一直不能越出可行域。显然,只需当惩罚因子r→0时,才干求得在约束边境上的最优解。6.3 约束优化问题的解法四惩罚函数法——内点法6.3 约束优化问题的解法五惩罚函数法——外点法6.3 约束优化问题的解法五惩罚函数法——外点法由于外点法的迭代过程在可行域之外进展。惩罚项的作用是迫使迭代点逼近约束边境或等式约束曲面。由惩罚项的方式可知,当迭代点x不可行时,惩罚项的值大于0。使得惩罚函数￠(x,r)大于原目的函数,这可看成是对迭代点不满足约束条件的一种惩罚。当迭代点离约束边境愈远,惩罚项的值愈大,这种惩罚愈重。但当迭代点不断接近约束边境和等式约束曲面时,惩罚项的值减小,且趋近于0,惩罚项的作用逐渐消逝,迭代点也就趋近于约束边境上的最优点了。6.3 约束优化问题的解法六增广乘子法惩罚函数法原理简单,算法易行,适用范围广,并且可以和各种有效的无约束最优化方法结合起来,因此得到广泛运用。但是,惩罚函数也存在不少问题,从实际上讲,只需当r→∞(外点法)或r→0(内点法)时,算法才干收敛,因此序列迭代过程收敛较慢。另外,当惩罚因子的初值获得不适宜时,惩罚函数能够变得病态,使无约束最优化计算发生困难。6.3 约束优化问题的解法六增广乘子法——等式约束6.3 约束优化问题的解法六增广乘子法——等式约束6.3 约束优化问题的解法六增广乘子法——等式约束6.3 约束优化问题的解法七广义简约梯度法1.简约梯度法6.3 约束优化问题的解法七广义简约梯度法1.简约梯度法6.3 约束优化问题的解法七广义简约梯度法2.广义简约梯度法处理问题的思想——线性化用广义简约梯度法求解具有不等式约束函数的优化问题时,需引进新变量,将不等式约束函数转化成等式约束函数第八章反求工程设计8.1概述一什么是“反求工程〞反求工程是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和技术的综合。运用反求技术可以探求先进产品设计的指点思想,分析产品的原理方案,掌握相关的关键技术。第八章反求工程设计8.1概述二反求工程的类型实物反求影像反求技术文件反求8.1概述三反求工程所涉及的知识范围系统分析设计法发明性设计方法有限元分析方法几何、半几何的类似设计方法模块化设计的方法图形透视和图形的几何变换尺寸和公差确实定零件资料的选择、资料的交换及外表处置方法传动链精度分析、零件动态精度分析8.2类似实际及类似设计方法一类似概念1.类似和类似常数表述类似景象的一切量,在空间中相对应各点和在时间上相对应的各瞬间,各自互成一定的比例关系,并且被约束在一定的数学关系之中。对应量〔有量纲〕的比例常数C称为类似常数8.2类似实际及类似设计方法一类似概念1.类似和类似常数(1)几何类似(2)时间类似8.2类似实际及类似设计方法一类似概念2.类似变换假设把一个知系统的每一个量的大小都用Cu的倍数来进展变换,那么所得到的新系统就和原来的己知系统类似。这种从己知系统变换得到新的类似系统称为类似变换。8.2类似实际及类似设计方法一类似概念2.类似变换关于类似常数的推论：8.2类似实际及类似设计方法一类似概念3.类似定数一个知系统任何物理量的比值等于与之类似的系统中相对应量的比值。类似定数是同一系统内同类物理量之间的比值。4.类似常数和类似定数的区别8.2类似实际及类似设计方法一类似概念5.类似目的有些物理量的类似定数不是一个简单的数群，例如质点的速度是长度和时间的导出量。综合数群，称为类似目的8.2类似实际及类似设计方法一类似概念5.类似目的类似常数和类似定数只是规定了单值条件的类似,即物理(物理量)、空间(几何)条件、时间条件(包括初始条件和过程的定常与不定常或称稳定与不稳定性)和边境条件(即周围介质相互作用的条件,如对流体在管中的流动来说,入口处与出口处的压力和速度以及管壁处的速度等就是边境条件)等的类似。然而,当思索到一个物理景象的时候,往往是从描画这个景象的方程式或方程组出发,即要思索许多个对物理景象有影响的物理量,而不仅 是某一个物理量。因此,景象的类似不能只局限在类似常数和类似定数上面。8.2类似实际及类似设计方法一类似概念6.类似准那么〔用牛顿运动定律阐明类似准那么〕力=质量x加速度F=mxdv/dt(F/m)x(dt/dv)=1——Ft/mv=idem8.2类似实际及类似设计方法一类似概念6.类似准那么在知系统和类似系统中,不同类物理量之间的乘积(综合数群)必需在数值上相等。类似准那么是一个无量纲的数。8.2类似实际及类似设计方法类似准那么是一个无量纲的数首先,无量纲量能表达较深化的内容。例如,无量纲长度l/d表示几倍于直径的长度,在流膂力学中,它的数值可以确定管内流动的形状;无量纲速度ω/α(α是音速)表示几倍于声音的速度,它给人以流动范围(亚音速、超音速等)的概念,也使人联想到在此不同流动范围内的一些有关问题,如紧缩性、空气功力和加热寺;无量纲数群wl/v=Re(雷诺常数)表达惯性力与粘滞力的比值,它的大小决议流动处于层流、紊流形状,也使人们联想到一些有关的问题,如阻力特点等。8.2类似实际及类似设计方法类似准那么是一个无量纲的数其次,有量纲量的数值和单位制的选择有关,这就涉及人的客观意志。而物理定律是客观存在的,它们不应随人的意志在表达时有所转移。假设表达客观规律的关系式用无量纲量来表述,那么不论采用什么单位,只需同类量的单位一致,那么无量纲量关系式的方式不会有任何改动。因此,表达自然规律的最终方式应该是无量纲的关系式。8.2类似实际及类似设计方法类似准那么是一个无量纲的数再次,用无量纲量整理实验结果,可以推行到类似景象中去,也使实验内容明显减少。假设用无量纲量给类似下定义的话,那么类似是指无量纲量场几何全等的景象。8.2类似实际及类似设计方法一类似概念7.类似准那么的组合与变换类似准那么是根据一定的方程式推导出来的,不是恣意选择或拼凑起来的,它具有一定的物理意义。对于复杂景象,能够存在几个类似准那么。由于类似景象的类似准那么在数值上相等,所以类似景象可以根据需求写成不同的方式,也可以和常数值或其他的类似准那么进展不同的组合或变换,所得的新的类似准那么具有新的物理意义8.2类似实际及类似设计方法一类似概念7.类似准那么的组合与变换1)类似准那么的指数幕,仍是类似准那么;2)类似准那么的指数积,仍是类似准那么;3)类似准那么与恣意常数的和或差仍是类似准那么;4)类似准那么间的和或差,仍是类似准那么;5)类似准那么中任一物理量用其差值替代仍是类似准那么8.2类似实际及类似设计方法二类似准那么确实定1.方程分析法(1)类似变换法例8.1粘性不可紧缩流体的稳定等温流动。8.2类似实际及类似设计方法(1)类似变换法8.2类似实际及类似设计方法(1)类似变换法8.2类似实际及类似设计方法(1)类似变换法恣意数得到三个类似目的及对应的类似准那么8.2类似实际及类似设计方法二类似准那么确实定1.方程分析法(2)类似变换法用方程式中的任一项去遍除其他各项。8.2类似实际及类似设计方法(2)类似变换法8.2类似实际及类似设计方法二类似准那么确实定2.量纲分析法根本量纲长度质量时间温度8.2类似实际及类似设计方法2.量纲分析法采用量纲分析法时,应首先了解所研讨景象的物理本质,并正确决议参与景象的全部物理量。然后,根据表示物理关系的方程式等号两端量纲应该齐次的原那么,就可推算出指数未知的物理关系式,即得类似准那么。8.2类似实际及类似设计方法2.量纲分析法例8.3 分析弹性体振动的类似准那么。1)定性分析弹性体振动的固有频率ω。与长度L、资料密度ρ、弹性模量E、泊松比μ和阻尼比有关。8.2类似实际及类似设计方法2.量纲分析法例8.3 分析弹性体振动的类似准那么。2)设式中的a,b,c,d,e是待定数。由于该问题与温度无关,且参数μ和C是无量纲的量,结果只需n–r=4-3=1个类似准那么。在列写上面ω0的表达式时,先写主要的物理量,依次为次主要的物理量,这样可使主要分析的几个物理量只分别出如今一个类似准那么中,便于分析。8.2类似实际及类似设计方法2.量纲分析法3)列出量纲方程式假设采用SI单位制,那么可以写出8.2类似实际及类似设计方法2.量纲分析法3)列出量纲方程式故弹性体振动的频率方程为,8.2类似实际及类似设计方法2.量纲分析法4)假设有两个类似系统,那么类似常数方程5)类似准那么8.2类似实际及类似设计方法三模型实验许多工程问题,由于其复杂性,致使难于列出微分方程式;即使列出了微分方程式也无法求解。因此,单纯靠数学方法还不能完全处理问题,而直接对实物进展实验研讨又有很大的局限性。因此,在模型上进展模化研讨的方法如今依然是探求自然规律时采用的一种实验研讨方法,依然是工业上产品开发中的重要环节。8.2类似实际及类似设计方法三模型实验所谓模化,是指不直接研讨自然景象或过程本身,而是用和这些自然景象或过程类似的模型来进展研讨的一种方法。它是用方程分析或量纲分析方法导出类似准那么,并在根据类似原理建立起来的模型上,经过实验求出类似准那么之间的函数关系,再把此函数关系推行到设备实物上去,从而得到设备实物任务规律的一种实验研讨方法。8.2类似实际及类似设计方法三模型实验从广义角度看,模化是实物(原型)的形状、任务规律或信息传送规律在特定的(普通是简化的模型)条件下的一种类似再现。模型是指和实物的形状、任务规律或信息传送规律类似的物体或设备(如实验台、计算机等)。或者说,模型是对所要研讨的对象在某些特定方面的笼统。经过模型对原型进展研讨,使其具有更深化、更集中的特点。8.2类似实际及类似设计方法三模型实验1.模化设计和模型实验(1)确定模型尺寸和资料(2)模型实验(3)实验数据的综合方法8.2类似实际及类似设计方法三模型实验2.模化设计举例8.2类似实际及类似设计方法四类似性设计为了满足运用者的不同要求,工厂常设计和消费系列产品。所谓系列产品,是指具有一样功能、一样构造方案、一样或类似的加工工艺,且各产品相应的尺寸参数及性能目的具有一定级差(公比)的产品。产品系列设计时,首先选定某一中档的产品为基型,对它进展最正确方案的设计,定出其资料、参数和尺寸。然后再按系列设计原理,即经过类似原理求出系列中其他产品的参数和尺寸。8.2类似实际及类似设计方法四类似性设计1.几何类似的产品系列设计系列产品在空间一切三个方向都应按长度的一样公比来确定尺寸。假设系列中各产品的应力、速度、改动角等均一样,并设它们具有一样的资料、一样的运用条件。8.2类似实际及类似设计方法四类似性设计1.几何类似的产品系列设计8.2类似实际及类似设计方法四类似性设计2.几何半类似的产品系列设计几何半类似的在三个坐标方向的尺寸公比能够是不一样的。应该按照工艺、运用要求等详细情况来确定各参数的比例关系。因此,在系列设计时必需求进展详细分析。对于有些更复杂的问题,在类似设计时,类似准那么间的函数关系不能用简单的分析法得出,往往还需求经过一些实验才干得出。8.2类似实际及类似设计方法四类似性设计设已有的任务台宽B=380mm的双柱式坐标锺床的横梁-立柱-床身系统的刚度能满足要求,现确定任务台宽棚400,700,840,1000mm的横梁-立柱-床身系统的断面尺寸及其尺寸类似常数。8.2类似实际及类似设计方法四类似性设计(1)横梁-立柱框架断面尺寸及其类似常数确实定按弹性构造梁实际设计8.2类似实际及类似设计方法四类似性设计类似目的8.2类似实际及类似设计方法四类似性设计(2)床身断面尺寸及其类似常数确实定对于双柱坐标镗床床身,其高度h受操作方便性的限制,不能随机床主参数B的添加而添加,只需床身的宽度b和主参数B成正比添加。类似目的可改写为8.2类似实际及类似设计方法四类似性设计(2)床身断面尺寸及其类似常数确实定即允许的载荷与坐标锺床任务台宽度尺寸B的1次方或B的1.5次方成反比。也就是说,采用上述方法计算出的大规格的坐标锺床允许的载荷反而小了,与实践要求是矛盾的。假设载荷按尺寸类似常数的同一数值来设计,那么又将导致大规格机床的变形误差类似常数增大。由此看出,床身的刚度问题是大规格坐标锺床设计的突出矛盾,必需采用增大床身壁厚或加筋板等措施,或者采用添加床身辅助支承。可见,分析类似