现代设计理论与方法作业-(大作业)

现代机械设计理论与方法

（大作业）

1、采用系统化设计流程及所学现代设计方法详细阐述某公司需要投资研发一款

新型产品的整个设计流程和采用方法。

(1)请具体阐述采用哪些设计方法，如何去完成新产品的规划设计过程？

(2)请具体阐述采用哪些设计方法，如何去完成新产品的方案设计过程？

(3)请具体阐述采用哪些设计方法，如何去完成新产品的技术设计过程？

(4)请具体阐述采用哪些设计方法，如何去完成新产品的施工设计过程？

答：

(1)产品规划设计包括三个主要阶段：第一个阶段是市场细分及选择阶段。

在这个阶段，主要通过市场调研与分析，研究如何细分市场，以及企业如何选择

细分市场，最后确定企业对细分市场的战略选择。第二个阶段是定义新产品概念。

在这个阶段中要对某个细分市场，收集其需求的主要容，包括客户需求、竞争需

求及企业部需求，并确定企业在该细分市场的产品定位，然后寻找和定义新产品

概念。第三个阶段是确定产品规划阶段。在这一阶段中需要从技术层面分析新产

品属于哪个产品族及其开发路径，并根据公司的战略确定新产品开发的优先顺序

和组合策略，然后依据企业资源状况，制定新产品开发的时间计划。

产品规划设计的步骤为：信息集约-产品设计任务-预测调研-可行性分析一

明确任务要求一可行性报告、设计要求项目表。

进行产品规划设计的主要方法有：设计方法和预测技术。支持产品规划设计

的主要理论有：设计方法学、技术预测理论、市场学、信息学等。

(2)新产品的方案设计过程大致可以分为方案设计和方案评审两个阶段。

方案设计阶段的步骤为：总共能分析-功能分解-功能元求解一功能载体组合-获

得功能原理方案(多个原理方案)-原理试验-评价决策-最优原理方案-原理参

数表、方案原理图。

进行产品的方案设计的方法主要有：系统化设计方法、创造技法、评价决策

法、形态学矩阵法。

主要的理论指导包括：系统工程学、形态学、创造学、思维心理学、决策论、

模糊数学等。

(3)对产品进行技术设计时，首先要对结构进行总体设计，包括了对产品

的结构设计和造型设计。进行新产品的技术设计的主要步骤为：

产品技术设计的方法主要包括：价值设计、优化设计、可靠性设计、宜人性

设计、产品造型设计、系列化设计、机械性能设计、工艺性设计、自动化设计等。

产品技术设计过程中主要涉及的理论指导有：价值工程学、最优化方法、工

程遗传算法、可靠性理论与实验、人机工程学、模块化设计、有限元法、动态设

计、摩擦学设计、机械设计的工艺基础、控制理论、智能工程、人工神经元计算

方法、专家系统等。

(4)产品结构设计施H设计的主要步骤为：零件工作图一部件装配图一技术

文件。产品造型设计施工设计的主要步骤为：外观件加工工艺、画饰工艺规程一

效果图、检验标准-造型工艺文件。

进行产品施工设计的主要方法有：各种制造、装配、造型、装饰、检验等方

法。

2、利用形态学矩阵和评价方法，建立合理的煤矿主通风机结构设计方案，

并建立以费用为优化目标，系统可靠度不低于99%的主通风机结构设计优化数

学模型？

答：研究对象为煤矿主通风机

通风机是采煤通风系统中的重要设备。主扇用于全矿井或矿井某一翼的通

风，又叫主通风机。辅扇是用于矿井通风网路中分支风路调节起风量的，是协助

主通风机工作的。局扇是用于矿井无贯穿风流没有打通的巷道的局部地点通风。

矿用风机在矿井通风中的功能包括，可以将足够的新鲜空气有效地送到井下工作

场所，保证生产和良好的劳动条件；保证风流稳定，易于管理并具有抗灾能力；

具有反转功能，在发生事故时，可由抽风改为送风，风流易于控制，人员便于撤

出；可与环境及安全监测系统或检测措施相连接，实现自动控制等。

矿井主通风机的形态学矩阵

局部解

1234

功能元

工作方法抽出式压入式混合式

动力源电动机气动马达液动机

风机叶片单板型叶片机翼型叶片圆弧叶片圆弧窄叶片

防爆技术隔爆型浇封型气密型无火花型

系统解的可能方案数

N=3x3x4x4=144种

现列出其中两种系统解为：

I：抽出式+电动机+单板型叶片+无火花型

II:压入式+电动机+圆弧叶片+隔爆型

评价与决策

现采用简单评价法。用“++”表示“很好”，用“+”表示“好”,用表示“不好”。

其评价结构表为

方案

III

评价准则

成本低++

便于制造+-

结构简单+-

操作方便-+

安全性能高+-

总计3“+”

总计结果表明，方案I为较理想的方案。

主通风机结构设计优化数学模型

1）确定设计变量

产品在规定的条件下和规定的时间完成规定功能的概率称为可靠度。可见，

产品的可靠度是时间f的函数，因此，以时间f作为设计变量对产品进行可靠度

优化设计。

2)目标函数

以费用为目标函数。通风机的费用应该包括了购置的费用W、保养的费用X

和维修的费用y。其中，购置的费用为一定值，而随着通风机的老化，保养费用

和维修费用会逐渐增加。所以，保养费用x和维修费用y也是关于时间的隐式

函数。记保养费用关于时间『的函数关系式为X=x”)，记维修费用关于时间/的

函数关系式为y=y(/)。则通风机在其全寿命过程中的费用F”)为：

y(r)=W+%(z)+y(O

3)约束条件

由可靠性设计知识可知，产品失效率定义为：产品工作f时刻尚未失效的产

品，在该时刻彳以后的下一个单位时间发生失效的概率。它是时间/的函数，又

称为失效率函数，用几⑺表示。

n(t+At)-n(t)

2(/)=lim

Nf00N几

0[-

式中，N为开始时投入主通风机试验产品的总数；〃⑺为?时刻主通风机的

失效数；〃”+/%)为/+4时刻产品的失效数；4为时间间隔。

根据失效率丸⑺的定义，可得

1n(t+At)-n(t]_1dn(t)

[N-N-n[t}AtN-n(t)dt

对上式分子分母各乘以N,得

咐=__—.dR。

硼dt

式中，MD为产品的可靠度，且可)=［加)。

对上式从o至卜积分，则得到

t

o

于是得

t

—J2,{t^dt

R(t)=e°

于是，系统可靠度不低于99%的主通风机结构设计优化数学模型为：

Findt

<minf(t)=W+x(?)+y(t)

s.t.R(t)-0.99>0

3、详细阐述利用有限元法及软件进行采煤机截齿结构强度和刚度安全性分

析的过程？

答：采煤机截齿结构如图1所示

图一：采煤机截齿结构图

采用有限元进行采煤机截齿结构强度和刚度安全性分析的步骤大致可以分

为三步（采用的有限元软件为ANSYS）:

第一步：建立有限元模型：建立有限元模型的步骤可以分为以下几个流程

1）指定工作文件名和标题名：在建立工作文件名和标题之前，首先应修改

工作路径，将所要进行的有限元分析保存在某一特定路径的文件夹中，以便查看

和编辑所做的分析。工作文件名的建立是在进入前处理器之前完成的，工作文件

名也就是ANSYS为存储在工作空间中的文件取得名字。标题名最直观的作用是

用简洁的英文语句标示当前分析的某种信息，如分析对象、分析工况、分析性质

等。

2）定义单元类型：ANSYS提供了上百种不同的单元，为了方便用户正确

识别这些单元，ANSYS建立了针对不同问题的单元类型，并根据单元类型的特

点为每个单元命名。单元命名格式为（单元类型前缀名+数字编号），其中的数

字编号在ANSYS中是没有重复的。

定义单元类型的方法为，【mainmenu】（主菜单）f【preprocessor】（前

处理器）->［element］（单元类型）f【add］（增力口）-［edit］（编辑）->［delete］

（删除），在弹出［elementtypes］（单元定义）对话框后，在弹出的对话框

中选择需要的单元类型。

3）定义材料属性：ANSYS中的所有分析都需要输入材料属性。输入采煤

机截齿的弹性模量和泊松比等。具体方法为：单击【mainmenu］（主菜单）一

［preprocessor］（前处理器—【materialProps］（材料属性^［materialmodels］

（材料模型），弹出［definematerialmodelbehavior］（定义材料模型）对话

框后，单击右侧列表框中的结构模型［structure］（结构）-［linearl（线性）

f[elastic]（弹性）-[Isotropic]（各向同性），表明要定义的材料是各向同

性线弹性材料。

4）创建有限元模型：

ANSYS提供了两种方法来构建有限元模型,一种是首先创建或导入实体模

型，然后对实体模型进行网格划分，以生成有限元模型；另一种是直接利用单元

和节点生成有限元模型，但是第二种方法非常困难，因此，在实际中不实用也不

常用。本例中采用第一种方法建立采煤机截齿的有限元模型。首先在SolidWorks

软件中画出截齿的三维实体模型，然后将其导入ANSYS中并对实体模型进行网

格划分。

建立采煤机截齿的有限元模型如图2:

图2:采煤机截齿有限元分析模型

第二步：加载和求解：

1）定义分析类型和设置分析选项：

ANSYS可以求解7种不同类型的分析，分别是静态分析，瞬态分析、谐振

分析、模态分析、频谱分析、屈曲分析和子结构分析。定义分析选项的方法为：

［mainmenu］（主菜单）f［solution］（求解器）-［analysis］（分析类型）

f［newsanalysis］（新的分析）。

2）施加载荷：

按照模型受载荷的方式对进行网格划分后的实体模型进行加载。

3）设置载荷步选项：

确定载荷子步的个数，可以指定最大和最小载荷子步数或者最长和最短时间步数，

对该选项进行控制。

4）求解：

选择合适的求解方法：【mainmenu］（主菜单）->［solution］（求解器）

f［analysistype］（分析类型）-［sol'ncontrols］（求解控制），弹出［solution

controls］对话框后选择合适的求解方法即可。

选择好求解器后可进行求解，方法为:［mainmenu］（主菜单）-［solution］

（求解器）-［solve］（求解）-［currentLs］（当前载荷步）。

第三步：结果后处理和结果查看：

有限元完成计算后，需要查看分析结果。分析结果的查看通过后处理来完成。

所谓后处理器，就是观察和分析有限元的计算结果，并从结果中判定计算是否正

确。ANSYS后处理器包括两个模块,通用后处理器POST1和时间历程后处理

器POST2o

进入通用后处理器的方法为:［mainmenu］（主菜单）->［generalpostproc］

（通用后处理器）。

进入时间历程后处理器的方法为：【mainmenu］（主菜单）［timehist

postproc］（时间历程后处理器）。

4、选择某传动齿轮轴，详细阐述进行该传动齿轮轴机械强度可靠性设计过

程（分别按照静强度、疲劳强度进行计算过程阐述）？

静强度可靠性设计

可靠性设计的基本出发点是零件材料的极限应力Slim服从于概率密度函数

何的随机变量而作用于零件危险截面上的工作应力L服从与概率密度函数

的随机变量。并用强度-应力干涉理论计算出零件的可靠度或设计出在规定可靠

度下零件的基本尺寸。

用神和分别表示齿轮轴的强度和应力的概率密度函数。定义可靠度为

/?=P（5>£）=P［（S-£）>O］

由应力-强度干涉模型可得强度小于应力的概率为

P（S<L）=jf（S）dS

0

强度和应力均为独立的随即变量。因此失效概率为

尸于（sYsg^dL

则齿轮轴的可靠度为

H=1-尸=1-jrf⑻dSg«）dL=J7J7/（S班g亿也

经过大量的试验分析，齿轮轴的强度和应力的概率密度函数服从于正态分

布，即

772兀asJJ0川2»［八%）

根据齿轮轴强度可靠度的定义R=P［（S-D>0］,令"S-L，由于S和L

均是随即变量，所以t也是随机变量并服从于正态分布。其概率密度函数用公⑺

来表示，所以

1

小皈)=—『e1xp5--4----------

根据随机变量正太分布的运算法则

6=标+近,4=%+〃,

所以，齿轮轴强度的可靠性为

R=呱-小。］=f皈M=『$expT厅必

Z2

•4-00-------

e2

令z="%一也,则上式为R=4出一"dZO

值+日而

A7"s—"L则齿轮轴的强度可靠度计算式为R=

_us-U.

ZR=I22称为强度应力耦合方程。在工程设计中，由于荷载和应力的

(八+外

现行设计方法具有一定的误差，同时考虑零件的重要程度，实际计算时往往引入

r4,-Na.

强度储备系数N(N>1),所以上式为ZR=,--

Ws+

只要计算出强度和应力的均值和方差，即可用耦合方程计算出齿轮轴的可靠

度。同样可以设计出在规定可靠度下的轴的几何尺寸。

疲劳强度可靠性设计

在常规疲劳强度设计中，所用的疲劳极限线图是用各种应力比下的均值画出

的，是一条曲线。而在可靠性设计中，疲劳极限线图是一条曲线分部带。

疲劳极限的平均值为：

疲劳极限的标准离差S，为：

（——2——22

%2+4%

力c=--应---

<aa+（Jm>

应力幅的标准离差与为（/为常数）：

1-r

s=-----s

°2°

平均应力的标准离差%为（厂为常数）：

1+r

Sm=2S（7

其中同;为应力幅的平均值，小小—in.以为平均应力的平均值，

2

且q=bmax；Snin;$。为材料的疲劳极限应力。

零件的疲劳极限

材料的疲劳极限（E，%）用标准试样试验测得，零件的疲劳极限由材料的疲

劳极限考虑各影响因素求得，即：

式中，似,sj为尺寸系数的分布，为表面加工系数的分布，皈,也）为

有效应力集中系数的分布已知后，即可求得零件的疲劳极限分布。

可靠性计算

按应力-强度干涉模型分别求得应力与强度的均值与标准离差计算联结系数

2（或可靠度系数），由正态分布表查得可靠度R,比较设计条件是否满足要求。

■一九。

z=',

业+S：

式中，X，表示强度均值，X。表示应力均值；S,表示强度标准离差,表示

应力标准离差。

5、选择某种机械产品，详细阐述并行设计、造型设计、绿色设计、计算机

辅助设计法如何在该机械产品设计中进行应用？

答：

一、并行设计在汽车发动机活塞设计中的应用

并行模式设计是将系统理论作为指导思想，并行模式设计既把握住系统的外

部联系，也没有忽视系统的部联系，突破了以环节之间通过外延联系构成过程系

统的片面性和表面性，弥补了串行模式系统设计的不足，形成了明显优越的并行

系统关联方式。并行设计过程简图为

并行设计作为一种系统性的先进过程模式，得到愈来越多重视，并且在产品

研发过程中得到了普遍应用，其在产品设计与产品制造中的科学作用日益凸显。

对于过程模式设计的研究，目前最活跃的依然是并行工程。正因并行设计的一系

列点，所以应该把该设计理念贯彻到本机的设计工作中来。在选定了清洗剂之后,

清洗工艺流程与清洗装置也很大程度上取决于清洗剂的理化特性，进而也会影响

清洗装置的设计。

二、造型设计在微型电动汽车汽车车身设计中的应用

1）前脸造型设计前脸造型设计：

在微型电动汽车车身造型风格中扮演着重要的角色，汽车作为人们情感载

体，是设计师通过人或动物的情感赋予前脸造型变化。微型电动电动汽车前脸造

型时可从下两点出发：（1）前脸线条形态与整车造型风格统一；（2）前脸造

型拟人化，线条多采用曲线与几何元素。

2）侧围造型设计

侧围造型设计在整车设计中尤为重要，其造型线最能体现整车风格特征与体

量感，侧围与前脸、顶棚、后围共同引导整车的造型风格。电动汽车的侧围造型

设计，在空气动力学基础上，保证各个曲面与形体之间的过渡变化。微型电动汽

车的侧围造型设计可从下两点表现：（1）侧围轮廓线要贯穿于前脸及后尾，保

持车身整体性与流畅性；（2）侧围各线条表达动感，保持腰线有向上前进趋势，

也符合快节奏的生活方式。

3）车灯造型设计

车灯作为电动汽车造型设计最直观的设计元素，最能体现“电动”特性，车灯

设计的好坏会影响前脸设计风格与表情元素。对微型电动汽车车灯设计应体现在

以下两点：（1）利用新技术，充分展现其电动特性，如车灯使用LED灯或显示

屏；（2）车灯造型应通过圆形、曲线、折线等造型元素传达情感。例如奔驰SUV

电动汽车车灯造型设计凸显“电动”特性，前“进气格栅”与车灯融为一个“T”字形区

域，“格栅”由蓝色LED光源模拟而成，尾部车灯与车头呼应,科技感十足。

4）车门造型设计

车门造型设计在微型电动汽车设计中发挥着重要力量，车口的大小、打开方

式、形状等影响到车的使用功能及空间，而且还对整车的造型风格和特征起到决

策性作用。微型电动汽车车口造型设计的方法；（1）考虑与整车造型风格的协

调统一；（2）采用多种车口打开方式，取消B柱，增加车空间的使用。

综上所述，微型电动汽车车身造型设计分别可W从车前脸、车灯等主要轮廓

线设计，车灯造型主要表现在照明方式上，W彰显微型电动汽车“电”的特性。此

外,车口造型W及打开方式变化来增大车空间使用。

三、绿色设计在汽车设计中的应用

绿色汽车设计要求汽车适应社会环境的发展。除了创制以外还需要给创制的

汽车产品进行定位，设计师作为连接汽车与消费者的桥梁，必须对设计出来的汽

车负责。传统产品的生命周期从生产制造至投入使用的每个阶段，即“摇篮至坟

墓，，的单一一个过程，而绿色汽车赋予了产品生命周期的延伸性，从汽车设计的

概念产生、材料选择、生产制造、再到上路行驶，甚至最后汽车报废的回收处理

的各个阶段，都包含在设计师的考虑围。在具体的设计过程中，绿色设计既要考

虑人与自然和谐共存的价值观，又要达成环保的技术要求，可以说是设计师设计

技巧的天才发挥。

作为全球最大的汽车消费市场和最大的汽车制造国，中国品牌的绿色汽车发

展对于全球汽车都有很大的影响。比亚迪F3DM双模电动车采用混合动力系统

和电动车系统，实现了既可加油、又可充电的多种能量补充方式。该车在纯电动

模式下长距离行驶百公里仅耗电十六千瓦。家用电源即可为期进行充电，7h完

成充电。在充满电和油的情况下，可以持续行驶580公里。

长城汽车中作为绿色汽车的主推产品长城欧拉（Kulla）电动车兼具纯电动

汽车的零污染优势和混合动力