工程设计学 -绪论

1、工程设计学工程设计学 宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 陈兴陈兴 副教授副教授 660473 (短号短号) 宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 主要教材及参考书主要教材及参考书v王安麟,姜涛,等. 现代设计方法M. 武汉：华中科学技术大学出版社, 2010.v孟宪颐. 现代设计方法基础M. 北京：机械工业出版社, 2009.v张鄂. 现代设计理论与方法M. 北京：科学出版社, 2007.v（德）G.帕尔, W.拜茨, 张直明等(译). 工程设计学M. 北京：机械工业出版社, 1992.宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 工程设计理论概述工

2、程设计理论概述机械产品发展历史机械产品发展历史v远古机械时期 简单工具的出现 v古代机械时期 功能、结构的多样化v近现代机械时期 大型、复杂产品，覆盖到 人类生活的方方面面宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 工程设计理论概述工程设计理论概述工程设计理论的发展历史工程设计理论的发展历史v工业化之前无设计理论 产品的设计主要依靠技术的传承 和经验的积累 杰出的代表：达芬奇达芬奇宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 工程设计理论概述工程设计理论概述工程设计理论的发展历史工程设计理论的发展历史v工业化时期设计理论的原始积累阶段 莱登巴林及其学生莱登巴林及其学生：提出了

3、若干重要的特征标志和基本原理； 巴赫及里特勒巴赫及里特勒：提出了材料和制造工艺与强度之间的关系； 劳定劳定：提出了机器零件中的力流的提示。宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 工程设计理论概述工程设计理论概述工程设计理论的发展历史工程设计理论的发展历史v上世纪20年代至今设计理论的形成及繁荣时期 埃更斯埃更斯：提出了首个现代意义上的设计方法学观点：一种分步的设计进程，各步骤之间力求达到相互联系，以不断检查和权衡优劣作为设计特征。 韦格鲍尔韦格鲍尔：设计方法学的理论起点，提出将总任务分解为若干分任务(驱动任务和执行任务)，并对设计中的多种影响因素之间的相互关系作了描述。宁波大学机

4、械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 工程设计理论概述工程设计理论概述设计学理论形成中的重要贡献者 凯塞林凯塞林：提出了五个优先结构设计原理； 曲赫纳曲赫纳：提出了四个设计基本要素； 马托赛克马托赛克：提出了设计中的四个重要影响因素； 莱叶莱叶：建立了结构设计的基本设计原理和设计准则。 宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 什么是现代设计什么是现代设计? ? 以市场需求为驱动、以知识获取为中心、以现代设计以市场需求为驱动、以知识获取为中心、以现代设计思想、方法和现代技术手段为工具，考虑产品的整个生命周思想、方法和现代技术手段为工具，考虑产品的整个生命周期和人、机、环境相容

5、性等因素的设计。期和人、机、环境相容性等因素的设计。工程设计理论概述工程设计理论概述现代机械设计方法现代机械设计方法就是研究设计过程中能够更加高效、高质量、快速地完成机械产品设计的方法。（以计算机为辅助工具）宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 什么是现代设计什么是现代设计? ? 以市场需求为驱动、以知识获取为中心、以现代设计以市场需求为驱动、以知识获取为中心、以现代设计思想、方法和现代技术手段为工具，考虑产品的整个生命周思想、方法和现代技术手段为工具，考虑产品的整个生命周期和人、机、环境相容性等因素的设计。期和人、机、环境相容性等因素的设计。设计系统的概念及三维设计系统？设计

6、系统的概念及三维设计系统？ 什么叫设计系统？什么叫设计系统？ 设计系统具有三维空间，是由时间维、逻辑维和方法维设计系统具有三维空间，是由时间维、逻辑维和方法维组成的三维系统。组成的三维系统。工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 现代设计方法与传统设计方法相比，有哪些特点？现代设计方法与传统设计方法相比，有哪些特点？ 产品设计结果的最优化、产品结构分析的定量化、产品质产品设计结果的最优化、产品结构分析的定量化、产品质量分析的可靠性化、产品工况分析的动态化、产品设计过程量分析的可靠性化、产品工况分析的动态化、产品设计过程的高效化和自动化的高效化和自动

7、化 现代设计体系结构现代设计体系结构 现代设计技术体系由现代设计技术体系由基础技术基础技术、主体技术主体技术、支撑技术支撑技术和和应应用技术用技术四个层次组成。四个层次组成。工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 工程设计理论概述工程设计理论概述系统技术的进程步骤系统技术的进程步骤宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 工程设计理论概述工程设计理论概述系统技术的进程模型系统技术的进程模型宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 工程设计理论概述工程设计理论概述主流工程设计理论主流工程设计理论vPahl和Beitz的工程设计

8、学理论(德国)vNam P. Suh的公理化设计理论(Axiomatic Design) (美国)vAltshuler的发明问题解决理论(TRIZ) (苏联)vYoshikawa的通用设计理论(GDT) (日本) 宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 工程设计理论概述工程设计理论概述 Pahl和和Beitz的的 工程设计学理论工程设计学理论宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 工程设计理论概述工程设计理论概述Suh的公理化设计理论的公理化设计理论(Axiomatic Design) 美国MIT的Suh提出的公理化设计理论，该理论认为设计过程是用户域功能域物理域过

9、程域的映射。在产品概念设计阶段，从功能需求到设计参数的转变过程中，功能与设计参数应满足独立性和最小信息两条公理。若这两条公理满足，原理解才是优化的解。 宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 工程设计理论概述工程设计理论概述Altshuler的发明问题解决理论的发明问题解决理论(TRIZ) 前苏联学者Altshuler及其领导的研究小组在分析世界各国250万件专利的基础上，提出了发明问题解决理论(TRIZ)。TRIZ理论以解决技术系统的冲突为目标，认为发明问题求解的过程是对问题不断描述、不断程式化的过程。TRIZ将技术系统冲突主要分为物理冲突和技术冲突。宁波大学机械工程与力学学院

10、宁波大学机械工程与力学学院 工程设计理论概述工程设计理论概述Yoshikawa的通用设计理论的通用设计理论(GDT) 日本学者Yoshikawa提出了通用设计理论（GDT），认为设计的本质是功能空间到属性空间的映射，并且指出这一映射过程是一项知识密集工程（Knowledge Intensive Engineering）。基于这一过程，实现复杂知识表达和推理的智能CAD（Intelligent CAD）成为当今CAD发展的重要方向。 宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 现代设计方法的基本内容现代设计方法的基本内容 计算机辅助设计计算机辅助设计 工业造型设计工业造型设计 有限元法

11、有限元法 虚拟设计虚拟设计 价值工程价值工程 模块化设计模块化设计 反求工程反求工程 健壮设计健壮设计 优化设计优化设计 可靠性设计可靠性设计 绿色设计绿色设计掌握基本概念掌握基本概念工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 优化设计优化设计传统设计传统设计设计设计-评定评定-再设计再设计从多种方案中从多种方案中选取较好方案选取较好方案优化设计优化设计重视系统综合，在重视系统综合，在各种约束条件下用各种约束条件下用计算机求解计算机求解在最短时间内寻求在最短时间内寻求最佳设计方案最佳设计方案 工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁

12、波大学机械工程与力学学院 正方形铁板xaxmax V 最优化问题的举例最优化问题的举例工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 关于最优化问题的解法，软件开发者开发出了各种最优关于最优化问题的解法，软件开发者开发出了各种最优化计算软件，供工程设计人员使用。化计算软件，供工程设计人员使用。但是，作为使用者必须了解各种最优化方法的特点，才但是，作为使用者必须了解各种最优化方法的特点，才能针对实际问题选择出合适的最优化方法解决问题。能针对实际问题选择出合适的最优化方法解决问题。一项设计常常在一项设计常常在一定的技术条件一定的技术条件下，要求取得一个技术下，

13、要求取得一个技术指标的指标的最佳的设计方案最佳的设计方案，以期达到最佳的，以期达到最佳的设计目标设计目标，如，如重量、成本、性能、承载能力等。重量、成本、性能、承载能力等。工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 数学模型是实际设计问题的抽象数学模型是实际设计问题的抽象,一个完整的数学模型一个完整的数学模型包括包括:一个设计方案有一个设计方案有n个设计变量个设计变量）（nTnRXxxxX,21在满足在满足), 2 , 1(0),()(21muxxxgXgnuu), 2 , 1(0),()(21npvxxxhXhnvv求目标函数求目标函数),()(21

14、nxxxFXF)(minXFnRX工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 例例 行星轮系的优化设计行星轮系的优化设计行星轮系机构简图行星轮系机构简图 1）目标函数和设计变量）目标函数和设计变量32212mm)2(419635. 0)(CibZmXFCmbzxxxxX14321影响目标函数的独立参数均可作为设计影响目标函数的独立参数均可作为设计变量，即变量，即目标函数可改写为目标函数可改写为) 2(419635. 0)(222123CixxxXF工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 017)(1小zXg

15、010)(22xXg2）约束条件的建立）约束条件的建立 保证小齿轮不根切保证小齿轮不根切 限制齿宽最小值，得限制齿宽最小值，得 限制模数最小值，得限制模数最小值，得02)(33xXg 模数和齿宽之间要求模数和齿宽之间要求mbm175017)(05)(235324xxXgxxXg工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 保证各行星轮之间齿顶不相碰撞，应满足保证各行星轮之间齿顶不相碰撞，应满足0)sin1)(2(21sin)(116CixCxXg0/1 ()(22327）大小小小zzTAxxzXgH0)(2238FFYTAxzxXg小小 满足接触强度要求

16、，应有满足接触强度要求，应有 满足轮齿弯曲强度要求，应有满足轮齿弯曲强度要求，应有3）选用合适的优化方法求解，得）选用合适的优化方法求解，得5 . 453221mbzX工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 选用适当的优化方选用适当的优化方法和计算机程序法和计算机程序将设计问题的将设计问题的物理模型转化物理模型转化为数学模型为数学模型通过计算机通过计算机求解得到最求解得到最佳设计方案佳设计方案优化设计优化设计工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 CAD能够帮助我们完成机械设计中的图形设计（制图）能够帮

17、助我们完成机械设计中的图形设计（制图）及部分分析计算。（以计算机为工具）及部分分析计算。（以计算机为工具）传统设计传统设计人工计算、绘图人工计算、绘图设计精度、稳定性设计精度、稳定性和效率有限，修改和效率有限，修改不方便不方便 计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)计算机辅助设计计算机辅助设计用计算机设计、用计算机设计、计算、绘图。计算、绘图。提高了设计精度、提高了设计精度、稳定性和效率，修稳定性和效率，修改方便改方便工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 常用的计算辅助设计软件有常用的计算辅助设计软件有:AUTOCAD、PROE、UG和和CATI

18、A等。等。工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 CAD提供了产品设计所需的各种标准、规范、工艺参数提供了产品设计所需的各种标准、规范、工艺参数等工程数据。等工程数据。 工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 实际零件实际零件 加工过程模拟加工过程模拟CAD还具有设备工作过程模拟和零件加工过程模拟的功能。还具有设备工作过程模拟和零件加工过程模拟的功能。工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 模块化设计模块化设计以模块化设计理论为指导思想，以快速、提高可靠性和

19、降以模块化设计理论为指导思想，以快速、提高可靠性和降低成本为主要目的，进行机械产品模块化设计。低成本为主要目的，进行机械产品模块化设计。 主要目标是用尽可能少的种类和数量的模块组成尽可能多主要目标是用尽可能少的种类和数量的模块组成尽可能多的种类和规格的产品。的种类和规格的产品。专用部件专用部件若干若干标准的、系列标准的、系列的模块化部件的模块化部件各类模块化超精各类模块化超精密加工机床密加工机床根据武器研制和生产的需要根据武器研制和生产的需要解决解决几个几个关键技术关键技术十几种十几种多台多台超精密机床模块化设计举例超精密机床模块化设计举例工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学

20、学院宁波大学机械工程与力学学院 超精密机床系列和型号的拟定；超精密机床系列和型号的拟定； 模块的划分；模块的划分；模块的组配模块的组配 ；单元模块有限元力学分析；单元模块有限元力学分析；静刚度与动刚度；静刚度与动刚度；结构、运动学及功能模型。结构、运动学及功能模型。通用和专用模块的组合与集成；通用和专用模块的组合与集成；虚拟装配；虚拟装配；关键部件工程化制造。关键部件工程化制造。系统测试；系统测试；实验技术。实验技术。 整体技术方案整体技术方案模块化超精密机床导轨及工作台系统主轴系统环境控制系统导轨驱动系统微量进给系统床身系统位置检测系统控制系统其他系统工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学

21、机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 超精密机床模块化设计超精密机床模块化设计低成本、快速、高可靠性超精密机床模块化设计主轴模块导轨模块导轨驱动机构微量进给模块环境控制模块位置检测模块床身模块数控模块其他模块空气静压主轴液体静压主轴单坐标联动数控系统双坐标联动数控系统超精高速主轴空气静压导轨液体静压导轨滚珠丝杠直线电机驱动摩擦驱动机构压电陶瓷进给磁致伸缩进给振动控制系统温度控制系统双频激光干涉系统光栅测量系统卧式床身结构龙门立式结构电机刀架吸盘工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 超精密车床和铣床结构示意图超精密车床和铣床结构示意图车床模

22、块车床模块铣床模块铣床模块宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 通用模块与专用模块的有效集成技术通用模块与专用模块的有效集成技术 超精密车床超精密车床空气静压主轴（空气静压主轴（ZZZZ） 空气静压导轨（空气静压导轨（DGDG）卧式床身卧式床身(CS) (CS) 直线电机（直线电机（QDQD）隔振系统隔振系统(HJ) (HJ) 温度控制系统（温度控制系统（HJHJ）双坐标联动数控系统（双坐标联动数控系统（SKSK） 双频激光干涉仪双频激光干涉仪(WZ)(WZ)主轴驱动电机（主轴驱动电机（QTQT） 空气静压尾座空气静压尾座压电陶瓷机构（压电陶瓷机构（WJWJ） 刀架（刀架（QT

23、QT） 超精密铣床超精密铣床 液体静压主轴（液体静压主轴（ZZZZ） 液体静压导轨（液体静压导轨（DGDG） 卧式床身卧式床身(CS) (CS) 滚珠丝杠（滚珠丝杠（QDQD） 隔振系统隔振系统(HJ) (HJ) 温度控制系统（温度控制系统（HJHJ） 主轴驱动电机（主轴驱动电机（QT） 导轨驱动电机（导轨驱动电机（QT） 宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 v超精密车床；v小型非球曲面磨床；v超精密内表面磨床v光学零件超精密复合加工机床；v立式超精密镗床 ；v卧式超精密镗床 ；v超精密铣床

24、 ；v .可以组合的设备可以组合的设备工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 综上所述模块化设计具有如下特点：综上所述模块化设计具有如下特点： 设计和制造时间短；设计和制造时间短； 有利于产品的更新换代和新产品的开发；有利于产品的更新换代和新产品的开发； 有利于降低成本，提高产品的质量，便于产品的维修。有利于降低成本，提高产品的质量，便于产品的维修。工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 有限元法有限元法有限元法是以计算机为工具的一种现代数值计算方法。有限元法是以计算机为工具的一种现代数值计算方法。单元

25、特性分析单元特性分析与计算与计算结构离散化结构离散化单元组集求单元组集求解方程解方程有限元法的计算过程有限元法的计算过程工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 主要应用于主要应用于以下方面以下方面进行复杂结构的静态和动态分析进行复杂结构的静态和动态分析计算复杂零件的应力分布和变形计算复杂零件的应力分布和变形零件强度和刚度计算零件强度和刚度计算求解工程中复杂的非线性问题、非稳求解工程中复杂的非线性问题、非稳态问题态问题常用的有限元分析计算软件有常用的有限元分析计算软件有IDEAS、ANSYS、MARC、ABAQUS等。等。工程设计理论概述工程设计理论

26、概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 可以分析应力、变形、温度场、磁场、振动、冲击、随机可以分析应力、变形、温度场、磁场、振动、冲击、随机响应等。响应等。转台结构的有限元分析转台结构的有限元分析工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 可以进行动态特性分析，识别系统的模态参数，从而为转台可以进行动态特性分析，识别系统的模态参数，从而为转台的设计提供理论依据。的设计提供理论依据。转台主轴轴系及台面有限元分析转台主轴轴系及台面有限元分析转台轴系的动态特性直接影响转台的运动精度、运动平稳转台轴系的动态特性直接影响转台的运动精度、运动平稳

27、性和承载能力。性和承载能力。 工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 1XYZ NOV 2 200818:01:29AREASTYPE NUM600MW定子机座几何模型工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 1XYZ NOV 2 200817:39:06ELEMENTS600MW定子机座有限元网格工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 1MNMXXYZ .233291.8736461.5142.1542.7953.4354.0754.7165.3565.99

28、6NOV 26 200816:23:07NODAL SOLUTIONSUB =1TIME=1USUMTOPRSYS=SOLUDMX =5.996SMN =.233291SMX =5.996600MW定子机座总体位移云图（最大5.996mm） 工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 1MNMXXYZ .01251853.2106.388159.575212.763265.95319.138372.325425.513478.7NOV 26 200816:28:17NODAL SOLUTIONSUB =1TIME=1SEQV (AVG)TOPDMX =

29、5.996SMN =.012518SMX =478.7机座的等效Von.MiseS应力云图工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 l 大变形有限元本构方程的建立大变形有限元本构方程的建立例例 切削深度对超精密切削过程影响的有限元分析切削深度对超精密切削过程影响的有限元分析l 有限元模型的建立和边界条件的确定有限元模型的建立和边界条件的确定l 切屑分离准则的选取切屑分离准则的选取l 超精密切削过程有限元分析超精密切削过程有限元分析有限元模型有限元模型工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 切削力的变化切削

30、力的变化等效应力的变化等效应力的变化等效塑性应变的变化等效塑性应变的变化 切屑和工件温度分布切屑和工件温度分布工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 工业设计工业设计工业设计是以工业产品为表现对象，在满足工业属性的前工业设计是以工业产品为表现对象，在满足工业属性的前提下，用艺术手段，创造出实用、美观和经济的产品。提下，用艺术手段，创造出实用、美观和经济的产品。工业设计的目的是工业设计的目的是保证产品的造型质保证产品的造型质量，设计出的产品量，设计出的产品具有批量性、创造具有批量性、创造性、实用性、艺术性、实用性、艺术性和经济性。性和经济性。工程设计

31、理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 不但保证产品的外部特征，还要考虑结构、功能与材料不但保证产品的外部特征，还要考虑结构、功能与材料的关系，强调系统和整体效能进行产品设计。的关系，强调系统和整体效能进行产品设计。工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 价值分析（价值工程）价值分析（价值工程）价值分析最终目的是价值分析最终目的是寻求功能与成本的最寻求功能与成本的最佳比例佳比例 。工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 价值分析是产品获得最大价值的一种现代设计方法。

32、价值分析是产品获得最大价值的一种现代设计方法。以开发创造性以开发创造性为基础为基础以功能分析以功能分析为核心为核心以科学分析以科学分析为工具为工具价值分析价值分析寻求功能与成本的最佳比例寻求功能与成本的最佳比例工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 成本分析和功成本分析和功能价值计算能价值计算确定价值分析确定价值分析的对象的对象运用最新科运用最新科技成果技成果价值分析的一般过程价值分析的一般过程选出最佳设计选出最佳设计方案方案对现有的功对现有的功能原理和方能原理和方法进行革新法进行革新达到提高产达到提高产品价值的最品价值的最终目的终目的工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 相似设计相似设计相似设计是相似性理论在机械领域的具体应用，相相似设计是相似性理论在机械领域的具体应用，相似设计是工业产品开发的重要环节。似设计是工业产品开发的重要环节。 工程设计理论概述工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院宁波大学机械工程与力学学院 对它进行最佳对它进行最佳方案的设计方案的设计 先选定某一档先选定某一档型号的产品为型号的产品为模型模型定出其材料定出其材料参数和结构参数和结构尺寸尺寸 相似设计过程相似设计过程再通过相似性原理再通过相似