ch3机械设计及现代设计方法课件

1、第三章 机械设计及现代设计方法 1 机械设计基本方法 2 现代设计方法 1 机械设计基本方法一、设计发展阶段：直觉设计（远古1500年）（明朝，设计制造同一人）；经验设计（15011849年）（基本结构的组合装置）；半经验设计（18501949年）（专门进行零部件研究实验，有标准）；半自动设计（19501989年）（借助计算机辅助手段进行设计）；自动化设计（1990现在）（虚拟现实技术计算机集成制造系统）。二、机械设计的基本要求：A 设计机器应满足的基本要求1）功能性要求2）可靠性要求3）经济性要求4）劳动保护要求5）其他特殊要求三、机械设计的一般步骤1）动向预测2）方案设计3）技术设计4）施

2、工设计5）试生产2 现代设计方法 将传统设计中的经验、类比法设计提高到逻辑的、理性的、系统的新设计方法，是在静态分析的基础上，进行动态多变量的最优化。一、现代设计的特征二、现代设计方法的产生 （一）有限元法（二）优化设计 （三）机械可靠性设计 （四）计算机辅助设计（五）绿色设计（六）并行设计(Concurrent Design) 一、现代设计的特征1、系统性把设计对象看作一个系统，同时考虑系统与外界的联系，通过功能分析、系统综合等方法，力求系统整体最优，使人机之间的功能相互协调。 2、创造性强调创造能力开发和充分发挥人的创造性；重视原理方案的设计、开发和产品创新。只有创新才能有所发明。一、现代

3、设计的特征3、综合性在设计过程中，综合考虑分析市场需求、设计、生产、管理、使用、销售能各方面的因素；综合运用系统工程、可靠性理论、价值工程等学科的知识，探索多种解决设计问题的途径。4、程式性现代设计研究设计的一般进程，包括一般设计战略和用于设计各个具体部分的战术方法。要求设计者从产品规划、方案设计、技术设计、施工设计到实验、试制，按步骤有计划地进行设计。 （一）有限元法有限元的概念和发展过程：用有限个单元将连续体离散化，通过对有限个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法。出现于上世纪50年代中期至60年代末。在60年代末70年代初出现了大型通用有限元程序，以功能强、使用方便、计算结

4、果可靠和效率高而成为结构工程强有力的分析工具。50年代首先在连续体力学领域-飞机结构静、动态特性分析中应用，随后很快应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元案例分析目前，世界各地的研究机构和大学发展了一批规模较小但使用灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件，主要有德国的ASKA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的产品。 随着数值分析方法的逐步完善，尤其是计算机运算速度的飞速发展，整个计算系统用于求解运算的时间越来越少，而数据准备和运算结果的表现问题

5、却日益突出。 在现在的工程工作站上，求解一个包含10万个方程的有限元模型只需要用几十分钟。工程师在分析计算一个工程问题时有80%以上的精力都花在数据准备和结果分析上。当今有限元分析系统的另一个特点是与通用CAD软件的集成使用， 即：在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，自动生成有限元网格并进行计算，如果分析的结果不符合设计要求则重新进行造型和计算，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。当今所有的商业化有限元系统商都开发了和著名的CAD软件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的

6、接口。 （二）优化设计 概念：优化设计是以数学规划为理论基础，以电子计算机为工具，在充分考虑各种设计约束的前提下，寻求满足某些将预定目标的最优设计方案。最优化技术是在60年代发展起来的，它建立在近代数学、最优化方法和计算机程序设计的基础上，已成为解决复杂问题的一种有效工具。并成为计算机辅助设计应用中的一个重要方面。优化设计是属于创新设计，它使设计工作从过去的完全经验设计及类比设计中解放出来，从理论上建立设计对象的优化数学模型，按现代的设计方法进行计算，设计出符合人为要求的新产品。创新的设计可能是零件、部件、整机以及各行业的工程。 （1）优化设计的数学模型（2）优化方法（3）机械优化问题示例 （

7、二）优化设计 （2）优化方法其基本思想是搜索、迭代和逼近。即求解时，从某一初始点出发，利用函数在某一局部区域的性质和信息，确定每一迭代步骤的搜索方向和步长，去寻找新的迭代点，这样一步一步地重复数值计算，用改进后的新设计点替代老设计点，逐步改进目标函数，并最终逼近极值点。 （3）机械优化问题示例 例一：如图为由两根钢管组成的对称桁架。点A处P=300000N，2L=152cm，钢管厚度T=0.25cm，材料弹性模量E=2.16x107N/cm2，屈服极限s=70300N/cm2。求：在满足强度和稳定性条件下，使体积最小的圆臂直径d和桁架高度H。 稳定性：杆件截面上的压应力不超过压杆稳定的临界应力

8、。满足稳定性不发生屈曲破坏的条件为为压杆屈曲极限。式中，I为圆管的剖面惯性矩， 按欧拉公式 例二：某车间有4台机器，每台拟生产3种类型零件，每小时各零件获利润见表1；每生产不同零件之速率示于表2；本月对1、2、3种零件的需求分别为700、500、400个；4台机器可提供的工作时间分别为90、75、90、80h。如何安排生产方可月获利最大？解：为获利润最大，需合理确定每台机器生产某种零件若干。设表示第j台机器生产第i种零件的件数。一个月内获总利润为 且满足以下约束条件：（1）数量需求限制 （2）工时需求限制 （3）非负条件 本题是以共12个设计变量的约束优化问题。（三）机械可靠性设计 1、可靠性

9、的经典定义：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。 可靠性1、固有可靠性：通过设计、制造赋予产品的可靠性。2、使用可靠性：受制造、设计及使用条件影响的可靠性。注意：可靠性总低于固有可靠性可靠性学科1、可靠性工程：可靠性分析,可靠性设计及可靠性实验；2、可靠性数学：以概率和数理统计研究可靠性的定量规律；3、可靠性物理：研究零部件的失效原因, 模型, 改进措施；4、可靠性管理。起源于电子工业,已经渗透到机械工程及其他各学科领域,并渗透到社会科学的领域,如人的可靠性,工作可靠性等。（2）失效率（Failure Rate）产品在规定的条件下和规定的时间内，产品功能失效的概率（3）平均寿命和

10、平均无故障工作时间平均寿命：产品寿命的平均值MTTF（Mean Time To Failures）平均无故障工作时间:可修复产品相邻两次故障的平均时间 MTBF（ Mean Time Between Failures ）根据概率互补定理3、机械可靠性设计的主要内容 机械产品电子产品系统构成机械结构、动力系统、操作系统、电气系统、液压系统电源系统、指示系统、发送信号系统、接受信号系统、放大系统可靠性指标耐用寿命（时间、次数）、零件更换寿命、整机可用性MTBF、元件故障率、整机可用性故障机制在定期维修条件下，复杂的整机设备故障呈现随机性，零部件以耗损性故障为主元件和整机故障多属随即性故障关联性与联

11、接、使用、维修方式有关元件故障基本独立无关使用环境使用环境条件复杂，需掌握环境变化和极值条件，应力分析十分重要使用环境一般良好，有密闭和保护，应力因素可预测维修方式一般以预防性维修为主预防性维修意义不大可靠性预计困难可能数据准备公用数据收集不易，积累尚未正规化数据已广泛发布，已形成数据积累制度（四）计算机辅助设计1、概念：计算机辅助设计CAD(computer aided design) 设计人员借助于计算机进行设计的方法。其特点是将人的创造能力和计算机的高速运算能力，巨大存储能力和逻辑判断能力很好地结合起来。计算机辅助设计系统由硬件系统和软件系统构成。2、发展：上世纪60年代以大型机为主机，

12、配图形终端、字符终端、绘图机等构成的主从式系统。上世纪70年代发展为以小型机为主，配以机械、电子或建筑业通用软件的小型成套系统。上世纪80年代以来，则以工程工作站加网络构成的分布式系统为主流。目前，随着中央处理器性能的飞速提高，个人计算机有逐渐挤占工作站市场份额的趋势。1930年电动机械式计算机1943年12月巨人计算机运行1941年研制的Z-3型计算机1946.2.15世界上第第一台通用数字电子计算机ENIAC，18800个真空管，重达30吨，占地面积1500平方英尺，需要200KW电力。主频为0.1MHZ。1971年Intel 4004，第一代微处理器，4位微处理器，包含2300个晶体管，

13、支持45条指令，工作频率1 MHZ，尺寸规格为3mm4mm。1973年Intel8080，8位微处理器，存储寻址空间增加到64K字节，指令执行速度达到每秒50万条指令，主频2MHZ，同期有Motorola公司MC6800系列，以及Zilog公司的Z80等。1978年Intel 8086/8088 微处理器，内部包含29000个3微米技术的晶体管，工作频率4.77 MHZ，采用16位寄存器和16位数据总线，能够寻址1M字节的内存储器。同时代的还有Motorola公司的M68000和Zilog公司的Z8000。1985年32位微处理器80386系列。其内部包含27.5万个晶体管，工作频率为12.5

14、 MHZ，后逐步提高到40 MHZ。可寻址4GB内存，并可管理64TB的虚拟存储空间。1993年Intel Pentium Classic奔腾（具备x86指令集，工程代号P5，主频：75 MHZ，外部频率：33/66 MHZ，制造工艺：0.6、0.35微米。软件系统只能检索出符合要求的最佳图样针对设计对象编制并调试、修改程序，并输出设计图样按照产品要求，抽象出设计对象的目标函数、约束条件及设计变量，通过优化程序计算出最优设计结果设计人员直接与计算机对话，调用计算机内已有的产品信息、各种设计资料以及各种软件功能进设计，对于以图形显示的设计结果可以反复地进行修改，直到取得满意结果为止检索型系统试行

15、型系统自动设计型系统交互式系统近年来发展比较迅速计算机辅助设计系统一般以工程数据库、图形库为支持功能：交互式图形设计、几何造型、工程分析与优化设计、人工智能与专家系统三维CAD技术的意义及发展历程CAD技术起源于美国，它经历了一个由二维设计技术向三维设计技术发展的过程。早期二维机械CAD 仅仅是计算机辅助绘图（Computer Aided Drafting）三维CAD技术才是真正意义上的计算机辅助设计技术（Computer Aided Design）。三维CAD的四次技术革命第一次：由线框造型设计/加工发展到曲（表）面造型设计；第二次：由曲（表）面造型设计发展到实体造型设计；第三次：由实体造型

16、设计发展到参数化造型设计；第四次：由参数化造型设计发展到变量化造型设计的。最有影响的机械CAD/CAM软件有：Pro/E、I-DEAS、UG、Auto CAD。占60%以上。Master CAM是一种应用广泛的中低档CAD/CAM软件CATIA最早是由法国达索飞机公司研制，后来属于IBM公司，是一个高档CAD/CAM/CAE系统。CAXA是北京北航海尔软件有限公司研制的软件。选型原则 操作使用的方便性、软件的集成化程度、 CAD功能 、 CAM功能、后处理程序及数控代码输出 、升级方法和技术支援。柴油机设计例子（五）绿色设计20世纪90年代初期围绕在发展经济同时，如何节约资源，有效利用能源和保

17、护环境这一主题而提出的新的设计概念和方法。绿色设计：指以保护环境和环境资源为核心概念的设计过程。要求：1、设计出的产品可以拆 卸、分解，零部件可以翻新和重复使用；2、产品尽量减少零部件和原材料；3、以揿按式结构替代螺丝钉装置等。美国几乎每一辆汽车可以重新利用部分的重量，占总重量的75，德国宝马汽车的这一比例则高达80。绿色设计的内容：1、绿色产品设计的材料选择与管理：有害与无害成分的材料分开；到期的产品，有用的要回收利用，不可用部分要用能处理。2、产品的可拆卸性设计：综合考虑材料的回收可能性，回收价值的大小，回收的处理方法等3、产品的可回收性设计：综合考虑材料的回收可能性，回收价值的大小，回收

18、的处理方法等 绿色设计的本质： 为环保而设计（Design for Environment） 为回收而设计（Design for Recycle） 为拆解而设计（Design for Disassembly） 为再制而设计（Design for Re-manufacture） 为永续性而设计（Design for Sustainability） 企业开展绿色设计的原因：(1)顾客要求；(2)国际标准的要求；(3)竞争对手的挑战；(4)环保法轨的要求；(5)对产品的照顾责任等。顾客企业企业环境管理绿色设计产品服务社会绿色设计在企业环境管理中的地位设计原则：(1)易修护(2)易拆解(3)易回收(4)增长寿命，减少废弃物产生(5)易于共用，增加产品被利用度(6)易升级(7)多功能 绿色材料：(1)为永续性之绿色材料如：非氟氯碳化物（CFC free）之冷媒。(2)有助回收之材料如：以铝合金做为电器外壳。(3)可生物降解（bio degradable）的材料如：聚乙烯醇、淀粉基聚合物等。(4)替代性材料如：无汞、镉之电池材料，无铅焊锡，纲构建材等。(5)采用可再生原料制成之材料如：采用木制品、竹制品及木质/金属复合材料等。(6)材料回收之再利用 如：避免锌铜杂质的铁，环保水泥(Eco-cement) ，废玻璃制之陶瓷等。(7)省能源之功能材料如