机械工程导论第四讲

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）目前，工程实践中应用比较广泛的设计方法有：优化设计计算机辅助设计模块化设计有限元法虚拟设计绿色设计可靠性设计

①优化设计优化设计是从多种方案中选择最佳方案的设计方法。它以数学中的最优化理论为基础，以计算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求最优的设计方案。优化设计的概念传统设计设计--评定-再设计从多种方案中选取较好方案优化设计重视系统综合，在各种约束条件下用计算机求解在最短时间内寻求最佳设计方案

优化设计的优点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。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。一项设计常常在一定的技术条件下，要求取得一个技术指标的最佳的设计方案，以期达到最佳的设计目标，如重量、成本、性能、承载能力等。选用适当的优化方法和计算机程序将设计问题的物理模型转化为数学模型通过计算机求解得到最佳设计方案优化设计的一般步骤[例]行星轮系的优化设计行星轮系机构简图1）目标函数和设计变量影响目标函数的独立参数均可作为设计变量，即目标函数可改写为2）约束条件的建立①保证小齿轮不根切②限制齿宽最小值，得③限制模数最小值，得④模数和齿宽之间要求⑤保证各行星轮之间齿顶不相碰撞，应满足⑥满足接触强度要求，应有⑦满足轮齿弯曲强度要求，应有3）选用合适的优化方法求解，得利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。简称CAD。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案;各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索;设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成;利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。②计算机辅助设计(CAD)CAD的概念及作用传统设计人工计算、绘图设计精度、稳定性和效率有限，修改不方便计算机辅助设计用计算机设计、计算、绘图。提高了设计精度、稳定性和效率，修改方便常用的计算辅助设计软件有:AutoCAD、Proe、SolidWorks、UG和CATIA等。CAD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。

CAD的应用实际零件

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。CAD的应用③模块化设计以功能化的产品结构为基础，分解现有的产品，在分解中考虑到各个要素的可行性，从而在早期就预测到设计中可能会出现的矛盾，提高设计的可行性和可靠性，降低产品的成本。模块化设计的概念及作用以功能块为单位进行程序设计，实现其求解算法的方法称为模块化。简单地说就是程序的编写不是开始就逐条录入计算机语句和指令，而是首先用主程序、子程序、子过程等框架把软件的主要结构和流程描述出来，并定义和调试好各个框架之间的输入、输出链接关系。超精密机床系列和型号的拟定；

模块的划分；模块的组配；单元模块有限元力学分析；静刚度与动刚度；结构、运动学及功能模型。通用和专用模块的组合与集成；虚拟装配；关键部件工程化制造。系统测试；实验技术。

模块划分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超精密机床模块化设计举例

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

超精密车床和铣床结构示意图车床模块铣床模块综上所述模块化设计具有如下特点：①设计和制造时间短；②有利于产品的更新换代和新产品的开发；③有利于降低成本，提高产品的质量，便于产品的维修。④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，是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种弹性力学问题的求解方法。有限元法的概念及作用有限元法是一种计算机模拟技术，使人们能够在计算机上用软件模拟一个工程问题的发生过程而无需把东西真的做出来。这项技术带来的好处是，在图纸设计阶段能够让人们在计算机上观察到设计出的产品将来在使用中可能会出现的问题，不用把样机做出来在实验中检验会出现什么问题，可以有效降低产品开发的成本，缩短产品设计的周期。单元特性分析与计算结构离散化单元组集求解方程有限元法的计算过程主要应用于以下方面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零件强度和刚度计算求解工程中复杂的非线性问题、非稳态问题常用的有限元分析计算软件有IDEAS、ANSYS、MARC、ABAQUS等。可以分析应力、变形、温度场、磁场、振动、冲击、随机响应等。转台结构的有限元分析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。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、运动平稳性和承载能力。

钳夹梁系统受力简图600MW定子机座几何模型600MW定子机座有限元网格600MW定子机座总体位移云图（最大5.996mm）机座的等效Von.MiseS应力云图大变形有限元本构方程的建立[例]切削深度对超精密切削过程影响的有限元分析

有限元模型的建立和边界条件的确定切屑分离准则的选取超精密切削过程有限元分析有限元模型

切削力的变化等效应力的变化等效塑性应变的变化

切屑和工件温度分布虚拟设计虚拟设计技术是由多学科先进知识形成的综合系统技术，其本质是以计算机支持的仿真技术为前提，在产品设计阶段，实时地并行地模拟出产品开发全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造性、产品的可维护性和可拆卸性等，从而提高产品设计的一次成功率。它也有利于更有效更经济灵活地组织制造生产，使工厂和车间的设计与布局更合理更有效，以达到产品的开发周期及成本的最小化、产品设计质量最优化、生产效率的最高化。虚拟设计的概念及作用实例：汽车研发典型流程中，首先利用虚拟产品开发技术和结构分析CAE软件确定产品设计方案，然后进行零部件详细设计并实施加工过程。(1)虚拟设计继承了虚拟现实技术的所有特点。(2)继承了传统CAD设计的优点，便于利用原有成果。(3)具备仿真技术的可视化特点，便于改进和修正原有设计。(4)支持协同工作和异地设计，利于资源共享和优势互补，从而缩短产品开发周期。(5)便于利用和补充各种先进技术，保持技术上的领先优势。虚拟设计的优点绿色设计绿色设计是指以环境资源保护为核心概念的设计过程，其基本思想就是在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳人产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小。绿色设计的概念绿色设计的原则绿色设计的原则被公认为"3R"的原则，即Reduce,Reuse,Recycle，减少环境污染、减小能源消耗，产品和零部件的回收再生循环或者重新利用。产品材料的选择和管理。产品可拆卸性和可回收性设计。绿色产品成本分析和设计数据库的建立。产品的绿色包装设计。产品的绿色设计主要包括以下内容:可靠性设计可靠性设计的概念所谓可靠性，