2023年现代设计理论与方法作业大作业

现代机械设计理论与措施

（大作业）

1、采用系统化设计流程及所学现代设计措施详细论述某企业需要投资研发一

款新型产品的整个设计流程和采用措施。

（1）请详细论述采用哪些设计措施，怎样去完成新产品的规划设计过程？

（2）请详细论述采用哪些设计措施，怎样去完成新产品的方案设计过程？

（3）请详细论述采用哪些设计措施，怎样去完成新产品的技术设计过程？

（4）请详细论述采用哪些设计措施，怎样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重要阶段：第一种阶段是市场细分及选择阶段。

在这个阶段，重要通过市场调研与分析，研究怎样细分市场，以及企业怎样选择

细分市场，最终确定企业对细分市场1内战略选择。第二个阶段是定义新产品概念。

在这个阶段中要对杲个细分市场，搜集具需求的重要内容，包括客户需求、竞争

需求及企业内部需求，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途径，并根据企业日勺战略确定新产品开发的优先

次序和组合方略，然后根据企业资源状况，制定新产品开发日勺时间计划。

产品规划设计的步骤为：信息集约一产品设计任务一预测调研一可行性分析

T明确任务规定T可行性汇报、设计规定项目表。

进行产品规划设计日勺重要措施有：设计措施和预测技术。支持产品规划设计

的重要理论有：设计措施学、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体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T功能元求解一功能载体组合一

获得功能原理方案（多种原理方案）一原理试验T评价决策-最优原理方案T原

理参数表、方案原理图。

进行产品的方案设计的措施重要有：系统化设计措施、发明技法、评价决策

法、形态学矩阵法。

重要的理论指导包括：系统工程学、形态学、发明学、思维心理学、决策论、

模糊数学等。

（3）对产品进行技术设计时，首先要对构造进行总体设计，包括了对产品

日勺构造设计和造型设计。进行新产品日勺技术设计日勺重要步骤为：

产品技术设计的措施重要包括：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重要波及时理论指导有：价值工程学、最优化措施、工

程遗传算法、可靠性理论与试验、人机工程学、模块化设计、有限元法、动态设

计、摩擦学设计、机械设计欧J工艺基础、控制理论、智能工程、人工神经元计算

措施、专家系统等。

（4）产品构造设计施工设计啊重要步骤为：零件工作图一部件装配图「技

术文件。产品造型设计施工设计的重要步骤为：外观件加工工艺、画饰工艺规程

一效果图、检验原则T造型工艺文件。

进行产品施工设计H勺重要措施有：多种制造、装配、造型、装饰、检验等措

施。

2、运用形态学矩阵和评价措施，建立合理的煤矿主通风机构造设计方案，

并建立以费用为优化目标，系统可靠度不低于99%的主通风机构造设计优化数

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日勺通

风，又叫主通风机。辅扇是用于矿井通风网路中分支风路调整起风量日勺，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时巷道时局部地点通风。

矿用风机在矿井通风中的I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，保证生产和良好日勺劳动条件；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

X.局部解

1234

功能元

工作措施抽出式压入式混合式

动力源目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

现采用简朴评价法。用“++”表达“很好"用"+”表达“好”，用

表达“不好”。其评价构造表为

方案

In

评价准则

成本低++

便于制造+-

构造简朴十-

操作以便-+

安全性能高4--

总计3“+”1

总计成果表明，方案I为较理想的方案。

主通风机构造设计优化数学模型

I）确定设计变量

产品在规定日勺条件下和规定日勺时间内完成规定功能日勺概率称为可靠度，可

见，产品的可靠度是时间，的函数，因此，以时间，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。通风机日勺费用应该包括了购置的费用W、保养的费用X

和维修H勺费用V。其中，购置的费用为一定值，而伴随通风机H勺老化，保养费用

和维修费用会逐渐增加。因此，保养费用x和维修费用y也是有关时间日勺隐式函

数。记保养费用有关时间用、J函数关系式为x=M。，记维修费用有关时间川勺函

数关系式为丫=)«)。则通风机在其全寿命过程中的费用/⑺为：

/(。=卬+/)+)«)

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/时刻尚未失效日勺产

品，在该时刻f后来的下一种单位时间内发生失效的概率。它是时间涉勺函数，

又称为失效率函数，用刈。表达。

»八_lim〃(，+&)-#)

⑺一播w-W肚

式中，N为开始时投入主通风机试验产品欧I总数；〃(。为/时刻主通风机日勺

失效数；〃(1+4)为/+&时刻产品日勺失效数；4为时间间隔。

根据失效率4(。日勺定义，可得

\_n(t+_1n(t+At}-n(t)_1dn(t)

“[N-/i(r)]zlrN-/z(r)AtN-n(t)dt

对上式分子分母各乘以N,得

雨)二』.幽

式中，为产品的可靠度，且M。=上㈣。

对上式从()至取积分，则得到

1次％=_仙R（t）

于是得

R(r)=e°

于是，系统可靠度不低于99%的主通风机构造设计优化数学模型为:

Findt

<min/(z)=W+x(f)-ry(r)

s.t.M。-09920

3、详细论述运用有限元法及软件进行采煤机截齿构造强度和刚度安全性

分析的过程？

答：采煤机截齿构造如图1所示

图一：采煤机截齿构造图

采用有限元进行采煤机截齿构造强度和刚度安全性分析的步骤大体可以分

为三步（采用欧I有限元软件为ANSYS）：

第一步：建立有限元模型：建立有限元模型日勺步骤可以分为如下几种流程

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

工作途径，将所要进行日勺有限元分析保留在某一特定途径的文件央中，以便查看

和编辑所做日勺分析。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获得名字。标题名最直观H勺作用是

用简洁的英文语句标示目前分析的某种信息，如分析对象、分析工况、分析性质

等。

2）定义单元类型：ANSYS提供了上百种不一样的单元，为了以便顾客对附

识别这些单元，ANSYS建立了针对不一样问题的单元类型，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中是没有反复的。

定义单元类型日勺措施为，［mainmenu］（主菜单）一［preprocessor］（前

处理器）—［element］（单元类型）—［add］（增加）-［edit］（编辑）一

［delete］（册U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n勺单元类型。

3）定义材料属性：ANSYS中日勺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。详细措施为：单击【mainmenu］（主菜单）一

[preprocessor]（前处理器）一【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）构造模型［structure］（构造）-［linear］（线性）-

［elastic］（弹性）一【Isotropic］（各向同性），表明要定义H勺材料是各向同性

线弹性材料。

4）创立有限元模型：

ANSYS提供了两种措施来构建有限元模型，一种是首先创立或导入实体模

型，然后对实体模型进行网格划分，以生成有限元模型；另一种是直接运用单元

和节点生成有限元模型，不过第二种措施非常困难，因此，在实际中不实用也不

常用。本例中采用第一种措施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种不一样类型日勺分析，分别是静态分析，瞬态分析、谐

振分析、模态分析、频漕分析、屈曲分析和子构造分析。定义分析选项日勺措施为：

［mainmenu］（主菜单）—［solution］（求解器）—>［analysis］（分析类型）

—>［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：

确定载荷子步日勺个数，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M'J求解措施：【mainmenu］（主菜单）—►［solution］（求解器）

—>［analysistype］（分析类型）一【so『ncontrols】（求解控制），弹出【solution

controls］对话框后选择合适的I求解措施即可。

选择好求解器后可进行求解，措施为：［mainmenu】（主菜单）一【solulion】

（求解器）-［solve］（求解）-［currentLs］（目前载荷步）。

第三步：成果后处理和成果查看：

有限元完成计算后，需要查看分析成果。分析成果的查看通过后处理来完成。

所谓后处理器，就是观测和分析有限元日勺计算成果，并从成果中鉴定计算与否对

的。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

进入通用后处理器口勺措施为：［mainmenu］（主菜单）—>［generalpostproc］

（通用后处理器）。

进入时间历程后处理器日勺措施为：［mainmenu］（主菜单）—［timehist

postproc］（时间历程后处理器）。

4、选择某传动齿轮轴，详细论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论述）？

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

加S）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口勺可靠度或设计出在规定可靠

度下零件的基本尺寸。

用/TS）和g（勿分别表达齿轮轴的强度和应力的概率密度函数。定义可靠度为

/?=P（S>L）=P［（S-L）>O］

由应力.强度干涉模型可得强度不不小于应力R勺概率为

P（S<L）=J/（S>/5

强度和应力均为独立的I随即变量。因此失效概率为

F=£『Ms虱L)dL

则齿轮轴日勺可靠度为

R=1-尸=m(SbSg亿"L=n；"g(w

通过大量日勺试验分析，齿轮轴的强度和应力日勺概率密度函数服从于正态分

布，即

・/c\2

/6)='g(L)=---7=exp

21々,

O[72兀

根据齿轮轴强度可靠度日勺定义R=P[(S-L)〉0],令"S-L,由于S和L

均是随即变量，因此t也是随机变量并服从于正态分布。其概率密度函数用

来表达，因此

根据随机变量正太分布日勺运算法则

d=值+戌,从=〃s+4

因此，齿轮轴强度日勺可靠性为

11p-A

R=P[(S_L)>0]="“W=『dt

6

/\2

]__X1一出一人）

1dt

I72

°JCT；+CT；y/27T2

2

令Z=/，（4—〃/）,则上式为R=Z

^e~^dZo

M+07

令Z"一〃=,则齿轮轴的强度可靠度计算式为R=

ZR尸称为强度应力耦合方程。在工程设计中，由于荷载和应力区I

十%

现行设计措施具有一定H勺误差，同步考虑零件的重要程度，实际计算时往往引入

从—Nu,

强度储备系数N（N>1）,因此上式为二；,…

只要计算出强度和应力H勺均值和方差，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H勺疲劳极限线图是用多种应力比下的均值画出

的，是一条曲线。而在可靠性设计中，疲劳吸限线图是一条曲线分部带。

疲劳极限的平均值为:

疲劳极限欧J原则离差力为:

应力幅H勺原则离差力为（-为常数）：

1-r

S”=­T-^a

乙

平均应力的原则离差与为（-为常数）：

\+r

S,n=-^

其中成为应力幅的平均值，工=6:6向；黑为平均应力的平均值，

且等=生丝詈立；力为材料的疲劳极限应力。

零件的I疲劳极限

材料的J疲劳极限仿二果,）用原则试样试验测得，零件日勺疲劳极限由材料的疲

劳极限考虑各影响原因求得，即：

式中，（£,sj为尺寸系数欧I分布，为表面加工系数日勺分布，（Ko，%）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原则离差计算联结系数

Z（或可靠度系数），由正态分布表查得可靠度R,比较设计条件与否满足规定。

式中，心表达强度均值，h表达应力均值；s,表达强度原则离差，表达

应力原则离差。

5、选择某种机械产品，详细论述并行设计、造型设计、绿色设计、计算机

辅助设计法怎样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日勺应用

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日勺外

部联络，也没有忽视系统的内部联络,突破了以环节之间通过外延联络构成过程

系统的片面性和表面性，弥补了串行模式系统设计日勺局限性，形成了明显优越的I

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，目前最活跃日勺依然是并行工程。正因并行设计的一系

列点，因此应该把该设计理念贯彻到本机时设计工作中来。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。

一、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饰演着重要的角色，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捡造

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性与体

量感，侧围与前脸、顶棚、后围共同引导整车的J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

车日勺侧围造型设计可从下两点体现：（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）侧围各线条体现动感，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日勺设计元素，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目

前如下两点：（1）运用新技术，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、折线笔造型元素传达情感。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

种“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，而且还对整车日勺造型风格和特性起到决

策性作用。微型电动汽车车口造型设计的措施；（1）考虑与整车造型风格日勺协

调统一；（2）采用多种车口打开方式，取消B柱，增加车内空间H勺使用。

综上所述，微型电动汽车车身造型设计分别可W从车前脸、车灯等重要轮廓

线设计，车灯造型重要表目前照明方式上，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内空间使用。

三、绿色设计在汽车设计中日勺应用

绿色汽车设计规定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。老式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”日勺单一一种过程，而绿色汽车赋予了产品生命周期的延伸性，从汽车设计欧|

概念产生、材料选择、生产制造、再到上路行驶，甚至最终汽车报废的回收处理

时各个阶段，都包括在设计师日勺考虑范围内。在详细日勺设计过程中，绿色设计既

要考虑人与自然友好共存的价值观，乂要到达环境保护日勺技术规定，可以说是设

计师设计技巧的天才发挥。

作为全球最大H勺汽车消费市场和最大的汽车制造国，中国品牌口勺绿色汽车发

展对于全球汽车均有很大的影响。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、又可充电日勺多种能量补充方式。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。在充斥电和油日勺状况下，可以持续行驶58()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汽车以便优势，还具有此外两个优越性。一是即便

在增程器启动状态下，仍具有比其他类型汽车更优越的燃油经济性。二是增程器

提供能量与辅助功率，电池寿命增加，成本降低。

海马汽车推出日勺丘比特新能源车型可以使用两种充电模式，家用电源220V

慢充模式，大电流快充模式2小时能充斥电，充斥电后行驶里程可达160km