現(xiàn)代機械設(shè)計理論與方法()

1、一、概述一、概述二、現(xiàn)代設(shè)計方法簡介二、現(xiàn)代設(shè)計方法簡介優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化設(shè)計模塊化設(shè)計模塊化設(shè)計計算機輔助設(shè)計計算機輔助設(shè)計有限元法有限元法 工業(yè)設(shè)計工業(yè)設(shè)計價值工程價值工程相似性設(shè)計相似性設(shè)計 可靠性設(shè)計可靠性設(shè)計動態(tài)設(shè)計動態(tài)設(shè)計 設(shè)計方法學設(shè)計方法學 反求工程設(shè)計反求工程設(shè)計現(xiàn)代機械設(shè)計方法現(xiàn)代機械設(shè)計方法就是研究設(shè)計過程中能夠更加高效、高質(zhì)量、快速地完成機械產(chǎn)品設(shè)計的方法。（以計算機為輔助工具） 優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化設(shè)計傳統(tǒng)設(shè)計傳統(tǒng)設(shè)計設(shè)計設(shè)計-評定評定-再設(shè)計再設(shè)計從多種方案中從多種方案中選取較好方案選取較好方案優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化設(shè)計重視系統(tǒng)綜合，在重視系統(tǒng)綜合，在各種約束條件下用各種約束條件下用計算機

2、求解計算機求解在最短時間內(nèi)尋求在最短時間內(nèi)尋求最佳設(shè)計方案最佳設(shè)計方案 正方形鐵板xaxmax V 最優(yōu)化問題的舉例最優(yōu)化問題的舉例關(guān)于最優(yōu)化問題的解法，軟件開發(fā)者開發(fā)出了各種最優(yōu)關(guān)于最優(yōu)化問題的解法，軟件開發(fā)者開發(fā)出了各種最優(yōu)化計算軟件，供工程設(shè)計人員使用?；嬎丬浖┕こ淘O(shè)計人員使用。但是，作為使用者必須了解各種最優(yōu)化方法的特點，才但是，作為使用者必須了解各種最優(yōu)化方法的特點，才能針對實際問題選擇出合適的最優(yōu)化方法解決問題。能針對實際問題選擇出合適的最優(yōu)化方法解決問題。一項設(shè)計常常在一項設(shè)計常常在一定的技術(shù)條件一定的技術(shù)條件下，要求取得一個技術(shù)下，要求取得一個技術(shù)指標的指標的最佳的設(shè)計方

3、案最佳的設(shè)計方案，以期達到最佳的，以期達到最佳的設(shè)計目標設(shè)計目標，如，如重量、成本、性能、承載能力等。重量、成本、性能、承載能力等。數(shù)學模型是實際設(shè)計問題的抽象數(shù)學模型是實際設(shè)計問題的抽象,一個完整的數(shù)學模型一個完整的數(shù)學模型包括包括:一個設(shè)計方案有一個設(shè)計方案有n個設(shè)計變量個設(shè)計變量）（nTnRXxxxX,21在滿足在滿足), 2 , 1(0),()(21muxxxgXgnuu), 2 , 1(0),()(21npvxxxhXhnvv求目標函數(shù)求目標函數(shù)),()(21nxxxFXF)(minXFnRX例例 行星輪系的優(yōu)化設(shè)計行星輪系的優(yōu)化設(shè)計行星輪系機構(gòu)簡圖行星輪系機構(gòu)簡圖 1）目標函數(shù)和設(shè)

4、計變量）目標函數(shù)和設(shè)計變量32212mm)2(419635. 0)(CibZmXFCmbzxxxxX14321影響目標函數(shù)的獨立參數(shù)均可作為設(shè)計影響目標函數(shù)的獨立參數(shù)均可作為設(shè)計變量，即變量，即目標函數(shù)可改寫為目標函數(shù)可改寫為)2(419635. 0)(222123CixxxXF017)(1小zXg010)(22 xXg2）約束條件的建立）約束條件的建立 保證小齒輪不根切保證小齒輪不根切 限制齒寬最小值，得限制齒寬最小值，得 限制模數(shù)最小值，得限制模數(shù)最小值，得02)(33 xXg 模數(shù)和齒寬之間要求模數(shù)和齒寬之間要求mbm175017)(05)(235324xxXgxxXg 保證各行星輪之間

5、齒頂不相碰撞，應(yīng)滿足保證各行星輪之間齒頂不相碰撞，應(yīng)滿足0)sin1)(2(21sin)(116CixCxXg0/1 ()(22327）大小小小zzTAxxzXgH0)(2238FFYTAxzxXg小小 滿足接觸強度要求，應(yīng)有滿足接觸強度要求，應(yīng)有 滿足輪齒彎曲強度要求，應(yīng)有滿足輪齒彎曲強度要求，應(yīng)有3）選用合適的優(yōu)化方法求解，得）選用合適的優(yōu)化方法求解，得5 . 453221mbzX選用適當?shù)膬?yōu)化方選用適當?shù)膬?yōu)化方法和計算機程序法和計算機程序?qū)⒃O(shè)計問題的將設(shè)計問題的物理模型轉(zhuǎn)化物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學模型為數(shù)學模型通過計算機通過計算機求解得到最求解得到最佳設(shè)計方案佳設(shè)計方案優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化設(shè)計CAD能

6、夠幫助我們完成機械設(shè)計中的圖形設(shè)計（制圖）能夠幫助我們完成機械設(shè)計中的圖形設(shè)計（制圖）及部分分析計算。（以計算機為工具）及部分分析計算。（以計算機為工具）傳統(tǒng)設(shè)計傳統(tǒng)設(shè)計人工計算、繪圖人工計算、繪圖設(shè)計精度、穩(wěn)定性設(shè)計精度、穩(wěn)定性和效率有限，修改和效率有限，修改不方便不方便 計算機輔助設(shè)計計算機輔助設(shè)計(CAD)計算機輔助設(shè)計計算機輔助設(shè)計用計算機設(shè)計、用計算機設(shè)計、計算、繪圖。計算、繪圖。提高了設(shè)計精度、提高了設(shè)計精度、穩(wěn)定性和效率，修穩(wěn)定性和效率，修改方便改方便常用的計算輔助設(shè)計軟件有常用的計算輔助設(shè)計軟件有:AUTOCAD、PROE、UG和和CATIA等。等。CAD提供了產(chǎn)品設(shè)計所需的各

7、種標準、規(guī)范、工藝參數(shù)提供了產(chǎn)品設(shè)計所需的各種標準、規(guī)范、工藝參數(shù)等工程數(shù)據(jù)。等工程數(shù)據(jù)。 實際零件實際零件 加工過程模擬加工過程模擬CAD還具有設(shè)備工作過程模擬和零件加工過程模擬的功能。還具有設(shè)備工作過程模擬和零件加工過程模擬的功能。 模塊化設(shè)計模塊化設(shè)計以模塊化設(shè)計理論為指導思想，以快速、提高可靠性和降以模塊化設(shè)計理論為指導思想，以快速、提高可靠性和降低成本為主要目的，進行機械產(chǎn)品模塊化設(shè)計。低成本為主要目的，進行機械產(chǎn)品模塊化設(shè)計。 主要目標是用盡可能少的種類和數(shù)量的模塊組成盡可能多主要目標是用盡可能少的種類和數(shù)量的模塊組成盡可能多的種類和規(guī)格的產(chǎn)品。的種類和規(guī)格的產(chǎn)品。專用部件專用部件

8、若干若干標準的、系列標準的、系列的模塊化部件的模塊化部件各類模塊化超精各類模塊化超精密加工機床密加工機床根據(jù)武器研制和生產(chǎn)的需要根據(jù)武器研制和生產(chǎn)的需要解決解決幾個幾個關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)十幾種十幾種多臺多臺超精密機床模塊化設(shè)計舉例超精密機床模塊化設(shè)計舉例超精密機床系列和型號的擬定；超精密機床系列和型號的擬定； 模塊的劃分；模塊的劃分；模塊的組配模塊的組配 ；單元模塊有限元力學分析；單元模塊有限元力學分析；靜剛度與動剛度；靜剛度與動剛度；結(jié)構(gòu)、運動學及功能模型。結(jié)構(gòu)、運動學及功能模型。通用和專用模塊的組合與集成；通用和專用模塊的組合與集成；虛擬裝配；虛擬裝配；關(guān)鍵部件工程化制造。關(guān)鍵部件工程化制造

9、。系統(tǒng)測試；系統(tǒng)測試；實驗技術(shù)。實驗技術(shù)。 整體技術(shù)方案整體技術(shù)方案模塊化超精密機床導軌及工作臺系統(tǒng)主軸系統(tǒng)環(huán)境控制系統(tǒng)導軌驅(qū)動系統(tǒng)微量進給系統(tǒng)床身系統(tǒng)位置檢測系統(tǒng)控制系統(tǒng)其他系統(tǒng) 超精密機床模塊化設(shè)計超精密機床模塊化設(shè)計低成本、快速、高可靠性超精密機床模塊化設(shè)計主軸模塊導軌模塊導軌驅(qū)動機構(gòu)微量進給模塊環(huán)境控制模塊位置檢測模塊床身模塊數(shù)控模塊其他模塊空氣靜壓主軸液體靜壓主軸單坐標聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)雙坐標聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)超精高速主軸空氣靜壓導軌液體靜壓導軌滾珠絲杠直線電機驅(qū)動摩擦驅(qū)動機構(gòu)壓電陶瓷進給磁致伸縮進給振動控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)雙頻激光干涉系統(tǒng)光柵測量系統(tǒng)臥式床身結(jié)構(gòu)龍門立式結(jié)構(gòu)電機刀架吸盤 超精密

10、車床和銑床結(jié)構(gòu)示意圖超精密車床和銑床結(jié)構(gòu)示意圖車床模塊車床模塊銑床模塊銑床模塊 通用模塊與專用模塊的有效集成技術(shù)通用模塊與專用模塊的有效集成技術(shù) 超精密車床超精密車床空氣靜壓主軸（空氣靜壓主軸（ZZZZ） 空氣靜壓導軌（空氣靜壓導軌（DGDG）臥式床身臥式床身(CS) (CS) 直線電機（直線電機（QDQD）隔振系統(tǒng)隔振系統(tǒng)(HJ) (HJ) 溫度控制系統(tǒng)（溫度控制系統(tǒng)（HJHJ）雙坐標聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)（雙坐標聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)（SKSK） 雙頻激光干涉儀雙頻激光干涉儀(WZ)(WZ)主軸驅(qū)動電機（主軸驅(qū)動電機（QTQT） 空氣靜壓尾座空氣靜壓尾座壓電陶瓷機構(gòu)（壓電陶瓷機構(gòu)（WJWJ） 刀架（刀架（QT

11、QT） 超精密銑床超精密銑床 液體靜壓主軸（液體靜壓主軸（ZZZZ） 液體靜壓導軌（液體靜壓導軌（DGDG） 臥式床身臥式床身(CS) (CS) 滾珠絲杠（滾珠絲杠（QDQD） 隔振系統(tǒng)隔振系統(tǒng)(HJ) (HJ) 溫度控制系統(tǒng)（溫度控制系統(tǒng)（HJHJ） 主軸驅(qū)動電機（主軸驅(qū)動電機（QT） 導軌驅(qū)動電機（導軌驅(qū)動電機（QT） 超精密車床； 小型非球曲面磨床； 超精密內(nèi)表面磨床 光學零件超精密復合加工機床； 立式超精密鏜床 ； 臥式超精密鏜床 ； 超精密銑床 ； .可以組合的設(shè)備可以組合的設(shè)備綜上所述模塊化設(shè)計具有如下特點：綜上所述模塊化設(shè)計具有如下特點： 設(shè)計和制造時間短；設(shè)計和制造時間短； 有

12、利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代和新產(chǎn)品的開發(fā)；有利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代和新產(chǎn)品的開發(fā)； 有利于降低成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，便于產(chǎn)品的維修。有利于降低成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，便于產(chǎn)品的維修。 有限元法有限元法有限元法是以計算機為工具的一種現(xiàn)代數(shù)值計算方法。有限元法是以計算機為工具的一種現(xiàn)代數(shù)值計算方法。單元特性分析單元特性分析與計算與計算結(jié)構(gòu)離散化結(jié)構(gòu)離散化單元組集求單元組集求解方程解方程有限元法的計算過程有限元法的計算過程主要應(yīng)用于主要應(yīng)用于以下方面以下方面進行復雜結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動態(tài)分析進行復雜結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動態(tài)分析計算復雜零件的應(yīng)力分布和變形計算復雜零件的應(yīng)力分布和變形零件強度和剛度計算零件強度和剛度計算求解工程中

13、復雜的非線性問題、非穩(wěn)求解工程中復雜的非線性問題、非穩(wěn)態(tài)問題態(tài)問題常用的有限元分析計算軟件有常用的有限元分析計算軟件有IDEAS、ANSYS、MARC、ABAQUS等。等?？梢苑治鰬?yīng)力、變形、溫度場、磁場、振動、沖擊、隨機可以分析應(yīng)力、變形、溫度場、磁場、振動、沖擊、隨機響應(yīng)等。響應(yīng)等。轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的有限元分析轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的有限元分析可以進行動態(tài)特性分析，識別系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，從而為轉(zhuǎn)臺可以進行動態(tài)特性分析，識別系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，從而為轉(zhuǎn)臺的設(shè)計提供理論依據(jù)。的設(shè)計提供理論依據(jù)。轉(zhuǎn)臺主軸軸系及臺面有限元分析轉(zhuǎn)臺主軸軸系及臺面有限元分析轉(zhuǎn)臺軸系的動態(tài)特性直接影響轉(zhuǎn)臺的運動精度、運動平穩(wěn)轉(zhuǎn)臺軸系的動態(tài)特性直接

14、影響轉(zhuǎn)臺的運動精度、運動平穩(wěn)性和承載能力。性和承載能力。 鉗夾梁系統(tǒng)受力簡圖1XYZ NOV 2 200818:01:29AREASTYPE NUM600MW定子機座幾何模型1XYZ NOV 2 200817:39:06ELEMENTS600MW定子機座有限元網(wǎng)格1MNMXXYZ .233291.8736461.5142.1542.7953.4354.0754.7165.3565.996NOV 26 200816:23:07NODAL SOLUTIONSUB =1TIME=1USUMTOPRSYS=SOLUDMX =5.996SMN =.233291SMX =5.996600MW定子機座總體位

15、移云圖（最大5.996mm） 1MNMXXYZ .01251853.2106.388159.575212.763265.95319.138372.325425.513478.7NOV 26 200816:28:17NODAL SOLUTIONSUB =1TIME=1SEQV (AVG)TOPDMX =5.996SMN =.012518SMX =478.7機座的等效Von.MiseS應(yīng)力云圖l 大變形有限元本構(gòu)方程的建立大變形有限元本構(gòu)方程的建立例例 切削深度對超精密切削過程影響的有限元分析切削深度對超精密切削過程影響的有限元分析l 有限元模型的建立和邊界條件的確定有限元模型的建立和邊界條件的確

16、定l 切屑分離準則的選取切屑分離準則的選取l 超精密切削過程有限元分析超精密切削過程有限元分析有限元模型有限元模型 切削力的變化切削力的變化等效應(yīng)力的變化等效應(yīng)力的變化等效塑性應(yīng)變的變化等效塑性應(yīng)變的變化 切屑和工件溫度分布切屑和工件溫度分布 工業(yè)設(shè)計工業(yè)設(shè)計工業(yè)設(shè)計是以工業(yè)產(chǎn)品為表現(xiàn)對象，在滿足工業(yè)屬性的前工業(yè)設(shè)計是以工業(yè)產(chǎn)品為表現(xiàn)對象，在滿足工業(yè)屬性的前提下，用藝術(shù)手段，創(chuàng)造出實用、美觀和經(jīng)濟的產(chǎn)品。提下，用藝術(shù)手段，創(chuàng)造出實用、美觀和經(jīng)濟的產(chǎn)品。工業(yè)設(shè)計的目的是工業(yè)設(shè)計的目的是保證產(chǎn)品的造型質(zhì)保證產(chǎn)品的造型質(zhì)量，設(shè)計出的產(chǎn)品量，設(shè)計出的產(chǎn)品具有批量性、創(chuàng)造具有批量性、創(chuàng)造性、實用性、藝術(shù)

17、性、實用性、藝術(shù)性和經(jīng)濟性。性和經(jīng)濟性。不但保證產(chǎn)品的外部特征，還要考慮結(jié)構(gòu)、功能與材料不但保證產(chǎn)品的外部特征，還要考慮結(jié)構(gòu)、功能與材料的關(guān)系，強調(diào)系統(tǒng)和整體效能進行產(chǎn)品設(shè)計。的關(guān)系，強調(diào)系統(tǒng)和整體效能進行產(chǎn)品設(shè)計。 價值分析（價值工程）價值分析（價值工程）價值分析最終目的是價值分析最終目的是尋求功能與成本的最尋求功能與成本的最佳比例佳比例 。價值分析是產(chǎn)品獲得最大價值的一種現(xiàn)代設(shè)計方法。價值分析是產(chǎn)品獲得最大價值的一種現(xiàn)代設(shè)計方法。以開發(fā)創(chuàng)造性以開發(fā)創(chuàng)造性為基礎(chǔ)為基礎(chǔ)以功能分析以功能分析為核心為核心以科學分析以科學分析為工具為工具價值分析價值分析尋求功能與成本的最佳比例尋求功能與成本的最佳比

18、例成本分析和功成本分析和功能價值計算能價值計算確定價值分析確定價值分析的對象的對象運用最新科運用最新科技成果技成果價值分析的一般過程價值分析的一般過程選出最佳設(shè)計選出最佳設(shè)計方案方案對現(xiàn)有的功對現(xiàn)有的功能原理和方能原理和方法進行革新法進行革新達到提高產(chǎn)達到提高產(chǎn)品價值的最品價值的最終目的終目的 相似設(shè)計相似設(shè)計相似設(shè)計是相似性理論在機械領(lǐng)域的具體應(yīng)用，相相似設(shè)計是相似性理論在機械領(lǐng)域的具體應(yīng)用，相似設(shè)計是工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。似設(shè)計是工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。 對它進行最佳對它進行最佳方案的設(shè)計方案的設(shè)計 先選定某一檔先選定某一檔型號的產(chǎn)品為型號的產(chǎn)品為模型模型定出其材料定出其材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參

19、數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸尺寸 相似設(shè)計過程相似設(shè)計過程再通過相似性原理再通過相似性原理求出系列中其他產(chǎn)求出系列中其他產(chǎn)品的參數(shù)和尺寸品的參數(shù)和尺寸 三、現(xiàn)代設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計的區(qū)別三、現(xiàn)代設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計的區(qū)別傳統(tǒng)設(shè)計傳統(tǒng)設(shè)計 現(xiàn)代設(shè)計現(xiàn)代設(shè)計 憑經(jīng)驗，功能原理分析少，過早進入具體方憑經(jīng)驗，功能原理分析少，過早進入具體方案。案。 從抽象思維方法出發(fā)，用計算機獲得各種方從抽象思維方法出發(fā)，用計算機獲得各種方案，優(yōu)化選出最佳。案，優(yōu)化選出最佳。 自然優(yōu)化， “設(shè)計自然優(yōu)化， “設(shè)計-評定評定-再設(shè)計” ， 從各種設(shè)計再設(shè)計” ， 從各種設(shè)計方案中選取較好方案，憑經(jīng)驗、判斷力。方案中選取較好方案，憑經(jīng)驗、判斷力。 重視系統(tǒng)綜合，在各種約束條件下用計算機重視系統(tǒng)綜合，在各種約束條件下用計算機在最短時間內(nèi)尋求最優(yōu)參數(shù)。在最短時間內(nèi)尋求最優(yōu)參數(shù)。 憑經(jīng)驗或自發(fā)性地考慮人、機、環(huán)境之間的憑經(jīng)驗或自發(fā)性地考慮人、機、環(huán)境之間的關(guān)系，很難達到三者的協(xié)調(diào)。關(guān)系，很難達到三者的協(xié)調(diào)。