機械工程概論課件

1、第四章 機械設計及現(xiàn)代設計方法設計：人們根據(jù)預定目標來生產(chǎn)滿足要求的信息的一種活動。 通過圖形、文字、數(shù)據(jù)、符號表達出來。4-1 機械設計基本方法設計發(fā)展階段直覺設計（遠古1500年）經(jīng)驗設計（15011849年）半經(jīng)驗設計（18501949年）半自動設計（19501989年）自動化設計（1990現(xiàn)在）明朝，設計制造同一人基本結(jié)構(gòu)的組合裝置專門進行另部件研究實驗，有標準借助計算機輔助手段進行設計虛擬現(xiàn)實技術計算機集成制造系統(tǒng)機械設計的基本要求設計機器應滿足的基本要求1、功能性要求2、可靠性要求3、經(jīng)濟性要求4、勞動保護要求5、其他特殊要求動向預測方案設計技術設計施工設計試生產(chǎn)機械設計的一般步驟

2、1、強度、剛度及壽命要求2、結(jié)構(gòu)工藝性要求3、可靠性要求4、經(jīng)濟性要求5、質(zhì)量小的要求設計機械零件的基本要求：常見產(chǎn)品及其設計圖減速箱減速箱下箱工程圖減速箱裝配圖機械設計方法和步驟1。理論設計（重要的零部件）2。經(jīng)驗設計（已典型化的零件）3。模型實驗設計（特別重要的零件）設計的一般步驟1。動向預測2。方案設計3。技術設計4。施工設計5。試生產(chǎn)利用CAD軟件進行機械設計實例4-2 現(xiàn)代設計方法 將傳統(tǒng)設計中的經(jīng)驗、類比法設計提高到邏輯的、理性的、系統(tǒng)的新設計方法，是在靜態(tài)分析的基礎上，進行動態(tài)多變量的最優(yōu)化?，F(xiàn)代設計： 把設計對象看作一個系統(tǒng)，同時考慮系統(tǒng)與外界的聯(lián)系，通過功能分析、系統(tǒng)綜合等方

3、法，力求系統(tǒng)整體最優(yōu)，使人機之間的功能相互協(xié)調(diào)。 強調(diào)創(chuàng)造能力開發(fā)和充分發(fā)揮人的創(chuàng)造性；重視原理方案的設計、開發(fā)和產(chǎn)品創(chuàng)新。只有創(chuàng)新才能有所發(fā)明。（一）現(xiàn)代設計的特征（1）系統(tǒng)性（2）創(chuàng)造性 在設計過程中，綜合考慮分析市場需求、設計、生產(chǎn)、管理、使用、銷售能各方面的因素；綜合運用系統(tǒng)工程、可靠性理論、價值工程等學科的知識，探索多種解決設計問題的途徑。 現(xiàn)代設計研究設計的一般進程，包括一般設計戰(zhàn)略和用于設計各個具體部分的戰(zhàn)術方法。要求設計者從產(chǎn)品規(guī)劃、方案設計、技術設計、施工設計到實驗、試制，按步驟有計劃地進行設計。 （3）綜合性（4）程式性(二) 現(xiàn)代設計方法的產(chǎn)生 我國從上世紀80年代開始對

4、現(xiàn)代設計方法進行研究，通過和聘請國外專家，推廣和普及現(xiàn)代設計的基本知識。現(xiàn)代設計方法優(yōu)化設計(Optimal design)、價值工程(Value engineering)、可靠性設計(Reliability design) 、計算機輔助設計(CAD) 工業(yè)藝術造型設計(Visual design)、反求工程(Inverse engineering)、模塊化設計(Modular design)機械動態(tài)設計(Dynamic design)、并行設計(Concurrent design) 人機工程學(Ergonomics或Human Engineering )、有限元法(Finite elemen

5、t method) 日本自1960年以來開始現(xiàn)代設計方法的研究，提高設計人員素質(zhì)，開展工程技術教育。 美國的產(chǎn)品設計圖紙基本上由計算機繪制，強調(diào)“創(chuàng)造性設計”，提倡設計中創(chuàng)造能力的開發(fā)，把設計活動分為創(chuàng)造分析決策三個步驟。一、有限元分析方法 出現(xiàn)于上世紀50年代中期至60年代末。在60年代末70年代初出現(xiàn)了大型通用有限元程序，以功能強、使用方便、計算結(jié)果可靠和效率高而成為結(jié)構(gòu)工程強有力的分析工具。 用有限個單元將連續(xù)體離散化，通過對有限個單元作分片插值求解各種力學、物理問題的一種數(shù)值方法。 有限元法把連續(xù)體離散成有限個單元：桿系結(jié)構(gòu)的單元是每一個桿件；連續(xù)體的單元是各種形狀（如三角形、四邊形、

6、六面體等）的單元體。 根據(jù)能量方程或加權殘量方程可建立有限個待定參量的代數(shù)方程組，求解此離散方程組就得到有限元法的數(shù)值解。 目前，有限元法在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)力學、熱力學、流體力學和電磁學等許多領域都發(fā)揮著重要作用。當前，在我國工程界比較流行，被廣泛使用的大型有限元分析軟件有MSC/Nastran、Ansys、Abaqus、Marc、Adina和Algor等。有限元分析模型有限元的基本構(gòu)成：1.節(jié)點（Node）：就是考慮工程系統(tǒng)中的一個點的坐標位置，構(gòu)成有限元系統(tǒng)的基本對象。具有其物理意義的自由度，該自由度為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力后，系統(tǒng)的反應。3.自由度（Degree Of Freedom）：上面提到節(jié)點具

7、有某種程度的自由度，以表示工程系統(tǒng)受到外力后的反應結(jié)果。2.元素（Element）：元素是節(jié)點與節(jié)點相連而成，元素的組合由各節(jié)點相互連接。不同特性的工程系統(tǒng)，可選用不同種類的元素，ANSYS提供了一百多種元素，故使用是必須慎重選則元素型號。有限元分析的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二、優(yōu)化設計 優(yōu)化設計是屬于創(chuàng)新設計，它使設計工作從過去的完全經(jīng)驗設計及類比設計中解放出來，從理論上建立設計對象的優(yōu)化數(shù)學模型，按現(xiàn)代的設計方法進行計算，設計出符合人為要求的新產(chǎn)品。創(chuàng)新的設計可能是零件、部件、整機以及各行業(yè)的工程。優(yōu)化設計是以數(shù)學規(guī)劃為理論基礎，以電子計算機為工具，在充分考慮各種設計約束的前提下，尋求滿足某些將預定目標的

8、最優(yōu)設計方案。 最優(yōu)化技術是在60年代發(fā)展起來的，它建立在近代數(shù)學、最優(yōu)化方法和計算機程序設計的基礎上，已成為解決復雜問題的一種有效工具。并成為計算機輔助設計應用中的一個重要方面。優(yōu)化設計工作包含三個內(nèi)容: 建立優(yōu)化數(shù)學模型；選取優(yōu)化方法；用計算機進行求解。（1）優(yōu)化設計的數(shù)學模型求x=x1,x2,.,xnt，使minf(x)=f(x1,x2,.,xn)xrns.t. gi(x)0(i=1,2,p)hj(x)=0(j=1,2,q)設計變量、目標函數(shù)和約束條件是優(yōu)化設計數(shù)學模型的三個要素。 工程中的最優(yōu)化設計，是在考慮諸多影響因素的條件下，以得到最佳的設計方案，即最佳設計參數(shù)值。其設計原則是欲得

9、到最佳方案，以電子計算機為計算工具，所用設計方法采用最優(yōu)化設計方法。 其基本思想是搜索、迭代和逼近。即求解時，從某一初始點出發(fā)，利用函數(shù)在某一局部區(qū)域的性質(zhì)和信息，確定每一迭代步驟的搜索方向和步長，去尋找新的迭代點，這樣一步一步地重復數(shù)值計算，用改進后的新設計點替代老設計點，逐步改進目標函數(shù)，并最終逼近極值點。 （2）優(yōu)化方法如圖為由兩根鋼管組成的對稱桁架。點A處P=300000N，2L=152cm，鋼管厚度T=0.25cm，材料彈性模量E=2.16x107N/cm2，屈服極限s=70300N/cm2。 求：在滿足強度和穩(wěn)定性條件下，使體積最小的圓臂直徑d和桁架高度H。 機械優(yōu)化問題示例解:為

10、保證桁架可靠地工作，就必須要求桿件具有足夠的抗壓強度和穩(wěn)定性。 桿內(nèi)力桿截面壓應力抗壓強度： s 穩(wěn)定性:桿件截面上的壓應力不超過壓桿穩(wěn)定的臨界應力。 三、機械可靠性設計 產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。 可靠性總低于固有可靠性。 起源于電子工業(yè),已經(jīng)滲透到機械工程及其他各學科領域,并滲透到社會科學的領域,如人的可靠性,工作可靠性等?？煽啃缘慕?jīng)典定義：可靠性固有可靠性使用可靠性通過設計、制造賦予產(chǎn)品的可靠性受制造、設計及使用條件影響的可靠性可靠性學科可靠性工程可靠性數(shù)學可靠性物理可靠性管理可靠性分析,可靠性設計及可靠性實驗以概率和數(shù)理統(tǒng)計研究可靠性的定量規(guī)律研究零部件的失效原

11、因, 模型, 改進措施1、可靠性的理論基礎和常用指標（1）可靠度（ Reliability) 產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。理論基礎：概率統(tǒng)計學研究偶然時間中必然規(guī)律的學科數(shù)學模型：正態(tài)模型、指數(shù)模型、威布爾模型正態(tài)分布模型：（2）失效率（Failure Rate）產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，產(chǎn)品功能失效的概率根據(jù)概率互補定理（3）平均壽命和平均無故障工作時間平均壽命：產(chǎn)品壽命的平均值MTTF（Mean Time To Failures）平均無故障工作時間:可修復產(chǎn)品相鄰兩次故障的平均時間 MTBF（ Mean Time Between Failures ）2、機械

12、可靠性設計的主要內(nèi)容 機械類和電子類產(chǎn)品可靠性特點的比較 機械可靠性設計的原則和方法1 簡單化和標準化 2 失效經(jīng)驗的反饋應用 3 FMECA （故障模式影響和危害度分析）、 FTA （故障 樹分析） 和設計評審 4 安全裕度設計5 失效安全和損傷容限設計6 冗余設計 7 機械零件、結(jié)構(gòu)的概率設計 8 健壯設計9 系統(tǒng)可靠性分析和預計10 維修性設計 11 可靠性試驗 機械產(chǎn)品 電子產(chǎn)品 系統(tǒng)構(gòu)成 機械結(jié)構(gòu) 動力系統(tǒng) 操作系統(tǒng) 電氣系統(tǒng) 液壓系統(tǒng) 電源系統(tǒng) 指示系統(tǒng) 發(fā)送信號系統(tǒng) 接受信號系統(tǒng) 放大系統(tǒng) 可靠性指標 耐用壽命（時間、次數(shù)） 零件更換壽命 整機可用性 MTBF 元件故障率 整機可

13、用性 故障機制 在定期維修條件下，復雜的整機設備故障呈現(xiàn)隨機性，零部件以耗損性故障為主 元件和整機故障多屬隨即性 故障關聯(lián)性 與聯(lián)接、使用、維修方式有關 元件故障基本獨立無關 使用環(huán)境 使用環(huán)境條件復雜，需掌握環(huán)境變化和極值條件，應力分析十分重要 使用環(huán)境一般良好，有密閉和保護，應力因素可預測 維修方式 一般以預防性維修為主 預防性維修意義不大 可靠性預計 困難 可能 數(shù)據(jù)準備 公用數(shù)據(jù)收集不易，積累尚未正規(guī)化 數(shù)據(jù)已廣泛發(fā)布，已形成數(shù)據(jù)積累制度 計算機輔助設計CAD(computer aided design) 設計人員借助于計算機進行設計的方法。其特點是將人的創(chuàng)造能力和計算機的高速運算能力

14、，巨大存儲能力和邏輯判斷能力很好地結(jié)合起來。四、計算機輔助設計計算機輔助設計系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。硬件系統(tǒng) 上世紀60年代以大型機為主機，配圖形終端、字符終端、繪圖機等構(gòu)成的主從式系統(tǒng)。 上世紀70年代發(fā)展為以小型機為主，配以機械、電子或建筑業(yè)通用軟件的小型成套系統(tǒng)。 上世紀80年代以來，則以工程工作站加網(wǎng)絡構(gòu)成的分布式系統(tǒng)為主流。 目前，隨著中央處理器性能的飛速提高，個人計算機有逐漸擠占工作站市場份額的趨勢。1822年研制的差分機1930年電動機械式計算機1941年研制的Z-3型計算機1943年12月巨人計算機運行軟件系統(tǒng)只能檢索出符合要求的最佳圖樣針對設計對象編制并調(diào)試、修改程序，

15、并輸出設計圖樣按照產(chǎn)品要求，抽象出設計對象的目標函數(shù)、約束條件及設計變量，通過優(yōu)化程序計算出最優(yōu)設計結(jié)果設計人員直接與計算機對話，調(diào)用計算機內(nèi)已有的產(chǎn)品信息、各種設計資料以及各種軟件功能進設計，對于以圖形顯示的設計結(jié)果可以反復地進行修改，直到取得滿意結(jié)果為止。檢索型系統(tǒng)試行型系統(tǒng)自動設計型系統(tǒng)交互式系統(tǒng)近年來發(fā)展比較迅速計算機輔助設計系統(tǒng)一般以工程數(shù)據(jù)庫、圖形庫為支持功能：交互式圖形設計、幾何造型、工程分析與優(yōu)化設計、人 工智能與專家系統(tǒng)三維CAD技術的意義及發(fā)展歷程CAD技術起源于美國，它經(jīng)歷了一個由二維設計技術向三維設計技術發(fā)展的過程。 早期二維機械CAD 僅僅是計算機輔助繪圖 （Comp

16、uter Aided Drafting） 三維CAD技術才是真正意義上的計算機輔助設計技術 （Computer Aided Design）。三維CAD的四次技術革命第一次：由線框造型設計/加工發(fā)展到曲（表）面造型設計第二次：由曲（表）面造型設計發(fā)展到實體造型設計第三次：由實體造型設計發(fā)展到參數(shù)化造型設計第四次：由參數(shù)化造型設計發(fā)展到變量化造型設計的選型原則 。 操作使用的方便性、軟件的集成化程度、 CAD功能 、 CAM功能、后處理程序及數(shù)控代碼輸出 、升級方法和技術支援 CAXA是北京北航海爾軟件有限公司CATIA最早是由法國達索飛機公司研制，后來屬于IBM公司，是一個高檔CAD/CAM/C

17、AE系統(tǒng)。最有影響的機械CAD/CAM軟件有：Pro/E、I-DEAS、UG、 Auto CAD。占60%以上Master CAM是一種應用廣泛的中低檔CAD/CAM軟件柴油機的設計五、綠色設計 20世紀90年代初期圍繞在發(fā)展經(jīng)濟同時，如何節(jié)約資源，有效利用能源和保護環(huán)境這一主題而提出的新的設計概念和方法。1、設計出的產(chǎn)品可以拆 卸、分解，零部件可以翻新和重復使用；2、產(chǎn)品盡量減少零部件和原材料；3、以撳按式結(jié)構(gòu)替代螺絲釘裝置等。綠色設計:指以保護環(huán)境和環(huán)境資源為核心概念的設計過程。 美國幾乎每一輛汽車可以重新利用部分的重量占總重量的75，德國寶馬汽車的這一比例則高達80。要求:綠色設計的內(nèi)容

18、綠色產(chǎn)品設計的材料選擇與管理；產(chǎn)品的可拆卸性設計；產(chǎn)品的可回收性設計。有害與無害成分的材料分開；到期的產(chǎn)品，有用的要回收利用，不可用部分要用能處理。綜合考慮材料的回收可能性，回收價值的大小，回收的處理方法等綜合考慮材料的回收可能性，回收價值的大小，回收的處理方法等本質(zhì)： 為環(huán)保而設計（Design for Environment） 為回收而設計（Design for Recycle） 為拆解而設計（Design for Disassembly） 為再制而設計（Design for Re-manufacture） 為永續(xù)性而設計（Design for Sustainability） 企業(yè)開展綠色設計的原因：(1)顧客要求；(2)國際標準的要求；(3)競爭對手的挑戰(zhàn)(4)環(huán)保法軌的要求；(5)對產(chǎn)品的照顧責任等企業(yè)企業(yè)環(huán)境管理綠色設計產(chǎn)品服務顧客社會綠色設計在企業(yè)環(huán)境管理中的地位設計原則：(1)易修護(2)易拆解(3)易回收(4)增長壽命，減少廢棄物產(chǎn)生(5)易于共用，增加產(chǎn)品被利用度(6)易升級(7)多功能 供應商材料采購研發(fā)方向市場占有消費者行為綠 色 設 計組成制成改變污染防治廢棄物處理售后服務材料制作管理面作業(yè)面桌上型電腦產(chǎn)品環(huán)境負荷生態(tài)健康人體健康資源耗損原料階段EOL階段使用階段運輸階段桌上型電腦顯