機械設計理論與方法

機械設計理論與方法”讀書報告摘要：機械工業(yè)肩負著為國民經濟各個部門提供技術裝備的重要任務。機械工業(yè)的生產水平是一個國家現(xiàn)代化建設水平的重要標志，因此通過了解機械設計理論與方法的發(fā)展歷程，深刻體會機械設計理論和方法的研究現(xiàn)狀，并掌握機械設計理論與方法的發(fā)展趨勢，才能不斷強化自己的能力，為提升我國工業(yè)技術水平做出一份貢獻。關鍵詞：機械設計理論發(fā)展趨勢優(yōu)化方法齒輪傳動一、引言：作為一名車輛工程專業(yè)的大三學生，我通過學習機械原理和機械設計（正在學習）這兩門課程，初步了解了機械行業(yè)這個領域，但是，僅僅是從這兩本書上學到的容是遠遠不夠的于是，我在課余時間查閱了很多機械行業(yè)的書籍，現(xiàn)在對其設計理論和方法有了一個比較細致的了解，在這篇文章當中，我將結合我課堂上學到的知識和從圖書館查閱到的一些容，對中國機械設計理論與方法的發(fā)展和中國機械行業(yè)形勢進行系統(tǒng)的闡述。二、機械設計理論與方法的發(fā)展歷程設計方法的發(fā)展進程大致可劃分為機械設計起源和古代機械設計、近代機械設計、現(xiàn)代機械設計三個階段，其第一階段是從古代社會到17世紀，這段時期我國在武器，紡織機械，農具、船舶等方面都有發(fā)明，設計制造水平處在世界領先地位，在世界機械工程史上占有十分重要的位置；從17世紀到第二次世界大戰(zhàn)結束這段時間是近代機械設計階段，在這一階段，古典力學為機械工業(yè)的迅速發(fā)展提供了有力的技術理論支持，機械設計在計算方法和數(shù)據(jù)積累上也有了很大的發(fā)展；從第二次世界大戰(zhàn)之后，機械設計進入了現(xiàn)代機械設計階段。計算機和自動化在設計過程當中占得比重越來越大，機械設計的速度和質量也有了大幅度的提升，具有了明顯的現(xiàn)代化特色。按其容來分，機械設計理論與方法又可分為：直覺設計階段，經驗設計階段和理論設計階段。這兩種劃分是一一對應的，只是從不同角度來劃分機械設計的發(fā)展史。三、機械設計理論與方法的研究現(xiàn)狀現(xiàn)代產品設計理論與傳統(tǒng)的設計方法是截然不同的，現(xiàn)代產品設計理論與方法是利用計算機輔助進行優(yōu)化設計和可靠性計算。與傳統(tǒng)的強度、剛度原則不同，現(xiàn)代產品設計提出綠色設計、全生命周期優(yōu)化設計、虛擬設計等方法，既節(jié)省了設計時間，又能得到更好的產品質量，大大提高了產品的設計效率。但是，現(xiàn)代產品設計理論實施起來又存在著一定的難度，比如說全生命周期優(yōu)化設計雖然能夠更好地利用原材料，生產出效率更高的產品，但是因為其目標函數(shù)和約束條件太多，部分原始數(shù)據(jù)很難獲取，使得設計實施過程中還是比較困難的?，F(xiàn)在比較流行的機械設計方法還有虛擬設計、創(chuàng)新設計、網絡設計、并行設計、動態(tài)設計、智能設計、可視化設計、綠色設計和基于質量功能展開的（QFD）設計和三次優(yōu)化設計等等。很多的現(xiàn)代設計理論和方法都有一定的局限性，對于功能集成化越來越高的產品需求機械設計理論和方法顯然還需要進一步的提升。四、機械設計理論與方法的未來趨勢1、機械設計的未來發(fā)展趨勢從市場需求角度來說的話主要有以下幾個方面：設計將在滿足需求的同時面向制造和經營管理發(fā)展；設計將不僅僅滿足于其功能需求，還要滿足生態(tài)與環(huán)境的需要；設計將從產品質量成本第一的競爭策略轉向快速響應市場的競爭策略；設計將從傳統(tǒng)的串行向并行工作模式、協(xié)同工作方式發(fā)展；設計將使人們從設計過程數(shù)字化中逐步確立主動地位，激發(fā)主動創(chuàng)造性。2、但如果從設計方法來考慮，未來的機械設計理論與方法主要有以下幾個發(fā)展趨勢：設計理論與方法的集成現(xiàn)代設計理論中不同的設計方法有自己適合的應用領域，而隨著社會的進步產品變得越來越復雜，單一的設計理論無法滿足產品設計的要求，因此需要把不同設計理論中的設計工具集成為統(tǒng)一的設計模型以適應產品設計過程中的各階段，這是未來設計理論與方法的發(fā)展方向。設計過程的虛擬化信息技術的發(fā)展已經使設計過程虛擬化成為可能，并成為降低設計成本的重要方法。實行設計的虛擬化，不僅可以減短設計時間，降低涉及成本，還能夠讓產品得到優(yōu)化，另外設計過程的虛擬化使得不同企業(yè)間的協(xié)同設計、智力資源互補成為可能，這將會大大提高產品設計的成功率。另外，設計方法的科學化也是未來機械設計的一種趨勢，現(xiàn)代設計過程對在規(guī)律的研究進展不大，設計方法的科學化可以擺脫以經驗為主的傳統(tǒng)設計方法，從而極提高設計效率。五、機械設計理論與方法在齒輪傳動問題上的具體應用現(xiàn)代產品設計理論與方法是一種新興的設計理論與方法，特別是利用計算機進行優(yōu)化分析、輔助設計和可靠性計算等設計理論與方法，使得機械設計過程更加精確，設計結果更加貼近實際情況，而且現(xiàn)在這一領域出現(xiàn)了很多具有著各自獨特特點的理論，下面我將就我們生活中最常見的齒輪傳動的優(yōu)化設計來闡述一下機械設計理論與方法在機械設計問題上的——m匚從全胡考黑應用。齒輪設計的基本流程：1、設計變量：齒輪傳動在工業(yè)上的應用極為廣泛，因此，齒輪及其減速器的優(yōu)化設計對提。高齒輪傳動及其減速器的承載能力、延長壽命和減小其體積和重量等方面都具有重要的技術。價值和經濟意義。對于給定齒數(shù)比U的一對直齒圓柱齒輪傳動，當中心距不確定時，其獨立的參數(shù)有齒數(shù)。Z1(或z2)、齒寬系數(shù)Wd(或齒寬b)、模數(shù)m以及變位系數(shù)X1和X2。當中心距給定時，其獨立參數(shù)有Zi(或Z2)、屮d(或b)、m以及變位系數(shù)Xi(或X2)。因此，不同情況下，一對圓柱齒輪傳動優(yōu)化設計的設計變量如表所示。*7-4H1柱齒絶詩動優(yōu)化設計的設計變量齒寬希數(shù)璽位爲stm/51此1mMr旳—7如叫—$斜習變位齒輪傅動石1啲r>",1152、目標函數(shù)：齒輪傳動的目標函數(shù)可以選擇體積最小或者傳遞功率最大。齒輪傳動的體積最?。簣A柱齒輪的體積可以近似地取為分度圓面積和齒寬的乘積、故齒輪傳動裝置的優(yōu)化目標函數(shù)為大小齒輪體積之和：minf(x)=兀m2(z2+z2)-b412齒輪傳動傳遞的功率最大：若以彎曲疲勞強度為限制條件，由公式可知，圓柱齒輪傳動能傳遞的最大功率為：兀ndbmQ]P—4^F60x106?KKKKYYYAva卩FaSa￡若以接觸疲勞強度為限制條件，則由公式可知圓柱齒輪傳動能傳遞的最大功率為：兀nd2buQ]2P—H—60x106?KKKK(u+1)AvaP由此，極小化目標函數(shù)為：minf(x)f(x)=-min(P,P)123．約束條件：齒輪傳動的優(yōu)化設計中，約束條件包括：(1)為防止齒面接觸疲勞點蝕失效，齒輪傳動必須滿足接觸疲勞強度條件，即a-Q]<0HH頭防止齒根彎曲疲勞折斷、齒輪傳動必須滿足彎曲疲勞強度條件，即TOC\o"1-5"\h\zQ一Q]<0F1F1Q-[Q]<0F2F2根切的限制：z-z>01min其他一些極限位的限制：模數(shù)的限制m一m<0minm一m<0maxd—d<0a2maxd—d<0mina1齒輪直徑的限制中心距的限制a—a<0max齒寬的限制b—b<0maxb—b<0min調用《常用優(yōu)化方法程序庫OPB》就能獲得在滿足約束條件下，使目標函數(shù)達到最小的最優(yōu)解。整個優(yōu)化設計的程序框圖如圖所示。開廉進*7優(yōu)世設計?開廉進*7優(yōu)世設計?2)?優(yōu)化沒纖嚨■下面我們看一個三級圓錐—圓柱齒輪減速器的工程優(yōu)化實例一煤礦運輸機用三級圓錐一圓柱齒輪減速器。其中第1、第3級為圓柱齒輪傳動。已知第2級的輸入功率為P=37.26kW，半動輪轉速為ni=664r/min,齒數(shù)比為u=3.4667，嚙合角an=20°，原動機為電動機，工作機載荷有中等沖擊，支承形式如圖所示，齒輪材料為20MnVB，滲碳淬火，HRC=58，齒輪精度為7級?齒面粗糙度Rz=6.3，潤滑油動力粘度為83x10-3Pa-s，要求齒輪的使用壽命為2000h,試以體積最小為目標，對此齒輪傳動進行優(yōu)化設計。根據(jù)上述優(yōu)化設計數(shù)學模型，調用《常用優(yōu)化方法程序庫0PB》計算結果如表所示。優(yōu)化結果表明中心距由原來的174mm減小到157mm，縮短了10%左右。S75齒輪減速器優(yōu)化設計計算結果\螫軸：2122p丫c/atrnm)■r"iin'i■'4j(rnrnJ]fl、()■>7?-1572fe-.UU174.優(yōu)代設計J111744-4'j-①4口41.19(1123^-4151.S1"哎計打、.仆ih[P：ii(th(MPu)□FpJMFa}“pp/MPa)曲甘pJMT丑1tTiip.IMFajlSf31原M"：.9122H<79--站:)407.6：492.~2-3■，r優(yōu)化湮計-'U4424iro丨抽〕2.OTL2由此可以看出，通過現(xiàn)代機械設計理論——優(yōu)化設計來對齒輪進行優(yōu)化，即減小了人的工作量（主要工作有電腦承擔），又能夠得到比傳統(tǒng)方法更好的參數(shù)，所以，機械設計理論是否先進將直接影響著一個國家機械工業(yè)的發(fā)展。另外，值得指出的是，在齒輪傳動優(yōu)化設計中，由于齒數(shù)是整型變量，而模數(shù)是離散型變量。所以用連續(xù)變量的優(yōu)化方法獲得最優(yōu)解后，要圓整和取標準值，或直接用混合離散變量的優(yōu)化方法進行求解。此外，現(xiàn)在在齒輪傳動優(yōu)化設計問題中，已經開始將振動和噪聲方面的要求列入優(yōu)化數(shù)學模型之中，進行動態(tài)優(yōu)化設計。同時也有將有限元分析與優(yōu)化結合起來，例如尋求對輪齒彎曲強度最有利的齒根過渡曲線的圓角半徑值。為了彌補常規(guī)優(yōu)化設計的缺點，將優(yōu)化設計與可靠性設計相結合，稱為可靠性優(yōu)化設計法。六、總結通過做這一次的機械設計大作業(yè)，我對我國的機械行業(yè)有了比較細致的了解，隨著社會的進步，機械設計理論在不斷地改進，我國近幾年來在這一方面也取得了一些進步，但總體來說，我國的機械行業(yè)還落后與很多工業(yè)發(fā)達國家。機械理論與方法直接決定著設計產品的質量，對一個國家機械水平有著及其重要的作用。目前，很多現(xiàn)行的設計理論已經不能滿足設計需求了，我們應該抓住這個機遇，致力于新的機械設計理論研究，來促進我國機械行業(yè)的進步。我認為我國機械行業(yè)存在的主要問題有以下幾點：國對機械設計新理論不能夠很快的接受并應用，導致設計產品落后。據(jù)調查，雖然現(xiàn)在國有很多企業(yè)已經購買了一些國際上比較通用的CAD/CAE軟件，但大多少企業(yè)只是用它們來繪制圖紙，而不是用它們來做仿真實驗，做優(yōu)化設計，因此，機械設計理論與方法是我們目前亟待解決的問題。與機械行業(yè)并行的其他行業(yè)落后，比如材料工業(yè)，有很多產品我們也可以設計的很漂亮，一些復雜的機械結構我們也可以設計出來，但是由于材料工業(yè)的落后，我們制造出來的產品質量就有可能大打折扣。毋庸置疑，機械行業(yè)是國民經濟的一大支柱產業(yè)，其重要性不可言喻。我國要想真正在世界立足，機械技術這個硬實力就一定要取得突破。作為一名車輛專業(yè)的大學生，我們應該肩負起振興中國機械行業(yè)的責任，扎實的學好理論