現(xiàn)代設計理論與方法作業(yè)-(大作業(yè))

現(xiàn)代機械設計理論與方法

（大作業(yè)）

1、采用系統(tǒng)化設計流程及所學現(xiàn)代設計方法詳細闡述某公司需要投資研發(fā)一款

新型產(chǎn)品的整個設計流程和采用方法。

(1)請具體闡述采用哪些設計方法，如何去完成新產(chǎn)品的規(guī)劃設計過程？

(2)請具體闡述采用哪些設計方法，如何去完成新產(chǎn)品的方案設計過程？

(3)請具體闡述采用哪些設計方法，如何去完成新產(chǎn)品的技術設計過程？

(4)請具體闡述采用哪些設計方法，如何去完成新產(chǎn)品的施工設計過程？

答：

(1)產(chǎn)品規(guī)劃設計包括三個主要階段：第一個階段是市場細分及選擇階段。

在這個階段，主要通過市場調(diào)研與分析，研究如何細分市場，以及企業(yè)如何選擇

細分市場，最后確定企業(yè)對細分市場的戰(zhàn)略選擇。第二個階段是定義新產(chǎn)品概念。

在這個階段中要對某個細分市場，收集其需求的主要容，包括客戶需求、競爭需

求及企業(yè)部需求，并確定企業(yè)在該細分市場的產(chǎn)品定位，然后尋找和定義新產(chǎn)品

概念。第三個階段是確定產(chǎn)品規(guī)劃階段。在這一階段中需要從技術層面分析新產(chǎn)

品屬于哪個產(chǎn)品族及其開發(fā)路徑，并根據(jù)公司的戰(zhàn)略確定新產(chǎn)品開發(fā)的優(yōu)先順序

和組合策略，然后依據(jù)企業(yè)資源狀況，制定新產(chǎn)品開發(fā)的時間計劃。

產(chǎn)品規(guī)劃設計的步驟為：信息集約-產(chǎn)品設計任務-預測調(diào)研-可行性分析一

明確任務要求一可行性報告、設計要求項目表。

進行產(chǎn)品規(guī)劃設計的主要方法有：設計方法和預測技術。支持產(chǎn)品規(guī)劃設計

的主要理論有：設計方法學、技術預測理論、市場學、信息學等。

(2)新產(chǎn)品的方案設計過程大致可以分為方案設計和方案評審兩個階段。

方案設計階段的步驟為：總共能分析-功能分解-功能元求解一功能載體組合-獲

得功能原理方案(多個原理方案)-原理試驗-評價決策-最優(yōu)原理方案-原理參

數(shù)表、方案原理圖。

進行產(chǎn)品的方案設計的方法主要有：系統(tǒng)化設計方法、創(chuàng)造技法、評價決策

法、形態(tài)學矩陣法。

主要的理論指導包括：系統(tǒng)工程學、形態(tài)學、創(chuàng)造學、思維心理學、決策論、

模糊數(shù)學等。

(3)對產(chǎn)品進行技術設計時，首先要對結構進行總體設計，包括了對產(chǎn)品

的結構設計和造型設計。進行新產(chǎn)品的技術設計的主要步驟為：

產(chǎn)品技術設計的方法主要包括：價值設計、優(yōu)化設計、可靠性設計、宜人性

設計、產(chǎn)品造型設計、系列化設計、機械性能設計、工藝性設計、自動化設計等。

產(chǎn)品技術設計過程中主要涉及的理論指導有：價值工程學、最優(yōu)化方法、工

程遺傳算法、可靠性理論與實驗、人機工程學、模塊化設計、有限元法、動態(tài)設

計、摩擦學設計、機械設計的工藝基礎、控制理論、智能工程、人工神經(jīng)元計算

方法、專家系統(tǒng)等。

(4)產(chǎn)品結構設計施H設計的主要步驟為：零件工作圖一部件裝配圖一技術

文件。產(chǎn)品造型設計施工設計的主要步驟為：外觀件加工工藝、畫飾工藝規(guī)程一

效果圖、檢驗標準-造型工藝文件。

進行產(chǎn)品施工設計的主要方法有：各種制造、裝配、造型、裝飾、檢驗等方

法。

2、利用形態(tài)學矩陣和評價方法，建立合理的煤礦主通風機結構設計方案，

并建立以費用為優(yōu)化目標，系統(tǒng)可靠度不低于99%的主通風機結構設計優(yōu)化數(shù)

學模型？

答：研究對象為煤礦主通風機

通風機是采煤通風系統(tǒng)中的重要設備。主扇用于全礦井或礦井某一翼的通

風，又叫主通風機。輔扇是用于礦井通風網(wǎng)路中分支風路調(diào)節(jié)起風量的，是協(xié)助

主通風機工作的。局扇是用于礦井無貫穿風流沒有打通的巷道的局部地點通風。

礦用風機在礦井通風中的功能包括，可以將足夠的新鮮空氣有效地送到井下工作

場所，保證生產(chǎn)和良好的勞動條件；保證風流穩(wěn)定，易于管理并具有抗災能力；

具有反轉(zhuǎn)功能，在發(fā)生事故時，可由抽風改為送風，風流易于控制，人員便于撤

出；可與環(huán)境及安全監(jiān)測系統(tǒng)或檢測措施相連接，實現(xiàn)自動控制等。

礦井主通風機的形態(tài)學矩陣

局部解

1234

功能元

工作方法抽出式壓入式混合式

動力源電動機氣動馬達液動機

風機葉片單板型葉片機翼型葉片圓弧葉片圓弧窄葉片

防爆技術隔爆型澆封型氣密型無火花型

系統(tǒng)解的可能方案數(shù)

N=3x3x4x4=144種

現(xiàn)列出其中兩種系統(tǒng)解為：

I：抽出式+電動機+單板型葉片+無火花型

II:壓入式+電動機+圓弧葉片+隔爆型

評價與決策

現(xiàn)采用簡單評價法。用“++”表示“很好”，用“+”表示“好”,用表示“不好”。

其評價結構表為

方案

III

評價準則

成本低++

便于制造+-

結構簡單+-

操作方便-+

安全性能高+-

總計3“+”

總計結果表明，方案I為較理想的方案。

主通風機結構設計優(yōu)化數(shù)學模型

1）確定設計變量

產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間完成規(guī)定功能的概率稱為可靠度?？梢?，

產(chǎn)品的可靠度是時間f的函數(shù)，因此，以時間f作為設計變量對產(chǎn)品進行可靠度

優(yōu)化設計。

2)目標函數(shù)

以費用為目標函數(shù)。通風機的費用應該包括了購置的費用W、保養(yǎng)的費用X

和維修的費用y。其中，購置的費用為一定值，而隨著通風機的老化，保養(yǎng)費用

和維修費用會逐漸增加。所以，保養(yǎng)費用x和維修費用y也是關于時間的隱式

函數(shù)。記保養(yǎng)費用關于時間『的函數(shù)關系式為X=x”)，記維修費用關于時間/的

函數(shù)關系式為y=y(/)。則通風機在其全壽命過程中的費用F”)為：

y(r)=W+%(z)+y(O

3)約束條件

由可靠性設計知識可知，產(chǎn)品失效率定義為：產(chǎn)品工作f時刻尚未失效的產(chǎn)

品，在該時刻彳以后的下一個單位時間發(fā)生失效的概率。它是時間/的函數(shù)，又

稱為失效率函數(shù)，用幾⑺表示。

n(t+At)-n(t)

2(/)=lim

Nf00N幾

0[-

式中，N為開始時投入主通風機試驗產(chǎn)品的總數(shù)；〃⑺為?時刻主通風機的

失效數(shù)；〃”+/%)為/+4時刻產(chǎn)品的失效數(shù)；4為時間間隔。

根據(jù)失效率丸⑺的定義，可得

1n(t+At)-n(t]_1dn(t)

[N-N-n[t}AtN-n(t)dt

對上式分子分母各乘以N,得

咐=__—.dR。

硼dt

式中，MD為產(chǎn)品的可靠度，且可)=［加)。

對上式從o至卜積分，則得到

t

o

于是得

t

—J2,{t^dt

R(t)=e°

于是，系統(tǒng)可靠度不低于99%的主通風機結構設計優(yōu)化數(shù)學模型為：

Findt

<minf(t)=W+x(?)+y(t)

s.t.R(t)-0.99>0

3、詳細闡述利用有限元法及軟件進行采煤機截齒結構強度和剛度安全性分

析的過程？

答：采煤機截齒結構如圖1所示

圖一：采煤機截齒結構圖

采用有限元進行采煤機截齒結構強度和剛度安全性分析的步驟大致可以分

為三步（采用的有限元軟件為ANSYS）:

第一步：建立有限元模型：建立有限元模型的步驟可以分為以下幾個流程

1）指定工作文件名和標題名：在建立工作文件名和標題之前，首先應修改

工作路徑，將所要進行的有限元分析保存在某一特定路徑的文件夾中，以便查看

和編輯所做的分析。工作文件名的建立是在進入前處理器之前完成的，工作文件

名也就是ANSYS為存儲在工作空間中的文件取得名字。標題名最直觀的作用是

用簡潔的英文語句標示當前分析的某種信息，如分析對象、分析工況、分析性質(zhì)

等。

2）定義單元類型：ANSYS提供了上百種不同的單元，為了方便用戶正確

識別這些單元，ANSYS建立了針對不同問題的單元類型，并根據(jù)單元類型的特

點為每個單元命名。單元命名格式為（單元類型前綴名+數(shù)字編號），其中的數(shù)

字編號在ANSYS中是沒有重復的。

定義單元類型的方法為，【mainmenu】（主菜單）f【preprocessor】（前

處理器）->［element］（單元類型）f【add］（增力口）-［edit］（編輯）->［delete］

（刪除），在彈出［elementtypes］（單元定義）對話框后，在彈出的對話框

中選擇需要的單元類型。

3）定義材料屬性：ANSYS中的所有分析都需要輸入材料屬性。輸入采煤

機截齒的彈性模量和泊松比等。具體方法為：單擊【mainmenu］（主菜單）一

［preprocessor］（前處理器—【materialProps］（材料屬性^［materialmodels］

（材料模型），彈出［definematerialmodelbehavior］（定義材料模型）對話

框后，單擊右側列表框中的結構模型［structure］（結構）-［linearl（線性）

f[elastic]（彈性）-[Isotropic]（各向同性），表明要定義的材料是各向同

性線彈性材料。

4）創(chuàng)建有限元模型：

ANSYS提供了兩種方法來構建有限元模型,一種是首先創(chuàng)建或?qū)雽嶓w模

型，然后對實體模型進行網(wǎng)格劃分，以生成有限元模型；另一種是直接利用單元

和節(jié)點生成有限元模型，但是第二種方法非常困難，因此，在實際中不實用也不

常用。本例中采用第一種方法建立采煤機截齒的有限元模型。首先在SolidWorks

軟件中畫出截齒的三維實體模型，然后將其導入ANSYS中并對實體模型進行網(wǎng)

格劃分。

建立采煤機截齒的有限元模型如圖2:

圖2:采煤機截齒有限元分析模型

第二步：加載和求解：

1）定義分析類型和設置分析選項：

ANSYS可以求解7種不同類型的分析，分別是靜態(tài)分析，瞬態(tài)分析、諧振

分析、模態(tài)分析、頻譜分析、屈曲分析和子結構分析。定義分析選項的方法為：

［mainmenu］（主菜單）f［solution］（求解器）-［analysis］（分析類型）

f［newsanalysis］（新的分析）。

2）施加載荷：

按照模型受載荷的方式對進行網(wǎng)格劃分后的實體模型進行加載。

3）設置載荷步選項：

確定載荷子步的個數(shù)，可以指定最大和最小載荷子步數(shù)或者最長和最短時間步數(shù)，

對該選項進行控制。

4）求解：

選擇合適的求解方法：【mainmenu］（主菜單）->［solution］（求解器）

f［analysistype］（分析類型）-［sol'ncontrols］（求解控制），彈出［solution

controls］對話框后選擇合適的求解方法即可。

選擇好求解器后可進行求解，方法為:［mainmenu］（主菜單）-［solution］

（求解器）-［solve］（求解）-［currentLs］（當前載荷步）。

第三步：結果后處理和結果查看：

有限元完成計算后，需要查看分析結果。分析結果的查看通過后處理來完成。

所謂后處理器，就是觀察和分析有限元的計算結果，并從結果中判定計算是否正

確。ANSYS后處理器包括兩個模塊,通用后處理器POST1和時間歷程后處理

器POST2o

進入通用后處理器的方法為:［mainmenu］（主菜單）->［generalpostproc］

（通用后處理器）。

進入時間歷程后處理器的方法為：【mainmenu］（主菜單）［timehist

postproc］（時間歷程后處理器）。

4、選擇某傳動齒輪軸，詳細闡述進行該傳動齒輪軸機械強度可靠性設計過

程（分別按照靜強度、疲勞強度進行計算過程闡述）？

靜強度可靠性設計

可靠性設計的基本出發(fā)點是零件材料的極限應力Slim服從于概率密度函數(shù)

何的隨機變量而作用于零件危險截面上的工作應力L服從與概率密度函數(shù)

的隨機變量。并用強度-應力干涉理論計算出零件的可靠度或設計出在規(guī)定可靠

度下零件的基本尺寸。

用神和分別表示齒輪軸的強度和應力的概率密度函數(shù)。定義可靠度為

/?=P（5>￡）=P［（S-￡）>O］

由應力-強度干涉模型可得強度小于應力的概率為

P（S<L）=jf（S）dS

0

強度和應力均為獨立的隨即變量。因此失效概率為

尸于（sYsg^dL

則齒輪軸的可靠度為

H=1-尸=1-jrf⑻dSg?）dL=J7J7/（S班g億也

經(jīng)過大量的試驗分析，齒輪軸的強度和應力的概率密度函數(shù)服從于正態(tài)分

布，即

772兀asJJ0川2?［八%）

根據(jù)齒輪軸強度可靠度的定義R=P［（S-D>0］,令"S-L，由于S和L

均是隨即變量，所以t也是隨機變量并服從于正態(tài)分布。其概率密度函數(shù)用公⑺

來表示，所以

1

小皈)=—『e1xp5--4----------

根據(jù)隨機變量正太分布的運算法則

6=標+近,4=%+〃,

所以，齒輪軸強度的可靠性為

R=呱-小。］=f皈M=『$expT廳必

Z2

?4-00-------

e2

令z="%一也,則上式為R=4出一"dZO

值+日而

A7"s—"L則齒輪軸的強度可靠度計算式為R=

_us-U.

ZR=I22稱為強度應力耦合方程。在工程設計中，由于荷載和應力的

(八+外

現(xiàn)行設計方法具有一定的誤差，同時考慮零件的重要程度，實際計算時往往引入

r4,-Na.

強度儲備系數(shù)N(N>1),所以上式為ZR=,--

Ws+

只要計算出強度和應力的均值和方差，即可用耦合方程計算出齒輪軸的可靠

度。同樣可以設計出在規(guī)定可靠度下的軸的幾何尺寸。

疲勞強度可靠性設計

在常規(guī)疲勞強度設計中，所用的疲勞極限線圖是用各種應力比下的均值畫出

的，是一條曲線。而在可靠性設計中，疲勞極限線圖是一條曲線分部帶。

疲勞極限的平均值為：

疲勞極限的標準離差S，為：

（——2——22

%2+4%

力c=--應---

<aa+（Jm>

應力幅的標準離差與為（/為常數(shù)）：

1-r

s=-----s

°2°

平均應力的標準離差%為（廠為常數(shù)）：

1+r

Sm=2S（7

其中同;為應力幅的平均值，小小—in.以為平均應力的平均值，

2

且q=bmax；Snin;$。為材料的疲勞極限應力。

零件的疲勞極限

材料的疲勞極限（E，%）用標準試樣試驗測得，零件的疲勞極限由材料的疲

勞極限考慮各影響因素求得，即：

式中，似,sj為尺寸系數(shù)的分布，為表面加工系數(shù)的分布，皈,也）為

有效應力集中系數(shù)的分布已知后，即可求得零件的疲勞極限分布。

可靠性計算

按應力-強度干涉模型分別求得應力與強度的均值與標準離差計算聯(lián)結系數(shù)

2（或可靠度系數(shù)），由正態(tài)分布表查得可靠度R,比較設計條件是否滿足要求。

■一九。

z=',

業(yè)+S：

式中，X，表示強度均值，X。表示應力均值；S,表示強度標準離差,表示

應力標準離差。

5、選擇某種機械產(chǎn)品，詳細闡述并行設計、造型設計、綠色設計、計算機

輔助設計法如何在該機械產(chǎn)品設計中進行應用？

答：

一、并行設計在汽車發(fā)動機活塞設計中的應用

并行模式設計是將系統(tǒng)理論作為指導思想，并行模式設計既把握住系統(tǒng)的外

部聯(lián)系，也沒有忽視系統(tǒng)的部聯(lián)系，突破了以環(huán)節(jié)之間通過外延聯(lián)系構成過程系

統(tǒng)的片面性和表面性，彌補了串行模式系統(tǒng)設計的不足，形成了明顯優(yōu)越的并行

系統(tǒng)關聯(lián)方式。并行設計過程簡圖為

并行設計作為一種系統(tǒng)性的先進過程模式，得到愈來越多重視，并且在產(chǎn)品

研發(fā)過程中得到了普遍應用，其在產(chǎn)品設計與產(chǎn)品制造中的科學作用日益凸顯。

對于過程模式設計的研究，目前最活躍的依然是并行工程。正因并行設計的一系

列點，所以應該把該設計理念貫徹到本機的設計工作中來。在選定了清洗劑之后,

清洗工藝流程與清洗裝置也很大程度上取決于清洗劑的理化特性，進而也會影響

清洗裝置的設計。

二、造型設計在微型電動汽車汽車車身設計中的應用

1）前臉造型設計前臉造型設計：

在微型電動汽車車身造型風格中扮演著重要的角色，汽車作為人們情感載

體，是設計師通過人或動物的情感賦予前臉造型變化。微型電動電動汽車前臉造

型時可從下兩點出發(fā)：（1）前臉線條形態(tài)與整車造型風格統(tǒng)一；（2）前臉造

型擬人化，線條多采用曲線與幾何元素。

2）側圍造型設計

側圍造型設計在整車設計中尤為重要，其造型線最能體現(xiàn)整車風格特征與體

量感，側圍與前臉、頂棚、后圍共同引導整車的造型風格。電動汽車的側圍造型

設計，在空氣動力學基礎上，保證各個曲面與形體之間的過渡變化。微型電動汽

車的側圍造型設計可從下兩點表現(xiàn)：（1）側圍輪廓線要貫穿于前臉及后尾，保

持車身整體性與流暢性；（2）側圍各線條表達動感，保持腰線有向上前進趨勢，

也符合快節(jié)奏的生活方式。

3）車燈造型設計

車燈作為電動汽車造型設計最直觀的設計元素，最能體現(xiàn)“電動”特性，車燈

設計的好壞會影響前臉設計風格與表情元素。對微型電動汽車車燈設計應體現(xiàn)在

以下兩點：（1）利用新技術，充分展現(xiàn)其電動特性，如車燈使用LED燈或顯示

屏；（2）車燈造型應通過圓形、曲線、折線等造型元素傳達情感。例如奔馳SUV

電動汽車車燈造型設計凸顯“電動”特性，前“進氣格柵”與車燈融為一個“T”字形區(qū)

域，“格柵”由藍色LED光源模擬而成，尾部車燈與車頭呼應,科技感十足。

4）車門造型設計

車門造型設計在微型電動汽車設計中發(fā)揮著重要力量，車口的大小、打開方

式、形狀等影響到車的使用功能及空間，而且還對整車的造型風格和特征起到?jīng)Q

策性作用。微型電動汽車車口造型設計的方法；（1）考慮與整車造型風格的協(xié)

調(diào)統(tǒng)一；（2）采用多種車口打開方式，取消B柱，增加車空間的使用。

綜上所述，微型電動汽車車身造型設計分別可W從車前臉、車燈等主要輪廓

線設計，車燈造型主要表現(xiàn)在照明方式上，W彰顯微型電動汽車“電”的特性。此

外,車口造型W及打開方式變化來增大車空間使用。

三、綠色設計在汽車設計中的應用

綠色汽車設計要求汽車適應社會環(huán)境的發(fā)展。除了創(chuàng)制以外還需要給創(chuàng)制的

汽車產(chǎn)品進行定位，設計師作為連接汽車與消費者的橋梁，必須對設計出來的汽

車負責。傳統(tǒng)產(chǎn)品的生命周期從生產(chǎn)制造至投入使用的每個階段，即“搖籃至墳

墓，，的單一一個過程，而綠色汽車賦予了產(chǎn)品生命周期的延伸性，從汽車設計的

概念產(chǎn)生、材料選擇、生產(chǎn)制造、再到上路行駛，甚至最后汽車報廢的回收處理

的各個階段，都包含在設計師的考慮圍。在具體的設計過程中，綠色設計既要考

慮人與自然和諧共存的價值觀，又要達成環(huán)保的技術要求，可以說是設計師設計

技巧的天才發(fā)揮。

作為全球最大的汽車消費市場和最大的汽車制造國，中國品牌的綠色汽車發(fā)

展對于全球汽車都有很大的影響。比亞迪F3DM雙模電動車采用混合動力系統(tǒng)

和電動車系統(tǒng)，實現(xiàn)了既可加油、又可充電的多種能量補充方式。該車在純電動

模式下長距離行駛百公里僅耗電十六千瓦。家用電源即可為期進行充電，7h完

成充電。在充滿電和油的情況下，可以持續(xù)行駛580公里。

長城汽車中作為綠色汽車的主推產(chǎn)品長城歐拉（Kulla）電動車兼具純電動

汽車的零污染優(yōu)勢和混合動力