現(xiàn)代設(shè)計方法在機械系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

1、現(xiàn)代設(shè)計方法在機械系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用 河南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院機制1045班 陳先超201010614122現(xiàn)代設(shè)計方法在機械系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用陳先超河南工程學(xué)院 機械工程學(xué)院 河南 鄭州 451191摘要：闡述了傳統(tǒng)機械系統(tǒng)設(shè)計方法和現(xiàn)代機械系統(tǒng)設(shè)計方法的特征；在傳統(tǒng)機械系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上提出了新的設(shè)計理論和設(shè)計方法，諸如優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計、計算機輔助設(shè)計、以及設(shè)計方法學(xué)和有限元分析等，并詳細介紹了各種現(xiàn)代設(shè)計方法在機械系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：機械系統(tǒng)設(shè)計 現(xiàn)代設(shè)計方法 設(shè)計理論 設(shè)計方法 application of the modern design methods in me

2、chanical system designchen xian chao abstract: expounds the traditional mechanical system design methods and characteristics of modern mechanical system design methods . on the basis of the traditional mechanical system design puts forward a new design theory and design methods, such as optimizing d

3、esign, reliability design, dynamic design, computer aided design, as well as the design methodology and the finite element analysis, etc, and introduces in detail the various applications of modern design method in machinery system design. key words: mechanical system design modern design method des

4、ign theory design method 引言：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和經(jīng)濟的全球化，機械技術(shù)和各個學(xué)科不斷交叉融合，制造業(yè)不斷地向高速化、輕量化、虛擬化方向發(fā)展，用戶對產(chǎn)品的需求越來越個性化、多樣化。而現(xiàn)代設(shè)計方法是在研究涉及競爭規(guī)律和分布式資源環(huán)境的設(shè)計活動發(fā)展起來的。現(xiàn)代設(shè)計方法是應(yīng)用科學(xué)的思想和方法創(chuàng)造出性能先進、結(jié)構(gòu)合理的產(chǎn)品，變被動地重復(fù)分析產(chǎn)品的性能為主動地設(shè)計產(chǎn)品參數(shù)的過程，把靜態(tài)的、經(jīng)驗的、手工的轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)的、動態(tài)的、計算機化的方法?，F(xiàn)代設(shè)計方法是新興的綜合性、交叉性學(xué)科。優(yōu)化設(shè)計在機械系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用 優(yōu)化設(shè)計（optimal design）是從多種設(shè)計方案中選擇最佳方

5、案的設(shè)計方法。優(yōu)化設(shè)計以最優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，以計算機為工具，根據(jù)設(shè)計問題確定設(shè)計變量，建立目標(biāo)函數(shù)，在滿足給定的各種約束條件下，尋求最優(yōu)化的設(shè)計方案。優(yōu)化技術(shù)首先于第二次世界大戰(zhàn)期間在軍事上得以應(yīng)用。機械優(yōu)化設(shè)計始于20世紀(jì)60年代，并在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。1967年，r.l.?？怂沟劝l(fā)表了機構(gòu)最優(yōu)化論文之后，c.s.貝特勒等利用幾何規(guī)劃解決了液體動壓軸承的優(yōu)化設(shè)計問題。通常機械優(yōu)化設(shè)計問題多屬于非線性規(guī)劃問題。隨著數(shù)學(xué)理論和電子計算機技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)化設(shè)計在工程中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，已成為一門新興的獨立的工程科學(xué)。它根據(jù)一般的設(shè)計理論、設(shè)計方法，遵循設(shè)計規(guī)范和國家標(biāo)準(zhǔn)等，把工程設(shè)計問題按實

6、際需要轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)模型，然后應(yīng)用優(yōu)化技術(shù)和計算機計算技術(shù)，從眾多可用設(shè)計方案中找出最優(yōu)的設(shè)計方案。優(yōu)化設(shè)計技術(shù)可提高產(chǎn)品設(shè)計水平、改進產(chǎn)品質(zhì)量、推進計算機輔助設(shè)計具有重要作用。例如：變速箱的優(yōu)化設(shè)計則可利用計算機在約束域內(nèi)按預(yù)定目標(biāo)高速有效地優(yōu)選出最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是一種理想的高質(zhì)量的設(shè)計方法。現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展對傳動裝置的設(shè)計工作提出了更高的要求，在這種情況下，傳動裝置的設(shè)計，不但要滿足動力性和經(jīng)濟性指標(biāo)，而且要求結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕、傳動效率高、工作可靠、壽命長、噪音低等。而傳統(tǒng)設(shè)計方法缺乏嚴密的科學(xué)性，如為了強調(diào)零件可靠性，往往取較大安全系數(shù)，結(jié)果增加了設(shè)計零件的重量。并且生產(chǎn)周期長，設(shè)

7、計質(zhì)量低，材料消耗大。因而采用傳統(tǒng)設(shè)計法進行變速器設(shè)計已不能滿足汽車發(fā)展的客觀需要，必須采用現(xiàn)代設(shè)計的方法。采用優(yōu)化設(shè)計方法設(shè)計汽車變速箱的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可得到良好的汽車動力性和燃料經(jīng)濟性，使換檔輕便，無沖擊噪聲。同時也使設(shè)計者從大量的繁瑣和重復(fù)的計算工作中解脫出來，使之有更多的精力從事創(chuàng)造性的工作，并大大縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計效率。再如，對煤礦機械設(shè)備中的帶式輸送機中應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，可優(yōu)化v帶根數(shù)、帶輪直徑和結(jié)構(gòu);對托罐裝置橫梁進行優(yōu)化設(shè)計，可在滿足強度的要求下實現(xiàn)重量最輕的日標(biāo)。在設(shè)計階段越早應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計，就越能顯示出采用優(yōu)化設(shè)計對產(chǎn)品設(shè)計的優(yōu)勢。 優(yōu)化設(shè)計在礦山機械設(shè)計中也已得到廣泛應(yīng)用

8、。優(yōu)化的對象小自簡單零件，大至復(fù)雜整機；優(yōu)化的內(nèi)容從機構(gòu)、參數(shù)、比功率和重量，到運動方式、運動進程和運動規(guī)律。例如，擁有2224輛礦石車的bhpironore公司根據(jù)需要逐年更換車體的計劃，與lynxengineering公司合作，采用優(yōu)化設(shè)計方法研發(fā)出一種新車型，該車型不僅提高了燃油效率，而且大大降低了車輛購置和維修成本。在多繩摩擦提升系統(tǒng)的設(shè)計中，采用同時滿足諸約束條件，進行優(yōu)化計算，可得到比按單項計算簡單和精確的結(jié)果，并能揭示系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系。又如單級直齒圓柱齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計、煤礦井下鉆機總體參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計、煤電鉆電動機的優(yōu)化設(shè)計等等，都不同程度地提高了產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。有限元設(shè)計在機

9、械系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用有限元法又稱有限單元法，是求解偏微分方程的一種有效的數(shù)值方法。有限元法發(fā)展至今天，已經(jīng)成為工程數(shù)值分析的有力工具，取得了巨大的進展，利用它成功地解決了一大批有重大意義的問題，很多通用程序和專用程序投入了實際應(yīng)用，而且應(yīng)用愈加廣泛，已拓展到諸多領(lǐng)域。它以計算機作為計算工具的現(xiàn)代數(shù)值計算方法，它的求解思路是將復(fù)雜的無限個質(zhì)點的連續(xù)彈性體簡化為有限個單元組成的集合體，對這些單元體進行求解，再將各單元拼合成離散的結(jié)構(gòu)物，以代替原來的連續(xù)彈性體。它既可分析工程中復(fù)雜非線性問題、非穩(wěn)態(tài)問題的求解，又可用于工程中復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜力分析和動力分析。它是一種十分有效的工程分析方法，它既可分析幾何復(fù)

10、雜、邊界不規(guī)則、厚度突變等受力對象，也可分析材料非線性、幾何非線性等復(fù)雜問題。日前己有許多成熟的大型有限元分析軟件如ansys ,i- dens 。煤礦機械受力的復(fù)雜性正好適用于有限元法來分析。例如，在對石橋煤礦設(shè)計其托罐裝置時，橫梁處采用了有限元法確定其應(yīng)力分布狀態(tài)，可直觀地分析其薄弱環(huán)節(jié)。礦山機械受力的復(fù)雜性也正好適于用有限元法來分析，例如，電動挖掘機的動臂和斗桿由于結(jié)構(gòu)和受載的復(fù)雜性在設(shè)計中一直采用工程計算法，即將其作為承受彎曲變形的梁來處理，因而只能確定危險截面處的應(yīng)力，而不能確定組成動臂和斗桿的每塊鋼板的應(yīng)力分布。為此，程春芳等人采用有限元法，對動臂和斗桿進行應(yīng)力分析，用sap5程序

11、在動臂和斗桿處于最大受力狀態(tài)時進行計算，得到每塊鋼板的應(yīng)力分布狀況，使問題得到了很好的解決。在對盤式制動器摩擦片溫度場的研究中和多繩摩擦提升機的設(shè)計中也都科學(xué)地運用了有限元法?？煽啃栽O(shè)計在機械系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用機電產(chǎn)品的可靠性設(shè)計可定義為:產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力?？煽啃栽O(shè)計是以概率論為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，從統(tǒng)計學(xué)的角度去觀察偶然事件，并從偶然事件中找出其某些必然發(fā)生的規(guī)律，而這些規(guī)律一般反映了在隨機變量與隨機變量發(fā)生的可能性(概率)之間的關(guān)系。用來描述這種關(guān)系的模型很多，如正態(tài)分布模型、指數(shù)分布模和威爾分布模型。可靠性常用的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)有:可靠度(reliability)、失效率

12、(failurerate)平均壽命(meanufe)。機電系統(tǒng)的可靠性不僅與組成系統(tǒng)單元(機械單元、電氣單元或混合單元)的可靠性有關(guān)，還與組成該系統(tǒng)各單元間的組合方式和相互匹配有關(guān)。通常機電產(chǎn)品的可靠性設(shè)計包括以下幾個方面的內(nèi)容:(l)明確機電產(chǎn)品中機械部件和電氣部件的設(shè)計制造要求。(2)系統(tǒng)可靠性建模。系統(tǒng)常用的可靠性建模方式有:串聯(lián)系統(tǒng)建模、并聯(lián)系統(tǒng)建模、混聯(lián)系統(tǒng)建模、k/n系統(tǒng)建模和儲備系統(tǒng)建模?？赏ㄟ^這些數(shù)學(xué)模型并采適當(dāng)?shù)乃惴▉碛嬎愠鰴C電系統(tǒng)的可靠性。(3)可靠性可預(yù)測。預(yù)測單元(機械單元、電氣單元或混合單元)的可靠性，首先要確定單元的基本失效率，它們是在一定的環(huán)境條件下得出的，設(shè)計時

13、可以從相關(guān)的手冊、資料中查得。然后根據(jù)公式入=k入b來確定各單元的應(yīng)用失效率，k為修正系數(shù)，可由專門的資料中查得。對于不同的機電系統(tǒng)，其可靠性預(yù)測的方法也不同，常用的有元器件統(tǒng)計法、數(shù)學(xué)模型法和故障樹分析法等方法。(4)可靠性的分配。根據(jù)機電產(chǎn)品各單元技術(shù)水平、復(fù)雜程度、重要程度以及相關(guān)費用等條件來決定，總的來說都是為了獲取系統(tǒng)最高的可靠性?，F(xiàn)在常用的分配方法有等分發(fā)、再分發(fā)、agree分配法和相對失效法和相對概率法。可靠性理論應(yīng)用于機械設(shè)計方面的研究始于20世紀(jì)60年代，首先應(yīng)用于軍事和航天等工業(yè)部門，隨后逐漸擴展到民用工業(yè)。對于一個復(fù)雜的產(chǎn)品來說，為了提高整體系統(tǒng)的性能，都是采用提高組成產(chǎn)

14、品的每個零部件的性能來達到的；這樣就使得產(chǎn)品的造價昂貴，有時甚至難以實現(xiàn)，例如對于幾萬甚至幾十萬個零部件組成的很復(fù)雜的產(chǎn)品。可靠性設(shè)計所要解決的問題就是如何從設(shè)計中來解決產(chǎn)品的可靠性，以改善對各個零部件可靠性的要求?？煽啃詢?yōu)化設(shè)計是常規(guī)可靠性優(yōu)化設(shè)計的深化，由于同時考慮了設(shè)計參數(shù)的隨機性和模糊性，從而使設(shè)計更符合客觀實際、更合理、更科學(xué)，優(yōu)化結(jié)果充分顯示了模糊可靠性優(yōu)化設(shè)計的效益和應(yīng)用價值。中國礦業(yè)大學(xué)可靠性工程研究所葛世榮等人，早在1988年就將可靠性設(shè)計應(yīng)用于礦井提升機的設(shè)計，并取得了顯著的成果。華中理工大學(xué)刁柏青等人先于1994年開展對礦井提升鋼絲繩安全系數(shù)可靠性的評估研究，建立了鋼絲繩

15、可靠性設(shè)計的理論方法。另外，黑龍江科技學(xué)院孫廣義等人采用結(jié)構(gòu)可靠性方法對回采工作面單體液壓支柱的支護可靠性設(shè)計進行了研究，并提出了安全支護和降低生產(chǎn)成本的建議。創(chuàng)新設(shè)計在機械系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用機械創(chuàng)新設(shè)計是指充分發(fā)揮設(shè)計者的創(chuàng)造性思維，利用人類已有的科學(xué)技術(shù)成果，設(shè)計出具有新穎性、實用性以及創(chuàng)造性的機械裝置。機械創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)和機械系統(tǒng)設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、計算機輔助設(shè)計、有限元設(shè)計等構(gòu)成現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué)庫，吸收了鄰近學(xué)科有利的設(shè)計思想與設(shè)計方法，是有待開發(fā)的一門新的設(shè)計技術(shù)方法。機械系統(tǒng)的創(chuàng)新在很大程度上取決于機構(gòu)的創(chuàng)新，創(chuàng)新設(shè)計的方法有兩類：一類是指首創(chuàng)、突破及發(fā)明；另一類是選擇常用機構(gòu)，

16、并按某種方式進行組合，綜合出可實現(xiàn)相同或相近功能的眾多機構(gòu)，為創(chuàng)新設(shè)計開辟了切實可行的途徑。隨著人工智能、專家系統(tǒng)、認識科學(xué)、思維科學(xué)以及人腦研究的發(fā)展，機械創(chuàng)新設(shè)計日益受到人們的重視。一方面，人工智能、專家系統(tǒng)、認識科學(xué)、思維科學(xué)、設(shè)計方法學(xué)等已經(jīng)為創(chuàng)新設(shè)計提供了一定的理論基礎(chǔ)；另一方面，創(chuàng)新設(shè)計的研究及發(fā)展有助于解釋人類的創(chuàng)造思維機理，還可以促進一系列科學(xué)的發(fā)展，實現(xiàn)專家系統(tǒng)及智能工程。創(chuàng)新設(shè)計要求能為發(fā)明創(chuàng)造機械和改善現(xiàn)有機械性能提供有效的理論和方法。創(chuàng)新設(shè)計遵循以下幾個原則(1)生態(tài)效益最好原則要在設(shè)計過程中盡量選擇污染較低的材料，避免使用有毒有害以及有輻射的材料。這是由于在產(chǎn)品制造和

17、使用過程中，都要求產(chǎn)品對周圍環(huán)境要滿足“零污染”原則。(2)安全可靠性原則機械產(chǎn)品品質(zhì)的保證要通過產(chǎn)品的安全可靠性來體現(xiàn)，產(chǎn)品在強度、剛度、穩(wěn)定性、以及耐磨性均要滿足設(shè)計要求，對于一些重型機械，要保證有一定的自鎖和保險裝置，確保操作人員的人身安全。(3)經(jīng)濟效益最好原則經(jīng)濟最佳性要從設(shè)計以及制造兩方面考慮，設(shè)計上要選用正確的材料，保證合理的原理方案；制造上要保證零件的加工工藝和裝配工藝。設(shè)計的產(chǎn)品不僅要滿足客戶的功能要求，還要保證成本低廉。任何一個設(shè)計，其首要工作應(yīng)明確設(shè)計目的和設(shè)計任務(wù)以及設(shè)計出機構(gòu)應(yīng)實現(xiàn)的功能。機械系統(tǒng)的功能分析是機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計中非常重要的環(huán)節(jié)，是后續(xù)設(shè)計的基礎(chǔ)。最基本的功能

18、分析是確定輸入、輸出運動形式和相關(guān)約束條件，從而總結(jié)出為實現(xiàn)所需功能所需的機構(gòu)自由度、各類型構(gòu)件數(shù)目、機構(gòu)中各類運動副的分配情況等3。在進行機械裝置的功能分析之后，可根據(jù)現(xiàn)有的單鉸運動鏈圖譜找出滿足機構(gòu)自由度要求和基本功能要求的單鉸運動鏈，且這些僅含連桿與轉(zhuǎn)動副的所有單鉸運動鏈原型可作為下一步創(chuàng)新綜合的基礎(chǔ)。創(chuàng)新設(shè)計包括兩方面的內(nèi)容，一是要改善生產(chǎn)生活中現(xiàn)有機械產(chǎn)品的性能，包括技術(shù)性、可靠性、適用性以及經(jīng)濟型；二是要創(chuàng)造設(shè)計出新的產(chǎn)品，以滿足生產(chǎn)生活的新需要。創(chuàng)新設(shè)計的核心內(nèi)容就是要探索機械產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)明的機理、模式及方法，將機械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程程式化、定量化。逐漸設(shè)計出自動化、智能化、集約化的各種機械設(shè)備，是高產(chǎn)高效的現(xiàn)代化