機(jī)械工程概論課件

1、第四章 機(jī)械設(shè)計(jì)及現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)：人們根據(jù)預(yù)定目標(biāo)來生產(chǎn)滿足要求的信息的一種活動(dòng)。 通過圖形、文字、數(shù)據(jù)、符號(hào)表達(dá)出來。4-1 機(jī)械設(shè)計(jì)基本方法設(shè)計(jì)發(fā)展階段直覺設(shè)計(jì)（遠(yuǎn)古1500年）經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)（15011849年）半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)（18501949年）半自動(dòng)設(shè)計(jì)（19501989年）自動(dòng)化設(shè)計(jì)（1990現(xiàn)在）明朝，設(shè)計(jì)制造同一人基本結(jié)構(gòu)的組合裝置專門進(jìn)行另部件研究實(shí)驗(yàn)，有標(biāo)準(zhǔn)借助計(jì)算機(jī)輔助手段進(jìn)行設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求設(shè)計(jì)機(jī)器應(yīng)滿足的基本要求1、功能性要求2、可靠性要求3、經(jīng)濟(jì)性要求4、勞動(dòng)保護(hù)要求5、其他特殊要求動(dòng)向預(yù)測方案設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)施工設(shè)計(jì)試生產(chǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)的一般步驟

2、1、強(qiáng)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(jì)性要求5、質(zhì)量小的要求設(shè)計(jì)機(jī)械零件的基本要求：常見產(chǎn)品及其設(shè)計(jì)圖減速箱減速箱下箱工程圖減速箱裝配圖機(jī)械設(shè)計(jì)方法和步驟1。理論設(shè)計(jì)（重要的零部件）2。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)（已典型化的零件）3。模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（特別重要的零件）設(shè)計(jì)的一般步驟1。動(dòng)向預(yù)測2。方案設(shè)計(jì)3。技術(shù)設(shè)計(jì)4。施工設(shè)計(jì)5。試生產(chǎn)利用CAD軟件進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)例4-2 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)、類比法設(shè)計(jì)提高到邏輯的、理性的、系統(tǒng)的新設(shè)計(jì)方法，是在靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行動(dòng)態(tài)多變量的最優(yōu)化?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)： 把設(shè)計(jì)對象看作一個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)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(jī)之間的功能相互協(xié)調(diào)。 強(qiáng)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(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)的特征（1）系統(tǒng)性（2）創(chuàng)造性 在設(shè)計(jì)過程中，綜合考慮分析市場需求、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、使用、銷售能各方面的因素；綜合運(yùn)用系統(tǒng)工程、可靠性理論、價(jià)值工程等學(xué)科的知識(shí)，探索多種解決設(shè)計(jì)問題的途徑。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)研究設(shè)計(jì)的一般進(jìn)程，包括一般設(shè)計(jì)戰(zhàn)略和用于設(shè)計(jì)各個(gè)具體部分的戰(zhàn)術(shù)方法。要求設(shè)計(jì)者從產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)、試制，按步驟有計(jì)劃地進(jìn)行設(shè)計(jì)。 （3）綜合性（4）程式性(二) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的產(chǎn)生 我國從上世紀(jì)80年代開始對

4、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，通過和聘請國外專家，推廣和普及現(xiàn)代設(shè)計(jì)的基本知識(shí)。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法優(yōu)化設(shè)計(jì)(Optimal design)、價(jià)值工程(Value engineering)、可靠性設(shè)計(jì)(Reliability design) 、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD) 工業(yè)藝術(shù)造型設(shè)計(jì)(Visual design)、反求工程(Inverse engineering)、模塊化設(shè)計(jì)(Modular design)機(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)(Dynamic design)、并行設(shè)計(jì)(Concurrent design) 人機(jī)工程學(xué)(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(shè)計(jì)方法的研究，提高設(shè)計(jì)人員素質(zhì)，開展工程技術(shù)教育。 美國的產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙基本上由計(jì)算機(jī)繪制，強(qiáng)調(diào)“創(chuàng)造性設(shè)計(jì)”，提倡設(shè)計(jì)中創(chuàng)造能力的開發(fā)，把設(shè)計(jì)活動(dòng)分為創(chuàng)造分析決策三個(gè)步驟。一、有限元分析方法 出現(xiàn)于上世紀(jì)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(qiáng)、使用方便、計(jì)算結(jié)果可靠和效率高而成為結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)有力的分析工具。 用有限個(gè)單元將連續(xù)體離散化，通過對有限個(gè)單元作分片插值求解各種力學(xué)、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(gè)單元：桿系結(jié)構(gòu)的單元是每一個(gè)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(quán)殘量方程可建立有限個(gè)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(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)和電磁學(xué)等許多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。當(dāng)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(diǎn)（Node）：就是考慮工程系統(tǒng)中的一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)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(yīng)。3.自由度（Degree Of Freedom）：上面提到節(jié)點(diǎn)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(yīng)結(jié)果。2.元素（Element）：元素是節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)相連而成，元素的組合由各節(jié)點(diǎn)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(hào)。有限元分析的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)二、優(yōu)化設(shè)計(jì) 優(yōu)化設(shè)計(jì)是屬于創(chuàng)新設(shè)計(jì)，它使設(shè)計(jì)工作從過去的完全經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)及類比設(shè)計(jì)中解放出來，從理論上建立設(shè)計(jì)對象的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，按現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)出符合人為要求的新產(chǎn)品。創(chuàng)新的設(shè)計(jì)可能是零件、部件、整機(jī)以及各行業(yè)的工程。優(yōu)化設(shè)計(jì)是以數(shù)學(xué)規(guī)劃為理論基礎(chǔ)，以電子計(jì)算機(jī)為工具，在充分考慮各種設(shè)計(jì)約束的前提下，尋求滿足某些將預(yù)定目標(biāo)的

8、最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。 最優(yōu)化技術(shù)是在60年代發(fā)展起來的，它建立在近代數(shù)學(xué)、最優(yōu)化方法和計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，已成為解決復(fù)雜問題的一種有效工具。并成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用中的一個(gè)重要方面。優(yōu)化設(shè)計(jì)工作包含三個(gè)內(nèi)容: 建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；選取優(yōu)化方法；用計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解。（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)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(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件是優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的三個(gè)要素。 工程中的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，是在考慮諸多影響因素的條件下，以得到最佳的設(shè)計(jì)方案，即最佳設(shè)計(jì)參數(shù)值。其設(shè)計(jì)原則是欲得

9、到最佳方案，以電子計(jì)算機(jī)為計(jì)算工具，所用設(shè)計(jì)方法采用最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。 其基本思想是搜索、迭代和逼近。即求解時(shí)，從某一初始點(diǎn)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(diǎn)，這樣一步一步地重復(fù)數(shù)值計(jì)算，用改進(jìn)后的新設(shè)計(jì)點(diǎn)替代老設(shè)計(jì)點(diǎn)，逐步改進(jìn)目標(biāo)函數(shù)，并最終逼近極值點(diǎn)。 （2）優(yōu)化方法如圖為由兩根鋼管組成的對稱桁架。點(diǎn)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(qiáng)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(jī)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(qiáng)度和穩(wěn)定性。 桿內(nèi)力桿截面壓應(yīng)力抗壓強(qiáng)度： s 穩(wěn)定性:桿件截面上的壓應(yīng)力不超過壓桿穩(wěn)定的臨界應(yīng)力。 三、機(jī)械可靠性設(shè)計(jì) 產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)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(jī)械工程及其他各學(xué)科領(lǐng)域,并滲透到社會(huì)科學(xué)的領(lǐng)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(shè)計(jì)、制造賦予產(chǎn)品的可靠性受制造、設(shè)計(jì)及使用條件影響的可靠性可靠性學(xué)科可靠性工程可靠性數(shù)學(xué)可靠性物理可靠性管理可靠性分析,可靠性設(shè)計(jì)及可靠性實(shí)驗(yàn)以概率和數(shù)理統(tǒng)計(jì)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(jìn)措施1、可靠性的理論基礎(chǔ)和常用指標(biāo)（1）可靠度（ Reliability) 產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。理論基礎(chǔ)：概率統(tǒng)計(jì)學(xué)研究偶然時(shí)間中必然規(guī)律的學(xué)科數(shù)學(xué)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(shí)間內(nèi)，產(chǎn)品功能失效的概率根據(jù)概率互補(bǔ)定理（3）平均壽命和平均無故障工作時(shí)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(shí)間:可修復(fù)產(chǎn)品相鄰兩次故障的平均時(shí)間 MTBF（ Mean Time Between Failures ）2、機(jī)械

12、可靠性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 機(jī)械類和電子類產(chǎn)品可靠性特點(diǎn)的比較 機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的原則和方法1 簡單化和標(biāo)準(zhǔn)化 2 失效經(jīng)驗(yàn)的反饋應(yīng)用 3 FMECA （故障模式影響和危害度分析）、 FTA （故障 樹分析） 和設(shè)計(jì)評審 4 安全裕度設(shè)計(jì)5 失效安全和損傷容限設(shè)計(jì)6 冗余設(shè)計(jì) 7 機(jī)械零件、結(jié)構(gòu)的概率設(shè)計(jì) 8 健壯設(shè)計(jì)9 系統(tǒng)可靠性分析和預(yù)計(jì)10 維修性設(shè)計(jì) 11 可靠性試驗(yàn) 機(jī)械產(chǎn)品 電子產(chǎn)品 系統(tǒng)構(gòu)成 機(jī)械結(jié)構(gòu) 動(dòng)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(hào)系統(tǒng) 接受信號(hào)系統(tǒng) 放大系統(tǒng) 可靠性指標(biāo) 耐用壽命（時(shí)間、次數(shù)） 零件更換壽命 整機(jī)可用性 MTBF 元件故障率 整機(jī)可

13、用性 故障機(jī)制 在定期維修條件下，復(fù)雜的整機(jī)設(shè)備故障呈現(xiàn)隨機(jī)性，零部件以耗損性故障為主 元件和整機(jī)故障多屬隨即性 故障關(guān)聯(lián)性 與聯(lián)接、使用、維修方式有關(guān) 元件故障基本獨(dú)立無關(guān) 使用環(huán)境 使用環(huán)境條件復(fù)雜，需掌握環(huán)境變化和極值條件，應(yīng)力分析十分重要 使用環(huán)境一般良好，有密閉和保護(hù)，應(yīng)力因素可預(yù)測 維修方式 一般以預(yù)防性維修為主 預(yù)防性維修意義不大 可靠性預(yù)計(jì) 困難 可能 數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD(computer aided design) 設(shè)計(jì)人員借助于計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的方法。其特點(diǎn)是將人的創(chuàng)造能力和計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算能力

14、，巨大存儲(chǔ)能力和邏輯判斷能力很好地結(jié)合起來。四、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jì)60年代以大型機(jī)為主機(jī)，配圖形終端、字符終端、繪圖機(jī)等構(gòu)成的主從式系統(tǒng)。 上世紀(jì)70年代發(fā)展為以小型機(jī)為主，配以機(jī)械、電子或建筑業(yè)通用軟件的小型成套系統(tǒng)。 上世紀(jì)80年代以來，則以工程工作站加網(wǎng)絡(luò)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(gè)人計(jì)算機(jī)有逐漸擠占工作站市場份額的趨勢。1822年研制的差分機(jī)1930年電動(dòng)機(jī)械式計(jì)算機(jī)1941年研制的Z-3型計(jì)算機(jī)1943年12月巨人計(jì)算機(jī)運(yùn)行軟件系統(tǒng)只能檢索出符合要求的最佳圖樣針對設(shè)計(jì)對象編制并調(diào)試、修改程序，

15、并輸出設(shè)計(jì)圖樣按照產(chǎn)品要求，抽象出設(shè)計(jì)對象的目標(biāo)函數(shù)、約束條件及設(shè)計(jì)變量，通過優(yōu)化程序計(jì)算出最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果設(shè)計(jì)人員直接與計(jì)算機(jī)對話，調(diào)用計(jì)算機(jī)內(nèi)已有的產(chǎn)品信息、各種設(shè)計(jì)資料以及各種軟件功能進(jìn)設(shè)計(jì)，對于以圖形顯示的設(shè)計(jì)結(jié)果可以反復(fù)地進(jìn)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(dòng)設(shè)計(jì)型系統(tǒng)交互式系統(tǒng)近年來發(fā)展比較迅速計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、幾何造型、工程分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)、人 工智能與專家系統(tǒng)三維CAD技術(shù)的意義及發(fā)展歷程CAD技術(shù)起源于美國，它經(jīng)歷了一個(gè)由二維設(shè)計(jì)技術(shù)向三維設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的過程。 早期二維機(jī)械CAD 僅僅是計(jì)算機(jī)輔助繪圖 （Comp

16、uter Aided Drafting） 三維CAD技術(shù)才是真正意義上的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù) （Computer Aided Design）。三維CAD的四次技術(shù)革命第一次：由線框造型設(shè)計(jì)/加工發(fā)展到曲（表）面造型設(shè)計(jì)第二次：由曲（表）面造型設(shè)計(jì)發(fā)展到實(shí)體造型設(shè)計(jì)第三次：由實(shí)體造型設(shè)計(jì)發(fā)展到參數(shù)化造型設(shè)計(jì)第四次：由參數(shù)化造型設(shè)計(jì)發(fā)展到變量化造型設(shè)計(jì)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(jí)方法和技術(shù)支援 CAXA是北京北航海爾軟件有限公司CATIA最早是由法國達(dá)索飛機(jī)公司研制，后來屬于IBM公司，是一個(gè)高檔CAD/CAM/C

17、AE系統(tǒng)。最有影響的機(jī)械CAD/CAM軟件有：Pro/E、I-DEAS、UG、 Auto CAD。占60%以上Master CAM是一種應(yīng)用廣泛的中低檔CAD/CAM軟件柴油機(jī)的設(shè)計(jì)五、綠色設(shè)計(jì) 20世紀(jì)90年代初期圍繞在發(fā)展經(jīng)濟(jì)同時(shí)，如何節(jié)約資源，有效利用能源和保護(hù)環(huán)境這一主題而提出的新的設(shè)計(jì)概念和方法。1、設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品可以拆 卸、分解，零部件可以翻新和重復(fù)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(shè)計(jì):指以保護(hù)環(huán)境和環(huán)境資源為核心概念的設(shè)計(jì)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(dá)80。要求:綠色設(shè)計(jì)的內(nèi)容

18、綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)的材料選擇與管理；產(chǎn)品的可拆卸性設(shè)計(jì)；產(chǎn)品的可回收性設(shè)計(jì)。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(jià)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(jià)值的大小，回收的處理方法等本質(zhì)： 為環(huán)保而設(shè)計(jì)（Design for Environment） 為回收而設(shè)計(jì)（Design for Recycle） 為拆解而設(shè)計(jì)（Design for Disassembly） 為再制而設(shè)計(jì)（Design for Re-manufacture） 為永續(xù)性而設(shè)計(jì)（Design for Sustainability） 企業(yè)開展綠色設(shè)計(jì)的原因：(1)顧客要求；(2)國際標(biāo)準(zhǔn)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(zé)任等企業(yè)企業(yè)環(huán)境管理綠色設(shè)計(jì)產(chǎn)品服務(wù)顧客社會(huì)綠色設(shè)計(jì)在企業(yè)環(huán)境管理中的地位設(shè)計(jì)原則：(1)易修護(hù)(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(jí)(7)多功能 供應(yīng)商材料采購研發(fā)方向市場占有消費(fèi)者行為綠 色 設(shè) 計(jì)組成制成改變污染防治廢棄物處理售后服務(wù)材料制作管理面作業(yè)面桌上型電腦產(chǎn)品環(huán)境負(fù)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(yùn)輸階段桌上型電腦顯