設(shè)計結(jié)構(gòu)全套教學(xué)教程完整版電子課件最全ppt電子教案

1、設(shè)計結(jié)構(gòu)第1章 結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)論1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計概述1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則和步驟結(jié)構(gòu)設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計中技術(shù)設(shè)計階段的一個重要環(huán)節(jié)，它是在總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)選定的原理方案，確定滿足功能要求的零部件材料、熱處理萬式、零部件結(jié)構(gòu)尺寸等。結(jié)構(gòu)設(shè)計是涉及問題最多、最具體、工作量最大的工作階段，是一種蘊藏著巨大優(yōu)化和創(chuàng)新潛力的工作。它要求設(shè)計師必須掌握多門基礎(chǔ)理論知識，更要求設(shè)計師必須具備豐富的工程知識和實踐經(jīng)驗?，F(xiàn)代產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計不但要滿足機械設(shè)備的基本功能要求，還要兼顧其他技術(shù)、經(jīng)濟和社會要求，并且應(yīng)系統(tǒng)地設(shè)計出盡可能多的可能方案，然后從中優(yōu)選。結(jié)構(gòu)設(shè)計包括

2、4個方面的內(nèi)容。功能設(shè)計滿足并在技術(shù)上具體實現(xiàn)產(chǎn)品的主要功能要求。質(zhì)量設(shè)計兼顧其他要求和限制，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能價格比。這已成為現(xiàn)代工程設(shè)計的特征。1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計概述下一頁返回優(yōu)化設(shè)計和創(chuàng)新設(shè)計用結(jié)構(gòu)設(shè)計變元等創(chuàng)新設(shè)計方法系統(tǒng)地構(gòu)造盡可能大的結(jié)構(gòu)方案解空間，并用創(chuàng)造性設(shè)計思維方法和其他科學(xué)方法進行優(yōu)選和創(chuàng)新。CAD技術(shù)的應(yīng)用計算機輔助設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算、制圖，以及制備技術(shù)文件等工作，并為設(shè)計師提供豐富的設(shè)計信息，提高設(shè)計師的空間思維能力和創(chuàng)新能力。1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計概述上一頁返回結(jié)構(gòu)設(shè)計包括下面4個特點。1.實踐性特點實踐性是結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新的源泉與歸宿。有問題要解決，人們才會千萬

3、百計地想辦法，以滿足自己解決問題的需要，以獲得一個滿意的設(shè)計結(jié)果。反過來，通過實踐獲得實踐經(jīng)驗又幫助設(shè)計師優(yōu)化他們的設(shè)計。長期以來，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計依靠的就是機械設(shè)計師的實踐經(jīng)驗。只有通過實踐，創(chuàng)新的思想才能轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實;只有通過不斷實踐，人的創(chuàng)新意識和能力才能得到培養(yǎng)。下面幾個例子就是來源于實踐的設(shè)計。如果沒有實踐經(jīng)驗，就很難發(fā)現(xiàn)這些問題。 如圖1-1所示，在設(shè)計銷釘定位結(jié)構(gòu)時，必須考慮到銷釘應(yīng)易于從銷釘孔中拔出，因此就有了把銷釘孔做成通孔的結(jié)構(gòu)、帶螺紋尾的銷釘(有內(nèi)螺紋和外螺紋)的結(jié)構(gòu)等。對于盲孔，為避免孔中封入空氣引起裝拆困難，還應(yīng)該有通氣孔。1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點下一頁返回如圖1-2所示，采

4、用徑向錐銷和半圓鍵加緊定螺釘?shù)墓潭ㄝS上零件的方法，在實際應(yīng)用中都要求配作，在裝配時，進行這些加工效率是比較低的，而采用軸用彈簧卡圈作軸向固定則要好些。如圖1-3所示的考慮節(jié)料的沖壓件結(jié)構(gòu)。可以將零件設(shè)計成能相互嵌入的形狀，這樣既不降低零件的性能，又可以節(jié)省很多材料。如圖1-4(a) 所示的零件采用整體鍛造，加工余量大。修改設(shè)計后采用鑄鍛焊復(fù)合結(jié)構(gòu)，將整體分為兩部分見圖1-4(b)，下半部分為鍛成的腔體，上半部分為鑄鋼制成的頭部，將兩者焊接成一個整體，可使毛坯重量減輕一半，機加工量也減少了40%。 2.細節(jié)性特點結(jié)構(gòu)設(shè)計是一種細節(jié)性設(shè)計。與原理方案設(shè)計相比，結(jié)構(gòu)設(shè)計是通過許多細節(jié)設(shè)計來兼顧產(chǎn)品的

5、各種要求，細節(jié)的總和就是質(zhì)量，現(xiàn)代技術(shù)產(chǎn)品的競爭焦點不是其工作原理，而是產(chǎn)品的技術(shù)指標。1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點上一頁下一頁返回細節(jié)不是無關(guān)大局的小節(jié)。它的差別能導(dǎo)致整個產(chǎn)品的技術(shù)、經(jīng)濟性能的顯著差異。結(jié)構(gòu)細節(jié)決定了產(chǎn)品質(zhì)量的高低。實際中，絕大多數(shù)機械故障和質(zhì)量問題，不是因為工作原理，而是錯誤的或不合理的結(jié)構(gòu)細節(jié)所致。結(jié)構(gòu)上的細節(jié)缺陷可能導(dǎo)致整個零件難以甚至無法制造和實現(xiàn)其功能。細節(jié)并不簡單，細節(jié)的改進也不是唾手可得的，需要設(shè)計者掌握相應(yīng)的專業(yè)知識和實踐知識。改進設(shè)計是一個需要親自體驗的漸進過程，理解別人的設(shè)計和自己親自設(shè)計其難易程度是有天壤之別的。如圖1-5所示，為減小零件的加工量、提高配合精

6、度，應(yīng)盡量減小配合長度。如果必須要有很長的配合面，則可將孔的中間部分加大，這樣中間部分就不必精密加工，加工方便，配合的效果較好。如圖1-6所示，如零件兩部分交接處有直角轉(zhuǎn)彎，則會在該處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。設(shè)計時可將直角轉(zhuǎn)彎改為斜面和圓弧過渡，這樣可以減少應(yīng)力集中，防止熱裂。 1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點上一頁下一頁返回如圖1-7所示的凸緣，用的是先加工成整圓，切去兩邊再加工兩端圓弧的方法。在零件的形狀變化并不影響其使用性能的條件下，在設(shè)計時應(yīng)采用最容易加工的形狀。如圖1-8所示，螺紋孔孔邊如果不倒尾，則螺紋容易被碰壞，碰壞后易產(chǎn)生裝拆困難，但如果將釘孔口倒角可以避免。 3.多樣性特點通過改變零件結(jié)構(gòu)

7、本身的形態(tài)形狀、位置、數(shù)目、尺寸，零件的材料，零件間的連接方式、運動方式等，可以得到許多不同的機械結(jié)構(gòu)方案。滿足同樣功能的結(jié)構(gòu)的多樣性，得到一個盡可能大的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案解空間，是進行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計中的一個不可缺少的環(huán)節(jié)，是進行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計的重要前提。如圖1-9所示即為改變零件結(jié)構(gòu)本身的形態(tài)所得到的不同的滾動導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)方案。1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點上一頁下一頁返回4.創(chuàng)造性特點市場競爭日益激烈，需求向個性化發(fā)展，人們對產(chǎn)品質(zhì)量的提高永無止境，因此，創(chuàng)新設(shè)計在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的作用越來越重要，并將是未來技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)的競爭焦點。 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計就是要構(gòu)造出大量可供優(yōu)選的可能性方法，即構(gòu)造出大的優(yōu)化求解

8、空間，為優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計中最具創(chuàng)造性的地方。創(chuàng)新設(shè)計是一種創(chuàng)造性的思維活動，運用創(chuàng)造性的思維方法能顯著地提高產(chǎn)品設(shè)計師的創(chuàng)造設(shè)計能力。在對過去的經(jīng)驗和知識的分解和綜合基礎(chǔ)之上，充分發(fā)揮設(shè)計師的創(chuàng)造性能力，將會設(shè)計出性能更完善的產(chǎn)品?；谏厦鎸Y(jié)構(gòu)設(shè)計特點的分析可知，實踐性特點是結(jié)構(gòu)設(shè)計最基本的特點。設(shè)計師只有積累了一定的實踐經(jīng)驗，才能從容地處理一些貌似細節(jié)的問題，才能充分理解結(jié)構(gòu)設(shè)計的多樣性問題，才能充分發(fā)揮設(shè)計師的創(chuàng)造能力。1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點上一頁返回結(jié)構(gòu)設(shè)計過程要統(tǒng)籌兼顧多種技術(shù)、經(jīng)濟和社會的要求，即結(jié)構(gòu)設(shè)計有很多實際限制。例如發(fā)動機，它不僅要滿足將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機械能這一

9、功能要求，而且還要滿足下列諸多要求!較少的制造使用費用、高的效率、較低的噪聲、較低的有害物質(zhì)排放、長的使用壽命、高的可靠性、小的體積、低的自重、便于制造、便于安裝、便于檢查、便于維護和修理、便于廢品回收、便于資源再利用等。結(jié)構(gòu)設(shè)計對上述這些要求的滿足程度決定了該產(chǎn)品的性能和市場競爭能力。這里將結(jié)構(gòu)設(shè)計的眾多要求概括為下列幾類：和市場有關(guān)的要求、和環(huán)境有關(guān)的要求、和社會有關(guān)的要求、和生產(chǎn)有關(guān)的要求、和故障有關(guān)的要求。1.和市場有關(guān)的要求市場的要求是最高要求，是結(jié)構(gòu)設(shè)計、產(chǎn)品開發(fā)的最終歸宿。結(jié)構(gòu)設(shè)計者首先要弄清楚所設(shè)計的產(chǎn)品是為什么樣特定的市場準備的，工業(yè)化國家和發(fā)展中國家，個人消費和集團消費所要

10、求的重點是不同的。技術(shù)現(xiàn)狀、競爭對手狀況和市場需求是市場要求的重點。1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求下一頁返回2.和環(huán)境有關(guān)的要求這一要求有兩方面：其一是產(chǎn)品對環(huán)境的影響;其二是環(huán)境對產(chǎn)品的干擾。技術(shù)產(chǎn)品在生產(chǎn)、使用和報廢的全過程應(yīng)對環(huán)境(人、動物、植物、空氣、水、大地)不產(chǎn)生負擔和損害。產(chǎn)品對環(huán)境的影響有噪聲、輻射(熱、光、無線波、放射線)、振動和有害物質(zhì)排放等。而技術(shù)產(chǎn)品遭受的干擾包括物理、化學(xué)或生物式的。物理式的干擾有空氣潮濕、灰塵、贓物結(jié)垢、光、冷、熱、靜電聚集和重力變化等?；瘜W(xué)式的干擾有腐蝕和氧化等。3.和社會有關(guān)的要求技術(shù)產(chǎn)品是為滿足人類社會的需求而開發(fā)生產(chǎn)的，因此它不能和社會的要求相違背。

11、這些要求通常以規(guī)范、標準、規(guī)定、法律、專利等形式加以確定。產(chǎn)品設(shè)計一定要注意這些方面的要求和限制。1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求上一頁下一頁返回4.和生產(chǎn)有關(guān)的要求技術(shù)產(chǎn)品要開發(fā)、加工、儲藏、運輸和銷售，這一系列過程中的很多要求必須在設(shè)計過程中考慮到。這些要求統(tǒng)稱為生產(chǎn)要求，可分為下列幾個方面：開發(fā)要求、加工要求、裝配要求、檢測要求、儲存和運輸要求、使用要求、保養(yǎng)要求、修理要求、回收要求、報廢要求。開發(fā)要求指產(chǎn)品開發(fā)部門要有對應(yīng)的能力、經(jīng)驗和試制手段。加工要求首先指產(chǎn)品可以通過現(xiàn)有的加工方法被加工出來;其次，這種加工方法要方便、可靠，特別是要盡量利用本企業(yè)的加工條件。加工要求可進一步分為工藝要求、公差

12、要求和易被加工材料的要求。其中工藝要求又可分為沖壓工藝要求、切削工藝要求、焊接工藝要求、鍛造工藝要求和熱處理工藝要求等。對裝配、檢測、儲存、運輸?shù)囊缶褪且蠼Y(jié)構(gòu)設(shè)計使這些過程成為可能，盡量使這一過程方便。1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求上一頁下一頁返回對于使用要求，首先應(yīng)考慮到任何產(chǎn)品都不是孤立的系統(tǒng)，它必須和其他系統(tǒng)聯(lián)系，即有接頭和交接面問題。這種交接面既可能是技術(shù)系統(tǒng)之間，也可能是人一機之間。例如，機械連接、插頭、離合器和管道等，功能數(shù)據(jù)如轉(zhuǎn)矩、力、轉(zhuǎn)速、電流強度、電壓和頻率等。使用要求還包括使用方便、食用安全、使用愉快。對于保養(yǎng)修理要求指結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)使保養(yǎng)、修理的要求盡量低，即次數(shù)少、間隔長，也較

13、方便?；厥請髲U要求是指產(chǎn)品不能作為原用途使用時，還可用于其他要求較低的場合，或其中部分系統(tǒng)可繼續(xù)在其他場合利用。在完全喪失了使用功能以后，即報廢以后，其材料應(yīng)便于回收再利用，毫無利用價值的原材料應(yīng)便于處理成對環(huán)境無負擔的形式。1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求上一頁下一頁返回5.和故障有關(guān)的要求這一要求是指在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，應(yīng)采用適當?shù)姆婪洞胧?，避免一些消極因素的產(chǎn)生，至少盡量避免這些消極因素的影響。消極因素包括摩擦、磨損、內(nèi)應(yīng)力、材料疲勞、老化、腐蝕、發(fā)熱和熱膨脹、蠕變、自振和共振、自重等。這里的關(guān)鍵是在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段要能準確認識到可能發(fā)生的故障及其原因，因此，了解該產(chǎn)品的使用經(jīng)驗和工作環(huán)境條件非常有益。1

14、.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求上一頁返回影響結(jié)構(gòu)的因素較多。完成不同功能的零件結(jié)構(gòu)不一樣，功能相同的零件的結(jié)構(gòu)也千差萬別。機械結(jié)構(gòu)紛繁復(fù)雜，因此并沒有一個統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)設(shè)計標準。下面只是介紹一下結(jié)構(gòu)設(shè)計過程的基本原則和基本步驟，這樣可以對結(jié)構(gòu)設(shè)計過程有一個大致的了解，當然不能按部就班地按基本步驟進行設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計過程基本原則是：從內(nèi)到外、從重要到次要、從局部到總體、從粗略到精細，統(tǒng)籌兼顧，權(quán)衡利弊，反復(fù)檢查，逐步改進。結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本步驟：明確結(jié)構(gòu)的主要任務(wù)和要求; 熟悉與待設(shè)計結(jié)構(gòu)類似的已知結(jié)構(gòu);估算結(jié)構(gòu)的主要尺寸;選擇結(jié)構(gòu)中相關(guān)的標準件、通用件等;1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則和步驟下一頁返回用創(chuàng)新設(shè)計等各種

15、方法系統(tǒng)地產(chǎn)生多個新方案;按技術(shù)、經(jīng)濟和社會指標評價，選擇最佳方案;尋找所選方案中的缺陷和薄弱環(huán)節(jié);對照各種要求、限制，從細節(jié)上反復(fù)改進;校核結(jié)構(gòu)強度、剛度以及其他功能指標;繪制裝配圖及零件工作圖;編寫技術(shù)說明書。下面舉一實例來說明結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程。這里重點突出基本結(jié)構(gòu)草圖的設(shè)計過程，其他設(shè)計步驟都略去。例:有兩個壁厚分別為的直壁需用螺栓連接，見圖1-10(a)，試設(shè)計該螺栓連接結(jié)構(gòu)。解:首先確定螺栓的直徑dod以由螺栓所要承擔的載荷根據(jù)計算或經(jīng)驗確定，一般來說d=1.25，然后確定螺栓離壁外表面的距離。1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則和步驟上一頁下一頁返回為此，需要先明確螺栓頭的直徑D、壁面和法蘭過

16、渡區(qū)半徑r。D由d確定，有標準可查。r根據(jù)經(jīng)驗約為一半壁厚。所以螺栓軸心到直壁外表面的距離是 ，見圖1-10(b)。接著確定法蘭厚度h，這里取h=2，這樣便可按標準畫螺栓和螺母，見圖1-10(c)。法蘭寬度根據(jù)螺母、螺栓頭大小以及一定的余量f.確定，f主要根據(jù)鑄件精度和構(gòu)件大小而定。螺栓和法蘭之間要留有間隙，具體數(shù)值根據(jù)規(guī)范確定。此外，不要忘記倒角，見圖1一10(d)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，常常是先畫特性面(或工作面)草圖，然后在特性面之間添加“材料”，從局部到整體逐步擴展設(shè)計。在此過程中，可通過改變特性面的大小、方位，連接件的數(shù)量、材料，連接方式等，不斷比較各種可能的結(jié)構(gòu)，選擇最佳方案。1.4

17、結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則和步驟上一頁返回圖1-1返回圖1-2返回圖1-3返回圖1-4返回圖1-5返回圖1-6返回圖1-7返回圖1-8返回圖1-9返回圖1-10返回第2章 結(jié)構(gòu)設(shè)計的計算方法2.1 機械結(jié)構(gòu)的計算簡圖2.2 結(jié)構(gòu)承載能力的設(shè)計計算方法2.3 許用應(yīng)力實際的結(jié)構(gòu)一般都很復(fù)雜，想要完全按照結(jié)構(gòu)的真實情況去進行分析，往往很難辦到，對于少數(shù)問題也許有可能，但從實際觀點來看是沒有必要的。因此，對實際結(jié)構(gòu)進行力學(xué)分析時，總是需要做出一些簡化和假設(shè)，略去某些次要因素，保留其主要受力特性，從而使計算切實可行。這種把實際結(jié)構(gòu)作適當簡化，用作力學(xué)分析的結(jié)構(gòu)圖形，就稱為結(jié)構(gòu)計算簡圖，或叫做結(jié)構(gòu)計算模型。一般

18、說來，在進行結(jié)構(gòu)簡化和假設(shè)時，應(yīng)當符合以下兩條原則：第一，結(jié)構(gòu)計算簡圖必須能夠反映實際結(jié)構(gòu)的主要受力特性，確保計算結(jié)果可靠;第二，在滿足計算精度要求的條件下，結(jié)構(gòu)計算簡圖應(yīng)當盡量簡單，使得計算方便可行。2.1.1結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件以及構(gòu)件間聯(lián)系的簡化嚴格講，實際的結(jié)構(gòu)都是空間結(jié)構(gòu)，然而，對于絕大多數(shù)的空間結(jié)構(gòu)，其主要承重結(jié)構(gòu)和力的傳遞路線，大多是由若干平面組合形成的。由于平面力系的計算要比空間力系簡單得多，所以通常總是盡可能地把它簡化為平面結(jié)構(gòu)來計算。2.1 機械結(jié)構(gòu)的計算簡圖下一頁返回對桁架結(jié)構(gòu)，在計算簡圖中桿件通常以其軸線來代表，曲率不大的微曲桿件可以用直的軸線或折線段來代替。結(jié)構(gòu)中各桿件相互

19、之間是通過“結(jié)點”連接的，結(jié)點本身往往是很復(fù)雜的。但在計算時通常都簡化為“鉸結(jié)點”和“剛結(jié)點”兩種。鉸結(jié)點是指連接桿件的節(jié)點時光滑無摩擦的理想鉸，各桿可繞此鉸結(jié)點作相對轉(zhuǎn)動，因此鉸結(jié)點上的彎矩為零。當然無摩擦的理想鉸在實際結(jié)構(gòu)中是不存在的。但是當桿件的長度與直徑之比較大時，可以將結(jié)構(gòu)中的結(jié)點簡化為理想鉸結(jié)點，這樣可使計算大大簡化，而所求得的主要內(nèi)力基本上是符合實際受力情況的。由于真實結(jié)點與鉸結(jié)點的差異，發(fā)生在結(jié)點附近的附加彎應(yīng)力與軸向應(yīng)力想必是很小的，在一般情況下可忽略不計。1.支座的簡化支座是用來支撐其他部件或零件的結(jié)構(gòu)件。在傳遞力的過程中，支座將承受支反力，同時也阻止所支撐部件在支座方向上

20、的位移。2.1 機械結(jié)構(gòu)的計算簡圖上一頁下一頁返回在工程實際中，支座分為剛性支座和彈性支座，剛性支座又分為3類。(1)活動鉸支座其特點是在支撐部分有一個鉸結(jié)構(gòu)或類似于鉸結(jié)構(gòu)的裝置，其上部結(jié)構(gòu)可以繞鉸點自由轉(zhuǎn)動，而鉸結(jié)構(gòu)又可沿一個方向自由移動。如橋式起重機橫梁與車輪用軸相接，可以繞輪軸轉(zhuǎn)動，車輪則可以在軌道上自由滾動如圖2-1(a)引所示。這種支座可以簡化為活動鉸支座如圖2-1 (b)所示，它產(chǎn)生垂直方向的支反力，其作用線沿著支座鏈桿方向。(2)固定鉸支座它與活動鉸支座的區(qū)別在于整個支座不能移動，但是被支撐的部件可以繞一固定軸線自由轉(zhuǎn)動如圖2-2(a)所示，制作簡圖見圖2-2(b)。支座反作用力

21、通過支座鉸點，其大小和方向由作用在所支撐的部件上的載荷所決定。2.1 機械結(jié)構(gòu)的計算簡圖上一頁下一頁返回(3)固定支座這種支座的特點是，當部件或零件用這種支座與基礎(chǔ)或其他部件相連接后，支座所支撐的部件或零件不能轉(zhuǎn)動或移動。固定支座的實例見圖2-3(a)所示。圖中上部分用焊接方法固接于基礎(chǔ)上，支座簡圖見圖2-3(b)。支座反力除具有支反力外還有支反力矩。以上為剛性支座的3種基本形式，當支座的位移和支反力不處于同一平面時，稱為空間支座。在實際結(jié)構(gòu)中，經(jīng)常會遇到支座結(jié)構(gòu)在外載荷作用下產(chǎn)生較大的彈性變形，這種情況下的支座稱為彈性支座。同一空間支座，在分解成平面結(jié)構(gòu)進行分析時，支座的形式有可能是不一樣的

22、。如塔式起重機臂架的根部通過轉(zhuǎn)軸與塔架相連如圖2-4 (a)所示。在臂架起升平面，由于臂架根部可以繞軸O點轉(zhuǎn)動，不能承受彎矩，這時就可以認為是固定鉸支座。而在回轉(zhuǎn)平面，由于兩鉸點作用，可以承受繞垂直軸的彎矩，一般可以作為固定端處理，整個臂架就是懸臂梁 如圖2-4(b)所示。 2.1 機械結(jié)構(gòu)的計算簡圖上一頁下一頁返回即使對同一平面的支座，有時針對分析對象的不同，也有可能取兩種支承形式。對于圖2-5(a)龍門起重機，在分析時可以取圖2-5(b)和圖2-5(c)兩種支承形式，它們在實際中都可能出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布是不一樣的。在圖2-5(b) 的情況下，橫梁的彎矩較大。在圖2-5(c)的情況下，支腿

23、中的彎矩較大。所以對以上兩種情況都應(yīng)進行計算。 在對結(jié)構(gòu)加約束時，還應(yīng)該注意分析約束對結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的反力特征。如載重汽車的車架中，與前車輪相連的前懸掛采用縱向滑輪式結(jié)構(gòu)的鋼板彈簧。見圖2-6(a)，前車輪和鋼板彈簧都表現(xiàn)為彈性元件。由于前懸掛的對稱性，A與B處所受垂直反力基本相等。在計算車架時，若簡單地如圖2-6(b)所示在A, B兩點加彈性支座，這樣，A處和B處的垂直反力不可能相等。這時，可以如圖2-6(c)所示加約束，即前懸掛 (鋼板彈簧) 用變截面梁來模擬，輪胎則在垂直方向用彈性支座模擬，縱向與橫向可以用活動鉸支座模擬。2.1 機械結(jié)構(gòu)的計算簡圖上一頁下一頁返回另外，在實際結(jié)構(gòu)中，由于鋼板

24、彈簧的前端為固定鉸鏈，后端可在支架內(nèi)縱向移動，所以圖2-6(c)中，模擬鋼板彈簧的變截面梁在A和B兩端的轉(zhuǎn)動自由度均應(yīng)釋放，同時在B端的軸向位移自由度也應(yīng)釋放。這樣處理基本可以反映車架前端的支承情況。確定支承形式后，一般可以直接沿相應(yīng)的坐標軸方向加約束(包括彈性約束)。但是對與坐標軸不平行的斜支座和彈性斜支座，則不能簡單地用坐標軸方向的約束替代，而應(yīng)以等效桿單元來模擬。2.載荷的簡化對機械與汽車結(jié)構(gòu)進行分析時，載荷通常是給定的。根據(jù)不同的計算工況確定載荷，是保證分析計算結(jié)果反映工程結(jié)構(gòu)實際情況的前提。由于計算上的需要，載荷可以按不同的方法分類。根據(jù)載荷在結(jié)構(gòu)上的分布情況，可以分為以下兩種。2.

25、1 機械結(jié)構(gòu)的計算簡圖上一頁下一頁返回(1)集中載荷當外載荷作用在結(jié)構(gòu)上的區(qū)域很小時，可以認為這種載荷是集中載荷，如龍門起重機的輪壓，塔式起重機臂架上變幅小車的輪壓、吊重，挖掘機的挖掘阻力等。在載重汽車中，發(fā)動機的重力也是以集中載荷的形式作用在車架上的。(2)分布載荷如果作用在結(jié)構(gòu)上的載荷，其位置是連續(xù)變化的，即載荷作用在一定面積或一定長度上，稱其為分布載荷。如分布載荷的集中度是均勻的，則為均勻載荷。結(jié)構(gòu)的自重、風載荷、由質(zhì)量引起的慣性力等，通常都作為分布載荷。根據(jù)載荷作用隨時間變化的情況，可以分為以下兩類。(1)靜載荷當載荷的大小、方向和作用點不隨時間變化時，稱為靜載荷或固定載荷。如結(jié)構(gòu)自重

26、。2.1 機械結(jié)構(gòu)的計算簡圖上一頁下一頁返回(2)動載荷當載荷的大小、方向和作用點隨時間變化時，稱為動載荷。其中，如僅僅是載荷的作用點隨時間而變時，又常常稱為移動載荷。動載荷作用在結(jié)構(gòu)上時一般都是一個過程，如起重機吊重的離地起升過程。吊重由地面到離地、直到平穩(wěn)上升，臂架結(jié)構(gòu)將承受一個十分復(fù)雜的動載荷。又如汽車在正常行駛過程中突然制動，在制動過程中，汽車結(jié)構(gòu)也將承受很復(fù)雜的動載荷。橋式類型起重機的起重小車的移動對主梁而言是典型的移動載荷。機械結(jié)構(gòu)承受的動載荷，其大小與變化情況不僅與施加的載荷本身有關(guān)，而且與承受載荷的結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)。在動載荷作用下的結(jié)構(gòu)分析方法完全不同于靜載荷作用時的分析方法。結(jié)構(gòu)

27、在動載荷作用下，經(jīng)常發(fā)生結(jié)構(gòu)振動現(xiàn)象，因此，動載荷作用下的分析比靜載荷作用時要復(fù)雜得多。2.1 機械結(jié)構(gòu)的計算簡圖上一頁下一頁返回在形成計算模型時，計算載荷組合一定要根據(jù)相應(yīng)規(guī)范、標準所規(guī)定的計算工況來確定。對同一結(jié)構(gòu)進行分析時，可以有多種計算工況，如對汽車起重機車架進行有限元分析時，臂架位置可以位于正側(cè)方、正后方和在后支腿上方，這三種工況都應(yīng)進行計算。因為它們都有可能使車價的應(yīng)力分布出現(xiàn)最不利情形。對同一結(jié)構(gòu)進行分析時，針對不同部件的考核又有不同的載荷組合。如龍門起重機，在對主梁進行考核時，應(yīng)把載荷作用在主梁跨中，這時主梁受力最大。而對支腿進行考核時，則應(yīng)把載荷作用在支腿附近(自然應(yīng)是小車能

28、夠行駛到的位置)。對這兩種不同的載荷組合都應(yīng)計算。在確定計算載荷時，除根據(jù)不同工況計算實際載荷組合外，也常用單位載荷作用法。其方法是計算出同一工況中不同的載荷在單位值作用時的結(jié)果，然后根據(jù)實際工況的載荷直接把相應(yīng)的計算結(jié)果加權(quán)疊加，從而得出實際工況下的結(jié)果。2.1 機械結(jié)構(gòu)的計算簡圖上一頁下一頁返回如對汽車起重機車架進行分析時，首先分別計算在回轉(zhuǎn)中心作用單位垂直力、繞縱軸的單位彎矩和繞橫軸的單位彎矩時的情形，然后計算出臂架在不同位置時的實際垂直力、繞縱軸彎矩和繞橫軸彎矩，根據(jù)它們與單位力的權(quán)值把相應(yīng)點的計算結(jié)果加權(quán)疊加，就可得出實際位移和應(yīng)力值。以上是有關(guān)形成計算簡圖 (計算模型) 的一般原則

29、。應(yīng)當指出，一個結(jié)構(gòu)的計算簡圖并非是永遠不變的。一方面，它將隨著人們認識的發(fā)展、計算技術(shù)的進步以及不斷放寬的簡化要求，使計算簡圖更趨近于結(jié)構(gòu)的實際工作情況。另一方面，也應(yīng)因需要不同而異，例如，在結(jié)構(gòu)初步設(shè)計時，為了粗略估算桿件的截面，可以選用比較簡單的計算簡圖，而在正式設(shè)計時，則又采用比較復(fù)雜更能反映實際情況的計算簡圖作精確計算。2.1 機械結(jié)構(gòu)的計算簡圖上一頁下一頁返回2.1.2載荷及其組合大多數(shù)情況下，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)是承受載荷的。根據(jù)載荷的性質(zhì)可劃分為自重載荷、工作載荷、慣性載荷、沖擊載荷、自然載荷以及其他載荷。根據(jù)載荷作用的概率可劃分為基本載荷、附加載荷和特殊載荷。所有載荷并非始終作用在結(jié)構(gòu)

30、上，因此，在設(shè)計結(jié)構(gòu)時通常根據(jù)各類機械的實際工況，將載荷先組合，然后進行結(jié)構(gòu)計算。1.載荷種類工程機械常見外載荷分為5類。(1)自重載荷自重載荷是指機械的結(jié)構(gòu)、機構(gòu)和電氣設(shè)備等的重力。機械自重及其在各部件的分布在設(shè)計之前為未知數(shù)。由于結(jié)構(gòu)自重載荷占了機械總重量的很大比例，因此，自重載荷的正確估定和計算十分重要。通常，可參考類型相似、參數(shù)相近的機械結(jié)構(gòu)進行估算，或者利用一些經(jīng)驗公式(查相應(yīng)設(shè)計手冊)初步確定。2.1 機械結(jié)構(gòu)的計算簡圖上一頁下一頁返回有的機械 (如起重運輸機)金屬結(jié)構(gòu)的自重載荷也可根據(jù)類似結(jié)構(gòu)的自重表查閱獲取。經(jīng)過估算或查閱后的自重載荷，在初步設(shè)計計算后再作修正。一般要求理論計算

31、值與實際重量誤差小于柑10%，若誤差較大必須復(fù)算。自重的分布根據(jù)結(jié)構(gòu)形式而定。通常，板梁實體結(jié)構(gòu)的自重視為均布載荷，桁架結(jié)構(gòu)的自重可假定為均勻分布作用在桁架的結(jié)點上，機械裝置及電氣設(shè)備等的自重視為集中載荷作用在相應(yīng)部位上。機械非作業(yè)時，自重載荷為靜態(tài)。當機械作業(yè)時，因結(jié)構(gòu)振動自重載荷將產(chǎn)生動載效應(yīng)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時習慣上計入動載系統(tǒng)來考慮，即自重載荷乘上相應(yīng)的載荷增長系數(shù)以反映自重載荷的動載效應(yīng)。動載系數(shù)根據(jù)各種機械作業(yè)時振動狀況而定，由相應(yīng)機械設(shè)計手冊查取。(2)工作載荷機械結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)中承受的載荷稱為工作載荷。工作載荷是結(jié)構(gòu)主要承受的載荷。2.1 機械結(jié)構(gòu)的計算簡圖上一頁下一頁返回比如起重機

32、的起升載荷、挖掘機的挖掘阻力和物料重量、裝載機的鏟裝阻力和物料重量等。由于機械作業(yè)時都存在較大振動，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加的動應(yīng)力，因此，在計算工作載荷時往往應(yīng)考慮動載效應(yīng)。比如，起重機械的起升載荷，在起重質(zhì)量突然離地起升或下降制動時，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生沖擊振動，從而增大了起升載荷的靜力值。計算時常用一個大于1的動載系數(shù)乘以起升載荷靜值來表示，該動載系數(shù)可由理論計算和試驗研究獲得。(3) 質(zhì)性載荷和沖擊載荷機械的慣性載荷和沖擊載荷均屬于動力載荷。慣性載荷又稱慣性力。通常包括機械的變幅機構(gòu)非穩(wěn)定運動時作變速運動的質(zhì)量慣性力、回轉(zhuǎn)機構(gòu)工作時回轉(zhuǎn)質(zhì)量的法向慣性力和回轉(zhuǎn)機構(gòu)非穩(wěn)定運動時回轉(zhuǎn)質(zhì)量的切向慣性力、機械自身質(zhì)

33、量等的水平慣性力。沖擊載荷是指運行機構(gòu)沿道路或軌道行駛時，由于道路不平或軌道接頭的影響，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的垂直方向的最大振動慣性力。2.1 機械結(jié)構(gòu)的計算簡圖上一頁下一頁返回慣性載荷和沖擊載荷均計入相應(yīng)的動力系數(shù)，動力系數(shù)的確定根據(jù)各類機械的不同而不同。(4)自然載荷自然載荷是指結(jié)構(gòu)受自然環(huán)境因素影響所造成的載荷，如風、雪、冰、溫度變化和地震等載荷。上述載荷中除風載荷外，其余載荷對于常用機械而言，如用戶無特殊要求，機構(gòu)設(shè)計中一般不考慮。風載荷是自然載荷中的重要載荷，這是因為工程機械大多在露天作業(yè)，尤其是一些機械 (如塔式起重機、龍門起重機等)高達幾十米，受風載影響很大。因此，對起重機等類工程機械必須

34、考慮風載荷的作用。風載荷是大小和方向均為隨機的水平力，由風壓和受風物體的體型尺寸所確定。風壓與風速和空氣密度有關(guān)。風速變化不大的陣風視為靜風壓，用于一般起重運輸機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)計算。對于高聳起重機結(jié)構(gòu)，還應(yīng)計入風壓脈動引起的結(jié)構(gòu)風振。2.1 機械結(jié)構(gòu)的計算簡圖上一頁下一頁返回(5)其他載荷其他荷載包括結(jié)構(gòu)在運輸或安裝過程中產(chǎn)生的震動沖擊力、捆扎力、吊裝力等特殊載荷;機械偏斜運行時，軌道作用在車載上的水平測向力;機械試驗時的試驗載荷等。2.載荷組合上述載荷都是隨機變量，對結(jié)構(gòu)的作用也是隨機過程。根據(jù)這些載荷的不同特點以及載荷出現(xiàn)的頻率程度，可分為3類。(1) 基本載荷始終和經(jīng)常作用在結(jié)構(gòu)上的載荷，

35、包括自重載荷、工作載荷、慣性載荷和沖擊載荷;(2) 附加載荷機械在正常工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)所受到的非經(jīng)常性作用的載荷，包括工作狀態(tài)下作用在結(jié)構(gòu)上的最大風載荷、機械運行過程中引起的水平側(cè)向力等;2.1 機械結(jié)構(gòu)的計算簡圖上一頁下一頁返回(3)特殊載荷機械處于非工作狀態(tài)或試驗狀態(tài)下的載荷，包括非工作狀態(tài)下最大風載荷、安裝載荷、試驗載荷、碰撞載荷和濕度載荷等。所有的各種載荷，不可能同時作用于結(jié)構(gòu)上，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)各種機械的實際工況，將可能同時作用在機械結(jié)構(gòu)上的載荷進行合理組合，然后進行結(jié)構(gòu)計算。各類工程機械的載荷組合是不同的。如按起重機設(shè)計規(guī)范要求，起重機械結(jié)構(gòu)分為3類載荷組合。(1) 第一類

36、載荷組合第一類載荷組合僅考慮基本載荷。這一組組合是起重機最多有兩個機構(gòu)同時處于非穩(wěn)定狀態(tài)。該組合用于對結(jié)構(gòu)進行疲勞計算。2.1 機械結(jié)構(gòu)的計算簡圖上一頁下一頁返回(2)第二類載荷組合第二類載荷組合考慮基本載荷和附加載荷同時作用。這一組合是起重機結(jié)構(gòu)正常工作狀態(tài)下具有可靠的強度和穩(wěn)定性的重要設(shè)計載荷。該組合用于對構(gòu)件和機構(gòu)零件進行強度、穩(wěn)定性和剛度計算。(3) 第三類載荷組合第三類載荷組合考慮基本載荷和特殊載荷同時作用，或基本、附加與特殊載荷同時作用。產(chǎn)生此類載荷組合時，起重機是處于非作業(yè)狀態(tài)。該組合用于驗算露天作業(yè)的起重機結(jié)構(gòu)的最大靜強度、彈性穩(wěn)定性和整機傾覆穩(wěn)定性。2.1 機械結(jié)構(gòu)的計算簡圖

37、上一頁返回結(jié)構(gòu)計算的目的是保證結(jié)構(gòu)在載荷作用下安全可靠地工作，既要滿足強度、穩(wěn)定性、剛度等條件，又要符合經(jīng)濟要求。根據(jù)計算中安全系數(shù)處理方法的不同，結(jié)構(gòu)的計算方法分為許用應(yīng)力法和極限狀態(tài)法兩種。2.2.1許用應(yīng)力法機械結(jié)構(gòu)直接承受變化很大的動載荷和反復(fù)載荷。一般情況下，不考慮鋼材的塑性變形，即以鋼材彈性階段為計算依據(jù)，結(jié)構(gòu)的極限應(yīng)力不得超過屈服極限。 結(jié)構(gòu)設(shè)計時，考慮到計算載荷大小與實際承受載荷之間、鋼材機械性能的取值與材料的實際數(shù)值之間、鋼材的規(guī)格與實際尺寸之間、設(shè)計計算的截面尺寸與實際加工尺寸之間以及計算簡圖與真實結(jié)構(gòu)之間都可能存在一定的差異，為了保證安全，結(jié)構(gòu)的計算必須留有余地，有一定的

38、安全儲備。為此，在設(shè)計中引入安全系數(shù)。2.2 結(jié)構(gòu)承載能力的設(shè)計計算方法下一頁返回目前廣泛采用的是許用應(yīng)力法，其設(shè)計準則是：結(jié)構(gòu)在任一類組合載荷的作用下，所求出的構(gòu)件或連接件的計算應(yīng)力不得大于相應(yīng)的許用應(yīng)力。許用應(yīng)力是構(gòu)件或連接件的屈服極限s與相應(yīng)的安全系數(shù)K的商。安全系數(shù)包括載荷系數(shù)K1(反映實際載荷可能超過標準載荷)、材料系數(shù)K2(反映材料的變異情況)、調(diào)整系數(shù)K3(考慮結(jié)構(gòu)的重要性程度)，計算表達式為式中， 在外載荷作用下產(chǎn)生的內(nèi)力組合; S構(gòu)件的幾何特性。2.2 結(jié)構(gòu)承載能力的設(shè)計計算方法上一頁下一頁返回許用應(yīng)力法采用了單一系數(shù)K來考慮結(jié)構(gòu)的安全度。由于K中的載荷系數(shù)K1對各類載荷都取

39、同一數(shù)值，因此無法區(qū)分各載荷不同的超載情況。另外，安全系數(shù)是用數(shù)理統(tǒng)計方法，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗而確定的平均數(shù)值，盡管一般都偏于保守，卻也難以保證每個構(gòu)件的安全度。但由于許用應(yīng)力法簡便、可靠，易于掌握，因此，目前國內(nèi)外仍廣泛采用這種方法進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算。2.2.2極限狀態(tài)法為了更好地反映出結(jié)構(gòu)的實際安全度，包括我國在內(nèi)的許多國家制訂的(鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范)均采用了極限狀態(tài)計算法。該計算法的設(shè)計準則是：結(jié)構(gòu)在任一類包含了載荷系數(shù)K1和調(diào)整系數(shù)K3的組合載荷作用下，所求得的構(gòu)件或連接件的計算應(yīng)力不得大于相應(yīng)的極限應(yīng)力。極限應(yīng)力是構(gòu)件或連接件的屈服極限S與材料系數(shù)K2的商。計算表達式為2.2 結(jié)構(gòu)承載能力的

40、設(shè)計計算方法上一頁下一頁返回式中， 在考慮了載荷系數(shù)和調(diào)整系數(shù)的外載荷作用下產(chǎn)生的內(nèi)力組合。由于極限狀態(tài)法采用分項系數(shù)來考慮結(jié)構(gòu)的安全度，將載荷系數(shù)和調(diào)整系數(shù)歸入了載荷項內(nèi)，因此不僅適合幾何線性結(jié)構(gòu)體系，還適用于幾何非線性的結(jié)構(gòu)體系。這種計算法顯然能真實反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接件的實際安全度，計算比較精確合理，從而保證了設(shè)計的可靠性。 由此可見，極限狀態(tài)法與許用應(yīng)力法的主要區(qū)別在于安全系數(shù)的采用，前者是根據(jù)具體結(jié)構(gòu)對所承受的載荷、結(jié)構(gòu)的材料和工作情況分別選取不同的系數(shù)，因此必須提供各項系數(shù)的數(shù)據(jù)。但是，在工程機械設(shè)計中，目前還缺乏適用于機械結(jié)構(gòu)的各分項系數(shù)的可靠統(tǒng)計數(shù)據(jù)，因此，我國以及大多數(shù)國家至今

41、尚未采用極限狀態(tài)法來設(shè)計結(jié)構(gòu)。2.2 結(jié)構(gòu)承載能力的設(shè)計計算方法上一頁返回工程機械金屬結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)和許用應(yīng)力，是經(jīng)過大量試驗和根據(jù)工程實踐而確定的。以起重機械為例，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，按照三類載荷組合情況分別取用不同的許用應(yīng)力。按第一類載荷組合對重級和特重級工作類型的結(jié)構(gòu)進行疲勞計算時，取疲勞許用應(yīng)力，按有關(guān)設(shè)計手冊中計算公式確定。按第二類載荷組合進行結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性計算時，鋼材的許用應(yīng)力根據(jù)表2-1的尺寸分組后，按表2-2取用。這是因為鋼材的屈服極限隨其厚度增加而降低，在確定許用應(yīng)力值時需考慮這一特點。按第三類載荷組合進行結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性計算時，可根據(jù)具體情況適當提高許用應(yīng)力。對于起重機金屬結(jié)構(gòu)

42、材料的安全系數(shù)n和許用應(yīng)力，按(起重機設(shè)計規(guī)范)規(guī)定，結(jié)構(gòu)和連接件材料的拉伸、壓縮、彎曲許用應(yīng)力以及剪切、端面承壓許用應(yīng)力按相應(yīng)載荷組合而定，可從表2-3中選取。2.3 許用應(yīng)力下一頁返回在確定許用應(yīng)力時，需考慮到鋼材隨著屈服極限S與抗拉強度b的比值增大，其屈服后的強度儲備相應(yīng)會減小，脆性破壞的危險性會增大，因此，當比值大于0.7時，為了確定材料安全，應(yīng)按下式確定其許用應(yīng)力。式中，n為與表2-3中載荷組合相應(yīng)的安全系數(shù)。2.3 許用應(yīng)力上一頁返回圖2-1返回圖2-2返回圖2-3返回圖2-4返回圖2-5返回圖2-6返回表2-1返回表2-2返回表2-3返回第3章 典型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 殼體、箱

43、體結(jié)構(gòu)設(shè)計3.2 支撐件的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.3 連接件的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.4 密封件的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.5 傳動件的結(jié)構(gòu)設(shè)計各種工業(yè)產(chǎn)品的構(gòu)成材料、結(jié)構(gòu)、外觀造型等可能千差萬別，但在構(gòu)成上大多有外殼，如殼體、箱體 (儀器、工具及設(shè)備或構(gòu)成部件等的外殼)。一般殼體、箱體暴露在產(chǎn)品外部，其內(nèi)部裝置有產(chǎn)品的構(gòu)成功能零部件。3.1.1 殼體、箱體功能與作用殼體與箱體沒有本質(zhì)上的區(qū)別，殼體是從產(chǎn)品構(gòu)造和結(jié)構(gòu)特點上的習慣稱謂，具有包容內(nèi)部組成部件且厚度較薄的特征，如電視機殼、手機殼等；箱體更多是從零部件功能和結(jié)構(gòu)特征方面的定義，特點是具有包容、支撐等結(jié)構(gòu)功能且相對封閉，如汽車變速箱、計算機主機箱等。盡管各種產(chǎn)品的功能、用途

44、及構(gòu)成產(chǎn)品外殼的殼體、箱體的構(gòu)造、材料不盡相同，但產(chǎn)品外殼的主要功能與作用大致類似。以吸塵器為例(如圖3-1所示)，殼體、箱體的主要功能歸納如下。容納、包容：將產(chǎn)品構(gòu)成的功能部件容納于內(nèi)。定位、支撐：支撐、確定產(chǎn)品構(gòu)成各零部件的位置。3.1 殼體、箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計下一頁返回防護、保護：防止構(gòu)成產(chǎn)品的零部件受環(huán)境的影響、破壞或其對使用者與操作者造成危險與侵害。裝飾、美化：這正是工業(yè)造型設(shè)計主要關(guān)注的問題。其他：依產(chǎn)品的功能和使用目的不同而定，如汽車的車廂、音響系統(tǒng)的音箱等。3.1.2殼體、箱體的結(jié)構(gòu)的特點與設(shè)計要求作為產(chǎn)品或其外殼的殼體或箱體，在滿足強度、剛度等設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，通常采用薄壁結(jié)構(gòu)，并

45、設(shè)置有容納、固定其他零部件的結(jié)構(gòu)和方便安裝、拆卸的結(jié)構(gòu)。在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計上，除考慮其主要功能、作用外，還應(yīng)考慮以下幾個要素。定位零部件。固定的零部件和運動的零部件在結(jié)構(gòu)上需有不同的考慮，如圖3-2所示的照相機的鏡頭。 便于拆、裝?？紤]產(chǎn)品的組裝、拆卸和維修、維護，殼體、箱體多設(shè)計成分體結(jié)構(gòu)，各部分通過螺絲、鎖扣等進行組合連接。3.1 殼體、箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計上一頁下一頁返回對于長久使用或可能多次拆卸的產(chǎn)品，需考慮采用便于拆卸、耐用的結(jié)構(gòu)，如在塑料殼上內(nèi)嵌金屬螺紋件；對經(jīng)常拆卸的產(chǎn)品，需考慮采用便于快速拆卸、組裝的結(jié)構(gòu)，如殼體上采用的彈性鎖扣和打火機機芯與外殼的組裝等，如圖3-3,圖3-4所示。值得指出

46、，某些產(chǎn)品設(shè)計上只考慮產(chǎn)品出廠時的組裝，不需要考慮使用過程的拆裝問題，如一次性產(chǎn)品和極少考慮拆卸維修的產(chǎn)品，如圖3-5所示的手機電池和小電子產(chǎn)品。 材料及加工、生產(chǎn)方式。產(chǎn)品的功能和使用目的決定了產(chǎn)品外殼采用的材料，考慮產(chǎn)品的生產(chǎn)批量和成本等因素，又決定了其加工、生產(chǎn)方式，進而又決定了殼體、箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。如鑄造件結(jié)構(gòu)、沖壓件結(jié)構(gòu)、模塑結(jié)構(gòu)在設(shè)計上考慮的因素和結(jié)構(gòu)特點是不同的，詳見后面的有關(guān)介紹。裝飾與造型。裝飾與造型的設(shè)計應(yīng)結(jié)合產(chǎn)品的功能、構(gòu)件的材料及加工、生產(chǎn)方式進行。3.1 殼體、箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計上一頁下一頁返回如照相機鏡頭調(diào)焦環(huán)表面的紋飾和機身上的皮質(zhì)貼面，既起到了裝飾、美化作用，又在功能

47、上起到防滑作用。材料與加工方式反過來又影響外觀造型，如模塑殼體比沖壓殼體的造型變化能力要豐富得多。3.1.3殼體、箱體的設(shè)計程序殼體、箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要應(yīng)保證剛度、強度、穩(wěn)定性及加工性，在需要時進行相應(yīng)的理論計算和實驗。對于工業(yè)設(shè)計師而言，這方面的工作通常需要結(jié)構(gòu)工程師配合，故在此不詳細介紹。1.剛度對于承受較大載荷及作為支撐并對其他零部件進行定位的殼體和箱體，剛度是主要設(shè)計準則。如齒輪減速器、變速箱，箱體的剛度決定了齒輪的嚙合情況和工作性能。打印機的殼體及機架剛度直接影響運動部件的運動精度，進而影響打印質(zhì)量和精度。3.1 殼體、箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計上一頁下一頁返回2.強度強度是考慮殼體、箱體的防護和

48、保護性能進行設(shè)計的基本準則。一般情況下，需考慮搬運過程及意外沖擊載荷造成的外殼強度破壞。如電視機、洗衣機等的外殼設(shè)計。3.穩(wěn)定性受壓及受壓彎結(jié)構(gòu)都存在失穩(wěn)問題，特別是薄壁腹部還存在局部失穩(wěn)問題，必須校核。4.加工性鑄造、注塑構(gòu)件應(yīng)考慮液體的流動性、填充性和脫模，沖壓件應(yīng)考慮材料延展性和拉伸能力，并作相應(yīng)計算。殼體、箱體的通常設(shè)計步驟與程序如下。初步確定形狀、主要結(jié)構(gòu)和尺寸。考慮安裝在內(nèi)部與外部的零部件形狀、尺寸、配置及安裝與拆卸等要求，綜合加工工藝、所承受的載荷、運動等情況，利用經(jīng)驗公式或參考同類產(chǎn)品，初步擬定。3.1 殼體、箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計上一頁下一頁返回常規(guī)計算。利用材料力學(xué)、彈性力學(xué)等固體力

49、學(xué)理論和計算公式，進行強度、剛度和穩(wěn)定性等方面的校核，修改設(shè)計以滿足設(shè)計要求。靜動態(tài)分析、模型實物試驗及優(yōu)化分析。通常對于復(fù)雜和要求高的產(chǎn)品要進行此步驟，并據(jù)此對設(shè)計進行修改和優(yōu)化。制造工藝性和經(jīng)濟性分析。詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計。值得指出的是，由于現(xiàn)代計算機技術(shù)及相應(yīng)設(shè)計工具的普及應(yīng)用，上述設(shè)計程序與內(nèi)容已呈一體化和交叉進行的趨勢，即在造型與結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時，交叉進行有關(guān)計算、校核、分析與優(yōu)化。3.1.4不同制造方法的結(jié)構(gòu)特點1.鑄造殼體、箱體鑄造是將熔融金屬澆注、壓射或吸入鑄型型腔，冷卻凝固后獲得一定形狀和性能的零件或毛坯的金屬成型工藝。3.1 殼體、箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計上一頁下一頁返回金屬鑄造成型的原理和方法

50、已被廣泛借鑒、應(yīng)用于高分子材料、陶瓷及復(fù)合材料的成型。鑄造外殼構(gòu)件常用于對剛度、強度有較高要求及造型內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的產(chǎn)品。鑄造殼體、箱體具有以下特點。(1) 有較高的剛度和強度鑄造構(gòu)件一般壁厚較大，適合于對剛度、強度要求較高的產(chǎn)品外殼，如機床、汽車的變速箱、齒輪減速器等；除作為外殼，可在鑄件上制作部分其他結(jié)構(gòu)部件，如汽車、摩托車發(fā)動機將活塞缸體直接制作在殼體上，液壓泵殼體也是泵的封閉構(gòu)件，可以作為整個產(chǎn)品的底座或支架。(2)造型適應(yīng)性強可制作比較復(fù)雜和變化不規(guī)則的外形，在生產(chǎn)難度和成本上增加不大，如帶有散熱片的鑄造暖氣片、帶有散熱結(jié)構(gòu)的摩托車缸體 (如圖3-6所示)；3.1 殼體、箱體結(jié)構(gòu)設(shè)

51、計上一頁下一頁返回適于內(nèi)腔形狀復(fù)雜或不規(guī)則、不便加工的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，如水龍頭、水暖件等。(3)表面粗糙、尺寸精度低一般在鑄件的一些關(guān)鍵部位、局部需采用機加工保證精度?，F(xiàn)代鑄造隨著技術(shù)的進步，也已能夠達到較高的制造精度。(4)封閉性好廣泛用于氣體、液體傳輸和密閉構(gòu)件，如發(fā)動機缸體、壓縮機殼體及自來水水表等，如圖3-7所示。(5)工藝靈活性大、成本低對于各種成分、尺寸、形狀和重量，鑄件幾乎都能適應(yīng)，特別是在機器制造業(yè)中應(yīng)用極其廣泛。(6)其他鑄鐵材料具有減振、抗振性能和耐磨、潤滑性能。3.1 殼體、箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計上一頁下一頁返回作為高速運動部件的殼體能起到一定的減振、降噪作用，如發(fā)動機、壓縮機；作為運動

52、部件的支撐，能起到減少摩擦、磨損作用，如機床的導(dǎo)軌。鑄造成型的主要缺點有：鑄造組織的晶粒比較粗大，且內(nèi)部常有縮孔、縮松、氣孔砂眼等缺陷，力學(xué)性能一般不如鍛件；鑄造生產(chǎn)工序繁多，工藝過程較難控制，廢品率較高；工作條件較差，勞動強度比較大。2.焊接殼體、箱體焊接是制造產(chǎn)品外殼的一種主要方法。焊接殼體、箱體一般采用機加工或壓力加工預(yù)制好的備件經(jīng)焊接組裝成型，壁厚較大的產(chǎn)品殼體、箱體多采用機加工預(yù)制件，薄壁預(yù)制件常用壓力加工方法成型。焊接方法主要用于金屬鋼板外殼，也適于有色金屬及其合金外殼。焊接殼體、箱體有以下特點。3.1 殼體、箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計上一頁下一頁返回(1) 適用范圍廣適用不同材料、尺寸、形狀、

53、厚度及生產(chǎn)批量的產(chǎn)品，如船體、汽車外殼、計算機主機箱及家用電器機殼等。(2)使用靈活焊接方法多樣，適于不同用途，可單獨使用，也可與其他成型方法結(jié)合或作為其他成型方法的補充及最終組合成型。如汽車外殼、車門主要是采用壓力加工方法成型的，通過焊接進行組裝，而油箱等密閉容器利用焊接方法進行密封。(3)生產(chǎn)周期短焊接需要的工裝比較簡單，焊接組件也常采用現(xiàn)成的板材、型材等預(yù)制件。(4)強度高通常認為，焊接組合的連接部位易出現(xiàn)開焊、開裂等現(xiàn)象，事實上，焊接部位的強度要比組件本體強度高。3.1 殼體、箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計上一頁下一頁返回焊接的主要缺點是造型能力較差，需借助組件的造型；加工精度較低，需借助一定的工裝設(shè)備

54、保證或在焊接后進行機加工；焊接部位表面質(zhì)量通常較差，需進行后處理；焊接產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力，造成成品的變形。3.沖壓殼體沖壓是利用沖模在壓力機上對板料施加壓力使其變形分離，從而獲得一定形狀、尺寸的零件的加工萬法。板料沖壓通常是在常溫下進行，又稱冷沖壓，當板厚超過8一10 mm時，采用熱沖壓。沖壓是薄壁金屬外殼的一種主要制造方法。沖壓既可加工儀表上的小零件，也能加工汽車車身等大型制件。廣泛用于汽車、拖拉機、電器、航空、儀表及日常生活用品等制造行業(yè)。板料沖壓制造產(chǎn)品殼體具有下列特點。(1) 生產(chǎn)率高、操作簡單生產(chǎn)過程只是簡單的重復(fù)。3.1 殼體、箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計上一頁下一頁返回(2)產(chǎn)品質(zhì)量好尺寸精度和表

55、面質(zhì)量較高，互換性好。(3)材料利用率高按殼體的設(shè)計壁厚選擇板材，有效利用材料；可采用組合沖壓等方法，合理利用板材，產(chǎn)生的廢料少。(4)造型能力強可制造復(fù)雜的曲面零件，復(fù)雜性僅反映在模具的設(shè)計和制作上，與生產(chǎn)加工關(guān)系不大。 (5)適用廣泛制作殼體的材料可以是鋼板，也可以是有色金屬及其他合金板材，且適于較寬的尺寸范圍。使用沖壓方法生產(chǎn)制造產(chǎn)品殼體的主要缺點集中在模具方面。沖模設(shè)計、制造復(fù)雜，成本較高，且一件一模，局部更改也要更換模具。3.1 殼體、箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計上一頁下一頁返回因此，只有在大批量生產(chǎn)的條件下，才能顯示出優(yōu)越性。當然在特殊情況下，從產(chǎn)品的要求出發(fā)，小批量生產(chǎn)也可使用，但成本較高。4.

56、注塑殼體、箱體塑料殼體、箱體及塑料零件在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品中已得到廣泛應(yīng)用，如各種儀器、儀表、家電產(chǎn)品、電器工具、玩具及生活用品等。塑料殼體、箱體一般多采用注塑成型工藝制造，可選擇的塑料材料種類很多，可根據(jù)具體產(chǎn)品要求確定。注塑殼體、箱體具有以下特點。生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)效率高，易于實現(xiàn)大批量、自動化生產(chǎn)?？墒褂貌牧县S富，適應(yīng)性強。產(chǎn)品質(zhì)量較高，一致性好、互換性強，成本低。幾何造型能力強，可產(chǎn)生形狀、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品。功能性與裝飾性結(jié)合好。3.1 殼體、箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計上一頁下一頁返回塑料材料具有很多優(yōu)良的特性，相應(yīng)地也反映在注塑殼體、箱體上。例如，通常塑料具有良好的絕緣性，制作電器產(chǎn)品、工具的外殼非常合適；

57、很多塑料具有良好的透明性，透明產(chǎn)品外殼可觀察到產(chǎn)品內(nèi)部的狀況；在塑料殼體表面可以使用噴、涂、鍍等裝飾工藝，制成不同材質(zhì)、裝飾效果。注塑殼體、箱體也存在一些明顯的缺點。主要有：注塑模具成本較高，不適于單件、小批量生產(chǎn)；強度、表面硬度較低，抗沖擊、磨損性能差，局部細小結(jié)構(gòu)在維修過程中易損壞；材料存在老化問題，耐久性差。3.1 殼體、箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計上一頁返回3.2.1滑動軸承支撐滑動軸承是轉(zhuǎn)動連接的重要和常用支承結(jié)構(gòu)形式，在具體產(chǎn)品中形式多樣，應(yīng)用靈活。基本的滑動軸承結(jié)構(gòu)形式如圖3-8所示，軸承設(shè)計為套筒狀，并安裝、固定在軸承座或機架上，軸轉(zhuǎn)動時與軸承之間的滑動摩擦產(chǎn)生的運動阻力大、滑動零件易磨損、要

58、求加工和安裝精度較高?；瑒虞S承連接結(jié)構(gòu)在設(shè)計上應(yīng)重點考慮軸承運動間隙、摩擦面的潤滑、連接相關(guān)結(jié)構(gòu)的固定及裝拆等問題。軸承的運動間隙取決于運動精度和運動狀況要求。間隙大，運動阻力小、摩擦磨損小、裝拆容易，但運動精度、剛度低；間隙小，可達到較高的運動精度、剛度，但代價是運動阻力大，對潤滑條件要求高，運動摩擦大、易發(fā)熱。對于運動速度低、運動載荷小、運動阻力影響小或運動精度要求不高及不便采用滾動軸承等場合，滑動軸承連接結(jié)構(gòu)可采用更簡單的形式，3.2 支撐件的結(jié)構(gòu)設(shè)計下一頁返回直接在機殼或零件體上制孔作為軸承。例如，鉗子、剪刀等常用的工具，門窗合葉、鎖具等小五金，由于結(jié)構(gòu)摩擦小、轉(zhuǎn)動要求低，可采用簡單的

59、定期潤滑等措施保證運轉(zhuǎn)靈活性，有的甚至不考慮潤滑。圖3-9為機械照相機的自拍機構(gòu)，也是將部件機架上的孔直接作為軸承使用。與之類似的鐘表結(jié)構(gòu)，由于零部件轉(zhuǎn)動要求高，考慮零件磨損等因素，常在孔上鑲嵌紅寶石等特殊材料的套筒作為軸承。作為滑動軸承的材料，潤滑和耐磨性是設(shè)計上主要考慮的兩個因素，而這兩個因素不是彼此孤立的，潤滑狀況好，則摩擦、磨損小。通常，在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計時，軸的表面硬度較高，耐磨。同種類材料接觸摩擦，發(fā)熱后易產(chǎn)生粘連，特別是高速運轉(zhuǎn)時更突出。因此，軸承盡可能選擇與軸不同的材料。常用滑動軸承材料包括各種鑄鐵、青銅、含油粉末冶金、尼龍、塑料及橡膠等。鑄鐵材料內(nèi)的石墨有輔助潤滑作用，屬于自潤滑

60、材料；粉末冶金材料內(nèi)的空隙能保存油脂，作為軸承，潤滑結(jié)構(gòu)簡單且有很好的效果；3.2 支撐件的結(jié)構(gòu)設(shè)計上一頁下一頁返回尼龍、塑料材料質(zhì)輕、摩擦系數(shù)小、疲勞強度高，但加工、安裝容易，在機械設(shè)備上經(jīng)常采用。特別是采用各種塑料材質(zhì)外殼的一些小電器產(chǎn)品，如圖3-10所示的電子詞典和手機，轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)(軸承)直接設(shè)計在殼體上，結(jié)構(gòu)簡單且工作可靠。 滑動軸承的潤滑主要取決于運動狀況，對高速運轉(zhuǎn)和重要的結(jié)構(gòu)，需在軸承上設(shè)計潤滑結(jié)構(gòu)(潤滑溝槽、潤滑孔等)及相應(yīng)的潤滑裝置。軸在旋轉(zhuǎn)時，由軸承內(nèi)壁油膜支承轉(zhuǎn)軸，使之不與軸承內(nèi)壁接觸，以減小摩擦阻力及磨損。通過軸旋轉(zhuǎn)時在軸承內(nèi)壁形成楔狀間隙，間隙中的油膜產(chǎn)生動壓力支承轉(zhuǎn)軸