機械設(shè)計理論與方法

機械設(shè)計理論與方法”讀書報告摘要：機械工業(yè)肩負著為國民經(jīng)濟各個部門提供技術(shù)裝備的重要任務(wù)。機械工業(yè)的生產(chǎn)水平是一個國家現(xiàn)代化建設(shè)水平的重要標(biāo)志，因此通過了解機械設(shè)計理論與方法的發(fā)展歷程，深刻體會機械設(shè)計理論和方法的研究現(xiàn)狀，并掌握機械設(shè)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(shù)水平做出一份貢獻。關(guān)鍵詞：機械設(shè)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(xué)生，我通過學(xué)習(xí)機械原理和機械設(shè)計（正在學(xué)習(xí)）這兩門課程，初步了解了機械行業(yè)這個領(lǐng)域，但是，僅僅是從這兩本書上學(xué)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(shè)計理論和方法有了一個比較細致的了解，在這篇文章當(dāng)中，我將結(jié)合我課堂上學(xué)到的知識和從圖書館查閱到的一些容，對中國機械設(shè)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(shè)計理論與方法的發(fā)展歷程設(shè)計方法的發(fā)展進程大致可劃分為機械設(shè)計起源和古代機械設(shè)計、近代機械設(shè)計、現(xiàn)代機械設(shè)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(nóng)具、船舶等方面都有發(fā)明，設(shè)計制造水平處在世界領(lǐng)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(jié)束這段時間是近代機械設(shè)計階段，在這一階段，古典力學(xué)為機械工業(yè)的迅速發(fā)展提供了有力的技術(shù)理論支持，機械設(shè)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(shè)計進入了現(xiàn)代機械設(shè)計階段。計算機和自動化在設(shè)計過程當(dāng)中占得比重越來越大，機械設(shè)計的速度和質(zhì)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(shè)計理論與方法又可分為：直覺設(shè)計階段，經(jīng)驗設(shè)計階段和理論設(shè)計階段。這兩種劃分是一一對應(yīng)的，只是從不同角度來劃分機械設(shè)計的發(fā)展史。三、機械設(shè)計理論與方法的研究現(xiàn)狀現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計理論與傳統(tǒng)的設(shè)計方法是截然不同的，現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計理論與方法是利用計算機輔助進行優(yōu)化設(shè)計和可靠性計算。與傳統(tǒng)的強度、剛度原則不同，現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計提出綠色設(shè)計、全生命周期優(yōu)化設(shè)計、虛擬設(shè)計等方法，既節(jié)省了設(shè)計時間，又能得到更好的產(chǎn)品質(zhì)量，大大提高了產(chǎn)品的設(shè)計效率。但是，現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)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(shè)計雖然能夠更好地利用原材料，生產(chǎn)出效率更高的產(chǎn)品，但是因為其目標(biāo)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(shè)計實施過程中還是比較困難的。現(xiàn)在比較流行的機械設(shè)計方法還有虛擬設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、并行設(shè)計、動態(tài)設(shè)計、智能設(shè)計、可視化設(shè)計、綠色設(shè)計和基于質(zhì)量功能展開的（QFD）設(shè)計和三次優(yōu)化設(shè)計等等。很多的現(xiàn)代設(shè)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(chǎn)品需求機械設(shè)計理論和方法顯然還需要進一步的提升。四、機械設(shè)計理論與方法的未來趨勢1、機械設(shè)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(shè)計將在滿足需求的同時面向制造和經(jīng)營管理發(fā)展；設(shè)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(shè)計將從產(chǎn)品質(zhì)量成本第一的競爭策略轉(zhuǎn)向快速響應(yīng)市場的競爭策略；設(shè)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(shè)計將使人們從設(shè)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(shè)計方法來考慮，未來的機械設(shè)計理論與方法主要有以下幾個發(fā)展趨勢：設(shè)計理論與方法的集成現(xiàn)代設(shè)計理論中不同的設(shè)計方法有自己適合的應(yīng)用領(lǐng)域，而隨著社會的進步產(chǎn)品變得越來越復(fù)雜，單一的設(shè)計理論無法滿足產(chǎn)品設(shè)計的要求，因此需要把不同設(shè)計理論中的設(shè)計工具集成為統(tǒng)一的設(shè)計模型以適應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計過程中的各階段，這是未來設(shè)計理論與方法的發(fā)展方向。設(shè)計過程的虛擬化信息技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使設(shè)計過程虛擬化成為可能，并成為降低設(shè)計成本的重要方法。實行設(shè)計的虛擬化，不僅可以減短設(shè)計時間，降低涉及成本，還能夠讓產(chǎn)品得到優(yōu)化，另外設(shè)計過程的虛擬化使得不同企業(yè)間的協(xié)同設(shè)計、智力資源互補成為可能，這將會大大提高產(chǎn)品設(shè)計的成功率。另外，設(shè)計方法的科學(xué)化也是未來機械設(shè)計的一種趨勢，現(xiàn)代設(shè)計過程對在規(guī)律的研究進展不大，設(shè)計方法的科學(xué)化可以擺脫以經(jīng)驗為主的傳統(tǒng)設(shè)計方法，從而極提高設(shè)計效率。五、機械設(shè)計理論與方法在齒輪傳動問題上的具體應(yīng)用現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計理論與方法是一種新興的設(shè)計理論與方法，特別是利用計算機進行優(yōu)化分析、輔助設(shè)計和可靠性計算等設(shè)計理論與方法，使得機械設(shè)計過程更加精確，設(shè)計結(jié)果更加貼近實際情況，而且現(xiàn)在這一領(lǐng)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(shè)計來闡述一下機械設(shè)計理論與方法在機械設(shè)計問題上的——m匚從全胡考黑應(yīng)用。齒輪設(shè)計的基本流程：1、設(shè)計變量：齒輪傳動在工業(yè)上的應(yīng)用極為廣泛，因此，齒輪及其減速器的優(yōu)化設(shè)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(shù)。價值和經(jīng)濟意義。對于給定齒數(shù)比U的一對直齒圓柱齒輪傳動，當(dāng)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(dāng)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(shè)計的設(shè)計變量如表所示。*7-4H1柱齒絶詩動優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計變量齒寬希數(shù)璽位爲(wèi)stm/51此1mMr旳—7如叫—$斜習(xí)變位齒輪傅動石1啲r>",1152、目標(biāo)函數(shù)：齒輪傳動的目標(biāo)函數(shù)可以選擇體積最小或者傳遞功率最大。齒輪傳動的體積最小：圓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(biāo)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(biāo)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(shè)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(diào)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(biāo)函數(shù)達到最小的最優(yōu)解。整個優(yōu)化設(shè)計的程序框圖如圖所示。開廉進*7優(yōu)世設(shè)計?開廉進*7優(yōu)世設(shè)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(zhuǎn)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(biāo)，對此齒輪傳動進行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)上述優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型，調(diào)用《常用優(yōu)化方法程序庫0PB》計算結(jié)果如表所示。優(yōu)化結(jié)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(shè)計計算結(jié)果\螫軸：2122p丫c/atrnm)■r"iin'i■'4j(rnrnJ]fl、()■>7?-1572fe-.UU174.優(yōu)代設(shè)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(shè)計理論——優(yōu)化設(shè)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(dān)），又能夠得到比傳統(tǒng)方法更好的參數(shù)，所以，機械設(shè)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(shè)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(biāo)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(shè)計問題中，已經(jīng)開始將振動和噪聲方面的要求列入優(yōu)化數(shù)學(xué)模型之中，進行動態(tài)優(yōu)化設(shè)計。同時也有將有限元分析與優(yōu)化結(jié)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(shè)計的缺點，將優(yōu)化設(shè)計與可靠性設(shè)計相結(jié)合，稱為可靠性優(yōu)化設(shè)計法。六、總結(jié)通過做這一次的機械設(shè)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(shè)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(shè)計產(chǎn)品的質(zhì)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(shè)計理論已經(jīng)不能滿足設(shè)計需求了，我們應(yīng)該抓住這個機遇，致力于新的機械設(shè)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(shè)計新理論不能夠很快的接受并應(yīng)用，導(dǎo)致設(shè)計產(chǎn)品落后。據(jù)調(diào)查，雖然現(xiàn)在國有很多企業(yè)已經(jīng)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(shè)計，因此，機械設(shè)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(chǎn)品我們也可以設(shè)計的很漂亮，一些復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)我們也可以設(shè)計出來，但是由于材料工業(yè)的落后，我們制造出來的產(chǎn)品質(zhì)量就有可能大打折扣。毋庸置疑，機械行業(yè)是國民經(jīng)濟的一大支柱產(chǎn)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(shù)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(xué)生，我們應(yīng)該肩負起振興中國機械行業(yè)的責(zé)任，扎實的學(xué)好理論