機(jī)械工程導(dǎo)論第四講

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法就是研究設(shè)計(jì)過程中能夠更加高效、高質(zhì)量、快速地完成機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法。（以計(jì)算機(jī)為輔助工具）目前，工程實(shí)踐中應(yīng)用比較廣泛的設(shè)計(jì)方法有：優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模塊化設(shè)計(jì)有限元法虛擬設(shè)計(jì)綠色設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)

①優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)是從多種方案中選擇最佳方案的設(shè)計(jì)方法。它以數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為手段，根據(jù)設(shè)計(jì)所追求的性能目標(biāo)，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)的設(shè)計(jì)方案。優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念傳統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)--評定-再設(shè)計(jì)從多種方案中選取較好方案優(yōu)化設(shè)計(jì)重視系統(tǒng)綜合，在各種約束條件下用計(jì)算機(jī)求解在最短時間內(nèi)尋求最佳設(shè)計(jì)方案

優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)關(guān)于最優(yōu)化問題的解法，軟件開發(fā)者開發(fā)出了各種最優(yōu)化計(jì)算軟件，供工程設(shè)計(jì)人員使用。但是，作為使用者必須了解各種最優(yōu)化方法的特點(diǎn)，才能針對實(shí)際問題選擇出合適的最優(yōu)化方法解決問題。一項(xiàng)設(shè)計(jì)常常在一定的技術(shù)條件下，要求取得一個技術(shù)指標(biāo)的最佳的設(shè)計(jì)方案，以期達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)目標(biāo)，如重量、成本、性能、承載能力等。選用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方法和計(jì)算機(jī)程序?qū)⒃O(shè)計(jì)問題的物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型通過計(jì)算機(jī)求解得到最佳設(shè)計(jì)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般步驟[例]行星輪系的優(yōu)化設(shè)計(jì)行星輪系機(jī)構(gòu)簡圖1）目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量影響目標(biāo)函數(shù)的獨(dú)立參數(shù)均可作為設(shè)計(jì)變量，即目標(biāo)函數(shù)可改寫為2）約束條件的建立①保證小齒輪不根切②限制齒寬最小值，得③限制模數(shù)最小值，得④模數(shù)和齒寬之間要求⑤保證各行星輪之間齒頂不相碰撞，應(yīng)滿足⑥滿足接觸強(qiáng)度要求，應(yīng)有⑦滿足輪齒彎曲強(qiáng)度要求，應(yīng)有3）選用合適的優(yōu)化方法求解，得利用計(jì)算機(jī)及其圖形設(shè)備幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作。簡稱CAD。在工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)可以幫助設(shè)計(jì)人員擔(dān)負(fù)計(jì)算、信息存儲和制圖等項(xiàng)工作。在設(shè)計(jì)中通常要用計(jì)算機(jī)對不同方案進(jìn)行大量的計(jì)算、分析和比較，以決定最優(yōu)方案;各種設(shè)計(jì)信息，不論是數(shù)字的、文字的或圖形的，都能存放在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存或外存里，并能快速地檢索;設(shè)計(jì)人員通常用草圖開始設(shè)計(jì)，將草圖變?yōu)楣ぷ鲌D的繁重工作可以交給計(jì)算機(jī)完成;利用計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行與圖形的編輯、放大、縮小、平移和旋轉(zhuǎn)等有關(guān)的圖形數(shù)據(jù)加工工作。②計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)CAD的概念及作用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)人工計(jì)算、繪圖設(shè)計(jì)精度、穩(wěn)定性和效率有限，修改不方便計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、計(jì)算、繪圖。提高了設(shè)計(jì)精度、穩(wěn)定性和效率，修改方便常用的計(jì)算輔助設(shè)計(jì)軟件有:AutoCAD、Proe、SolidWorks、UG和CATIA等。CAD提供了產(chǎn)品設(shè)計(jì)所需的各種標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、工藝參數(shù)等工程數(shù)據(jù)。

CAD的應(yīng)用實(shí)際零件

加工過程模擬CAD還具有設(shè)備工作過程模擬和零件加工過程模擬的功能。CAD的應(yīng)用③模塊化設(shè)計(jì)以功能化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分解現(xiàn)有的產(chǎn)品，在分解中考慮到各個要素的可行性，從而在早期就預(yù)測到設(shè)計(jì)中可能會出現(xiàn)的矛盾，提高設(shè)計(jì)的可行性和可靠性，降低產(chǎn)品的成本。模塊化設(shè)計(jì)的概念及作用以功能塊為單位進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其求解算法的方法稱為模塊化。簡單地說就是程序的編寫不是開始就逐條錄入計(jì)算機(jī)語句和指令，而是首先用主程序、子程序、子過程等框架把軟件的主要結(jié)構(gòu)和流程描述出來，并定義和調(diào)試好各個框架之間的輸入、輸出鏈接關(guān)系。超精密機(jī)床系列和型號的擬定；

模塊的劃分；模塊的組配；單元模塊有限元力學(xué)分析；靜剛度與動剛度；結(jié)構(gòu)、運(yùn)動學(xué)及功能模型。通用和專用模塊的組合與集成；虛擬裝配；關(guān)鍵部件工程化制造。系統(tǒng)測試；實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

模塊劃分導(dǎo)軌及工作臺系統(tǒng)主軸系統(tǒng)環(huán)境控制系統(tǒng)導(dǎo)軌驅(qū)動系統(tǒng)微量進(jìn)給系統(tǒng)床身系統(tǒng)位置檢測系統(tǒng)控制系統(tǒng)其他系統(tǒng)超精密機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)舉例

超精密機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)低成本、快速、高可靠性超精密機(jī)床模塊化設(shè)計(jì)主軸模塊導(dǎo)軌模塊導(dǎo)軌驅(qū)動機(jī)構(gòu)微量進(jìn)給模塊環(huán)境控制模塊位置檢測模塊床身模塊數(shù)控模塊其他模塊空氣靜壓主軸液體靜壓主軸單坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)雙坐標(biāo)聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)超精高速主軸空氣靜壓導(dǎo)軌液體靜壓導(dǎo)軌滾珠絲杠直線電機(jī)驅(qū)動摩擦驅(qū)動機(jī)構(gòu)壓電陶瓷進(jìn)給磁致伸縮進(jìn)給振動控制系統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)雙頻激光干涉系統(tǒng)光柵測量系統(tǒng)臥式床身結(jié)構(gòu)龍門立式結(jié)構(gòu)電機(jī)刀架吸盤

超精密車床和銑床結(jié)構(gòu)示意圖車床模塊銑床模塊綜上所述模塊化設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)：①設(shè)計(jì)和制造時間短；②有利于產(chǎn)品的更新?lián)Q代和新產(chǎn)品的開發(fā)；③有利于降低成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，便于產(chǎn)品的維修。④有限元法有限元法是以計(jì)算機(jī)為工具的一種現(xiàn)代數(shù)值計(jì)算方法，是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種彈性力學(xué)問題的求解方法。有限元法的概念及作用有限元法是一種計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，使人們能夠在計(jì)算機(jī)上用軟件模擬一個工程問題的發(fā)生過程而無需把東西真的做出來。這項(xiàng)技術(shù)帶來的好處是，在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段能夠讓人們在計(jì)算機(jī)上觀察到設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品將來在使用中可能會出現(xiàn)的問題，不用把樣機(jī)做出來在實(shí)驗(yàn)中檢驗(yàn)會出現(xiàn)什么問題，可以有效降低產(chǎn)品開發(fā)的成本，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期。單元特性分析與計(jì)算結(jié)構(gòu)離散化單元組集求解方程有限元法的計(jì)算過程主要應(yīng)用于以下方面進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動態(tài)分析計(jì)算復(fù)雜零件的應(yīng)力分布和變形零件強(qiáng)度和剛度計(jì)算求解工程中復(fù)雜的非線性問題、非穩(wěn)態(tài)問題常用的有限元分析計(jì)算軟件有IDEAS、ANSYS、MARC、ABAQUS等。可以分析應(yīng)力、變形、溫度場、磁場、振動、沖擊、隨機(jī)響應(yīng)等。轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)的有限元分析可以進(jìn)行動態(tài)特性分析，識別系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，從而為轉(zhuǎn)臺的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。轉(zhuǎn)臺主軸軸系及臺面有限元分析轉(zhuǎn)臺軸系的動態(tài)特性直接影響轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動精度、運(yùn)動平穩(wěn)性和承載能力。

鉗夾梁系統(tǒng)受力簡圖600MW定子機(jī)座幾何模型600MW定子機(jī)座有限元網(wǎng)格600MW定子機(jī)座總體位移云圖（最大5.996mm）機(jī)座的等效Von.MiseS應(yīng)力云圖大變形有限元本構(gòu)方程的建立[例]切削深度對超精密切削過程影響的有限元分析

有限元模型的建立和邊界條件的確定切屑分離準(zhǔn)則的選取超精密切削過程有限元分析有限元模型

切削力的變化等效應(yīng)力的變化等效塑性應(yīng)變的變化

切屑和工件溫度分布虛擬設(shè)計(jì)虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)是由多學(xué)科先進(jìn)知識形成的綜合系統(tǒng)技術(shù)，其本質(zhì)是以計(jì)算機(jī)支持的仿真技術(shù)為前提，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，實(shí)時地并行地模擬出產(chǎn)品開發(fā)全過程及其對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響，預(yù)測產(chǎn)品性能、產(chǎn)品制造成本、產(chǎn)品的可制造性、產(chǎn)品的可維護(hù)性和可拆卸性等，從而提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次成功率。它也有利于更有效更經(jīng)濟(jì)靈活地組織制造生產(chǎn)，使工廠和車間的設(shè)計(jì)與布局更合理更有效，以達(dá)到產(chǎn)品的開發(fā)周期及成本的最小化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量最優(yōu)化、生產(chǎn)效率的最高化。虛擬設(shè)計(jì)的概念及作用實(shí)例：汽車研發(fā)典型流程中，首先利用虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)和結(jié)構(gòu)分析CAE軟件確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，然后進(jìn)行零部件詳細(xì)設(shè)計(jì)并實(shí)施加工過程。(1)虛擬設(shè)計(jì)繼承了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的所有特點(diǎn)。(2)繼承了傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，便于利用原有成果。(3)具備仿真技術(shù)的可視化特點(diǎn)，便于改進(jìn)和修正原有設(shè)計(jì)。(4)支持協(xié)同工作和異地設(shè)計(jì)，利于資源共享和優(yōu)勢互補(bǔ)，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。(5)便于利用和補(bǔ)充各種先進(jìn)技術(shù)，保持技術(shù)上的領(lǐng)先優(yōu)勢。虛擬設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)綠色設(shè)計(jì)綠色設(shè)計(jì)是指以環(huán)境資源保護(hù)為核心概念的設(shè)計(jì)過程，其基本思想就是在設(shè)計(jì)階段就將環(huán)境因素和預(yù)防污染的措施納人產(chǎn)品設(shè)計(jì)之中，將環(huán)境性能作為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)和出發(fā)點(diǎn)，力求使產(chǎn)品對環(huán)境的影響為最小。綠色設(shè)計(jì)的概念綠色設(shè)計(jì)的原則綠色設(shè)計(jì)的原則被公認(rèn)為"3R"的原則，即Reduce,Reuse,Recycle，減少環(huán)境污染、減小能源消耗，產(chǎn)品和零部件的回收再生循環(huán)或者重新利用。產(chǎn)品材料的選擇和管理。產(chǎn)品可拆卸性和可回收性設(shè)計(jì)。綠色產(chǎn)品成本分析和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的建立。產(chǎn)品的綠色包裝設(shè)計(jì)。產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容:可靠性設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)的概念所謂可靠性，