第3章机械设计及现代设计方法
现代设计方法概述
设计过程：
将
物资资源转化为技术装置以满足客观需求的实践
活动就是一个设计过程。
二．设计方法的发展
设计方法的研究包括设计步骤和程式以及与之相 联系的解决具体设计问题的方法和手段的研究。
设计的发展分为四个阶段: 1. 直观发展阶段（设计过程是凭当事人的智力和
灵感，是一种具有很大偶然性的自发设计） 2. 经验发展阶段（传统设计阶段）
第一章：绪 论
一．设计与设计过程
设计就是提出或拟订把某些人工制品组装起来 的方案，或者是对人工制品提出改进的措施， 以便最佳地满足人们某些特殊的需求。（如机 械设计，工业造型设计等) AUTOCAD,VG,SOLIDEDGE
任何设计活动都具有如下特征：
1). 时空性（设计活动受到时间空间的限制） 2). 设计活动的物质性（所有的设计活动都是在特 定的物质条件约束下进行的，如工程材料，资源） 3). 设计的需求性特征（科学研究和工程设计的最 大区别） 4). 创造性 5). 设计活动的过程性
1.字段
字
段是数据中最基本的用来描述实体某个属性的数
四．现代设计方法的主要内容
1.计算机辅助设计. 1）现代CAD技术的内涵及其主要内容 2）工程数据处理及数据库技术（LISP等） 3）绘图基本原理（图形学）及工程图的绘制
2.产品设计理论与方法
3.计算机辅助工程（CAE）
1）弹性力学基本知识
2）有限元法
3）
应用有限元软件
4.最优化设计
建立在经验与技巧能才的积累上。
3. 中间试验辅助设计阶段 局部试验，模拟试验，作为设计过程的辅助手 段。通过中间试验可取得可靠的数据，选择合 适的结构，从而缩短试制周期，提高设计的可 靠性。
机械设计全套课件 ppt课件
凡具备上述（1）、（2）两个特征的实物组合体称为机构。 机器能实现能量的转换或代替人的劳动去做有用的机械功，而 机构则没有这种功能。
仅从结构和运动的观点看，机器与机构并无区别，它们 都是构件的组合，各构件之间具有确定的相对运动。因此，通 常人们把机器与机构统称为机械。
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机械设计基础
绪论
如图1-1所示的内燃机，
图1-5（a）闭式运动链
机械设计基础
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图1-5（a）开式运动链
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• 将运动链中的一个构件固定，并且它的一个 或几个构件作给定的独立运动时，其余构件 便随之作确定的运动，此时，运动链便成为 机构。
• 机构的组成:
• 机 架：固定不动的构件
• 原动件：输入运动的构件
• 从动件：其余的活动构件
1)运动副：两构件之间直接接触并能产生一定的相对
运动的连接称为运动副。
运动副元素：两构件上直接参与接触而构成运动副的部分— —点、线或面。
2) 运动副的分类
平面
运 运动副 动 副
空间 运动副
机械设计基础
高副：点、线接触 低副：面接触
球面副 螺旋副
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运动副 转动副
13
图1-2 转动副
图1-3 移动副
是由汽缸体1、活塞2、连杆3、曲轴4、 小齿轮5、大齿轮6、凸轮7、推杆8等系列 构件组成，其各构件之间的运动是确定的。
0.1.2 构件与零件
机构是由具有确定运动的单元体组成的，这 些运动单元体称为构件。
组成构件的制造单元体称为零件。 零件则是指机器中不可拆的一个最基本的 制造单元体。构件可以由一个或多个零件组成。
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机械设计基础
现代设计方法
③统一的产品信息模型
统一的产品信息模型是实施并行设计的基础，产品设计过 程是一个产品信息由少到多、由粗到细不断创作、积累和完 善的过程，这些信息不仅包含完备的几何形状、尺寸信息， 而且包含精度信息、加工工艺信息、装配工艺信息、成本信 息等。二维几何模型显然不能满足这一要求，仅包含几何信 息的三维模型也不能满足这一要求。因此，并行设计的产品 信息模型应能将来自不同部门、不同内容、不同表述形式、 不同抽象程度、不同关系、不同结构的产品信息包容在一个 统一的信息模型之中。质量、降低设计制造成本，而逐步形 成和建立起来的新的设计思想和策略方法。
为了缩短产品开发时间，人们首先从“硬件”入手：通 过装备更先进的加工设备来提高加工效率，用计算机代替人 工设计来提高设计效率。在取得了预期的效果后，人们又进 而认识到：要想大幅度地缩短产品开发时间，还要从研究和 改进产品开发过程本身入手，建立新的产品开发策略思想。
什么是模块?所谓模块，指一组具有同一功能和接合要素 （指联接部位的形状、尺寸、联接件间的配合或啮合等）， 但性能、规格或结构不同却能互换的单元。
机床卡具、联轴器可称为模块，有些零部件如插头、插座， 广义上也可称为模块，但不如称为标准件更好。在模块化设 计中，也用到大量的标准件，但模块多指标准件之外、仍需 被设计而又可以用于不同的组合、从而形成具有不同功能的 设备的单元。
模块化设计，指在对产品进行市场预测、功能分析的基础 上，划分并设计出一系列通用的功能模块；根据用户的要求， 对这些模块进行选择和组合，就可以构成不同功能、或功能 相同但性能不同、规格不同的产品。这种设计方法称为模块 化设计。
（2）模块化设计的主要方式
① 横系列模块化设计。不改变产品主参数，利用模块发 展变形产品。这种方式是易实现，应用最广。通常是在基型 品种上更换或添加模块，形成新的变形品种。
现代机械设计范文
现代机械设计范文
现代机械设计是一种复杂的工程学科，是建立在几何学、力学、材料学、流体力学、热学和控制学等传统基础科学之上的。
它融合了工程计算机软件的优势，并以此来支持结构设计、机械尺寸设计、总成结构设计和参数化设计等相关工程设计。
现代机械设计还从新机械系统的可行性分析入手，从而加强设计过程的效率。
在机械设计层面，主要包括结构构建、模型建模、计算流固耦合计算和结构动力分析等。
结构构建是机械设计中的基础性任务，其中的模型建模技术旨在建立准确的模型，以帮助设计者进行快速、准确的机械设计。
有效的计算流固耦合计算可以准确估算结构的受力情况，帮助设计者确定准确的结构参数。
结构动力分析技术可以帮助设计者研究机械结构在受力情况下产生的反应特性，从而有效的掌握最佳工作状态。
现代机械设计还通过重新分析传统设计中使用的材料组分来提高设计效率，从而进一步改善机械设计中的可靠性和性能。
当针对具体设计任务评估时，可以采用微机控制系统，将原始设计模型进行精确模拟，以帮助设计者在可靠性、性能和经济效益等方面进行有效的比较评估。
《现代机械优化设计》第3章 一维搜索
a xp, f (a) f (xp ), f (a) f (xp )
b xp, f (b) f (xp ), f (b) f (xp )
计算 f (x*p ), f (x*p )
否
f (x*p ) 0 是
否
f (x*p )
x xp , f f (xp )
是
结束
否
是
K>0
否
xp-xp0 ≤ε
是
x*=x2, f*=f2
是
x*=xp,f*=fp
xp
1 2
f1(x22 x32 ) f2 (x32 x12 ) f3(x12 x22 ) f1(x2 x3) f2 (x3 x1) f3(x1 x2 )
结束
由于区 间缩到很 小时因计 算机舍入 误差引起， 可取中间 点输出。
x3
ⅱ) (xP x1)(x3 xP ) 0
f1
x1
f2
f3
x2 x3
补充 §3-5 格点法
一）基本思路
先将搜索区间分成若干等分，计算出当中的n个等分 点的目标函数值. 再通过比较,找出其中的最小点，则该 点的两个邻近点围成缩短了的新区间。
f
a
xmx1 m xm1 b
x
二）每轮迭代区间的缩短率
ⅰ)A=0
f1(x2 x3 ) f2 (x3 x1) f3 (x1 x2 ) 0
f1[( x2 x1) (x3 x1)] f2 (x3 x1) f3(x1 x2 ) 0
f2 f1 f3 f1 这表明此时三个插值点共线。 x2 x1 x3 x1
f2
f3
f1
x1
x2
a=x3、b=x1
x3=x2+h、y3=f(x3)
机械设计课件03第三章
计算安全系数及疲劳强度条件为：
a. AOJ区域内：smin为负值； b. GIC区域内：按静强度计算；
Sca
ss s lim s s S s s max s a s m
c. OJGI区域内：疲劳极限
s max 2s 1 ( Ks s )s min Sca S s max ( Ks s )(2s a s min )
r
s min s max
-1＜r＜1(r≠0)
非对称循环应力
r = -1 对称循环应力
r =0 脉动循环应力
r =1 静应力
§3-1 材料的疲劳特性
二、 s －N疲劳曲线(r一定)
AB段：静应力强度 ，N≤ 103 BC段：低周疲劳（应变疲劳）， 103 ≤ N≤ 104 ，N ， σmax CD段:有限寿命疲劳，N> 104
ks 1 1
各系数查取见附表
§3-2 机械零件的疲劳强度计算
二、单向稳定变应力时的疲劳强度计算 强度计算式： S s lim s max S ca
计算步骤：
机械零件的疲劳强度计算2
s
s max
求得危险截面的 smax及s
min
据此计算出sm及sa
标出M(sm ,sa )（或N） 根据应力变化规律找到对应的 极限应力值 由强度计算式求出sca
式中ρ1和ρ2 分别为两零件初始接触线处的曲率半径, 其中 正号用于外接触，负号用于内接触。 注意：接触变应力是一个脉动循环变应力
思考题：3-9 3-13 作 业： 3-18 3-20 3-21
四、双向稳定变应力时的疲劳强度计算
当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力sa 和ta时， 由实验得出的极限应力关系式为：
现代设计理论与方法
§2机械设计的流程和特点（续）
机械设计的本质：
图
0-6
是功能到结构
机 械
的映射过程，是技
设 计
术人员根据需求进
作 业
行构思、计划并把流源自程设想变为现实可行
图
的机械系统的过程。
武汉理工大学智能制造与控制研究所
§2机械设计的流程和特点（续）
❖机械设计具有个性化、抽象性、多解性的 基本特征，如图0-7所示：
§3.2成型期
❖欧洲
1962年，在伦敦举行了第一届设计方法会议，主要围绕系统设计方法研 究，探讨设计过程的全面管理的系统方法和用于设计过程的系统技术。
1968年，在英国，The Design Council成立。
❖美国
1968年，在美国波士顿的MIT举行了“环境设计与规划中的新方法”会议， 着重探讨设计的复杂性问题，理解设计者如何用传统的设计方法解决设 计问题。
所引起，而80%的修改工作在产品制造阶段或后续阶段陆续 完成。
图0-4 设计与修改成本的比例
武汉理工大学智能制造与控制研究所
§1.1 设计在产品开发中的重要地位(续)
因此，可以得到这样的启示： 在设计越来越显示其重要性的今天，
掌握新的设计思想，应用新的设计方法和 技术，采用新的设计工具，对于提高企业 产品竞争力，具有非常重要的意义。
❖ 日本
1971年，由北乡薰等人编著的“设计工学系列丛书”出版发行，比较全面地论述了设 计方法和技术。
1979年，日本东京大学吉川弘之教授在日本精密机械杂志上发表“一般设计学序说” 一文，提出了一般设计学理论。
§1.1 设计在产品开发中的重要地位(续)
产品设计仅 需整个产品开 发过程中大约 8%的工时成本
现代设计方法课后习题答案第三章
3.1 可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。
可靠度：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。
可靠度计算方法：R(t)=(N-n(t))/N3.2失效率：产品工作t 时刻尚未失效（或故障）的产品，在该时刻t 以后的下一个单位时间内发生失效（或故障）的概率。
λ（t ）=0lim N t →∞∆→()()[()]n t t n t N n t t+∆--∆ 关系: R(t)= ()t t dt o e λ-⎰ 3.3早期失效期：失效率开始由很高的数值急剧地下降到一个稳定的数值。
正常运行期：失效率低且稳定，近似为常数。
损耗失效期：失效率随工作时间增加而上升。
常用分布函数：二项分布 F(r ≤k)=0k r n r c =∑r n r p q -泊松分布 F(t ≤k) =0!r k r r e μμ-=∑指数分布 F(t)=1-t eλ- 正态分布F(x)= 22()2()x x dx x e μσ---∞-∞<<∞⎰对数正态分布F(x)=21()20(0)1y y y dx x μσ-->⎰ 威布尔分布 F(x)=1-()x e βγη--3.4(1)可靠性设计和常规设计的主要区别在于，可靠性设计把一切设计参数都视为随机变量（1）传统设计方法是将安全系数作为衡量安全与否的指标，但安全系数的大小并没有同可靠度直接挂钩，这就有很大的盲目性，可靠性设计与之不同，她强调在设计阶段就把可靠度直接引进到零件中去，即由设计直接确定固有的可靠度。
（2）传统设计方法是把设计变量视为确定性的单值变量并通过确定性的函数进行运算，而可靠性设计则把设计变量视为随机变量并运用随机方法对设计变量进行描述和运算。
（3）在可靠性设计中，由于应力s 和强度c 都是随机变量，所以判断一个零件是否安全可靠，就以强度c 大应力s 的概率大小来表示。
（4）传统设计与可靠性设计都是以零件的安全或失效作为研究内容，两者兼有密切的联系，可靠性设计是传统设计的延伸与发展3.5 (1)最大可能的工作应力都要小于零件的可能的极限强度。
《机械制造装备设计》重要知识点
机械制造装备设计第一章、机械制造及装备设计方法第一节、概述机械制造装备的发展趋势1、向高效、高速、高精度方向发展2、多功能复合化、柔性自动化3、绿色制造与可持续发展4、智能制造技术与智能化装备第二节机械制造装备应具备的主要功能机械制造装备应具备的主要功能需满足以下几方面要求1、一般的功能要求2、柔性化3、精密化4、自动化5、机电一体化6、节材7、符合工业工程要求8、符合绿色工程要求一般的功能要求包括（1）加工精度方面的要求（2）强度、刚度和抗振性方面的要求3）加工稳定性方面的要求4）耐用性方面的要求5）技术经济方面的要求第三节机械制造装备的分类机械制造装备的分类1、加工装备（机床或工作母机）2、工艺装备3、储运装备4、辅助装备加工装备包括：金属加工机床、特种加工机床、锻压机床、冲压机床、注塑机、焊接设备、铸造设备等。
金属切削机床可按如下特征进行分类：1、按机床的加工原理分为：车床、钻床、镗床、纹加工机床、铣床、刨（插）床、拉床、机床设计应满足的基本要求（1）工艺范围（2）柔性（5）精度（6）噪声（7）成产率和自动化（10）可靠性机床设计步骤1、确定结构原理方案4、工艺设计3）与物流系统的可亲性8）成本（11）造型与色彩2、总体设计5、机床整机综合评价4）刚度9）生产周期3、结构设计6、定型设计切断机床和其它机床等。
2、按机床的使用范围分为：通用机床：通用的金属切削机床可加工多种尺寸和形状的工件的多种加工面专用机床：用于特定工件的特定表面、特定尺寸和特定工序加工的机床专门化机床：用于对形状相似尺寸不同的工件的特定表面，按特定的工序进行加工3、机床按其通用特征可分为高精度精密、自动、半自动、数控、仿形、自动换刀、轻型、万能和简式机床等第四节机械制造装备设计的类型机械制造装备设计可分为创新设计、变型设计和模块化设计等三大类第五节机械制造装备设计的方法机械制造装备设计的典型步骤（一）产品规划阶段（二）方案设计阶段（三）技术设计阶段（四）施工设计阶段第二章金属切削机床设计第一节概述第二节金属切削机床设计的基本理论机床的运动学原理金属切削机床工作原理是通过刀具与工件之间的相对运动，由刀具切除工件加工表面多余的金属材料，形成工件加工表面的几何形状、尺寸，并达到其精度要求。
机械设计基础课程习题
机械设计根底课程?习题第1章机械设计根底概论1-1试举例讲明机器、机构和机械有何不同？1-2试举例讲明何谓零件、部件及标准件？1-3机械设计过程通常分为几个时期？各时期的要紧内容是什么？1-4常见的零件失效形式有哪些？1-5什么是疲乏点蚀？碍事疲乏强度的要紧因素有哪些？1-6什么是磨损？分为哪些类型？1-7什么是零件的工作能力？零件的计算准那么是如何得出的？1-8选择零件材料时，应考虑那些原那么？1-9指出以下材料牌号的含义及要紧用途：Q275、40Mn、40Cr、45、ZG310－570、QT600－3。
第2章现代设计方法简介2-1简述三维CAD系统的特点。
2-2试写出优化设计数学模型的一般表达式并讲明其含义。
2-3简述求解优化咨询题的数值迭代法的全然思想。
2-4优化设计的一般过程是什么？2-5机械设计中常用的优化方法有哪些？2-6常规设计方法与可靠性设计方法有何不同？2-7常用的可靠性尺度有那些？2-8简述有限元法的全然原理。
2-9机械创新设计的特点是什么？2-10简述机械创新设计与常规设计的关系。
第3章平面机构的组成和运动简图3-1举实例讲明零件与构件之间的区不和联系。
3-2平面机构具有确定运动的条件是什么?3-3运动副分为哪几类？它在机构中起何作用？3-4计算自由度时需注重那些事项？3-5机构运动简图有何用途？如何样绘制机构运动简图？3-6绘制图示提升式水泵机构的运动简图，并计算机构的自由度。
3-7试绘制图示缝纫机引线机构的运动简图，并计算机构的自由度。
3-8试绘制图示冲床刀架机构的运动简图，并计算机构的自由度。
3-9试判定图a、b、c所示各构件系统是否为机构。
假设是，判定它们的运动是否确定〔图中标有箭头的构件为原动件〕。
3-10计算图a、b、c、d、e、f所示各机构的自由度，如有复合铰链、局部自由度、或虚约束请指出。
并判定它们的运动是否确定〔图中标有箭头的构件为原动件〕。
第4章平面连杆机构4-1四杆机构的急回特性是何含义？什么条件下机构才具有急回特性？4-2什么是四杆机构的死点？试举出几个利用和克服死点的实例。
第3章机械设计及现代设计方法(上课课件)
4、可靠性设计
可靠性设计——以概率论和数理统计为基础
，为保证产品可靠采用的一系列分析与设计技术
机械产品的可靠性设计分为：
1、方案论证阶段：可靠性指标 2、审批阶段：可靠性的评价 3、设计研制阶段：可靠性预测、分配和故障模式 4、生产及试验阶段：规范生产、进行寿命试验等 5、使用阶段：收集可靠性数据
➢形象思维与抽象思维： 形象思维：人脑对客观事物或现象的外在特点和
具体形象的反映活动。
抽象思维：凭借概念、判断、推理而进行的反映
客观现实的思维活动。
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3.3.2 创新思维
➢发散思维和收敛思维：
发散思维：一种求出多种答案的思维形式。 收敛思维：一种寻求某种正确答案的思维形式。 在创造活动中，光有发散思维的活动并不能使问 题获得有效的解决，所以发散思维之后尚需进行 收敛思维。 这两种思维的有效结合组成了创造活动的一个循 环过程。
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3.2 现代设计方法
3.2.2 传统设计与现代设计
传统设计
以生产经验为基础，运用经验、公式、图表、设 计手册等，着眼于产品的功能和技术规范，通过 经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。
传统设计的每一个环节都是依靠设计者用手 工方式来完成的：
方案设计
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3.2 现代设计方法
分析计算 信息处理、经验或知识的存储和重复使用没有一 个理想有效的方法 传统设计是以静态分析、近似计算、经验设计、 手工劳动为特征的设计方法。
1、产品的质量、性能、成本等在很大程度 上取决于设计的水平与质量。
2、统计资料表明：机械产品的质量事故约 有50%是由于设计不当造成的，产品成 本的70%-90%是由设计阶段决定的。
5
3.1.2 设计的类型
机械设计学课本
机械设计学课本第⼀章绪论1.机械设计学学科的三个组成部分：功能原理设计、实⽤化设计、商品化设计。
2.机械设计具有哪些主要特点？（多解性、系统性、创新性）3.近代“设计学”的重⼤发展（功能思想的提出和发展；⼈机学思想的形成和发展；⼯业设计学科体系的发展和成熟）4.从设计构思的⾓度将机械设计步骤归纳为哪三⼤步？（创意、构思、实现）第⼆章机器的组成及典型机器的功能分析1.机器的定义：有两个或两个以上相互联系配合的构件所组成的联合体，通过其中某些构件的限定的相对运动，能将某种原动⼒和运动转变，以执⾏⼈们预期的⼯作，在⼈或其他智能体的操作或控制下，实现为之设计的某种或⼏种功能。
2.从不同⾓度看机器的组成：从机构学的⾓度看：各种基本机构，⾃由度=原动机数；从结构学的⾓度看：各种基本零件；从专业的⾓度看：各种主要部件3.从功能的观点看机器的组成：机器由多个主要分功能系统构成，它们的协调⼯作实现了实现了机器的总功能。
⼜可进⼀步分为：⼯作机（⼯作头、执⾏机构）传动机原动机控制器。
4.从功能的观点看机器的分类可分为：⼯艺类机器：对物料进⾏⼯艺性加⼯的机器，主要特征是具有专⽤的⼯作头并进⾏独特的⼯艺加⼯动作；⾮⼯艺类-不对任何物料进⾏⼯艺性加⼯，只实现某些特殊的动作性的机器。
5.家⽤缝纫机是⼀种典型的⼯艺类机器。
⼯艺⽅式：⼀是采⽤针尖引线的⽅法代替针尾引线；⼆是采⽤双线互锁交织的⽅法代替反复穿刺。
功能分析：（1）总功能：将线按⼀定规律缝于缝料上，它可使⼀根线或多根线通过⾃连、互连、交织，在缝料上形成⼀定形式的线迹。
（2）主要功能：引⾯线造环功能，勾⾯线扩环供给和收回⾯线的功能，输送缝料的功能。
（3）辅助功能：调节⾯线和底线阻尼的功能，调节压脚和压紧⼒的功能，调节送布针距的功能，绕底线功能。
（4）控制功能：机械控制功能，⼈机控制功能，电⼦控制功能。
6.现代银⾏点钞机是⼀种典型的机电⼀体化系统，属于⼯艺类机器。
功能要求：要有堆放准备清点纸币的空间，并能将纸币连续输⼊，直到最后⼀张；要有能把纸币逐张分开，避免两张当做⼀张计数的机构；要有准确计数的装置，清理完毕的纸币要整理成⼀叠。
现代设计方法（赵松年华东理工大学）
前言第一章绪论第一节现代设计一、设计的概念二、现代设计的概念三、现代设计的特点第二节机械产品设计一、现代机械二、新产品开发三、机械产品设计的三个阶段四、机械产品设计的一般进程第三节部分现代设计方法简介一、价值工程二、工业产品艺术造型设计三、人机工程四、并行工程五、模块化设计六、相似性设计七、摩擦学设计八、三次设计九、反求工程设计习题参考文献第二章设计方法学第一节概述一、设计方法学的涵义二、设计方法学的研究对象第二节技术系统及其确定一、技术系统二、信息集约三、调研预测四、可行性报告第三节系统化设计一、功能分析二、功能元求解三、方案综合四、设计工具第四节评价决策一、评价目标树二、评分法三、技术-经济评价法四、模糊评价法第五节创新思维与技法一、创造力开发二、创新思维三、创新技法第六节设计实例一、现代设计的目标二、设计实例——专门化数控磨床方案设计习题参考文献第三章优化设计第一节概述一、优化设计的发展及应用二、传统设计与优化设计三、优化设计的数学模型四、优化设计的分类第二节一维搜索一、迭代算法及终止准则二、一维搜索第三节无约束优化算法一、共轭方向法二、梯度法三、共轭梯度法四、牛顿法五、变尺度法（DFP变尺度法）六、小结第四节约束优化算法一、复合形法二、惩罚函数法第五节应用实例一、OPB－1程序库概述二、OPB程序库的使用三、优化设计实例习题参考文献第四章可靠性设计第一节概述一、可靠性的概念和设计特点二、可靠性设计中常用的特征量第二节应力——强度干涉模型和零部件的可靠性设计一、应力——强度干涉模型二、可靠度的计算三、零部件的可靠性设计第三节系统的可靠性设计一、系统逻辑图二、系统的可靠性预测三、系统的可靠性分配第四节机械系统的故障树分析一、基本概念二、故障树的建立三、故障树的定性分析四、故障树的定量分析第五节可靠性试验概况一、寿命试验二、筛选试验三、环境试验四、现场使用试验第六节应用实例习题参考文献第五章有限元法第一节概述一、有限元法的基本思想二、有限元法的应用第二节有限元法的基本步骤一、引例二、有限元法的基本步骤三、总刚度矩阵的特性第三节二维线弹性问题一、单元划分二、形函数三、单元方程四、实现等参变换的条件第四节有限元程序的应用一、前处理二、有限元分析三、房处理习题参考文献第六章机械动态设计第一节概述第二节理论建模方法一、有限元建模法二、单元的动力学方程三、建立整体结构的动力学方程四、边界条件处理五、特征值问题的求解六、应用实例第三节传递矩阵建模法一、用传递矩阵法分析轴的横向振动二、计算固有频率和主振型三、应用实例第四节实验建模方法一、机械阻抗与频响函数二、振动系统频率响应函数图示法三、传递函数测量的模态分析四、不同激励方式的选用五、实模态和复模态的参数识别六、应用实例第五节机械结构动力修改一、结构动力修改准则二、应用应例习题参考文献第七章计算机辅助设计（CAD）第一节概述一、CAD的概念二、CAD系统的功能三、CAD的工作过程四、CAD的特点五、CAD的发展趋势第二节CAD系统的组成原理一、CAD系统的硬件二、CAD系统的软件三、CAD系统的类型及系统选择第三节工程数据的计算机处理一、数据组成二、数据公式化三、数据结构四、工程数据库及其管理系统第四节图形生成与变换一、坐标系、窗口与视区、图形剪裁二、几何造型三、二维图形变换四、三维图形变换第五节应用实例一、设计内容及要求二、CAD系统选择三、系统设计四、结构模块设计五、软件接口设计习题参考文献第八章人工神经元计算方法第一节概述一、什么是人工神经元计算二、人工神经元计算的特点三、人工神经元计算的应用第二节反向传播网络一、网络结构二、网络运算与传递函数三、误差反向传播四、网络训练与测试五、小结第三节应用实例一、人工神经元计算在金属成形中的应用（介面摩擦与材料流动应力的测定）二、人工神经元计算在机器人学中的应用（运动误差补偿）习题参考文献第九章工程遗传算法第一节概述一、什么是遗传算法二、遗传算法的特点三、遗传算法的应用第二节简单遗传算法一、遗传算法的基本算子二、遗传算法的一个简单算例三、遗传算法的数学描述四、参数编码与满足度函数第三节遗传算法的理论基础一、纲的术语二、纲的定理第四节应用实例一、桁架结构优化二、冗余机器人的运动学反向解习题参考文献第十章智能工程第一节概述一、智能工程的定义二、智能工程的基本概念和原则三、智能工程的研究内容和方法四、智能工程与人工智能、专家系统的区别与联系五、智能工程语言及环境第二节知识获取及表达一、知识的概念二、知识获取三、知识表述第三节知识的运用一、知识的推理二、推理实现的基本方法三、推理机的设计四、元推理机的设计第四节专家系统的结构一、基本结构二、元知识系统结构三、元知识在专家系统中的应用四、专家系统的类型第五节应用实例一、智能工程在齿轮减速箱设计专家系统（GBES）中的应用二、功能模块三、GBES系统结构四、GBES的主要功能特点习题参考文献。
机械设计学(总结)
机械设计学第一章绪论1、机械设计学定义——是一门研究机械设计的共性的综合性学科。
如设计技术、设计理论和设计方法。
2、机械设计的目标：在满足需求的基础上，实现约束最优化设计。
3、机械是机器和机构的统称。
4、机械设计具有的主要特点：多解性、系统性和创新性5、机械设计学的学科由（机械产品设计的三个基本环节是）功能原理设计、实用化设计和商品化设计三大部分组成。
功能原理设计：针对产品的主要功能所进行的原理性设计实质：原理方案的构思和拟定过程。
设计方法：以简图或示意图来进行方案的设计。
实用化设计工作：设计结构、选择材料、确定尺寸要求：明确、简单、安全可靠、掌握和遵循其内在规律和一般原理。
实用化设计的核心是要使产品具有优良的性能，好用。
商品化设计（技术、经济、社会）6、从设计构思的角度机械产品设计可归纳为三大步：创意、构思和实现。
创意：重点在于新颖性，且必须具有潜在需求。
构思：重点在于创造．即要构思一种新的技术方向或功能原理来实现某创意。
实现：重点在于验证构思的合理性，可以通过模型或原理样机来检查构思的合理性。
7、创新需要充分发挥设计人员的三种能力：抽象思维（抓住问题的本质）创造性思维（求多解）形象思维（头脑设计阶段）8、信息的交流与综合是创新的前提9、设计过程是在约束条件下求优过程（约束优化问题）包括：方案优化、设计参数优化、结构形状优化和整体布局方案优化。
10、机械设计按其创新程度可分为创新设计、变型设计和适用性设计三种类型。
11、设计阶段的具体任务可分为四个阶段：可行性研究、初步设计、详细设计和改进设计。
12、机械设计的基本程序可分为四个阶段：设计规划、方案设计、技术设计和施工设计。
第二章机器的组成及典型机器的功能分析1、机器的定义：一种用来变换或传递能量、物料与信息的机构的组合。
2、任何一台机器都是由原动机、传动机、工作机和控制器四部分组成。
第三章机械产品的功能原理设计1、功能原理设计定义：针对产品的主耍功能所进行的原理性设计简称为功能原理设计。
机械设计手册(第五版)目录 机械工业出版社
机械设计手册第五版机械工业出版社第1卷常用设计资料第1篇常用资料、常用数学公式和常用力学公式第1章常用符号和数据第2章计量单位和单位换算第3章常用数学公式第4章常用力学公式第2篇机械工程材料第1章钢铁材料第2章有色金属材料第3章非金属材料第4章复合材料第3篇零部件设计常用基础标准第1章技术制图及图形符号第2章公差与配合第3章几何公差——形状、方向、位置和跳动公差第4章表面结构第5章螺纹第4篇零件结构设计工艺性第1章概述第2章铸件结构设计工艺性第3章锻件结构设计工艺性第4章冲压件结构设计工艺性第5章粉末冶金件结构设计工艺性第6章工程塑料件结构设计工艺性第7章热处理零件结构设计工艺性第8章橡胶件结构设计工艺性第9章焊接件结构设计工艺性第10章金属切削加工件结构设计工艺性第11章零部件的装配和维修工艺性第2卷机械零部件设计(连接、紧固与传动)第5篇连接与紧固第1章连接总论第2章螺纹连接第3章键、花键和销连接第4章过盈连接第5章焊、粘、铆连接第6篇带传动和链传动第1章带传动第2章链传动第7篇摩擦轮传动与螺旋传动第1章摩擦轮传动第2章螺旋传动第8篇齿轮传动第1章概述第2章渐开线圆柱齿轮传动第3章圆弧齿轮传动第4章锥齿轮和准双曲面齿轮传动第5章蜗杆传动第9篇轮系第1章轮系概论第2章渐开线齿轮行星传动第3章摆线针轮行星传动第4章谐波齿轮传动第5章多点啮合柔性传动装置第10篇减速器和变速器第1章一般减速器设计资料第2章标准减速器第3章机械无级变速器第11篇机构第1章机构的基本概念和分析方法第2章机构选型第3章连杆机构设计第4章共扼曲线机械设计第5章凸轮机械设计第6章棘轮机构、糟轮机构和不完全齿轮机构第7章组合机构第8章并联机构的设计与应用第9章机构系统方案第3卷机械零部件设计(轴系、支承与其他) 第12篇轴第1章概述第2章轴的结构设计第3章轴的强度计算第4章轴的刚度校核第5章轴的临界转速第6章钢丝软轴第7章低速曲轴第13篇滑动轴承第1章滑动轴承的应用第2章无润滑滑动轴承第3章固体润滑滑动轴承第4章含油轴承第5章脂、滴油、油绳或油垫润滑滑动轴承第6章液体动压径向滑动轴承第7章可倾瓦块滑动轴承第8章液体动压止推轴承第9章液体静压轴承第10章气体轴承第11章其他轴承第12章滑动轴承座第14篇滚动轴承第1章滚动轴承的分类、结构与代号第2章滚动轴承的特性与选用第3章滚动轴承计算第4章滚动轴承的组合设计第5章滚动轴承支承设计实例第6章常用滚动轴承的基本尺寸与数据第15篇联轴器、离合器与制动器第1章联轴器第2章离合器第3章制动器第16篇弹簧第17篇起重运输机械零部件和操作件第18篇机架与箱体第19篇管道与管道附件第20篇润滑第21篇密封第4卷流体传动与控制第22篇液压传动与控制第1章常用液压基础标准第2章液压流体力学基础第3章液压基本回路第4章液压传动系统设计计算第5章液压泵第6章液压执行元件第7章液压控制阀第8章液压辅件第9章液压泵站、油箱、管路及管件第10章液压介质第11章液压伺服控制第12章电液比例控制第13章液压系统的安装、调试与故障诊断第23篇气压传动与控制第1章常用气动基础标准第2章气压传动的特点和气体力学基础第3章气源装置及气动辅助元件第4章气动执行元件第5章气动控制阀第6章气动控制系统第7章气动真空元件第8章气动系统的设计计算第9章气动系统的维护与故障处理第24篇液力传动第1章概述第2章液力偶合器第3章液力变矩器第4章液力机械变矩器第5卷机电一体化与控制技术第25篇机电一体化技术及设计第1章机电一体系概述第2章基于工业控制机的控制器及其设计第3章可编程序控制器第4章基于单片机的控制器及其设计第5章传感器及其接口设计第6章常用的传动部件与执行机构第7章常用控制用电动机及其驱动第8章机电一体化设计实例第26篇机电系统控制第1章概述第2章控制系统数学模型第3章控制系统分析方法第4章控制系统设计方法第5章先进控制理论基础第6章机械运动控制系统第27篇工业机器人技术第1章概述第2章工业机器人本体第3章工业机器人驱动系统第4章工业机器人控制系统第5章机器人传感器第6章机器人视觉第7章机器人人工智能第8章工业机器人的典型应用第28篇数控技术第1章概述第2章数控系统的点位和轨迹控制原理第3章数控程序编制第4章数控伺服系统第5章数控检测装置第6章计算机数控装置第29篇微机电系统及设计第1章微机电系统概述第2章微机电系统制造第3章微机电系统设计第4章微机电系统实例第30篇机械状态监测与故障诊断技术第1章概述第2章信号采集系统的组成第3章机械故障诊断中的信号处理第4章旋转机械运行状态的振动监测技术第5章机械故障诊断中的模式识别方法第6章旋转机械和典型零件的故障诊断方法第31篇激光及其在机械工程中的应用第1章激光加工概论第2章激光打孔第3章激光切割第4章激光焊接第5章激光淬火第6章激光熔覆与合金化第7章激光冲击强化第8章激光在其他机械工程领域的应用第9章激光加工的安全防护第32篇电动机、电器与常用传感器第1章常用交直流电动机第2章控制电动机第3章电器与常用传感器第6卷现代设计理论与方法第33篇现代设计理论与方法综述第1章现代机械及制造技术发展趋向第2章产品研究与开发的一般过程及几个关键问题第3章现代产品设计理论与方法简介及分类第4章现代机械设计方法的发展及其特点第34篇普适设计与功能设计第1章概论第2章普适设计理论与方法第3章功能设计理论与方法第35篇创新设计第1章创新的基本理论第2章创新思维的基本方法第3章创新设计的分析与描述第4章创新设计中的技术系统进化理论分析第5章创新设计中的技术冲突及其解决原理第6章创新设计中的技术系统物-场模型分析方法第36篇绿色设计与和谐设计第37篇机械系统概念设计第38篇机械系统的振动设计及噪声控制第39篇机械结构的有限元设计第40篇疲劳强度设计第41篇机械可靠性设计第42篇造型设计和人机工程第43篇摩擦学设计第44篇优化设计第45篇虚拟设计第46篇智能设计第47篇并行设计与协同设计第48篇反求设计与快速成形制造技术第49篇快速响应变型设计第50篇计算机辅助设计第51篇公理设计与质量功能展开（QFD）设计第52篇产品综合设计的理论与方法。
机械设计第三章课后习题答案
0°
15°
30°
45°
60°
75°
90°
105°
位移(mm)
0
0.734
2.865
6.183
10.365
15
19.635
23.817
速度(mm/s)
0
19.416
36.931
50.832
59.757
62.832
59.757
50.832
加速度（mm/s 2）
65.797
62.577
53.231
38.675
1.432
3.092
5.182
7.5
9.818
11.908
总转角（°）
120
135
150
165
180
195
210
225
角位移（°）
13.568
14.633
15
15
15
14.429
12.803
0.370
总转角（°）
240
255
270
285
300
315
330
345
角位移（°）
7.5
4.630
2.197
0.571
凸轮与从动件在D点接触时，导路的方向线。凸轮与从动件在D点接触时的压力角 如图所示。
3-3解：从动件在推程及回程段运动规律的位移、速度以及加速度方程分别为：
（1）推程：
0°≤ ≤ 150°
（2）回程：等加速段 0°≤ ≤60 °
等减速段
60°≤ ≤120 °
为了计算从动件速度和加速度，设 。计算各分点的位移、速度以及加速度值如下：
64103316现代机械设计方法
现代机械设计方法课程教学大纲课程英文名称：Modern Methods for Machine Design课程编号：64103316学时数：64其中实验学时数：6学分数：4适用专业：机械设计制造及其自动化一、课程的性质、目的和任务现代科学技术的发展，对产品提出了功能更高、可靠性、经济性更好的要求，迫使设计者要从经验的、静止的、随意性很大的传统设计中摆脱出来，通过运用计算机技术和各种新的科学理论，收集和分析获取必要的信息，用快速寻优设计出最佳结构、进而运用CAD 技术进行零部件设计，满足市场竞争的需要。
因此，《现代机械设计方法》课程是以设计产品为目标的一个现代设计知识群体的总称，并作为机械制造及自动化专业本科生的一门专业技术基础必修课程。
开设本课程的主要目的和任务是：1．了解现代设计与传统设计的联系与区别，熟悉设计方法相关新知识；2．明确应用各种现代设计方法解决生产实际问题的思路；拓宽学生的知识面和专业面；3．初步掌握优化设计方法在机电工程领域中的应用。
二、课程教学内容的基本要求、重点和难点其主要内容分为为软科学和硬科学两部分。
前者是设计方法总论，包括设计过程及特点、设计进程、设计程式、步骤及评价方法，后者包括基本理论及技术，主要有优化设计理论、可靠性设计、CAD技术、相似理论、动态设计等理论及技术。
现代机械设计方法Ⅰ：现代设计方法基本要求：⒈明确现代设计与传统设计的区别与联系，熟悉现代设计方法的目的、基本概念、基本术语和范畴；⒉掌握系统分析设计方法的适用范围、过程和功能分析的意义；⒊熟悉创造性思维及其特点、创造力和创造过程、创造技法及常用的创造性设计方法⒋了解价值与价值设计；熟悉产品的成本构成与价值优化的方法；⒌掌握各种评价的方法及应用范围；⒍了解面向“X”的设计（DFX）方法重点：系统分析设计方法，评价与决策难点：模糊评价法(隶属度和隶属函数、模糊综合评价方法)第一章现代设计方法概述1-1传统设计与现代设计及其范畴；1-2常用现代机械设计方法综述；1-3 课程的基本内容和研究方法。
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3、优化设计
已知：制造一体积为100m3，长度不小于
5m，不带上盖的箱盒，试确定箱盒的长x1 ，宽x2，高x3，使箱盒用料最省。
分析： （1）箱盒的表面积的表达式； （2）设计参数确定：长x1，宽x2，高x3 ； （3）设计约束条件：
（a）体积要求； （b）长度要求；
3、优化设计
把要分析的连续体假想地分割成有限个单元组成 的组合体，再分析每个单元，得到一组方程，求 解方程得到连续体的解。
计算步骤
连续体的离散化——单元分析——整体分析
2、有限元法（ FEM ）
3.2.3 现代设计方法简介
3、优化设计（ Optimal Design ）
——在给定载荷或环境条件下，在机械产品 的形态、几何尺寸关系或其它因素的限 制范围内，以机械系统的功能、强度和 经济性等为优化对象，选取设计变量、 建立目标函数和约束条件，并使目标函 数获得最优值的一种设计方法。
3、优化设计
优化设计的数学模型：
（1）设计变量： 设计常量：一个工程设计方案，可以用一组参数
表示。这些参数中，根据设计对象预先 选定的参数。 设计变量：需要在设计过程中优选的参数。 （2）目标函数： 用来评价方案好坏的函数。 目标函数的最佳值就是它的最大值和最小值。
3、优化设计
（3）约束条件： 边界约束：限制设计变量变化范围 性能约束：由某种设计性能或设计要求推导出的
4、转向创新法
——某些计划、方法在实践中行不通 ，这时应根据实践过程提供的信息， 及时修正计划、修改方法，继续有效 地探索
例：金属易受腐蚀（缺点）
机械结构中的振动（缺点）
3.3.3 创新的技法
5、组合创新法
——按照一定的技术原理，通过将两个或 多个功能元素合并，从而形成一种具有新功 能的新产品、新工艺、新材料的创新方法。
3.2.3 现代设计方法简介
5、并行设计（Concurrent Design)
——在产品开发的初始阶段，就以并行的方式综
合考虑其寿命周期中所有后续阶段，降低产 品成本，提高产品质量。
并行设计过程：
（1）串行设计过程
5、并行设计（Concurrent Design)
（2）并行设计过程
•关键技术：
2、设问类技法
包括：检核表法、5W2H法、逆向追 问法
➢ 检核表法
——根据需要解决的问题或者进行创造发明 的对象列出有关问题（能否改进、引申、改变、 扩大、简化、替代、变换、颠倒、组合），逐个对 他们进行分析，从中获得解决问题的方法和 创造发明的设想。
2、设问类技法
➢ 5W2H法
“为什么”（why） • 问“是什么”、“做什么”（what） 问“谁”（who） 问有关“时间”的问题（when） 问在“什么地方”（where） 问“怎样”（how） • 问“数量”指标（how much）
2、设问类技法
➢ 逆向追问法
• ——指创新活动的个体或群体顺着 与已有事物的原理或结构相反的方 向进行追问，试图从中发现新的事 物过程。
3.3.3 创新的技法
3、联想类技法
——是指人们通过一件事情的触发而迁 移 或想到另一些事情上。
如：看到鸟想到了……
看到电灯想到……
3.3.3 创新的技法
（3）要求多功能设计小组更加接近和了解 用户，更加灵活和注重实际。
5、并行设计（Concurrent Design)
并行设计过程有两种模型：
（1）产品设计与相关过程设计实现并行
以影响产品质量为代价
（2）以联系方式对产品设计和与其相关过 程设计进行并行组织
有利于提高产品质量，但可能增加设计时间
3.2.3 现代设计方法简介
•1956年发表《发明创造心理学》提出 人•他类的历一史句上至十理分名重言要“的你发可现以，等即待发10明0年是获得顿悟，也可以利 从用对这问些题原的理分15析分中钟指解出决矛问盾题而。产” 生的。
3.3.4 发明问题解决理论TRIZ
基本设计过程：
•功
•机
•结
•能
•构
•构
3.1.3 机械设计的基本过程
具体设计过程：
•初步设计阶段 •技术设计阶段 •工作图设计阶段 •安装调试阶段
3.1.4 设计过程中的方法和理论
3.2 现代设计方法
3.2.1 设计发展的基本阶段
3.2 现代设计方法
3.2.2 传统设计与现代设计
传统设计
以生产经验为基础，运用经验、公式、图表、设 计手册等，着眼于产品的功能和技术规范，通过 经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。
第3章机械设计及现代设 计方法
2020年7月23日星期四
第3章 机械设计及现代设计方法
3.1 机械设计概述 3.2 现代设计方法 3.3 机械创新设计
3.1 机械设计概述
为什么要进行设计？
•为创造人类自身生存所需的条件， •不断地用自己的智慧和才能改造着自然
3.1.1 设计及机械设计
3.1.1 设计及机械设计
3.2 现代设计方法
3.2.3 现代设计方法简介
1、计算机辅助设计（CAD）
——把计算机技术引入设计活动中，利用计 算机完成计算、选型、绘图及其它作业 的一种现代设计方法。
CAD的基本流程：
构思、判断、决策—计算机处理—人机修改—确认，输出
3.2.3 现代设计方法简介
CAD系统的组成
硬件组成：
设计：为满足社会和人们对产品功能的需要，
运用知识、经验和方法，通过创造性思 维，经过规划、计算、分析和决策，产 生载有文字、数据、图形等信息的技术 文件的过程。
机械设计：以机械作为对象开展的设计活动。
3.1.1 设计及机械设计
设计的重要性：
1、产品的质量、性能、成本等在很大程度 上取决于设计的水平与质量。
7、绿色设计（GD：Green Design）
在传统产品设计过程中，设计人员主要根据 产品性能、质量和成本等指标进行设计，设 计指导原则是能经济方便地制造满足使用要 求的、市场需求的产品。
例：废旧电池 计算机 洋垃圾
7、绿色设计（GD：Green Design）
有关统计资料研究表明：产品性能70% -80%
主机 输入设备 输出设备 信息存储设备 网络设备 多媒体设备
CAD系统的组成
软件组成：
系统软件：与计算机硬件相关联的软件。 支撑软件：运行在系统软件之上的，实现CAD各
种功能的通用软件。
应用软件：为实现某个应用领域内特定任务而开
发的软件。
3.2.3 现代设计方法简介
2、有限元法（ FEM ）
基本思想
6、三次设计法
（1）系统设计（第一次设计）
对系统结构和功能进行设计，提出初始设计方案。
（2）参数设计（第二次设计）
在初始设计方案基础上，对各零部件参数进行优化组合。
（3）容差设计（第三次设计）
在最佳设计方案基础上，分析导致产品输出特性变动的原 因，找出关键零部件，确定合适的容差
3.2.3 现代设计方法简介
3.3 机械创新设计
•3.3.2 创新思维
➢形象思维与抽象思维：
形象思维：人脑对客观事物或现象的外在特点
和
具体形象的反映活动。
抽象思维：凭借概念、判断、推理而进行的反
映
客观现实的思维活动。
3.3.2 创新思维
➢发散思维和收敛思维：
发散思维：一种求出多种答案的思维形式。 •收敛思维：一种寻求某种正确答案的思维形式。 •在创造活动中，光有发散思维的活动并不能使问 题获得有效的解决，所以发散思维之后尚需进行 收敛思维。 •这两种思维的有效结合组成了创造活动的一个循 环过程。
1、产品
指作为单独研究和分别试验对象的任何元件、器 件、设备和系统。
4、可靠Байду номын сангаас设计
2、规定时间
产品的可靠性只能在一定的时间范围内达到目标 可靠度，故讨论产品的可靠性需要在一定的规定 时间内进行。
3、规定条件
指产品的使用条件、维护条件、环境条件和操作 技术。
4、可靠性设计
4、规定功能
一个产品往往具有若干项功能。完成规定的功能 是指完成这若干项功能的全体，而不是指其中一 部分。
传统设计的每一个环节都是依靠设计者用手 工方式来完成的：
方案设计
3.2 现代设计方法
分析计算 信息处理、经验或知识的存储和重复使用没有一 个理想有效的方法 传统设计是以静态分析、近似计算、经验设计、 手工劳动为特征的设计方法。
现代设计
实质上是新理论、新方法、新技术在设计中的应 用, 服从传统设计流程，克服传统设计的不足
3.3 机械创新设计
•自主创新是科技发展的灵 魂，是一个民族发展的不竭 动力，是支撑国家崛起的筋 骨。没有自主创新，我们就 难以在国际上争取平等地位 ，就难以获得应有的国家尊 严，甚至难以自立于世界民 族之林。
•
——温家宝
3.3 机械创新设计
• 人们对创新的误解
•创新 ？？？ •那应该是牛顿 、爱因斯坦、爱 迪生……名人伟 人的专利！ •与我无关
5、能力
产品发生故障具有偶然性，故不能仅看一个产品 的情况，而应观察大量同类产品或一定数量的样 品试验数据，方能确定其可靠性的高低。
4、可靠性设计
可靠性设计——以概率论和数理统计为基础
，为保证产品可靠采用的一系列分析与设计技术
机械产品的可靠性设计分为：
1、方案论证阶段：可靠性指标 2、审批阶段：可靠性的评价 3、设计研制阶段：可靠性预测、分配和故障模式 4、生产及试验阶段：规范生产、进行寿命试验等 5、使用阶段：收集可靠性数据
•并行设计的建模与仿真 •多功能团队的协同工作 •产品数据交换技术 •产品数据管理(PDM)