现代设计方法

一、 可靠性设计
机械零件的可靠性设计又称概率设计， 它是将概率论和数理统计理论运用到机 !!!!! !!!! 械设计中， 并将可靠度指标引进机械设计的一种方法。其任务是针对设计对象的失 效和防止失效问题， 建立设计计算理论和方法， 通过设计， 解决产品的不可靠性问题， 使之具有固有的可靠性。 传统的机械设计往往以许用应力或者安全系数来判断机械零件性能是否满足要 求， 是否失效。这种设计方法将在一定条件下的材料强度或许用应力、 载荷及其产生 的应力、 材料性能及零件尺寸等都视为常量。然而， 由于受许多偶然因素的影响， 它 们都是在一定范围内取值并服从某种概率密度分布规律的随机量。因此， 传统的机 械设计方法已很难说明所设计的机械零件究竟在多大的程度上是安全的。生产和技
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应力 & 强度分布干涉模型
机械零件的可靠性设计方法是以 “应力 & 强度干涉理论” 为理论基础的， 该理论 的随机变量， 而 认为机械零件材料的强度 （极限应力） & !） ! 是服从于概率密度函数 （ 作用于机械零件危险截面上的工作应力 ’ 是服从于概率密度函数 ( （ ’） 的随机变量。 如图 ) & * & % 所示， 当机械零件的强度和应力的概率密度函数曲线相互重叠时， 即发 生 “干涉” 现象， 阴影部分表示不能保证工作应力在任何情况下都小于极限应力， 说明 设计时原属于安全的零件， 实际上并不一定安全， 存在一定的失效概率。可靠性设计 的基本原理就是要保证在一定的可靠度的前提下， 确定有关的设计参数。其核心问 题是确定零件的可靠度。在实际设计中， 往往预先规定可靠度， 或已知应力和强度分 布的均值及标准差值时， 按相关的计算确定其可靠度， 再利用概率分布和数理统计的
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第二篇
机械设计
方法求得所需的设计参数。 对机械零件采用可靠性设计具有很大的经济价值， 因为机械零件的可靠性水平 主要取决于设计阶段。统计表明， 在设计阶段未考虑可靠性的机械零件， 其维修费用 比已考虑可靠性的相同的机械零件要高 ! 倍。机械系统及其零部件的可靠性设计的 具体过程和步骤参见有关文献。
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第二篇
机械设计
用优化设计程序来求解各种专门类型的优化设计问题。 对优化结果和方案进行评价、 决策， 是优化设计的最后环节， 必须以适合生产实 际条件为评价目标， 分析优化参数是否有必要调整， 优化结果是否为在给定条件下的 最优解等问题， 以作出最合理的决策。
四、 摩擦学设计
摩擦学是研究具有相互运动的接触表面间的科学技术和有关实践的科学。摩擦 学是近二十多年来发展起来的一门边缘学科， 它的研究内容是摩擦、 磨损和润滑。根 机械 据有关统计资料， 目前世界上大约 !"# $ %"# 的能源消耗在克服摩擦的过程中； 最近十多年 零部件的各种失效形式中， 大约 &%# 是由于摩擦副的磨损而引起。因此， 以来， 机械零件的设计方法已经从传统材料力学的整体强度研究发展到表面强度， 包 括接触强度、 挤压强度、 磨损强度和胶合强度等。所以， 无论是在理论研究还是工业 生产实际方面， 都迫切需要将摩擦学与机械设计的有关知识结合起来， 这就产生了所 谓的摩擦学设计。 摩擦学设计至今还没有一个确切的定义， 但可以肯定的是摩擦学设计就是要求 设计人员用摩擦学的观点考虑机械设计问题， 也就是将摩擦学的原理、 知识和已有的 研究成果有效地应用到机械设计的过程中； 在设计过程中始终考虑摩擦学的要求， 使 所设计的机器达到正确的润滑、 有控制的摩擦和预期的磨损寿命。一般来说， 运用摩 擦学的知识， 正确选择设计结构和参数、 润滑剂和材料， 尽量减少摩擦和磨损， 可以大 大提高机械零部件和机器设备的使用寿命， 取得的经济效益是非常可观的。 在整个机械设计过程中， 还应该正确处理摩擦学设计和其他设计 （如强度设计 等） 内容的关系。假如说过去的强度设计主要是指 “整体” 强度的话， 则摩擦学设计侧 重于 “表面” 强度。作为强度设计， 既要考虑结构体的强度要求， 又要考虑表面强度的 需要。有些机器 （如航空发动机） 结构强度是主要的； 有的机械 （如精密机械） 表面强 度则是首要的。
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第五章
现代设计方法
（!"##） 、 计算机辅助制造 （!"$） 等技术一起构成了系列技术。
三、 优化设计
优化设计方法是根据最优化原理和方法并综合各方面的因素， 以人机配合的方 式或用 “自动探索” 的方式， 借助计算机进行半自动或自动设计， 寻求在现有工程条件 下最优设计方案的一种现代设计方法。 优化设计方法建立在最优化数学理论和现代计算技术的基础之上， 首先建立优 化设计的数学模型， 即设计方案的设计变量、 目标函数、 约束条件， 然后选用合适的优 化方法， 编制相应的优化设计程序， 运用计算机自动确定最优设计参数。 优化设计方案中的设计变量是指在优化过程中经过调整或逼近， 最后达到最优 值的独立参数。目标函数是反映各个设计变量相互关系的数学表达式。约束条件是 设计变量间或设计变量本身所受限制条件的数学表达式。 机械系统及其零部件的优化设计过程， 是在给定的工况 （例如载荷） 条件下， 在对 机械系统的性态、 几何尺寸关系或其他因素的限制 （约束） 范围内， 选取设计变量， 建 立目标函数并获得最优值。 进行机械结构的优化设计一般包括三方面的内容： 一是将工程实际问题抽象成 为最优化的数学模型， 即建立优化方程。二是选择和应用优化数值方法求解这个数 学模型， 即优化问题的求解。三是对求解结果进行分析评价并做出决策， 即设计方案 的评价和决策。 在建立数学模型时， 一般要避免两种倾向。一种倾向是数学模型过分精细和复 杂， 导致求解失败或使计算成本过高； 另一种倾向是数学模型过分简化， 使优化问题 没有能反映设计的最本质要求。对于机械结构类型的设计对象， 则需要运用力学、 机 械设计的基础知识和专用机械设备的专业知识。对于静态问题， 其数学模型通常是 建立一个代数方程组； 而对于动力学问题， 则多为常微分方程组。这些方程组反映了 所分析的结构各参数之间的内在联系， 因此通过它们就可以研究各参数对设计对象 工作性能的影响。 数学模型建立以后， 就要研究求解的具体方法， 即优化设计方法。优化的方法有 很多， 按目标函数的个数可分为单目标优化和多目标优化方法； 按设计变量的数目可 分为一维优化和多维优化方法； 按设计对象有无约束分为约束优化和无约束优化等。 从本质上讲， 优化过程就是函数或泛函求极值的问题。可以用解析法求解， 也可以用 迭代法求解。机械设计问题多数是设计变量较多的约束优化问题， 而且多为非线性 的， 因此不宜采用解析法求解， 而宜采用迭代法逐步求解。由于我国已经编制建立了 常用机械零部件及机构优化设计程序库， 在完成优化求解的过程中， 对一般的设计问 题就不需要自己编写优化方法计算程序， 只要根据设计题目的具体特点和要求， 在优 化设计程序库中选用合适的优化设计程序进行优化计算即可； 只有必要时才编制专
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式中， （ 为失效时间随机变量的概率密度函数。 & "） 按概率互补原理， 产品的可靠度应是： （ "） （ "） （ # ’ "） ! !%& $ !% 则可靠度表示为：
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五、 虚拟设计及其应用
（一） 概述
虚拟设计技术是以虚拟现实技术为基础、 以三维产品模型为核心、 以实现产品设 计高度数字化和高度人机交互为标志、 以快速准确直观的产品设计 ’ 评价 ’ 优化为目 标的计算机辅助设计技术。虚拟设计技术与计算机技术在产品开发中所取得的显著 （ ()+、 技术的发展为虚拟 应用成果和成效是密切相关的， 特别是 ()* (),、 ()- 等） 设计技术的产生奠定了深厚的技术基础。 虚拟设计技术允许设计人员在设计阶段便对产品进行真实的虚拟加工、 虚拟装 配以及虚拟样机的运行仿真和分析， 从而实现在早期设计阶段对产品全面的分析和
二、 计算机辅助设计
传统机械产品的设计过程通常分成三个阶段： 产品或部件的总体设计阶段 ! 零 即在总 部件的结构设计阶段!工作图的设计阶段。这三个阶段是反复交替进行的， 体方案确定后， 进行各零件的结构设计和工作图设计； 在进行结构设计和工作图设计 过程中， 如发现问题还需回头去修改总体方案。这样不断进行修改、 完善， 反复循环 直至得到一个较满意的设计结果。由于机械产品日趋复杂， 要求日益提高， 设计者的 负担也日趋繁重。 随着计算机技术的发展， 在设计工作中出现了由计算机辅助设计计算和绘图的 （"#$） 。计算机辅助设计就是设计中应用计算机进行设计 技术— — —计算机辅助设计 """"""" 信息处理。它包括分析计算和自动绘图两部分功能。"#$ 系统应支持设计过程的各 个阶段， 即从方案设计入手， 使设计对象模型化； 依据提供的设计技术参数进行总体 设计和总图设计； 通过对结构的静态和动态性能分析， 最后确定设计参数。在此基础 三维几何造型、 上， 完成详细设计和技术设计。因此， "#$ 设计应包括二维工程绘图、 有限元分析等方面的技术。 但由于一般使用者认为， 通常 虽然理论上 "#$ 的功能是参与设计的全过程的， 的设计中制图工作量占的比重较大 （%&’ ( )&’ ） ， 因此在应用中， "#$ 的重点实际上 最 是放在制图自动化方面。目前国际上已有比较成熟的二维和三维 "#$ 绘图软件， 常用的如国外的 #*+, "#$、 我国也研制或开发了许多具 -.、 /,0123245 等。近几年来， 有自主版权的二维和三维 "#$ 支撑软件及其应用软件， 并得到了较好的推广应用， 已能满足我国企业 “甩掉图板” 的要求。 机械系统及其零部件的计算机辅助设计的一般过程是： 输入设计所需数据 ! 建 一个完整的 "#$ 系 立数学模型!进行性能分析!结构设计 ! 自动绘图。也就是说， 统， 应由科学计算、 图形系统和工程数据库等组成。 制造的工作内容和方式发生了根本性的变 "#$ 技术的应用使产品和工程设计、 革， 它可以缩短产品设计周期， 提高设计工作效率， 还可提高产品设计的精确度和可 靠性， 并可将先进的优化设计方法等引入设计过程， 使产品设计的最优化和自动化成 为可能。这一技术已经成为工业发达国家制造业保持竞争优势、 开拓市场的重要手 越来越深入， 集 段。随着 "#$ 技术的普及应用越来越广泛， "#$ 技术正向着开放、 成、 智能和标准化的方向发展， 并与计算机辅助分析 （ "#3） 、 计算机辅助工艺设计