机械设计及现代设计方法(上课课件)

机械工程导论
第3章 机械设计及现代设计方法
机械设计制造及其自动化 张彩丽 2015.03
第3章 机械设计及现代设计方法
3.1
3.2
机械设计概述
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
3.2.3 现代设计方法简介
4、可靠性设计（ reliability design ）
什么是可靠性？
产品可靠性的影响
可靠性差： 可靠性好：
4、可靠性设计
可靠性定义：
——是产品的一种属性，是指产品在规定条件下 、规定时间内完成规定功能的能力。
包含5个要素：
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。
3.1.2 设计的类型
3.1.2 设计的类型：
1、开发性设计（完全创新设计）
2、适应性设计（再设计）
3、变参数设计（变异设计） 4、测绘和仿制（反求设计）
3.1.3 机械设计的基本过程
基本设计过程：
功 能
机 构
结 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
直觉设计阶段 经验设计阶段
半经验半理论设计阶段
现代设计阶段
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。
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
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
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。
min F X , X [ x1 , x2 , x3 , , xn ]T gi ( x) 0, i 1, 2, , p s.t. hi ( x) 0, i 1, 2, , q( q n)
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。
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：
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、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
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 限制条件。 （4）数学模型
4、可靠性设计
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。
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
设计参数：x1 , x2 , x3
设计目标：
min S x1 x2 2( x2 x3 x1 x3 )
约束条件： x1 5
x2 0 x3 0 x1 x2 x3 100
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。
3.1.1 设计及机械设计
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。 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。