现代机械设计方法
目前常见的机械现代设计方法
目前常见的机械现代设计方法
机械现代设计方法是指利用计算机辅助设计软件、仿真分析软件等现代化工具，将传统机械设计方法与现代科技手段相结合，以提高机械产品设计质量和效率。
目前常见的机械现代设计方法包括以下几种：
1. 三维建模设计：利用3D建模软件，将机械产品的三维模型建立起来，可视化地展现设计效果，便于设计师进行直观的审查和修改。
2. 有限元分析：利用有限元分析软件对机械产品进行力学分析，包括应力分析、变形分析、疲劳分析等，以评估产品的工作性能和耐久性。
3. 数值优化设计：利用数值优化算法，对机械产品的形状、材料等参数进行优化，以达到最优的设计效果。
4. 虚拟试验：利用仿真分析软件对机械产品进行虚拟试验，模拟产品在各种工作条件下的工作状态，预测产品的工作性能和故障情况，为产品的试制和改进提供依据。
5. 快速原型技术：利用快速原型技术，通过快速制造出机械产品的实物样品，以验证设计效果和性能，缩短产品开发周期。
以上方法在机械产品设计中得到广泛应用，为设计师提供了更加科学、高效、精准的工具和方法。
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现代机械设计方法介绍PPT(16张)
《现代机械设计方法》是其中的重要组成部分！学 习该课程，不是完全摒弃传统设计方法，而是多掌握一 些新的设计理论和方法。
《现代机械设计方法》大纲
一．总体要求
1. 了解创新设计、有限元分析、优化设计、可靠性设计 等方法的原理、功能、特点与工程应用。
有系统的理论 方法，但往往 只能近似满足 运动学要求
方案设计 创造性
运动学分 动力学分 析与设计 析与设计
零件工作 能力设计
结构设计
受到计算手段 的制约，分析 较简单。
常将复杂问题简化，得出近 似公式或经验公式。一般按 静载荷计算，引入动载系数
常采用类比 的方法
机械零件设计的一般步骤
机械零件设计的一般步骤
现代设计方法
特征和发展动向：
• 以动态取代静态 • 以定量取代定性 • 以变量取代常量 • 以优化取代可行性设计 • 以并行取代串行设计 • 以微观取代宏观 • 以系统工程取代分部处理 • 以自动化取代人工设计
具体方法：
• 计算机辅助设计 • 优化设计 • 可靠性设计 • 虚拟产品设计 • 参数化设计 • 智能设计 • 分形设计 • 网上设计 • 创新设计 • 反求工程
设计工作周期长、效率低，不能满足市场竞争 激烈、产品更新速度加快的新形势。
2.机械现代设计方法 机械现代设计方法简介1 现代设计方法从总体上概括为力求运用现代应用数学、应
用力学、微电子学及信息科学等方面的最新成果与手段实现下 列转换：
以动态的取代静态的─如机器结构动力学计算。 以定量的取代定性的─如有限元计算。 以随机量取代确定量─如可靠性设计。 以优化设计取代可行性设计─如优化设计。 并行设计取代串行设计─如并行设计。 微观的取代宏观的─如微－纳米摩擦学设计。 系统工程法取代分部处理法─如系统工程。 自动化设计取代人工设计的转化─如计算机辅助设计。
浅谈现代机械设计方向及发展
浅谈现代机械设计方向及发展随着科技的飞速发展，机械制造业也迎来了前所未有的发展机遇。
现代机械设计更加注重高效性、精度和自动化，机械系统越来越复杂，需要更加精准的设计和制造技术。
本文将从现代机械设计的发展趋势、设计方法、工具软件和未来发展方向等方面进行探讨。
一、发展趋势1. 自动化和数字化：现代机械应该做到自动化，具有数字化的特点，使得机器操作变得更加方便、安全和高效。
2. 面向服务：机械产品将越来越面向服务，机器不单单是一个产品，更要充当一个方案。
专业化和定制化的机械设计将更加广泛普及。
3. 节能环保：环保越来越重要，机械产品发展的越来越环保，更多的机械产品开始采用绿色设计，以满足环保要求。
4. 数控化：随着数字化技术的发展，机械制造业需要更加精细化和自动化，让机器完成更加复杂和纷繁的操作。
二、设计方法1. CAD：计算机辅助设计是现代机械的标配，通过CAD可以进行机械模型的制作，更加直观、灵活、快捷地完成机械设计。
2. CAE：计算机辅助工程是基于CAD的进一步发展，可以包括动态仿真、强度仿真、流体分析等工程设计，实现机械设计的优化。
3. CAM：计算机辅助制造技术使得自动化制造成为可能，它是CAD和CAE技术在生产领域的应用，可以将设计的机械产品转换成为CNC数控部件，完成整个自动化生产流程。
三、工具软件1. SolidWorks：SolidWorks是由SolidWorks Corp.开发的一款三维CAD软件，它以易用性、行业标准和高效性为设计目标。
2. AutoCAD：AutoCAD是由Autodesk开发的一款二维和三维计算机辅助设计CAD软件，广泛应用于建筑、制造、电子和航天工程等领域。
3. ANSYS：ANSYS是全球范围内最广泛使用的CAE软件之一，提供有限元建模、分析和优化功能，可用于机械、航空、土木工程等领域。
四、未来发展方向1. 智能化：未来机械产品将更加智能化，利用先进的人工智能、机器学习技术，增加设备的自我适应性和优化性能。
现代机械设计中的设计优化方法
现代机械设计中的设计优化方法在现代机械设计领域，设计优化方法是实现高效、可靠和经济的产品设计的关键。
随着科技的不断进步和市场的竞争加剧，设计师们需要不断探索新的方法和技术来提高产品的性能和质量。
本文将介绍几种常见的设计优化方法，包括参数优化、拓扑优化和材料优化。
1. 参数优化参数优化是指通过调整设计中的参数，以达到最优的性能指标。
这种方法常用于机械系统的设计中，例如汽车引擎的设计。
设计师可以通过改变引擎的参数，如气缸数、活塞直径等，来优化燃烧效率和动力输出。
参数优化通常使用数学模型和计算机仿真来进行，以减少试错的成本和时间。
2. 拓扑优化拓扑优化是一种通过优化材料在结构中的分布来提高结构性能的方法。
在传统的机械设计中，结构常常是由设计师根据经验和直觉来确定的。
然而，这种方法往往无法充分利用材料的性能，导致结构过度设计或者性能不足。
拓扑优化通过在结构中自动调整材料的分布，使得结构在满足约束条件的前提下，具有最佳的性能。
这种方法可以减少材料的使用量，提高结构的强度和刚度。
3. 材料优化材料优化是指通过选择最合适的材料来提高产品的性能。
不同的材料具有不同的物理和化学性质，因此在设计中选择合适的材料非常重要。
材料优化可以通过材料的强度、刚度、耐磨性等性能指标来进行。
例如，在航空航天领域，设计师需要选择轻量化、高强度的材料，以提高飞机的性能和燃油效率。
4. 多目标优化多目标优化是指在设计中同时考虑多个性能指标，并找到它们之间的最佳平衡点。
在机械设计中，往往存在多个冲突的性能指标，例如重量和强度之间的矛盾。
多目标优化方法可以帮助设计师找到最优的设计方案，以满足不同的需求。
这种方法通常使用多目标优化算法，如遗传算法和粒子群优化算法，来搜索设计空间中的最优解。
综上所述，现代机械设计中的设计优化方法包括参数优化、拓扑优化、材料优化和多目标优化。
这些方法可以帮助设计师在设计过程中提高产品的性能和质量，同时减少成本和时间。
机械零件强度的现代设计方法
机械零件强度的现代设计方法
在现代机械设计中，确定机械零件的强度是非常重要的。
当设计机械零件时，需要考虑材料的强度和应力分析，以确保零件能够承受预期的负载和环境条件。
以下是一些现代机械零件强度设计的方法：
1.强度分析：对机械零件进行应力和应变分析，以确定零件在负载下的强度。
可以使用有限元分析（FEA）等数值方法进行强度分析，通过计算应力和应变的分布来评估零件的承载能力。
2.力学原理：应用力学原理，如弹性力学和塑性力学，对零件的应力和变形进行分析。
力学原理可以用于计算零件在不同负载下的最大应力和变形程度，以确定零件的强度。
3.材料选择：选择合适的材料对机械零件的强度至关重要。
材料的强度属性，如屈服强度、抗拉强度和韧性，应该与设计要求相匹配。
根据零件的功能、负载和工作环境，选择具有合适强度和耐磨性的材料。
4.安全系数：在进行机械零件的强度设计时，常常采用安全系数来考虑不确定性因素和荷载变化。
安全系数是指零件能够承受的负载与实际应用负载的比值。
高安全系数可以提高零件的可靠性和寿命。
5.条件检查：在设计过程中，对机械零件的应用条件进行检查是必要的。
考虑到工作环境的温度、湿度、振动和腐蚀等因素，可以更准确地评估零件的强度，以确保其在实际工作条件下的可靠性。
综上所述，现代机械零件的强度设计方法包括强度分析、力学原理、材料选择、安全系数和条件检查等。
通过综合运用这些设计方法，可以确保机械零件在负载下具有足够的强度和可靠性。
现代机械设计理论与方法(PPT212页)
1.1 传统设计与现代设计及其范畴
一 传统设计与现代设计
1 设计的起源和设计技术的传递
1) 手工艺人的设计及技术传递
1) 师傅——徒弟（实用的）
2) 传统设计技术的传递
1) 图纸、经验、类比（实验为基础的）
3) 现代设计理论体系的建立与发展
仿真、理论分析（分析实验结合的）
1.1 传统设计与现代设计及其范畴
现代设计方法
注重产品设计的全过程 注重分析系统内部单元的相对关系 从功能分析入手解决产品方案设计
2.1 技术系统的组成和处理对象
系统的组成
系统单元 系统结构 边界条件 输入和输出的要素
2.2 系统分析设计方法
系统分析设计的内容
系统设计 系统制造 系统运行
系统分析设计涉及到产品开发和运行的所有环节，甚至包 括产品的售后服务和产品失效（报废）后处理，所以系统 分析设计不是单纯的产品设计。
2.2 系统分析设计方法
二 产品规划
4 设计要求的拟定
1) 产品功能和性能 2) 设计参数和相关的指标 3) 制造及使用等方面的限制条件
2.2 系统分析设计方法
三 方案设计
1 功能分析和原理方案拟定
1) 功能分析 2) 创造性设计 3) 分析——综合——评价
2.2 系统分析设计方法
三 方案设计
二十年来服装的变化趋势或潮流
2.2 系统分析设计方法
三 方案设计
4 依据功能的设计
1) 参考有关资料、专利或产品求解 2) 利用各种创造性方法以开阔思想来探寻解法 3) 采用形态综合 方案设计
5 功能分析设计法举例
1) 挖掘机的原理方案设计
2.2 系统分析设计方法
反向探求法
现代机械设计方法
现代机械设计方法现代机械设计方法，是指以计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）技术为基础的机械设计方法。
它集成了计算机辅助设计、工程力学、材料力学、工艺学、控制学等多个学科的知识，通过数值模拟、虚拟样机等手段，实现机械设计的快速、精确和可靠。
首先，现代机械设计方法注重从理论到实践的无缝衔接。
传统的机械设计方法多依赖设计师的经验和试验数据，设计过程较为繁琐，且设计结果不易准确预测和优化。
而现代机械设计方法则通过数值模拟、虚拟样机等手段，能够在计算机环境下对机械设计进行试验、优化和验证，大大提高了设计效率和准确性。
其次，现代机械设计方法强调整体化设计。
传统的机械设计方法往往将机械产品看做独立的组成部分，设计过程中很难兼顾到整体的功能、性能和制造要求。
而现代机械设计方法则通过系统工程理论和方法，将机械产品视为一个整体系统，从整体的角度考虑功能、性能和制造要求的关系，使得设计的机械产品更加符合实际的工作环境和需求。
再次，现代机械设计方法注重数字化设计。
传统的机械设计方法主要依靠手工绘图和手工计算，设计结果存在重复劳动、错误率高和信息传递不精确等问题。
而现代机械设计方法则通过计算机辅助设计软件，实现以数字化方式进行设计、分析和优化，能够快速生成和修改设计图纸、自动计算和优化设计参数，大大提高了设计效率和精度。
最后，现代机械设计方法注重可视化和可交互性。
传统的机械设计方法往往只能通过文字和手绘草图来表达设计思想，很难直观地展现设计效果和交流意图。
而现代机械设计方法则通过三维建模、虚拟样机、动态仿真等技术，可以实现对设计过程和结果的可视化呈现和交互操作，设计师可以更加清晰地了解和表达设计需求，减少了误解和沟通成本。
总之，现代机械设计方法是以计算机辅助设计和制造技术为核心的机械设计方法，具有高效、精确、可靠、整体化、数字化、可视化和可交互等特点。
它在提高机械设计效率、降低设计成本、优化设计方案等方面具有重要的意义和应用价值，是现代工业发展的必然趋势。
现代机械设计理论与方法(1)
⑦ 满足轮齿弯曲强度要求，应有
2 g8 ( X ) x3 z小x2 AFT小YF 0
3）选用合适的优化方法求解，得
z1 22 X b 53 m 4. 5
优化设计
将设计问题的 物理模型转化 为数学模型
选用适当的优化方 法和计算机程序
通过计算机 求解得到最 佳设计方案
② 计算机辅助设计(CAD)
CAD能够帮助我们完成机械设计中的图形设计（制图） 及部分分析计算。（以计算机为工具） 计算机辅助设计
传统设计
人工计算、绘图
用计算机设计、 计算、绘图。
设计精度、稳定性 和效率有限，修改 不方便
四、现代设计方法的特点
程式性。研究设计的全过程，要求设计者从产品 规划、方案设计、技术设计到试验、试制进行全面考 虑，按步骤有计划地进行设计。
创造性。突出人的创造性，力求探寻更多新方案， 开发创新性产品。
最优化。设计的目的是得到功能全、性能好、成 本低的最优产品。 综合性。建立在系统工程和创造工程基础上，综 合运用信息论、优化论、相似论、决策论、预测论等 相关理论，提供多种途径解决产品的设计问题。 计算机化。
④ 模数和齿宽之间要求 5m b 17 m
g 4 ( X ) x2 5x3 0 g5 ( X ) 17x3 x2 0
⑤ 保证各行星轮之间齿顶不相碰撞，应满足
g 6 ( X ) x1 sin
C
1 x1 (i 2)(1 sin ) 0 2 C
⑥ 满足接触强度要求，应有
主要应用于 以下方面
机械设计现代方法
机械设计现代方法引言机械设计是现代工程领域中十分重要的一个分支。
随着科技的发展和工业的进步，传统的机械设计方法已经不能很好地满足工程项目的需求。
因此，研究人员不断探索新的设计方法和技术，以提高机械设计的效率和质量。
本文将探讨几种现代的机械设计方法，包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）和工业设计。
这些方法在机械设计中的应用已经成为现代工程领域中的一项必备技能。
计算机辅助设计（CAD）计算机辅助设计（Computer-Aided Design，简称CAD）是利用计算机技术辅助进行产品设计的方法。
通过CAD软件，设计师可以在计算机上创建、修改和优化产品的三维模型。
CAD软件不仅提供了丰富的设计工具和功能，还可以进行模拟和分析，帮助设计师更好地理解产品的性能和行为。
CAD的优势在于提高了设计的精度和效率。
与传统的手工绘图相比，CAD可以更准确地绘制复杂的曲线和曲面。
此外，CAD还可以通过参数化设计实现快速修改和变体设计。
例如，设计师只需调整参数值，CAD软件将自动更新整个模型，大大提高了设计的灵活性和生产效率。
计算机辅助工程（CAE）计算机辅助工程（Computer-Aided Engineering，简称CAE）是利用计算机技术进行工程分析和仿真的方法。
与CAD不同，CAE主要关注产品的性能和行为。
通过CAE软件，工程师可以对产品进行结构、流体、热力学等多种类型的分析和仿真。
CAE的应用可以帮助设计师预测和评估产品的性能。
例如，在机械设计中，CAE可以用于强度和刚度分析，以确保产品在各种工况下的稳定性和安全性。
此外，CAE还可以用于优化设计，通过调整材料和结构来满足特定的工程需求。
随着计算机技术的不断发展，CAE方法也在不断演进和改进。
现代的CAE软件提供了更多的分析选项和高级功能，如多物理场耦合、优化计算和云计算等。
这些技术的引入使得CAE在机械设计中的应用更加广泛和有效。
工业设计工业设计是机械设计中的另一个重要领域。
现代机械设计方式、方法
现代机械设计方式、方法摘要：机械属于各行各业发展应用中必不可少的工具，在现代化机械设计工作中设计方式和方法发生了一定的转变，有效地提高了机械设计的效果。
因此在实际工作中，需要根据现代化机械的发展方向掌握最新的方式和方法，使机械设计效果能够得到充分的保证。
基于此本文论述了现代机械设计的方式和方法。
关键词：现代机械；机械设计；设计方式；设计方法随着机械产品在设计方式和理念上的不断创新，借助计算机和信息化等技术有效地保证了机械设计本身的性能和结构的科学性，在机械设计方式方法方面需要融入新型的技术方案，推动机械设计行业朝着新的方向不断的进步，同时还需要考虑行业未来的发展特点，解决在设计工作中所存在的挑战，更好的研究未来机械设计的发展方向，从而使机械设计能够获得有效的进步。
一、机械设计方式方法的概述在机械设计方式方法用的过程中，需要按照实际的需求和以往工作经验做好信息的整合，为后续经验设计提供重要的基础，在设计阶段包含了大量的公式和现有的设计手册，需要进行信息的有效整合，减少各种繁琐问题的发生概率，同时还需要从灵活性的角度来优化当前的设计模式，为后续使用提供重要的基础。
在设计工作中要根据时代发展方向加强对技术模式创新的重视程度，减少整体设计中的难点，并且还需要和设计周期相互的匹配，防止出现各种各样的质量问题和进度延缓问题，全面的优化机械产品本身的设计模式。
例如在实际设计的过程中需要在以往设计的基础上进行不断的创新以及调整，按照机械设计的标准和市场发展方向相互的同步，将更多新想法和新创意融入到机械设计中，不要拘泥于传统的设计形式，需要打破整体设计理念，从而推动机械设计行业的创新以及发展，多方位地符合现代化机械设计的需求。
在新时期背景下，设计人员需要研究新型的设计方法和理论内容，作出更加大胆的创新和改进，促进机械设计方式方法的创新，使行业竞争实力能够得到全面的提高。
在实际设计过程中也可以适当借鉴国外发达国家机械设计的相关经验，之后再按照机械设计的相关要求做好思路的有效整合，使机械设计科学就能够得到充分的保证，为机械后续的使用提供重要的基础。
机械设计及现代设计方法
机械设计及现代设计方法
机械设计是一门关于创造和优化机械结构的学科。
随着科技的不断进步和发展，现代设计方法也应运而生。
现代设计方法使机械设计工程师能够更高效地设计、分析和改进机械产品。
在机械设计的过程中，首先需要进行需求分析。
这意味着了解客户的要求和需求，以便能够设计出满足其需求的产品。
接下来，机械设计师会进行初步设计，即设计出产品的初始结构和功能。
这包括选择适当的材料、确定运动和力学原理，并考虑到制造和装配的可行性。
现代设计方法包括计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工程（CAE）等技术。
CAD技术允许工程师使用计算机软件来创建、修改和分析设计。
它提供了一种快速且精确的绘图方法，并且可以进行三维建模、装配和运动模拟。
使用CAD技术后，机械设计师可以使用CAE技术来进行结构分析和优化。
CAE技术可以模拟产品在不同条件下的受力情况，以便设计师能够找出可能的设计缺陷或过载情况。
通过分析结果，设计师可以对产品进行修正和优化，以确保其性能和可靠性。
现代设计方法还包括使用先进的材料和制造技术。
例如，材料科学的进步使设计师能够选择更轻、更强和更耐磨的材料，从而改善产品的性能。
同样，先进的制造技术使产品的制造过程更加高效和精确。
机械设计及现代设计方法是一门研究如何设计、分析和优化机械结构的学科。
通过使用CAD、CAE和先进材料制造技术，设计师能够更高效地创造出满足客户需求的高质量产品。
这些方法的应用能够提高机械工程师的设计效率，并最大程度地发挥产品的性能和可靠性。
现代机械设计理论与方法优化设计ppt课件
设计工程研究所
绪论
关于设计及其重要性 现代机械与传统机械 现代机械设计所研究的内容 我国机械工程的发展与机械设计
现代机械设计理论与方法
设计工程研究所
对机械设计与理论的学位要求
在力学（特别在动力学）、摩擦学、强度理论、 材料科学、控制理论以及设计理论方面有坚实基 础；在传热学、电子技术、计算机及网络技术方 面有较强基础；在人工智能科学、管理科学（特 别是市场分析和成本分析）、环境科学及人机科 学方面有一定的基础。
验验证了的选择方法
能用试验测定与设计准则有关的指标，设计结果有实
用价值，有良好的再现性
现代机械设计理论与方法
设计工程研究所
也具有动态性，所以要求设计的过程中设计数据集成 和设计系统必须无缝连接。
现代机械设计理论与方法
设计工程研究所
已有知识和新知识获取在设计中的作用
任务空间
方案集合
联想
市场信息
已有知识
最终设计
测试 评估 优化 再设计
新知识获取资源
现代机械设计理论与方法
设计工程研究所
我国机械工程的发展与机械设计
提高企业生产能力与水平（完成产业现代化）
现代机械设计理论与方法
设计工程研究所
关于现代机械设计中的性能设计
工程设计学 工程建模学
各种系统或行业机械设 计中的共性问题， 设计的原则、理论基础
从模型入手解决产品 设计，设计方法
现代机械设计理论与方法
设计工程研究所
使设计理论具体化和实用化的条件：
能反映设计对象有关本质方面并能定量描述 有完整的设计准则、设计步骤和各种系数在实践或实
DFA，以压缩废品、库存的消耗，确保 经 树立济人性－。机一体化、机电一体化、硬－软
23 - 现代机械设计方法简介-宋宝玉版
现代机械设计方法简介
六、有限元设计
2、基本步骤
3）确定状态变量及控制方法： 一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示 4）单元推导：形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵） 单元之间由节点相联结,通过节点传递力、温度、位移及其 他参量,单元内部的未知场函数(如位移、应力、温度、磁场 、电场等)可以通过一定阶数的单元节点参量的插值函数来 逼近,然后,在整个求解域内利用边界给定条件确定所有节点 的参量值(如节点位移、节点力、 节点温度等…),再反过来 利用节点参量(此时为已知)的逼近函数去代替单元内部的未 知场函数,求得单元内部任意点的未知量的近似值
4 高 5
≥0.9999 型建筑物、桥梁等
≥ 0.99999
失效后会造成灾难性后果，如核设施、
大型水电工程
现代机械设计方法简介
3、保证高可靠度的措施
1）故障预分析，找薄弱环节，首先保障； 2）提高基础数据的准确性（破坏性实验，基础数据库）
3）重要处，备用系统
UPS,副油箱等； 4）核设施等异常后果的处理
圆杆受拉力 N(up,σp)=N(30000,450)N
圆杆截面尺寸 N(ud,σd)=d ± 0.015d
材料屈服强度 N(ur,σr)=N(1076,42.2)MPa
圆杆受拉的强度可靠性模型
现代机械设计方法简介 按可靠性求解，当R= 0.999 时：
ZR
ur us
2 r
2 s
(3)当ur-us<0时, ZR<0, R<0.5,且σr、σs增大,R将朝着减小 的方向变化，此时Sn<1,这种情况在用安全系数法设计时 是不允许的. 由此可见,安全系数设计法存在不合理现象,没有考虑强度 及应力的离差σr、σs的影响.
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第11章现代机械设计方法机械设计是生产机械产品的第一道工序，设计质量的高低，直接影响机械产品的技术水平和经济效果，因此，设计的过程是设计－评价－再设计的反复过程。
传统的机械设计方法，是以实践经验为基础，依据力学和数学建立的理论公式和经验公式，运用数表、图形和手册等技术资料，进行方案拟定、设计计算、绘图和编写设计说明书。
而现代设计是以产品为总目标的一系列种类繁多的现代设计法和技术的综合运用。
生产技术的需要和先进设计手段的出现，必须促进设计领域的改革和发展，对于机械设计来说几乎是更新换代，传统的常规设计方法受到很大冲击，用科学的设计方法代替经验的、类比的设计方法已势在必行。
缩短设计周期、提高设计质量、发展设计理论、改进设计技术及方法已成为当前机械设计的必然趋势。
11.1 计算机辅助设计由于计算机具有运算速度快、数据处理准确、存储量大和具有逻辑判断功能等特点，因此，它已经成为现代工程设计中分析、计算、综合、决策、数据处理、图形处理和与各种现代设计法结构的不可替代的重要工具。
这种人机交互式的设计方法，就是计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design）。
产品的生产分设计与制造两大部分，设计过程中除了需求分析及可行性研究与分析这两个环节很难用计算机实现外，其余从概念设计到设计结果都可用计算机实现，从而构成了CAD过程。
制造过程是指从工艺过程设计开始，经产品装配直到进入市场为止。
在这个过程中，工艺设计以及采用数控机床时的加工编程等，从工艺过程设计到装配的一系列环节同样也可以用计算机实现，由此构成了广义的CAM过程。
在CAM过程中主要包括两个软件，一类叫计算机辅助工艺规程设计（CAPP：Computer Aider Proess Planning），另一类叫数据编程（NCP：NC Programming）。
这两个过程的计算机化促进了设计与制造自动化的程度。
自动化程度的进一步提高是有赖于这两个过程的进一步集成，并由此奠定了现代计算机集成制造系统（CIMS：Computer Integrated Manufacturing System）的基础。
必须指出，CAD不是完全的设计自动化，实践证明完全的设计自动化是非常困难的，为此曾经走过弯路。
CAD是将人的主导性和与创造性放在首要地位，同时充分发挥计算机的长处，使二者有机地结合起来，因此人机信息交流及交互工作方式是CAD系统最显著的特点。
11.1.1计算机车辅助设计的软件系统CAD的软件系统包括系统软件、支撑软件和应用软件三个层次。
如图11-1所示。
1、系统软件系统软件与硬件和操作系统密切相关，用于对系统资源的管理，对输入和输出设备的控制等。
2、支撑软件支撑软件是系统软件基础上开发的满足用户共同需要的通用软件或工具软件，目前市场上所见到的各种商业化的CAD软件大多属于支撑软件。
支撑软件主要用来实现几何建模、绘图、工程设计计算和分析等功能。
1）集成化CAD/CAM软件集成化CAD/CAM软件支持在二维和三维图形方式下进行产品及其零件的定义。
如AutoCAD等。
但近年来随着实体造型技术的日趋完善，不少CAD 系统转向采用实休造型技术来定义产品的几何模型，进行分析、数控加工、输出工程图等。
目前较为成熟的CAD/CAM集成系统包括：UG，Pro-Engineer,CATIA,DUCT,CADDS-5等。
2）计算和分析软件计算和分析软件主要用于解决工程设计中的各种数值和分析。
包括：①数学计算软件，如MATLAB、MATHCAD等。
②有限元分析软件，如I－Deas,SAP-5，ADINA，ANSYS等。
目前有限元分析的理论和方法已日趋成熟，这些软件还包含了较强的前、后处理功能。
③优化设计软件，如IBM公司的ODL、我国的OPB－2等。
3）数据库管理系统软件目前流行的数据库管理软件很多，如FoxPro、Oracle、Access等，它们都属于关系型数据库管理系统，常用于商业和事物管理中。
适用于CAD 工程数据库的管理系统必须是管理量大、类型及关系很复杂的数据，且信息模式是动态的。
目前流行的数据库管理系统很难满足上述要求。
因此，在设计时要根据需要选择和编制适用数据库和接口程序。
11.1.2工程数据处理方法在机械设计过程中，经常需要查阅一些手册和文献资料，以获得有关的计算公式和大量数据，例如零部件的标准和规范，材料的机械性能，许用应力和各种计算系数等经验数据或实验曲线与图表。
在传统的设计方法中，主要靠设计人员手工查取，十分繁琐和费时。
鉴于计算机具有大量存储与迅速检索的功能，可以快速、精确无遗漏地处理各种大小数据文件，在现代设计方法中，通常将设计所需要的计算公式、计算方法和过程以及大量数据、表格或线图以程序、文件和数据库等方式预先存入计算机的外存和内存中，以便设计时由计算机按照设计的需要自动检索，依靠计算机完成大量繁琐的事务性工作，使设计师有更多的时间和精力从事创造性设计。
机械设计过程中一些常用数据表格和线图在计算机中的存取一般有三种处理方式：（1）将数据表格和线图转化为程序存入内存。
（2）将数据表格和线图转化为文件存入内存。
（3）将数据表格和线图转化为数据结构（数据相互关联的形式）存入数据库。
相关处理方法和计算程序可参阅文献［17］、［18］。
11.1.3优化设计方法常规的机械设计是基于安全概念的“合格设计”各种几何参数能够保证零件安全就认为合格，但这不一定是最优的。
近年来，由于优化理论的发展和电子计算机广泛应用在机械设计中，采用优化设计方法，可以综合考虑多方面的复杂因素，在各种约束条件的限制下，寻求满足预定目标的最优化方案和最佳参数。
这样，在缩短设计周期的同时，大大提高了设计质量，有效地确保所要求的技术经济指标。
通用优化设计程序的建立以及一些专用零部件优化程序的研制成功，以直接调用或以商品形式提供给设计部门应用。
设计师进行优化设计的主要工作是建立数学模型和分析优化结果，相关处理方法和计算程序可参阅文献［17］、［18］。
11.2 平面连杆机构的运动分析和机构的运动模拟11.2.1. 运动分析的目的机构的运动分析，就是根据给定的原动件运动规律，求出机构中其他构件的运动，即求出各构件的位置、速度、加速度，或角位置、角速度、角加速等运动参数。
其目的在于研究评价机构的运动及动力性能，或求出某些构件上特定点的轨迹，以确定机构的行程或外形尺寸。
要在计算机上分析一个连杆机构的运动情况，必须首先建立类似于式（3－7）的数学模型，在相应的支撑软件系统中编制应用程序，通过计算机模拟实际运动状况，计算出机构运动过程中的各构件所占据的位置；获取相关的运动参数和机构工作特性等。
相关理论和计算方法读者可参阅文献［16］、［17］、［18］。
11.2. 2. 程序说明本程序使用AutoCAD的内部编程语言AutoLISP编程。
它的优点是：（1）AutoCAD具有宽松的运行环境和广泛的用户群体；有丰富的应用软件供用户参考和使用；应用软件可以直接在AutoCAD的图形编辑状态下运行。
产生符合机械制图规范的图形或图形文件。
（2）具有强大的图形调用和编辑功能，各种指令既可以直接键入，又可以用菜单选择。
（3）输入数据方便。
当需要输入一个点时，既可以直接键入点的坐标，也可以用光标给出位置，还可以利用AutoCAD对光标的约束功能，捕捉已有实体上的特殊点；当需要输入一个值时，既可直接键入一个值，也可通过橡皮筋的长度给出。
（4）随时可用AutoCAD的原有命令对已生成图形进行修改和完善。
（5）由于AutoLISP具有文件操作功能，因此可以将图形的几何或非几何信息写入文件，传递给后读的CAPP/CAM，也可以读取其他外部程序生成的数据文件，作为结构设计的图形数据。
限于篇幅，本章只列举出程序的使用和分析结果，以满足教学使用要求。
源程序及安装说明可通过网址：/zhang dan wen/下载。
11.2. 3.模拟结果及分析图11－2为曲柄摇杆机构的运动模拟结果。
图11－2（a）为用户在AutoCAD环境下，通过人机交互输入方式输入铰链点A，B，C，D位置坐标后，程序自动生成的机构简图并按运动参数动态模拟机构运动。
图11－2、以及传动角γ随（b）是根据机构运动绘制的摇杆3的摆角Ψ、角速度ω3曲柄γ转动一个周期（2π）的变化规律。
从模拟结果可以得到以下结论：所对应的横坐标可以确（1）Ψ（Ф）曲线反映摇杆的摆动范围；ψmax定曲柄的极位夹角θ和机构的行程速度比系数κ≈1.3。
（2）在γ（Ф）曲线中传动角的变化幅度为（128°～58°），通过多方案优化，可以改变摇杆工作行程的平均传动角水平，有利于机构的动力特性。
（3）机构的运动特性主要反映摇杆的角速度ω3、角加速度ε3的变化，通过调整几何参数，可获得不同的运动特性。
图11－3为铰链一滑块机构及其模拟运动结果，导杆EF为运动输出构件，行程速比系数κ≈1.8。
图11－4所示的是初步设计的惯性筛机构（详见图3－3（b）），采用曲柄摇杆机构作机构的主体，当主动曲柄AB等速回转时，从动摇杆CD作摆动，从而使筛体E有较大变化的加速度，利用此加速度产生的惯力使被筛材料达到理想的筛分效果。
图11－5是改进的惯性筛机构，利用双曲柄机构作机构的主体，通过运动模拟，其加速度曲线变化明显，可产生更大的惯性力，达到理想筛分效果。
同时还可以确定筛体E左右移动的距离以便确定外形尺寸。
图11－6是对曲柄滑块机构连杆上D点的运动轨迹模拟结果，通过不同的机构组合，可以获得复杂运动轨迹，以满足不同要求。
相关设计理论见文献［18］、［20］。
11.3 带传动设计举例11.3.1 程序说明本程序使用AutoCAD的内部编程语言AutoLISP编程。
当程序加载后运行执行指令，通过菜单输入计算参数，显示可行的设计方案。
通过对用户选择的设计方案进行校核，根据用户要求自动绘制带轮的零件图。
【例11－1】设计带式运输机动装置中的V带传动，电动机功率P＝5.5kw，转速N1＝960r/min，V带的传动比i=3.2，两班制工作，要求传动比误差不超过±5%。
解输入已知条件：点击“设计计算”按钮，得到下列设计结果（见表11－1）：表11-1 B型带设计方案11.2. 2、结果分析由上述结果可知，在合理的带速范围内，三角胶带的传递功率随带速增加而提高。
为了充分发挥带的传动能力，在传动尺寸允许的条件下，可以选用直径的带轮。
同时，这样做还可以减少胶带根数，使传动的轴向尺寸减少。
在本例中，若对传动尺寸的大小没有限制，则取小带轮直径D为160mm1较好。
11.4 齿轮传动的优化设计11.4.1、设计变量齿轮传动在工业上的应用极为广泛，因此，齿轮及其减速器的优化设计对提高齿轮传动及其减速器的承载能力、延长寿命和减少其体积和重量等方面具有重要的技术价值和经济意义。