现代机械设计方法简介宋宝玉版
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•有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数 学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模 拟。
•利用简单而又相互作用的元素，即单元，实现用有限数量 的未知量去逼近无限未•圆知的量周的长真与实多系边统形。概念
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现代机械设计方法简介宋宝玉版
•现代机械设计方法简介
•≥0.99
• 重要处，随重要程度增大，可靠度等级 •≥0.999 增高，如高速机械、重要设施、航空器、大
•≥0.999 9
•≥ •0.99999
型建筑物、桥梁等
• 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宋宝玉版
•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
•CAD应用领域现代概机械略设计比方法例简介（宋宝％玉版）
•现代机械设计方法简介
•机械设计实例：2D 、3D图形变换
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现代机械设计方法简介宋宝玉版
•现代机械设计方法简介
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现代机械设计方法简介宋宝玉版
•现代机械设计方法简介
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现代机械设计方法简介宋宝玉版
•现代机械设计方法简介
• 假设
• a)零件的设计参量(如载荷、尺寸等)是随机变量,并可求得 零件应力分布fs(s);
• b)零部件的强度参量(如屈服极限σs、强度极限σb等)及引 起强度参量变化的因素(如尺寸、表面质量、工作环境等)
也是随机参数量,同样可求得零件强度分布fr(r);
• c)fs(s)及fr(r)可以是正态分布、指数分布、对数正态分布 、威布尔分布等.
（研仿、仿生）
现代机械设计方法简介宋宝玉版
•现代机械设计方法简介
一、机械部件设计的一般方法
2、常用设计准则
1）强度准则 （拉伸、剪切） 2）刚度准则 （弹性变形） 3）精度准则 （尺寸、形状；分配、综合与匹配） 4）寿命准则 （疲劳、磨损、腐蚀） 5）振动稳定性准则 （固有频率与激振频率） 6）可靠性准则
•六、有限元设计
• 1、起源
•1）大型桥梁结构的动态分析； •2）地下建筑的抗震分析； •3）海上石油钻井平台的响应分析(潮、汐、海流、风等) •4）飞机、航天飞机等的结构整体分析； •5）螺杆抽油泵螺杆的变形和稳定性分析（振型）； •6）碟型弹簧的翻转分析（临界失稳）； •7）球形超塑过程的模拟（仿真）； •8）裂纹尖端的应力强度因子(KIC)； •9）疲劳裂纹的计算机模拟； •10） 焊接熔池的温度场分析； •11） 超硬涂层的失效分析(CVD、PVD涂层)； •12） 爆炸冲击波的破坏性分析； •13） 支撑结构的稳定性分析； •14） 流场分析（导弹发动机、液体流场等）； •15） 液体固体耦合分析等(大坝、油罐车)。
• 3）按状态分：平衡问题、稳定性分析、随机激励响应、 模态、爆炸冲击波、流体分析、热分析（热震和热冲击 ），结构校验和优化.
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•现代机械设计方法简介
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现代机械设计方法简介宋宝玉版
•现代机械设计方法简介
•机械设计实例：凸轮机构CAD设计
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•现代机械设计方法简介
•五、可靠性设计
•1、可靠性
•定义：产品在规定条件下和规定时间内完成规
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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
•现代机械设计方法简介
• 6、机械系统可靠性设计
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•现代机械设计方法简介
•六、有限元设计
• 1、起源
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•现代机械设计方法简介
•六、有限元设计
• 1、起源
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现代机械设计方法简介宋宝玉版
•现代机械设计方法简介
(2)当 ur-us=0时, ZR=0, R≡0.5,σr、σs对R无影响;
(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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•现代机械设计方法简介
•例: 图10所示为一受拉圆型载面杆,已知力和截面直径服从 正态分布,分别为N(uP、σP)、N(ud、σd),屈服强度亦服从 正态分布N(ur,σr).设可靠度为R,试进行强度可靠性设计(求直 径均值和离差)：当R=0.999时，d=?
•圆杆受拉力 •N(up,σp)=N(30000,450)N
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•现代机械设计方法简介
•六、有限元设计
• 1、起源
•20世纪50年代 在连续体力学领域——飞机结构的静力和 动力特性分析中开始应用一种有效的数值分析方法
•伴随着电子计算机的飞速发展，在20世纪70年代初期，出 现了大型通用、功能强大，计算可靠，工作效率高的有限 元分析软件，并逐步成为结构分析中的强有力的工具。
现代机械设计方法简介宋宝玉版
•现代机械设计方法简介 •由可靠度定义可知:
•现定义:y =r-s,则 y 同样为正态分布,按正态分布代数 法则,有:
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•现代机械设计方法简介
• 根据标准正态分布的对称性,上式还可等效写成:
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•现代机械设计方法简介
•六、有限元设计
• 3、有限元分析问题的类型：
• 1）按维数分：一维分析（如悬臂梁等）、二维分析(如 平面应力问题和平面应变问题、二维刚架等)、三维问题 （大部分结构）、动态分析（三维结构+时间）；
• 2）按性质分：弹性小变形分析、弹性大变形分析（材料 非线性、几何非线性）、弹塑性分析、粘弹性分析、塑 性分析、断裂分析、场分析、接触问题分析等；
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现代机械设计方法简介宋宝玉版
•现代机械设计方法简介
•3、传统设计与现代设计的主要区别
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现代机械设计方法简介宋宝玉版
•现代机械设计方法简介
•二、现代机械设计方法
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•现代机械设计方法简介
•三、未来对机械工程的需求与驱动
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•现代机械设计方法简介
•2) 失效概率密度f(t) •指时间 t 附近单位时间内失效的零件数与总数之比值 . 通常用f(t)表示.即
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∫ •F(t)= f(•tt)dt •0 现代机械设计方法简介宋宝玉版
•现代机械设计方法简介
• 5、机械静强度可靠性设计的基本理论
•六、有限元设计
• 1、起源
➢有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元
➢有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解
把一个原来是连续的物体划分为有限个单元，这些单 元通过有限个节点相互连接，承受与实际载荷等效的节点载 荷，并根据力的平衡条件进行分析，然后根据变形协调条件 把这些单元重新组合成整体进行综合求解。
23-现代机械设计方法简 介-宋宝玉版
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2020/11/23
现代机械设计方法简介宋宝玉版
现代机械设计方法简介
• 一、机械部件设计的一般方法
• 1、常用设计方法
•1）理论设计 （设计、校核）
•2）经验设计 （类比）
•3）模型实验设计 （飞机-风洞）
•4）虚拟样机设计
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•5）反求设计
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•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
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•现代机械设计方法简介 • 按可靠性求解，当R= 0.999 时：
•此时的安全系数
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•利用CAD技术，从产品或设备的概念设计到提供用于制造的技 术文件之间的过程可大大缩短。
• 计算机辅助设计比传统设计的优点:
•
1) 能显著提高设计效率
•
2)有利于产品的标准化系列化
•
3)设计与分析可统一
•
4)设计与制造可一体化
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•现代机械设计方法简介
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•现代机械设计方法简介
•对正态分布的应力和强度,其密度函数分别为:
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•现代机械设计方法简介
••fs(s)
•f•r(r)
•原f•r(r)
•密度函数f(x)
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•u•s•干涉区•u•r
•设计变量
•强度-应力干涉模型
UPS,副油箱等； 4）核设施等异常后果的处理
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•现代机械设计方法简介
• 4、可靠性的几个基本指标
• 1) 可靠度R • 设试件总数为N个, 经时间t后有Nf(t)个失效, • 有 Ns(t)个仍在正常工作. 则
式中: F(t)指产品至时刻 t的累积失效概率.
•ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
定功能的能力。
•
以概率来表示，也称可靠度。
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•现代机械设计方法简介
2、可靠度分类等级及应用
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• •等 级
•0
•低 •1
•
•
•2
•
•
•3
•4 •高
•5
•可靠度R
•用 途
•<0.9 • 不重要处，失效后果可以不考虑
•≥0.9 • 不很重要处，失效后果损失不大
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•现代机械设计方法简介
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•现代机械设计方法简介
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•现代机械设计方法简介
•四、计算机辅助设计（CAD）
•CAD是以设计者为主体，利用软硬件系统的资源，对产品的设 计进行规划决策等，并形成工程文件（档）的创造性活动，是 现代设计方法的基础。
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•现代机械设计方法简介
• •
• •
•
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可靠度方程存在下列三种取值情况:
(1)当ur>us时, ZR>0, R>0.5;若ur-us为恒值,此时R值将随 σr及σs的值增大而减小.根据传统设计中安全系数Sn的 概念: Sn = ur/us>1,此时Sn不变,而R却随σr、σs在变化 ;
•现代机械设计方法简介
•与可靠度R一一对应，将R、S、r (即可靠度、应力和强度) 三者联合起来,称为“连接方程”或“耦合方程”(Coupling
Equation)或可靠度方程,ZR称为连接系数或可靠性系数. •在计算结构的可靠度时可根据ZR值查ZR--R表,在按R设计结 构参数时，可根据R值查R--ZR表得ZR.
➢这个解不是准确解，而是近似数值解(精度高、适应性强)
➢有限元法的基本思想—离散化
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•现代机械设计方法简介
•六、有限元设计
• 2、基本步骤
•三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。
•1）问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物 理性质和几何区域。
•2）求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形 状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限 元网络划分一。
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•现代机械设计方法简介
•六、有限元设计
• 2、基本步骤
•5）总装求解 • 单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组）， 反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要 满足一定的连续条件。
•6）结果提取与分析处理 • 求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算 结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并 确定是否需要重复计算。
•利用简单而又相互作用的元素，即单元，实现用有限数量 的未知量去逼近无限未•圆知的量周的长真与实多系边统形。概念
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•现代机械设计方法简介
•≥0.99
• 重要处，随重要程度增大，可靠度等级 •≥0.999 增高，如高速机械、重要设施、航空器、大
•≥0.999 9
•≥ •0.99999
型建筑物、桥梁等
• 失效后会造成灾难性后果，如核设施、 大型水电工程
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•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
•CAD应用领域现代概机械略设计比方法例简介（宋宝％玉版）
•现代机械设计方法简介
•机械设计实例：2D 、3D图形变换
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•现代机械设计方法简介
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•现代机械设计方法简介
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•现代机械设计方法简介
• 假设
• a)零件的设计参量(如载荷、尺寸等)是随机变量,并可求得 零件应力分布fs(s);
• b)零部件的强度参量(如屈服极限σs、强度极限σb等)及引 起强度参量变化的因素(如尺寸、表面质量、工作环境等)
也是随机参数量,同样可求得零件强度分布fr(r);
• c)fs(s)及fr(r)可以是正态分布、指数分布、对数正态分布 、威布尔分布等.
（研仿、仿生）
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•现代机械设计方法简介
一、机械部件设计的一般方法
2、常用设计准则
1）强度准则 （拉伸、剪切） 2）刚度准则 （弹性变形） 3）精度准则 （尺寸、形状；分配、综合与匹配） 4）寿命准则 （疲劳、磨损、腐蚀） 5）振动稳定性准则 （固有频率与激振频率） 6）可靠性准则
•六、有限元设计
• 1、起源
•1）大型桥梁结构的动态分析； •2）地下建筑的抗震分析； •3）海上石油钻井平台的响应分析(潮、汐、海流、风等) •4）飞机、航天飞机等的结构整体分析； •5）螺杆抽油泵螺杆的变形和稳定性分析（振型）； •6）碟型弹簧的翻转分析（临界失稳）； •7）球形超塑过程的模拟（仿真）； •8）裂纹尖端的应力强度因子(KIC)； •9）疲劳裂纹的计算机模拟； •10） 焊接熔池的温度场分析； •11） 超硬涂层的失效分析(CVD、PVD涂层)； •12） 爆炸冲击波的破坏性分析； •13） 支撑结构的稳定性分析； •14） 流场分析（导弹发动机、液体流场等）； •15） 液体固体耦合分析等(大坝、油罐车)。
• 3）按状态分：平衡问题、稳定性分析、随机激励响应、 模态、爆炸冲击波、流体分析、热分析（热震和热冲击 ），结构校验和优化.
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•现代机械设计方法简介
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•现代机械设计方法简介
•机械设计实例：凸轮机构CAD设计
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•现代机械设计方法简介
•五、可靠性设计
•1、可靠性
•定义：产品在规定条件下和规定时间内完成规
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•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
•现代机械设计方法简介
• 6、机械系统可靠性设计
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•现代机械设计方法简介
•六、有限元设计
• 1、起源
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•现代机械设计方法简介
•六、有限元设计
• 1、起源
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•现代机械设计方法简介
(2)当 ur-us=0时, ZR=0, R≡0.5,σr、σs对R无影响;
(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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•现代机械设计方法简介
•例: 图10所示为一受拉圆型载面杆,已知力和截面直径服从 正态分布,分别为N(uP、σP)、N(ud、σd),屈服强度亦服从 正态分布N(ur,σr).设可靠度为R,试进行强度可靠性设计(求直 径均值和离差)：当R=0.999时，d=?
•圆杆受拉力 •N(up,σp)=N(30000,450)N
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•现代机械设计方法简介
•六、有限元设计
• 1、起源
•20世纪50年代 在连续体力学领域——飞机结构的静力和 动力特性分析中开始应用一种有效的数值分析方法
•伴随着电子计算机的飞速发展，在20世纪70年代初期，出 现了大型通用、功能强大，计算可靠，工作效率高的有限 元分析软件，并逐步成为结构分析中的强有力的工具。
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•现代机械设计方法简介 •由可靠度定义可知:
•现定义:y =r-s,则 y 同样为正态分布,按正态分布代数 法则,有:
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•现代机械设计方法简介
• 根据标准正态分布的对称性,上式还可等效写成:
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•现代机械设计方法简介
•六、有限元设计
• 3、有限元分析问题的类型：
• 1）按维数分：一维分析（如悬臂梁等）、二维分析(如 平面应力问题和平面应变问题、二维刚架等)、三维问题 （大部分结构）、动态分析（三维结构+时间）；
• 2）按性质分：弹性小变形分析、弹性大变形分析（材料 非线性、几何非线性）、弹塑性分析、粘弹性分析、塑 性分析、断裂分析、场分析、接触问题分析等；
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•现代机械设计方法简介
•3、传统设计与现代设计的主要区别
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•二、现代机械设计方法
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•三、未来对机械工程的需求与驱动
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•现代机械设计方法简介
•2) 失效概率密度f(t) •指时间 t 附近单位时间内失效的零件数与总数之比值 . 通常用f(t)表示.即
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∫ •F(t)= f(•tt)dt •0 现代机械设计方法简介宋宝玉版
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• 5、机械静强度可靠性设计的基本理论
•六、有限元设计
• 1、起源
➢有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元
➢有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解
把一个原来是连续的物体划分为有限个单元，这些单 元通过有限个节点相互连接，承受与实际载荷等效的节点载 荷，并根据力的平衡条件进行分析，然后根据变形协调条件 把这些单元重新组合成整体进行综合求解。
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现代机械设计方法简介
• 一、机械部件设计的一般方法
• 1、常用设计方法
•1）理论设计 （设计、校核）
•2）经验设计 （类比）
•3）模型实验设计 （飞机-风洞）
•4）虚拟样机设计
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•5）反求设计
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•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
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•现代机械设计方法简介 • 按可靠性求解，当R= 0.999 时：
•此时的安全系数
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•利用CAD技术，从产品或设备的概念设计到提供用于制造的技 术文件之间的过程可大大缩短。
• 计算机辅助设计比传统设计的优点:
•
1) 能显著提高设计效率
•
2)有利于产品的标准化系列化
•
3)设计与分析可统一
•
4)设计与制造可一体化
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•对正态分布的应力和强度,其密度函数分别为:
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••fs(s)
•f•r(r)
•原f•r(r)
•密度函数f(x)
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•u•s•干涉区•u•r
•设计变量
•强度-应力干涉模型
UPS,副油箱等； 4）核设施等异常后果的处理
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• 4、可靠性的几个基本指标
• 1) 可靠度R • 设试件总数为N个, 经时间t后有Nf(t)个失效, • 有 Ns(t)个仍在正常工作. 则
式中: F(t)指产品至时刻 t的累积失效概率.
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定功能的能力。
•
以概率来表示，也称可靠度。
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2、可靠度分类等级及应用
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• •等 级
•0
•低 •1
•
•
•2
•
•
•3
•4 •高
•5
•可靠度R
•用 途
•<0.9 • 不重要处，失效后果可以不考虑
•≥0.9 • 不很重要处，失效后果损失不大
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•四、计算机辅助设计（CAD）
•CAD是以设计者为主体，利用软硬件系统的资源，对产品的设 计进行规划决策等，并形成工程文件（档）的创造性活动，是 现代设计方法的基础。
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• •
• •
•
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可靠度方程存在下列三种取值情况:
(1)当ur>us时, ZR>0, R>0.5;若ur-us为恒值,此时R值将随 σr及σs的值增大而减小.根据传统设计中安全系数Sn的 概念: Sn = ur/us>1,此时Sn不变,而R却随σr、σs在变化 ;
•现代机械设计方法简介
•与可靠度R一一对应，将R、S、r (即可靠度、应力和强度) 三者联合起来,称为“连接方程”或“耦合方程”(Coupling
Equation)或可靠度方程,ZR称为连接系数或可靠性系数. •在计算结构的可靠度时可根据ZR值查ZR--R表,在按R设计结 构参数时，可根据R值查R--ZR表得ZR.
➢这个解不是准确解，而是近似数值解(精度高、适应性强)
➢有限元法的基本思想—离散化
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•现代机械设计方法简介
•六、有限元设计
• 2、基本步骤
•三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。
•1）问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物 理性质和几何区域。
•2）求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形 状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限 元网络划分一。
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•现代机械设计方法简介
•六、有限元设计
• 2、基本步骤
•5）总装求解 • 单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组）， 反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要 满足一定的连续条件。
•6）结果提取与分析处理 • 求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算 结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并 确定是否需要重复计算。