現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介宋寶玉版

1、現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介1現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介一、機(jī)械部件設(shè)計的一般方法1、常用設(shè)計方法1）理論設(shè)計 （設(shè)計、校核）2）經(jīng)驗設(shè)計 （類比）3）模型實驗設(shè)計 （飛機(jī)-風(fēng)洞）4）虛擬樣機(jī)設(shè)計 5）反求設(shè)計 （研仿、仿生）2一、機(jī)械部件設(shè)計的一般方法2、常用設(shè)計準(zhǔn)則1）強度準(zhǔn)則 （拉伸、剪切）2）剛度準(zhǔn)則 （彈性變形）3）精度準(zhǔn)則 （尺寸、形狀；分配、綜合與匹配） 4）壽命準(zhǔn)則 （疲勞、磨損、腐蝕）5）振動穩(wěn)定性準(zhǔn)則 （固有頻率與激振頻率）6）可靠性準(zhǔn)則現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介3現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介3、傳統(tǒng)設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計的主要區(qū)別4現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介二、現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法5現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介三、未來對機(jī)械

2、工程的需求與驅(qū)動6現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介7現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介8現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介四、計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）CAD是以設(shè)計者為主體，利用軟硬件系統(tǒng)的資源，對產(chǎn)品的設(shè)計進(jìn)行規(guī)劃決策等，并形成工程文件（檔）的創(chuàng)造性活動，是現(xiàn)代設(shè)計方法的基礎(chǔ)。利用CAD技術(shù)，從產(chǎn)品或設(shè)備的概念設(shè)計到提供用于制造的技術(shù)文件之間的過程可大大縮短。 計算機(jī)輔助設(shè)計比傳統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)點: 1) 能顯著提高設(shè)計效率 2)有利于產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化系列化 3)設(shè)計與分析可統(tǒng)一 4)設(shè)計與制造可一體化9CAD應(yīng)用領(lǐng)域概略比例（）現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介10現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介機(jī)械設(shè)計實例：2D 、3D圖形變換11現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介12現(xiàn)代機(jī)

3、械設(shè)計方法簡介13現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介14現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介15現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介機(jī)械設(shè)計實例：凸輪機(jī)構(gòu)CAD設(shè)計16現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介五、可靠性設(shè)計1、可靠性定義：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī) 定功能的能力。 以概率來表示，也稱可靠度。172、可靠度分類等級及應(yīng)用等級可靠度R用 途低高0us時, ZR0, R0.5;若ur-us為恒值,此時R值將隨r及s的值增大而減小.根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計中安全系數(shù)Sn的概念: Sn = ur/us1,此時Sn不變,而R卻隨r、s在變化;(2)當(dāng) ur-us=0時, ZR=0, R0.5,r、s對R無影響;(3)當(dāng)ur-us0時, ZR0, R0.5,且

4、r、s增大,R將朝著減小的方向變化，此時Sn1,這種情況在用安全系數(shù)法設(shè)計時是不允許的. 由此可見,安全系數(shù)設(shè)計法存在不合理現(xiàn)象,沒有考慮強度及應(yīng)力的離差r、s的影響. 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介28例: 圖10所示為一受拉圓型載面桿,已知力和截面直徑服從正態(tài)分布,分別為N(uP、P)、N(ud、d),屈服強度亦服從正態(tài)分布N(ur,r).設(shè)可靠度為R,試進(jìn)行強度可靠性設(shè)計(求直徑均值和離差)：當(dāng)R=0.999時，d=?N(ud,d)=d0.015dN(ur,r)=N(1076,42.2)MPaN(up,p)=N(30000,450)N圓桿受拉的強度可靠性模型圓桿受拉力圓桿截面尺寸材料屈服強度現(xiàn)代機(jī)

5、械設(shè)計方法簡介29按可靠性求解，當(dāng)R= 0.999 時：此時的安全系數(shù)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介30現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介6、機(jī)械系統(tǒng)可靠性設(shè)計31現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介六、有限元設(shè)計1、起源32現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介六、有限元設(shè)計1、起源331）大型橋梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)分析；2）地下建筑的抗震分析；3）海上石油鉆井平臺的響應(yīng)分析(潮、汐、海流、風(fēng)等)4）飛機(jī)、航天飛機(jī)等的結(jié)構(gòu)整體分析；5）螺桿抽油泵螺桿的變形和穩(wěn)定性分析（振型）；6）碟型彈簧的翻轉(zhuǎn)分析（臨界失穩(wěn)）；7）球形超塑過程的模擬（仿真）；8）裂紋尖端的應(yīng)力強度因子(KIC)；9）疲勞裂紋的計算機(jī)模擬；10） 焊接熔池的溫度場分析；11） 超硬涂層的失

6、效分析(CVD、PVD涂層)；12） 爆炸沖擊波的破壞性分析；13） 支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析；14） 流場分析（導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)、液體流場等）；15） 液體固體耦合分析等(大壩、油罐車)?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介六、有限元設(shè)計1、起源34現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介六、有限元設(shè)計20世紀(jì)50年代 在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域飛機(jī)結(jié)構(gòu)的靜力和動力特性分析中開始應(yīng)用一種有效的數(shù)值分析方法伴隨著電子計算機(jī)的飛速發(fā)展，在20世紀(jì)70年代初期，出現(xiàn)了大型通用、功能強大，計算可靠，工作效率高的有限元分析軟件，并逐步成為結(jié)構(gòu)分析中的強有力的工具。有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物

7、理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。利用簡單而又相互作用的元素，即單元，實現(xiàn)用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。 1、起源圓的周長與多邊形概念35有限元是那些集合在一起能夠表示實際連續(xù)域的離散單元有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解 把一個原來是連續(xù)的物體劃分為有限個單元，這些單元通過有限個節(jié)點相互連接，承受與實際載荷等效的節(jié)點載荷，并根據(jù)力的平衡條件進(jìn)行分析，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件把這些單元重新組合成整體進(jìn)行綜合求解。這個解不是準(zhǔn)確解，而是近似數(shù)值解(精度高、適應(yīng)性強)有限元法的基本思想離散化現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介六、有限元設(shè)計1、起源361）問題及求解域定義：根據(jù)實際問題近似

8、確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。 2）求解域離散化：將求解域近似為具有不同有限大小和形狀且彼此相連的有限個單元組成的離散域，習(xí)慣上稱為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分一。 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介六、有限元設(shè)計2、基本步驟三個階段，前置處理、計算求解和后置處理。373）確定狀態(tài)變量及控制方法： 一組包含問題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示4）單元推導(dǎo)：形成單元矩陣（結(jié)構(gòu)力學(xué)中稱剛度陣或柔度陣）現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介六、有限元設(shè)計2、基本步驟單元之間由節(jié)點相聯(lián)結(jié),通過節(jié)點傳遞力、溫度、位移及其他參量,單元內(nèi)部的未知場函數(shù)(如位移、應(yīng)力、溫度、磁場、電場等)可以通過一定階數(shù)的單元節(jié)點參量的插值函數(shù)來逼近,然后,在整個求解

9、域內(nèi)利用邊界給定條件確定所有節(jié)點的參量值(如節(jié)點位移、節(jié)點力、 節(jié)點溫度等),再反過來利用節(jié)點參量(此時為已知)的逼近函數(shù)去代替單元內(nèi)部的未知場函數(shù),求得單元內(nèi)部任意點的未知量的近似值 385）總裝求解 單元總裝形成離散域的總矩陣方程（聯(lián)合方程組），反映對近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件。6）結(jié)果提取與分析處理 求解結(jié)果是單元結(jié)點處狀態(tài)變量的近似值。對于計算結(jié)果的質(zhì)量，將通過與設(shè)計準(zhǔn)則提供的允許值比較來評價并確定是否需要重復(fù)計算?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介六、有限元設(shè)計2、基本步驟393、有限元分析問題的類型：1）按維數(shù)分：一維分析（如懸臂梁等）、二維分析(如平面應(yīng)力

10、問題和平面應(yīng)變問題、二維剛架等)、三維問題（大部分結(jié)構(gòu)）、動態(tài)分析（三維結(jié)構(gòu)+時間）；2）按性質(zhì)分：彈性小變形分析、彈性大變形分析（材料非線性、幾何非線性）、彈塑性分析、粘彈性分析、塑性分析、斷裂分析、場分析、接觸問題分析等；3）按狀態(tài)分：平衡問題、穩(wěn)定性分析、隨機(jī)激勵響應(yīng)、模態(tài)、爆炸沖擊波、流體分析、熱分析（熱震和熱沖擊），結(jié)構(gòu)校驗和優(yōu)化. 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介六、有限元設(shè)計40大型通用有限元商業(yè)軟件：如ANSYS可以分析多學(xué)科的問題，例如：機(jī)械、電磁、熱力學(xué)等；還有三維結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的UG,CATIA,Proe等；電機(jī)有限元分析軟件NASTRAN等。1）與CAD軟件的無縫集成 Pro/ENG

11、INEER、Unigraphics、 SolidWorks、IDEAS和AutoCAD2）更為強大的網(wǎng)格處理能力 3）由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題4）由單一結(jié)構(gòu)場求解發(fā)展到耦合場問題的求解 5）程序面向用戶的開放性 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介六、有限元設(shè)計4、常用商業(yè)軟件及發(fā)展趨勢41圖4-28 位移變形云圖 圖4-29 等效應(yīng)力云圖 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介六、有限元設(shè)計5、應(yīng)用實例42載荷:18000 N ，溫度:250 ，轉(zhuǎn)速:15000r/min 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介43節(jié)點257,182個；SOLID92單元169,158個 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介44 最大應(yīng)力為：58.7MPa，小于材料

12、許用應(yīng)力； 最大變形為：7.3m ，滿足設(shè)計要求。應(yīng)力圖變形圖現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介45熱應(yīng)力耦合分析最高溫度：250 ；最低溫度：45 溫度分布云圖現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介46振動模態(tài)分析節(jié)點268793個；SOLID92單元157923個 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介六、有限元設(shè)計47固有頻率一階振型（主視）一階振型（左視）階數(shù)12345頻率(Hz)186.0197.7220.3238.88331.8轉(zhuǎn)速(r/min)11160118621321814332.819908現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介48二階振型三階振型四階振型五階振型現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介49現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介七、摩擦學(xué)設(shè)計摩擦磨損是日常生活和

13、工業(yè)技術(shù)中普遍存在的問題.摩擦學(xué)影響能源節(jié)約、材料損傷、產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備的生命周期50 摩擦學(xué)問題也是所有高技術(shù)裝備的共性基礎(chǔ)問題現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介七、摩擦學(xué)設(shè)計51摩擦學(xué)的特征1 - 摩擦學(xué)行為是系統(tǒng)依賴的摩擦學(xué)行為發(fā)生在相對運動、相互作用表面和表面間的各種行為原因人們看到的各種與摩擦學(xué)有關(guān)的現(xiàn)象結(jié)果系統(tǒng)依賴, 是指簡單系統(tǒng)(見圖1)以及由簡單系統(tǒng)所構(gòu)成的任何更為復(fù)雜的系統(tǒng),其行為已不能由任何一個構(gòu)成它的元素來實現(xiàn).摩擦副的特性不是摩擦副任何元素材料的固有特性, 而是它們所構(gòu)成的系統(tǒng)在給定環(huán)境中的特性.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介七、摩擦學(xué)設(shè)計52摩擦學(xué)的特征2 -摩擦學(xué)元素的特性是時間依賴的F i

14、g 2The severity of work condition of a tribo2pair由相對運動和相互作用在構(gòu)件中引起的變化速度大大超過構(gòu)件中由其它行為導(dǎo)致的變化, 時不變處理系統(tǒng)時變系統(tǒng).摩擦學(xué)最突出的特征是摩擦磨損過程的耗散性和不可逆性?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法簡介七、摩擦學(xué)設(shè)計53摩擦學(xué)的特征3 - 摩擦學(xué)行為是多個學(xué)科行為間強耦合結(jié)果電磁學(xué)兩表面間存在電場和(或) 磁場將導(dǎo)致電磁學(xué)行為, 主要包括產(chǎn)生引力或斥力、導(dǎo)致表面和表面間材料分子排列的變化、導(dǎo)致表面材料中產(chǎn)生渦流和熱等. 力學(xué)兩個表面及兩表面介質(zhì)之間的相對運動和相互作用行為就最簡單的摩擦學(xué)系統(tǒng)而言熱力學(xué)和傳熱學(xué)耗散的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋崮芟蛑苓叺膫鬟f并形成穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的溫度場物理學(xué)表面及表面間介質(zhì)材料的分子相互作用及轉(zhuǎn)移摩擦學(xué)的理論就是研究“在摩擦學(xué)環(huán)境下,它們之間相互耦合作用的