機械設計資源庫

一、傳統機械設計的局限性

機械現代設計方法簡介機械設計是人類為了實現某種預期的目標而進行的一種創(chuàng)建性活動。傳統機械設計的特點是：以長期閱歷積累為基礎，通過力學、數學建模及試驗等所形成的閱歷公式、圖表、標準及規(guī)范作為依據，運用條件性計算或類比等方法進行設計。傳統設計在長期運用中得到不斷的完善和提高，目前在大多數狀況下照舊是有效的設計方法。局限性方案設計時憑借設計者有限的干脆閱歷或間接閱歷，通過計算、類比分析等，以收斂思維方式，過早地確定方案。這種方案設計既不充分又不系統，不強調創(chuàng)新，因此很難得到最優(yōu)方案。傳統設計偏重于考慮產品自身的功能的實現，忽視人―機―環(huán)境之間關系的重要性。傳統設計接受手工計算、繪圖，設計的精確性差、工作周期長、效率低。零部件設計中，僅對重要的零部件依據簡化的力學模型或閱歷公式進行靜態(tài)的或近似的設計計算，其他零部件只作類比設計，與實際工況有時相差較遠，難免造成失誤。二、現代機械設計思想近30年來，由于科學和技術快速發(fā)展，特殊是計算機技術和信息技術的發(fā)展和應用，給機械產品設計和制造帶來革命性的變更。另一方面，隨著社會進步和人類文明的發(fā)展，對現代機械產品設計已不能僅考慮產品本身，而且還要充分考慮對系統和環(huán)境的影響；不僅考慮當前，還需考慮長遠發(fā)展?？傊跈C械設計已進入現代設計階段，它要求在繼承和發(fā)展傳統設計的基礎上，將自然科學、技術科學、社會科學及藝術科學等有關學問有機的融合在一起，形成一門嶄新的設計學問體系。三、現代機械設計方法由于科學技術的發(fā)展，各學科的交叉滲透，機械設計理論和方法已漸漸成為一門嶄新的學科。靜態(tài)設計→機械系統“動態(tài)設計”基礎理論：深化、擴展→學科交叉與整合設計技術發(fā)展：人工→計算機輔助設計（CAD）機械產品本身的轉折：傳統機械→機電一體化、智能化計算機幫助設計（CAD：computer-aideddesign）、優(yōu)化設計（OD：optimizationdesign)、牢靠性設計（RD：reliabilitydesign）、摩擦學設計（TD：tribologydesign）、設計方法學設計（DMD：design-methodologydesign）、并行設計（CD：concurrentdesign）、虛擬產品設計（VPD：virtural-productdesign）、質量驅動設計（QDD：quality-drivendesign）、參數化設計（PD：parametrizationdesign）、智能設計（ID：intelligentdesign）、分形設計（FD：fractualdesign）、基于實例設計（CBD：case-baseddesign）、網上設計（OND：on-netdesign）等。機械現代設計方法發(fā)展很快，目前常見或較易見到的有：2、機械學理論和方法（包括機構學、機械動力學、摩擦學、機械結構強度學、傳動機械學等）及計算機幫助分析（有限元法、模態(tài)分析、專家系統等）的不斷發(fā)展，對機械的方案設計、運動設計、動力設計、工作實力（強度、變形、振動、摩擦與潤滑等）設計等關鍵技術問題能作出很好的處理，一系列新型的設計準則和方法正在形成?；诠δ茉淼臋C械系統設計人機工程學產品造型設計綠色產品設計1、從"人―機―環(huán)境"的系統觀及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略動身，現代機械設計必需全面考慮、綜合平衡、妥當處理系統的各種問題，與此相應的設計方法有：牢靠性設計是綜合牢靠性數學、牢靠性物理及牢靠性工程等學科學問的新興設計方法。它探討產品全壽命周期內質量指標變更規(guī)律，對零部件和整個系統進行牢靠性設計。3、牢靠性設計現代機械產品的牢靠性已成為其市場競爭力的關鍵指標之一。牢靠性設計（或概率設計）是將常規(guī)設計中視為常量的設計參數照實地作為隨機變量看待，把概率統計理論運用到機械設計中來，依據零部件或機械系統應用的定量的牢靠程度來設計它們。牢靠性設計特點設計變量照實地作為隨機變量，其工作過程照實地作為隨機過程來對待。明確指出每個零部件和機械系統都存在失效可能，必需按牢靠度滿足要求來建立設計準則。隨機變量的分布函數及其數學模型機械牢靠性設計常用的隨機變量分布密度函數：對連續(xù)隨機變量有正態(tài)分布、韋布爾分布、指數分布、瑞利分布；對離散變量有二項分布、泊松分布等。機械系統的牢靠度串聯系統

由n個元件x1、x2、…、xn組成的串聯系統，若其中任一元件失效，即會造成系統失效。x1x2xn并聯系統由n個元件x1、x2、…、xn組成的并聯系統，僅當全部元件全部失效，才會造成系統失效。x1x2xn4、優(yōu)化設計優(yōu)化就是在處理各種事物的一切可能的方案中尋求最優(yōu)的方案。如：求f(X)=(x1-4)2+(x2-5)2的最小值。確定的最優(yōu)只在某些理論性計算中才可得到。而在工程實際中，優(yōu)化問題都是在給定的條件下，從一切可行的方案中尋求最適當的方案。人類智能優(yōu)化：憑借人的直覺和邏輯思維；數學規(guī)劃方法優(yōu)化：以微積分為基礎，計算機出現后得到快速發(fā)展；工程優(yōu)化：非數學領域專家開發(fā)解決了傳統數學規(guī)劃方法不能勝任的工程優(yōu)化問題；人工智能優(yōu)化：接受專家系統技術，可實現尋優(yōu)策略的自動選擇和優(yōu)化過程的自動限制，使智能尋優(yōu)策略得到快速發(fā)展。廣義優(yōu)化：面對產品的全系統、全過程、全性能的優(yōu)化設計方法。優(yōu)化理論與方法大致可分為如下幾個發(fā)展階段：

機械產品設計的過程就是一個優(yōu)化的過程。產品的優(yōu)化是一個從宏觀到微觀，從全局到局部，從總體方案到零部件設計的優(yōu)化過程，即可分為參數優(yōu)化，結構優(yōu)化及總體方案優(yōu)化三個層次。對于三者優(yōu)化的處理方法還有所不同，但隨優(yōu)化理論和計算機技術的發(fā)展，日趨形成完整的優(yōu)化方法體系。黃金分割法分數法牛頓法二次插值法三次插值法坐標輪換法單純形法牛頓法共軛方向法梯度法網格法復合形法外點罰函數法內點罰函數法復合罰函數法約束坐標輪換法優(yōu)化設計常用算法：一維優(yōu)化方法多維無約束優(yōu)化方法多維約束優(yōu)化方法常用的優(yōu)化方法機械優(yōu)化設計一般步驟：可用如下流程圖表示：分析機械優(yōu)化設計問題，建立合用的數學模型選擇優(yōu)化方法、編程、解算，得出優(yōu)化方案方案評價與決策N得出最適當的方案Y基于專家系統的智能CAD；CAD系統集成化，CAD與CAM（計算機幫助制造）的集成系統（CAD/CAM）；動態(tài)三維造型技術；基于并行工程，面對制造的設計技術（DFM）；分布式網絡CAD系統。5、計算機幫助設計計算機幫助設計（CAD）是把計算機技術引入設計過程，利用計算機完成選型、計算、繪圖及其他作業(yè)的現代設計方法。CAD技術促成機械設計發(fā)生巨大的變更，并成為現代機械設計重要組成部分。目前，CAD技術向更深更廣的發(fā)展，主要表現為以下幾個方面：6、有限元設計在工程技術領域內，能用解析方法求出精確解的只是方程性質比較簡潔且?guī)缀芜吔缦喈斠?guī)則的少數問題。因此，人們多年來始終在尋求另一種方法，即數值解法。有限元法是一種新的現代數值方法。它將連續(xù)的求解域離散為由有限個單元組成的組合體。這樣的組合體能用來模擬和靠近求解域。因為單元本身可以有不同的幾何形態(tài)，且單元間能夠按各種不同的聯結方式組合在一起，所以這個組合體可以模型化幾何形態(tài)特殊困難的求解域。柴油機曲軸整體有限元分析模型例：柴油機機體整體結構強度分析和優(yōu)化設計有限元模型常用有限元分析軟件類型：通用有限元分析軟件，如：ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、MARC、ADLNA等。專用有限元分析軟件，如：ADAMS、DADS、MSC/FATIGUE等。嵌套在CAD/CAE/CAM系統中的有限元分析模塊。如：I-DEAS、Pro/ENGINEER、UNlGRPHICS等系統中的有限元分析模塊。有限元分析是CAE的主要支撐，在這種集成系統中，有限元分析在工程師所熟悉的設計環(huán)境下進行。7、虛擬設計

以信息技術為依托，以協同設計、并行設計、虛擬設計、定制設計等為代表的先進設計技術，使產品的開發(fā)技術有了新的突破，代表了21世紀設計理論與實踐的重要發(fā)展趨勢。

虛擬現實（VirtualReality，VR）是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統，是在圖形學、電子顯示、語音識別與合成、傳感器等技術上發(fā)展起來的一門綜合仿真技術。VR技術的三個重要特征沉醉感Immersion交互性Interaction想象力Imagination用戶輸入反饋傳感器控制虛擬環(huán)境現實世界3D模型建模VR系統主要由三部分組成：軟件環(huán)境、高性能計算機系統和輸入/輸出設備。VR系統的軟硬件成本較高，應依據不同用途和須要配置不同的系統，達到不同的沉醉感，避開因系統過于困難而導致成本太高。①非沉醉式桌面型VR系統：廉價的立體顯示方案VR系統的主要類型：②沉醉式VR系統：主要依靠于各種VR硬件設備，如頭盔式顯示器等，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，利用位置跟蹤器、數據手套等設備與虛擬環(huán)境進行交互，產生一種身臨其境的感覺。③增加現實的VR系統（AR）：AR也稱混合現實，不僅利用VR技術模擬、仿真現實世界，而且增加現實中無法或不便利感知的感受。④分布式VR系統：基于網絡的虛擬現實系統。異地分布的多個用戶通過計算機網絡連接在一起，對同一虛擬世界進行視察和操作，達到協同工作的目的。產品設計與人機功效（飛機，空間站等）應用示例：科學計算可視化用于核彈B-61-x的虛擬組裝系統虛擬手機外形設計系統虛擬家具定制系統虛擬售票機8、逆向設計逆向設計，是在沒有設計圖紙或者設計圖紙不完整以及沒有CAD模型的狀況下，依據現有零件模型(尤其適合困難不規(guī)則的自由曲面)，利用各種數字化技術及CAD技術重新構造CAD模型的過程。對沒有設計圖紙及CAD模型的現有零件的復制；對須要通過試驗測試才能定型的工件模型的設計；美學設計特殊重要的領域，如汽車、摩托車等在油泥模型基礎