機(jī)械設(shè)計(jì)基本原理

機(jī)械設(shè)計(jì)基本原理第一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日第一章序言§1－1設(shè)計(jì)理論的概念

在自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)之間可以劃出一條明顯的界線。自然科學(xué)研究領(lǐng)域主要是尋求揭示自然規(guī)律和相應(yīng)的研究分析方法，從而在不同的自然科學(xué)領(lǐng)域形成了與該領(lǐng)域相對(duì)應(yīng)的理論和方法（如：數(shù)學(xué)、化學(xué)、物理、天文學(xué)、力學(xué)……）。技術(shù)科學(xué)是應(yīng)用科學(xué)，在已揭示的自然科學(xué)規(guī)律和相應(yīng)理論基礎(chǔ)上，解決人類自身生存和發(fā)展所面對(duì)的各種要求和需求的一門科學(xué)。它也有相應(yīng)的理論和方法作為支撐,第二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日有固有的內(nèi)在規(guī)律需要揭示。技術(shù)科學(xué)的發(fā)展受到自然科學(xué)發(fā)展的推動(dòng)和影響(當(dāng)然也受到社會(huì)科學(xué)的影響)。

技術(shù)科學(xué)的核心往往是設(shè)計(jì)。而此處所講的設(shè)計(jì)是廣義的，不僅涉及商品的設(shè)計(jì),而且包括實(shí)驗(yàn)分析儀器,裝置（民用，軍事）,大型工程項(xiàng)目,征服自然和宇宙的工具、手段和方法，所以設(shè)計(jì)是一門科學(xué)，同樣有其內(nèi)在的規(guī)律和所需遵循的原則。我們將設(shè)計(jì)科學(xué)中相關(guān)的內(nèi)容(知識(shí))上升到理論高度,使其更清晰和條理化，所以引出設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)原理的概念。研究設(shè)計(jì)的內(nèi)在規(guī)律和相應(yīng)的方法就構(gòu)成設(shè)計(jì)理論。設(shè)計(jì)理論和其他學(xué)科的理論一樣要服務(wù)于設(shè)計(jì)實(shí)踐,并在設(shè)計(jì)實(shí)踐中得到完善和提高。第三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日§1-2

機(jī)械設(shè)計(jì)理論一定義機(jī)械設(shè)計(jì)理論是研究機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)涵及其內(nèi)在規(guī)律的一門學(xué)科(它將人們對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí))。機(jī)械設(shè)計(jì)將涉及四方面的知識(shí):1)經(jīng)典科學(xué)(例:數(shù)學(xué)、物理學(xué)等)；

2)技術(shù)科學(xué)（機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、制造學(xué)……）；

3)實(shí)用工程理論（工程力學(xué)，材料力學(xué)……）；

4)社會(huì)學(xué)和美學(xué)；（機(jī)械設(shè)計(jì)理論涉及范圍廣，我們可以從不同的角度去歸納和總結(jié)）第四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日二機(jī)械設(shè)計(jì)理論的分類1）從工程角度可分為：工程分析理論－確定變量的種類和數(shù)量、材料性能、物理參數(shù)和數(shù)學(xué)常數(shù)。建立工程各主要過程的靜、動(dòng)狀態(tài)數(shù)學(xué)模型。如：運(yùn)動(dòng)過程（靜止、啟動(dòng)、加速、制動(dòng)）、振動(dòng)規(guī)律、能量傳遞過程、物料流程……

工程設(shè)計(jì)理論－在設(shè)計(jì)人員的直接參與下，確定工程系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)的種類，在初步預(yù)測(cè)初始條件，邊界條件和載荷條件的情況下，預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，即根據(jù)一般的性能預(yù)測(cè)系統(tǒng)的特殊性能（如：強(qiáng)度分析和動(dòng)態(tài)分析）第五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日2）從設(shè)計(jì)角度可分為：

參數(shù)優(yōu)化理論

結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化理論（有限元法、能量法）

最優(yōu)設(shè)計(jì)方法（三次設(shè)計(jì)法、系統(tǒng)分析法、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法、創(chuàng)新設(shè)計(jì)法）

科學(xué)設(shè)計(jì)過程（研究設(shè)計(jì)的規(guī)律和所遵循的思維過程）

評(píng)價(jià)和決策理論（主要用于方案設(shè)計(jì)和成果鑒定）3）從強(qiáng)度設(shè)計(jì)角度可分為：

等強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論（臨界強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論）

疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論（包括機(jī)械疲勞和熱疲勞）第六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日4)從失效分析角度可分為：

a)力和溫度引起的彈性變形失效（彈性變形量達(dá)到干擾機(jī)器實(shí)現(xiàn)其功能的情況。）

b)屈服失效（塑性變形達(dá)到干擾機(jī)器完滿實(shí)現(xiàn)功能的情況。）

c)曲面變形失效（兩接觸曲面間靜態(tài)力產(chǎn)生局部屈服，使表面一定范圍內(nèi)產(chǎn)生不連續(xù)的現(xiàn)象。如軸承滾道點(diǎn)蝕；汽車吊工作時(shí)液壓支撐。）

d)塑性斷裂失效（塑性變形達(dá)到斷裂程度）

e)脆性斷裂失效（彈性變形達(dá)到原子鍵破裂程度）

f)疲勞失效。包括：第七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日

◆高周疲勞；◆低周疲勞；◆熱疲勞－交變溫度場(chǎng)引起的失效◆表面疲勞－滾動(dòng)接觸表面因開裂、點(diǎn)蝕、脫落引起失效?！魶_擊疲勞－反復(fù)沖擊載荷引起的疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展◆腐蝕疲勞－腐蝕和疲勞交互作用◆微振疲勞－高頻微振動(dòng)引起所交變載荷和交變應(yīng)作用引起裂紋產(chǎn)生和發(fā)展

g)腐蝕失效，包括：◆直接化學(xué)腐蝕◆電化學(xué)腐蝕第八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日

◆晶間腐蝕◆選取腐蝕－固態(tài)合金中某一元素被過濾掉引起腐蝕◆空泡腐蝕－氣蝕◆氫腐蝕－氫氣泡、氫脆、氫侵襲◆生物腐蝕◆應(yīng)力腐蝕

h)磨損失效－接觸表面質(zhì)點(diǎn)逐漸被磨掉，尺寸變化而發(fā)生失效。可分為：◆粘附磨損－局部高壓使粗糙接觸點(diǎn)產(chǎn)生冷焊現(xiàn)象。隨運(yùn)動(dòng)而引起的塑性變形，粗糙接觸點(diǎn)破裂，導(dǎo)致局部金屬磨掉（脫落）◆磨粒磨損第九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日

◆表面疲勞磨損◆變形磨損◆沖擊磨損◆微振磨損（港務(wù)局端環(huán)經(jīng)向表面與曲軌間的磨損）

i)沖擊失效－動(dòng)載或沖擊載荷引起應(yīng)力和變形，使構(gòu)件功能失效。可分為：◆沖擊斷裂◆沖擊變形◆沖擊磨損◆沖擊疲勞

j)蠕變失效（曲軌伸長(zhǎng)、螺栓防松）

k)高溫蠕變斷裂

l)應(yīng)力松弛第十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日

m)熱沖擊

n)膠合失效

o)輻射損傷－部件受輻射而改變了材料的性能，使其功能失效5)從設(shè)計(jì)壽命角度

a)無限設(shè)計(jì)壽命理論（雷達(dá)）

b)有限設(shè)計(jì)壽命理論（飛機(jī)）

c)等壽命設(shè)計(jì)理論（日本汽車）

d)臨界設(shè)計(jì)壽命設(shè)計(jì)理論（安全保護(hù)作用）6)從安全性、可靠性角度

a)安全系數(shù)法

b)可靠性設(shè)計(jì)理論7)人－機(jī)關(guān)系協(xié)調(diào)理論第十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日§1－3

機(jī)械設(shè)計(jì)理論研究狀況和發(fā)展趨勢(shì)

目前機(jī)械設(shè)計(jì)處于半經(jīng)驗(yàn)半理論設(shè)計(jì)階段，不完全成熟，還需要進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)的內(nèi)在規(guī)律和特征。

設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)是：

設(shè)計(jì)由靜態(tài)走向動(dòng)態(tài)；由單參數(shù)走向多參數(shù)；由安全走向可靠；方案設(shè)計(jì)由單解走向多解，最終設(shè)計(jì)將走向自動(dòng)化和智能化，所以設(shè)計(jì)理論將趨于完善?？傊O(shè)計(jì)理論的發(fā)展受到相關(guān)學(xué)科理論的發(fā)展影響；受到設(shè)計(jì)手段和設(shè)計(jì)方法的影響。所以機(jī)械設(shè)計(jì)理論是多學(xué)科理論的綜合體在設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。第十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日第十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日第二章設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及設(shè)計(jì)原理§2－1設(shè)計(jì)準(zhǔn)則一機(jī)械設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)目標(biāo)－建立能滿足功能要求、經(jīng)濟(jì)合理和具有規(guī)定可靠性指標(biāo)的技術(shù)系統(tǒng)。

(滿足上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要做哪些工作呢？)1)必須提出一種初步設(shè)計(jì)概念(功能原理設(shè)計(jì)，如潛望鏡)以適應(yīng)預(yù)期的功能要求，并滿足經(jīng)濟(jì)要求和使用要求。第十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日

2)必須定量估算構(gòu)件上所受載荷的種類、大小和相對(duì)變動(dòng)范圍（、、、……）（從宏觀上看）

3)對(duì)機(jī)械進(jìn)行系統(tǒng)分析（傳動(dòng)、動(dòng)力、執(zhí)行、工作頭、控制、輔助系統(tǒng)……）和載荷定量估算（重力、徑向力、軸向力、扭、彎、剪、沖、慣性力……）

4)根據(jù)機(jī)械性能、物理性能、設(shè)計(jì)性能要求，以及經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面限制和約束條件，選擇各零部件的材料和熱處理方法。

5)必須使用統(tǒng)計(jì)的方法描述載荷特性和材料的主要強(qiáng)度特性。

6)必須定量估算各零部件的強(qiáng)度、剛度、失效特征及可靠性指標(biāo)。

7)必須描述系統(tǒng)的總體強(qiáng)度、破壞特征及可靠性指標(biāo)。第十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日

8)在上述估算和描述的基礎(chǔ)上，對(duì)零部件從使用要求和經(jīng)濟(jì)性兩方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。（參數(shù)優(yōu)化，幾何形狀優(yōu)化）

1從科學(xué)分析和創(chuàng)造性設(shè)計(jì)角度，設(shè)計(jì)人員應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

1)創(chuàng)造性地利用所需要的物理性能，同時(shí)控制不需要的物理性能在規(guī)定的范圍內(nèi)。二設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（從以下三方面研究設(shè)計(jì)準(zhǔn)則）第十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日

(為設(shè)計(jì)一臺(tái)符合使用要求的、滿足特定功能的機(jī)器，應(yīng)綜合考慮許多自然規(guī)律及構(gòu)成機(jī)器的各零部件的材料性能。如：撓性、重力、強(qiáng)度、剛度、慣性力、浮力、離心力、斜面原理、杠桿原理、摩擦、粘度、熱膨脹等，以及電學(xué)、光學(xué)、化學(xué)現(xiàn)象。機(jī)械物理性能一般都具有兩重性：一種性能在某一場(chǎng)合是可利用的有益的，而在另一場(chǎng)合下則可能是有害的。如：摩擦在摩擦離合器上需要增大摩擦力，而該離合器的支撐軸承上則需要摩擦力越小越好；(熱膨脹)軸與軸承內(nèi)環(huán)采用熱裝，冷卻時(shí)可以得到預(yù)緊力，而軸承的內(nèi)、外環(huán)和滾動(dòng)體間不應(yīng)溫差變化而抱死。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)創(chuàng)造性地利用和控制所需的物理性能，而同時(shí)將不需要的物理性能減小到最低限度。)第十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日2)判別功能載荷及其意義對(duì)任何一個(gè)零部件都應(yīng)分析它的功能載荷是什么？附加載荷是什么？(如：斜齒輪)要充分考慮它們的影響。例如：安裝有高速渦輪的軸上要承受扭拒和交變工作載荷或疲勞載荷，但由于環(huán)境、設(shè)計(jì)及選材問題，可能有其它附加載荷。如：沖擊載荷、活動(dòng)載荷、不共面載荷產(chǎn)生的慣性力矩和靜不定載荷。設(shè)計(jì)中應(yīng)確定在一個(gè)工作循環(huán)中，多種載荷的最不利的組合，從而設(shè)計(jì)和選擇關(guān)鍵零件，如軸和軸承。3)充分估計(jì)和預(yù)測(cè)意外載荷

(例：螺栓安裝時(shí)的偏心載荷；不同心的兩軸用剛性聯(lián)軸器連接時(shí)產(chǎn)生的附加力；振動(dòng)載荷；兩相配合零件熱膨脹不協(xié)調(diào)產(chǎn)生的約束力以及安裝和運(yùn)輸當(dāng)中產(chǎn)生的附加力)第十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日4)創(chuàng)造性地利用載荷條件，即利用或消除不利載荷影響。

(例：曲軸平衡問題，盤式摩擦制動(dòng)器的摩擦片為偶數(shù)；同一軸上相鄰斜齒輪，螺旋角的調(diào)整可使軸向力為零；行星傳動(dòng)均載機(jī)構(gòu)；厚油膜均載；軸承部件中一側(cè)軸承可軸向移動(dòng)，可減少裝配誤差和熱膨脹產(chǎn)生的軸向力)5)合理設(shè)計(jì)零部件各位置的應(yīng)力分布和剛度，最大限度減少設(shè)置重量。(應(yīng)用應(yīng)變能分布密度，進(jìn)行幾何形狀優(yōu)化)(承受交變或脈動(dòng)載荷的零件，要注意引起應(yīng)力集中的部位的設(shè)計(jì)。如圓角、螺紋、小孔及配合面。如取煤機(jī)主軸的設(shè)計(jì)采用無鍵聯(lián)接；必要時(shí)關(guān)鍵部位采用局部表面強(qiáng)化處理；承受單向載荷的構(gòu)件如壓力容器、彈簧、旋轉(zhuǎn)圓盤、第十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日吊鉤等，可在工作載荷方向施加預(yù)應(yīng)力（預(yù)緊應(yīng)力和殘余應(yīng)力），可以降低工作時(shí)的應(yīng)力幅值；軸承支撐處要有足夠的剛度，以減少變形引起嚙合和鉸接誤差，例：鋼絞線減速器；盡量采用空心箱體結(jié)構(gòu)，可提高剛度）6)應(yīng)用基本公式求相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸和有關(guān)參數(shù)時(shí)，要注意公式的準(zhǔn)確性和誤差范圍。經(jīng)常要改寫公式的表達(dá)形式使之更直觀和便于計(jì)算；對(duì)具體問題作簡(jiǎn)化處理，以便應(yīng)用上述公式或者對(duì)公式的應(yīng)用條件作基本假設(shè)，這可能帶來誤差。例如1：齒輪輪齒的彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式可用懸臂梁的公式分析，帶來一定的誤差，必須引入修正系數(shù)。7)根據(jù)性能組合選擇材料(即綜合考慮材料性能)

(所謂性能組合是指：選擇材料時(shí)，不僅要考慮強(qiáng)度、硬度

第二十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日

和重量，還要考慮抗沖擊性、抗疲勞性、電化學(xué)特性、抗腐蝕性和抗高低溫性能以及制造性能，如：加工性能、冷變形性、可焊接性、對(duì)熱處理溫度的敏感性及光潔度等)8)改進(jìn)功能原理設(shè)計(jì)，以適應(yīng)制造工藝和降低成本。如：齒輪成型工藝。

9）保證零件在裝配中能準(zhǔn)確定位、不發(fā)生干涉。2從學(xué)科種類，機(jī)械設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可有以下9種：

1)符合力學(xué)要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

2)符合工藝要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

3)符合材料要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

4)符合裝配要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則第二十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日

5)符合防腐要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

6)符合公差要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

7)符合支撐要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

8)符合安全要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

9)符合美學(xué)要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則3從結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)角度設(shè)計(jì)原則可分為三類：

1）明確：產(chǎn)品功能明確，工作原理明確，使用工況和應(yīng)力狀態(tài)明確，技術(shù)文件表達(dá)明確。

2）簡(jiǎn)單：功能和結(jié)構(gòu)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系清晰

3）安全，可靠：設(shè)計(jì)安全技術(shù)、使用安全技術(shù)和預(yù)防安全技術(shù)。第二十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日§2－2

幾種典型的設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)介1等強(qiáng)度原理通過幾何形狀設(shè)計(jì)和選擇材料，力求構(gòu)件中主要承載區(qū)應(yīng)力狀態(tài)相同或應(yīng)力幅值相近(可充分發(fā)揮材料強(qiáng)度潛力)2合理力流原理(力流－廣義的力傳遞的路線)1)力線在構(gòu)件中不會(huì)中斷和消失

2)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，力求避免力線密度增加和力線突然轉(zhuǎn)向

(力線轉(zhuǎn)向與其密度改變是相關(guān)的)3)按改善構(gòu)件上力線密集強(qiáng)度來設(shè)計(jì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)。如：軸肩圓角。第二十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日3短程力傳動(dòng)原理

力線傳遞的路線是使構(gòu)件變形量趨于最小的路線（彈性范圍內(nèi)），所以彈性范圍內(nèi)，力和變形之間的關(guān)系是線性的，該系統(tǒng)為保守系。所以選擇不同的傳力路線，可以改變剛度。拉壓<彎曲<扭轉(zhuǎn)。4變形協(xié)調(diào)原理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)力求相互作用的構(gòu)件相對(duì)變形量減小,或變形方向一致

(以三翻車機(jī)端環(huán)結(jié)構(gòu)與梁，曲軌與托輪間接觸狀態(tài)為例)5力平衡原理

構(gòu)件(機(jī)構(gòu))工作時(shí),要輸入主參量(F、M、T、S、v、a……)，同時(shí)有相關(guān)的伴生副參量(F’、M’、T’、S’、

v’、a’……)產(chǎn)生。(伴生的副參量一般對(duì)總功能或主要功能的實(shí)現(xiàn)是有害的)。設(shè)計(jì)上要設(shè)法平衡掉副參量的影響，或者將副參量的影響轉(zhuǎn)化為對(duì)總功能有益的參量。

第二十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日6任務(wù)分配原理

a)功能和功能載體的關(guān)系：一種功能對(duì)應(yīng)一個(gè)功能載體(結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于優(yōu)化)，多種功能對(duì)應(yīng)一個(gè)功能載體(結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高)例如：箱體類構(gòu)件

b)功能不同的任務(wù)分配：

(相互抵觸（矛盾）的功能，分別由不同構(gòu)件來實(shí)現(xiàn))第二十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日

c)功能相同的任務(wù)分配(分流－匯流傳動(dòng))

例：行星傳動(dòng)、多點(diǎn)嚙合柔性傳動(dòng)7自助原理（自加強(qiáng)，自平衡，自保護(hù)）結(jié)構(gòu)功能的總效應(yīng)由兩部分組成（疊加）：

1)主參量引起的原始作用效應(yīng)

2)伴生副參量引起的輔助作用效應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，保證輔助作用效應(yīng)起積極（有益）的作用。第二十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日F0——初裝預(yù)緊力；U——原始效應(yīng)；H——輔助效應(yīng)(由內(nèi)壓力產(chǎn)生)；G——合成效應(yīng)（體現(xiàn)在內(nèi)壓面上）第二十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日作業(yè)：汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子上葉片的安裝方式

建國(guó)初期，我國(guó)自行設(shè)計(jì)制造的汽輪機(jī)常發(fā)生葉片從根部斷裂事故，試分析斷裂原因。提出改進(jìn)意見，建立改進(jìn)后的葉片根部強(qiáng)度設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型第二十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日

自保護(hù)：當(dāng)構(gòu)件的變形量達(dá)到一定值時(shí)，為防止繼續(xù)變形可能引起的失效，應(yīng)設(shè)計(jì)另一傳遞力的路線。(轉(zhuǎn)爐傾翻裝置限位塊、壓簧的簧絲接觸傳力)8穩(wěn)定與雙穩(wěn)定原理

1)穩(wěn)定性原理：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)保證構(gòu)件受外力干擾后，會(huì)產(chǎn)生抵消或削弱干擾因素的影響如：液壓缸活塞設(shè)計(jì)，軸承部件熱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

2)雙穩(wěn)定原理：機(jī)構(gòu)在臨界狀態(tài)之前是收斂型保守系統(tǒng)，屬于穩(wěn)定狀態(tài)，在臨界狀態(tài)之后為發(fā)散性的非保守系統(tǒng)，屬于非穩(wěn)定狀態(tài)。第二十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日如：深水炸彈起爆裝置xc——臨界點(diǎn)當(dāng)x＞xc時(shí)，＜當(dāng)x<xc時(shí)，＞

第三十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日第三章科學(xué)設(shè)計(jì)過程§3-1設(shè)計(jì)的邏輯思維過程

設(shè)計(jì)邏輯思維過程揭示了設(shè)計(jì)的規(guī)律和邏輯步驟，該邏輯思維過程適用于設(shè)計(jì)的全過程和設(shè)計(jì)的每一階段第三十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日§3-2

科學(xué)設(shè)計(jì)過程

科學(xué)設(shè)計(jì)過程能全面反映設(shè)計(jì)工作中主要特征，符合設(shè)計(jì)思維過程。介紹一種設(shè)計(jì)過程模式。第三十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日聯(lián)邦德國(guó)：VDI2222文件中的設(shè)計(jì)進(jìn)程圖第三十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日§3-3

創(chuàng)造性設(shè)計(jì)

創(chuàng)造性設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于方案原理設(shè)計(jì)階段，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段也常常采創(chuàng)造性設(shè)計(jì)方法。所謂創(chuàng)造，就是發(fā)明或發(fā)現(xiàn)前人未涉及的領(lǐng)域、知識(shí)（發(fā)明專利）或結(jié)構(gòu)（實(shí)用模型專利），并應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)，是新產(chǎn)品開發(fā)過程中的主要設(shè)計(jì)方法（途徑）。一創(chuàng)造性思維的幾種主要方式：1邏輯思維（應(yīng)用邏輯推理方法）縱向推理、橫向推理、逆向推理2靈感思維（產(chǎn)生思維飛躍，需要觸發(fā)信息）3擴(kuò)散思維（利用知識(shí)和想象）4多向思維（有規(guī)律地多方向思維問題）第三十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日二創(chuàng)造性技法

(國(guó)內(nèi)外的研究較多，大約200－300種技法，可歸納為：)1.自激法(靈感法)－針對(duì)某一問題或某一方向，大量查閱資料，采用發(fā)散型思維方式，獨(dú)立解決問題

2.他激法(集思廣益法)

智爆法(智爆小組)；

635法；步進(jìn)法(Gordon法)；書面集智法(Delphi法)3.提問追溯法(奧斯體提問法、阿爾諾特提問法、5W-H)4.系統(tǒng)分析法

5.優(yōu)缺點(diǎn)列表法第三十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日

創(chuàng)造性與目的相聯(lián)系，要受市場(chǎng)、法律等約束，創(chuàng)造性活動(dòng)的思維方式是發(fā)散－收斂交替進(jìn)行，即在方案設(shè)計(jì)階段，要首先采用抽象化處理方法，抓住問題的本質(zhì)（高度抽象），然后應(yīng)用發(fā)散性思維廣泛收集可能的解法，最后收斂求最優(yōu)解決原理。第三十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日設(shè)計(jì)的三個(gè)層面§3-4

TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論第三十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日設(shè)計(jì)過程是一個(gè)發(fā)展的動(dòng)態(tài)過程，是一個(gè)不斷解決“常規(guī)問題”和“發(fā)明問題”的過程，是一個(gè)螺旋式上升的過程。解決常規(guī)問題——稱為常規(guī)設(shè)計(jì)（大量為此設(shè)計(jì)）。解決發(fā)明問題——?jiǎng)?chuàng)新設(shè)計(jì)。一個(gè)設(shè)計(jì)是由大量的常規(guī)設(shè)計(jì)和少量的創(chuàng)新設(shè)計(jì)所組成。創(chuàng)新設(shè)計(jì)——特征是在概念設(shè)計(jì)階段（功能、原理、方案設(shè)計(jì)階段）解決設(shè)計(jì)中的沖突和矛盾，提出新的有競(jìng)爭(zhēng)能力的原理解。第三十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日§3-5

TRIZ基本概念

TRIZ是俄文字頭的英譯。俄文：ТеорцяРещенцяИзобретаТелескихЗадач

中文：“創(chuàng)新式解決問題的理論”英文：“TheoryofInventiveProblemSolving”1946年，前蘇聯(lián)海軍專利部G.S.Altshugler等專家對(duì)百萬專利文獻(xiàn)加以研究，經(jīng)五十多年的努力，發(fā)現(xiàn)了創(chuàng)新系統(tǒng)的規(guī)律，并由此建立一套完整的、適用的解決發(fā)明問題的方法，稱為：TRIZ理論。其核心是——技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化原理，它是目前實(shí)現(xiàn)發(fā)明創(chuàng)造、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)的最有效方法。1.TRIZ的產(chǎn)生和主要內(nèi)容第三十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日第四十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日

在研究了大量的專利及技術(shù)文件中，發(fā)現(xiàn)了如下規(guī)律：

①

不同領(lǐng)域在發(fā)明的問題上所采用的原理（方法）并不多。在不同時(shí)期、不同領(lǐng)域其原理或方法被反復(fù)使用。②

發(fā)明創(chuàng)新原理適用于不同的領(lǐng)域。

③

解決沖突及問題的原理在不同的工業(yè)、軍事及科學(xué)領(lǐng)域交替出現(xiàn)。

④

技術(shù)進(jìn)化模式（規(guī)律）在不同工程及科學(xué)領(lǐng)域也交替出現(xiàn)。

⑤

創(chuàng)新設(shè)計(jì)所依據(jù)的科學(xué)原理往往屬于其他領(lǐng)域（學(xué)科交叉、技術(shù)雜交）2.TRIZ的重要發(fā)現(xiàn)第四十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日3.TRIZ解決發(fā)明問題的一般方法

以前人們搞發(fā)明創(chuàng)造所用的方法：多為探索性（反復(fù)嘗試），仿生法、經(jīng)驗(yàn)法、靈感法。缺乏系統(tǒng)性的創(chuàng)新方法。

TRIZ的一般方法為：

⑴對(duì)待解決的問題加以定義、明確。⑵應(yīng)用TRIZ理論，將待解決的問題轉(zhuǎn)化為類似的標(biāo)準(zhǔn)問題（抽象化處理），對(duì)問題歸納、總結(jié)出類似的標(biāo)準(zhǔn)解決方法。⑶依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的解決方法，解決實(shí)際的、特殊的問題。（由抽象到具體）第四十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日第四十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日4.發(fā)明創(chuàng)造的等級(jí)劃分

可劃分為5個(gè)等級(jí)：（依據(jù)對(duì)科學(xué)的貢獻(xiàn)程度、應(yīng)用范圍、經(jīng)濟(jì)效益）⑴通常的設(shè)計(jì)問題，對(duì)已知系統(tǒng)做簡(jiǎn)單改造。（依據(jù)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)，不需要?jiǎng)?chuàng)新，只是不同領(lǐng)域知識(shí)的運(yùn)用）。（實(shí)用新型）（32%）⑵通常解決一個(gè)技術(shù)沖突，對(duì)已有的系統(tǒng)做局部改進(jìn)。（不是跨學(xué)科的，在本領(lǐng)域內(nèi)解決沖突）（45%）⑶對(duì)已有的系統(tǒng)做根本的改進(jìn)（解決行業(yè)內(nèi)的關(guān)鍵問題）（18%）第四十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日

⑷采用全新的原理完成對(duì)已有系統(tǒng)的功能性創(chuàng)新。（從科學(xué)的角度，而不是單純的工程角度解決沖突，利用科學(xué)知識(shí)和原理解決發(fā)明創(chuàng)造問題）（4%）⑸用新揭示的自然規(guī)律或定律，導(dǎo)致一種發(fā)明創(chuàng)造。（激光器，形狀記憶合金，計(jì)算機(jī)……的首次發(fā)明）。（1%）

【發(fā)明的等級(jí)越高，應(yīng)用的知識(shí)越多，難度越大，貢獻(xiàn)越大，95%的發(fā)明是用行業(yè)內(nèi)的知識(shí)，5%的發(fā)明用到了行業(yè)外的知識(shí)（學(xué)科交叉）?！康谒氖屙?，共七十六頁，編輯于2023年，星期日

§3-6設(shè)計(jì)中的沖突及解決原理一、沖突的概念當(dāng)修改某零件、部件的設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)提高機(jī)械系統(tǒng)某方面的性能，但同時(shí)會(huì)影響到相關(guān)零部件的設(shè)計(jì)，因而使系統(tǒng)的其他方面性能削弱，此現(xiàn)象為設(shè)計(jì)沖突。例：提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速帶來的問題。（功率不變的情況下，體積小、成本低，但帶來…）傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)：當(dāng)沖突發(fā)生時(shí)，采用折中的方法，而得不到徹底地解決，只是降低了沖突的程度。第四十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日如：潛望鏡，增加可伸縮剛性鏡的長(zhǎng)度……

創(chuàng)新設(shè)計(jì)：當(dāng)沖突出現(xiàn)時(shí)，應(yīng)用新知識(shí)和新技術(shù)解決或移走沖突。如：光纖潛望鏡的發(fā)明發(fā)明創(chuàng)造的核心是發(fā)現(xiàn)沖突和解決沖突。產(chǎn)品進(jìn)化過程是一個(gè)螺旋式上升的過程，即是一個(gè)不斷發(fā)現(xiàn)沖突和不斷解決沖突的過程。二、沖突的分類

1.可分為三大類、兩個(gè)層次，即沖突可作樹狀結(jié)構(gòu)：第四十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日自然沖突——是相對(duì)的，與人類的文明程度有關(guān)。某個(gè)時(shí)代的自然沖突在該時(shí)代是無解的，而在隨后的某個(gè)時(shí)代可能有解社會(huì)沖突——設(shè)計(jì)人員的素質(zhì)，社會(huì)組織形式，人們的觀念和思維方式。工程沖突——是TRIZ理論研究的重點(diǎn)。第四十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日2.基于TRIZ的沖突分類管理沖突、物理沖突、技術(shù)沖突三、物理沖突的定義為了實(shí)現(xiàn)某種功能，子系統(tǒng)或元件應(yīng)具有某種特征，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致某些方面的相反的特征。如：飛機(jī)的飛翼大小與起飛與高速間的矛盾關(guān)系；齒輪精度與成本的關(guān)系。物理沖突的類型：子系統(tǒng)中有害功能降低引起該系統(tǒng)有用功能的降低。子系統(tǒng)中有用功能的加強(qiáng)引起的該系統(tǒng)有害功能的加強(qiáng)。第四十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日四、物理沖突的解決原理現(xiàn)代TRIZ理論提出了分離原理是解決物理沖突的有效方法。

1.空間分離原理：定義：將沖突在不同的空間上分離，以降低解決問題的難度。應(yīng)用條件：①?zèng)_突的雙方在某一空間內(nèi)只有一方存在，空間分離是可能的。

第五十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日②沖突的一方在整個(gè)空間里“正向”或“負(fù)向“變化（單調(diào)函數(shù)）。③沖突的一方在某處空間里不按一個(gè)方向變化。2.時(shí)間分離原理定義：沖突的雙方在不同的時(shí)間段上分離，以降低解決問題的難度。應(yīng)用條件：①子系統(tǒng)雙方在某一時(shí)間段上只能出現(xiàn)一方時(shí)，可應(yīng)用時(shí)間分離原理。②沖突的一方在整個(gè)時(shí)間段中會(huì)有“正”或“負(fù)”方向變化。③在時(shí)間段中，沖突的一方可不按一個(gè)方向變化。例如：變機(jī)翼的分離原理應(yīng)用。第五十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日3.基本條件的分離定義：沖突的雙方在不同的條件下分離，以降低解決問題的難度。應(yīng)用條件：①子系統(tǒng)的沖突雙方在某一條件下只能出現(xiàn)一方時(shí)，可應(yīng)用條件分離原理。②沖突的一方在所有的條件下都會(huì)有“正”或“負(fù)”方向變化。③在某些條件下，沖突的一方不按一個(gè)方向變化。例：流體動(dòng)力潤(rùn)滑油膜形式的條件。（v=?）4.總體與部分的分離定義：沖突雙方在不同層面上的分離，以降低解決問題的難度。第五十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日應(yīng)用條件：沖突雙方在關(guān)鍵子系統(tǒng)層面上只出現(xiàn)一方，而在其它層面上不出現(xiàn)。例：齒輪齒面五技術(shù)沖突定義：一個(gè)技術(shù)特征的有益改進(jìn)，可導(dǎo)致有益的和有害的兩種效應(yīng)（表現(xiàn)為一個(gè)系統(tǒng)中兩個(gè)子系統(tǒng)間的沖突）

技術(shù)沖突的三種情況：

第五十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日

(1)一個(gè)子系統(tǒng)中引入一種有益的功能后，會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)子系統(tǒng)產(chǎn)生有害功能，或使已有的不利因素加強(qiáng)。例：火車制動(dòng)時(shí)有時(shí)撒沙子，但增減磨損速度

(2)一個(gè)有害的功能導(dǎo)致另一個(gè)子系統(tǒng)有用功能的變化。例：車輪運(yùn)行中滾動(dòng)摩擦系數(shù)增大會(huì)增加阻力，但有利于制動(dòng)

(3)有用功能的加強(qiáng)或有害功能的減小使另一個(gè)子系統(tǒng)變得更復(fù)雜。例：制導(dǎo)炮彈的制導(dǎo)功能，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜和易受干擾。采用分流——匯流傳動(dòng)，可以減小體積，但存在不均勻問題。第五十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日六技術(shù)沖突的一般化處理（抽象化處理）

(應(yīng)用39個(gè)通用工程參數(shù)描述技術(shù)沖突的目的，是將實(shí)際工程設(shè)計(jì)中的沖突轉(zhuǎn)化為一般的或類似的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)沖突)。將眾多的實(shí)際技術(shù)問題抽象歸納為39個(gè)工程技術(shù)參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)沖突——是指39個(gè)工程參數(shù)中兩兩之間構(gòu)成的沖突。1)通用工程參數(shù)的抽象化描述。39個(gè)工程參數(shù)可分為3類：

①物理及幾何參數(shù)1~12，12~18，21②技術(shù)負(fù)向參數(shù)（即參數(shù)量與性能呈反比）

15~16，19~20，22~26，30~31③技術(shù)正向參數(shù)（即參數(shù)量與性能呈正比）13~14，27~29，32~39第五十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日2)例子：機(jī)床：加工范圍，床身越長(zhǎng)→加工精度越低→系統(tǒng)精度越高，加工工件精度↗3)技術(shù)沖突與物理沖突：技術(shù)沖突涉及兩個(gè)基本參數(shù)A和B，A↑→B↑或A↑→B↓

物理沖突僅涉及系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)或部件的功能。三技術(shù)沖突的解決原理1）概述：

創(chuàng)新、發(fā)明的經(jīng)驗(yàn)可分為兩類：第一類：適用于本領(lǐng)域（一個(gè)專門的領(lǐng)域）的經(jīng)驗(yàn)，由本領(lǐng)域的專家或研究人員總結(jié)出來的、適應(yīng)范圍較窄的。（如軋鋼，鍛壓…）

第五十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日第二類：適用于不同領(lǐng)域的通用的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，該經(jīng)驗(yàn)是規(guī)律性的，具有普遍意義（寬口徑）（機(jī)械設(shè)計(jì)理論及方法）

TRIZ理論的技術(shù)沖突解決原理屬于第二類經(jīng)驗(yàn)2）40條發(fā)明創(chuàng)造原理（是解決技術(shù)沖突的核心內(nèi)容）

1.分割原理

模塊化設(shè)計(jì)

2.分離原理

潛艇隔振第五十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日

3.局部質(zhì)量原理

4.不對(duì)稱原理

半導(dǎo)體制冷原理

5.合并原理

6.多用性原理：使物體完成多項(xiàng)功能（多功能……）第五十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日7.嵌套原理

8.預(yù)加反作用原理

9.質(zhì)量補(bǔ)償原理

10.預(yù)操作原理

第五十九頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日11.預(yù)補(bǔ)償原理：補(bǔ)償物體相對(duì)較低的可靠性（自潤(rùn)滑軸承、裝配大入口設(shè)計(jì)，扭力桿的極限擋塊、第二安全措施設(shè)計(jì)——鋼包吊裝……）

12.等勢(shì)性原理：轉(zhuǎn)變工作條件，使物體不需要升高或降低（雙穩(wěn)系統(tǒng)）（改變幾何形狀，使其獲得等勢(shì)性）——鐘的運(yùn)輸13.反向原理

14.曲面化原理

第六十頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日

15.動(dòng)態(tài)化原理

16.未達(dá)到或超過的作用原理：稍未達(dá)到或稍微超過的效應(yīng)。（精密鑄造的型）（過籠機(jī)構(gòu)，死點(diǎn)附近工作……）17.維數(shù)變化原理

第六十一頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日

18.振動(dòng)原理

19.周期性作用原理20.有效作用的連續(xù)性原理

第六十二頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日

21.緊急行動(dòng)原理：有害的操作在短期內(nèi)完成（爆破拆樓爆炸成型）22.變有害為益的原理

23.反饋原理

24.中介物原理

25.自服務(wù)原理

第六十三頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日26.復(fù)制原理

27.低成本、低壽命的物體代替原產(chǎn)品（一次性產(chǎn)品）（熱電偶測(cè)剛水溫度）

28.機(jī)械系統(tǒng)的替代原理

29.氣動(dòng)、液動(dòng)結(jié)構(gòu)原理：用氣、液部件代替固體部件（液壓彈簧，阻尼器）

30.柔性殼體及薄膜原理第六十四頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日31.多孔材料原理32.改變顏色原理

33.同質(zhì)性原理：采用相同或相似的物體相互作用。（合金刀切削合金）34.拋棄與修復(fù)原理第六十五頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日35.參數(shù)改變?cè)?/p>

36.狀態(tài)變化原理：物體狀態(tài)變化獲得有益的效應(yīng)：空氣中的

O2固態(tài)造成局部缺氧37.熱膨脹原理（熱伸長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)微動(dòng)作）

38.加速氧化原理（發(fā)酵處理，頂吹轉(zhuǎn)爐工藝）

第六十六頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日39.惰性環(huán)境原理

40.復(fù)合材料原理：將單一材料改為復(fù)合材料（衣料、裝甲等）

3-7

利用沖突矩陣實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新一、沖突矩陣

39×39的方陣39（行）→描述沖突的通用工程參數(shù)序號(hào)，希望功能得到改善的參數(shù)。

39（列）→功能惡化的通用工程參數(shù)行列的交點(diǎn)為元素包含解決沖突的各個(gè)發(fā)明原理。（40個(gè)中的某幾個(gè)發(fā)明原理）第六十七頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日二、解決沖突的步驟

1.定義待設(shè)計(jì)的系統(tǒng)

2.確定系統(tǒng)的主要功能

3.做功能分析，列出功能結(jié)構(gòu)

4.求出各分功能的可能解

5.確定系統(tǒng)要改善的特性

6.涉及到的參數(shù)分別歸納成與39個(gè)通用工程參數(shù)對(duì)應(yīng)的參數(shù)

7.描述技術(shù)沖突（改善的參數(shù)及伴生的惡化參數(shù)）

8.降低惡化參數(shù)的惡化程度

9.應(yīng)用沖突矩陣，確定相關(guān)元素（行、列的交點(diǎn)）

10.確定相關(guān)的發(fā)明原理

11.應(yīng)用發(fā)明原理做功能原理設(shè)計(jì)，指導(dǎo)新的設(shè)計(jì)。

12.對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)、決策，進(jìn)入技術(shù)設(shè)計(jì)。

第六十八頁，共七十六頁，編輯于2023年，星期日3-8

利用技術(shù)進(jìn)化模式實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新

一概述

技術(shù)進(jìn)化模式（規(guī)律、路線）在不同的工程技術(shù)領(lǐng)域