浙大机械的发展与创新设计

学而由其统，言而要其中，文而济其用，行而显于众。《进学解》韩愈机械的发展与创新设计§1-1机械的发展与创新概述机械产品的发展与材料科学密切相关：（1）石器时代（2）铜器时代（3）铁器时代（4）半导体时代早期机械实例早期机械实例地动仪牛顿手制的望远镜StructureofoldbikeSimplemachine-NutcrackerGalileo望远镜英国早期的火车（1847年）水泵的结构现代机械实例现代机械实例现代机械实例国际空间站（2005年）机械设计方法发展1、60年代：优化设计、可靠设计、仿生设计2、70年代：计算机辅助设计、摩擦学设计、设计方法学、有限元设计、边界元设计3、80年代：质量驱动设计、参数化设计、智能设计、分形设计机械设计方法发展4、90年代：并行设计（基于网路的设计）、虚拟设计，基于实例的设计5、21世纪：计算设计（计算实验或数字设计）、集成设计······优化设计方法仿生设计示例仿生设计示例人机工程学设计实例机械的发展与创新设计§1-2机械创新设计综述一、机械创新设计的涵义：利用技术原理进行创新构思的设计实践活动。(1)Improvement(2)Innovation(3)Creation齿轮有限元设计数字化设计示例－陈奎霖2006机械的发展与创新设计二、创新设计的基本类型及其活动特点1、原理开拓创新2、组合创新3、转用创新（变异的创新）4、克服偏见的创新机械的发展与创新设计§1-3机械功能原理设计及创新一、机械系统及功能二、功能原理设计的意义三、功能结构设计分析四、功能元求解及求系统原理解机械的发展与创新设计五、功能原理的创新–洗衣机的设计原理机械式洗衣机（波轮式、滚筒式）干洗（蒸汽洗衣机）超声波洗衣机纳米洗衣机–洗衣机的设计方案电机－带传动－轮论（滚筒）电机－波轮（滚筒）机械的发展与创新设计§1-4传动方案及机构创新一、传动方案二、机构创新§1-5机械结构的改进与创新传动方案的布置原则1、传递载荷能力小的（例如、带）放在高速级2、有动载荷的（例如、链）放在低速级3、传动平稳的（例如、斜齿轮）放在高速级，传动平稳性较差的（例如、直齿轮）放在低速级4、运动链中有摩擦传动的（例如、带与摩擦轮传动），制动器应放在工作机前，才能实现有效制动机械的发展与创新设计§1-6现代机械设计与机电一体化1、现代设计方法功能—原理——结构2、CAD—计算机辅助设计3、FEM与BEM设计4、价值设计（VD）5、人机工程设计示例－纸张分离原理解机械的发展与创新设计6、新的设计与分析方法–1990年前：运动学设计，动力学设计，强度设计，疲劳设计，优化设计，可靠性设计，概念设计，系统设计，有限元设计，摩擦学设计，工业造型设计–1990年后：并行设计，虚拟设计，协同设计，网络设计，智能设计，集成设计模糊设计，反求设计，可重构设计，生态设计…..机械的发展与创新设计6、新的设计技术与软件–CAD/CAE/CAPP，设计数据库，设计工具库，设计应用软件；–集成化设计信息系统（并行网络设计系统）；例如，UNIGRAPHYSICS,ProE,Ansys等机械的发展与创新设计二、机电一体化1、机电原理与技术的集成–原理的替换与集成–结构的替换与集成–技术的替换与集成2、光－声－机—电原理与技术的集成3、微机械的设计机械系统设计机械系统设计机械系统设计有限元设计机电一体化设计磁悬浮列车“火箭之父”－齐奥尔科夫斯基神舟五号成功完成神舟六号出发神舟六号圆满成功未来的星球车目前机械：Micro-chipdevices:Plantcell:Animalcell:Baterium:机械学的发展趋势10~10mm20~40m10~20m1~2m10~100m机械设计的发展要求2004年统计数字：（1）USA：制造业GDP占60％（2）JAPAN:制造业GDP占50%（3）中国：制造业GDP占38％中国自主设计的机械产品占46％工学的组成工具方法原理产品，例如：计算机、汽车……等等。数学，物理，化学，生物。例如：优化组合法、电磁转换，换原反应，发酵等等。以工程为例：力学原理、电机原理、机械原理、化工原理…..等等设计总流程功能原理结构机械创新设计的内容（1）原理的创新设计（2）机构的创新设计（3）结构的创新设计（4）消化吸收－再创新设计（反求设计）（5）设计计算方法的创新设计–定量到变量；静态到动态；单元到系统集成–串行－并行－协同设计创新设计常用方法（1）群体集智法–例如，635法、调查问卷法、（2）系统分析法–例如，设问探求法、缺点列举法、希望点列举法、特性列举法、形态分析法（3）联想、类比法（4）转向创新法（5）组合创新法–功能组合法、材料组合法、同类组合法、技术组合法、信息组合法工业革命的历史第一次工业革命：从1775年蒸气机发明到19世纪初。第二次工业革命：从1883年内燃机和电的发明开始到20世纪初。第三次工业革命：从1910年原子能的发现开始，核能的利用（1943年）。第四次工业革命：从1946年计算机的出现，开始信息革命至今。第五次工业革命：从1953年DNA双螺旋结构的提出，开始生物科技革命。ImprovementsbyG.Kivenson1、Moreeconomicaltoproduce2、Moreeconomicaltouse3、Easiertolearntouse4、Simpler5、Adapttohomeuse6、Changefrom“masculine”to“feminine”orviceversa7、EmployalternateformofpowerImprovementsbyG.Kivenson8、Removeapresentlimitation9、Extendareaofuse10、Improvepublicacceptance11、Makelarger12、Makesmaller13、Changecolor14、Changeshape15、Increasestrength16、Decreasestrength创新实例：以滚动代替滑动（1）滚动花键（2）滚动螺旋（3）滚动蜗杆（4）滚动轴承（5）滚动导轨滑动花键滚动花键滑动螺旋滚动螺旋滚动蜗杆薄壁轴瓦滑动轴承进油孔油沟F厚壁轴瓦整体轴套卷制轴套滚动轴承创新实例：以流体摩擦代替滚动（1）静压螺旋（2）静压导轨（3）静压轴承（4）磁力轴承、磁力导轨滚动螺旋传动静压螺旋传动创新实例：顺应性原则（1）滑动螺旋（2）蜗杆传动（3）滑动轴承（4）滑动导轨（由于机床要有长期精度保持性、因而不可行）创新实例：赫兹公式应用（1）圆弧齿轮（2）齿形链（3）圆弧蜗杆（4）凹凸接触副的摩擦无级变速器创新实例：精加工面最小原则（1）凸台（2）凹陷（3）焊接结构（例如：焊接链轮）（4）轴肩设计学不可以已。青，取之于蓝，而青于蓝；冰，水为之，而寒于水。《劝学》荀子机械设计结语工学的组成工具:产品，例如：计算机、汽车…..等等。方法:数学，物理，化学，生物。例如：优化组合法、电磁转换，换原反应，发酵等等。原理:以工程为例：力学原理、电机原理、机械原理、化工原理…..等等。发明家所需具备的主要素质(710人中所占百分比)想象力坚持性学识经营能力独创性85.5%70.8%25.8%22.8%21.3%理智分析能力自信观察能力动手能力18.9%15.9%13.5%8.5%5.8%机械设计政治社会学心理学经济学自然科学-工程科学-工程设计-工程技术-生产工业设计艺术设计艺术机械设计结语自然界物质能量信息机械设计结语自然界人类的工作物质能量信息物质与能量间的转换物质能量1、光合作用2、植物体的生长3、动物体的生长1、液体、气体、固体的燃烧2、肌肉的运动3、生物分子的运动物质与信息间的转换物质信息1、物态信息2、熵、焓的信息3、结构信息4、物质的运动信息1、物质的制造2、在光、电、磁、声能信息作用下物质的变化信息与能量间的转换信息能量1、光能—生物结构信息2、生物能—生命结构信息3、电能、磁能—信息监测与控制1、电磁转换2、电磁—机械运动转换3、声能—机械能转换4、电、磁、声—生物能转换物料的发展历史能量的发展历史信息的发展历史弟子不必不如师，师不必贤于弟子，闻道有先后，术业有专攻。《师说》韩愈