第3章机械设计及现代设计方法(上课课件)

机械工程导论第3章机械设计及现代设计方法机械设计制造及其自动化张彩丽2015.03第3章机械设计及现代设计方法3.1机械设计概述3.2现代设计方法3.3机械创新设计3.1机械设计概述为什么要进行设计？为创造人类自身生存所需的条件，不断地用自己的智慧和才能改造着自然3.1.1设计及机械设计3.1.1设计及机械设计设计：为满足社会和人们对产品功能的需要，运用知识、经验和方法，通过创造性思维，经过规划、计算、分析和决策，产生载有文字、数据、图形等信息的技术文件的过程。机械设计：以机械作为对象开展的设计活动。3.1.1设计及机械设计设计的重要性：1、产品的质量、性能、成本等在很大程度上取决于设计的水平与质量。2、统计资料表明：机械产品的质量事故约有50%是由于设计不当造成的，产品成本的70%-90%是由设计阶段决定的。3.1.2设计的类型3.1.2设计的类型：1、开发性设计（完全创新设计）2、适应性设计（再设计）3、变参数设计（变异设计）4、测绘和仿制（反求设计）3.1.3机械设计的基本过程基本设计过程：功能结构机构3.1.3机械设计的基本过程具体设计过程：初步设计阶段技术设计阶段工作图设计阶段安装调试阶段3.1.4设计过程中的方法和理论3.2现代设计方法3.2.1设计发展的基本阶段直觉设计阶段经验设计阶段半经验半理论设计阶段现代设计阶段3.2现代设计方法3.2.2传统设计与现代设计传统设计以生产经验为基础，运用经验、公式、图表、设计手册等，着眼于产品的功能和技术规范，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。传统设计的每一个环节都是依靠设计者用手工方式来完成的：方案设计3.2现代设计方法分析计算信息处理、经验或知识的存储和重复使用没有一个理想有效的方法传统设计是以静态分析、近似计算、经验设计、手工劳动为特征的设计方法。现代设计实质上是新理论、新方法、新技术在设计中的应用,服从传统设计流程，克服传统设计的不足3.2现代设计方法3.2.3现代设计方法简介1、计算机辅助设计（CAD）——把计算机技术引入设计活动中，利用计算机完成计算、选型、绘图及其它作业的一种现代设计方法。CAD的基本流程：构思、判断、决策—计算机处理—人机修改—确认，输出3.2.3现代设计方法简介CAD系统的组成硬件组成：主机输入设备输出设备信息存储设备网络设备多媒体设备CAD系统的组成软件组成：系统软件：与计算机硬件相关联的软件。支撑软件：运行在系统软件之上的，实现CAD各种功能的通用软件。应用软件：为实现某个应用领域内特定任务而开发的软件。3.2.3现代设计方法简介2、有限元法（FEM）基本思想把要分析的连续体假想地分割成有限个单元组成的组合体，再分析每个单元，得到一组方程，求解方程得到连续体的解。计算步骤连续体的离散化——单元分析——整体分析2、有限元法（FEM）3.2.3现代设计方法简介3、优化设计（OptimalDesign）——在给定载荷或环境条件下，在机械产品的形态、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内，以机械系统的功能、强度和经济性等为优化对象，选取设计变量、建立目标函数和约束条件，并使目标函数获得最优值的一种设计方法。3、优化设计优化设计的数学模型：（1）设计变量：设计常量：一个工程设计方案，可以用一组参数表示。这些参数中，根据设计对象预先选定的参数。设计变量：需要在设计过程中优选的参数。（2）目标函数：用来评价方案好坏的函数。目标函数的最佳值就是它的最大值和最小值。3、优化设计（3）约束条件：边界约束：限制设计变量变化范围性能约束：由某种设计性能或设计要求推导出的限制条件。（4）数学模型123min,[,,,,]()0,1,2,,..()0,1,2,,()TniiFXXxxxxgxipsthxiqqn3、优化设计已知：制造一体积为100m3，长度不小于5m，不带上盖的箱盒，试确定箱盒的长x1，宽x2，高x3，使箱盒用料最省。分析：（1）箱盒的表面积的表达式；（2）设计参数确定：长x1，宽x2，高x3；（3）设计约束条件：（a）体积要求；（b）长度要求；3、优化设计设计参数：设计目标：约束条件：123,,xxx122313min2()Sxxxxxx123123500100xxxxxx3.2.3现代设计方法简介4、可靠性设计（reliabilitydesign）什么是可靠性？产品可靠性的影响可靠性差：可靠性好：4、可靠性设计可靠性定义：——是产品的一种属性，是指产品在规定条件下、规定时间内完成规定功能的能力。包含5个要素：1、产品指作为单独研究和分别试验对象的任何元件、器件、设备和系统。4、可靠性设计2、规定时间产品的可靠性只能在一定的时间范围内达到目标可靠度，故讨论产品的可靠性需要在一定的规定时间内进行。3、规定条件指产品的使用条件、维护条件、环境条件和操作技术。4、可靠性设计4、规定功能一个产品往往具有若干项功能。完成规定的功能是指完成这若干项功能的全体，而不是指其中一部分。5、能力产品发生故障具有偶然性，故不能仅看一个产品的情况，而应观察大量同类产品或一定数量的样品试验数据，方能确定其可靠性的高低。4、可靠性设计可靠性设计——以概率论和数理统计为基础，为保证产品可靠采用的一系列分析与设计技术机械产品的可靠性设计分为：1、方案论证阶段：可靠性指标2、审批阶段：可靠性的评价3、设计研制阶段：可靠性预测、分配和故障模式4、生产及试验阶段：规范生产、进行寿命试验等5、使用阶段：收集可靠性数据3.2.3现代设计方法简介5、并行设计（ConcurrentDesign)——在产品开发的初始阶段，就以并行的方式综合考虑其寿命周期中所有后续阶段，降低产品成本，提高产品质量。并行设计过程：（1）串行设计过程5、并行设计（ConcurrentDesign)（2）并行设计过程关键技术：并行设计的建模与仿真多功能团队的协同工作产品数据交换技术产品数据管理(PDM)5、并行设计（ConcurrentDesign)并行设计的特点：（1）在产品开发的初始阶段就全面考虑产品寿命周期的后续活动对产品综合性能的影响因素（2）希望产品开发的各项活动尽可能在时间上平行地进行（3）要求多功能设计小组更加接近和了解用户，更加灵活和注重实际。5、并行设计（ConcurrentDesign)并行设计过程有两种模型：（1）产品设计与相关过程设计实现并行以影响产品质量为代价（2）以联系方式对产品设计和与其相关过程设计进行并行组织有利于提高产品质量，但可能增加设计时间3.2.3现代设计方法简介6、三次设计法（1）系统设计（第一次设计）对系统结构和功能进行设计，提出初始设计方案。（2）参数设计（第二次设计）在初始设计方案基础上，对各零部件参数进行优化组合。（3）容差设计（第三次设计）在最佳设计方案基础上，分析导致产品输出特性变动的原因，找出关键零部件，确定合适的容差3.2.3现代设计方法简介7、绿色设计（GD：GreenDesign）在传统产品设计过程中，设计人员主要根据产品性能、质量和成本等指标进行设计，设计指导原则是能经济方便地制造满足使用要求的、市场需求的产品。例：废旧电池计算机洋垃圾7、绿色设计（GD：GreenDesign）有关统计资料研究表明：产品性能70%-80%由设计阶段决定，而设计本身的成本仅为产品总成本10%，如考虑产品设计不当造成的对生态环境的破坏程度，该比例还会加大。——指在产品及其生命周期全过程的设计中，充分考虑对资源和环境的影响，在考虑产品功能、质量、开发周期和成本的同时，优化各有关设计因素，使产品及其制造过程对环境的总体影响减少到最小。3.3机械创新设计自主创新是科技发展的灵魂，是一个民族发展的不竭动力，是支撑国家崛起的筋骨。没有自主创新，我们就难以在国际上争取平等地位，就难以获得应有的国家尊严，甚至难以自立于世界民族之林。——温家宝3.3机械创新设计人们对创新的误解创新？？？那应该是牛顿、爱因斯坦、爱迪生……名人伟人的专利！与我无关3.3机械创新设计脑科学理论告诉我们：凡是健康的人，就具有创造、创新能力;每个人都有潜在的创新能力;创新能力是可以激发的;创新能力可通过培训提高。3.3机械创新设计3.3.1机械创新设计(MechanicalCreativeDesign）——充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果，进行创新构思、设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品（装置）的一种实践活动。3.3机械创新设计3.3.2创新思维形象思维与抽象思维：形象思维：人脑对客观事物或现象的外在特点和具体形象的反映活动。抽象思维：凭借概念、判断、推理而进行的反映客观现实的思维活动。3.3.2创新思维发散思维和收敛思维：发散思维：一种求出多种答案的思维形式。收敛思维：一种寻求某种正确答案的思维形式。在创造活动中，光有发散思维的活动并不能使问题获得有效的解决，所以发散思维之后尚需进行收敛思维。这两种思维的有效结合组成了创造活动的一个循环过程。3.3.2创新思维动态思维和有序思维：动态思维：一种运动的、不断调整的、不断优化的思维活动。有序思维：一种按一定规则和秩序进行的有目的的思维方式，它是众多创造方法的基础。3.3.2创新思维直觉思维和创造性思维：直觉思维：是一种非逻辑抽象思维，是人脑对新事物、新现象、新问题进行的一种直接、迅速、敏锐的洞察和跳跃式的判断。创造性思维：既是一种思维的类型，又是最高层次的思维活动。3.3机械创新设计3.3.3创新的技法1、智力激励法（头脑风暴法或智暴法）：智力激励会的准备：人、主题、参与人选、通知热身活动：明确问题：自由畅谈：加工整理：3.3.3创新的技法2、设问类技法包括：检核表法、5W2H法、逆向追问法检核表法——根据需要解决的问题或者进行创造发明的对象列出有关问题（能否改进、引申、改变、扩大、简化、替代、变换、颠倒、组合），逐个对他们进行分析，从中获得解决问题的方法和创造发明的设想。2、设问类技法5W2H法“为什么”（why）问“是什么”、“做什么”（what）问“谁”（who）问有关“时间”的问题（when）问在“什么地方”（where）问“怎样”（how）问“数量”指标（howmuch）2、设问类技法逆向追问法——指创新活动的个体或群体顺着与已有事物的原理或结构相反的方向进行追问，试图从中发现新的事物过程。3.3.3创新的技法3、联想类技法——是指人们通过一件事情的触发而迁移或想到另一些事情上。如：看到鸟想到了……看到电灯想到……3.3.3创新的技法4、转向创新法——某些计划、方法在实践中行不通，这时应根据实践过程提供的信息，及时修正计划、修改方法，继续有效地探索例：金属易受腐蚀（缺点）机械结构中的振动（缺点）3.3.3创新的技法5、组合创新法——按照一定的技术原理，通过将两个或多个功能元素合并，从而形成一种具有新功能的新产品、新工艺、新材料的创新方法。例：钢筋混凝土例：各种合金，如不锈钢、轴承钢、低熔点锡、铅合金等3.3机械创新设计3.3.4发明问题解决理论TRIZ根里奇.阿奇舒勒的奇特经历(1926-1998)：9年级获得前苏联的内部专利证书；10年级制作了装有喷气发动机的船；17岁获得第一发明证书；1946年开始对不同领域的发明专利进行研究，发现技术系统创新是有规律的。1956年发表《发明创造心理学》提出人类历史上十分重要的发现，即发明是从对问题的分析中指出矛盾而产生的。他的一句至理名言“你可以等待100年获得顿悟，也可以利用这些原理15分钟解决问题。”3.3.4发明问题解决理论TRIZ１、TRIZ简介TRIZ是发明问题解决理论（TheoryofInventiveProblemSolving）的俄语含义的单词首字母组成，在欧美国家也可缩写为TIPS。其研究始于1946年，通过对世界近250万件发明专利的研究分析，形成了TRIZ理论体系。TRIZ的理论体系2、如何运用TRIZ理论通用问题实际问题容易通用问题通用解决方法特殊解