现代机械设计理论与方法(1)

现代设计方法简介现代设计方法简介一、概述二、现代设计方法简介优化设计模块化设计计算机辅助设计有限元法工业设计价值工程相似性设计可靠性设计动态设计设计方法学反求工程设计…………现代机械设计方法就是研究设计过程中能够更加高效、高质量、快速地完成机械产品设计的方法。（以计算机为辅助工具）①优化设计传统设计设计--评定-再设计从多种方案中选取较好方案优化设计重视系统综合，在各种约束条件下用计算机求解在最短时间内寻求最佳设计方案正方形铁板xaxmax{V}最优化问题的举例关于最优化问题的解法，软件开发者开发出了各种最优化计算软件，供工程设计人员使用。但是，作为使用者必须了解各种最优化方法的特点，才能针对实际问题选择出合适的最优化方法解决问题。一项设计常常在一定的技术条件下，要求取得一个技术指标的最佳的设计方案，以期达到最佳的设计目标，如重量、成本、性能、承载能力等。数学模型是实际设计问题的抽象,一个完整的数学模型包括:一个设计方案有n个设计变量）（nTnRXxxxX,,,21在满足),,2,1(0),,,()(21muxxxgXgnuu),,2,1(0),,,()(21npvxxxhXhnvv求目标函数),,,()(21nxxxFXF)(minXFnRX[例]行星轮系的优化设计行星轮系机构简图1）目标函数和设计变量32212mm])2(4[19635.0)(CibZmXFCmbzxxxxX14321影响目标函数的独立参数均可作为设计变量，即目标函数可改写为])2(4[19635.0)(222123CixxxXF017)(1小zXg010)(22xXg2）约束条件的建立①保证小齿轮不根切②限制齿宽最小值，得③限制模数最小值，得02)(33xXg④模数和齿宽之间要求mbm175017)(05)(235324xxXgxxXg⑤保证各行星轮之间齿顶不相碰撞，应满足0)sin1)(2(21sin)(116CixCxXg0/1()(22327）大小小小zzTAxxzXgH0)(2238FFYTAxzxXg小小⑥满足接触强度要求，应有⑦满足轮齿弯曲强度要求，应有3）选用合适的优化方法求解，得5.453221mbzX选用适当的优化方法和计算机程序将设计问题的物理模型转化为数学模型通过计算机求解得到最佳设计方案优化设计CAD能够帮助我们完成机械设计中的图形设计（制图）及部分分析计算。（以计算机为工具）传统设计人工计算、绘图设计精度、稳定性和效率有限，修改不方便②计算机辅助设计(CAD)计算机辅助设计用计算机设计、计算、绘图。提高了设计精度、稳定性和效率，修改方便常用的计算辅助设计软件有:AUTOCAD、PROE、UG和CATIA等。CAD提供了产品设计所需的各种标准、规范、工艺参数等工程数据。实际零件加工过程模拟CAD还具有设备工作过程模拟和零件加工过程模拟的功能。③模块化设计以模块化设计理论为指导思想，以快速、提高可靠性和降低成本为主要目的，进行机械产品模块化设计。主要目标是用尽可能少的种类和数量的模块组成尽可能多的种类和规格的产品。专用部件若干标准的、系列的模块化部件各类模块化超精密加工机床根据武器研制和生产的需要解决几个关键技术十几种多台超精密机床模块化设计举例超精密机床系列和型号的拟定；模块的划分；模块的组配；单元模块有限元力学分析；静刚度与动刚度；结构、运动学及功能模型。通用和专用模块的组合与集成；虚拟装配；关键部件工程化制造。系统测试；实验技术。整体技术方案模块化超精密机床导轨及工作台系统主轴系统环境控制系统导轨驱动系统微量进给系统床身系统位置检测系统控制系统其他系统超精密机床模块化设计低成本、快速、高可靠性超精密机床模块化设计主轴模块导轨模块导轨驱动机构微量进给模块环境控制模块位置检测模块床身模块数控模块其他模块空气静压主轴液体静压主轴单坐标联动数控系统双坐标联动数控系统超精高速主轴空气静压导轨液体静压导轨滚珠丝杠直线电机驱动摩擦驱动机构压电陶瓷进给磁致伸缩进给振动控制系统温度控制系统双频激光干涉系统光栅测量系统卧式床身结构龙门立式结构电机刀架吸盘超精密车床和铣床结构示意图地基主轴溜板刀架溜板主轴/工件刀具与工件相互作用导轨导轨隔振隔振主轴支撑刀架床身刀具地基床身立柱或横梁结构回转工作台支撑导轨溜板主轴支撑工件回转工作台主轴/刀具刀具与工件互相作用车床模块铣床模块通用模块与专用模块的有效集成技术超精密车床空气静压主轴（ZZⅠ）空气静压导轨（DGⅠ）卧式床身(CSⅠ)直线电机（QDⅡ）隔振系统(HJⅠ)温度控制系统（HJⅡ）双坐标联动数控系统（SKⅡ）双频激光干涉仪(WZⅠ)主轴驱动电机（QTⅠ）空气静压尾座压电陶瓷机构（WJⅡ）刀架（QTⅡ）超精密铣床液体静压主轴（ZZⅢ）液体静压导轨（DGⅢ）卧式床身(CSⅠ)滚珠丝杠（QDⅠ）隔振系统(HJⅠ)温度控制系统（HJⅡ）主轴驱动电机（QTⅠ）导轨驱动电机（QTⅠ）•超精密车床；•小型非球曲面磨床；•超精密内表面磨床•光学零件超精密复合加工机床；•立式超精密镗床；•卧式超精密镗床；•超精密铣床；•……….可以组合的设备综上所述模块化设计具有如下特点：①设计和制造时间短；②有利于产品的更新换代和新产品的开发；③有利于降低成本，提高产品的质量，便于产品的维修。④有限元法有限元法是以计算机为工具的一种现代数值计算方法。单元特性分析与计算结构离散化单元组集求解方程有限元法的计算过程主要应用于以下方面进行复杂结构的静态和动态分析计算复杂零件的应力分布和变形零件强度和刚度计算求解工程中复杂的非线性问题、非稳态问题常用的有限元分析计算软件有IDEAS、ANSYS、MARC、ABAQUS等。可以分析应力、变形、温度场、磁场、振动、冲击、随机响应等。转台结构的有限元分析可以进行动态特性分析，识别系统的模态参数，从而为转台的设计提供理论依据。转台主轴轴系及台面有限元分析转台轴系的动态特性直接影响转台的运动精度、运动平稳性和承载能力。钳夹梁系统受力简图1XYZNOV2200818:01:29AREASTYPENUM600MW定子机座几何模型1XYZNOV2200817:39:06ELEMENTS600MW定子机座有限元网格1MNMXXYZ.233291.8736461.5142.1542.7953.4354.0754.7165.3565.996NOV26200816:23:07NODALSOLUTIONSUB=1TIME=1USUMTOPRSYS=SOLUDMX=5.996SMN=.233291SMX=5.996600MW定子机座总体位移云图（最大5.996mm）1MNMXXYZ.01251853.2106.388159.575212.763265.95319.138372.325425.513478.7NOV26200816:28:17NODALSOLUTIONSUB=1TIME=1SEQV(AVG)TOPDMX=5.996SMN=.012518SMX=478.7机座的等效Von.MiseS应力云图大变形有限元本构方程的建立[例]切削深度对超精密切削过程影响的有限元分析有限元模型的建立和边界条件的确定切屑分离准则的选取超精密切削过程有限元分析有限元模型切削力的变化等效应力的变化等效塑性应变的变化切屑和工件温度分布⑤工业设计工业设计是以工业产品为表现对象，在满足工业属性的前提下，用艺术手段，创造出实用、美观和经济的产品。工业设计的目的是保证产品的造型质量，设计出的产品具有批量性、创造性、实用性、艺术性和经济性。不但保证产品的外部特征，还要考虑结构、功能与材料的关系，强调系统和整体效能进行产品设计。⑥价值分析（价值工程）价值分析最终目的是寻求功能与成本的最佳比例。价值分析是产品获得最大价值的一种现代设计方法。以开发创造性为基础以功能分析为核心以科学分析为工具价值分析寻求功能与成本的最佳比例成本分析和功能价值计算确定价值分析的对象运用最新科技成果价值分析的一般过程选出最佳设计方案对现有的功能原理和方法进行革新达到提高产品价值的最终目的⑦相似设计相似设计是相似性理论在机械领域的具体应用，相似设计是工业产品开发的重要环节。对它进行最佳方案的设计先选定某一档型号的产品为模型定出其材料参数和结构尺寸相似设计过程再通过相似性原理求出系列中其他产品的参数和尺寸三、现代设计与传统设计的区别传统设计现代设计凭经验，功能原理分析少，过早进入具体方案。从抽象思维方法出发，用计算机获得各种方案，优化选出最佳。自然优化，“设计-评定-再设计”，从各种设计方案中选取较好方案，凭经验、判断力。重视系统综合，在各种约束条件下用计算机在最短时间内寻求最优参数。凭经验或自发性地考虑人、机、环境之间的关系，很难达到三者的协调。从人的生理、心理特征出发，通过功能分析、系统综合，发挥协调潜力、提高效率。往往强调产品性能，忽视或不能全面考虑精神因素。强调产品适用性同时，考虑产品的美观性、艺术性和时代性。计算机绘图、修改不方便，设计效率低。计算机绘图，提高设计效率，修改方便。四、现代设计方法的特点程式性。研究设计的全过程，要求设计者从产品规划、方案设计、技术设计到试验、试制进行全面考虑，按步骤有计划地进行设计。创造性。突出人的创造性，力求探寻更多新方案，开发创新性产品。最优化。设计的目的是得到功能全、性能好、成本低的最优产品。综合性。建立在系统工程和创造工程基础上，综合运用信息论、优化论、相似论、决策论、预测论等相关理论，提供多种途径解决产品的设计问题。计算机化。