现代设计方法在工程机械中的应用和发展

现代设计方法在工程机械中的应用和发展现代设计方法在工程机械中的应用和发展[摘要]本文针对现代设计方法及其在工程机械中的应用和发展作了简单介绍。[关键字]现代设计方法汽车优化设计汽车变速器1.前言随着中国经济与世界经济的全面接轨，以及我综合国力的日益提高和人们的生活水平的逐日改善，人们对产品功能要求的日益增多。各种产品日益呈现出复杂性增加、寿命周期缩短、更新换代速度加快等特点。尤其是我国的工程机械企业现已面临着严峻的挑战。传统的基于二维的产品设计人力物力投资大，设计周期长，设计精度低，已不能满足现代市场对工程机械产品的需求。因此，企业必须使用新的方法，以提高产品的设计效率、缩短设计周期、加速产品的更新换代，并增强产品的市场竞争力。现代设计是在近几十年逐渐发展起来的，包括了设计过程，设计策略以及设计方法等。2.现代设计方法的简单介绍及应用2.1现代设计方法简单介绍现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的,以计算机辅助设计技术为主体,以知识为依托,以多种科学方法及技术为手段,研究、改进、创造产品和工艺等活动过程所用到的技术和知识群体的总称。现代设计方法主要有:并行设计、虚拟设计、绿色设计、可靠性设计、智能优化设计、计算机辅助设计、动态设计、模块化设计、计算机仿真设计、人机学设计、摩擦学设计、反求设计、疲劳设计等。2.2现代设计方法在工程机械中的应用举例2.2.1现代设计方法在汽车设计中的应用①应用系统工程的观点完成汽车设计现代设计方法以形态学为分类手段，以方法学为思想指导，其具体内容有很多。系统工程是以大系统为研究对象的一门跨学科的边缘科学，它以应用数学和电子计算机等为工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务。通过各种组织管理技术，使局部与整体之间关系协调配合，以实现系统的最优化。应用系统工程的观点完成汽车设计，一般可分为3个阶段：（1）信息获取（或称系统分析）；（2）信息处理（或称系统选择）；（3）信息整理（或称系统实施计划）。汽车设计涉及多种专业学科的各种不同要求，要完成一个成功的设计，必须应用系统工程的观点，全面均衡地、有层次地处理各种不同要求，使设计达到经济和艺术的有机结合。现代汽车工业，已经把一个企业的全部生产过程（包括设计）作为一个整体，因此可以把它看成一个大系统。在汽车设计中采用CAD的优点在于：（1）能减少设计计算、制图的时间，缩短新产品的设计和研制周期，适应产品更新换代的需要，提高市场竞争能力；（2）采用CAD系统可以分析多种方案，实现多方案择优；（3）能使设计人员从事务性和重复性劳动中解脱出来，有更多的时间进行创造性的劳动。②虚拟技术在汽车设计中的应用随着市场竞争的全球化和科技的迅速发展，制造业格局发生了巨大的变化，传统的产品设计开发创新少、耗时多、效率低、成本高，已经不能适应动态变化的市场，虚拟产品开发技术将产品的开发过程，在计算机上进行产品设计、分析、加工等过程，可减少因制作物理模型所消耗的人力、物力和时间，同时可提高产品质量，降低成本，保证产品开发的一次成型，增强企业快速适应市场变化的能力。（1）汽车虚拟设计技术及设计思路虚拟设计是以计算机辅助设计为基础，利用虚拟现实技术发展而来的一种新的设计手段。虚拟制造强调在实际投入原材料于产品实现过程之前，完成产品设计与制造过程的相关分析，以保证制造实施的可行性。（2）虚拟设计技术在汽车中的应用虚拟设计技术可以在计算机中实现整车及零部件的概念设计、造型设计、总布局设计、结构设计等，同时对其性能如刚度、强度、固有频率、动态响应及使用寿命和噪声等进行模拟分析，以便在设计阶段就发现并尽可能地解决问题，提高设计一次成功率。对汽车整车进行虚拟设计过程，包括零部件的三维建模、虚拟装配和产品的外观造型。（3）现代设计方法中的CAD／CAE技术来对汽车相关产品的结构进行分析。CAD就是计算机辅助设计，一个完整的CAD系统，应由人机交互接口、科学计算、图形系统和工程数据库等组成。CAE是用计算机辅助求解的一种近似数值分析方法。它可分析计算复杂工程和产品结构强度、刚度等力学性能，也可对结构进行优化设计等。CAD系统的核心思想是结构的离散化。随着计算机的飞速发展，结合有限元法，形成了众多商品化的CAD和CAE软件。汽车零部件设计中通过CAD软件的三维模型建立后，CATIA修饰零部件各部分结构时，利用消隐、渲染和着色功能，按一定方向选择光源，改变背景色和零件颜色，用光源参数控制光源，给模型赋予各种颜色和材质，让模型表现出塑料和金属的质感、各种色度和光泽感，得到生动逼真的效果图。然后再通过CAE软件对设计好的软件进行载荷受力分析与动力学分析从而能够得到该零件的设计是否符合实际的应用。设计方法是使产品满足以及判断产品是否满足设计原则的依据。现代设计方法是基于设计理论形成的，因而更具科学性和逻辑性。但一些方法还有完善和发展的过程，所以现代设计方法还不能完全取代传统设计方法，一些行之有效的经验方法目前仍在广泛使用，它们仍是现代设计方法的重要组成。2.2.2现代设计方法对汽车变速器的优化设计汽车传动系是汽车的主要组成部分，变速箱又是传动系的重要部件，它们的任务就是充分发挥发动机的性能，使发动机发出的动力有效而经济地传到驱动轮，以满足汽车行驶上的各项要求。传统设计方法设计汽车变速箱结构参数是一项非常费时和艰苦的工作，而且难以求得较理想的设计参数，不利于产品性能的提高。变速箱的优化设计则可利用计算机在约束域内按预定目标高速有效地优选出最佳的结构参数，是一种理想的高质量的设计方法。现代汽车技术的发展对传动装置的设计工作提出了更高的要求，在这种情况下，传动装置的设计，不但要满足动力性和经济性指标，而且要求结构紧凑、尺寸小、重量轻、传动效率高、工作可靠、寿命长、噪音低等。而传统设计方法缺乏严密的科学性，如为了强调零件可靠性，往往取较大安全系数，结果增加了设计零件的重量。并且生产周期长，设计质量低，材料消耗大。因而采用传统设计法进行变速器设计已不能满足汽车发展的客观需要，必须采用现代设计的方法。采用优化设计方法设计汽车变速箱的结构参数，可得到良好的汽车动力性和燃料经济性，使换档轻便，无冲击噪声。同时也使设计者从大量的繁琐和重复的计算工作中解脱出来，使之有更多的精力从事创造性的工作，并大大缩短设计周期，提高设计效率。对载货汽车变速器进行优化设计，具体包括以下内容:(1)变速器齿轮的优化设计根据已知变速器的中心距和各档速比以及变速器的使用要求，进一步对各档齿轮进行优化设计，使齿轮副的尺寸最小。①目标函数的确定：变速器的设计求变速器体积最小，节省材料，降低成本。为达到此要求，就必须合理地分配传动比，合理选择各档的模数、齿数、螺旋角、齿轮变位系数等。优化设计通过计算机，可合理地选择这些参数，达到所设计的变速器在一定使用时期内，在可靠的前提下体积最小。②设计变量的确定：设计一个在一定使用期限内可靠工作的四档变速器，并要求所设计的变速器体积最小，其影响因素是很多的，设计方面的主要参数有各档传动比、齿轮模数、齿轮的螺旋角、齿轮的齿宽、齿数、齿轮的移距系数等。③约束条件的确立：中间轴轴向力的限制，中心距A的限制，传动系最大传动比限制，变速器使用性能的限制，满足齿轮最小齿数的要求以保证不根切，螺旋角的限制，尺宽的限制。④优化方法的选取：现在优化计算方法很多，而MATLAB优化工具箱，是现代优化设计中的一个很方便的软件，运算速度快，功能强大。所以选取此方法。(2)变速器轴的优化设计在满足强度、刚度的前提下，对变速器的轴进行最优化设计，使其重量最轻。①目标函数的确定：取各轴段体积之和作为目标函数，并在优化时取其最小值。②约束条件的建立：依据受力分析，轴挠度和偏转角的计算来确定约束条件。③优化方法的选择：运用MATLAB优化工具箱进行求解。(3)运用MATLAB语言进行齿轮变速箱参数优化设计运用MATLAB语言进行齿轮变速箱参数优化设计的全过程，体现了MATIAB优化工具箱的实用性和优化效率。齿轮变速箱优化设计的第一步是确定传动方案，第二步是进行齿轮变速箱参数优化设计。在进行齿轮变速箱参数优化设计中，由于优化设计的方法不同，优化程序繁简差别很大，有些程序还需选择中间参数。而中间参数的选择对优化结果和优化的效率有很大的影响，如果使用MATIAB语言的优化工具箱，将给设计者带来了极大的方便。①建立数学模型自变量的选择：可将模数、最小传动比、齿数等作为设计变量。目标函数的确立：变速箱参数优化的目的是在变速级数、传递功率不变的前提下，减小变速箱的重量。用数学表达式表示，目标函数可以是变速组中心距和，各传动齿轮重量或齿轮面积和。本例用以变速组中心距和为目标函数。②约束条件：MATLAB的优化工具箱仅仅支持形如G(X)≤0的约束方程，以及变量的上下界约束“1．对非规范型的约束方程，必须进行变换。约束条件有：最小齿数约束，模数约束，传动比约束，齿轮轮辐的最小尺寸约束，最大节圆速度约束，最大齿轮外径约束，齿轮接耸强度和弯曲强度的约束条件。③运用MATLAB工具箱求解：编写程序，并进行求解。优化结果及结论：而使用MATLAB优化工具箱不需考虑优化算法的具体实现，体现了此种方法。现代设计理论和方法的内容众多而丰富，它们是由相对独立又有机联系的“十一论”方法学构成，即：功能论、优化论、离散论、对应论、艺术论等十一类。种类繁多但并不是任何一件产品和一项工程的设计都需要采用全部设计方法，也不是每个产品零件或电子元件的设计均能采用上述每一种方法。由于不同的产品都有各自的特点，所以设计时常需综合运用上述设计方法。我们可以得到设计人员不仅要有丰富的专业知识，而且还需掌握先进的设计理论、设计方法、设计手段及工具，科学地进行设计工作，这样才能设计出符合时代要求的新产品。3.现代设计方法的意义要使设计技术更好地在经济和社会发展中发挥积极作用，我们必须熟练地掌握现代设计方法及理论，并学会在实践中灵活地运用这些这些方法和理论。只有这样才能解决产品生产中制造成本高、周期长和产品使用中性能差、能耗大等缺陷，才有可能及时地把握创新的思想火花，创造出社会需要的综合性能优良的新产品，才能不断提高企业的竞争能力。