现代机械设计理论与方法

现代机械设计理论与方法第一章概述课程教学的目的培养学生运用现代先进的设计理论和方法解决工程问题的能力。教学内容现代设计理论：重点内容为系统分析法及创造性思维。现代设计方法：重点内容为有限元分析、优化设计和反求工程设计。1.1传统设计与现代设计及其范畴一传统设计与现代设计1设计的起源和设计技术的传递1)手工艺人的设计及技术传递师傅——徒弟（实用的）2)传统设计技术的传递图纸、经验、类比（实验为基础的）3)现代设计理论体系的建立与发展仿真、理论分析（分析实验结合的）1.1传统设计与现代设计及其范畴一传统设计与现代设计2产品属性变化对设计的要求（传统产品与现代产品）1)产品的使用属性2)产品的社会属性3)产品的服务属性海尔是如何赚钱的？你把保险公司的产品放到哪里去了？3现代设计与传统设计的根本区别1)手工的、静态的、经验的设计，被动地分析产品的性能2)计算机化的、动态的、科学的设计，主动地设计产品的性能1.1传统设计与现代设计及其范畴二现代设计的范畴1信息论方法,如信息分析法、技术预测法等。它是现代设计方法的前提。2系统论方法,如系统分析法、人机工程以及面向产品生命周期的设计。3控制论方法,如动态分析法等。4优化论方法,它是现代设计方法的目标。5对应论方法,如相似设计、反求工程设计等。6智能论方法,如CAE、并行工程、人工智能等。是现代设计方法的核心。7寿命论方法,如可靠性设计、价值工程和稳健性设计等。8离散论方法,如有限元和边界元方法。9模糊论方法,如模糊评价和决策等。10突变论方法,如创造性设计等。它是现代设计方法的基础。11艺术论方法,如艺术造型等。1.2设计过程和设计技术简述设计方法的研究内容设计素质的培养做合格的设计人员设计步骤和程式组织和执行设计解决具体问题的方法和手段科学而娴熟的方法1.2设计过程和设计技术简述一机械设计过程简述1基本设计步骤1)调查研究2)方案设计3)工作图设计4)样机试制与鉴定2系统分析设计模式3创造性设计模式1.2设计过程和设计技术简述二设计技术知识维逻辑维时间维三机械结构设计第二章系统分析设计方法传统设计方法的缺陷孤立、静止地分析问题得到的结论具有片面性和局部性增加系统的实现难度和成本失败的案例分析：某大型企业的技术引进——XX压力机设计现代设计方法注重产品设计的全过程注重分析系统内部单元的相对关系从功能分析入手解决产品方案设计2.1技术系统的组成和处理对象系统的组成系统单元系统结构边界条件输入和输出的要素2.2系统分析设计方法系统分析设计的内容系统设计系统制造系统运行系统分析设计涉及到产品开发和运行的所有环节，甚至包括产品的售后服务和产品失效（报废）后处理，所以系统分析设计不是单纯的产品设计。2.2系统分析设计方法一设计过程剖析1产品规划重要度：极高。极少数人行为确定，受控度低，无补救措施。2方案设计重要度：高。少数人行为确定，受控范围小，补救困难。3技术设计重要度：中。较多人行为确定，受控范围大，较易补救。4施工设计重要度：低。受控度高，一般能及时发现，易补救。工程设计中，大多数人理解施工设计十分重要，其原因是施工设计是十分费时而细致的工作，而且多数人只能看到施工设计或只有看见施工设计的能力。2.2系统分析设计方法二产品规划明确所设计系统的目的、任务和要求撰写设计任务书目的：提供设计、评价和决策的依据2.2系统分析设计方法二产品规划1市场需求分析1)消费者对产品功能、性能、质量和数量等的具体要求2)现有类似产品的销售情况和销售趋势3)竞争对手在技术、经济方面的优缺点及发展趋向4)主要原料、配件和半成品的现状、价格及变化趋势等2.2系统分析设计方法二产品规划2可行性分析1)技术分析——系统实现的难点和创新点2)经济分析——成本、性能价格比分析3)社会分析——产品开发的经济效益和社会效益2.2系统分析设计方法二产品规划3可行性分析报告的内容1)产品开发的必要性、市场调查和预测情况2)有关产品的国内外水平及发展趋势3)从技术上预期能达到的水平4)需要解决的关键技术问题5)经济效益、社会效益的分析6)投资费用及时间进度计划7)现有条件下开发的可能性及准备采取的措施2.2系统分析设计方法二产品规划4设计要求的拟定1)产品功能和性能2)设计参数和相关的指标3)制造及使用等方面的限制条件2.2系统分析设计方法三方案设计1功能分析和原理方案拟定1)功能分析2)创造性设计3)分析——综合——评价2.2系统分析设计方法三方案设计2功能分析的目的1)启发创造性2)全面掌握对产品各方面的要求3)避免设计的盲目性4)全面考虑功能和成本的关系功能分析2.2系统分析设计方法三方案设计3功能的分类1)基本功能和辅助功能手机的功能分析2)必要功能和不必要功能短命的产品——金长城家用电脑的功能分析3)使用功能和外观功能二十年来服装的变化趋势或潮流2.2系统分析设计方法三方案设计4依据功能的设计1)参考有关资料、专利或产品求解2)利用各种创造性方法以开阔思想来探寻解法3)采用形态综合法或相关表和相关网法进行组合2.1机械系统的功能原理设计2.1.6系统（产品）原理方案的综合1）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。2）组合的方法可以采用形态矩阵法(亦称为模幅箱法——利用形态学方法建立起的模幅箱)。功能原理方案确定时应该注意的问题：一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，列出“功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。222.1机械系统的功能原理设计2.1.6系统（产品）原理方案的综合1）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。2）组合的方法可以采用形态矩阵法(亦称为模幅箱法——利用形态学方法建立起的模幅箱)。功能原理方案确定时应该注意的问题：一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，列出“功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。232.1.6系统（产品）原理方案的综合第一步：用黑箱法寻找总功能的转换关系242.1机械系统的功能原理设计2.1.6系统（产品）原理方案的综合1）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。2）组合的方法可以采用形态矩阵法(亦称为模幅箱法——利用形态学方法建立起的模幅箱)。功能原理方案确定时应该注意的问题：一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，列出“功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。252.1.6系统（产品）原理方案的综合第一步：用黑箱法寻找总功能的转换关系26第二步：总功能分解（分解依据——挖掘机的技术轮廓）。272.1.6系统（产品）原理方案的综合2.1机械系统的功能原理设计2.1.6系统（产品）原理方案的综合1）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。2）组合的方法可以采用形态矩阵法(亦称为模幅箱法——利用形态学方法建立起的模幅箱)。功能原理方案确定时应该注意的问题：一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，列出“功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。282.1.6系统（产品）原理方案的综合第一步：用黑箱法寻找总功能的转换关系29第二步：总功能分解（分解依据——挖掘机的技术轮廓）。302.1.6系统（产品）原理方案的综合第二步：总功能分解312.1.6系统（产品）原理方案的综合2.1机械系统的功能原理设计2.1.6系统（产品）原理方案的综合1）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。2）组合的方法可以采用形态矩阵法(亦称为模幅箱法——利用形态学方法建立起的模幅箱)。功能原理方案确定时应该注意的问题：一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，列出“功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。322.1.6系统（产品）原理方案的综合第一步：用黑箱法寻找总功能的转换关系33第二步：总功能分解（分解依据——挖掘机的技术轮廓）。342.1.6系统（产品）原理方案的综合第二步：总功能分解352.1.6系统（产品）原理方案的综合第三步：建立功能结构图362.1.6系统（产品）原理方案的综合2.1机械系统的功能原理设计2.1.6系统（产品）原理方案的综合1）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。2）组合的方法可以采用形态矩阵法(亦称为模幅箱法——利用形态学方法建立起的模幅箱)。功能原理方案确定时应该注意的问题：一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，列出“功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。372.1.6系统（产品）原理方案的综合第一步：用黑箱法寻找总功能的转换关系38第二步：总功能分解（分解依据——挖掘机的技术轮廓）。392.1.6系统（产品）原理方案的综合第二步：总功能分解402.1.6系统（产品）原理方案的综合第三步：建立功能结构图412.1.6系统（产品）原理方案的综合第四步：寻找原理解法和原理解组合序号分功能技术物理解方案序号1234A推压齿条钢丝绳油缸B铲斗正铲斗反铲斗抓斗C提升油缸绳索D回转内齿轮传动外齿轮传动液轮E能量转换柴油机F能量传递与分配齿轮箱油泵链传动皮带传动G制动带式制动闸瓦制动片式制动圆锥形制动H变速液压式齿轮式液压—齿轮I行走履带轮胎迈步式轨道—车轮422.1.6系统（产品）原理方案的综合2.1机械系统的功能原理设计2.1.6系统（产品）原理方案的综合1）把各种功能元的局部解合理地予以组合，就可以得到一个系统的多个原理解。2）组合的方法可以采用形态矩阵法(亦称为模幅箱法——利用形态学方法建立起的模幅箱)。功能原理方案确定时应该注意的问题：一个好的原理构思有时不能成为产品，原因是因为结构、材料和工艺问题无法得到合理解决。因此在创新构思阶段要考虑一些主要结构和工艺实现的可能性，以利于实用化。形态矩阵法是把系统功能元和其所对应的各个解分别作为纵、横坐标，列出“功能求解矩阵”，然后从每个功能元中取出一个对应解进行有机组合，以构成一个系统解的方法。432.1.6系统（产品）原理方案的综合第一步：用黑箱法寻找总功能的转换关系44第二步：总功能分解（分解依据——挖掘机的技术轮廓）。452.1.6系统（产品）原理方案的综合第二步：总功能分解462.1.6系统（产品）原理方案的综合第三步：建立功能结构图472.1.6系统（产品）原理方案的综合第四步：寻找原理解法和原理解组合序号分功能技术物理解方案序号1234A推压齿条钢丝绳油缸B铲斗正