机械设计资源库教案

会计学1机械设计资源库机械设计资源库l传统设计偏重于考虑产品自身的功能的实现，忽略人机环境之间关系的重要性。 l传统设计采用手工计算、绘图，设计的准确性差、工作周期长、效率低。 l零部件设计中，仅对重要的零部件根据简化的力学模型或经验公式进行静态的或近似的设计计算，其他零部件只作类比设计，与实际工况有时相差较远，难免造成失误。 近30年来，由于科学和技术迅速发展，特别是计算机技术和信息技术的发展和应用，给机械产品设计和制造带来革命性的变化。另一方面，随着社会进步和人类文明的发展，对现代机械产品设计已不能仅考虑产品本身，而且还要充分考虑对系统和环境的影响；不仅考虑当前，还需考虑长远发展。第1页/共26页总之，在机械设计已进入现代设计阶段，它要求在继承和发展传统设计的基础上，将自然科学、技术科学、社会科学及艺术科学等有关知识有机的融合在一起，形成一门崭新的设计知识体系。由于科学技术的发展，各学科的交叉渗透，机械设计理论和方法已逐渐成为一门崭新的学科。机械系统“动态设计”深化、扩展学科交叉与整合人工计算机辅助设计（CAD）传统机械机电一体化、智能化第2页/共26页 计算机辅助设计（：computer-aided design）、优化设计（：optimization design )、可靠性设计（：reliability design）、摩擦学设计（：tribology design）、设计方法学设计（：design-methodology design）、并行设计（：concurrent design）、虚拟产品设计（：virtural-product design）、质量驱动设计（：quality-driven design）、参数化设计（：parametrization design）、智能设计（：intelligent design）、分形设计（：fractual design）、基于实例设计（：case-based design）、网上设计（：on-net design）等。机械现代设计方法发展很快，目前常见或较易见到的有：第3页/共26页2、机械学理论和方法（包括机构学、机械动力学、摩擦学、机械结构强度学、传动机械学等）及计算机辅助分析（有限元法、模态分析、专家系统等）的不断发展，对机械的方案设计、运动设计、动力设计、工作能力（强度、变形、振动、摩擦与润滑等）设计等关键技术问题能作出很好的处理，一系列新型的设计准则和方法正在形成。 l 基于功能原理的机械系统设计l 人机工程学l 产品造型设计l 绿色产品设计1、从人机环境的系统观及可持续发展战略出发，现代机械设计必须全面考虑、综合平衡、妥善处理系统的各种问题，与此相应的设计方法有： 第4页/共26页可靠性设计是综合可靠性数学、可靠性物理及可靠性工程等学科知识的新兴设计方法。它研究产品全寿命周期内质量指标变化规律，对零部件和整个系统进行可靠性设计。 3、可靠性设计 现代机械产品的可靠性已成为其市场竞争力的关键指标之一。可靠性设计（或概率设计）是将常规设计中视为常量的设计参数如实地作为随机变量看待，把概率统计理论运用到机械设计中来，按照零部件或机械系统应用的定量的可靠程度来设计它们。可靠性设计特点可靠性设计特点l设计变量如实地作为随机变量，其工作过程如实地作为随机过程来对待。l明确指出每个零部件和机械系统都存在失效可能，必须按可靠度满足要求来建立设计准则。第5页/共26页随机变量的分布函数及其数学模型随机变量的分布函数及其数学模型 机械可靠性设计常用的随机变量分布密度函数：对连续随机变量有正态分布、韦布尔分布、指数分布、瑞利分布；对离散变量有二项分布、泊松分布等。机械系统的可靠度机械系统的可靠度 由n个元件x1、x2、xn组成的串联系统，若其中任一元件失效，即会造成系统失效。x1x2xn第6页/共26页 由n个元件x1、x2、xn组成的并联系统，仅当所有元件全部失效，才会造成系统失效。x1x2xn4、优化设计优化就是在处理各种事物的一切可能的方案中寻求最优的方案。如：求f(X)=(x1-4)2+(x2-5)2的最小值。 绝对的最优只在某些理论性计算中才可得到。 而在工程实际中，优化问题都是在给定的条件下，从一切可行的方案中寻求最适当的方案。第7页/共26页u人类智能优化：凭借人的直觉和逻辑思维；u数学规划方法优化：以微积分为基础，计算机出现后得到迅速发展；u工程优化：非数学领域专家开发解决了传统数学规划方法不能胜任的工程优化问题；u人工智能优化：采用专家系统技术，可实现寻优策略的自动选择和优化过程的自动控制，使智能寻优策略得到迅速发展。u广义优化：面向产品的全系统、全过程、全性能的优化设计方法。优化理论与方法大致可分为如下几个发展阶段：机械产品设计的过程就是一个优化的过程。产品的优化是一个从宏观到微观，从全局到局部，从总体方案到零部件设计的优化过程，即可分为参数优化，结构优化及总体方案优化三个层次。对于三者优化的处理方法还有所不同，但随优化理论和计算机技术的发展，日趋形成完整的优化方法体系。 第8页/共26页黄金分割法分数法牛顿法二次插值法三次插值法坐标轮换法单纯形法牛顿法共轭方向法梯度法网格法复合形法外点罚函数法内点罚函数法复合罚函数法约束坐标轮换法优化设计常用算法：优化设计常用算法：一维优化方法多维无约束优化方法多维约束优化方法常用的优化方法第9页/共26页机械优化设计一般步骤：机械优化设计一般步骤：可用如下流程图表示：分析机械优化设计问题，建立合用的数学模型选择优化方法、编程、解算，得出优化方案方案评价与决策N得出最适当的方案Y第10页/共26页l 基于专家系统的智能CAD；l CAD系统集成化，CAD与CAM（计算机辅助制造）的集成系统（CAD/CAM）；l 动态三维造型技术；l 基于并行工程，面向制造的设计技术（DFM）；l 分布式网络CAD系统。 5、计算机辅助设计 计算机辅助设计（CAD）是把计算机技术引入设计过程，利用计算机完成选型、计算、绘图及其他作业的现代设计方法。CAD技术促成机械设计发生巨大的变化，并成为现代机械设计重要组成部分。目前，CAD技术向更深更广的发展，主要表现为以下几个方面：第11页/共26页6、有限元设计 在工程技术领域内，能用解析方法求出精确解的只是方程性质比较简单且几何边界相当规则的少数问题。因此，人们多年来一直在寻求另一种方法，即数值解法。 有限元法是一种新的现代数值方法。它将连续的求解域离散为由有限个单元组成的组合体。这样的组合体能用来模拟和逼近求解域。因为单元本身可以有不同的几何形状，且单元间能够按各种不同的联结方式组合在一起，所以这个组合体可以模型化几何形状非常复杂的求解域。柴油机曲轴整体有限元分析模型柴油机曲轴整体有限元分析模型例：第12页/共26页柴油机机体整体结构强度分析和优化设计有限元模型柴油机机体整体结构强度分析和优化设计有限元模型第13页/共26页常用有限元分析软件类型：常用有限元分析软件类型：l通用有限元分析软件，如：ANSYS、NASTRAN、ABAQUS、MARC、ADLNA等。l专用有限元分析软件，如：ADAMS、DADS、MSC/FATIGUE等。l嵌套在CAD/CAE/CAM系统中的有限元分析模块。如：I-DEAS、Pro/ENGINEER、UNlGRPHICS等系统中的有限元分析模块。有限元分析是CAE的主要支撑，在这种集成系统中，有限元分析在工程师所熟悉的设计环境下进行。第14页/共26页7、虚拟设计 以信息技术为依托，以协同设计、并行设计、虚拟设计、定制设计等为代表的先进设计技术，使产品的开发技术有了新的突破，代表了21世纪设计理论与实践的重要发展趋势。 虚拟现实（Virtual Reality，VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，是在图形学、电子显示、语音识别与合成、传感器等技术上发展起来的一门综合仿真技术。VR技术的三个重要特征沉浸感沉浸感 ImmersionImmersion交互性交互性 InteractionInteraction想象力想象力 ImaginationImagination第15页/共26页用户输入 反馈传感器控制虚拟环境现实世界3D模型建 模VR系统主要由三部分组成： 软件环境、高性能计算机系统和输入/输出设备。 VR系统的软硬件成本较高，应根据不同用途和需要配置不同的系统，达到不同的沉浸感，避免因系统过于复杂而导致成本太高。 第16页/共26页 非沉浸式桌面型非沉浸式桌面型VRVR系统：系统：廉价的立体显示方案VR系统的主要类型： 沉浸式沉浸式VRVR系统：系统： 主要依赖于各种VR硬件设备，如头盔式显示器等，把参与者的视觉、听觉和其它感觉封闭起来，利用位置跟踪器、数据手套等设备与虚拟环境进行交互，产生一种身临其境的感觉。 增强现实的增强现实的VRVR系统（系统（ARAR）：）： AR也称混合现实，不仅利用VR技术模拟、仿真现实世界，而且增强现实中无法或不方便感知的感受。 分布式分布式VRVR系统：系统： 基于网络的虚拟现实系统。异地分布的多个用户通过计算机网络连接在一起，对同一虚拟世界进行观察和操作，达到协同工作的目的。第17页/共26页产品设计与人机功效（飞机，空间站等）产品设计与人机功效（飞机，空间站等）应用示例：第18页/共26页科学计算可视化科学计算可视化第19页/共26页第20页/共26页第21页/共26页8、逆向设计 逆向设计，是在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD 模型的情况下，按照现有零件模型(尤其适合复杂不规则的自由曲面)，利用各种数字化技术及CAD技术重新构造CAD模型的过程。u对没有设计图纸及CAD模型的现有零件的复制；u对需要通过实验测试才能定型的工件模型的设计； u美学设计特别重要的领域，如汽车、摩托车等在油泥模型基础上的外观设计；其应用领域大致如下：u破损艺术品的修复、缺乏供应的损坏零件的仿制等。第22页/共26页逆向设计流程逆向设计流程产品复制产品复制样品模型样品模型3D3D测量测量点云处理点云处理曲面重构曲面重构CADCAD建模建模数控数控加工加工第23页/共26页应用示例：电电话话手手柄柄手手机机充充电电器器第24页/共26页 总之，设计工作本质上是一种创造性的活动，是对知识与信息等进行创造性的工作与处理。发展机械现代设计方法，实质上就是不断追求最机智、最恰当而且最迅速地解决用户要求、社会效益、经济效益、机械内在要求等对机械构成的全部约束条件。第25页/共26页