现代机械设计理论与方法

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1、现代机械设计理论与方法摘要：在分析现代机械设计的特点和原则的基础上，介绍了现代机械设计的理论与方法、设计原则等，指出现代机械设计是机械理论与其他理论的有机结合，是传统机械设计的创新发展。关键词：现代机械设计；系统；机械设计原则；价值Modern mechanical design theory and methodAbstract: Based on analyzing the characteristics and principles of modern mechanical design, this paper introduced the theory and method of mo

2、dern mechanical design, design principles, points out that the modern mechanical design is the combination of mechanical theory and other theories, is the traditional mechanical design innovation and development.Keywords: modern mechanical design; mechanical system; design principles; value0、 引言设计理论

3、与方法是关于设计本质和设计方法的系统理论，目的在于揭示设计过程的本质规律，探索各种有效的设计方法，为实际的设计工作提供指南。而在机械设计中，需要设计者在在力学（特别在动力学）、机械原理、机械设计、摩擦学、强度理论、材料科学、控制理论以及设计理论方面有坚实基础；在传热学、电子技术、计算机及网络技术方面有较强基础；在人工智能科学、管理科学（特别是市场分析和成本分析）、环境科学及人机科学方面有一定的基础。本文重点讲解现代机械设计理论与方法1、各类机构与机器的总称1、人工组合物2、可实现能量的转换；3、各部分之间具有确定的相对运动关系4、能够改变或者传递力并产生运动，完成某些工作2、传统机械与现代机械

4、1、传统机械组成：动力机、传动机构、执行机构和操纵控制装置2、现代机械定义：由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量等动力学任务的机械或机电部件相互联系的系统组成：机械本体、动力部分、检测传感装置、控制及信息处理装置、执行机构等3、现代设计的内涵和范畴1、现代设计的内涵通过对其特征的分析，可以认为：“现代设计”就是以市场需求为驱动，以知识获取为中心，以现代设计思想、方法为指导，以现代技术手段为工具，以产品的整个生命周期为对象，考虑人、机和环境相容性的设计。2、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

5、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。4、现代机械和设计的特征现代设计是传统设计的深入、丰富和完善，而非独立于传统设

6、计的全新设计。虽然目前对现代设计尚无确切定义，但可从以下特征来理解。（1） 以计算机技术为核心这是现代设计的主要特征。计算机技术的飞速发展对设计产生了巨大影响，表现为以下几方面：设计手段的更新 计算机技术推动了设计手段从“手工”向“自动”的转变。产品表示的改变 计算机技术推动了产品表示从“二维”向“三维”的转变。设计方法的发展 促进了一些新的设计方法的出现，高性能的计算机硬件和先进的软件技术是这些方法实施的保证。一些先进的设计方法如有限元分析、优化、模态分析等都涉及大量复杂计算，只有计算机技术的发展才能推动这些方法的进步和应用。新的设计方法如并行设计、虚拟设计、计算机仿真等。工作方式的变化计算

7、机技术促进了设计方式从“串行”到“并行”的变化。设计与制造一体化存在于计算机内的产品模型可直接进入CAPP 系统进行工艺规划和NC 编程，进而加工代码可直接传入NC 机床、加工中心进行加工。产品模型加强了设计与制造两个环节的连接，提高了产品开发的效率。管理水平的提高产品设计是一个复杂的系统工程，设计过程中涉及大量设计数据和设计行为的管理。数据库技术的发展改变了传统的手工管理模式，各种MIS、PDM 系统的广泛应用大大提高了设计的管理水平，保证了设计过程的高效、协同和安全。组织模式的开放网络技术的发展加快了数据通讯速度，缩短了企业之间的距离。传统的局限于企业内部的封闭设计正在变为不受行政隶属关系

8、约束的、多企业共同参与的异地设计。为完成一种设计任务形成的虚拟企业或动态联盟将实现优势互补和资源共享，极大地提高设计效率和水平。（2）以设计理论为指导受科学技术发展水平的限制，传统设计是以生产经验为基础，以运用力学和数学形成的计算公式、经验公式、图表、手册等作为依据进行的。随着理论研究的深入，许多工程现象不断升华和总结为揭示事物内在规律和本质的理论，如摩擦学理论、模态分析理论、可靠性理论、疲劳理论、润滑理论等。现代设计方法是基于理论形成的方法，利用这种方法指导设计可减小经验设计的盲目性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准确性。因此，现代设计是以理论指导为主、经验为辅的一种设计。3）技术上的特

9、征1、智能化 大型复杂机械的设计必须完成“分析分解综合”的过程，其中包含了大量创造性思维过程和智能活动。 2、经济性 市场的竞争、用户的选择使对产品的经济性要求越来越高。 3、并行性 必须超前考虑后续的过程，实现DFM、DFA，以压缩废品、库存的消耗，确保经济性。 4、集成化 树立人机一体化、机电一体化、硬软件一体化的观念，综合多方面测试分析数据指导、评价设计，融多种现代科技成果和技术，特别是CAD技术于产品设计之中。 5、精确性 机械产品复杂度、综合性提高的必然结果要求设计过程中要采用先进的计算技术、计算理论和计算分析工具，使设计的分析更为准确、设计参数更为精确。 6、动态性 设计的对象处在

10、动态环境中，把握其动态过程对于提高产品的可靠性具有重要意义，同时设计组织的协调也具有动态性，所以要求设计的过程中设计数据集成和设计系统必须无缝连接。（4）其他特征机械应是一种有“头脑”的手足延长，即使其中的“头脑”并不理想（具有主动控制功能）；不仅仅只处理物质和能量，而且更关注处理信息；满足人们的综合需求，所有的机器都将是机器人：机械将具有更强的智能。现代的机械设计反映现代机械设计的哲理、准则和方法5、如何研究现代机械1、学科耦合，产生新的理论与方法；2、更为深入地认识各个学科在理论和方法上的发展，用系统的观点考查其依赖与渗透；3、用信息流的观点观察机械各部分之间的关系；4、用动态的观点研究机

11、械性能（全寿命周期的要求）。6、现代设计原则设计原则是为设计产品应满足的条件，也是对设计行为的约束。使设计理论具体化和实用化的条件：（1）、能反映设计对象有关本质方面并能定量描述（2）、有完整的设计准则、设计步骤和各种系数在实践或实验验证了的选择方法（3）、能用试验测定与设计准则有关的指标，设计结果有实用价值，有良好的再现性受设计水平、观念、体制等限制，传统设计所考虑的原则着眼于产品的功能和技术范畴，而设计的影响贯穿产品整个生命周期，所以设计原则必须面向生命周期内的各个阶段。现代设计原则是传统设计原则的扩充和完善，两者并无本质区别。可归纳为以下几类。1 功能满足原则产品设计的目的是构造能够实现

12、规定功能的产品。如果产品不具备要求的功能，设计就失去价值。因此满足功能是各类产品设计的必要原则。2 质量保障原则保证质量是产品设计的重要原则。产品质量主要由性能和可靠性决定，因此这类原则主要包括：(1)、性能指标。指产品的各类技术指标，如机床加工精度、传动系统运动精度，电视机分辨率等。先进的技术指标是实现高质量产品的前提。(2)、可靠性。指产品在规定的条件和规定时间内完成规定功能的能力。产品只有可靠性能才有实用价值，因此性能的发挥依赖于可靠性。(3)、强度原则。要求产品零件具有抵抗整体断裂、塑性变形和某些表面损伤的能力。(4)、刚度原则。要求在外载作用下产品变形在规定的弹性变形之内。_(5)、

13、稳定性。指产品在外载作用下能够恢复其平衡的特性。(6)、抗磨损性。要求零件在规定时间内材料的磨损量在规定值以内。(7)、抗腐蚀性。要求产品在恶劣环境下不被周围介质侵蚀的特征。(8)、抗蠕变性。要求高温环境工作的产品不发生蠕变或蠕变变形在规定值以内。(9)、动态特性。指在动载荷作用下产品具有良好的抗振特性，以保证产品的平稳和低噪声运行。(10)、平衡特性。指旋转产品具有良好的静平衡和动平衡特性。(11)、热特性。保证产品具有要求的温度大小、温度分布和热流状态，以及热应力、热变形在规定值以内。3 工艺优良原则指设计能够且容易通过生产过程实现，它包括：(1)、可制造性。指利用现有设备能够制造出满足精

14、度等要求的零件，且制造成本低，效率高。(2)、可装配性。指零件能够装配成满足装配精度要求的部件和整机，且装配成本低、效率高。(3)、可测试性。指产品能够且容易通过适当方式进行有关测试，以评估设计、制造和装配。4 经济合理原则要求产品具有较低的开发成本和使用费用。5 社会使用原则考虑产品投放市场后的表现行为，包括：(1)、环境友好性。保证产品产生尽可能少的废水、废气、噪声、射线等，符合环保法规，对生态环境破坏最小。(2)、环境适应性。适应使用环境的湿度、温度、载荷、震动等特殊条件。(3)、人机友好性。满足使用者生理、心理等方面要求，使产品外形美观，色彩宜人，操作简单、方便、舒适。(4)、可维修性

15、。使产品能够且易于维修，维修的停机时间、费用、复杂性、人员要求和差错尽可能最小。(5)、安全性。保证不对人的生命财产造成破坏。(6)、可安装性。保证产品使用前安装容易、可靠，且安装费用最小。(7)、可拆卸性。考虑产品的材料回收和零组件的重新使用。(8)、可回收性。考虑产品报废及回收方式。7、现代机械设计理论、方法与技术1 技术方面：1）、现代设计方法学（1）系统设计（2）价值工程 （3）功能设计（4）并行设计（5）模块化设计（6）质量功能配置（7）反求设计（8）绿色设计 （9）模糊设计（10）面向对象的设计（11）工业造型设计2）、计算机辅助设计技术（1）有限元法（2）优化设计（3）CAD计算

16、机辅助设计（4）模拟仿真与虚拟设计（5）智能计算机辅助设计（6）工程数据库(PDM)3）、可信性设计（1）可靠性设计（2）安全设计（3）动态设计（4）防断裂设计（5）抗疲劳设计（6）减摩耐磨设计（7）防腐蚀设计（8）健壮设计（9）耐环境设计（10）维修设计和维修保障设计（11）测试性设计（12）人机工程设计2 设计手段的精确化、计算机化、自动化与虚拟化3 现代设计的发展趋势展望1)、设计过程的数字化。2)、设计过程的自动化和智能化研究3)、动态多变量优化和工程不确定模型优化4)、网络化并行设计及协同设计技术5)、虚拟设计和仿真虚拟试验及快速成形技术6)、大力普及、推广与发展CAD技术的应用研究

17、7)、面向集成制造8)、微型机电系统的设计8、总结现代机械设计的发展趋势可概括为以下三个方面：性能上，向高精度、高效率、高性能、智能化的方向发展；功能上，向小型化、轻型化、多功能方向发展；层次上，向系统化、复合集成化的方向发展。现代机械设计的优势，在于它吸收了各相关学科之长，且综合运用各学科知识并加以整体优化。随着计算机技术、网络技术、检测技术、控制技术等学科的飞速发展，现代机械设计的内涵将更加丰富。设计出的产品将更加符合科学原理、结构更加新颖、更加富有实用价值。9、参考文献1.黄雨华 董遇泰 主编 现代机械设计理论和方法 东北大学出版社2001-1-12.谢里阳 主编 现代机械设计方法 机械工业出版社2010-7-13.黄平 主编 现代设计理论与方法 清华大学出版社2010-7-14.倪洪启 谷耀新 主编 现代机械设计方法 化学工业出版社2008-5-15.臧勇主编著 现代机械设计方法 冶金工业出版社2011-6-16.钟志华 周彦伟主编 现代设计方法 武汉理工大学出版社2001-8-1