最先进的机械设计理论与方法0315

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1、学科前沿知识讲座学科前沿知识讲座先进机械设计理论与方法先进机械设计理论与方法 v 机械机械：机器和机构的统称。机器和机构的统称。v 机械系统：机械系统：具有特定功能，相互间具有有机联系，由若干具有特定功能，相互间具有有机联系，由若干要素构成的一个整体。主要包括一下几个子系统：动力系要素构成的一个整体。主要包括一下几个子系统：动力系统、传动系统、执行系统、操纵和控制系统、架体支承系统、传动系统、执行系统、操纵和控制系统、架体支承系统。统。v 机械系统特性：机械系统特性：整体性、相关性、目的性和环境适应性。整体性、相关性、目的性和环境适应性。1 1、机械和机械系统、机械和机械系统 高低压高低压吹膜

2、机吹膜机 1 1、机械和机械系统、机械和机械系统 注：机械系统是一个有机的整体，多数为一个大系统，注：机械系统是一个有机的整体，多数为一个大系统，设计者应设计者应 从机械系统的整体性出发，不仅仅考虑局部的、个别的零部从机械系统的整体性出发，不仅仅考虑局部的、个别的零部 件，要对所设计的机械进行全面的、整体的考察和分析，才件，要对所设计的机械进行全面的、整体的考察和分析，才 可以设计出优良的机械产品。可以设计出优良的机械产品。新型“非洲猎豹”机器人效果图 1 1、机械和机械系统、机械和机械系统 v 机械设计机械设计：机械设计是设计者为满足社会和人们对机械产机械设计是设计者为满足社会和人们对机械产

3、品功能的需要，运用基础知识、专业知识、实践经验和系品功能的需要，运用基础知识、专业知识、实践经验和系统工程等方法，进行设想和构思、计算和分析，最后以技统工程等方法，进行设想和构思、计算和分析，最后以技术文件的形式。提供产品制造依据的全过程工作。术文件的形式。提供产品制造依据的全过程工作。v 机械设计特点：机械设计特点：（1 1）多解性多解性：主要为同类功能的产品适应不同要求。：主要为同类功能的产品适应不同要求。（2 2）系统性系统性：机械设计有必要基于系统工程的现代：机械设计有必要基于系统工程的现代 设计方法学的指导进行。设计方法学的指导进行。（3 3）创新性创新性。v机械设计的原则机械设计的

4、原则实用性原则实用性原则创造性原则创造性原则优化原则优化原则可靠性原则可靠性原则安全性原则安全性原则经济性原则经济性原则评价审核原则评价审核原则v机械设计的基本程序机械设计的基本程序设计规划设计规划方案设计方案设计技术设计技术设计施工设计施工设计具体程序见下页。具体程序见下页。2.机械设计简介机械设计简介 机械设计的基本程序机械设计的基本程序2.2.机械设计简介机械设计简介 v机械设计方法分类机械设计方法分类传统设计方法传统设计方法 主要包括理论设计、经验设计和模型实验设计。主要包括理论设计、经验设计和模型实验设计。现代设计方法现代设计方法 主要有机械优化设计、机械可靠性设计、机械主要有机械优

5、化设计、机械可靠性设计、机械系统设计、有限元法、机械动态设计、模块化设计、系统设计、有限元法、机械动态设计、模块化设计、人机学设计和计算机辅助设计。具体理论和方法详人机学设计和计算机辅助设计。具体理论和方法详见下表。见下表。2.2.机械设计简介机械设计简介 1.设计方法学设计方法学2.优化设计优化设计3.可靠性设计可靠性设计4.工业艺术造型设计工业艺术造型设计5.有限元法有限元法6.动态设计动态设计7.计算机辅助设计计算机辅助设计8.疲劳强度设计疲劳强度设计9.损伤容限设计损伤容限设计10.摩擦学设计摩擦学设计11.模块化设计模块化设计12.热稳定设计热稳定设计13.精度设计精度设计14.相似

6、设计相似设计15.三次设计三次设计16.并行设计并行设计17.绿色设计绿色设计18.健壮设计健壮设计19.虚拟设计虚拟设计20.智能工程智能工程21.反求工程反求工程22.设计专家系统设计专家系统现代机械设计的主要理论和方法现代机械设计的主要理论和方法2.2.机械设计简介机械设计简介 现代设计方法与传统设计方法的比较：现代设计方法与传统设计方法的比较：在设计指导思想上，由过去的经验类比方法提高在设计指导思想上，由过去的经验类比方法提高到逻辑的、理性的和系统的新设计方法；到逻辑的、理性的和系统的新设计方法；在设计对象上，现代设计方法考虑了人在设计对象上，现代设计方法考虑了人机机环环境的相互协调，

7、从而发挥产品的最大潜力或最大境的相互协调，从而发挥产品的最大潜力或最大可能的提高系统的有效性；可能的提高系统的有效性；在设计方法中，前者广泛采用了在设计方法中，前者广泛采用了CADCAD、优化设计、优化设计、可靠性设计、工业艺术造型设计、价值工程和创可靠性设计、工业艺术造型设计、价值工程和创造性设计等方法，使设计水平有了一个质的飞跃；造性设计等方法，使设计水平有了一个质的飞跃；2.2.机械设计简介机械设计简介 现代设计方法与传统设计方法的比较：现代设计方法与传统设计方法的比较：v 在设计手段上，在设计手段上，充分采用电子计算机，自动绘充分采用电子计算机，自动绘图和数据库管理等新技术，大大提高了

8、数据的准图和数据库管理等新技术，大大提高了数据的准确性、稳定性和数据使用效率，使修改设计变得确性、稳定性和数据使用效率，使修改设计变得十分方便，分析工具的改进使设计采用尽可能精十分方便，分析工具的改进使设计采用尽可能精确的模型成为可能；确的模型成为可能；v 在试验和测试的技术上，采用频谱分析、激光全在试验和测试的技术上，采用频谱分析、激光全息摄影和计算机数据处理等先进技术，可对整个息摄影和计算机数据处理等先进技术，可对整个机械系统或零部件的性能进行科学的试验和分析，机械系统或零部件的性能进行科学的试验和分析，并可进行计算机仿真。并可进行计算机仿真。2.2.机械设计简介机械设计简介 机械的传动系

9、统设计机械的传动系统设计分类原则分类原则传动类型传动类型按工作原理分按工作原理分1.机械传动：摩擦传动、啮合传动、推动机械传动：摩擦传动、啮合传动、推动2.流体传动：气压传动、液压传动、静液压调速驱动、液力传流体传动：气压传动、液压传动、静液压调速驱动、液力传 动、液体黏性传动动、液体黏性传动3.电气传动：交流电气传动、直流电气传动电气传动：交流电气传动、直流电气传动4.磁力传动：可透过隔离物传动、不可透过隔离物传动磁力传动：可透过隔离物传动、不可透过隔离物传动按传动比变化按传动比变化分分1.定传动比传动定传动比传动2.变传动比传动：有级变速传动、无级变速传动、按周期性规变传动比传动：有级变速

10、传动、无级变速传动、按周期性规 律变化的传动律变化的传动按输出速度变按输出速度变化情况分化情况分1.恒定输出速度恒定输出速度 2.有级调速有级调速3.无级调速无级调速 4.按某种规律调速按某种规律调速按能量流的结按能量流的结构分构分1.单流传动单流传动2.多流传动：分流传动、汇流传动、混流传动多流传动：分流传动、汇流传动、混流传动传动的类型传动的类型2.机械设计简介机械设计简介 2.机械设计简介机械设计简介 机械的传动系统设计机械的传动系统设计液力机械式传动系统的组液力机械式传动系统的组成及布置示意图成及布置示意图齿轮传动系统齿轮传动系统 v 机械传动类型选择的原则机械传动类型选择的原则：v

11、对于小功率传动，应在满足工作性能的要求下，对于小功率传动，应在满足工作性能的要求下，选用结构简单的传动装置，尽可能降低初始费用；选用结构简单的传动装置，尽可能降低初始费用；v 对于大功率传动，应优先考虑传动装置的效率，对于大功率传动，应优先考虑传动装置的效率，以节约能源、降低运转和维修费用；以节约能源、降低运转和维修费用；当机器要求变速时，若能与动力机调速比相适应，当机器要求变速时，若能与动力机调速比相适应，可直接联接或采用固定传动比装置；可直接联接或采用固定传动比装置；2.机械设计简介机械设计简介 机械的传动系统设计机械的传动系统设计 v 机械传动类型选择的原则：机械传动类型选择的原则：v

12、当载荷变化频繁，且可能出现过载时，应考虑当载荷变化频繁，且可能出现过载时，应考虑过载保护装置；过载保护装置；v 当机器工作机构的运动要求与动力机同步或严当机器工作机构的运动要求与动力机同步或严格的传动比时，应采用无滑动的传动装置；格的传动比时，应采用无滑动的传动装置；传动装置的选用必须与制造技术水平相适应，传动装置的选用必须与制造技术水平相适应，应尽量选用专业的厂生产的标准零部件或产品。应尽量选用专业的厂生产的标准零部件或产品。2.机械设计简介机械设计简介 机械的传动系统设计机械的传动系统设计 v机械传动系统的设计程序机械传动系统的设计程序：v 确定传动系统的总传动比：确定传动系统的总传动比：

13、分别表示传动系统和输出轴的转速。分别表示传动系统和输出轴的转速。v 选择传动类型，拟定传动系统的布置方案。选择传动类型，拟定传动系统的布置方案。v 分配总传动比。总传动比与各级传动比的关系为：分配总传动比。总传动比与各级传动比的关系为：v 计算机械传动系统的性能参数。主要包括各级传动的转速、计算机械传动系统的性能参数。主要包括各级传动的转速、效率和转矩等。效率和转矩等。crnni crnn,kiiii 212.机械设计简介机械设计简介 机械的传动系统设计机械的传动系统设计 机械的执行系统设计机械的执行系统设计v 执行系统的分类执行系统的分类 按其对运动和动力的不同要求分为：动力型、动作型按其对

14、运动和动力的不同要求分为：动力型、动作型及动作及动作动力型。动力型。按执行机构相互间的联系情况分为：单一型、相互独按执行机构相互间的联系情况分为：单一型、相互独立型、相互联系型。立型、相互联系型。2.机械设计简介机械设计简介执行系统的功能执行系统的功能夹持功能夹持功能搬运功能搬运功能输送功能输送功能分度和转位功能分度和转位功能检测功能检测功能施力功能施力功能 内燃机执行系统简图内燃机执行系统简图2.机械设计简介机械设计简介2.2 2.2 机械的执行系统设计机械的执行系统设计 v 执行系统设计的基本步骤执行系统设计的基本步骤v 确定运动方案。确定运动方案。v 合理选择机构类型，拟定机构组合方案。

15、下页表合理选择机构类型，拟定机构组合方案。下页表中列出了常用机构的性能和特点，以供参考。中列出了常用机构的性能和特点，以供参考。v 绘制运动循环图。绘制运动循环图。强度和刚度计算。此外，执行机构中的构件应满强度和刚度计算。此外，执行机构中的构件应满足耐磨损、振动稳定性等要求；在高温或强腐蚀足耐磨损、振动稳定性等要求；在高温或强腐蚀条件下工作时，还要考虑材料的耐热性能或耐腐条件下工作时，还要考虑材料的耐热性能或耐腐蚀性能。蚀性能。2.机械设计简介机械设计简介 机械的执行系统设计机械的执行系统设计 机构机构类型类型主要性能特点主要性能特点能实现的运动转换能实现的运动转换平面连杆平面连杆机构机构结构

16、简单，制造方便，运动副为低副，结构简单，制造方便，运动副为低副，能承受较大载荷，适合各种速度工作。能承受较大载荷，适合各种速度工作。但在实现从动杆多种运动规律的灵活但在实现从动杆多种运动规律的灵活型方面，不及凸轮机构型方面，不及凸轮机构转动和转动、转转动和转动、转动和摆动、转动动和摆动、转动和移动、转动和和移动、转动和平面移动平面移动凸轮机构凸轮机构结构简单，可实现从动杆各种形式运结构简单，可实现从动杆各种形式运动规律，凸轮与从动杆间接触应力大，动规律，凸轮与从动杆间接触应力大，不宜承受大的载荷，常在自动机或控不宜承受大的载荷，常在自动机或控制系统中应用制系统中应用转动和移动、转转动和移动、转

17、动和摆动动和摆动常用机构的主要性能和特点常用机构的主要性能和特点2.机械设计简介机械设计简介 机械的执行系统设计机械的执行系统设计 机构机构类型类型主要性能特点主要性能特点能实现的运动转换能实现的运动转换齿轮机构齿轮机构轮系轮系承载能力和速度范围大，传动比恒定，承载能力和速度范围大，传动比恒定，运动精度高，效率高，但运动形式变运动精度高，效率高，但运动形式变换不多。非圆齿轮机构能实现变传动换不多。非圆齿轮机构能实现变传动比传动。不完全齿轮机构能传递间歇比传动。不完全齿轮机构能传递间歇运动，轮系能获得大的传动比。差动运动，轮系能获得大的传动比。差动轮系可将运动合成和分解轮系可将运动合成和分解转动

18、和转动、转转动和转动、转动和移动动和移动螺旋机构螺旋机构结构简单，工作平衡，可产生较大轴结构简单，工作平衡，可产生较大轴向力，反行程有自锁性能，可用于微向力，反行程有自锁性能，可用于微调和微位移，但效率低，螺纹易磨损。调和微位移，但效率低，螺纹易磨损。如采用滚珠螺旋可提高效率。如采用滚珠螺旋可提高效率。转动和移动转动和移动常用机构的主要性能和特点常用机构的主要性能和特点2.机械设计简介机械设计简介 机械的执行系统设计机械的执行系统设计 机构类型机构类型主要性能特点主要性能特点能实现的运动转换能实现的运动转换槽轮机构槽轮机构常用于分度转位机构，用锁紧盘定常用于分度转位机构，用锁紧盘定位，但定位精

19、度不高，分度转角取位，但定位精度不高，分度转角取决于槽轮的槽数，槽数通常是决于槽轮的槽数，槽数通常是412，槽数少时，角加速度变化较大，冲槽数少时，角加速度变化较大，冲击现象较严重。击现象较严重。转动和间歇转动转动和间歇转动棘轮机构棘轮机构结构简单，可用做单向或双向传动，结构简单，可用做单向或双向传动，分度转角可以调节，常用于分度转分度转角可以调节，常用于分度转位装置及防止逆转装置，但要附加位装置及防止逆转装置，但要附加定位装置。定位装置。摆动和间歇转动摆动和间歇转动组合机构组合机构可用凸轮、连杆、齿轮等机构组合可用凸轮、连杆、齿轮等机构组合而成，能实现多种形式的运动规律，而成，能实现多种形式

20、的运动规律，且具有各机构的综合优点，但结构且具有各机构的综合优点，但结构复杂，设计较困难。常在要求实现复杂，设计较困难。常在要求实现复杂动作的场合运用。复杂动作的场合运用。灵活性较大灵活性较大2.机械设计简介机械设计简介2.2 2.2 机械的执行系统设计机械的执行系统设计常用机构的主要性能和特点常用机构的主要性能和特点 v工作载荷的确定方法工作载荷的确定方法：类比法、计算法和实测法。类比法、计算法和实测法。v动力机的选择和计算动力机的选择和计算 主要从三个方面进行分析比较：主要从三个方面进行分析比较：分析工作机械的负载特性和要求，包括工作机械的载荷特性、工作制度、结构布置和工作环境等。分析动力

21、机本身的机械特性，包括动力机的功率、转矩、转速等特性，以及动力机所能适应的工作环境。应使动力机的机械特性与工作机械的负载特性相匹配。进行经济性的比较。当同时可用多种类型的动力机进行驱动时，经济性的分析是必不可少的，包括能源的供应和消耗，动力机的制造、运行和维护成本的对比等。3.3.机械结构设计的基本原则和原理机械结构设计的基本原则和原理 通过分析比较，首先确定动力机的类型，然后根据工作机通过分析比较，首先确定动力机的类型，然后根据工作机械的负载特性计算动力机的容量（功率大小）。动力机的械的负载特性计算动力机的容量（功率大小）。动力机的功率功率P P（单位：（单位：KWKW）与它的转矩）与它的转

22、矩T T（单位：（单位：NmNm）和转速）和转速（单位：（单位：r/minr/min）之间的关系为：）之间的关系为：9550nTP3.机械结构设计的基本原则和原理机械结构设计的基本原则和原理 配用动力机配用动力机螺杆膨胀动力机简图螺杆膨胀动力机简图3.机械结构设计的基本原则和原理机械结构设计的基本原则和原理 v 机械结构的失效形式机械结构的失效形式v 结构件中有的出现断裂或产生使用中不允许出现的结构件中有的出现断裂或产生使用中不允许出现的裂纹；对某些结构而言，产生过大的变形而失效。裂纹；对某些结构而言，产生过大的变形而失效。v 过量磨损。过量磨损。v 腐蚀。腐蚀。v 机械结构设计的基本原理机械

23、结构设计的基本原理 最有效力传导原理最有效力传导原理 功能及载荷分配原理功能及载荷分配原理 结构自助原理结构自助原理 置换原理和转移原理置换原理和转移原理3.机械结构设计的基本原则和原理机械结构设计的基本原则和原理 v 机械结构安全运行的强度判断依据是机械结构安全运行的强度判断依据是式中，式中，零部件计算部位的实际应力；零部件计算部位的实际应力；许用应力。许用应力。v 机械刚度设计机械刚度设计v 轴的扭转变形计算：用每米轴长的扭转角来表示。轴的扭转变形计算：用每米轴长的扭转角来表示。轴的弯曲变形计算：当量直径法和能量法。轴的弯曲变形计算：当量直径法和能量法。3.机械结构设计的基本原则和原理机械

24、结构设计的基本原则和原理 4.1 4.1 系统分析设计方法系统分析设计方法 传统的分析设计方法一般是把设计对象分解为许多独立传统的分析设计方法一般是把设计对象分解为许多独立的部分来分别进行研究。由于这是孤立的，且多是静止的分的部分来分别进行研究。由于这是孤立的，且多是静止的分析问题，因此所得出的结论常常带有片面性和局限性。析问题，因此所得出的结论常常带有片面性和局限性。现代工程往往是一些大系统的巨大工程，是一个多学现代工程往往是一些大系统的巨大工程，是一个多学科的综合技术系统。所以在系统分析设计法中，就应该把科的综合技术系统。所以在系统分析设计法中，就应该把设计对象看做是一个系统，用系统工程的

25、概念进行分析和设计对象看做是一个系统，用系统工程的概念进行分析和综合，并且按产品或系统开发的进程进行设计，以求获得综合，并且按产品或系统开发的进程进行设计，以求获得最佳的设计方案。最佳的设计方案。4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 技术系统的组成和处理对象技术系统的组成和处理对象我们所说的系统通常包括以下四个组成部分：系统单元、系我们所说的系统通常包括以下四个组成部分：系统单元、系统结构、边界条件、输入和输出要素。统结构、边界条件、输入和输出要素。系统单元完成某种功能而无需进一步划分的单元，即完成某种功能而无需进一步划分的单元，即系统相互联系和作用的基本组成要素。系统相互联系和作用的基本

26、组成要素。系统结构反映着系统内部各单元之间的关系，即相互反映着系统内部各单元之间的关系，即相互联系和作用的联结形式。联系和作用的联结形式。边界条件系统与外部环境作用的界面，通过这种界面系统与外部环境作用的界面，通过这种界面可以明确分析设计对象的范围。可以明确分析设计对象的范围。输入和输出要素系统的行为通常表现为它与其外部环境的相系统的行为通常表现为它与其外部环境的相互联系和作用，可以用输入和输出来表征。互联系和作用，可以用输入和输出来表征。4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 系统分析设计方法系统分析设计方法 技术系统的组成和处理对象技术系统的组成和处理对象以自行车为例其系统组成为：驱动、

27、控制、支承、变速、转向、制动驱动、控制、支承、变速、转向、制动、转动等机构。、转动等机构。自行车系统组成示意自行车系统组成示意系统单元系统单元系统结构系统结构边界条件边界条件输入输出输入输出要素要素 上述单元组成自行车的结构、实现能量上述单元组成自行车的结构、实现能量的转换、获得一定运动速度下的承载能的转换、获得一定运动速度下的承载能力，完成运载的功能。力，完成运载的功能。自行车的边界条件是骑行环境，而骑车自行车的边界条件是骑行环境，而骑车人是它的外部环境要素人是它的外部环境要素 输入要素为骑车人的脚蹬车，属于一种输入要素为骑车人的脚蹬车，属于一种机械能量；输出要素为一定速度的承载机械能量；输

28、出要素为一定速度的承载能力，也是一种机械能量。能力，也是一种机械能量。系统分析设计方法系统分析设计方法4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 4.1.2 4.1.2 系统分析设计方法系统分析设计方法 一般的说，系统或产品的设计过程可概略的划分为：一般的说，系统或产品的设计过程可概略的划分为：产品规划、方案设计、技术设计和施工设计等阶段。此处我产品规划、方案设计、技术设计和施工设计等阶段。此处我们将重点介绍们将重点介绍产品规划产品规划和和方案设计方案设计两个方面。两个方面。产品规划师设计的第一步，其目的在于明确所设计的系产品规划师设计的第一步，其目的在于明确所设计的系统或产品的目的、任务和要求

29、，并用设计任务书的形式表达统或产品的目的、任务和要求，并用设计任务书的形式表达出来，以作为后续的设计、评价和决策的依据。为此需要进出来，以作为后续的设计、评价和决策的依据。为此需要进行行 1）市场需求分析）市场需求分析 2）可行性分析）可行性分析 3）设计要求的拟定工作）设计要求的拟定工作 系统分析设计方法系统分析设计方法4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 系统分析设计方法系统分析设计方法1.产品规划产品规划可行性分析可行性分析 消费者对产品功能、性能、质消费者对产品功能、性能、质量和数量的具体要求；量和数量的具体要求；现有类似产品的销售情况和销现有类似产品的销售情况和销售趋势；售趋势；

30、竞争对手在技术、经济方面的竞争对手在技术、经济方面的优缺点及发展趋向；优缺点及发展趋向；主要原料、配件和半成品的现主要原料、配件和半成品的现状。状。技术分析技术分析技术方案中的创技术方案中的创新点和难点及解决方法和技新点和难点及解决方法和技术路线等分析；术路线等分析；经济分析经济分析成本和性能价格成本和性能价格比分析；比分析；社会分析社会分析随着生产的发展随着生产的发展和项目的综合化、大型化，和项目的综合化、大型化，他们和社会的关系日益密切。他们和社会的关系日益密切。设计要求的拟定设计要求的拟定市场需求分析市场需求分析321 根据产品功能和性能提出设计阐述和相关的指标，根据产品功能和性能提出设

31、计阐述和相关的指标，列出制造、使用等方面的限制条件。列出制造、使用等方面的限制条件。系统分析设计方法系统分析设计方法4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 4.1.2 4.1.2 系统分析设计方法系统分析设计方法2.方案设计方案设计方案设计阶段，第一步是原理方案拟定。而原理方案拟定一方案设计阶段，第一步是原理方案拟定。而原理方案拟定一般是从功能分析入手，利用创造性构思拟出多种方案，通过般是从功能分析入手，利用创造性构思拟出多种方案，通过分析分析综合综合评价，求得最佳方案。评价，求得最佳方案。4.1 4.1 系统分析设计方法系统分析设计方法4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 系统分析设计

32、方法系统分析设计方法2.方案设计方案设计例例：对于挖掘机的设计，我们采用功能综合法求解它的原理方案：对于挖掘机的设计，我们采用功能综合法求解它的原理方案1 1）功能分析）功能分析挖掘机的总功能是运取物料，其总功能和分功能挖掘机的总功能是运取物料，其总功能和分功能 间的关系为：间的关系为：2 2）列出各功能元及其局部解得功能求解综合表（见下页）列出各功能元及其局部解得功能求解综合表（见下页）系统分析设计方法系统分析设计方法4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 系统分析设计方法系统分析设计方法2.方案设计方案设计功能元功能元局部解局部解123456A.动力源动力源B.位移传动位移传动C.位移位

33、移D.取物传动取物传动E.取物取物电动机电动机齿轮传动齿轮传动轨道及车轮轨道及车轮拉杆拉杆挖斗挖斗汽油机汽油机涡轮传动涡轮传动轮胎轮胎绳传动绳传动抓斗抓斗柴油机柴油机带传动带传动履带履带汽缸传动汽缸传动钳式斗钳式斗蒸汽透平蒸汽透平链传动链传动气垫气垫液压缸传动液压缸传动液动机液动机液力耦合器液力耦合器气动马达气动马达3 3）系统解的可能方案数）系统解的可能方案数144034456N如如：A1+B4+C3+D2+E1A1+B4+C3+D2+E1履带式挖掘机履带式挖掘机 A5+B5+C2+D4+E2A5+B5+C2+D4+E2液压轮胎式挖掘机液压轮胎式挖掘机 系统分析设计方法系统分析设计方法4.4

34、.现代机械设计方法现代机械设计方法 创造性设计方法创造性设计方法 人类进步的历史是创造的历史，也就是说，人类的物人类进步的历史是创造的历史，也就是说，人类的物质财富和精神财富都是通过创造性活动产生的。质财富和精神财富都是通过创造性活动产生的。创造发明可以定义为把意念转变成新的产品或工艺方创造发明可以定义为把意念转变成新的产品或工艺方法等的过程。此处介绍创造性设计方法的目的在于说明，法等的过程。此处介绍创造性设计方法的目的在于说明，创造发明是有一定的规律和方法可循的，方法主要为：创造发明是有一定的规律和方法可循的，方法主要为：F列举法列举法F智爆法智爆法F提问追溯法提问追溯法F反向探求和向前推演

35、法反向探求和向前推演法F联想类推法联想类推法F组合法组合法F功能分析法功能分析法F同中求异与异中求同同中求异与异中求同4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 机械可靠性设计机械可靠性设计起因：起因：可靠性设计是第二次世界大战时由一只真空管引起的。可靠性设计是第二次世界大战时由一只真空管引起的。当时美国在远东的军事基地有当时美国在远东的军事基地有60%的军用飞机电子装置处的军用飞机电子装置处于故障状态，检查结果是由于真空管发生了故障。但出故障于故障状态，检查结果是由于真空管发生了故障。但出故障的真空管却是完全符合出厂指标的，虽然多次检查仍找不到的真空管却是完全符合出厂指标的，虽然多次检查仍找不

36、到原因。后来就做出了一种推断：关于真空管的制造技术，有原因。后来就做出了一种推断：关于真空管的制造技术，有超出以往制造技术和检查能力以外的某种特性，当它被掌握超出以往制造技术和检查能力以外的某种特性，当它被掌握和发现以后，是可以防止故障的。这种特性就是和发现以后，是可以防止故障的。这种特性就是“可靠性可靠性”。在设计、制造和检查中考虑可靠性可以大大减少故障。在设计、制造和检查中考虑可靠性可以大大减少故障。例如：阿波罗登月火箭成功的关键就是其可靠性达到了例如：阿波罗登月火箭成功的关键就是其可靠性达到了99.9999999%4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 v 产品的可靠性产品的可靠性是指

37、：产品在规定的条件下、在规定的时间是指：产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的能力。内完成规定的功能的能力。v 这里的产品可以泛指任何系统、设备和元器件。产品可靠这里的产品可以泛指任何系统、设备和元器件。产品可靠性定义的要素是三个性定义的要素是三个“规定规定”：“规定条件规定条件”、“规定时规定时间间”和和“规定功能规定功能”。v“规定条件规定条件”包括使用时的环境条件和工作条件；例包括使用时的环境条件和工作条件；例如同一型号的汽车在高速公路和在崎岖的山路上行驶，其如同一型号的汽车在高速公路和在崎岖的山路上行驶，其可靠性的表现就不大一样，要谈论产品的可靠性必须指明可靠性的表现就不大

38、一样，要谈论产品的可靠性必须指明规定的条件是什么。规定的条件是什么。v“规定时间规定时间”是指产品规定了的任务时间；随着产品是指产品规定了的任务时间；随着产品任务时间的增加，产品出现故障的概率将增加，而产品的任务时间的增加，产品出现故障的概率将增加，而产品的可靠性将是下降的。因此，谈论产品的可靠性离不开规定可靠性将是下降的。因此，谈论产品的可靠性离不开规定的任务时间。例如，一辆汽车在在刚刚开出厂子，和用了的任务时间。例如，一辆汽车在在刚刚开出厂子，和用了5年后相比，它出故障的概率显然大了很多。年后相比，它出故障的概率显然大了很多。4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 v“规定功能规定功能”

39、是指产品规定了的必须具备的功能及是指产品规定了的必须具备的功能及其技术指标。所要求产品功能的多少和其技术指标的高其技术指标。所要求产品功能的多少和其技术指标的高低，直接影响到产品可靠性指标的高低。例如，电风扇低，直接影响到产品可靠性指标的高低。例如，电风扇的主要功能有转叶，摇头，定时，那么规定的功能是三的主要功能有转叶，摇头，定时，那么规定的功能是三者都要，还是仅需要转叶能转能够吹风，所得出的可靠者都要，还是仅需要转叶能转能够吹风，所得出的可靠性指标是大不一样的。性指标是大不一样的。v 可靠性包含了可靠性包含了耐久性、可维修性、设计可靠性耐久性、可维修性、设计可靠性三大要素。三大要素。v 耐久

40、性：耐久性：产品使用无故障性或使用产品使用无故障性或使用寿命寿命长就是耐久性。长就是耐久性。例如，当空间探测卫星发射后，人们希望它能无故障的例如，当空间探测卫星发射后，人们希望它能无故障的长时间工作，否则，它的存在就没有太多的意义了，但长时间工作，否则，它的存在就没有太多的意义了，但从某一个角度来说，任何产品不可能从某一个角度来说，任何产品不可能100%的不会发的不会发生故障。生故障。4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 v 可维修性：可维修性：当产品发生故障后，能够很快很容易的通过维当产品发生故障后，能够很快很容易的通过维护或维修排除故障，就是可维修性。象自行车、电脑等都护或维修排除故障

41、，就是可维修性。象自行车、电脑等都是容易维修的，而且维修成本也不高，很快的能够排除故是容易维修的，而且维修成本也不高，很快的能够排除故障，这些都是事后维护或者维修。而象飞机、汽车都是价障，这些都是事后维护或者维修。而象飞机、汽车都是价格很高而且非常注重安全可靠性的要求，这一般通过日常格很高而且非常注重安全可靠性的要求，这一般通过日常的维护和保养，来大大延长它的使用寿命，这是预防维修。的维护和保养，来大大延长它的使用寿命，这是预防维修。产品的可维修性与产品的结构有很大的关系，即与设计可产品的可维修性与产品的结构有很大的关系，即与设计可靠性有关。靠性有关。v 设计可靠性：设计可靠性：这是决定产品质

42、量的关键，由于人这是决定产品质量的关键，由于人机系机系统的复杂性，以及人在操作中可能存在的差错和操作使用统的复杂性，以及人在操作中可能存在的差错和操作使用环境的这种因素影响，发生错误的可能性依然存在，所以环境的这种因素影响，发生错误的可能性依然存在，所以设计的时候必须充分考虑产品的易使用性和易操作性，这设计的时候必须充分考虑产品的易使用性和易操作性，这就是设计可靠性。一般来说，产品的越容易操作，发生人就是设计可靠性。一般来说，产品的越容易操作，发生人为失误或其他问题造成的故障和安全问题的可能性就越小。为失误或其他问题造成的故障和安全问题的可能性就越小。4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法

43、v可靠性是一项重要的质量指标，只是定性描述就可靠性是一项重要的质量指标，只是定性描述就显得不够，必须使之数量化，这样才能进行精确显得不够，必须使之数量化，这样才能进行精确的描述和比较。可靠性的定量表示有其自己的特的描述和比较。可靠性的定量表示有其自己的特点，由于使用场合的不同，很难用一个特征量来点，由于使用场合的不同，很难用一个特征量来完全代表。完全代表。v可靠度可靠度：产品的可靠度是指产品在规定条件下和产品的可靠度是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。规定时间内，完成规定功能的概率。v失效概率失效概率：失效概率是表征产品在规定条件下和失效概率是表征产品在规定条件下和规定时间内

44、，丧失规定功能的概率，也成为不可规定时间内，丧失规定功能的概率，也成为不可靠度。靠度。v失效密度：失效密度：失效密度是表示失效概率分布的密集失效密度是表示失效概率分布的密集程度，或者说是失效概率函数的变化率。程度，或者说是失效概率函数的变化率。4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 导致国产机电买得起，修不起，可靠性差已严重影响了机械工业的声誉。导致国产机电买得起，修不起，可靠性差已严重影响了机械工业的声誉。我国机电产品的可靠性现状我国机电产品的可靠性现状机械可靠性差机械可靠性差 平均无故障工作时间低于平均无故障工作时间低于国外同类产品一至二个数国外同类产品一至二个数量级量级 可靠性为国外产

45、品的可靠性为国外产品的1/2-1/2-1/3,1/3,甚至甚至1/101/10 国产车无故障里国产车无故障里 程在程在380-800km380-800km。而进口车。而进口车却为却为28000km28000km 上海金山石化总上海金山石化总厂国产仪表和日本仪表的故厂国产仪表和日本仪表的故障率为障率为9 9比比1 1仪表、气液元件、低压电器仪表、气液元件、低压电器拖拉机、工程机械拖拉机、工程机械 越野车越野车仪器仪表仪器仪表 机械可靠性设计机械可靠性设计4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 系统的可靠性设计系统的可靠性设计 一个机械系统常由许多子系统组成，而每个子系统又可能由一个机械系统常由

46、许多子系统组成，而每个子系统又可能由若干单元（如零件、部件）组成。因此单元的功能及实现其若干单元（如零件、部件）组成。因此单元的功能及实现其功能的概率都直接影响系统的可靠度。系统可靠性设计有两功能的概率都直接影响系统的可靠度。系统可靠性设计有两个方面的含义：一是可靠性预测；二是可靠性分配。个方面的含义：一是可靠性预测；二是可靠性分配。单元单元子系统子系统系统系统合成方法合成方法分解方法分解方法可靠性预测可靠性分配 机械可靠性设计机械可靠性设计4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 一、系统模型一、系统模型 系统的可靠性设计系统的可靠性设计混联系统混联系统 由一些串联子系统和一些并联子系统组合

47、而成的系统。并联系统并联系统 由若干相互独立单元组成的系统，只有当所有单元都失效时系统失效，就称此系统为并联系统。串联系统串联系统 由若干相互独立单元组成的系统，若其中任一单元的失效都会导致整个系统失效，则称这种系统为串联系统。机械可靠性设计机械可靠性设计4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 复杂系统复杂系统 非串、并联系统和桥式网络系统都属于复杂系统。备用冗余系统备用冗余系统 在系统中，把同功能单元重复配置以作备用。当其中一个单元失效时，用备用来替换以继续其功能，此系统称为备用冗余系统。表决系统表决系统 如果组成系统的n个单元中，只要有K个单元不失效，系统就不会失效，这样的系统就称为n中

48、取K系统，简写K/n系统，为表决系统。一、系统模型一、系统模型 系统的可靠性设计系统的可靠性设计输入输入输入输出输入输入（a）桥式网络系统（b）非串-并联系统（c）非串-并联系统复杂系统模型 机械可靠性设计机械可靠性设计4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 二、系统的可靠性预测二、系统的可靠性预测4.3.2 4.3.2 系统的可靠性设计系统的可靠性设计1、串联系统的可靠性计算、串联系统的可靠性计算)()(1tRtRiniS)(tRS系统的可靠度系统的可靠度)(tRi单元单元i的可靠度，的可靠度，i=1,2,n2、并联系统的可靠性计算、并联系统的可靠性计算)(11)(1)(1tRtQtRin

49、iSS)(tQS系统的失效概率系统的失效概率)(tQi单元单元i的失效概率，其余同上的失效概率，其余同上 机械可靠性设计机械可靠性设计4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 二、系统的可靠性预测二、系统的可靠性预测 系统的可靠性设计系统的可靠性设计3、混联系统的可靠性计算、混联系统的可靠性计算混联系统是串联和并联的组合，他们的可靠度可直接参照混联系统是串联和并联的组合，他们的可靠度可直接参照串联和并联系统的公式进行。串联和并联系统的公式进行。4、备用冗余系统的可靠性计算、备用冗余系统的可靠性计算假定储备单元在储备期时间假定储备单元在储备期时间t内不发生故障，且转换开关是内不发生故障，且转换开

50、关是完全可靠的。则当各单元的可靠度函数是指数分布，并且完全可靠的。则当各单元的可靠度函数是指数分布，并且 时，则系统的可靠度为：时，则系统的可靠度为：)()()(21tttn 101132!)(!1!3!21)(nKtKinintSeKttRnttttetR 机械可靠性设计机械可靠性设计4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 二、系统的可靠性预测二、系统的可靠性预测 系统的可靠性设计系统的可靠性设计5、表决系统的可靠性计算、表决系统的可靠性计算 KKKnKnKKnKnKnnStQtRCtRtRCtRtRKnKntRtRtRtR)()()(1)()(1)(!)(1)()()(16、复杂系统的可

51、靠性计算、复杂系统的可靠性计算)(tR每个单元的可靠度每个单元的可靠度当系统可以分解为串联、并联和混联系统时，复杂系统的可当系统可以分解为串联、并联和混联系统时，复杂系统的可靠度计算就可以按照前面所说的方法进行。但对更复杂系统靠度计算就可以按照前面所说的方法进行。但对更复杂系统，可采用分解法、布尔真值表法或卡诺图法进行计算。，可采用分解法、布尔真值表法或卡诺图法进行计算。机械可靠性设计机械可靠性设计4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 有限元分析方法有限元分析方法基本思想基本思想有限元法是随着计算机的广泛应用而发展起来的。其避开了有限元法是随着计算机的广泛应用而发展起来的。其避开了在整个求

52、解区域上寻求连续解析函数这一难点，转为寻求在在整个求解区域上寻求连续解析函数这一难点，转为寻求在各子域上适当控制方程，并满足整个物体的边界条件和连续各子域上适当控制方程，并满足整个物体的边界条件和连续条件的分块近似插值函数。条件的分块近似插值函数。有限元法的基本思想及其特点：有限元法的基本思想及其特点：4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 有限元分析方法有限元分析方法特特 点点 有限元法的基本思想及其特点：有限元法的基本思想及其特点：1）不受物体几何形状限制，可以用大大小小的多种单元进行拼）不受物体几何形状限制，可以用大大小小的多种单元进行拼装，以适应各种各样工程结构的复杂集合形状装，以适

53、应各种各样工程结构的复杂集合形状2）可以分析包括各种特殊结构的复杂结构体）可以分析包括各种特殊结构的复杂结构体3）可以适应不连续边界条件和荷载条件）可以适应不连续边界条件和荷载条件4）便于实现规范化和在计算机上统一编程，容易将程序编成模）便于实现规范化和在计算机上统一编程，容易将程序编成模块式结构块式结构5）计算工作量小，稳定性好，便于求解。占用计算机内存少。）计算工作量小，稳定性好，便于求解。占用计算机内存少。4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 问题及求问题及求解域定义解域定义 根据实际问根据实际问题近似确定求题近似确定求解域的物理性解域的物理性质和几何区域质和几何区域连续体连续体离散

54、化离散化单元分析单元分析组成物体的组成物体的整体方程组整体方程组求解有限元方求解有限元方程和结果解释程和结果解释12345 有限元法求解问题的基本步骤有限元法求解问题的基本步骤 习惯上称为习惯上称为有限元网格划有限元网格划分，即将连续分，即将连续体划分为有限体划分为有限个具有规则形个具有规则形状的微小块体。状的微小块体。1.1.选择位移模选择位移模式式2.2.分析单元的分析单元的力学性质力学性质3.3.计算等效节计算等效节点力点力 建立整个结构建立整个结构已知量与整个已知量与整个物体未知量的物体未知量的关系，考虑边关系，考虑边界条件与初始界条件与初始条件联立方程条件联立方程 求解上述联立求解上

55、述联立方程，求解结方程，求解结果是单元节点果是单元节点处状态变量的处状态变量的近似值。近似值。简言之：有限元分析可分为三个阶段简言之：有限元分析可分为三个阶段前处理、处理、后处理。前处理、处理、后处理。前处理前处理建立有限元模型，完成单元网格划分；建立有限元模型，完成单元网格划分；处理处理有限元计算；有限元计算；后处理后处理采集处理结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。采集处理结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。4.4 4.4 有限元分析方法有限元分析方法4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 有限元计算模型的建立有限元计算模型的建立1.有限元建模准则有限元建模准则有限元建模的总则

56、是根据工程分析精度要求，建立合适的、能有限元建模的总则是根据工程分析精度要求，建立合适的、能模拟实际结构的有限元模型，在此过程中应遵循下述准则：模拟实际结构的有限元模型，在此过程中应遵循下述准则：1）有限元模型应满足平衡条件）有限元模型应满足平衡条件3）边界条件和材料的本构关系）边界条件和材料的本构关系5）选取合适的有限元单元）选取合适的有限元单元7）几何上逼近真实结构体）几何上逼近真实结构体9）质量质心、质心矩、惯性矩等效）质量质心、质心矩、惯性矩等效2）变形协调条件）变形协调条件4）刚度等价原则）刚度等价原则6）准确划分网格）准确划分网格8）仔细处理荷载模型）仔细处理荷载模型10）超单元划

57、分单极化）超单元划分单极化4.4 4.4 有限元分析方法有限元分析方法4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 减小解题规模的常用措施减小解题规模的常用措施对称性和反对称性对称性和反对称性周期性条件周期性条件降维和几何简化降维和几何简化子结构技术子结构技术线性近似化线性近似化多工况荷载合并多工况荷载合并节点编号的优化节点编号的优化减小解减小解题规模题规模对称性和反对称性常对称性和反对称性常用来缩减有限元分析用来缩减有限元分析的工作量。只取原有的工作量。只取原有结构的结构的1/2、1/4或或1/8进行计算，同时进行计算，同时在对称面或反对称面在对称面或反对称面上附加相应的约束条上附加相应的约束条

58、件。件。对旋转零部件，可取对旋转零部件，可取其中一个周期进行分其中一个周期进行分析，在切开处应满足析，在切开处应满足周期性约束条件。周期性约束条件。对复杂结构，根据其对复杂结构，根据其几何、力学等的特点几何、力学等的特点进行降维处理，可使进行降维处理，可使计算量降低几十倍计算量降低几十倍 有限元分析方法有限元分析方法4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 4.4.4 4.4.4 减小解题规模的常用措施减小解题规模的常用措施对称性和反对称性对称性和反对称性周期性条件周期性条件降维和几何简化降维和几何简化子结构技术子结构技术线性近似化线性近似化多工况荷载合并多工况荷载合并节点编号的优化节点编号的

59、优化减小解减小解题规模题规模将一个大型复杂结构将一个大型复杂结构看成是有许多一级子看成是有许多一级子结构拼装而成，而一结构拼装而成，而一级子结构又可以由二级子结构又可以由二级子结构拼装成，这级子结构拼装成，这样分成若干级，而求样分成若干级，而求解从最高级开始。解从最高级开始。对微弱非线性问题，对微弱非线性问题，作为线性问题处理，作为线性问题处理，所得到的结果即能满所得到的结果即能满足要求，且成本低足要求，且成本低多种工况分析时，可多种工况分析时，可以将每一个荷载矢量以将每一个荷载矢量合并成一个荷载矩阵合并成一个荷载矩阵节点编号时，注意减少编号的最大差值，降低有限元计算节点编号时，注意减少编号的

60、最大差值，降低有限元计算中形成的稀疏矩阵的半带宽。中形成的稀疏矩阵的半带宽。有限元分析方法有限元分析方法4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 ANSYS 航空发动机转子动力学分析 有限元分析方法有限元分析方法ANSYS在石油机械与压力容器设计中的应用 4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 优化设计方法优化设计方法4.5.1 4.5.1 优化设计概述优化设计概述优化设计法从优化设计法从20世纪世纪60年代初发展起来，它是将最优化原理年代初发展起来，它是将最优化原理与计算机技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的与计算机技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法，使得在解

61、决复杂设计问题时，能从众多的设科学设计方法，使得在解决复杂设计问题时，能从众多的设计法案中寻找尽可能完善或最适宜的设计方案。计法案中寻找尽可能完善或最适宜的设计方案。实践证明，在机械设计中运用优化设计方法，不仅可以减轻实践证明，在机械设计中运用优化设计方法，不仅可以减轻机械设备自重，降低材料消耗与制造成本，而且可以提高产机械设备自重，降低材料消耗与制造成本，而且可以提高产品的质量与工作性能。因此优化设计已经成为现代机械设计品的质量与工作性能。因此优化设计已经成为现代机械设计理论和方法中的一个重要领域。理论和方法中的一个重要领域。4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 4.4.现代机械设计方法

62、现代机械设计方法v 优化设计英文名是优化设计英文名是optimization design，从多种方案，从多种方案中选择最佳方案的设计方法。它以数学中的最优化理论为基中选择最佳方案的设计方法。它以数学中的最优化理论为基础，以计算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立目础，以计算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求最优的设计方标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求最优的设计方案。案。v 通常设计方案可以用一组参数来表示，这些参数有些已经给通常设计方案可以用一组参数来表示，这些参数有些已经给定，有些没有给定，需要在设计中优选，称为设计变量。定，有些

63、没有给定，需要在设计中优选，称为设计变量。如如何找到一组最合适的设计变量，在允许的范围内，能使所设何找到一组最合适的设计变量，在允许的范围内，能使所设计的产品结构最合理、性能最好、质量最高、成本最低（即计的产品结构最合理、性能最好、质量最高、成本最低（即技术经济指标最佳），有市场竞争能力，同时设计的时间又技术经济指标最佳），有市场竞争能力，同时设计的时间又不要太长，这就是优化设计所要解决的问题。不要太长，这就是优化设计所要解决的问题。v 一般来说，优化设计有以下几个步骤：建立数学模型。一般来说，优化设计有以下几个步骤：建立数学模型。选择最优化算法。程序设计。制定目标要求。计算机选择最优化算法。

64、程序设计。制定目标要求。计算机自动筛选最优设计方案等。通常采用的最优化算法是逐步逼自动筛选最优设计方案等。通常采用的最优化算法是逐步逼近法，有线性规划和非线性规划。近法，有线性规划和非线性规划。优化设计分类优化设计分类组合优化问题组合优化问题函数优化问题函数优化问题机械优化设计从它所要解决问题的的特点来看，归纳起来机械优化设计从它所要解决问题的的特点来看，归纳起来可以分为函数优化问题和组合优化问题两大类。可以分为函数优化问题和组合优化问题两大类。令令X为为 上连续变量上连续变量x的一个的一个有界子集，有界子集，为为n维维实值函数，所谓函数实值函数，所谓函数 在在X域上的全域最优点就是所域上的全

65、域最优点就是所求的点求的点 使使 为在为在X上的最小值，上的最小值，即：即：如：机械参数优化设计，结如：机械参数优化设计，结构、形状优化设计等等。构、形状优化设计等等。nRnRxxf:)()(xfXx)(xf)()(,xfxfXx 令令 为所有离为所有离散状态构成的分解空间散状态构成的分解空间 为状态为状态 对应的目标函数对应的目标函数值，要求寻求最优解值，要求寻求最优解 ，使，使得得 如：生产调度问题、送货或如：生产调度问题、送货或原材料采购的最短路径问题原材料采购的最短路径问题等涉及排序、分类筛选的问等涉及排序、分类筛选的问题。题。nnsss,1)(isCiss)(min)(,iisCsC

66、s 优化设计方法优化设计方法4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 优化设计的一般流程优化设计的一般流程优化建模优化建模优化计算优化计算 优化设计方法优化设计方法优化设计的优化设计的一般流程图一般流程图4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 优化设计问题实例优化设计问题实例例例：欲用薄板制造一个体积为：欲用薄板制造一个体积为5m3的货箱，如图所示。要求其的货箱，如图所示。要求其 长度不小于长度不小于4m，问如何选择长宽高可使钢板耗费最少？，问如何选择长宽高可使钢板耗费最少？解解：可取质量为最求目标，因为质：可取质量为最求目标，因为质 量量m正比于货箱表面积正比于货箱表面积S，若不，若不 计厚度及上盖，有计厚度及上盖，有)(2313221l llll lS此式称为一般物理模型，转变为数学模型即为：此式称为一般物理模型，转变为数学模型即为：)(2)(313221xxxxxxxf 优化设计方法优化设计方法4.4.现代机械设计方法现代机械设计方法 优化设计问题实例优化设计问题实例)(2)(313221xxxxxxxf这种函数称为目标函数。同样将涉及得限制条件写成函数这种函数称为目标函数。同