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1、主讲 陶栋材 湖南农业大学工学院2016年3月 现代设计方法 第一章概论第一节设计的基本概念1 设计的概念与内涵设计是人类改造自然的基本活动之一 它与人类的生产活动及生活紧密相关 1 什么是设计 狭义理解 在正式做某项工作之前 根据一定的目的和要求 预先制定方法 图样等 广义理解 设计是指为了达到某一特定目的 从构思到建立一个切实可行的实施方案 并且用明确的手段表示出来的系列行为 2 产品设计的重要性及产品开发面临的挑战重要性 1 设计直接决定产品的功能和性能 2 设计对企业的生存和发展具有重大意义 3 设计直接关系人类的未来及社会发展 挑战 1 产品适销期明显缩短 产品开发周期极大压缩 2
2、产品品种数急剧增加 3 设计对象越来越复杂 4 设计过程越来越复杂 5 对设计产品的要求越来越高 6 设计风险加大 2 传统设计与现代设计1 设计发展的基本阶段 1 直觉设计阶段 2 经验设计阶段 3 半理论半经验设计阶段 4 现代设计阶段 2 现代设计的目标和特点目标 1 工效实用性 2 系统可靠性 3 运行稳定性 4 人机安全性 5 环境无害性 6 操作宜人性 7 结构工艺性 8 技术经济性 9 造型艺术性 10 设计规范性 特点 1 系统性 2 社会性 3 创造性 4 宜人性 5 最优化 6 动态化 7 设计过程智能化 8 设计手段的计算机化和数字化 9 设计和制造一体化 3 现代设计技
3、术体系现代设计技术体系如图1 1所示 现代设计技术体系由基础技术 主体技术 支撑技术和应用技术四个层次组成 3 设计过程与设计方法1 机电产品设计的一般过程 1 产品设计规划阶段 2 原理方案设计阶段 3 技术设计阶段 4 施工设计阶段 2 设计方法设计方法是指达到预定设计目标的途径 在很长的一段时间内 工程设计方法多采用直觉法 类比法及以古典力学 数学和经验数据为基础的半经验设计法 设计中反复多 周期长 20世纪70年代以后 随着计算方法 控制理论 系统工程 价值工程 创造工程等学科理论的发展以及电子计算机的广泛应用 促使许多跨学科的现代设计方法出现 使工程设计进入创新 高质量 高效率的新阶
4、段 4 设计类型及设计原则1 设计类型 1 开发性设计 2 适应型设计 3 变参数设计 4 测绘和仿制2 设计原则 1 创新原则 2 可靠原则 3 效益原则 4 审核原则 5 部分现代设计方法简介计算机辅助设计优化设计可靠性设计有限元法工业造型设计创新设计虚拟设计价值工程并行工程模块化设计反求工程相似性设计健壮性设计智能设计绿色设计动态设计 6 学习现代设计方法的意义1 了解现代设计的特点 技术体系 现代设计的基本理念和思路 2 重点掌握一些应用广泛 实用性强的设计方法 包括产品系统化设计方法 优化设计 可靠性设计和有限元方法等 的理论和应用过程 3 通过学习和实验 力求掌握一些常用现代设计计
5、算机软件的操作和具体应用方法 通过本课程的学习 为从事机电产品开发工作打下一定基础 在未来产品设计实践的工作过程中 能够正确应用现代设计理论与方法 甚至不断发展和创造出新的现代设计方法和手段 已推动人类设计事业的进步 第二章农业机械计算机辅助分析第一节概述计算机辅助设计 computeraideddesign CAD 广泛应用于航空 汽车和其它工业领域 其中一些重要技术也移植到农机行业 但是有关CAD在农机专业方面应用的论著甚少 一 什么是农机计算机辅助分析农机计算机辅助分析 agr Machinerycomputeraidedanalyzing 农机CAA 是在农业机械设计前对农机工作部件和
6、农机系统进行分析 以寻求农机设计的最佳参数或参数范围 同CAD有密切的关系 二 农机CAA的优点 1 计算速度快 精度高 2 能够完成过去人工计算和图解法难以完成的设计前分析工作 3 大大缩短了设计时间 三 农机CAA过程1 设计和制造新产品的过程设计要求 搜集资料 调研 综合分析 寻求设计参数 设计 样机制造 试验 改进 制造新产品 2 取得设计参数主要方法 理论分析方法 试验方法 经验方法 这3种方法都可以借助计算机完成 借助计算机的理论方法有别于传统理论方法 模型建立过程中首先考虑适合于编程计算 由于计算机计算速度很快 特别适于繁复运算 计算结果可以打印 辅以自动绘制的特性曲线 以助于分
7、析 当然也可以用优化的方法直接取得最佳参数 试验方法包括最优试验设计 以减少试验次数 数据处理和统计分析有各种现成的程序可以利用 其结果是回归方程或直接得到参数 经验方法则需要有资料数据库 调用数据库可以得到现有同类机具的各种参数 实际上 在设计中常常是3种方法同时应用 例如理论计算所输入的数据有时就依靠试验得到 而理论模型的仿真程度往往借助于试验来验证 一个好的理论模型 往往要经过理论分析和试验研究几次反复修正才能得到 四 农机理论分析的一般特点农机理论研究的对象常常包括生物体和土壤这类因素复杂的物质 其性质变化多端 除了同一类物体的不同个体之间变化很大以外 同一个体在不同的时间也存在相当大
8、的差异 这就给理论分析带来了很大的困难 所以 对于农机问题 试验且重复多点试验是设计后所不可缺少的环节 而传统的理论分析往往只能得到定性的结论 本课希望在农机的理论分析上借助于计算机 由定性向定量分析上有所突破 农机定量分析的成功与否 除了建模的技巧外 在很大程度上取决于研究对象 如果问题可以归纳为静力学和运动学问题 特别是机械运动学 刚体运动学 问题 若所作的假设符合实际 理论分析的结果是可信的 甚至用不着通过试验来验证 在农业机械上 谷物收获机拨禾轮轨迹 插秧机秧爪轨迹计算和绘制等都属于这类问题 非机械运动学问题 例如籽粒在空气中的运动 则由于籽粒本身的几何形状和物理性质方面的差别 理论分
9、析的误差较大 对于动力学问题 如果是机械动力学 刚体力学 问题 不涉及生物体 理论分析是比较可靠的 但是涉及生物体 特别是碰撞类问题 则比较难以得到可靠的结果 因为其碰撞性质在弹性和塑性之间 也就是说 其碰撞系数在0和l之间 就籽粒而言 水分 成熟度和几何形状这些因素的变化将给分析带来困难 使分析难以达到满意的结果 涉及到土壤力学的问题 也同样比较复杂 难以模拟 土壤的物理性质由于其成分不同差异很大 致使土壤在犁体上的作用形式难以确定 即使建立模型 也由于土壤参数变化范围太大 给所建立的模型使用造成困难 随着农机事业的发展 有些农机理论问题 离开了牛顿力学的范围 例如谷物干燥 蔬菜脱水 水果运
10、输等问题 涉及到了传热学 生物化学和流变学 其特性方程需要大量的试验来获得 其理论模拟的可靠程度 取决于试验的设计技巧 准确性和回归的方法 因此在分析中 首先要确定研究的对象属于哪一类问题 是否适用于一般的理论分析方法 并且预知这种理论方法所得到的结果是定量的还是仅仅具有定性的意义 如果建立模型相当困难 在使用模型时其中的参数又难以确定 直接采用实验方法来取得设计参数是更为合理的手段 理论分析结论的实用意义取决于理论模型的仿真程度 而理论模型的仿真程度取决于个人对所研究对象的熟悉程度 经验 分析的技巧和基础知识水平 如果理论工作者对所研究的对象有比较丰富的实践知识 他在建立模型过程中就能够正确
11、的选定影响该物理现象的主要因素 从而决定取舍的内容 丰富的经验使其能把握正确的方向 而分析的技巧和坚实的基础知识有助于解决分析中遇到的复杂问题 所以农机理论分析是农机方面基础和专业知识的综合运用 随着农机学科知识的扩展 除了要求理论工作者具有深厚的数学 力学 计算机软件和优化原理知识以及运用这些知识的实际能力外 根据所研究的具体问题的需要 也要掌握一定的物理学 物料力学 热工学 传热学 流变学 生物化学和电工学知识 无论采取理论的或是试验的方法进行农机的研究 均需要计算机辅助 第二节物料的线 面和空间运动学和动力学分析一 概述质点的线 直线和曲线 平面和空间运动也是农机理论分析中常常遇到的问题
12、 质点通常是物料 研究的质点可大可小 但是它的转动被忽略 在播种机上种子投种轨道的设计分析 是通过研究种子的运动得到最佳曲线的播种轨道 物料在振动筛和抖动输送板上相对直线运动的动力学分析 并按照不同的用途 寻求不同的设计参数 籽粒抛扬分离的理论分析是通过研究籽粒及粮食中其它混杂物在空气中的运动 得到谷物抛扬机时最佳抛扬速度和角度 通过大豆回旋分级机上豆粒运行轨迹的分析 可以得到最佳理论回旋面 风机理论分析 实际上也是把通过叶片的气流看作质点 忽略气流中的涡流 以上所述 虽然研究的对象是物料 但是分析的结果是为设计机器选择理想的参数 复杂的质点的运动模拟的建立通常是列动力学微分方程和解微分方程的
13、过程 如果模拟分析结果包括位移 则用解析方法为好 其结果或者中间过程不包括位移的 则可以根据题意选择一种简化问题的方法 解微分方程是模拟分析的难点 所列微分方程常常没有原函数表达式 可以用数值积分或常微分方程数值解法来近似地解决 其过程需应用计算机 本章中介绍3种典型实例 质点的线 平面和空间运动模拟 二 质点的定轨迹运动学和动力学分析实例1 投种滑道的理论设计精密播种机除了配置性能良好的播种部件外 要求在设计投种管道时 尽可能保证零速投种 缩短投种口和地面的距离 否则 种子具有相对地面速度 使种子落地后弹离原位 仍然不能达到精密播种的目的 在确定其滑道为抛物线的前提下 用平面解析法 从理论上
14、探讨投种管道的抛物线形状 水稻秧盘播种机的播种部件固定 而秧盘相对播种部件 或地面 运动 为了达到零速投种 种子离开管道瞬时 其相对速度应该与前进速度相等 且方向相反 使其绝对速度为零 为了使设计简化 采用抛物线管道 设其出口端为抛物线顶端 抛物线开口向上 已知 滑道高度为H 种子落入滑道速度为Vy 种子离开滑道速度为Vx Vm 设滑道抛物线为y ax2 种子在滑道中任意点受力分析如图所示 为摩擦角 则有 设滑道摩擦力F对种子作功为A 种子由顶点沿轨道运行的路程为S 当y H时 种子在进入滑道和离开滑道时 能量守恒 由此得到输种滑道的抛物线方程 y ax2 编程后通过改变H Vy Vx等参数
15、就可以方便地得到一系列符合设计要求的滑道轨迹 供设计者选择 2 物料在振动筛和抖动输送板上的运动分析物料在振动筛和抖动输送板上的运动机理是相同的 在振动筛设计时 基本思想是物料既有上移 又有下移 上移大于下移 或者下移大于上移 使其既能与筛面有较多的相对运动 以确保其能有较多的机会从筛孔落下 又可以使分离出的短茎秆和断穗能够从一端流出 当然 在联合收割机上 为了使分离效果更佳 一般都利用谷物和混杂物空气动力学特性不同 在气流与筛孔的联合作用下 将谷物与其混杂物分离 抖动输送板则是利用抖动板的往复运动使物料均匀地被输送到另一端 物料在输送过程中 没有必要作往复运动 而是单向运动 传统的分析方法列
16、出了物料运动分析的方程 并且推出了3个特征数 K1 K2 K3 以确定物料作何种形式和方向的运动 本节讨论利用计算机计算 并自动绘制出改变振动方向角 和筛面角 时的K1 K2 K3曲线 非常直观地将方向角 筛面角 与K1 K2 K3之间的关系用图形表示出来 可以方便地根据设计要求确定主要设计参数 除此之外 本节在分析方法上较传统方法有所改进 将曲柄转角严格按照三角函数的要求 以x轴正向作为始边 可减少分析中的混乱 在物料跃起的分析中 提出了依据 和 的相对大小 确定其K3的公式 把 或 作为分析跃起的基本条件 1 物料相对运动动力学分析振动筛 抖动输送板的机构示意图如图所示 它由吊杆铰链连接输送板 或振动筛 曲柄连杆机构与输送板 或振动筛 铰结 OB x轴 与两吊杆垂直 吊杆很长 板面 或筛面 可认为作直线往复运动 与水平面夹角为 角 振动方向与水平面成 角 板面 或筛面 上任意点的位移可近似列为 x Rcos t R为曲柄OA的长度 速度 加速度方程 物料在板面 或筛面 上受到的牵连惯性力S 当曲柄转至左半周 第2 3象限 时 见图a 运动趋势向左 摩擦力方向指向D点 当曲柄转至右半
