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1、3.6 机械现代设计方法,考核知识点,了解并行设计、绿色设汁、和基于TRI的创新设计的基本概念、适用场合，及其设计的基本思路。 熟悉机械优化设计、可靠性设计、有限元分析方法的基本概念、应用领域和设计原则。,传统设计方法vs现代设计方法,传统设计方法,以生产经验为基础，以力学和数学公式、图表、手册等为依据，着眼于产品的功能和技术规范，按照产品的设计经验总结出有关的设计理论、步骤、方法进行设计。 特点： (1)用人工试凑法求得设计对象的各种结构尺寸和性能参数，其中，经验类比法设计占很大比重； (2)以静态为假设条件，进行定性目标和某些定量的设计； (3)设计者和制造者往往独立工作，分别活动； (4
2、) 周期长，效率低，质量差，费用高，带有很大的盲目性和随意性，产品缺乏竞争力。,传统设计方法vs现代设计方法,现代设计方法,以理论为指导，以计算机为手段，以分析、优化、动态、定量、综合为核心，设计过程自动化，设计的效率、水平、质量以及设计过程中的主动性、科学性和准确性大大提高。特点： (1) 突出设计的创造性； (2) 设计过程科学化和程式化； (3) 处理问题时具有系统性和综合性； (4) 最大程度运用计算机技术，以获得整体最优的设计结果。 包括：优化设计、可靠性设计、模块化设计、智能设计、并行设计、虚拟设计、绿色设计、反求设计、创新设计、稳健设计、有限元设计、人机工程设计,3.6.1 优化
3、设计,1.优化设计的基本概念,根据产品设计要求，合理确定各种参数，如质量、成本、性能、承载能力等，使其达到最佳的设计目标。 将最优原理和计算机技术应用于设计领域，把经验的、感性的、类比的传统设计方法转变为科学的、理性的设计，立足于计算分析。 在解决复杂设计问题时，能从众多的设计方案中寻找到尽可能完善的或最适宜的设计方案，从而大大提高设计效率和质量。,3.6.1 优化设计,1.优化设计的设计过程,(1) 根据设计要求和目的定义优化设计问题。 (2) 建立优化设计问题数学模型。 (3) 选用合适的优化计算方法。 (4) 确定必要的数据和设计初始点。 (5) 编写包括数学模型和优化算法的计算机程序，
4、通过计算机的求解计算获取最优参数。 (6) 对结果数据和设计方案进行合理性和适用性分析。,3.6.1 优化设计,2. 选择优化设计方法的基本原则,优化设计的方法：如无约束问题的优化设计方法（一维搜索方法、最速下降法、共轭梯度法、牛顿法等）；约束问题的优化设计方法（内点惩罚函数法、外点惩罚函数法、混合惩罚函数法等）。 应了解各种方法的特点及使用的场合，充分考虑计算机运行时间、储存量、上机前数学模型及程序的准备时间、计算精度等。 基本原则：所选用的方法及程序适用于设计者的数学模型；计算效率高、容易收敛到规定的精度要求；尽可能避免采用求导数的方法，以避免人为的错误和减少上机前的准备时间。,优化结果的
5、常用形式：最大值或最小值。 优化的相对性：优化是相对某种目标的，目标不同优化的结果不同；在大多数的情况下，优化结果并不是最优的，只是相对好的。 优化目标的矛盾性：很多优化目标往往是互相抵触的。把不同的目标综合在一起考虑，如果侧重点不同，最优解也是不同的。 优化的实效性：优化设计往往只是针对某时期的产品而言，具有相对性。随着科技的发展，当时的优化设计也可能会被淘汰。,3.6.1 优化设计,优化技术主要包含两部分内容： 建模技术：将实际问题抽象成优化设计问题，并建立起符合实际设计要求的数学模型。需要掌握优化设计方法的基本理论、设计问题抽象和数学模型处理的基本技能，还要具有丰富的设计经验。 求解技术
6、：对所建的模型进行解算，分析实际问题与数学模型之间存在的差距，修正优化设计数学模型，才可能建立正确的数学模型，求解到的最优解。,3.6.1 优化设计,1可靠性的基本概念 产品质量既包括功能指标，也包括可靠性指标。 可靠性的数值指标常用可靠度、实效率、平均寿命、有效寿命、维修度、有效度和重要度等来表示。 有了可靠性的尺度，产品在可靠性方面就具有了明确而统一的指标。这样，在设计和生产产品时，可以利用数学方法来计算和预测它们的可靠性；在产品生产出来之后，可用一定的试验方法来评定其可靠性。,3.6.2 可靠性设计,2可靠性评价指标 1)可靠度 可靠度(无故障概率Pt）是用概率表示产品的可靠的程度，其定
7、义为：“产品在规定的条件下和规定的时间内完成功能的概率”。 可靠度的基本要素： (1)对象：包括系统、机器、部件等，可以是复杂的设备，也可以是一个零件。如果对象是一个系统，则不仅包括硬件，还包括软件和人的判断和操作等因素。 (2)使用条件：包括运输、储存及允许条件。 (3)规定时间：研究对象的工作期限，可以用时间表示，也可以用距离、次数来表示。例如通常滚动轴承的工作期限用小时，车轮的工作期限用行车公里数。 (4)规定功能：研究对象在规定的使用条件下能维持正常工作而不失效。 (5)概率：“可靠度”是可靠性的概率表示。概率是一个特定形式的事件出现的可能性，用分数和百分数来表示。,3.6.2 可靠性
8、设计,2可靠性评价指标 2)累计失效概率(故障概率)Ft。指产品在规定条件、规定时间内失效的概率。可靠度与累计失效概率构成一个完整的事件组。即Pt+Ft=1。 3)平均寿命(平均无故障工作时问)MTBF。指产品在使用寿命期内的某个观察期间累计工作时间与故障次数之比。 4)失效率(故障率)。指工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。,3.6.2 可靠性设计,可靠性设计1,机械产品可靠性的特点 ： （1）机械产品的故障模式具有多样性和复杂性。机械产品的故障模式与其材料、具体结构、载荷性质和大小等有密切关系。失去规定的功能可以是损坏、失调、渗漏、堵塞、老化、松脱等多种表现形式
9、。 （2）机械零部件通用化、标准化程度低。难以给出像电子元器件那样工程上实用的机械零部件故障率手册。 （3）机械零部件的故障既有偶然性故障，又有耗损性故障。后者的故障机理大多与磨损、疲劳、腐蚀、老化等耗损过程密切相关。 （4）机械加工制造质量对产品可靠性影响大。机械产品通过设计获得了固有可靠性，但在加工制造过程中，工艺设备、工艺方法、工艺流程、各种工艺因素控制、装配工艺等对产品质量将产生重大影响。,可靠性设计2,2 机械产品可靠性设计的原则 （1）传统设计与可靠性设计相结合 不应完全摒弃安全系数法，对一些条件成熟或精度要求非常高的关键件可逐步开展可靠性概率设计。按照传统设计方法确定零部件的材料
10、及结构尺寸等，而后根据相应的模型进行可靠性定量计算。 （2）定性设计与定量设计相结合 定量设计并不能解决所有的可靠性问题。对于难以进行定量计算的零部件进行可靠性定性设计往往更加合理和有效。 （3）既要进行系统可靠性设计，又要进行零部件可靠性设计。 （4）既要进行可靠性设计，又要进行耐久性设计。 可靠性设计针对的是偶然性故障，耐久性设计针对的是渐变性故障，它们的故障机理是不同的。,可靠性设计法（概率法设计）就是对全部或部分设计变量进行统计，在建立统计数学模型的基础上，运用概率统计理论解决工程设计问题的方法。而传统的机械设计方法是将设计参数(如强度、应力等)均视为单值的，保证强度大于应力s，即:n
11、/s n n为安全系数，通常是根据经验选取。但实际上强度和应力是受多种因素影响的具有较多随机性，仅靠n这一定值，不能给出一个精确的度量来说明设计的产品在多大程度上是安全的。,可靠性设计3,可靠性设计4,可靠性设计5,从计算结果看，可靠性设计的直径虽小，但破坏概率仅有0.01%。 A. 传统设计没有考虑参数、数据的分散性，认为动载荷、静载荷、强度极限、弹性模量、极限应力、尺寸、材料性能等参数是不变的，设计中使用的是平均值；而可靠性设计认为所有与设计有关的变量均随时间的变化而变化，并将它们视为属于某种概率分布的统计量，这样就保证了载荷测定的准确性和材料性能的稳定性，从而保证了结构的可靠性。 B.
12、传统设计是在这种加入了主观的、人为因素的模式下进行设计，为了保证机械的可靠性，往往根据经验对影响计算结果的各个参数乘以相应的系数和安全系数。 可靠性设计对结构的安全系数做了统计分析，这样求得的安全系数就更加贴近实际。,可靠性设计6,分布状态直接影响设计结果 设人高的统计规律为正态分布，均值为1710mm，方差为60mm和100mm，试问车门应设计多高，才使碰头的概率小于百分之一。 解：根据题目要求不碰头的概率为0.99，则Z=2.33，车高分别为： H=2.33 x60+1710=1850mm 或 H=2.33 x100+1710=1943mm 由此可见，虽然均值相同，方差不同，其设计结果相差
13、甚大，这是传统的设计方法解决不了的。,可靠性设计7,2010年清华分数线552,2010年一本线468,2009年一本线462,分数,分数分布,2009年清华分数线556,600分,考分分布对录取分数线的影响,2009、2010上海市录取分数线对比,1有限元法的基本概念和特点 有限元法是一种实用的数值方法，它避开了在整个求解区域上寻找连续解析函数的难点，转为寻求在各子域(单元)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的插值函数。 具体方法：（1）将研究对象分成若干小单元，各单元通过节点联系，对于每个单元都用节点的未知量通过插值函数近似地表示单元内部的多种物理量，并使其在单元
14、内部满足该问题的控制方程，从而将各单元对整体的影响通过单元的节点传递；（2）将这些单元组装成整体，使它们满足整个物体的边界条件和连续条件，得到一组有关节点未知量的联立方程；（3）解出方程后，再用插值函数和有关公式求得物体内部各点所要求的多种物理量。 如果插值函数选的合适，单元分得越细，计算结果就越精确。但是，单元数的增加，计算量和存储信息会迅速增加，因此一般都是根据问题对精度的要求，只取一定数量的单元进行分析。,3.6.3 有限元分析,1有限元法的基本概念和特点 有限元法的特点： (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装，以适应各种工程结构的复杂几何形状。 (2)可分析包括
15、各种特殊结构的复杂结构体。同时，单元之间材料性质可以有跳跃性的变化，能处理许多物体内部带有间断性的复杂问题。 (3)可以适应不连续的边界条件和载荷条件。 (4)便于实现规范化和在计算机上统一编程，容易将程序编成模块式结构。 (5)有限元法最后得到的大型联立方程组的系数是一个稀疏矩阵，其中所有元素分布在矩阵的主对角线附近，且是对称的正定矩阵，方程间的联系较弱。这种方程计算工作量小，稳定性好，便于求解。,3.6.3 有限元分析,2有限元法的应用领域 (1) 杆、梁、板、壳、三维块体、二维平面、管道等各种单元复杂结构的静力分析。 (2) 各种复杂结构的动力分析，包括频率、振型和动力响应计算。 (3)
16、 复杂机械系统(如水压机、汽车、发电机、机床等)的静力和动力分析。 (4) 工程结构和机械零部件的弹塑性应力分析及大变形分析。 (5) 工程结构和机械零件的热弹性蠕变、黏弹性、黏塑性分析。,3.6.3 有限元分析,3实用有限元分析方法 对于不同分析类型，尽管所分析的内容不一、应用的有限元方程不同，但分析过程是相近的。图3.6-1以静力分析、动力分析和热分析为例，说明了有限元法分析的主要步骤。 从应用角度来看，无论何种类型有限元分析方法，其过程均可分为三个阶段： (1)建模阶段； (2)计算阶段； (3)后处理阶段。,3.6.3 有限元分析,3实用有限元分析方法,3.6.3 有限元分析,1并行设计 (1)概念：产品在设计时与相关过程进行集成的一种系统化设计方法。即在产品设计阶段同时考虑产品全生命周期(从概念形成到产品回收或报废处理)的各种主要性能指标，从而避免在产品研制后期出现不必要的返工与重复。,3.6.4 其他设计方法,(2)产品开发过程的并行重组及团队工作方式。通过工作步骤的平行交叉，缩短开发周期。如当产品开发处于某一特定环节时，
