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1、第3章 机械设计及现代设计方法,3.1 概论 3.2 设计理论与方法 3.3 现代设计技术 3.4 优良性能设计基础技术 3.5 竞争优势创建设计技术 3.6 全生命周期设计技术 3.7 绿色产品设计技术,3.1 概论,3.1.1 工程设计的概念 3.1.2 机械设计的地位和意义 3.1.3 设计的分类 3.1.4 设计的本质与过程,3.1.1 工程设计的概念,图3-1 技术系统,3.1.1 工程设计的概念,图3-2 压力机用于冲压时的技术系统,3.1.1 工程设计的概念,3-3,3.1.2 机械设计的地位和意义,设计的目的是保证系统的功能，建立性能优良、成本低廉、价值最佳的技术系统。它对产品
2、的技术和经济效果起着决定性作用，其重要性是不言而喻的。 在产品质量事故中，约50%是由不良设计造成的。设计中的失误会造成严重的损失，哪怕是设计中某些考虑不周的地方也可能产生明显的负面效应。埃及20世纪70年代初竣工的阿斯旺水坝就是一例，它有效地控制了尼罗河流域的水旱灾害，并能供应电力，对国民经济的发展起了一定的作用，但由于设计时对环境因素分析不够，没有考虑对自然生态平衡的影响并采取相应的措施，从而引起一系列严重的问题，如大量泥沙和有机质沉于水库底部，致使尼罗河下游缺乏肥源，土壤变得贫瘠；尼罗河入海口处沙丁鱼食物不足，数量急剧减少；河口三角洲的洼地退缩，影响沿河的军事及工业建筑的安全。水库建成后
3、，下游一些地方的河水变为死水，血吸虫及疟蚊大量繁殖，对居民健康造成很大威胁。由此可见避免设计失误的必要性。,3.1.3 设计的分类,1)开发性设计。 2)适应性设计。 3)变型设计。,3.1.4 设计的本质与过程,1.设计的本质 2.设计的过程,1.设计的本质,1)设计的本质可以从下面几方面来说明： 从工作性质与内容看，设计的内容广泛。在传统的工程设计中，将设计过程划分为方案设计、技术设计和工艺设计。随着计算机和信息技术的发展，工程设计的范畴从传统的设计内容已扩展到产品规划、制造、检测、试验、营销、运行、维护、报废、回收等全过程的全方位设计。 从设计的过程与方法看，设计是一种活动。 2)设计的
4、本质是由如下设计的基本特征所决定的： 约束性。设计是在多种因素的限制和约束下进行的，其中包括科学、技术、经济等发展状况和水平的限制，也包括生产厂家提出的特定要求和条件，同时还涉及环境、法律、社会心理、地域文化等因素。这些限制和要求构成了一组边界条件，形成了设计人员进行构思或谋划的“设计空间”。设计人员要想高水平地完成设计工作，就要善于协调各种关系，灵活处置，合理取舍，精心构思，而这只有充分发挥自己的创造力才能做到。,1.设计的本质, 多解性。解决同一技术问题的办法是多种多样的，满足一定目的的设计方案通常也并不是唯一的。任何设计对象本身都是包括多种要素的功能系统，其参数的选取、尺寸的确定、结构形
5、式的设想等都具有很强的可选择性。因此，设计思维的活动空间是广阔的，它为设计人员创造性的发挥提供了天地。 相对性。设计结论或结果都是相对准确的，而不是绝对完备的，这就使得设计人员经常处于一种相互矛盾的情境之中。例如，既要降低成本，又要增加安全性、可靠性；既要能满足近期需要，又要照顾到长远发展；既要功能全，又要体积小，如此等等。这种相互矛盾的要求给设计工作增加了难度，加上事先难以预料的一些不确定因素的影响，使得设计人员在对设计方案的选择和判定时，只能做到在一定条件下的相对满意和最佳。设计的这种相对性特征一方面要求设计人员必须学会辨证思考；另一方面也给设计人员提供了显示和发挥自己创造才能的机会。,2
6、.设计的过程,图3-4 机械产品设计过程工作循环流程,3.2 设计理论与方法,3.2.1 设计理论与方法的分类 3.2.2 机械设计理论与方法的发展趋向,3.2.1 设计理论与方法的分类,3-5,3.2.2 机械设计理论与方法的发展趋向,3-6.,3.2.2 机械设计理论与方法的发展趋向,许多科技工作者为了提高产品的设计质量，进行了大量的研究工作，深入研究了各种设计方法，获得了许多有重大应用价值的成果，并在诸多产品的设计中发挥了良好的作用。如果在这个基础上，将宏观研究与微观研究很好地结合起来，设计理论与方法的研究将会有更大的突破。,3.3 现代设计技术,(1)设计范畴扩展化 传统的设计只限于产
7、品设计，而现代设计则将产品设计向前扩展到产品规划，甚至用户需求分析；向后扩展到工艺设计，使产品规划、产品设计、工艺设计形成一个有机的整体。 (2)设计手段计算机化 传统的手工设计正在被计算机辅助设计所代替。 (3)设计过程并行化 并行设计技术是目前最热门的技术之一。 (4)设计过程智能化 在传统的设计过程中，一切创造性的设计都需要设计人员来完成。 (5)设计手段拟实化 在传统的设计过程中，产品和零件的外观形状只有在制造后才能看到。,3.3 现代设计技术,(6)分析手段精确化 传统设计中，靠加大安全系数来提高产品的可靠性。 (7)多种手段综合应用 现代设计利用高速计算机，可以将各种不同目的的设计
8、方法、设计手段综合起来，以求得系统的整体最优解。 (8)强调设计的逻辑性和系统性 传统的设计采用经验法和类比法，现代设计则强调设计的逻辑性和系统性。 (9)进行动态多变量的优化 由于手段的限制，传统设计过程一般只能进行静态分析，而现代设计法却可考虑负载率等随机变量，进行动态多变量最优化设计。,3.3 现代设计技术,(10)强调产品的环保性 随着人们对环境问题越来越重视，要求能设计出所谓的绿色产品，即要求产品运行过程中的各种污染尽可能少，对人体的危害减至最低限度。 (11)强调产品的宜人性 现代设计除强调产品的内在质量外，还特别强调产品的外观质量，如美观性、时代性和艺术性，使产品造型具有一定的艺
9、术感染力，使使用者有新颖、心情舒畅、愉快、兴奋等感觉，满足使用者的审美要求。 (12)强调用户参与 用户是产品最终消费者，仅仅靠市场调研的结果常常并不能完全反映用户的需求。 (13)强调设计阶段的质量控制 现代质量控制理论认为：产品的质量首先是设计出来的，其次才是制造出来的。 (14)设计和制造一体化 传统的设计与制造过程是分离的。,3.3 现代设计技术,(15)强调产品全生命周期最优化 现代设计强调从市场调研、用户要求，到产品规划、产品设计、工艺设计、制造过程、质量控制、成本核算、销售价格、包装运输、售后服务、维修保养、报废处理、回收再利用等产品全生命周期的综合最优化。,(1)设计范畴扩展化
10、,传统的设计只限于产品设计，而现代设计则将产品设计向前扩展到产品规划，甚至用户需求分析；向后扩展到工艺设计，使产品规划、产品设计、工艺设计形成一个有机的整体。另外，设计范畴的扩展还体现在面向“X”的设计技术，即在设计过程中同时考虑制造、维修、价格、包装发运、回收、质量等因素。,(2)设计手段计算机化,传统的手工设计正在被计算机辅助设计所代替。计算机在设计中的应用已从早期的辅助分析计算和辅助绘图，发展到现在的优化设计、并行设计、三维建模、设计过程管理、设计制造一体化、仿真和虚拟制造等。,(3)设计过程并行化,并行设计技术是目前最热门的技术之一。与产品有关各种过程的并行交叉进行，可以减少各种修改工
11、作量，有利于加速设计进程，提高设计质量。同时各方面的专家协同工作，有利于得到整体最优解。,(4)设计过程智能化,在传统的设计过程中，一切创造性的设计都需要设计人员来完成。但在现代设计中，却可以借助人工智能和专家系统技术，由计算机完成一部分原来必须由设计者进行的创造性工作。,(5)设计手段拟实化,在传统的设计过程中，产品和零件的外观形状只有在制造后才能看到。由于三维造型技术、仿真和虚拟制造技术以及快速原型制造技术的出现，使得人们在零件被制造之前就可以看到它的形状甚至摸到它，可以大大改进设计的效果。,(6)分析手段精确化,传统设计中，靠加大安全系数来提高产品的可靠性。但提高安全系数并不总能提高可靠
12、性。现代设计则利用有限元等功能强大的分析工具，准确模拟系统的真实工作情况，得到符合实际情况的最优解。现代设计还运用概率论和统计学方法进行产品的可靠性设计。,(7)多种手段综合应用,现代设计利用高速计算机，可以将各种不同目的的设计方法、设计手段综合起来，以求得系统的整体最优解。,(8)强调设计的逻辑性和系统性,传统的设计采用经验法和类比法，现代设计则强调设计的逻辑性和系统性。,(9)进行动态多变量的优化,由于手段的限制，传统设计过程一般只能进行静态分析，而现代设计法却可考虑负载率等随机变量，进行动态多变量最优化设计。,(10)强调产品的环保性,随着人们对环境问题越来越重视，要求能设计出所谓的绿色
13、产品，即要求产品运行过程中的各种污染尽可能少，对人体的危害减至最低限度。,(11)强调产品的宜人性,现代设计除强调产品的内在质量外，还特别强调产品的外观质量，如美观性、时代性和艺术性，使产品造型具有一定的艺术感染力，使使用者有新颖、心情舒畅、愉快、兴奋等感觉，满足使用者的审美要求。,(12)强调用户参与,用户是产品最终消费者，仅仅靠市场调研的结果常常并不能完全反映用户的需求。所以，现代设计强调用户参与设计过程，这样设计出的产品才能准确无误地反映用户的要求，取得用户的最大满意。,(13)强调设计阶段的质量控制,现代质量控制理论认为：产品的质量首先是设计出来的，其次才是制造出来的。所以，应特别重视
14、设计阶段的质量控制活动，以免设计出来的产品在质量上先天不足。,(14)设计和制造一体化 传统的设计与制造过程是分离的。,传统的设计与制造过程是分离的。现代设计则强调设计和制造过程的一体化和并行化，强调从设计信息到制造信息的顺畅传递和快速反馈，甚至要求设计和制造采用统一的数据模型。,(15)强调产品全生命周期最优化,现代设计强调从市场调研、用户要求，到产品规划、产品设计、工艺设计、制造过程、质量控制、成本核算、销售价格、包装运输、售后服务、维修保养、报废处理、回收再利用等产品全生命周期的综合最优化。,3.4 优良性能设计基础技术,3.4.1 可靠性设计 3.4.2 摩擦学设计 3.4.3 系统动
15、态设计 3.4.4 优化设计,3.4.1 可靠性设计,1.可靠性的概念及其发展 2.可靠性设计的理论基础和可靠性指标 3.机械可靠性设计,1.可靠性的概念及其发展,可靠性(Reliability)是产品的一个重要的性能特征。人们总希望自己所用的产品能够有效可靠地工作。因为任何故障和失效都可能给使用者带来经济损失，甚至会造成灾难性的后果。,2.可靠性设计的理论基础和可靠性指标,(1)可靠度(Reliability) 可靠度的定义是：零件(系统)在规定的运行条件下、在规定的工作时间内，能正常工作的概率。 (2)失效率(Failure Rate)大量的研究表明，机电产品零件的典型失效率曲线(即失效或
16、故障模式)如图所示。 (3)平均寿命(Mean Life)平均寿命有两种情况：对于可修复的产品，是指相邻两次故障间工作时间的平均值MTBF(Mean Time Between Failure)，称为平均失效间隔时间，即平均无故障工作时间；对于不可修复的产品，是指从开始使用到发生故障前工作时间的平均值MTTF(Mean Time To Failure)，称为平均失效前时间。,2.可靠性设计的理论基础和可靠性指标,图3-7 平均值和标准差对正态分布曲线的影响 a)对位置的影响 b)对形状的影响,(1)可靠度(Reliability) 可靠度的定义是：零件(系统)在规定的运行条件下、在规定的工作时间内，能正常工作的概率。,1)对象。 2)规定的运行条件。 3)规定的工作时间。 4)正常工作。 5)概率。,图3-8 典型的失效率曲线,(2)失效率(Failure Rate)大量的研究表明，机电产品零件的典型失效率曲线(即失效或故障模式)如图所示。,典型失效率曲线可以划分为三个区域，即早期失效区域、正常工作区域和功能失效区域。 早期失效区域最初的失效率较高，此后迅速下降
