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1、现代机械设计方法,摩擦学设计,1,传统摩擦理论：,冰为什么这么滑？,1)摩擦力与接触物体间法向压力成正比 2)摩擦力大小与相接触物体名义接触面积大小无关 3)摩擦系数与滑动速度和法向载荷大小无关 4)静摩擦系数大于动摩擦系数,2,一、什么是摩擦学设计？,研究有关摩擦、磨损与润滑的科学与技术统称为摩擦学，并把在机械设计中正确用摩擦学知识与技术，使之具有良好的摩擦学性能这一过程称为摩擦学设计。 摩擦的分类？摩擦带电的原因？ 滑动摩擦的分类？ 磨损的三个阶段？磨损曲线？,3,二、机械中的摩擦学问题-为什么要进行摩擦学设计？,机械中零部件的摩擦会导致能量的严重损失。据统计，全世界工业部门所用的能源有1
2、3-12消耗于机件间的摩擦。汽车发动机因摩擦而损失约30的功率，纺织机械中因机件摩擦造成的功率损耗竞高达85。 1966年，英国的乔斯特(Jost)博士受工业大臣的委托，进行了大量的调查分析，在著名的乔斯特报告中方才提出，摩擦磨损和润滑这三者应该合成为一个有机的整体，于是形成了一门新的学科摩擦学，牛津大学辞典部为其编制了一条专门的英文词汇Tribology。,4,三、摩擦学设计解决哪些方面的问题？,1、能量方面 2、表面强度方面 3、运动性能方面 4、特种要求方面 5、伴生现象方面,名义接触面积指的是接触面外边界所包围的面积，轮廓接触面积指的是波纹凸起受压形成的斑点的面积，实际的接触点就分布在
3、这些斑点内；实际接触面积指的是这些实际接触点的面积之和。在一般的机械零件相接触时，轮廓接触面积约为名义接触面积的5%15%，而实际接触面积只为名义接触面积的0.01%0.1%。,三种接触面积,5,四、常用的摩擦机理,1、微凸体机械锁合作用 2、微凸体粘焊作用 3、犁沟效应 4、微凸体塑性变形 5、表面分子间与原子间力的作用,6,五、影响摩擦的主要因素及减摩设计,1、材料 2、温度 3、滑动速度 4、载荷 5、表面粗糙度 6、表面膜,磨损的分类,磨料磨损 粘着磨损 表面疲劳磨损 腐蚀磨损 微动磨损,7,8,六、磨损机理,1、粘着与转移 2、切削 3、疲劳 4、塑性变形 5、摩擦腐蚀 6、熔化,可
4、靠性设计,9,产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。 为了将可靠性量化： 产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率， 这就是可靠度。 可靠性定义四要素： 1、对象 2、规定条件 3、规定时间 4、规定功能,一、可靠性的定义,10,二、可靠性的尺度,1、可靠度-用可靠度函数R(t)表示,N-受测产品总数，n(t)表示从0到t时间内失效的产品个数,F(t)=1-R(t) -不可靠度函数,-失效概率密度函数,11,2、失效率,失效率又称为故障率，其定义为工作到某时刻t时尚未失效(故障)的产品，在该时刻t以后的下一个单位时间内发生失效(故障)的概率。用失效率密度函数 表示：
5、,平均失效率,12,例题 今有100个某种零件，已工作了6年，工作满5年时共有3个失效，工作满6年时共有6个失效。试计算这批零件工作满5年时的失效率。,3、平均寿命,平均寿命是产品无故障的工作时间的平均值，平均寿命对于不可修复的产品和可修复的产品含义分别为： 对于不可修复的产品、其寿命是指它的失效前的工作时间。因此，平均寿命就是指该产品从开始使用到失效前的工作时间(或工作次数)的平均值，或称为失效前平均时间，记,13,对于可修复的产品，其寿命是指相邻两次故障间的工作时间， 称为平均故障间隔，记,4、维修度,维修度就是对可能维修的产品在发生故障或失效后在规定的条件下和规定的时间内完成修复的概率。
6、 5、重要度 系统中的某设备发生故障而引起的系统故障次数占整个系统故障次数的比率，称为该设备在该系统中的重要度。,绿色产品 是指生产过程及其本身节能、节水、低污染、 低毒、可再生、可回收的一类产品，它也是绿 色科技应用的最终体现。 绿色产品的第一个环节是设计。绿色产品要求产品质量优、环境行为优。 绿色产品的第二个环节是生产过程。要求实现无废少废、综合利用和采用清洁生产工艺。 绿色产品的第三个环节是产品本身的品质。比一般产品更体现以人为本、提高舒适度和健康保护及环境保护程度。 绿色产品的第四个环节是废弃物便于处置。,14,绿色产品设计,绿色产品的公认标准： 产品在生产过程中少用资源和能源，并且不
7、污染环境。 产品在使用过程中能耗低，不会对使用者造成危害，也不会产生环境污染物。 产品使用后可以和易于拆卸、回收、翻新或能够安全废置并长期无虑。,15,16,绿色产品设计就是把产品视为与人类共存的生命体，对它的研究要基于它自身的从需求、设计、制造到销售、使用、废弃回收再生的广义产品生命周期，并行地考虑生命周期内每一个阶段产品与人和环境的相互影响. 对工业设计而言：核心是3R Reduce Recycle Reuse,17,绿色设计的方法,1）模块化设计 对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能，不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产
8、品，满足不同的需求。 模块化设计既可以很好的解决产品品种规格，产品设计制造周期和生产成本之间的矛盾，又可为产品的快速更新换代，提高产品的质量，方便维修，有利于产品废弃后的拆卸，回收，为增强产品的竞争力提供必要条件。 2）循环设计 循环设计既是回收设计（Design for Recovering &Recycling)，就是实现广义回收所采用的手段或方法，即在进行产品设计时，充分考虑产品零部件及材料的回收的可能性，回收价值的大小，回收处理方法，回收处理结构工艺性等与回收有关的一系列问题，以达到零部件及材料资源和能源的充分有效利用，环境污染最小的一种设计的思想和方法。,18,optimal des
9、ign,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，寻求最优的设计方案。 第二次世界大战期间，在军事上首先应用了优化技术。1967年，美国的R.L.福克斯等发表了第一篇机构最优化论文。1970年，C.S.贝特勒等用几何规划解决了液体动压轴承的优化设计问题后，优化设计在机械设计中得到应用和发展。,19,随着数学理论和电子计算机技术的进一步发展，优化设计已逐步形成为一门新兴的独立的工程学科，并在生产实践中得到了广泛的应用。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
10、要在设计中优选，称为设计变量。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，同时设计的时间又不要太长，这就是优化设计所要解决的问题。 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自动筛选最优设计方案 常采用的最优化算法：逐步逼近法，线性规划和非线性规划,20,有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域-飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。,有限元法分
11、析计算的思路和做法： 1） 物体离散化 2） 单元特性分析 A、 选择位移模式 B、 分析单元的力学性质 C、 计算等效节点力 3） 单元组集 4） 求解未知节点位移,21,模糊控制设计,自从1965年美国加利福尼亚大学控制论专家L .A .zadeh教授提出模糊数学以来，吸引了众多的学者对其进行研究，并且广泛地应用于自然科学和社会科学的各个领域.1974年英国的EHMamdani成功地将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制。此后模糊控制不断发展并在许多领域中得到成功应用。模糊控制能够解决许多复杂而无法建立精确数学模型系统的控制问题，所以它是处理推理系统和控制系统中不精确和不确定性的一种有效方法。从
12、广义上讲，模糊控制是适于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制策略。它是模糊数学同控制理论相结合的产物，同时也是智能控制的重要组成部分。,模糊电视,模糊冰箱,模糊空调,听说过吗?,22,模糊控制的特点 1、控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据。 2、控制系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及大纯滞后等问题。 3、以语言变量代替常规的数学变量，易于形成专家的“知识”。 4、控制推理采用“不精确推理”(Approximatic Reasoning)。推理过程模仿人的思维过程。由于介入了人类的经验因而能够处理复杂甚至“病态”系统。,23,模糊控制原理图,24,UG PRO/E CATIA SolidWorks Solidedge CAXA MASTERCAM Cimatron ADAMS ANSYS 其他常用软件 MATLAB LabVIEW,CAD/CAE/CAM技术,
