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1、现代设计方法在机械系统设计中的应用现代设计方法在机械系统设计中的- 应用摘 要：现代设计方法是基于理论形成的方法，这种设计方法现已成为机 械系统设计的一个重要工具，并占据着重要的地位，本文通过分析其特点 从而能探究其在机械系统设计中的实际应用。 关键词：现代设计，理论，机械系统，设计，应用Modern design methods in mechanical systems designWu yu tao1(1,Henan institute of engineering, School of mechanical engineering, Zhengzhou Henan 451191Chin
2、a)Abstract： Modern design method is based on the theory of the method, the design methodhas bee an important tool in mechanical system design, and occupies theimportant position, in this paper, by analyzing its characteristics and to exploreits practical application in design of mechanical systems.K
3、ey WOrdS：modern design;method;mechanical systems; design;application1引言近年来，随着科学技术的发展和禁忌的全球化，机械技术与各个学科 不断交叉、融合，制造业不断地向高速化、轻量化、虚拟化方向发展，用 户对参评的需求越来越个性化、多样化。而设计理论是对产品设计原理和 机理的科学总结，是使产品满足设计要求以及设计原则的依据。基于设计 理论和设计方法，以及产品设计过程为研究对象，通过传统经验的吸收、 现代科技的运用、科学方法论的指导和方法学的实现，从而形成和发展了 现代设计理论与方法这门新兴的多元交叉学科，它以电子计算机为手段，
4、运用工程设计的新理论和新方法，是使计算结果达到最优化，使设计过程 高效化和自动化。现如今随着现代科学技术的快速发展，人们对机械产品功能要求的日 益增多，机械产品呈现出复杂性增加、寿命周期缩短、更新换代速度加快 等特点。而传统的基于二维的机械产品设计人力物力投资大，设计周期长 设计精度低，已不能满足现代市场对机械产品的需求。因此，使用新的方 法，提高产品的设计效率、缩短设计周期、加速产品的更新换代，并增强 产品的市场竞争力，成为企业生存之本，而现代设计方法理论正是实现这 一目的的有力工具。2 现代设计方法的容及在机械系统设计中的应用 现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的 广泛应
5、用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。以满足 市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的,以 计算机辅助设计技术为主体,以知识为依托,以多种科学方法及技术为 手段，研究、改进、创造产品和工艺等活动过程所用到的技术和知识 群体的总称。现代设计方法的容众多而丰富，它们是由相互独立又有机联系的 各种发放论构成，主要的现代设计方法有:虚拟设计、并行设计、绿 色设计、可靠性设计、智能优化设计、计算机辅助设计、动态设计、 模块化设计、计算机仿真设计、人机学设计、摩擦学设计、反求设计、 疲劳设计等。本文研究可靠性设计、反求设计、计算机辅助设计、人 机学设计、优化设计、绿色设计、六现代
6、设计方法在机械系统设计中 的应用。2.1可靠性设计可靠性优化设计方法是在常规优化设计方法的基础上,结合可靠 性设计理论发展起来的一种有效的优化设计方法。它将可靠性分析理 论与数学规划方法有机地结合在一起,也就是在优化设计中将设计参 数作为随机变量,以产品的可靠度作为目标函数或约束条件,运用最优 化方法得到在概率意义下的最佳设计的一种数值计算方法。由于它弥 补了单一可靠性设计或优化设计的不足,使设计不仅符合工况运行要 求,而且得出最优的设计参数,因而更具有工程实用价值,对它的研究 已成为目前国外学者积极探索和研究的重要领域之一。优化设计数学模型的3 个要素是目标函数、约束条件和设计变量。相对于常
7、规的优化设计,可靠性优化设计的特点在于将可靠性设 计引入优化设计当中。将可靠性设计理论与优化技术结合起来通常有 下面两种方法:(1)要求结构或零部件在满足一定性能的条件下,使其可靠度达到最 大。可按可靠性指标建立一个目标函数,而按设计其他要求建立另一 个或多个目标函数,然后进行多目标函数优化设计其数学模型如下: maxR(X)minFi(X)(i=1,2,，q)stGj(X) (j=1,2,m )(j=1,2,#,m)式中:R(X)-可靠性函数Fi(X)某一目标函数;Gj(X)约束条件(2)在结构或零部件达到最佳性能指标时, 要求它的工作可靠度不低于某一规定水平。可将可靠性指标作为约束 条件,
8、建立数学模型,进行优化设计。一般说来,这种方法更为实用。其 数学模型如下:maxF(X)stRi(X) R0 (i=1,2,，q)Gj(X) (j=1,2,，m)式中:F(X)目标函数；Ri(X)机械产品的可靠性函数；R0给定的可靠度；Gj(X)约束条件。在进行结构可靠性优化时,除了建立适当的优化模型外,还需要选 择收敛速度快且计算不是很复杂的优化算法。由于工程实践中的可靠 性优化设计面临着随机不确定性和模糊不确定。随机不确定性反映了 对未来结果的不可预测性,用随机概率度量;模糊不确定性反映了对已 有现象结果的未确知性,用模糊隶属度度量。对这种模糊性,仅用概率 统计的方法来描述显然是不完善的,
9、因此基于模糊数学的模糊可靠性 优化设计方法在机械结构设计中得到了一定的应用。近年来,国外学 者还将计算智能技术(CIT)中的神经网络(ANN)、遗传算法(EA)、模拟退 火算法(SA)和蚁群算法等应用到结构可靠性优化设计领域中，并取得 了良好的效果。由于可靠性优化设计在科学实验、生产实践上有着广泛的应用 前景,其重要意义不言而喻。随着优化设计技术、有限元技术和计算 机技术的发展,如何应用软件技术进行可靠性优化设计也引起了各国 学者极大的兴趣。比如我国大学的袁涛等人利用Ansys的参数化设计 语言APDL实现摄动法的可靠性分析，并结合设计优化模块实现可靠 性优化设计，并证明这一方法是可行有效的，
10、开辟了一个利用Ansys进 行可靠性优化设计的途径,扩展了 Ansys的分析围。随着优化设计技术、有限元技术和计算机技术的发展,结构可靠 性优化设计已呈现加速发展的态势,必将为机械产品的合理设计与开 发起到非常重要的作用2.2 反求设计反求工程是一种方法论，与传统设计的顺序恰好相反它根据现 有产品系统 推知其设计原理与过程以及各主戛参数选择的依据，最 终求得新的设计即达到传统设计的目标，以说二者殊途同归。导方 法是反求工程的核心，得新设计是反求工程的结果.传统的机械设计习惯上采用三 阶段设计法 ，即整体设计 、部 件设计及零 件设计或初步设计 、技术设计与工艺设计同时沿用一 般的结构计算方法如
11、材料力学 、结构力学以及作为其理论基础的弹 性力学等提供的公式进行计算。现在随着试验性设计及 CAD 的发 展 ，国外引进的先进设备 ，基本上采用平行逐次法 ，既有阶段又 平行作业，以便相互协调因此 ，反求工程就不仅是简单的反推，必 须采用系统方法论。求工程的信息获取区段即是系统分析阶段。首先反求对象进行 系统的评价 决策评价方法有相芜矩阵法，交叉影响矩阵法等，将评 价测定结果变换成价值， 作为领导者决策的参考。信息的获取来源 于系统进行的舟析，试验与侧试。现在，传统的静态设计方陆逐渐 为动态设计所取代 。动态设计往通过机械产品结构的动态分柝和动 态试驻来实现、工怍载荷谱对于动态设计和动态试验
12、都是重要的依 据。通过试验和测试方法，可获得厦求对象的状态、运动和特征等 万面的信息。反求工程的信息处理区殴相 当于系统选择阶段。在获 得系统的信息后，即可建立模型 进行优化设计。按模型的性质大 致有宴体模型、类比模型与数学模型等。系统工程常用的一些数学 模型有结构模型、蜘络模型、状态空间模型计量经济模型、系统 动力学模型等。建立模型过程需用相似理论，再进行模 型试验，称 为仿真技术反求工程信息处理的结果作为改进设汁的依据 ，同时改 进设计过程的设计方法又为反求结果提供修正参考。反求工程必须 参照改进设计所涉及的各种问题 ，完善自身的信息整理结果 。综上所述，反求程必须从系统工程观点出发 ，对
13、反求设计过程 合理化的目标加以系统化 综合运用各种理论化设计力往，出正确结论2.3计算机辅助设计计算机辅助设计是利用计算机来辅助设计人员进行工程和产品 设计,以实现最佳设计效果的一种技术。随着高科技产业的迅速发展, 计算机辅助设计已成为一门新的学科,它是现代设计方法的一个重要 方面。 一个产品或一项工程的传统设计过程是设计者根据设计任务 的要求,参考已有的经验和资料,进行构思设计方案、建立设计模型、 计算、分析、绘图、反复修改等过程,最后设计出满足要求的产品,并 绘制出图纸和编制出设计文件。在设计过程中,有创造性的思维劳 动, 也有复杂的计算及绘图等,其工作量大,而且要做很多重复、烦琐的劳 动
14、,这些环节都要由设计者来完成,设计效率低。随着现代科学技术和 生产的迅速发展,产品的设计速度和质量要求越来越高,市场竞争加剧, 迫切需要将设计人员从简单而烦琐的计算和画图中解放出来,用更多 的时间来进行创造性的设计。因而,传统的手工设计方法越来越难以 适应现代化发展的需要。计算机辅助设计就是将计算机高速而精确的 运算功能、大容量存储和处理数据的能力、丰富而灵活的图形文字处 理功能与设计者创造性思维能力、综合分析及逻辑判断能力结合起来, 形成一个人与计算机各发挥所长,又紧密配合的系统,从而极加快了设 计进程,缩短了研制周期,提高了设计质量。这种人机结合的交互式设 计过程,构成了计算机辅助设计的工
15、作过程。2.4人机学设计人机工程学是从人的生理和心理特点出发研究人一机一环境相 互关系和相互作用的规律以优化人一机一环境系统的一门学科。在 工程机械设计中。操作者是人机工程学研究的核心对象。随着工程机 械功率和作业速度的不断提高施工效率越来越高。工程机械操作者 的工作越来越繁重复杂。因此，改善工程机械操作者的劳动条件构 建舒适和高效操作环境的要求越来越迫切。使得人机工程学在工程机 械设计中的重要性更为突出。在工程机械设计中应刻注意人的生理特点即在保证人安全的前 提下平衡使用人的精力和体力。最大限度地挖掘人的潜力，从而提 高生产力。操作者具有良好舒适性和操作性的设计。随着计算机在设计领域的引入基
16、于人机工程学的虚拟设计和测 试评价已经成为可能极推动了工程机械产品的创新设计人机工程 学越来越受到制造业及用户的重视使得设计理念发生了深刻的变 化。现代工程机械设计重视操作者的生理、心理特性。为操作者构建 安全、舒适和高效的操作环境，使操作者的操作简便省力、迅速准确、 安全舒适充分发挥人机效能提高整个系统的效益从而增强产品 的市场竞争力。可以预计今后的工程机械设计将更加体现“以人为 本”的设计理念。2.5 优化设计一般工程设计问题都存在着许多种可能的设计方案。人们在进行 设计工作时,总是力求从各种可能方案中选择较好的方案,即优化的方 案。优化设计是在所有可行方案中寻求最佳设计方案的一种现代设计 方法,是一门新兴学科,它建立在数学规划理论和计算机程序设计基础 上,通过计算机的数值计算,能从众多的设计方案中寻到尽可能完善的 或最适宜
