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1、n单词复习：nconcurrentengineeringdesignndeemnIntegralnreciprocatingmotion/circularmotionninternalcombustionenginenAccreditationBoardforEngineeringandTechnologynmoderndesigntheoryandmethodology上一课回顾1详细课资Lesson 7 Engineering Design and safety factors 工程设计和安全系数工程设计和安全系数n重点词汇：nalludensafteyfactornyieldstreng
2、th/ultimatetensilestrengthnrequisite/requirement/requirenevaluation/evaluatencrystalnbizarre2详细课资Paragraph 1nAnyconsiderationofengineeringmaterialsandengineeringdesignofsystemsutilizingmaterialsmustinitiallydealwith(涉及到)MurphysLawforMaterialssystemsandthelawsofmaterialsapplications:n工程材料和应用材料的系统工程设计
3、最初都会涉及材工程材料和应用材料的系统工程设计最初都会涉及材料的墨菲法则和材料应用法则。料的墨菲法则和材料应用法则。3详细课资nMurphys Law:Ifanymaterialcanfail,itwill.nLaws of materials applicationsn(1)Allmaterialsareunstable.n(2)Thematerialssystemisonlyasstrongorasstableasitsweakestormostunstablecomponent.n墨菲法则：如果任何材料有可能出问题，它墨菲法则：如果任何材料有可能出问题，它（系统）终将出问题。（系统）终将
4、出问题。n材料应用法则：（材料应用法则：（1）任何材料都是不牢固的；）任何材料都是不牢固的；（2）材料系统的强度和牢固程度仅仅像它最）材料系统的强度和牢固程度仅仅像它最薄弱的、最不牢固的部分。薄弱的、最不牢固的部分。爱德华墨菲爱德华墨菲4详细课资Paragraph 2: nAlthoughtheyarebothobviousandincontrovertible(无可争辫的),wemightelaborateupontheselaws,especiallythelawsofmaterialsapplications.nAllmaterialsareindeedunstable.nEvensuc
5、hmaterialsasplatinumcanbedegradedinparticularenvironments.n虽然这些法则是显见的、不容置疑的，我们还要详细虽然这些法则是显见的、不容置疑的，我们还要详细描述这些法则，特别是材料应用法则。所有材料确实描述这些法则，特别是材料应用法则。所有材料确实是不牢固的。即使像白金（是不牢固的。即使像白金（platinum）这样的材料在）这样的材料在特殊环境中也会性能减弱。特殊环境中也会性能减弱。5详细课资nUnderstress(应力，strain应变),allmaterialsrespondtothatstress.nCreep(蠕变)isanex
6、ample.nGivenenoughtime,failure(失效)canbecalculatedtooccurinallmaterialsundercreepstress.n在压力作用下，所有材料都会有变化。蠕变在压力作用下，所有材料都会有变化。蠕变(creep)是是一个例子。在蠕变压力作用下，若有足够的时间，所一个例子。在蠕变压力作用下，若有足够的时间，所有材料一定会产生屈服。有材料一定会产生屈服。6详细课资Creep deformation蠕变变形蠕变变形Creep fracture蠕变断裂蠕变断裂7详细课资nStressandenvironmentcanactinconcerttoca
7、usefailure,forexample,stresscorrosioncracking.nCreep-temperatureeffectsandstress-temperatureeffectscancontributetothedegradationofpropertiesandcomponentsandsystemfailure.n压力和环境共同（压力和环境共同（in concert）作用会造成屈服，例）作用会造成屈服，例如，应力腐蚀裂纹。蠕变温度影响和应力如，应力腐蚀裂纹。蠕变温度影响和应力温度影响温度影响都会导致性能降低、零件和系统失败。都会导致性能降低、零件和系统失败。8详细课资
8、 The design processParagraph 3:nThedesignprocessusuallybeginswithaspecificationofasolution.nWesometimesalludetoadesigncycle,buttheprocessmaycontainadesigncycleplusdesignimplementation,whichinvolvesactualproductionbaseduponthedesign.n设计过程通常从解决方案的详细描述开始。有时我们把设计过程通常从解决方案的详细描述开始。有时我们把设计过程说成是设计循环，但它或许是一个
9、设计循环外设计过程说成是设计循环，但它或许是一个设计循环外加依赖于设计而进行实际生产的设计实施过程。加依赖于设计而进行实际生产的设计实施过程。9详细课资nThedesigncyclecaninvolvetheoriginalthoughts,sketches,andknowledgethatinthespecificationstageproduceengineeringdrawings.n设计循环涉及最初的构想、草图、在详细描述阶段绘设计循环涉及最初的构想、草图、在详细描述阶段绘制工作图的知识。制工作图的知识。nComputer-aideddesign(CAD,CAM计算机辅助制造)isno
10、wemployedtoimplementacycleinwhichvariousdesignsordesignideasmaybetestedorsimulated.n计算机辅助设计现在已用于设计过程，各种设计和设计算机辅助设计现在已用于设计过程，各种设计和设计思想能被检验和仿真。计思想能被检验和仿真。10详细课资Paragraph 4:nEvenintheearlydesigncycle,itisusefultohavesomeconceptofavailablematerials.n即即使使在在早早期期的的设设计计循循环环中中，具具有有一一些些材材料料的的概概念念也也是是有用的。有用的。n
11、Designs that cannot be achieved becausematerialswithrequisitepropertiesdonotexistareonlyconceptsthatwillneverbearealityunlessamaterialormaterialsaredeveloped.n除除非非开开发发出出新新的的材材料料，否否则则由由于于材材料料不不具具有有必必要要的的性性能能而而不不能能实实现现的的设设计计只只能能是是一一个个永永远远不不能能成成为为现现实实的的概念。概念。11详细课资nPriortoafabricationstep,materialsspec
12、ificationsmustbemadedependinguponthedesignrequirements.n在制造之前必须依据设计要求给出材料的技术要求在制造之前必须依据设计要求给出材料的技术要求（specification）。）。12详细课资nThesemayhavetobealteredinthedesignsimulationiftherequisitepropertiescannotbeidentifiedinexistingmaterials,orfabricationmayhavetodelayuntilnewmaterialscanbedesignedandfabricate
13、d.nMaterialsaretherealityinadesign.n如果现存的材料不具备必要的性能，或者只有新材料如果现存的材料不具备必要的性能，或者只有新材料开发出来才能制造，在设计仿真阶段就必须改动这些开发出来才能制造，在设计仿真阶段就必须改动这些材料的技术要求。在设计中材料是现实的。材料的技术要求。在设计中材料是现实的。 13详细课资Paragraph 5nFigure1illustratesasimpleschematicrepresentationofadesignprocessthatincludesdesignimplementation.n图图1所示为一个包括设计实施的设计
14、过程简图所示为一个包括设计实施的设计过程简图（schematic representation）。）。nTheroleofmaterialsintheimplementationisofcoursecrucialbecausetheymakethedesignareality.n由于材料使设计成为现实，因此其地位当然是至关重要由于材料使设计成为现实，因此其地位当然是至关重要的。的。14详细课资nThedesignordesignimplementationdiagramshowninFigure1maynotcharacterizethefinalproduct.n图图1示意图或许不能描述最终
15、产品。示意图或许不能描述最终产品。nThefirstprocessmayproduceaprototype(RapidPrototyping)thatwillbetestedandimprovedupontodevelopafinalproduct.n设计之初或许要构想一个用于检验和进一步完善的原设计之初或许要构想一个用于检验和进一步完善的原型，以开发最终产品。型，以开发最终产品。15详细课资nGenerally,afinalproductworksreliablyandiseconomical(orprofitable)andsafe.n一般来讲，最终产品要求工作可靠、经济（有利可图）一般来
16、讲，最终产品要求工作可靠、经济（有利可图）和安全。和安全。16详细课资Safety factors in engineering designsParagraph 6nTheconceptofsafetyfactor(安全系数)isnormallyappliedtotheevaluationandconsiderationofstrengthofmaterialsusedinadesign.n安全系数常用于估算和考虑用于设计中的材料强度。安全系数常用于估算和考虑用于设计中的材料强度。nSafetyfactorsarenormallyappliedtotheyieldstrengthofamat
17、erialbutcanbeappliedtotheultimatetensilestrength.n安全系数一般用于材料的屈服强度（安全系数一般用于材料的屈服强度（yield strength），也能用于极限抗拉强度。），也能用于极限抗拉强度。 17详细课资nTheyieldstress(屈服应力)isthestress,abovewhichthematerial(particularlyametaloralloy)willdeformpermanently.n屈服应力是超过它以后材料（尤其是金属、合金）会屈服应力是超过它以后材料（尤其是金属、合金）会产生永久性变形的应力。产生永久性变形的应力
18、。nHavingexceededtheyieldstressoryieldstrength(屈服强度),materialsbegintocreep.n超过屈服应力或屈服强度，材料开始蠕变。超过屈服应力或屈服强度，材料开始蠕变。18详细课资nThatis,dislocations(晶格错移)willbecreated,andapplicationofaloadtocontinuethestressaboveyieldwillallowthematerialtoslip.nOvertime,itmayslip(滑动)enoughtosimplycomeapart.n也就是产生位移也就是产生位移(d
19、islocation)，即连续施加一超过屈，即连续施加一超过屈服强度的载荷材料将产生滑移。服强度的载荷材料将产生滑移。 n再过一段时间或许会产生裂纹（再过一段时间或许会产生裂纹（slip）。）。19详细课资nSoifamaterialisusedinaserviceenvironmentinwhichtheyieldstressisneverexceed,itisunlikelyitwillfailbybeingoverstressed.n所以始终在不超过极限应力的状态下工作，材料不会所以始终在不超过极限应力的状态下工作，材料不会屈服。屈服。nWesometimesbaseadesignonf
20、ractionsoftheyieldstress.n人们有时以屈服强度的一部分（几分之一）为基础进人们有时以屈服强度的一部分（几分之一）为基础进行设计。行设计。 20详细课资nForexample,ifweassumeamaterialwillneverexceedhalfthevalueoftheyieldstressandusethisintheactualdesign,wecanrealizeasafetyfactorof2.n例如，假设材料永远不会超过屈服应力值的一半，并在例如，假设材料永远不会超过屈服应力值的一半，并在实际设计中应用，这样安全系数为实际设计中应用，这样安全系数为2。n
21、Inanextremecase,wemightallowthemaximumstressinthesystemtobey/4,andthesafetyfactorwouldbe4.n在极限状态下，人们或许允许最大应力为在极限状态下，人们或许允许最大应力为y/4，这时，这时安全系数为安全系数为4。 21详细课资nObviouslyadesignthatwouldputamaterialintoaserviceenvironmentinwhichthenormalstresseswouldbeneartheultimatetensilestressforsustainedperiodsoftime
22、wouldbeunsafe.n显然，一个设计让材料连续工作在极限抗拉应力附近显然，一个设计让材料连续工作在极限抗拉应力附近是不安全的。是不安全的。22详细课资nOntheotherhand,largesafetyfactorscouldrenderadesignunworkablebecausenomaterialscouldbeidentifiedwiththerequisitestrengths.n另一方面，由于没有材料具有规定的强度，很大的安另一方面，由于没有材料具有规定的强度，很大的安全系数将使设计不能实施。全系数将使设计不能实施。nInaddition,evenfulfillingt
23、hestrengthrequirementsdoesnotnecessarilyjustifyamaterialsuse.n另外即使该强度可以实现，材料选用也是不合理的。另外即使该强度可以实现，材料选用也是不合理的。23详细课资nThematerialmaybetooexpensive,ortoocorrosive,orunstableinotherwaysfortheintendedapplication.n为了这种想要的应用，从其它方面讲，材料或许太贵、为了这种想要的应用，从其它方面讲，材料或许太贵、易腐蚀、不稳定。易腐蚀、不稳定。nOrperhaps,inadditiontohighst
24、rength,highelectricalconductivity(导电率)wouldberequired.n或许除高强度外，需要高的导电率。或许除高强度外，需要高的导电率。 24详细课资nFinally,letslookattheconceptofamaterialssystem.nAsysteminthemostgeneralsenseinvolvesanarrangementofandconnectionofpartsorelementsintoawhole.n最后，让我们看一下材料系统的概念。一个系统大多最后，让我们看一下材料系统的概念。一个系统大多数情况下包括构成整体的要素和要素间的
25、联系。数情况下包括构成整体的要素和要素间的联系。 The materials system Paragraph 725详细课资nAmachineisthereforeamechanicalsystemhavingconnectedcomponents.n机器是相互联系的零件构成的机械系统。机器是相互联系的零件构成的机械系统。nAmaterialssystemisthereforeanarrangementofconnectedmaterials.n材料也是材料之间相互联系构成的系统。材料也是材料之间相互联系构成的系统。26详细课资nThesystemcanbepartitionedintodi
26、fferentmaterialswheretheyconnect,andinthemostidealsystemmaterialsareseparatedbyaninterface(界面)orboundarythatconnectsonecomponenttoanotherorprovidesatransitionfromoneregimetoanother.n系统可以分成相互联系的不同材料部分，在大多数理系统可以分成相互联系的不同材料部分，在大多数理想系统中，材料由连接不同部分或在不同区域想系统中，材料由连接不同部分或在不同区域（regim）过渡的接触面或边界面分开。）过渡的接触面或边界面分
27、开。 27详细课资nFracturecanoccuratcrystalinterfaces,andthereforeevenapolycrystalline(多晶的)metaloralloymightbethoughtofasasystemofconnectedcrystals(晶体).n断裂会在晶粒接触面间产生，所以即使一个多晶的金断裂会在晶粒接触面间产生，所以即使一个多晶的金属或合金材料也认为是一个相互联系的晶粒系统。属或合金材料也认为是一个相互联系的晶粒系统。28详细课资Paragraph 8nInthecontextoffailureaswehavediscussed,itisimpo
28、rtanttorealizethatfailurecanoccurnotonlywithinaregime(acomponentinaconnectedarrangement),butattheconnectionitself.n我们讨论屈服时，这种认识是非常重要的：屈服不但我们讨论屈服时，这种认识是非常重要的：屈服不但产生在相互联接的区域，而且发生在联系本身。产生在相互联接的区域，而且发生在联系本身。29详细课资nSotheinterfaceisalsoapartofthesystemandmustbeconsideredinthecontextoftheweakestlinkcorolla
29、ryandMurphysLaw.n接触面也是系统的一部分，所以在最薄弱环节接触面也是系统的一部分，所以在最薄弱环节界界面分离是必然结果，符合墨菲法则。面分离是必然结果，符合墨菲法则。30详细课资Paragraph 9nFailurepreventioniscertainlynotahopelessissueeveninverycomplexmaterialssystembutdoesrequireagreatdealoftesting,evaluation,andfundamentalunderstandingofmaterialsbehaviorunderavarietyofconditio
30、ns.n防止失效不是没有希望的，即使在很复杂的材料系统防止失效不是没有希望的，即使在很复杂的材料系统中，它需要大量的实验、计算、弄清各种条件下材料中，它需要大量的实验、计算、弄清各种条件下材料的变化。的变化。31详细课资nSelectingoptimumconditions,underutilizingcomponentsinasystem(designingfortheweakestlinkandemployingsafetyfactors),introducingsafetyfactors,considerationforenvironmentalchangesandevenbizarre
31、conditionsofuse,allcontributetosuccessfulapplicationsofproducts.n选择最优（选择最优（optimum）条件，不使用极限状态（面向）条件，不使用极限状态（面向最薄弱环节设计，使用安全系数），引入安全系数，最薄弱环节设计，使用安全系数），引入安全系数，考虑环境变化，甚至特殊条件的应用，所有这些都有考虑环境变化，甚至特殊条件的应用，所有这些都有利于产品的成功使用。利于产品的成功使用。32详细课资nOneneedsonlytotakeaglimpseatthetechnologyaroundustoappreciatehowsuccessfulwehavebeenindesigningefficient,dependable,andusefulproductsandfixtures.n人们只要看一下我们身边的技术，就会欣赏到：我们人们只要看一下我们身边的技术，就会欣赏到：我们设计的有效的、可靠的、用途广泛的产品和设备是多设计的有效的、可靠的、用途广泛的产品和设备是多么的成功！么的成功！ 33详细课资课后作业：n1、复习本课单词，预习下一课单词34详细课资
