第3章机械设计及现代设计方法
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现代设计方法概述
设计过程：
将
物资资源转化为技术装置以满足客观需求的实践
活动就是一个设计过程。
二．设计方法的发展
设计方法的研究包括设计步骤和程式以及与之相 联系的解决具体设计问题的方法和手段的研究。
设计的发展分为四个阶段: 1. 直观发展阶段（设计过程是凭当事人的智力和
灵感，是一种具有很大偶然性的自发设计） 2. 经验发展阶段（传统设计阶段）
第一章：绪 论
一．设计与设计过程
设计就是提出或拟订把某些人工制品组装起来 的方案，或者是对人工制品提出改进的措施， 以便最佳地满足人们某些特殊的需求。（如机 械设计，工业造型设计等) AUTOCAD,VG,SOLIDEDGE
任何设计活动都具有如下特征：
1). 时空性（设计活动受到时间空间的限制） 2). 设计活动的物质性（所有的设计活动都是在特 定的物质条件约束下进行的，如工程材料，资源） 3). 设计的需求性特征（科学研究和工程设计的最 大区别） 4). 创造性 5). 设计活动的过程性
1.字段
字
段是数据中最基本的用来描述实体某个属性的数
四．现代设计方法的主要内容
1.计算机辅助设计. 1）现代CAD技术的内涵及其主要内容 2）工程数据处理及数据库技术（LISP等） 3）绘图基本原理（图形学）及工程图的绘制
2.产品设计理论与方法
3.计算机辅助工程（CAE）
1）弹性力学基本知识
2）有限元法
3）
应用有限元软件
4.最优化设计
建立在经验与技巧能才的积累上。
3. 中间试验辅助设计阶段 局部试验，模拟试验，作为设计过程的辅助手 段。通过中间试验可取得可靠的数据，选择合 适的结构，从而缩短试制周期，提高设计的可 靠性。
机械设计全套课件 ppt课件
凡具备上述（1）、（2）两个特征的实物组合体称为机构。 机器能实现能量的转换或代替人的劳动去做有用的机械功，而 机构则没有这种功能。
仅从结构和运动的观点看，机器与机构并无区别，它们 都是构件的组合，各构件之间具有确定的相对运动。因此，通 常人们把机器与机构统称为机械。
ppt课件
7
机械设计基础
绪论
如图1-1所示的内燃机，
图1-5（a）闭式运动链
机械设计基础
ppt课件
图1-5（a）开式运动链
16
• 将运动链中的一个构件固定，并且它的一个 或几个构件作给定的独立运动时，其余构件 便随之作确定的运动，此时，运动链便成为 机构。
• 机构的组成:
• 机 架：固定不动的构件
• 原动件：输入运动的构件
• 从动件：其余的活动构件
1)运动副：两构件之间直接接触并能产生一定的相对
运动的连接称为运动副。
运动副元素：两构件上直接参与接触而构成运动副的部分— —点、线或面。
2) 运动副的分类
平面
运 运动副 动 副
空间 运动副
机械设计基础
高副：点、线接触 低副：面接触
球面副 螺旋副
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运动副 转动副
13
图1-2 转动副
图1-3 移动副
是由汽缸体1、活塞2、连杆3、曲轴4、 小齿轮5、大齿轮6、凸轮7、推杆8等系列 构件组成，其各构件之间的运动是确定的。
0.1.2 构件与零件
机构是由具有确定运动的单元体组成的，这 些运动单元体称为构件。
组成构件的制造单元体称为零件。 零件则是指机器中不可拆的一个最基本的 制造单元体。构件可以由一个或多个零件组成。
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20
机械设计基础
现代设计方法
③统一的产品信息模型
统一的产品信息模型是实施并行设计的基础，产品设计过 程是一个产品信息由少到多、由粗到细不断创作、积累和完 善的过程，这些信息不仅包含完备的几何形状、尺寸信息， 而且包含精度信息、加工工艺信息、装配工艺信息、成本信 息等。二维几何模型显然不能满足这一要求，仅包含几何信 息的三维模型也不能满足这一要求。因此，并行设计的产品 信息模型应能将来自不同部门、不同内容、不同表述形式、 不同抽象程度、不同关系、不同结构的产品信息包容在一个 统一的信息模型之中。质量、降低设计制造成本，而逐步形 成和建立起来的新的设计思想和策略方法。
为了缩短产品开发时间，人们首先从“硬件”入手：通 过装备更先进的加工设备来提高加工效率，用计算机代替人 工设计来提高设计效率。在取得了预期的效果后，人们又进 而认识到：要想大幅度地缩短产品开发时间，还要从研究和 改进产品开发过程本身入手，建立新的产品开发策略思想。
什么是模块?所谓模块，指一组具有同一功能和接合要素 （指联接部位的形状、尺寸、联接件间的配合或啮合等）， 但性能、规格或结构不同却能互换的单元。
机床卡具、联轴器可称为模块，有些零部件如插头、插座， 广义上也可称为模块，但不如称为标准件更好。在模块化设 计中，也用到大量的标准件，但模块多指标准件之外、仍需 被设计而又可以用于不同的组合、从而形成具有不同功能的 设备的单元。
模块化设计，指在对产品进行市场预测、功能分析的基础 上，划分并设计出一系列通用的功能模块；根据用户的要求， 对这些模块进行选择和组合，就可以构成不同功能、或功能 相同但性能不同、规格不同的产品。这种设计方法称为模块 化设计。
（2）模块化设计的主要方式
① 横系列模块化设计。不改变产品主参数，利用模块发 展变形产品。这种方式是易实现，应用最广。通常是在基型 品种上更换或添加模块，形成新的变形品种。
现代机械设计范文
现代机械设计范文
现代机械设计是一种复杂的工程学科，是建立在几何学、力学、材料学、流体力学、热学和控制学等传统基础科学之上的。
它融合了工程计算机软件的优势，并以此来支持结构设计、机械尺寸设计、总成结构设计和参数化设计等相关工程设计。
现代机械设计还从新机械系统的可行性分析入手，从而加强设计过程的效率。
在机械设计层面，主要包括结构构建、模型建模、计算流固耦合计算和结构动力分析等。
结构构建是机械设计中的基础性任务，其中的模型建模技术旨在建立准确的模型，以帮助设计者进行快速、准确的机械设计。
有效的计算流固耦合计算可以准确估算结构的受力情况，帮助设计者确定准确的结构参数。
结构动力分析技术可以帮助设计者研究机械结构在受力情况下产生的反应特性，从而有效的掌握最佳工作状态。
现代机械设计还通过重新分析传统设计中使用的材料组分来提高设计效率，从而进一步改善机械设计中的可靠性和性能。
当针对具体设计任务评估时，可以采用微机控制系统，将原始设计模型进行精确模拟，以帮助设计者在可靠性、性能和经济效益等方面进行有效的比较评估。
《现代机械优化设计》第3章 一维搜索
a xp, f (a) f (xp ), f (a) f (xp )
b xp, f (b) f (xp ), f (b) f (xp )
计算 f (x*p ), f (x*p )
否
f (x*p ) 0 是
否
f (x*p )
x xp , f f (xp )
是
结束
否
是
K>0
否
xp-xp0 ≤ε
是
x*=x2, f*=f2
是
x*=xp,f*=fp
xp
1 2
f1(x22 x32 ) f2 (x32 x12 ) f3(x12 x22 ) f1(x2 x3) f2 (x3 x1) f3(x1 x2 )
结束
由于区 间缩到很 小时因计 算机舍入 误差引起， 可取中间 点输出。
x3
ⅱ) (xP x1)(x3 xP ) 0
f1
x1
f2
f3
x2 x3
补充 §3-5 格点法
一）基本思路
先将搜索区间分成若干等分，计算出当中的n个等分 点的目标函数值. 再通过比较,找出其中的最小点，则该 点的两个邻近点围成缩短了的新区间。
f
a
xmx1 m xm1 b
x
二）每轮迭代区间的缩短率
ⅰ)A=0
f1(x2 x3 ) f2 (x3 x1) f3 (x1 x2 ) 0
f1[( x2 x1) (x3 x1)] f2 (x3 x1) f3(x1 x2 ) 0
f2 f1 f3 f1 这表明此时三个插值点共线。 x2 x1 x3 x1
f2
f3
f1
x1
x2
a=x3、b=x1
x3=x2+h、y3=f(x3)
机械设计课件03第三章
计算安全系数及疲劳强度条件为：
a. AOJ区域内：smin为负值； b. GIC区域内：按静强度计算；
Sca
ss s lim s s S s s max s a s m
c. OJGI区域内：疲劳极限
s max 2s 1 ( Ks s )s min Sca S s max ( Ks s )(2s a s min )
r
s min s max
-1＜r＜1(r≠0)
非对称循环应力
r = -1 对称循环应力
r =0 脉动循环应力
r =1 静应力
§3-1 材料的疲劳特性
二、 s －N疲劳曲线(r一定)
AB段：静应力强度 ，N≤ 103 BC段：低周疲劳（应变疲劳）， 103 ≤ N≤ 104 ，N ， σmax CD段:有限寿命疲劳，N> 104
ks 1 1
各系数查取见附表
§3-2 机械零件的疲劳强度计算
二、单向稳定变应力时的疲劳强度计算 强度计算式： S s lim s max S ca
计算步骤：
机械零件的疲劳强度计算2
s
s max
求得危险截面的 smax及s
min
据此计算出sm及sa
标出M(sm ,sa )（或N） 根据应力变化规律找到对应的 极限应力值 由强度计算式求出sca
式中ρ1和ρ2 分别为两零件初始接触线处的曲率半径, 其中 正号用于外接触，负号用于内接触。 注意：接触变应力是一个脉动循环变应力
思考题：3-9 3-13 作 业： 3-18 3-20 3-21
四、双向稳定变应力时的疲劳强度计算
当零件上同时作用有同相位的稳定对称循环变应力sa 和ta时， 由实验得出的极限应力关系式为：
现代设计理论与方法
武汉理工大学智能制造与控制研究所
§2机械设计的流程和特点（续）
机械设计的本质：
图
0-6
是功能到结构
机 械
的映射过程，是技
设 计
术人员根据需求进
作 业
行构思、计划并把流源自程设想变为现实可行
图
的机械系统的过程。
武汉理工大学智能制造与控制研究所
§2机械设计的流程和特点（续）
❖机械设计具有个性化、抽象性、多解性的 基本特征，如图0-7所示：
§3.2成型期
❖欧洲
1962年，在伦敦举行了第一届设计方法会议，主要围绕系统设计方法研 究，探讨设计过程的全面管理的系统方法和用于设计过程的系统技术。
1968年，在英国，The Design Council成立。
❖美国
1968年，在美国波士顿的MIT举行了“环境设计与规划中的新方法”会议， 着重探讨设计的复杂性问题，理解设计者如何用传统的设计方法解决设 计问题。
所引起，而80%的修改工作在产品制造阶段或后续阶段陆续 完成。
图0-4 设计与修改成本的比例
武汉理工大学智能制造与控制研究所
§1.1 设计在产品开发中的重要地位(续)
因此，可以得到这样的启示： 在设计越来越显示其重要性的今天，
掌握新的设计思想，应用新的设计方法和 技术，采用新的设计工具，对于提高企业 产品竞争力，具有非常重要的意义。
❖ 日本
1971年，由北乡薰等人编著的“设计工学系列丛书”出版发行，比较全面地论述了设 计方法和技术。
1979年，日本东京大学吉川弘之教授在日本精密机械杂志上发表“一般设计学序说” 一文，提出了一般设计学理论。
§1.1 设计在产品开发中的重要地位(续)
产品设计仅 需整个产品开 发过程中大约 8%的工时成本
§2机械设计的流程和特点（续）
机械设计的本质：
图
0-6
是功能到结构
机 械
的映射过程，是技
设 计
术人员根据需求进
作 业
行构思、计划并把流源自程设想变为现实可行
图
的机械系统的过程。
武汉理工大学智能制造与控制研究所
§2机械设计的流程和特点（续）
❖机械设计具有个性化、抽象性、多解性的 基本特征，如图0-7所示：
§3.2成型期
❖欧洲
1962年，在伦敦举行了第一届设计方法会议，主要围绕系统设计方法研 究，探讨设计过程的全面管理的系统方法和用于设计过程的系统技术。
1968年，在英国，The Design Council成立。
❖美国
1968年，在美国波士顿的MIT举行了“环境设计与规划中的新方法”会议， 着重探讨设计的复杂性问题，理解设计者如何用传统的设计方法解决设 计问题。
所引起，而80%的修改工作在产品制造阶段或后续阶段陆续 完成。
图0-4 设计与修改成本的比例
武汉理工大学智能制造与控制研究所
§1.1 设计在产品开发中的重要地位(续)
因此，可以得到这样的启示： 在设计越来越显示其重要性的今天，
掌握新的设计思想，应用新的设计方法和 技术，采用新的设计工具，对于提高企业 产品竞争力，具有非常重要的意义。
❖ 日本
1971年，由北乡薰等人编著的“设计工学系列丛书”出版发行，比较全面地论述了设 计方法和技术。
1979年，日本东京大学吉川弘之教授在日本精密机械杂志上发表“一般设计学序说” 一文，提出了一般设计学理论。
§1.1 设计在产品开发中的重要地位(续)
产品设计仅 需整个产品开 发过程中大约 8%的工时成本
现代设计方法课后习题答案第三章
3.1 可靠性：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。
可靠度：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。
可靠度计算方法：R(t)=(N-n(t))/N3.2失效率：产品工作t 时刻尚未失效（或故障）的产品，在该时刻t 以后的下一个单位时间内发生失效（或故障）的概率。
λ（t ）=0lim N t →∞∆→()()[()]n t t n t N n t t+∆--∆ 关系: R(t)= ()t t dt o e λ-⎰ 3.3早期失效期：失效率开始由很高的数值急剧地下降到一个稳定的数值。
正常运行期：失效率低且稳定，近似为常数。
损耗失效期：失效率随工作时间增加而上升。
常用分布函数：二项分布 F(r ≤k)=0k r n r c =∑r n r p q -泊松分布 F(t ≤k) =0!r k r r e μμ-=∑指数分布 F(t)=1-t eλ- 正态分布F(x)= 22()2()x x dx x e μσ---∞-∞<<∞⎰对数正态分布F(x)=21()20(0)1y y y dx x μσ-->⎰ 威布尔分布 F(x)=1-()x e βγη--3.4(1)可靠性设计和常规设计的主要区别在于，可靠性设计把一切设计参数都视为随机变量（1）传统设计方法是将安全系数作为衡量安全与否的指标，但安全系数的大小并没有同可靠度直接挂钩，这就有很大的盲目性，可靠性设计与之不同，她强调在设计阶段就把可靠度直接引进到零件中去，即由设计直接确定固有的可靠度。
（2）传统设计方法是把设计变量视为确定性的单值变量并通过确定性的函数进行运算，而可靠性设计则把设计变量视为随机变量并运用随机方法对设计变量进行描述和运算。
（3）在可靠性设计中，由于应力s 和强度c 都是随机变量，所以判断一个零件是否安全可靠，就以强度c 大应力s 的概率大小来表示。
（4）传统设计与可靠性设计都是以零件的安全或失效作为研究内容，两者兼有密切的联系，可靠性设计是传统设计的延伸与发展3.5 (1)最大可能的工作应力都要小于零件的可能的极限强度。
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限制条件。 （4）数学模型
3、优化设计
已知：制造一体积为100m3，长度不小于
5m，不带上盖的箱盒，试确定箱盒的长x1 ，宽x2，高x3，使箱盒用料最省。
分析： （1）箱盒的表面积的表达式； （2）设计参数确定：长x1，宽x2，高x3 ； （3）设计约束条件：
（a）体积要求； （b）长度要求；
3、优化设计
把要分析的连续体假想地分割成有限个单元组成 的组合体，再分析每个单元，得到一组方程，求 解方程得到连续体的解。
计算步骤
连续体的离散化——单元分析——整体分析
2、有限元法（ FEM ）
3.2.3 现代设计方法简介
3、优化设计（ Optimal Design ）
——在给定载荷或环境条件下，在机械产品 的形态、几何尺寸关系或其它因素的限 制范围内，以机械系统的功能、强度和 经济性等为优化对象，选取设计变量、 建立目标函数和约束条件，并使目标函 数获得最优值的一种设计方法。
3、优化设计
优化设计的数学模型：
（1）设计变量： 设计常量：一个工程设计方案，可以用一组参数
表示。这些参数中，根据设计对象预先 选定的参数。 设计变量：需要在设计过程中优选的参数。 （2）目标函数： 用来评价方案好坏的函数。 目标函数的最佳值就是它的最大值和最小值。
3、优化设计
（3）约束条件： 边界约束：限制设计变量变化范围 性能约束：由某种设计性能或设计要求推导出的
4、转向创新法
——某些计划、方法在实践中行不通 ，这时应根据实践过程提供的信息， 及时修正计划、修改方法，继续有效 地探索
例：金属易受腐蚀（缺点）
机械结构中的振动（缺点）
3.3.3 创新的技法
5、组合创新法
——按照一定的技术原理，通过将两个或 多个功能元素合并，从而形成一种具有新功 能的新产品、新工艺、新材料的创新方法。
3.2.3 现代设计方法简介
5、并行设计（Concurrent Design)
——在产品开发的初始阶段，就以并行的方式综
合考虑其寿命周期中所有后续阶段，降低产 品成本，提高产品质量。
并行设计过程：
（1）串行设计过程
5、并行设计（Concurrent Design)
（2）并行设计过程
•关键技术：
2、设问类技法
包括：检核表法、5W2H法、逆向追 问法
➢ 检核表法
——根据需要解决的问题或者进行创造发明 的对象列出有关问题（能否改进、引申、改变、 扩大、简化、替代、变换、颠倒、组合），逐个对 他们进行分析，从中获得解决问题的方法和 创造发明的设想。
2、设问类技法
➢ 5W2H法
“为什么”（why） • 问“是什么”、“做什么”（what） 问“谁”（who） 问有关“时间”的问题（when） 问在“什么地方”（where） 问“怎样”（how） • 问“数量”指标（how much）
2、设问类技法
➢ 逆向追问法
• ——指创新活动的个体或群体顺着 与已有事物的原理或结构相反的方 向进行追问，试图从中发现新的事 物过程。
3.3.3 创新的技法
3、联想类技法
——是指人们通过一件事情的触发而迁 移 或想到另一些事情上。
如：看到鸟想到了……
看到电灯想到……
3.3.3 创新的技法
（3）要求多功能设计小组更加接近和了解 用户，更加灵活和注重实际。
5、并行设计（Concurrent Design)
并行设计过程有两种模型：
（1）产品设计与相关过程设计实现并行
以影响产品质量为代价
（2）以联系方式对产品设计和与其相关过 程设计进行并行组织
有利于提高产品质量，但可能增加设计时间
3.2.3 现代设计方法简介
•1956年发表《发明创造心理学》提出 人•他类的历一史句上至十理分名重言要“的你发可现以，等即待发10明0年是获得顿悟，也可以利 从用对这问些题原的理分15析分中钟指解出决矛问盾题而。产” 生的。
3.3.4 发明问题解决理论TRIZ
基本设计过程：
•功
•机
•结
•能
•构
•构
3.1.3 机械设计的基本过程
具体设计过程：
•初步设计阶段 •技术设计阶段 •工作图设计阶段 •安装调试阶段
3.1.4 设计过程中的方法和理论
3.2 现代设计方法
3.2.1 设计发展的基本阶段
3.2 现代设计方法
3.2.2 传统设计与现代设计
传统设计
以生产经验为基础，运用经验、公式、图表、设 计手册等，着眼于产品的功能和技术规范，通过 经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。
第3章机械设计及现代设 计方法
2020年7月23日星期四
第3章 机械设计及现代设计方法
3.1 机械设计概述 3.2 现代设计方法 3.3 机械创新设计
3.1 机械设计概述
为什么要进行设计？
•为创造人类自身生存所需的条件， •不断地用自己的智慧和才能改造着自然
3.1.1 设计及机械设计
3.1.1 设计及机械设计
3.2 现代设计方法
3.2.3 现代设计方法简介
1、计算机辅助设计（CAD）
——把计算机技术引入设计活动中，利用计 算机完成计算、选型、绘图及其它作业 的一种现代设计方法。
CAD的基本流程：
构思、判断、决策—计算机处理—人机修改—确认，输出
3.2.3 现代设计方法简介
CAD系统的组成
硬件组成：
设计：为满足社会和人们对产品功能的需要，
运用知识、经验和方法，通过创造性思 维，经过规划、计算、分析和决策，产 生载有文字、数据、图形等信息的技术 文件的过程。
机械设计：以机械作为对象开展的设计活动。
3.1.1 设计及机械设计
设计的重要性：
1、产品的质量、性能、成本等在很大程度 上取决于设计的水平与质量。
7、绿色设计（GD：Green Design）
在传统产品设计过程中，设计人员主要根据 产品性能、质量和成本等指标进行设计，设 计指导原则是能经济方便地制造满足使用要 求的、市场需求的产品。
例：废旧电池 计算机 洋垃圾
7、绿色设计（GD：Green Design）
有关统计资料研究表明：产品性能70% -80%
主机 输入设备 输出设备 信息存储设备 网络设备 多媒体设备
CAD系统的组成
软件组成：
系统软件：与计算机硬件相关联的软件。 支撑软件：运行在系统软件之上的，实现CAD各
种功能的通用软件。
应用软件：为实现某个应用领域内特定任务而开
发的软件。
3.2.3 现代设计方法简介
2、有限元法（ FEM ）
基本思想
6、三次设计法
（1）系统设计（第一次设计）
对系统结构和功能进行设计，提出初始设计方案。
（2）参数设计（第二次设计）
在初始设计方案基础上，对各零部件参数进行优化组合。
（3）容差设计（第三次设计）
在最佳设计方案基础上，分析导致产品输出特性变动的原 因，找出关键零部件，确定合适的容差
3.2.3 现代设计方法简介
3.3 机械创新设计
•3.3.2 创新思维
➢形象思维与抽象思维：
形象思维：人脑对客观事物或现象的外在特点
和
具体形象的反映活动。
抽象思维：凭借概念、判断、推理而进行的反
映
客观现实的思维活动。
3.3.2 创新思维
➢发散思维和收敛思维：
发散思维：一种求出多种答案的思维形式。 •收敛思维：一种寻求某种正确答案的思维形式。 •在创造活动中，光有发散思维的活动并不能使问 题获得有效的解决，所以发散思维之后尚需进行 收敛思维。 •这两种思维的有效结合组成了创造活动的一个循 环过程。
1、产品
指作为单独研究和分别试验对象的任何元件、器 件、设备和系统。
4、可靠Байду номын сангаас设计
2、规定时间
产品的可靠性只能在一定的时间范围内达到目标 可靠度，故讨论产品的可靠性需要在一定的规定 时间内进行。
3、规定条件
指产品的使用条件、维护条件、环境条件和操作 技术。
4、可靠性设计
4、规定功能
一个产品往往具有若干项功能。完成规定的功能 是指完成这若干项功能的全体，而不是指其中一 部分。
传统设计的每一个环节都是依靠设计者用手 工方式来完成的：
方案设计
3.2 现代设计方法
分析计算 信息处理、经验或知识的存储和重复使用没有一 个理想有效的方法 传统设计是以静态分析、近似计算、经验设计、 手工劳动为特征的设计方法。
现代设计
实质上是新理论、新方法、新技术在设计中的应 用, 服从传统设计流程，克服传统设计的不足
3.3 机械创新设计
•自主创新是科技发展的灵 魂，是一个民族发展的不竭 动力，是支撑国家崛起的筋 骨。没有自主创新，我们就 难以在国际上争取平等地位 ，就难以获得应有的国家尊 严，甚至难以自立于世界民 族之林。
•
——温家宝
3.3 机械创新设计
• 人们对创新的误解
•创新 ？？？ •那应该是牛顿 、爱因斯坦、爱 迪生……名人伟 人的专利！ •与我无关
5、能力
产品发生故障具有偶然性，故不能仅看一个产品 的情况，而应观察大量同类产品或一定数量的样 品试验数据，方能确定其可靠性的高低。
4、可靠性设计
可靠性设计——以概率论和数理统计为基础
，为保证产品可靠采用的一系列分析与设计技术
机械产品的可靠性设计分为：
1、方案论证阶段：可靠性指标 2、审批阶段：可靠性的评价 3、设计研制阶段：可靠性预测、分配和故障模式 4、生产及试验阶段：规范生产、进行寿命试验等 5、使用阶段：收集可靠性数据
•并行设计的建模与仿真 •多功能团队的协同工作 •产品数据交换技术 •产品数据管理(PDM)
3、优化设计
已知：制造一体积为100m3，长度不小于
5m，不带上盖的箱盒，试确定箱盒的长x1 ，宽x2，高x3，使箱盒用料最省。
分析： （1）箱盒的表面积的表达式； （2）设计参数确定：长x1，宽x2，高x3 ； （3）设计约束条件：
（a）体积要求； （b）长度要求；
3、优化设计
把要分析的连续体假想地分割成有限个单元组成 的组合体，再分析每个单元，得到一组方程，求 解方程得到连续体的解。
计算步骤
连续体的离散化——单元分析——整体分析
2、有限元法（ FEM ）
3.2.3 现代设计方法简介
3、优化设计（ Optimal Design ）
——在给定载荷或环境条件下，在机械产品 的形态、几何尺寸关系或其它因素的限 制范围内，以机械系统的功能、强度和 经济性等为优化对象，选取设计变量、 建立目标函数和约束条件，并使目标函 数获得最优值的一种设计方法。
3、优化设计
优化设计的数学模型：
（1）设计变量： 设计常量：一个工程设计方案，可以用一组参数
表示。这些参数中，根据设计对象预先 选定的参数。 设计变量：需要在设计过程中优选的参数。 （2）目标函数： 用来评价方案好坏的函数。 目标函数的最佳值就是它的最大值和最小值。
3、优化设计
（3）约束条件： 边界约束：限制设计变量变化范围 性能约束：由某种设计性能或设计要求推导出的
4、转向创新法
——某些计划、方法在实践中行不通 ，这时应根据实践过程提供的信息， 及时修正计划、修改方法，继续有效 地探索
例：金属易受腐蚀（缺点）
机械结构中的振动（缺点）
3.3.3 创新的技法
5、组合创新法
——按照一定的技术原理，通过将两个或 多个功能元素合并，从而形成一种具有新功 能的新产品、新工艺、新材料的创新方法。
3.2.3 现代设计方法简介
5、并行设计（Concurrent Design)
——在产品开发的初始阶段，就以并行的方式综
合考虑其寿命周期中所有后续阶段，降低产 品成本，提高产品质量。
并行设计过程：
（1）串行设计过程
5、并行设计（Concurrent Design)
（2）并行设计过程
•关键技术：
2、设问类技法
包括：检核表法、5W2H法、逆向追 问法
➢ 检核表法
——根据需要解决的问题或者进行创造发明 的对象列出有关问题（能否改进、引申、改变、 扩大、简化、替代、变换、颠倒、组合），逐个对 他们进行分析，从中获得解决问题的方法和 创造发明的设想。
2、设问类技法
➢ 5W2H法
“为什么”（why） • 问“是什么”、“做什么”（what） 问“谁”（who） 问有关“时间”的问题（when） 问在“什么地方”（where） 问“怎样”（how） • 问“数量”指标（how much）
2、设问类技法
➢ 逆向追问法
• ——指创新活动的个体或群体顺着 与已有事物的原理或结构相反的方 向进行追问，试图从中发现新的事 物过程。
3.3.3 创新的技法
3、联想类技法
——是指人们通过一件事情的触发而迁 移 或想到另一些事情上。
如：看到鸟想到了……
看到电灯想到……
3.3.3 创新的技法
（3）要求多功能设计小组更加接近和了解 用户，更加灵活和注重实际。
5、并行设计（Concurrent Design)
并行设计过程有两种模型：
（1）产品设计与相关过程设计实现并行
以影响产品质量为代价
（2）以联系方式对产品设计和与其相关过 程设计进行并行组织
有利于提高产品质量，但可能增加设计时间
3.2.3 现代设计方法简介
•1956年发表《发明创造心理学》提出 人•他类的历一史句上至十理分名重言要“的你发可现以，等即待发10明0年是获得顿悟，也可以利 从用对这问些题原的理分15析分中钟指解出决矛问盾题而。产” 生的。
3.3.4 发明问题解决理论TRIZ
基本设计过程：
•功
•机
•结
•能
•构
•构
3.1.3 机械设计的基本过程
具体设计过程：
•初步设计阶段 •技术设计阶段 •工作图设计阶段 •安装调试阶段
3.1.4 设计过程中的方法和理论
3.2 现代设计方法
3.2.1 设计发展的基本阶段
3.2 现代设计方法
3.2.2 传统设计与现代设计
传统设计
以生产经验为基础，运用经验、公式、图表、设 计手册等，着眼于产品的功能和技术规范，通过 经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。
第3章机械设计及现代设 计方法
2020年7月23日星期四
第3章 机械设计及现代设计方法
3.1 机械设计概述 3.2 现代设计方法 3.3 机械创新设计
3.1 机械设计概述
为什么要进行设计？
•为创造人类自身生存所需的条件， •不断地用自己的智慧和才能改造着自然
3.1.1 设计及机械设计
3.1.1 设计及机械设计
3.2 现代设计方法
3.2.3 现代设计方法简介
1、计算机辅助设计（CAD）
——把计算机技术引入设计活动中，利用计 算机完成计算、选型、绘图及其它作业 的一种现代设计方法。
CAD的基本流程：
构思、判断、决策—计算机处理—人机修改—确认，输出
3.2.3 现代设计方法简介
CAD系统的组成
硬件组成：
设计：为满足社会和人们对产品功能的需要，
运用知识、经验和方法，通过创造性思 维，经过规划、计算、分析和决策，产 生载有文字、数据、图形等信息的技术 文件的过程。
机械设计：以机械作为对象开展的设计活动。
3.1.1 设计及机械设计
设计的重要性：
1、产品的质量、性能、成本等在很大程度 上取决于设计的水平与质量。
7、绿色设计（GD：Green Design）
在传统产品设计过程中，设计人员主要根据 产品性能、质量和成本等指标进行设计，设 计指导原则是能经济方便地制造满足使用要 求的、市场需求的产品。
例：废旧电池 计算机 洋垃圾
7、绿色设计（GD：Green Design）
有关统计资料研究表明：产品性能70% -80%
主机 输入设备 输出设备 信息存储设备 网络设备 多媒体设备
CAD系统的组成
软件组成：
系统软件：与计算机硬件相关联的软件。 支撑软件：运行在系统软件之上的，实现CAD各
种功能的通用软件。
应用软件：为实现某个应用领域内特定任务而开
发的软件。
3.2.3 现代设计方法简介
2、有限元法（ FEM ）
基本思想
6、三次设计法
（1）系统设计（第一次设计）
对系统结构和功能进行设计，提出初始设计方案。
（2）参数设计（第二次设计）
在初始设计方案基础上，对各零部件参数进行优化组合。
（3）容差设计（第三次设计）
在最佳设计方案基础上，分析导致产品输出特性变动的原 因，找出关键零部件，确定合适的容差
3.2.3 现代设计方法简介
3.3 机械创新设计
•3.3.2 创新思维
➢形象思维与抽象思维：
形象思维：人脑对客观事物或现象的外在特点
和
具体形象的反映活动。
抽象思维：凭借概念、判断、推理而进行的反
映
客观现实的思维活动。
3.3.2 创新思维
➢发散思维和收敛思维：
发散思维：一种求出多种答案的思维形式。 •收敛思维：一种寻求某种正确答案的思维形式。 •在创造活动中，光有发散思维的活动并不能使问 题获得有效的解决，所以发散思维之后尚需进行 收敛思维。 •这两种思维的有效结合组成了创造活动的一个循 环过程。
1、产品
指作为单独研究和分别试验对象的任何元件、器 件、设备和系统。
4、可靠Байду номын сангаас设计
2、规定时间
产品的可靠性只能在一定的时间范围内达到目标 可靠度，故讨论产品的可靠性需要在一定的规定 时间内进行。
3、规定条件
指产品的使用条件、维护条件、环境条件和操作 技术。
4、可靠性设计
4、规定功能
一个产品往往具有若干项功能。完成规定的功能 是指完成这若干项功能的全体，而不是指其中一 部分。
传统设计的每一个环节都是依靠设计者用手 工方式来完成的：
方案设计
3.2 现代设计方法
分析计算 信息处理、经验或知识的存储和重复使用没有一 个理想有效的方法 传统设计是以静态分析、近似计算、经验设计、 手工劳动为特征的设计方法。
现代设计
实质上是新理论、新方法、新技术在设计中的应 用, 服从传统设计流程，克服传统设计的不足
3.3 机械创新设计
•自主创新是科技发展的灵 魂，是一个民族发展的不竭 动力，是支撑国家崛起的筋 骨。没有自主创新，我们就 难以在国际上争取平等地位 ，就难以获得应有的国家尊 严，甚至难以自立于世界民 族之林。
•
——温家宝
3.3 机械创新设计
• 人们对创新的误解
•创新 ？？？ •那应该是牛顿 、爱因斯坦、爱 迪生……名人伟 人的专利！ •与我无关
5、能力
产品发生故障具有偶然性，故不能仅看一个产品 的情况，而应观察大量同类产品或一定数量的样 品试验数据，方能确定其可靠性的高低。
4、可靠性设计
可靠性设计——以概率论和数理统计为基础
，为保证产品可靠采用的一系列分析与设计技术
机械产品的可靠性设计分为：
1、方案论证阶段：可靠性指标 2、审批阶段：可靠性的评价 3、设计研制阶段：可靠性预测、分配和故障模式 4、生产及试验阶段：规范生产、进行寿命试验等 5、使用阶段：收集可靠性数据
•并行设计的建模与仿真 •多功能团队的协同工作 •产品数据交换技术 •产品数据管理(PDM)