机械工程概论(刘永贤第2版) 第3章 机械设计及现代设计方法

3.1
概论
3.1.3 设计的分类 从设计任务的要求来划分,通常有三种不同类型的设计: 1)开发性设计。运用成熟的科学技术,从工作原理和结构 上设计过去没有的新型产品,这是一种完全创新的设计。
2)适应性设计。在原理、方案基本保持不变的前提下,对
产品作局部的变更设计,使之更能满足用户的需求。 3)变型设计。在功能和工作原理不变的情况下,变更现有 产品的结构配置、布置方式和尺寸,使之适应多方面的使 用要求。
3.3
现代设计技术
3.3.2 优良性能设计基础技术 优良性能设计基础技术是一组以提高机械产品综合性能 为目标的设计技术,是各种创新技术发展的基础,是全生 命周期设计技术的必要条件。它包括可靠性设计技术、
试验技术、防疲劳断裂设计技术、系统动态设计技术、
稳定性设计技术、摩擦学设计技术、优化设计技术、防 腐蚀设计技术、表面工程设计技术、状态监测和补偿控 制技术等。
3.3
现代设计技术
3.3.2 优良性能设计基础技术 1.可靠性设计 (3)机械可靠性设计 机械可靠性设计内容包括: 3)可靠性试验。 可靠性试验是为了定量评价产品的可靠性指标而进行的 各种试验的总称。通过试验可以获得受试产品的可靠性 指标,如平均寿命、可靠度、失效概率等,验证产品是否 达到设计要求。通过对试验样品的失效分析,可以揭示产 品的薄弱环节及其原因,制定相应措施,达到提高可靠性 的目的。因此,可靠性试验是研究产品可靠性的基本手段, 也是预测产品可靠性的基础。
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现代设计技术
3.3.2 优良性能设计基础技术 1.可靠性设计 (2)可靠性的研究内容和可靠性指标 可靠性的主要研究内容有可靠性理论基础和可靠性应用 技术。可靠性理论基础包括概率统计理论、失效物理、 可靠性设计技术、可靠性环境技术、可靠性数据处理技 术、可靠性基础实验及人在操作过程中的可靠性等。可 靠性应用技术包括使用要求调查、现场数据收集和分析、 失效分析、零部件和系统的可靠性设计与预测、软件可 靠性、可靠性评价和验证、包装运输保管和使用的可靠 性规范、可靠性标准等。
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现代设计技术
3.3.2 优良性能设计基础技术 2.系统动态设计 (1)系统动态设计的技术内涵 机械设计可以分为静态设计 和动态设计。 1)静态设计。认为结构是相对“不动的”,它承受的载荷和 周围介质的状态参数(如温度、压力、流速及电磁场等)也 是“不变的”,只对其静态性能进行分析、评价和设计。 2)动态设计。动态设计是相对静态设计而言,与静态设计的 本质区别在于:变“不动”为“运动”,变“不变”为“变 化”,是对结构的动态特性,如固有频率、振型、动力响应 和运动稳定性等进行分析、评价与设计,谋求结构系统在工 作过程中受到各种预期可能的瞬变载荷及环境作用时,仍然 保持良好的动态性能与工作状态。
图3-4 机械产品设计过程的工作循环流程
3.2
设计理论与方法
3.2.1 设计理论与方法的分类
图3-5 现代机械设计方法的分类
3.2
设计理论与方法
3.2.2 机械设计理论与方法的发展趋向
图3-6 现代机械设计理论与方法的发展趋向
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现代设计技术
3.3.1 现代设计技术的定义与特点 现代设计技术:以满足应市产品的质量、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
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概论
3.1.4 设计的本质与过程 1.设计的本质 设计的本质可以从下面几方面来说明: 1)从工作性质与内容看,设计的内容广泛。 2)从设计的过程与方法看,设计是一种活动。 ① 设计是一种工程活动。 ② 设计是一种创造性的智力活动。 ③ 设计是一个综合、决策、迭代、寻优的过程。 设计是一种创造性活动,设计的本质是创造和革新,从这 个意义上讲,创新是设计的灵魂。
第三章 机械设计及现代设计方法
□4.1 概论 □4.2 毛坯制造方法 □4.3 材料热处理及表面处理技术 □4.4 零件加工制造 □4.5 机器装备 □4.6 机械制造装备
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概论
3.1.1 工程设计的概念 产品是设计结果的物质表现。若设计人员所设计的产品, 是以一定技术手段来实现社会特定需求的人造系统,则称 之为技术系统。工程设计主要是对技术系设计的概念 工程设计是一种技术实践活动,旨在创造人为事物,实践 性是其最根本的特征之一。 从信息处理角度,设计是一种信息转换装置,输入的是设 计要求和约束条件信息,设计者运用一定的知识和方法通 过计算机、试验设备等工具进行设计,最后输出的是方案、 图样、程序、文件等设计结果。 设计并不仅仅是计算和绘图。随着高新技术的发展和社 会需求的多样化,工业生产迅速走向大规模、集成化和复 杂化,从而使现代工业特别是机械工业面临新的机遇和挑 战。
手段,以知识为依托,以多种科学方法及技术为手段,研究、
改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。
3.3
现代设计技术
3.3.1 现代设计技术的定义与特点 现代设计技术具有如下特点: (1)设计范畴扩展化 (2)设计手段计算机化 (3)设计过程并行化 (4)设计过程智能化 (5)设计手段拟实化 (6)分析手段精确化 (7)多种手段综合应用 (8)强调设计的逻辑性和系统性 (9)进行动态多变量的优化 (10)强调产品的环保性 (11)强调产品的宜人性 (12)强调用户参与 (13)强调设计阶段的质量控制 (14)设计和制造一体化 (15)强调产品全生命周期最优化
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现代设计技术
3.3.2 优良性能设计基础技术 1.可靠性设计 (2)可靠性的研究内容和可靠性指标 2)失效率(Failure Rate)。机电产品零件的典型失效率 曲线(即失效或故障模式)如图3-7所示。
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现代设计技术
图3-7 机电产品零件的典型失效率曲线
2)失效率(Failure Rate)。 典型失效率曲线可以划分为三个区域。 早期失效区域最初的失效率较高,此后迅速下降。 正常工作区域出现的失效具有随机性,失效率变化不太大, 有的微微下降或上升。在此区域内,失效率较低。 功能失效区域的失效率迅速上升。一般情况下,零件表现 为耗损、疲劳或老化所致的失效。预测这一时间的意义非 常重大。 失效率曲线的三个区域反映了产品零件的三种失效率或故 障模式,它们均具有一定的概率分布特性。
广义设计在工程技术领域中的特有表现,是对技术系统进
行构思、分析并把设想变为现实的技术实践活动。
3.1
概论
3.1.1 工程设计的概念 技术系统的处理对象是能量、物料及 信息。随着时间及其他条件的影响, 系统中存在能量、物料及信息的变化, 即能量流、物料流和信息流。其中, 能量包括机械能、电能、光能、核能 等形式,在图3-1中用实线箭头表示; 物料可为材料、毛坯、试件、半成品 等形式,在图3-1中用双线箭头表示; 而信息往往体现为测量值、指示值、 控制信号、脉冲显示等形式,在图31中用虚线箭头表示。
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概论
3.1.2 设计的地位和意义 设计的目的：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。
设计的意义：设计作为现代工业生产的关键性环节,在产
品的整个生命周期中占有极其重要的位置,它从根本上决 定着产品的内在和外在品质及成本。
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现代设计技术
3.3.2 优良性能设计基础技术 1.可靠性设计 (3)机械可靠性设计 机械可靠性设计内容包括: 1)可靠性预测。 可靠性预测是一种预报方法,即从所得到的失效数据预报 一个零部件或系统实际可能达到的可靠度,预报这些零部 件或系统在规定的条件下和在规定的时间内完成规定功 能的概率。其目的有:协调设计参数及指标,提高产品的 可靠性;对比设计方案,以选择最佳系统;预示薄弱环节,采 取改进措施。它可以按单元→子系统→系统的顺序自下 而上地落实可靠性指标,是一种合成方法。
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现代设计技术
3.3.2 优良性能设计基础技术 1.可靠性设计 (3)机械可靠性设计 机械可靠性设计是在满足产品功能、成本等要求的前提下,使
产品可靠运行的设计过程。
机械可靠性设计的主要特征是将常规设计变量,如材料强度、 疲劳寿命、载荷、几何尺寸及应力等所具有的多值现象都看 成是服从某种分布的随机变量,根据机械产品的可靠性指标要 求,用概率统计的方法设计出零部件的主要参数和结构尺寸。
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现代设计技术
3.3.2 优良性能设计基础技术 1.可靠性设计 (2)可靠性的研究内容和可靠性指标 可靠性的数值标准常采用以下指标(或称特征值):可靠度、 失效率或故障率和平均寿命等。
1)可靠度(Degree Of Reliability)。可靠度的定义是:
零件(系统)在规定的运行条件下及在规定的工作时间内, 能正常工作的概率。
3.1
概论
3.1.4 设计的本质与过程 1.设计的本质 设计的本质是由如下设计的基本特征所决定的: 1) 约束性。 2)多解性。 3)相对性。
3.1
概论
3.1.4 设计的本质与过程 2.设计的过程 首先,对设计对象作出正确的分析,确定它的技术经济指标。 其次,采用系统学或创造性的设计方法,确定可能的设计方 案,根据经验或通过简单的计算作出分类,然后再用价值分析 方法或优选方法选择方案。 最后,用优化设计方法确定所选方案的主要参数,选择经济 的材料和工艺过程,并完成设计阶段的一切技术文件。
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概论
3.1.3 设计的分类 按照不同的划分标准,设计有不同的分类。例如,按照设 计活动的时间进程,设计可分为方案设计(概念设计)、技 术设计(详细设计)和施工设计。基于对设计本质的认识,
根据设计活动中创造性的大小,则可将其分为三类:常规
设计(Routine Design)、革新设计(Innovative Design)和创新设计(Creative Design)。
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现代设计技术
3.3.2 优良性能设计基础技术 1.可靠性设计 (1)可靠性的概念及其发展 产品的可靠性可定义为:产品在规定条件下和规定时间内 完成规定功能的能力。 “规定的时间”,它具有一定寿命的数值概念。这个规定 的时间指的是产品出厂后的一段时间,这一段时间可以叫 做产品的保险期; “规定的条件”,包括环境条件、储存条件以及受力条件 等; “规定的功能”,它说的是保持功能参数在一定界限值 之内的能力,不能任意扩大界限值的范围。