最先进的机械设计理论与方法.ppt

1、许志倩,学科前沿知识讲座 先进机械设计理论与方法,中国石油大学（华东） 机电工程学院机电工程系,中国石油大学 (华东）,机械：机器和机构的统称。 机械系统：具有特定功能，相互间具有有机联系，由若干要素构成的一个整体。主要包括一下几个子系统：动力系统、传动系统、执行系统、操纵和控制系统、架体支承系统。 机械系统特性：整体性、相关性、目的性和环境适应性。,1、机械和机械系统,中国石油大学 (华东）,高低压吹膜机,1、机械和机械系统,中国石油大学 (华东）,注：机械系统是一个有机的整体，多数为一个大系统，设计者应 从机械系统的整体性出发，不仅仅考虑局部的、个别的零部 件，要对所设计的机械进行全面的、

2、整体的考察和分析，才 可以设计出优良的机械产品。,新型“非洲猎豹”机器人效果图,1、机械和机械系统,中国石油大学 (华东）,2.机械设计简介,机械设计：机械设计是设计者为满足社会和人们对机械产品功能的需要，运用基础知识、专业知识、实践经验和系统工程等方法，进行设想和构思、计算和分析，最后以技术文件的形式。提供产品制造依据的全过程工作。 机械设计特点： （1）多解性：主要为同类功能的产品适应不同要求。 （2）系统性：机械设计有必要基于系统工程的现代 设计方法学的指导进行。 （3）创新性。,中国石油大学 (华东）,机械设计的原则 实用性原则 创造性原则 优化原则 可靠性原则 安全性原则 经济性原则

3、 评价审核原则,机械设计的基本程序 设计规划 方案设计 技术设计 施工设计 具体程序见下页。,2.机械设计简介,中国石油大学 (华东）,机械设计的基本程序,2.机械设计简介,中国石油大学 (华东）,机械设计方法分类 传统设计方法 主要包括理论设计、经验设计和模型实验设计。 现代设计方法 主要有机械优化设计、机械可靠性设计、机械系统设计、有限元法、机械动态设计、模块化设计、人机学设计和计算机辅助设计。具体理论和方法详见下表。,2.机械设计简介,中国石油大学 (华东）,现代机械设计的主要理论和方法,2.机械设计简介,中国石油大学 (华东）,现代设计方法与传统设计方法的比较： 在设计指导思想上，由过

4、去的经验类比方法提高到逻辑的、理性的和系统的新设计方法； 在设计对象上，现代设计方法考虑了人机环境的相互协调，从而发挥产品的最大潜力或最大可能的提高系统的有效性； 在设计方法中，前者广泛采用了CAD、优化设计、可靠性设计、工业艺术造型设计、价值工程和创造性设计等方法，使设计水平有了一个质的飞跃；,2.机械设计简介,中国石油大学 (华东）,现代设计方法与传统设计方法的比较： 在设计手段上， 充分采用电子计算机，自动绘图和数据库管理等新技术，大大提高了数据的准确性、稳定性和数据使用效率，使修改设计变得十分方便，分析工具的改进使设计采用尽可能精确的模型成为可能； 在试验和测试的技术上，采用频谱分析、

5、激光全息摄影和计算机数据处理等先进技术，可对整个机械系统或零部件的性能进行科学的试验和分析，并可进行计算机仿真。,2.机械设计简介,中国石油大学 (华东）,2.1 机械的传动系统设计,传动的类型,2.机械设计简介,中国石油大学 (华东）,2.机械设计简介,2.1 机械的传动系统设计,液力机械式传动系统的组成及布置示意图,齿轮传动系统,中国石油大学 (华东）,机械传动类型选择的原则： 对于小功率传动，应在满足工作性能的要求下，选用结构简单的传动装置，尽可能降低初始费用； 对于大功率传动，应优先考虑传动装置的效率，以节约能源、降低运转和维修费用； 当机器要求变速时，若能与动力机调速比相适应，可直接

6、联接或采用固定传动比装置；,2.机械设计简介,2.1 机械的传动系统设计,中国石油大学 (华东）,机械传动类型选择的原则： 当载荷变化频繁，且可能出现过载时，应考虑过载保护装置； 当机器工作机构的运动要求与动力机同步或严格的传动比时，应采用无滑动的传动装置； 传动装置的选用必须与制造技术水平相适应，应尽量选用专业的厂生产的标准零部件或产品。,2.机械设计简介,2.1 机械的传动系统设计,中国石油大学 (华东）,机械传动系统的设计程序： 确定传动系统的总传动比： 分别表示传动系统和输出轴的转速。 选择传动类型，拟定传动系统的布置方案。 分配总传动比。总传动比与各级传动比的关系为： 计算机械传动系

7、统的性能参数。主要包括各级传动的转速、效率和转矩等。,2.机械设计简介,2.1 机械的传动系统设计,中国石油大学 (华东）,2.2 机械的执行系统设计,执行系统的分类 按其对运动和动力的不同要求分为：动力型、动作型及动作动力型。 按执行机构相互间的联系情况分为：单一型、相互独立型、相互联系型。,2.机械设计简介,中国石油大学 (华东）,内燃机执行系统简图,2.机械设计简介,2.2 机械的执行系统设计,中国石油大学 (华东）,执行系统设计的基本步骤 确定运动方案。 合理选择机构类型，拟定机构组合方案。下页表中列出了常用机构的性能和特点，以供参考。 绘制运动循环图。 强度和刚度计算。此外，执行机构

8、中的构件应满足耐磨损、振动稳定性等要求；在高温或强腐蚀条件下工作时，还要考虑材料的耐热性能或耐腐蚀性能。,2.机械设计简介,2.2 机械的执行系统设计,中国石油大学 (华东）,常用机构的主要性能和特点,2.机械设计简介,2.2 机械的执行系统设计,中国石油大学 (华东）,常用机构的主要性能和特点,2.机械设计简介,2.2 机械的执行系统设计,中国石油大学 (华东）,2.机械设计简介,2.2 机械的执行系统设计,常用机构的主要性能和特点,中国石油大学 (华东）,工作载荷的确定方法：类比法、计算法和实测法。 动力机的选择和计算 主要从三个方面进行分析比较： 分析工作机械的负载特性和要求，包括工作机

9、械的载荷特性、工作制度、结构布置和工作环境等。 分析动力机本身的机械特性，包括动力机的功率、转矩、转速等特性，以及动力机所能适应的工作环境。应使动力机的机械特性与工作机械的负载特性相匹配。 进行经济性的比较。当同时可用多种类型的动力机进行驱动时，经济性的分析是必不可少的，包括能源的供应和消耗，动力机的制造、运行和维护成本的对比等。,3.机械结构设计的基本原则和原理,中国石油大学 (华东）,通过分析比较，首先确定动力机的类型，然后根据工作机械的负载特性计算动力机的容量（功率大小）。动力机的功率P（单位：KW）与它的转矩T（单位：Nm）和转速（单位：r/min）之间的关系为：,3.机械结构设计的基

10、本原则和原理,中国石油大学 (华东）,配用动力机,螺杆膨胀动力机简图,3.机械结构设计的基本原则和原理,中国石油大学 (华东）,机械结构的失效形式 结构件中有的出现断裂或产生使用中不允许出现的裂纹；对某些结构而言，产生过大的变形而失效。 过量磨损。 腐蚀。 机械结构设计的基本原理 最有效力传导原理 功能及载荷分配原理 结构自助原理 置换原理和转移原理,3.机械结构设计的基本原则和原理,中国石油大学 (华东）,机械结构安全运行的强度判断依据是 式中，零部件计算部位的实际应力； 许用应力。 机械刚度设计 轴的扭转变形计算：用每米轴长的扭转角来表示。 轴的弯曲变形计算：当量直径法和能量法。,3.机械

11、结构设计的基本原则和原理,中国石油大学 (华东）,4.1 系统分析设计方法,传统的分析设计方法一般是把设计对象分解为许多独立的部分来分别进行研究。由于这是孤立的，且多是静止的分析问题，因此所得出的结论常常带有片面性和局限性。,现代工程往往是一些大系统的巨大工程，是一个多学科的综合技术系统。所以在系统分析设计法中，就应该把设计对象看做是一个系统，用系统工程的概念进行分析和综合，并且按产品或系统开发的进程进行设计，以求获得最佳的设计方案。,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.1.1 技术系统的组成和处理对象,我们所说的系统通常包括以下四个组成部分：系统单元、系统结构、边界条件、输入和

12、输出要素。,系统单元,完成某种功能而无需进一步划分的单元，即系统相互联系和作用的基本组成要素。,系统结构,反映着系统内部各单元之间的关系，即相互联系和作用的联结形式。,边界条件,系统与外部环境作用的界面，通过这种界面可以明确分析设计对象的范围。,输入和输出要素,系统的行为通常表现为它与其外部环境的相互联系和作用，可以用输入和输出来表征。,4.现代机械设计方法,4.1 系统分析设计方法,中国石油大学 (华东）,4.1.1 技术系统的组成和处理对象,驱动、控制、支承、变速、转向、制动、转动等机构。,系统单元,系统结构,边界条件,输入输出 要素,上述单元组成自行车的结构、实现能量的转换、获得一定运动

13、速度下的承载能力，完成运载的功能。,自行车的边界条件是骑行环境，而骑车人是它的外部环境要素,输入要素为骑车人的脚蹬车，属于一种机械能量；输出要素为一定速度的承载能力，也是一种机械能量。,4.1 系统分析设计方法,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.1.2 系统分析设计方法,一般的说，系统或产品的设计过程可概略的划分为：产品规划、方案设计、技术设计和施工设计等阶段。此处我们将重点介绍产品规划和方案设计两个方面。,产品规划师设计的第一步，其目的在于明确所设计的系统或产品的目的、任务和要求，并用设计任务书的形式表达出来，以作为后续的设计、评价和决策的依据。为此需要进行 1）市场需求分析

14、 2）可行性分析 3）设计要求的拟定工作,4.1 系统分析设计方法,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.1.2 系统分析设计方法,1. 产品规划,可行性分析,消费者对产品功能、性能、质量和数量的具体要求； 现有类似产品的销售情况和销售趋势； 竞争对手在技术、经济方面的优缺点及发展趋向； 主要原料、配件和半成品的现状。,技术分析技术方案中的创新点和难点及解决方法和技术路线等分析； 经济分析成本和性能价格比分析； 社会分析随着生产的发展和项目的综合化、大型化，他们和社会的关系日益密切。,设计要求的拟定,市场需求分析,3,2,1,根据产品功能和性能提出设计阐述和相关的指标， 列出制造、

15、使用等方面的限制条件。,4.1 系统分析设计方法,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.1.2 系统分析设计方法,2. 方案设计,方案设计阶段，第一步是原理方案拟定。而原理方案拟定一般是从功能分析入手，利用创造性构思拟出多种方案，通过分析综合评价，求得最佳方案。,4.1 系统分析设计方法,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.1.2 系统分析设计方法,2. 方案设计,例：对于挖掘机的设计，我们采用功能综合法求解它的原理方案,1）功能分析挖掘机的总功能是运取物料，其总功能和分功能 间的关系为：,2）列出各功能元及其局部解得功能求解综合表（见下页）,4.1 系统分析设计方法

16、,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.1.2 系统分析设计方法,2. 方案设计,3）系统解的可能方案数,如：A1+B4+C3+D2+E1履带式挖掘机 A5+B5+C2+D4+E2液压轮胎式挖掘机,4.1 系统分析设计方法,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.2 创造性设计方法,人类进步的历史是创造的历史，也就是说，人类的物质财富和精神财富都是通过创造性活动产生的。,创造发明可以定义为把意念转变成新的产品或工艺方法等的过程。此处介绍创造性设计方法的目的在于说明，创造发明是有一定的规律和方法可循的，方法主要为：,列举法 智爆法 提问追溯法 反向探求和向前推演法,联想类推

17、法 组合法 功能分析法 同中求异与异中求同,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.3 机械可靠性设计,起因：,可靠性设计是第二次世界大战时由一只真空管引起的。当时美国在远东的军事基地有60%的军用飞机电子装置处于故障状态，检查结果是由于真空管发生了故障。但出故障的真空管却是完全符合出厂指标的，虽然多次检查仍找不到原因。后来就做出了一种推断：关于真空管的制造技术，有超出以往制造技术和检查能力以外的某种特性，当它被掌握和发现以后，是可以防止故障的。这种特性就是“可靠性”。,在设计、制造和检查中考虑可靠性可以大大减少故障。例如：阿波罗登月火箭成功的关键就是其可靠性达到了99.999999

18、9%,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,产品的可靠性是指：产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的能力。 这里的产品可以泛指任何系统、设备和元器件。产品可靠性定义的要素是三个“规定”：“规定条件”、“规定时间”和“规定功能”。 “规定条件”包括使用时的环境条件和工作条件；例如同一型号的汽车在高速公路和在崎岖的山路上行驶，其可靠性的表现就不大一样，要谈论产品的可靠性必须指明规定的条件是什么。 “规定时间”是指产品规定了的任务时间；随着产品任务时间的增加，产品出现故障的概率将增加，而产品的可靠性将是下降的。因此，谈论产品的可靠性离不开规定的任务时间。例如，一辆汽车在在刚刚开出

19、厂子，和用了5年后相比，它出故障的概率显然大了很多。,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,“规定功能”是指产品规定了的必须具备的功能及其技术指标。所要求产品功能的多少和其技术指标的高低，直接影响到产品可靠性指标的高低。例如，电风扇的主要功能有转叶，摇头，定时，那么规定的功能是三者都要，还是仅需要转叶能转能够吹风，所得出的可靠性指标是大不一样的。 可靠性包含了耐久性、可维修性、设计可靠性三大要素。 耐久性：产品使用无故障性或使用寿命长就是耐久性。例如，当空间探测卫星发射后，人们希望它能无故障的长时间工作，否则，它的存在就没有太多的意义了，但从某一个角度来说，任何产品不可能100%的不会

20、发生故障。,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,可维修性：当产品发生故障后，能够很快很容易的通过维护或维修排除故障，就是可维修性。象自行车、电脑等都是容易维修的，而且维修成本也不高，很快的能够排除故障，这些都是事后维护或者维修。而象飞机、汽车都是价格很高而且非常注重安全可靠性的要求，这一般通过日常的维护和保养，来大大延长它的使用寿命，这是预防维修。产品的可维修性与产品的结构有很大的关系，即与设计可靠性有关。 设计可靠性：这是决定产品质量的关键，由于人机系统的复杂性，以及人在操作中可能存在的差错和操作使用环境的这种因素影响，发生错误的可能性依然存在，所以设计的时候必须充分考虑产品的易使

21、用性和易操作性，这就是设计可靠性。一般来说，产品的越容易操作，发生人为失误或其他问题造成的故障和安全问题的可能性就越小。,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,可靠性是一项重要的质量指标，只是定性描述就显得不够，必须使之数量化，这样才能进行精确的描述和比较。可靠性的定量表示有其自己的特点，由于使用场合的不同，很难用一个特征量来完全代表。 可靠度 ：产品的可靠度是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。 失效概率 ：失效概率是表征产品在规定条件下和规定时间内，丧失规定功能的概率，也成为不可靠度。 失效密度：失效密度是表示失效概率分布的密集程度，或者说是失效概率函数的变化率。,

22、4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,导致国产机电买得起，修不起，可靠性差已严重影响了机械工业的声誉。,4.3.1 我国机电产品的可靠性现状,机械可靠性差,平均无故障工作时间低于国外同类产品一至二个数量级,可靠性为国外产品的1/2-1/3,甚至1/10,国产车无故障里 程在380-800km。而进口车却为28000km,上海金山石化总厂国产仪表和日本仪表的故障率为9比1,仪表、气液元件、低压电器,拖拉机、工程机械,越野车,仪器仪表,4.3 机械可靠性设计,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.3.2 系统的可靠性设计,一个机械系统常由许多子系统组成，而每个子系统又可能由若干

23、单元（如零件、部件）组成。因此单元的功能及实现其功能的概率都直接影响系统的可靠度。系统可靠性设计有两个方面的含义：一是可靠性预测；二是可靠性分配。,单元,子系统,系统,合成方法,分解方法,可靠性预测,可靠性分配,4.3 机械可靠性设计,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,一、系统模型,4.3.2 系统的可靠性设计,混联系统,由一些串联子系统和一些并联子系统组合而成的系统。,并联系统,由若干相互独立单元组成的系统，只有当所有单元都失效时系统失效，就称此系统为并联系统。,串联系统,由若干相互独立单元组成的系统，若其中任一单元的失效都会导致整个系统失效，则称这种系统为串联系统。,4.3 机

24、械可靠性设计,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,复杂系统,非串、并联系统和桥式网络系统都属于复杂系统。,备用冗余系统,在系统中，把同功能单元重复配置以作备用。当其中一个单元失效时，用备用来替换以继续其功能，此系统称为备用冗余系统。,表决系统,如果组成系统的n个单元中，只要有K个单元不失效，系统就不会失效，这样的系统就称为n中取K系统，简写K/n系统，为表决系统。,一、系统模型,4.3.2 系统的可靠性设计,4.3 机械可靠性设计,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,二、系统的可靠性预测,4.3.2 系统的可靠性设计,1、串联系统的可靠性计算,系统的可靠度,单元i的可靠度，

25、i=1,2,n,2、并联系统的可靠性计算,系统的失效概率,单元i的失效概率，其余同上,4.3 机械可靠性设计,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,二、系统的可靠性预测,4.3.2 系统的可靠性设计,3、混联系统的可靠性计算,混联系统是串联和并联的组合，他们的可靠度可直接参照串联和并联系统的公式进行。,4、备用冗余系统的可靠性计算,假定储备单元在储备期时间t内不发生故障，且转换开关是完全可靠的。则当各单元的可靠度函数是指数分布，并且 时，则系统的可靠度为：,4.3 机械可靠性设计,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,二、系统的可靠性预测,4.3.2 系统的可靠性设计,5、表决

26、系统的可靠性计算,6、复杂系统的可靠性计算,每个单元的可靠度,当系统可以分解为串联、并联和混联系统时，复杂系统的可靠度计算就可以按照前面所说的方法进行。但对更复杂系统，可采用分解法、布尔真值表法或卡诺图法进行计算。,4.3 机械可靠性设计,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.4 有限元分析方法,基本思想,有限元法是随着计算机的广泛应用而发展起来的。其避开了在整个求解区域上寻求连续解析函数这一难点，转为寻求在各子域上适当控制方程，并满足整个物体的边界条件和连续条件的分块近似插值函数。,4.4.1 有限元法的基本思想及其特点：,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.4 有

27、限元分析方法,特 点,4.4.1 有限元法的基本思想及其特点：,1）不受物体几何形状限制，可以用大大小小的多种单元进行拼装，以适应各种各样工程结构的复杂集合形状 2）可以分析包括各种特殊结构的复杂结构体 3）可以适应不连续边界条件和荷载条件 4）便于实现规范化和在计算机上统一编程，容易将程序编成模块式结构 5）计算工作量小，稳定性好，便于求解。占用计算机内存少。,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,问题及求 解域定义,连续体 离散化,单元分析,组成物体的整体方程组,求解有限元方程和结果解释,1,2,3,4,5,4.4.2 有限元法求解问题的基本步骤,简言之：有限元分析可分为三个阶段前

28、处理、处理、后处理。 前处理建立有限元模型，完成单元网格划分； 处理有限元计算； 后处理采集处理结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。,4.4 有限元分析方法,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.4.3 有限元计算模型的建立,1.有限元建模准则,有限元建模的总则是根据工程分析精度要求，建立合适的、能模拟实际结构的有限元模型，在此过程中应遵循下述准则：,4.4 有限元分析方法,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.4.4 减小解题规模的常用措施,对称性和反对称性,周期性条件,降维和几何简化,子结构技术,线性近似化,多工况荷载合并,节点编号的优化,4.4 有限元分析方

29、法,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.4.4 减小解题规模的常用措施,对称性和反对称性,周期性条件,降维和几何简化,子结构技术,线性近似化,多工况荷载合并,节点编号的优化,4.4 有限元分析方法,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,ANSYS 航空发动机转子动力学分析,4.4 有限元分析方法,ANSYS在石油机械与压力容器设计中的应用,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.5 优化设计方法,4.5.1 优化设计概述,优化设计法从20世纪60年代初发展起来，它是将最优化原理与计算机技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法，使得在解决复杂设计问

30、题时，能从众多的设计法案中寻找尽可能完善或最适宜的设计方案。,实践证明，在机械设计中运用优化设计方法，不仅可以减轻机械设备自重，降低材料消耗与制造成本，而且可以提高产品的质量与工作性能。因此优化设计已经成为现代机械设计理论和方法中的一个重要领域。,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.现代机械设计方法,优化设计英文名是optimization design，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。 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，

31、有些没有给定，需要在设计中优选，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。 一般来说，优化设计有以下几个步骤：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等。通常采用的最优化算法是逐步逼近法，有线性规划和非线性规划。,中国石油大学 (华东）,4.5.2 优化设计分类,组合优化问题,函数优化问题,机械优化设计从它所要解决问题的的特点来看，归纳起来可以分为函数优化问题和组合优化问题两大类。,令X

32、为 上连续变量x的一个有界子集， 为n维实值函数，所谓函数 在X域上的全域最优点就是所求的点 使 为在X上的最小值， 即： 如：机械参数优化设计，结构、形状优化设计等等。,令 为所有离散状态构成的分解空间 为状态 对应的目标函数值，要求寻求最优解 ，使得 如：生产调度问题、送货或原材料采购的最短路径问题等涉及排序、分类筛选的问题。,4.5 优化设计方法,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.5.3 优化设计的一般流程,优化建模,优化计算,4.5 优化设计方法,优化设计的 一般流程图,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.5.4 优化设计问题实例,例：欲用薄板制造一个体积

33、为5m3的货箱，如图所示。要求其 长度不小于4m，问如何选择长宽高可使钢板耗费最少？,解：可取质量为最求目标，因为质 量m正比于货箱表面积S，若不 计厚度及上盖，有,此式称为一般物理模型，转变为数学模型即为：,4.5 优化设计方法,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.5.4 优化设计问题实例,这种函数称为目标函数。同样将涉及得限制条件写成函数表达式，就得到所谓的约束条件为：,将之写为优化设计问题的标准格式为： 求： 使,4.5 优化设计方法,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.6 动态分析方法,对一个实际的工程系统或机械设备，不仅要考虑他的静态特性，更重要的是知道他

34、的动态特性。系统或设备都是在多变的输入或干扰信号作用的动态条件下工作的，所以它们的响应是处于由一个过渡状态变化到另一个新的过渡状态的过程之中，平衡状态只是相对而言的。,为了便于分析，通常把系统或设备看成是一个其内部情况不明的黑箱，对系统或设备的黑箱模型，可以用不同的方法求它的动态特性。如有限元法、模型试验法、DDS算法及系统动态分析设计法中的传递函数法。此处将重点讨论动态分析方法中的传递函数法和模态分析法。,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.6.1 传递函数法,“传递函数”是动态分析设计法研究的中心内容。因为利用传递函数不必求解微分方程就可研究初始条件为零的系统在输入信号作用下

35、的动态过程，同时还可以研究系统参数变化或结构参数变化对动态响应过程的影响，因而使分析过程大大简化。另一方面，还可以把对系统性能的要求转化为系统传递函数的要求，把系统的各种特性用数学模型有机结合在一起，使综合设计易于实现。,4.6 动态分析方法,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.6.1 传递函数法,系统的传递函数可以表示为：,其中 是微分方程在初始条件为零时输出量的拉氏变换之比，称为系统的传递函数。这里的s是复变数，称为拉氏算子。,4.6 动态分析方法,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.6.1 传递函数法,利用上式可以得到三类处理问题的数学模式。,1）已知系统本身

36、的特性参数和输入情况，求系统的输出响应,2）已知系统本身的特性参数和输出响应，求系统的输入情况,3）已知系统的输入输出，求系统的本身的特性参数，可直接 用以上传递函数。,4.6 动态分析方法,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.6.1 传递函数法,根据系统的传递函数，通过一定的代数运算和拉氏反变换，求出系统的时域的微分方程式并直接求解，便可得到系统的稳态响应和瞬态响应，从而知道系统的性能。,对 进行因式分解可得：,从而可以得 为系统零点 为系统极点。,4.6 动态分析方法,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.6.1 传递函数法,当系统输入信号一定时，系统响应 的曲线

37、形状由传递函数的极点和零点来决定。这样在分析系统或设备动态响应时，不用解微分方程，只要通过系统的零点和极点就知道系统或设备的性能。反之，如果知道系统或设备的性能，就能知道对系统零点和极点的要求。,4.6 动态分析方法,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.6.2 模态分析法,应用传递函数进行系统或设备的动态特性分析虽然方便，但首先需要响应的传递函数。但在许多情况下，求不出响应的传递函数，因此可以采用模态分析法。,将一个多自由度振动系统的固有特性，用一系列所谓模态参量来表达，这些参量就形成了系统的传递函数。用实验和其他数据处理手段找出该系统特有的模态参量或传递函数，并用以对系统的动态

38、性能进行分析、预测、评价和优化，这种处理问题的方法就叫做模态分析法。,4.6 动态分析方法,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.7 反求工程设计,反求工程(Reverse Engineering)这一术语起源于20世纪60年代,但对它从工程的广泛性去研究,从反求的科学性进行深化还是从20世纪90年代初刚刚开始. 反求工程类似于反向推理,属于逆向思维体系.它以社会方法学为指导,以现代设计理论,方法,技术为基础,运用各种专业人员的工程设计经验,知识和创新思维,对已有的产品进行解剖,分析,重构和再创造,在工程设计领域,它具有独特的内涵,可以说它是对设计的设计。,总的来说，反求工程就是针

39、对消化吸收先进技术的一系列分析方法和技术的综合。,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.7.1 反求工程的类型,机器设备的反求类型或方法有：实物反求、影像反求和技术文件反求等三类,实物反求就是对整台机器设备及其组成的零、部件进行逆向推理的设计过程。,影像反求是根据某产品图片、录像、产品介绍说明等资料进行的反求设计。,技术文件反求就是与机器设备相配套的技术资料或技术文件的反求。包括通过测绘整理及直接从国内外引进的资料等,1,2,3,实物反求,影像反求,技术文件反求,4.7 反求工程设计,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.7.2 相似理论及相似设计方法,1、相似概念,相

40、似是指一组物理过程与其基本参数之间固有的比例关系。,例如几何相似相似三角形，其对应变长比例相等； 时间相似指对应的时间间隔互成比例。,如上述实例中的比例常数就称为相似常数。,若果一个已知系统的每一个量的大小都用相似常数的倍数来进行变换，那么所得到的新系统就和原来的已知系统相似，这一过程被称为相似变换。,4.7 反求工程设计,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.7.2 相似理论及相似设计方法,2、相似准则的确定,相似准则是相似理论、模型试验研究以及相似性设计的核心。因此如何确定相似准则就是解决问题的关键了。确定相似准则的方法有两类：方程分析法和量纲分析法。,4.7 反求工程设计,4

41、.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,4.7.2 相似理论及相似设计方法,方程分析法,量纲分析法,所谓量纲就是采用基本度量单位表示导出单位的表达式。采用量纲分析法时，应首先了解所研究对象的物理性质，并正确决定参与现象有关的全部物理量，然后根据表示物理关系的方程式等号两端量纲应齐次的原则推算出指数位置的物理关系式，得相似准则。,通过方程分析法能够导出相似准则的基础为各物理方程的量纲和谐。通常采用的方程分析法有：相似变换法和积分类比法。,4.7 反求工程设计,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,摩擦副设计：包括摩擦副的类型选择、结构设计和材料选择。 润滑系统设计：包括润滑剂和润滑方

42、法的选择、润滑系统的构成和设计等。 状态监测及故障诊断系统设计 状态补偿和控制系统设计 摩擦的分类（见下页）,4.8.1 摩擦学设计的基本内容,4.8 机械的摩擦学设计,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,摩擦的分类,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,发动机润滑系统,润滑系统组成,4.现代机械设计方法,中国石油大学 (华东）,总的来说，机械设计方法通常可以分为两类：一类是过去长期采用的传统（或常规的）设计方法，另一类是近几十年发展起来的现代设计方法。,5.小结,中国石油大学 (华东）,5.小结,5.1 传统设计方法,传统设计 方法分类,理论设计根据长期研究和实践总结出来的

43、传统设计理论及实验数据所进行的设计。 理论设计可以得到比较精确而可靠的结果，重要的零部件大都 选择这种设计方法。,1,2,3,经验设计根据对某类零件归纳出的经验公式或设计者本人的工作经验用类比法所进行的设计。 对一些不重要的零件或对于一些理论上不够成熟或虽有理论方法但没 必要进行复杂、精确计算 的零部件通常采用此方法,模型实验设计将初步设计的零部件 或机器制成小模型或小尺寸样机，经过实验手段对其 进行各方面特性检验，再根据实验结果对原设计进行逐步修改，从而 获得尽可能完善的设计结果。该设计方法费时、昂贵，一般只用于特别重要的设计中。,中国石油大学 (华东）,5.2 现代设计方法,5.小结,中国石油大学 (华东）,5.2 现代设计方法,5.小结,中国石油大学 (华东）,5.2 现代设计方法,5.小结,现代设计方法的特点： 以科学设计取代经验设计； 以动态的设计和分析取代静态的设计和分析； 以定量的设计计算取代定性的设计分析； 以变量取代常量进行设计计算； 以注重“人机环境”大系统的设计准则取代偏重于结构强度的设计准则； 以优化设计取代可行性设计； 以自动化设计取代人工设计。,现代设计方法的应用将弥补传统设计方法的不足，从而有效的提高设计质量，但 它并不能离开或完全取代传统设计方法。现代设计方法还将随着科学技术的飞速 发展而不断地发展。,谢谢！,