结构设计的方法和准则ppt课件.ppt
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1、第十二章第十二章 机械结构设计的方法机械结构设计的方法和准则和准则12-1 12-1 结构设计的工作步骤和要求结构设计的工作步骤和要求12-2 12-2 结构设计的基本原则和方法结构设计的基本原则和方法12-3 12-3 结构设计的准则结构设计的准则结构设计的重要性:结构设计的重要性:1、方案设计的具体化,根据结构设计进行零部件的加工、方案设计的具体化,根据结构设计进行零部件的加工、装配,已满足产品的功能要求;装配,已满足产品的功能要求;2、与材料选择、尺寸确定、加工和装配工艺等因素密切相、与材料选择、尺寸确定、加工和装配工艺等因素密切相关,结构设计的合理与否将直接影响产品的成本;关,结构设计
2、的合理与否将直接影响产品的成本;3、结构设计是进行科学计算的基础;、结构设计是进行科学计算的基础;4、合理的结构设计是提高设计质量的重要手段。、合理的结构设计是提高设计质量的重要手段。 结构设计实际上就是确定产品、零部件的形状、尺寸及相互结构设计实际上就是确定产品、零部件的形状、尺寸及相互配置关系,是原理方案的具体化。配置关系,是原理方案的具体化。 结构设计是一个从抽象到具体、从粗略到精确的工作过程。结构设计是一个从抽象到具体、从粗略到精确的工作过程。12-1 12-1 结构设计的工作步骤和要求结构设计的工作步骤和要求 根据既定的原理方案,确定总体空间布局、选择材料和加工根据既定的原理方案,确
3、定总体空间布局、选择材料和加工方法,确定主要尺寸、检查空间相容性等,由主到次的逐步进行方法,确定主要尺寸、检查空间相容性等,由主到次的逐步进行结构的细化,直至完成总体方案图。结构的细化,直至完成总体方案图。 结构设计和零部件的参数设计密切相关,参数设计的结果是结构设计和零部件的参数设计密切相关,参数设计的结果是结构设计的重要依据,而结构设计的变化有时会引起参数值的变结构设计的重要依据,而结构设计的变化有时会引起参数值的变化。化。 结构设计和参数设计需交叉进行、反复修改。结构设计和参数设计需交叉进行、反复修改。结构设计的一般步骤结构设计的一般步骤(1)决定结构的要求,主要包括以下几个方面。)决定
4、结构的要求,主要包括以下几个方面。(a)与尺寸有关的要求,如传递功率、流量、联接尺寸、工作)与尺寸有关的要求,如传递功率、流量、联接尺寸、工作高度等;高度等;(b)与结构布置有关的要求,如物料的流动方向、运动方向和)与结构布置有关的要求,如物料的流动方向、运动方向和位置、零部件的运动分配等;位置、零部件的运动分配等;(c)与确定材料有关的要求,如耐磨性、疲劳寿命、抗腐蚀能)与确定材料有关的要求,如耐磨性、疲劳寿命、抗腐蚀能力等。力等。 结构的空间边界条件主要包括轴间距、轴的方向、零部件结构的空间边界条件主要包括轴间距、轴的方向、零部件装入时的限制范围、最大外形尺寸等。装入时的限制范围、最大外形
5、尺寸等。(2)主功能,指实现能量转换或物料转换时起关键作用的功能,)主功能,指实现能量转换或物料转换时起关键作用的功能,而主功能载体就是实现主功能的构件。而主功能载体就是实现主功能的构件。(a)结构设计时,首先对主功能载体进行粗略构形,初步确定)结构设计时,首先对主功能载体进行粗略构形,初步确定主功能载体及主要工作面的形状、尺寸;主功能载体及主要工作面的形状、尺寸;(b)然后,按比例初步绘制结构设计草图,表示出主功能载体)然后,按比例初步绘制结构设计草图,表示出主功能载体的基本形状、主要尺寸、运动的极限位置、空间限制、联接尺的基本形状、主要尺寸、运动的极限位置、空间限制、联接尺寸等;寸等;(c
6、)次要的结构此时可用简化的方式表达出来。)次要的结构此时可用简化的方式表达出来。 结构方案通常不是唯一的,此时应对主功能载体的结构草结构方案通常不是唯一的,此时应对主功能载体的结构草案进行分析判断,从功能要求出发,选取较优方案,以便做进案进行分析判断,从功能要求出发,选取较优方案,以便做进一步的修改。一步的修改。(3)辅助功能载体,指完成辅助功能的那些构件,如轴的支承、)辅助功能载体,指完成辅助功能的那些构件,如轴的支承、工件的夹紧装置、轴外伸端处的密封、润滑装置等。工件的夹紧装置、轴外伸端处的密封、润滑装置等。 为了保证主功能载体能顺利工作,应确定哪些辅功能是必需为了保证主功能载体能顺利工作
7、,应确定哪些辅功能是必需的,并尽可能利用已有的结构形式。的,并尽可能利用已有的结构形式。(4)辅助功能载体初步设计好后,应对主功能载体进行精确的详)辅助功能载体初步设计好后,应对主功能载体进行精确的详细设计。细设计。 详细设计时,应遵循结构设计基本准则,并依据国家和行业详细设计时,应遵循结构设计基本准则,并依据国家和行业标准、规范及较精确的计算结果,同时考虑辅功能的影响,逐步标准、规范及较精确的计算结果,同时考虑辅功能的影响,逐步完成主功能载体的细节设计。完成主功能载体的细节设计。 对辅功能载体也要进行详细的结构设计,补充标准件和外构对辅功能载体也要进行详细的结构设计,补充标准件和外构件。件。
8、(5)进行技术经济综合评价,从多个结构设计草案中挑出满足功)进行技术经济综合评价,从多个结构设计草案中挑出满足功能要求、性能优良、结构简单、成本低的较优方案。能要求、性能优良、结构简单、成本低的较优方案。(6)对选出的结构方案进行完善并检查错误,消除综合评价时已)对选出的结构方案进行完善并检查错误,消除综合评价时已发现的弱点,并可采纳已放弃方案中的可用结构,对关键问题通发现的弱点,并可采纳已放弃方案中的可用结构,对关键问题通过优化的方法来进一步完善。过优化的方法来进一步完善。 检查结构方案在功能、空间相容性等方面是否存在缺陷或干检查结构方案在功能、空间相容性等方面是否存在缺陷或干扰因素,必要时
9、对结构加以改进。扰因素,必要时对结构加以改进。 注意零件的结构工艺性。注意零件的结构工艺性。(7)完成总体的结构设计方案图的绘制,清楚表达产品的结构形)完成总体的结构设计方案图的绘制,清楚表达产品的结构形状、尺寸、位置关系、材料等,对重要的细节应进行充分的描述状、尺寸、位置关系、材料等,对重要的细节应进行充分的描述,以保证设计意图能得到正确的体现。,以保证设计意图能得到正确的体现。一、基本原则一、基本原则1. 明确明确明确、简单、安全是结构设计的基本原则。明确、简单、安全是结构设计的基本原则。12-2 12-2 结构设计的基本原则和方法结构设计的基本原则和方法功能明确功能明确:首要问题是保证准
10、确实现功能要求。:首要问题是保证准确实现功能要求。 必须使各部分功能之间的联系清楚、明确,产品零部件之必须使各部分功能之间的联系清楚、明确,产品零部件之间应联接合理,每一功能都必须有明确的结构来实现。间应联接合理,每一功能都必须有明确的结构来实现。 作用原理明确作用原理明确:实现各功能的作用原理应该明确的,尽量:实现各功能的作用原理应该明确的,尽量减少静不定问题,使能力流(力流)、物料流和信号流有明确减少静不定问题,使能力流(力流)、物料流和信号流有明确的走向。的走向。 此外,还要考虑各种可能出现的物理效应(如热膨胀、受此外,还要考虑各种可能出现的物理效应(如热膨胀、受力变形)以及尺寸误差和形
11、状误差等引起的不良影响,以免发力变形)以及尺寸误差和形状误差等引起的不良影响,以免发生干涉、过载、急剧磨损等现象。生干涉、过载、急剧磨损等现象。 工况及载荷状况明确工况及载荷状况明确:进行参数计算和选择材料时,应确:进行参数计算和选择材料时,应确切掌握工况条件及载荷的状态,如大小、类型、作用时间等。切掌握工况条件及载荷的状态,如大小、类型、作用时间等。 结构设计时,应结构设计时,应保证作用结构的受力保证作用结构的受力状态或应力状态是可状态或应力状态是可明确描述的,能够用明确描述的,能够用相应的方法进行理论相应的方法进行理论计算。计算。 结构设计应尽结构设计应尽量避免出现不明确量避免出现不明确的
12、应力状态(或受的应力状态(或受力状态)。力状态)。2. 简单简单 包含包含三方面三方面的要求:的要求: 零件数目尽量少;零件数目尽量少; 零部件间的联接关系简便;零部件间的联接关系简便; 零件形状尽可能简单。零件形状尽可能简单。 零件少,制造成本低,工作精度、可靠性高。零件少,制造成本低,工作精度、可靠性高。 联接关系简便,简化装配工艺,便于维护。联接关系简便,简化装配工艺,便于维护。 为便于零件的加工,应优先采用简单的几何形状。为便于零件的加工,应优先采用简单的几何形状。2. 安全安全 在结构设计时保证产品及其零部件在预期的工作期限内正在结构设计时保证产品及其零部件在预期的工作期限内正常工作
13、,不会对人和环境产生危害。常工作,不会对人和环境产生危害。 “安全安全”要求可以通过直接的、间接的、提示性的三种途要求可以通过直接的、间接的、提示性的三种途径来实现。径来实现。1)直接安全技术)直接安全技术 在结构设计时充分满足安全可靠的要求,通过所设计的系在结构设计时充分满足安全可靠的要求,通过所设计的系统或构件本身获得安全性。统或构件本身获得安全性。(1)结构可靠性:通过结构形状来保证工作的可靠性。)结构可靠性:通过结构形状来保证工作的可靠性。(2)零件可靠性:设计中保证零件具有足够的强度、刚度和)零件可靠性:设计中保证零件具有足够的强度、刚度和耐磨性及稳定性,在规定的时间内不发生失效。耐
14、磨性及稳定性,在规定的时间内不发生失效。(3)限效失效原理:在使用期限内,即使发生局部元件失效)限效失效原理:在使用期限内,即使发生局部元件失效,但仍保持有限的功能,避免出现危险状态。,但仍保持有限的功能,避免出现危险状态。如弹性圆柱销联轴器。如弹性圆柱销联轴器。(4)冗余配置原理:是一种提高安全性、可靠性的有效手段)冗余配置原理:是一种提高安全性、可靠性的有效手段。对于关键设备可采用备用系统,当与之串连的其他系统发。对于关键设备可采用备用系统,当与之串连的其他系统发生故障时,备用系统可全部或部分地承担其功能,从而提高生故障时,备用系统可全部或部分地承担其功能,从而提高系统的安全性。系统的安全
15、性。2)间接安全技术)间接安全技术 通过保护系统和保护装置来提高系统的安全性。通过保护系统和保护装置来提高系统的安全性。3)提示性安全技术)提示性安全技术 在危险发生前发出警告,并可通过显示装置说明危险部在危险发生前发出警告,并可通过显示装置说明危险部位和危险原因。位和危险原因。 结构设计时应力求采用直接安全技术来满足安全的要求,结构设计时应力求采用直接安全技术来满足安全的要求,不得已才采用间接安全技术,更不要滥用提示性安全技术。不得已才采用间接安全技术,更不要滥用提示性安全技术。二、结构设计方法二、结构设计方法形态变换法:通过零件结构本身的形态,可派生出不同的结形态变换法:通过零件结构本身的
16、形态,可派生出不同的结构方案。构方案。可供变换的形态包括四个方面:可供变换的形态包括四个方面:形状、位置、数量和尺寸形状、位置、数量和尺寸。1)形状变换)形状变换 零件由若干个表面组合而成,从功能观点看,承担功能零件由若干个表面组合而成,从功能观点看,承担功能要求的表面称为功能面。改变零件功能面的形状可得到新的要求的表面称为功能面。改变零件功能面的形状可得到新的结构形式。结构形式。2)位置变换)位置变换 通过改变零件或零件之间功能面的相对位置来发展结构通过改变零件或零件之间功能面的相对位置来发展结构方案。方案。2)位置变换)位置变换3)数量变换)数量变换 通过改变零件数目或功能数目来改变结构。
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