现代机械设计方法精品文稿.ppt

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1、现代机械设计方法1第1页，本讲稿共24页一、什么是摩擦学设计？一、什么是摩擦学设计？研究有关摩擦、磨损与润滑的科学与技术统称为研究有关摩擦、磨损与润滑的科学与技术统称为摩擦学，并把在机械设计中正确用摩擦学知识与技术，摩擦学，并把在机械设计中正确用摩擦学知识与技术，使之具有良好的摩擦学性能这一过程称为摩擦学设计。使之具有良好的摩擦学性能这一过程称为摩擦学设计。摩擦的分类？摩擦带电的原因？摩擦的分类？摩擦带电的原因？滑动摩擦的分类？滑动摩擦的分类？磨损的三个阶段？磨损曲线？磨损的三个阶段？磨损曲线？2第2页，本讲稿共24页二、机械中的摩擦学问题二、机械中的摩擦学问题-为什么要进行摩擦学为什么要进行

2、摩擦学设计？设计？机机械械中中零零部部件件的的摩摩擦擦会会导导致致能能量量的的严严重重损损失失。据据统统计计，全全世世界界工工业业部部门门所所用用的的能能源源有有1 13-13-12 2消消耗耗于于机机件件间间的的摩摩擦擦。汽汽车车发发动动机机因因摩摩擦擦而而损损失失约约3030的的功功率率，纺纺织织机机械械中中因因机机件件摩摩擦擦造造成成的的功功率率损损耗耗竞竞高达高达8585。19661966年年，英英国国的的乔乔斯斯特特(Jost)(Jost)博博士士受受工工业业大大臣臣的的委委托托，进进行行了了大大量量的的调调查查分分析析，在在著著名名的的乔乔斯斯特特报报告告中中方方才才提提出出，摩摩

3、擦擦磨磨损损和和润润滑滑这这三三者者应应该该合合成成为为一一个个有有机机的的整整体体，于于是是形形成成了了一一门门新新的的学学科科摩摩擦擦学学，牛津大学辞典部为其编制了一条专门的英文词汇牛津大学辞典部为其编制了一条专门的英文词汇TribologyTribology。3第3页，本讲稿共24页三、摩擦学设计解决哪些方面的问题？三、摩擦学设计解决哪些方面的问题？1 1、能量方面、能量方面2 2、表面强度方面、表面强度方面3 3、运动性能方面、运动性能方面4 4、特种要求方面、特种要求方面5 5、伴生现象方面、伴生现象方面 名义接触面积名义接触面积指的是接触面外边界所包围的面积，指的是接触面外边界所包

4、围的面积，轮廓接触轮廓接触面积面积指的是波纹凸起受压形成的斑点的面积，实际的接触点就分指的是波纹凸起受压形成的斑点的面积，实际的接触点就分布在这些斑点内；布在这些斑点内；实际接触面积实际接触面积指的是这些实际接触点的面积之指的是这些实际接触点的面积之和。在一般的机械零件相接触时，轮廓接触面积约为名义接触面积的和。在一般的机械零件相接触时，轮廓接触面积约为名义接触面积的5%5%15%15%，而实际接触面积只为名义接触面积的，而实际接触面积只为名义接触面积的0.01%0.01%0.1%0.1%。三种接触面积三种接触面积4第4页，本讲稿共24页四、常用的摩擦机理四、常用的摩擦机理1 1、微凸体机械锁

5、合作用、微凸体机械锁合作用2 2、微凸体粘焊作用、微凸体粘焊作用3 3、犁沟效应、犁沟效应4 4、微凸体塑性变形、微凸体塑性变形5 5、表面分子间与原子间力的作用、表面分子间与原子间力的作用5第5页，本讲稿共24页五、影响摩擦的主要因素及减摩设计五、影响摩擦的主要因素及减摩设计1 1、材料、材料2 2、温度、温度3 3、滑动速度、滑动速度4 4、载荷、载荷5 5、表面粗糙度、表面粗糙度6 6、表面膜、表面膜6第6页，本讲稿共24页磨损的分类 o磨料磨损o粘着磨损o表面疲劳磨损o腐蚀磨损o微动磨损7第7页，本讲稿共24页六、磨损机理六、磨损机理1 1、粘着与转移、粘着与转移2 2、切削、切削3

6、3、疲劳、疲劳4 4、塑性变形、塑性变形5 5、摩擦腐蚀、摩擦腐蚀6 6、熔化、熔化8第8页，本讲稿共24页产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的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能力。为了将可靠性量化：为了将可靠性量化：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的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概率，这就是这就是可靠度可靠度。可靠性定义四要素：可靠性定义四要素：1、对象、对象2、规定条件、规定条件3、规定时间、规定时间4、规定功能、规定功能一、可靠性的定义一、可靠性的定义9第9页，本讲稿共24页二、可靠性的尺度二、可靠性的尺度1 1、可靠度

7、可靠度-用可靠度函数用可靠度函数R(t)R(t)表示表示N-N-受测产品总数，受测产品总数，n(t)n(t)表示从表示从0 0到到t t时间内失效的产品个数时间内失效的产品个数F(t)=1-R(t)-不可靠度不可靠度函数函数-失效概率密度函数失效概率密度函数10第10页，本讲稿共24页2、失效率、失效率 失效率又称为故障率，其定义为工作到某时刻失效率又称为故障率，其定义为工作到某时刻t t时尚未失效时尚未失效(故故障障)的产品，在该时刻的产品，在该时刻t t以后的下一个单位时间内发生失效以后的下一个单位时间内发生失效(故障故障)的概的概率。用失效率密度函数率。用失效率密度函数 表示：表示：平均

8、失效率平均失效率11第11页，本讲稿共24页 例题例题 今有今有100100个某种零件，已工作了个某种零件，已工作了6 6年，工作满年，工作满5 5年时共有年时共有3 3个失个失效，工作满效，工作满6 6年时共有年时共有6 6个失效。试计算这批零件工作满个失效。试计算这批零件工作满5 5年时的失效年时的失效率。率。3、平均寿命、平均寿命 平平均均寿寿命命是是产产品品无无故故障障的的工工作作时时间间的的平平均均值值，平平均均寿寿命命对对于于不不可可修修复复的产品和可修复的产品含义分别为：的产品和可修复的产品含义分别为：对对于于不不可可修修复复的的产产品品、其其寿寿命命是是指指它它的的失失效效前前

9、的的工工作作时时间间。因因此此，平平均均寿寿命命就就是是指指该该产产品品从从开开始始使使用用到到失失效效前前的的工工作作时时间间(或或工工作作次次数数)的的平平均均值值，或或称为称为失效前平均时间失效前平均时间，记，记12第12页，本讲稿共24页对于可修复的产品，其寿命是指相邻两次故障间的工作时间，对于可修复的产品，其寿命是指相邻两次故障间的工作时间，称为称为平均故障间隔平均故障间隔，记，记4、维修度、维修度 维修度就是对可能维修的产品在发生故障或失效后在规定的条件下维修度就是对可能维修的产品在发生故障或失效后在规定的条件下和规定的时间内完成修复的概率。和规定的时间内完成修复的概率。5、重要度

10、重要度 系统中的某设备发生故障而引起的系统故障次数占整个系统故系统中的某设备发生故障而引起的系统故障次数占整个系统故障次数的比率，称为该设备在该系统中的重要度。障次数的比率，称为该设备在该系统中的重要度。13第13页，本讲稿共24页绿色产品绿色产品是指生产过程及其本身是指生产过程及其本身节能节能、节水节水、低污染、低污染、低毒、可再生、可回收的一类产品，它也是绿低毒、可再生、可回收的一类产品，它也是绿色科技应用的最终体现。色科技应用的最终体现。o绿色产品的第一个环节是绿色产品的第一个环节是设计设计。绿色产品要求产品质。绿色产品要求产品质量优、环境行为优。量优、环境行为优。o绿色产品的第二个环节

11、是绿色产品的第二个环节是生产过程生产过程。要求实现无废少。要求实现无废少废、综合利用和采用清洁生产工艺。废、综合利用和采用清洁生产工艺。o绿色产品的第三个环节是产品绿色产品的第三个环节是产品本身的品质本身的品质。比一。比一般产品更体现以人为本、提高舒适度和健康保护般产品更体现以人为本、提高舒适度和健康保护及环境保护程度。及环境保护程度。o绿色产品的第四个环节是废弃物便于处置。绿色产品的第四个环节是废弃物便于处置。14第14页，本讲稿共24页绿色产品的公认标准：绿色产品的公认标准：产品在生产过程中少用资源和能源，并且不产品在生产过程中少用资源和能源，并且不污染环境。污染环境。产品在使用过程中能耗

12、低，不会对使用者造产品在使用过程中能耗低，不会对使用者造成危害，也不会产生环境污染物。成危害，也不会产生环境污染物。产品使用后可以和易于拆卸、回收、翻新或产品使用后可以和易于拆卸、回收、翻新或能够安全废置并长期无虑。能够安全废置并长期无虑。15第15页，本讲稿共24页 绿绿色色产产品品设设计计就就是是把把产产品品视视为为与与人人类类共共存存的的生生命命体体，对对它它的的研研究究要要基基于于它它自自身身的的从从需需求求、设设计计、制制造造到到销销售售、使使用用、废废弃弃回回收收再再生生的的广广义义产产品品生生命命周周期期，并并行行地地考考虑虑生生命命周周期期内内每每一一个个阶阶段段产产品品与与人

13、和环境的相互影响人和环境的相互影响.对工业设计而言：核心是对工业设计而言：核心是3RReduceRecycleReuse 16第16页，本讲稿共24页绿色设计的方法绿色设计的方法 1）模块化设计）模块化设计 对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能，不同规格的产品进行功能分析的基对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能，不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，满础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，满足不同的需求。足不同的需求。模块化设计既可以很好的解决产品品种规格，产品设计制造周期和生产成本之

14、间的模块化设计既可以很好的解决产品品种规格，产品设计制造周期和生产成本之间的矛盾，又可为产品的快速更新换代，提高产品的质量，方便维修，有利于产品废弃后的矛盾，又可为产品的快速更新换代，提高产品的质量，方便维修，有利于产品废弃后的拆卸，回收，为增强产品的竞争力提供必要条件。拆卸，回收，为增强产品的竞争力提供必要条件。2）循环设计）循环设计 循环设计既是回收设计（循环设计既是回收设计（Design for Recovering&Recycling)，就是实现广义，就是实现广义回收所采用的手段或方法，即在进行产品设计时，充分考虑产品零部件及材料的回收的回收所采用的手段或方法，即在进行产品设计时，充分

15、考虑产品零部件及材料的回收的可能性，回收价值的大小，回收处理方法，回收处理结构工艺性等与回收有关的一系列可能性，回收价值的大小，回收处理方法，回收处理结构工艺性等与回收有关的一系列问题，以达到零部件及材料资源和能源的充分有效利用，环境污染最小的一种设计的思问题，以达到零部件及材料资源和能源的充分有效利用，环境污染最小的一种设计的思想和方法。想和方法。17第17页，本讲稿共24页优化设计优化设计 optimal 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，优化理论为基础

16、，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。方案。第二次世界大战期间，在军事上首先应用了优化技术。第二次世界大战期间，在军事上首先应用了优化技术。19671967年，年，美国的美国的R.L.R.L.福克斯等发表了第一篇机构最优化论文。福克斯等发表了第一篇机构最优化论文。19701970年，年，C.S.C.S.贝特勒等用几何规划解决了液体动压轴承的优化设计问题后，贝特勒等用几何规划解决了液体动压轴承的优化设计问题后，优化设计在机械设计中得到应用和发展。优化设计在机械设计中得到应用

17、和发展。18第18页，本讲稿共24页 随随着着数数学学理理论论和和电电子子计计算算机机技技术术的的进进一一步步发发展展，优优化化设设计计已已逐逐步步形形成成为为一一门门新新兴兴的的独独立立的的工工程程学学科科，并并在在生生产产实实践践中中得得到到了了广广泛泛的的应应用用。通通常常设设计计方方案案可可以以用用一一组组参参数数来来表表示示，这这些些参参数数有有些些已已经经给给定定，有有些些没没有有给给定定，需需要要在在设设计计中中优优选选，称称为为设设计计变变量量。如如何何找找到到一一组组最最合合适适的的设设计计变变量量，在在允允许许的的范范围围内内，能能使使所所设设计计的的产产品品结结构构最最合

18、合理理、性性能能最最好好、质质量量最最高高、成成本本最最低低（即即技技术术经经济济指指标标最最佳佳），有有市市场场竞竞争争能能力力，同同时时设设计计的的时时间间又又不不要要太太长长，这这就就是是优优化化设设计计所所要要解解决决的的问问题。题。步骤：步骤：建立数学模型建立数学模型选择最优化算法选择最优化算法程序设计程序设计制定目制定目标要求标要求计算机自动筛选最优设计方案计算机自动筛选最优设计方案 常采用的最优化算法：逐步逼近法，线性规划和非线性规划常采用的最优化算法：逐步逼近法，线性规划和非线性规划 19第19页，本讲稿共24页有限元设计有限元设计(FEA)(FEA)有有限限单单元元法法是是随

19、随着着电电子子计计算算机机的的发发展展而而迅迅速速发发展展起起来来的的一一种种现现代代计计算算方方法法。它它是是5050年年代代首首先先在在连连续续体体力力学学领领域域-飞飞机机结结构构静静、动动态态特特性性分分析析中中应应用用的的一一种种有有效效的的数数值值分分析析方方法法，随随后后很很快快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元法分析计算的思路和做法：有限元法分析计算的思路和做法：1 1）物体离散化物体离散化 2 2）单元特性分析单元特性分析 A A、选择位移模式选择位移模式 B B、分析单元的力学性质分析单元的力学

20、性质 C C、计算等效节点力计算等效节点力 3 3）单元组集单元组集 4 4）求解未知节点位移求解未知节点位移 20第20页，本讲稿共24页模糊控制设计模糊控制设计 自自从从19651965年年美美国国加加利利福福尼尼亚亚大大学学控控制制论论专专家家L L.A.A.zadeh.zadeh教教授授提提出出模模糊糊数数学学以以来来，吸吸引引了了众众多多的的学学者者对对其其进进行行研研究究，并并且且广广泛泛地地应应用用于于自自然然科科学学和和社社会会科科学学的的各各个个领领域域.1974.1974年年英英国国的的E EH HMamdaniMamdani成成功功地地将将模模糊糊控控制制应应用用于于锅锅

21、炉炉和和蒸蒸汽汽机机控控制制。此此后后模模糊糊控控制制不不断断发发展展并并在在许许多多领领域域中中得得到到成成功功应应用用。模模糊糊控控制制能能够够解解决决许许多多复复杂杂而而无无法法建建立立精精确确数数学学模模型型系系统统的的控控制制问问题题，所所以以它它是是处处理理推推理理系系统统和和控控制制系系统统中中不不精精确确和和不不确确定定性性的的一一种种有有效效方方法法。从从广广义义上上讲讲，模模糊糊控控制制是是适适于于模模糊糊推推理理，模模仿仿人人的的思思维维方方式式，对对难难以以建建立立精精确确数数学学模模型型的的对对象象实实施施的的一一种种控控制制策策略略。它它是是模模糊糊数数学学同同控控

22、制制理理论论相相结结合合的的产产物物，同同时时也也是是智智能能控控制制的的重重要要组组成成部分。部分。模糊电视模糊电视,模糊冰箱模糊冰箱,模糊空调模糊空调,听说过吗听说过吗?21第21页，本讲稿共24页模糊控制的特点模糊控制的特点1 1、控控制制系系统统的的设设计计不不要要求求知知道道被被控控对对象象的的精精确确数数学学模模型型，只只需需要要提提供供现现场操作人员的经验知识及操作数据。场操作人员的经验知识及操作数据。2 2、控控制制系系统统的的鲁鲁棒棒性性强强，适适应应于于解解决决常常规规控控制制难难以以解解决决的的非非线线性、时变及大纯滞后等问题。性、时变及大纯滞后等问题。3 3、以语言变量

23、代替常规的数学变量，易于形成专家的、以语言变量代替常规的数学变量，易于形成专家的“知识知识”。4 4、控控制制推推理理采采用用“不不精精确确推推理理”(Approximatic(Approximatic Reasoning)Reasoning)。推推理理过过程程模模仿仿人人的的思思维维过过程程。由由于于介介入入了了人人类类的的经经验验因因而而能能够够处处理理复复杂杂甚甚至至“病态病态”系统。系统。22第22页，本讲稿共24页模糊控制原理图模糊控制原理图23第23页，本讲稿共24页UGPRO/ECATIASolidWorksSolidedgeCAXAMASTERCAM CimatronADAMSANSYS其他常用软件其他常用软件MATLABLabVIEWCAD/CAE/CAM技术技术24第24页，本讲稿共24页