现代机械设计理论与方法课件.ppt

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1、现代机械设计理论与方法现代机械设计理论与方法现代设计与分析技术研究所现代设计与分析技术研究所何雪浤何雪浤1.2.1 绪论绪论1.1设计与机械设计设计与机械设计1.2机械和机械系统的组成及特性机械和机械系统的组成及特性1.3机械设计基本原则和程序机械设计基本原则和程序1.4机械设计方法机械设计方法1.5机械设计的学科体系机械设计的学科体系1.6本课程的任务和要求本课程的任务和要求现现代代机机械械设设计计理理论论与与方方法法3.1.1 设计与机械设计设计与机械设计1.1.1设计的广义概念设计的广义概念1.1.2设计的重要意义设计的重要意义1.1.3设计的分类设计的分类1.1.4机械设计及其在机械工

2、业中的地位与作用机械设计及其在机械工业中的地位与作用4.1.1.1 设计的广义概念设计的广义概念杠杆撬石头杠杆撬石头钻木取火钻木取火衣：动物皮衣：动物皮住：石洞住：石洞美：贝壳项链美：贝壳项链衣食住行衣食住行5.1.1.1 设计的广义概念设计的广义概念设计：从设计：从构思构思到到实现实现的过程。（创造）的过程。（创造）是为了满足某种需求而进行的一种人类特有的活动。是为了满足某种需求而进行的一种人类特有的活动。设计的成果以物质形式体现在人们的眼前：设计的成果以物质形式体现在人们的眼前：文物、产品文物、产品。设计是为提供社会所需的产品进入市设计是为提供社会所需的产品进入市场所必要的一系列创新思维和

3、活动。场所必要的一系列创新思维和活动。6.1.1.2 设计的重要意义设计的重要意义“21世纪将是设计的世纪世纪将是设计的世纪”德国：德国：50年代初：关键在于设计；年代初：关键在于设计；英国：英国：80年代；年代；美国：美国：90年代末：为竞争的优势而设计年代末：为竞争的优势而设计 （DesigningforCompetitiveAdvantage）；）；国际竞争：国际竞争：经济竞争经济竞争市场竞争市场竞争设计与制造水平的竞争。设计与制造水平的竞争。7.1.1.2 设计的重要意义设计的重要意义中国怎么办？8.1.1.3 设计的分类设计的分类服装设计；服装设计；建筑设计；建筑设计；机械设计机械设

4、计；室内设计；室内设计；船舶设计；船舶设计；工程设计（水利工程）；工程设计（水利工程）；公路设计；公路设计；桥梁设计；桥梁设计；工艺过程设计；工艺过程设计；风景设计；风景设计；热力系统设计；热力系统设计；采暖通风设计；采暖通风设计；9.1.1.4 机械设计及其在机械工机械设计及其在机械工业中的地位与作用业中的地位与作用 机械设计机械设计：设计者为满足社会和人们对设计者为满足社会和人们对机械产机械产品品功能的需要，运用基础知识、专业知识、实功能的需要，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、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，计算和

5、分析，最后以技术文件的形式，提供产提供产品制造依据的全过程品制造依据的全过程工作工作；机械设计的机械设计的任务任务都是都是围绕着围绕着开发开发新的机械产品新的机械产品或或改造改造老的机械产品而进行老的机械产品而进行的；的；机械设计的最终机械设计的最终目的目的是是提供满足人们需求、具提供满足人们需求、具有一定有一定功能功能、优质高效、价廉物美，并具有市、优质高效、价廉物美，并具有市场竞争力的机械产品。场竞争力的机械产品。10.产品设计工艺设计生产控制产品质量机械设计的重要性机械设计的重要性11.机械设计的重要性机械设计的重要性v产品的产品的质量事故质量事故50是由于设计失误造成；是由于设计失误造

6、成；v产品产品6070的的成本成本取决于设计；取决于设计；v设计周期占了产品设计周期占了产品开发总周期开发总周期的的40左右。左右。产品的质量和经济效益取决于设计、制造和管理的综合水平，而产品设计是关键。设计体现了时代性和创造性 12.1.2 机械和机械系统的组成机械和机械系统的组成及特性及特性1.2.1 机械和机械系统机械和机械系统1.2.2 机械系统的机械系统的组成组成1.2.3 机械系统的特性机械系统的特性13.1.2.1 机械和机械系统机械和机械系统机械机械：机器和机构的统称。：机器和机构的统称。原动机原动机：把自然能、非机械能转化为机械能。如内燃机、电动机；把自然能、非机械能转化为机

7、械能。如内燃机、电动机；变换机变换机：把机械能转化为非机械能。如发电机、空气压缩机；把机械能转化为非机械能。如发电机、空气压缩机；工作机工作机：接受机械能完成工作或动作。接受机械能完成工作或动作。机构机构：各组成部分间具有一定的相对运动的装置，各组成部分间具有一定的相对运动的装置，它能传递、转换运动或实现某种特定的它能传递、转换运动或实现某种特定的运动运动。机器机器：用来转换或利用用来转换或利用机械能机械能的机构。的机构。14.1.2.1 机械和机械系统机械和机械系统机械机械：机器和机构的统称。：机器和机构的统称。系统系统：具有特定功能、相互间具有有机联系、由若干：具有特定功能、相互间具有有机

8、联系、由若干 要素要素构成的一个独立整体。构成的一个独立整体。要素要素:系统的最小单元（或称基本单元）。系统的最小单元（或称基本单元）。大系统大系统小系统小系统 最小单元最小单元由若干零件、部件和装置组成的，有确定由若干零件、部件和装置组成的，有确定的质量、刚度和阻尼，具有特定功能的一的质量、刚度和阻尼，具有特定功能的一个特定系统。个特定系统。机械系统机械系统：基本单元：机械零件基本单元：机械零件，为了使机械能完成一定的功能而，为了使机械能完成一定的功能而互相联系在一起。互相联系在一起。内部系统：机械本身构成的系统内部系统：机械本身构成的系统外部系统：人和环境构成的系统外部系统：人和环境构成的

9、系统人人-机机-环境系统环境系统15.1.2.2 机械系统的组成机械系统的组成（1 1）动力系统动力系统（2 2）执行系统执行系统（3 3）传动系统传动系统（4 4）操纵和控制系统操纵和控制系统（5 5）架体支承系统架体支承系统（6 6）其它：冷却、润滑、计数、行走等其它：冷却、润滑、计数、行走等机械系统的动力源机械系统的动力源:一次动力机、二次动力机一次动力机、二次动力机进行生产或达到其它预定要求的装置：加工、检测等进行生产或达到其它预定要求的装置：加工、检测等把动力机的动力和运动传递给执行系统的中把动力机的动力和运动传递给执行系统的中间装置：速度、运动、动力传递间装置：速度、运动、动力传递

10、用于安装和支承动力系统、传动系统和用于安装和支承动力系统、传动系统和执行系统等的构件和部件执行系统等的构件和部件使动力机、传动系统和执行系统间彼此协调使动力机、传动系统和执行系统间彼此协调运动，并准确完成整机功能的装置。运动，并准确完成整机功能的装置。输入输出满足系统其它功能要求满足系统其它功能要求16.1.2.2 机械系统的组成机械系统的组成机械系统与人体的功能结构机械系统与人体的功能结构一个机械系统可能有多个不同的动力、一个机械系统可能有多个不同的动力、执行或其它系统。执行或其它系统。17.现代机械系统与人体结构的对应关系现代机械系统与人体结构的对应关系现代机械系统现代机械系统人体结构人体

11、结构功能功能操纵和控制系统操纵和控制系统头脑头脑控制（信息存储、控制（信息存储、处理、传递）处理、传递）传动系统传动系统感官感官传递（信息收集传递（信息收集与变换）与变换）执行系统执行系统肌肉、手足肌肉、手足动作动作动力系统动力系统内脏内脏吸收和转化能量吸收和转化能量架体支承系统架体支承系统骨骼骨骼构形与基础构形与基础18.19.1.2.3 机械系统的特性机械系统的特性（1）整体性整体性（2）相关性相关性（3）层次性层次性（4）目的性目的性（5）环境适应性环境适应性组成机械系统的基本单元和子系统，根组成机械系统的基本单元和子系统，根据整体性要求构成机械整体。据整体性要求构成机械整体。机械系统内

12、部各零件之间是有机联系、机械系统内部各零件之间是有机联系、相互作用、相互影响的。相互作用、相互影响的。机械系统中各零部件的布局和组合方式机械系统中各零部件的布局和组合方式均取决于机械系统的目的和功能。均取决于机械系统的目的和功能。机械系统应适应外部环境的变化，机械系统应适应外部环境的变化，保持确定的功能。保持确定的功能。系统作为一个相互作用的诸要素的总体，系统作为一个相互作用的诸要素的总体，可以分解为一系列的子系统，并存在一可以分解为一系列的子系统，并存在一定的层次结构定的层次结构。20.机械系统的层次结构机械系统的层次结构 21.1.3 机械设计基本原则和程序机械设计基本原则和程序1.3.1

13、 机械设计的特点机械设计的特点1.3.2 机械设计的类型机械设计的类型1.3.3 机械设计的基本原则机械设计的基本原则1.3.4 机械设计的一般过程机械设计的一般过程22.1.3.1 机械设计的特点（1）多解性）多解性（2）系统性）系统性（3）创新性）创新性同一用户需求同一用户需求多种设计方案多种设计方案设计要适应不同的条件和要求设计要适应不同的条件和要求产品技术性、经济性、社会性等；产品技术性、经济性、社会性等；各种约束条件；各种约束条件；机械本身的系统性；机械本身的系统性；开发性设计开发性设计新的科技成果的运用；新的科技成果的运用；产品的改进；产品的改进；23.1.3.2 机械设计的类型机

14、械设计的类型零件设计零件设计指不能再分解的、由单一材料组成的单元体的设计。指不能再分解的、由单一材料组成的单元体的设计。例：齿轮、轴等；轴系、轴承等。例：齿轮、轴等；轴系、轴承等。产品设计（系统设计）产品设计（系统设计）指由许多零部件甚至是分系统集装而成的整体以实现指由许多零部件甚至是分系统集装而成的整体以实现一种或一组功能的这类设计一种或一组功能的这类设计例：减速器、泵、发动机、汽车等例：减速器、泵、发动机、汽车等24.1.3.2 机械设计的类型（1）开发性设计）开发性设计（2）适应性设计）适应性设计（3）变型性设计）变型性设计在主功能的实现原理或者结构方案保持基本不变的情况下，增加或减少产

15、品的某些功能，使产品适应适应特定的使用条件或者用户特殊要求特定的使用条件或者用户特殊要求所进行的设计。在全部功能功能或主要功能的实现原理原理和结构结构未知的情况下，运用成熟的科学技术成果所进行的新型的机械产品设计。在功能原理和结构都保持不变的情况下，变动部分零部件的技术性能和结构尺寸参数，扩大规格或补齐系列，以满足更大范围功能参数需要的设计。又称变参数设计变参数设计。25.1.3.3 机械设计的基本原则机械设计的基本原则（1 1）实用性原则：）实用性原则：功能明确原则功能明确原则（2 2）创造性原则：）创造性原则：继承与创新继承与创新（3 3）系统性原则）系统性原则（4 4）优化原则）优化原则

16、（5 5）可靠性与安全性原则）可靠性与安全性原则（6 6）经济性原则）经济性原则（7 7）评价审核原则）评价审核原则（8 8）及时性原则）及时性原则26.1.3.4 机械设计的一般过程机械设计的一般过程认认识识需需求求目目标标界界定定问问题题求求解解分分析析选选优优评评价价决决策策表表 达达实实 现现创意创意构思构思实现实现设计就是创造，是从创意、构思到实设计就是创造，是从创意、构思到实现的过程。现的过程。27.1.3.4 机械设计的一般过程机械设计的一般过程（1）设计规划阶段）设计规划阶段（2）方案设计阶段）方案设计阶段（3）技术设计阶段）技术设计阶段（4）施工设计阶段）施工设计阶段明确任务

17、、需求和可行性分析，提交可行性报告；明确任务、需求和可行性分析，提交可行性报告；明确功能和设计要求，提出设计任务书。明确功能和设计要求，提出设计任务书。功能原理方案设计功能原理方案设计产品的总体、结构设计产品的总体、结构设计完成产品制造所需的全部图样和技术文件完成产品制造所需的全部图样和技术文件28.29.1.4 机械设计方法机械设计方法1.4.1 现代机械系统的主要特征和功能要求现代机械系统的主要特征和功能要求1.4.2 传统设计方法和现代设计方法的比较传统设计方法和现代设计方法的比较30.1.4.1 现代机械系统的主要特现代机械系统的主要特征和功能要求征和功能要求1.1.现代机械系统的主要

18、特征现代机械系统的主要特征 a.a.功能增加功能增加 柔性提高柔性提高 b.b.结构简化结构简化 性能改善性能改善 c.c.效率提高效率提高 成本降低成本降低31.1.4.1 现代机械系统的主要特现代机械系统的主要特征和功能要求征和功能要求 a 运动要求运动要求 如速度、加速度、运动轨迹、运动范围及运动精度。b 动力要求动力要求 如传递的力、力矩、功率以及动力运行效率。c 体积和重量要求体积和重量要求 如尺寸、占地面积、重量、重心、重量比。d 操作性要求操作性要求 如反应能力、舒适性、人-机交互功能。e 可靠性和寿命要求可靠性和寿命要求 如可靠性、耐磨性、抗干扰能力、自诊断 f 安全性要求安全

19、性要求 如机械的强度、刚度、摩擦学特性、振动稳定性、绝缘、耐压、过流、自动报警、自动保护、自动处理。2.2.现代机械系统的功能要求现代机械系统的功能要求32.1.4.1 现代机械系统的主要特现代机械系统的主要特征和功能要求征和功能要求 g 经济性要求经济性要求 如设计和制造的经济性、使用和维修的经济性。h 环境保护要求环境保护要求 如噪声、振动、尘粒、“三废”、可回收、可利用.i 产品造型要求产品造型要求 如外观、色彩、与环境协调等美学指标。j 其它要求其它要求 精密设备的防振动要求、自适应和自动补偿功能、模块化、易拆、易装、良好的密封和防护、食品和药品和加工设备的不污染被加工产品的要求。2.

20、2.现代机械系统的功能要求现代机械系统的功能要求33.1.4.2 传统与现代设计方法的比较传统与现代设计方法的比较传统设计方法传统设计方法现代设计方法现代设计方法经验设计方法经验设计方法半经验设计方法半经验设计方法凭借直觉和经验；凭借直觉和经验；依据生产的经验数据；依据生产的经验数据；基本设计计算理论；基本设计计算理论；类比、模拟、试凑；类比、模拟、试凑；周期长、质量低、周期长、质量低、成本高成本高以图样设计代替试凑法；以图样设计代替试凑法；加强设计基础理论研究，有设计数据、图表、图册等；加强设计基础理论研究，有设计数据、图表、图册等；加强关键零件试验研究；加强关键零件试验研究；加强标准化、通

21、用化、产品系列化研究；加强标准化、通用化、产品系列化研究；减少设计盲目性，缩短设计周期，质量和寿命提高，成减少设计盲目性，缩短设计周期，质量和寿命提高，成本降低本降低 理论、方法、本质上的欠缺理论、方法、本质上的欠缺理论、方法、本质上的欠缺理论、方法、本质上的欠缺指导思想指导思想：逻辑的、理性的、系统的；：逻辑的、理性的、系统的；设计对象设计对象：考虑人：考虑人-机机-环境的相互协调，提高系统有效性；环境的相互协调，提高系统有效性；设计方法设计方法：CAD、优化设计、可靠性设计、工业艺术造型优化设计、可靠性设计、工业艺术造型设计、价值工程和创造性设计等；设计、价值工程和创造性设计等；设计手段设

22、计手段：计算机、自动绘图、数据库管理等新技术；：计算机、自动绘图、数据库管理等新技术；试验和测试技术试验和测试技术：频谱分析、激光全息摄影、计算机数据：频谱分析、激光全息摄影、计算机数据处理等进行性能试验和分析，并可进行计算机仿真处理等进行性能试验和分析，并可进行计算机仿真设计科学化、自动化，产品的经济技术指标不断优化，设设计科学化、自动化，产品的经济技术指标不断优化，设计周期不断缩短，设计方法日趋完善。计周期不断缩短，设计方法日趋完善。34.1.5 机械设计的学科体系机械设计的学科体系机械设计学科体系由关于设计的科学技术构成，是在机械设计学科体系由关于设计的科学技术构成，是在现代设计理论、方

23、法和技术及相关学科迅速发展的基现代设计理论、方法和技术及相关学科迅速发展的基础上逐渐形成的一门独立的工程技术学科础上逐渐形成的一门独立的工程技术学科。以机械设计学为核心。以机械设计学为核心。（1）设计理论和设计方法学）设计理论和设计方法学（2）基础零件的设计理论和方法）基础零件的设计理论和方法（3）专业机械的设计理论和方法）专业机械的设计理论和方法主要针对机械设计所涉及的共同的、通用主要针对机械设计所涉及的共同的、通用的设计理论和方法，包括设计工具的开发的设计理论和方法，包括设计工具的开发和研究。是机械设计学科的基础。和研究。是机械设计学科的基础。主要针对机械中一些基础零部件设计涉及主要针对机

24、械中一些基础零部件设计涉及的理论和方法的理论和方法主要针对各类专业机械设计所涉及的理论主要针对各类专业机械设计所涉及的理论和方法和方法35.表表1-1现代机械设计的主要理论和方法现代机械设计的主要理论和方法1.设计方法学设计方法学2.优化设计优化设计3.可靠性设计可靠性设计4.工业艺术造型设计工业艺术造型设计5.有限元法有限元法6.动态设计动态设计7.计算机辅助设计计算机辅助设计8.疲劳强度设计疲劳强度设计17.绿色设计绿色设计18.健壮设计健壮设计19.虚拟设计虚拟设计20.智能工程智能工程21.反求工程反求工程22.设计专家系统设计专家系统9.损伤容限设计损伤容限设计10.摩擦学设计摩擦学

25、设计11.模块化设计模块化设计12.热稳定设计热稳定设计13.精度设计精度设计14.相似设计相似设计15.三次设计三次设计16.并行设计并行设计36.1.6 本课程的任务和要求本课程的任务和要求 1 培养学生的分析问题和解决工程问题的能力以及创培养学生的分析问题和解决工程问题的能力以及创新意识和能力新意识和能力 2 掌握机械产品常规设计的基本理论、基本原则、设掌握机械产品常规设计的基本理论、基本原则、设计过程及方法；计过程及方法；3 熟悉工程中目前广泛应用的熟悉工程中目前广泛应用的“有限元设计有限元设计”、“优优化设计化设计”、“可靠性设计可靠性设计”的基本内容、设计过程的基本内容、设计过程及

26、应用及应用 了解现代最新设计理论和技术；为适应当前机械工程的需要及今后新的机械工程技术的发展及拓宽工作领域打下必备的知识基础。37.学习方法学习方法认真听课，课后复习认真听课，课后复习做有心人做有心人平时与期末考核并重平时与期末考核并重38.参考书目参考书目1.黄雨华等编现代机械设计理论与方法，东北大学出版黄雨华等编现代机械设计理论与方法，东北大学出版社，社，2001 2.黄靖远等主编机械设计学，机械工业出版社，黄靖远等主编机械设计学，机械工业出版社，19993.刘跃南主编机械系统设计，机械工业出版社，刘跃南主编机械系统设计，机械工业出版社，20004.机械设计大典机械设计大典5.现代机械设计理论与方法，东北大学自编教材现代机械设计理论与方法，东北大学自编教材39.复习与思考1.了解课程的性质和任务，明确学习的了解课程的性质和任务，明确学习的重要意义。重要意义。2.现代机械设计方法与传统的方法有哪现代机械设计方法与传统的方法有哪些不同？些不同？3.机械设计应把握哪些原则？机械设计应把握哪些原则？4.了解并掌握机械设计的一般过程。了解并掌握机械设计的一般过程。40.