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1、现代机械设计方法,现代机械设计方法就是研究设计过程中能够更加高效、高质量、快速地完成机械产品设计的方法。（以计算机为辅助工具）,目前，工程实践中应用比较广泛的设计方法有：,优化设计计算机辅助设计模块化设计有限元法虚拟设计绿色设计可靠性设计,优化设计,优化设计是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。,优化设计的概念,优化设计的优点,关于最优化问题的解法，软件开发者开发出了各种最优化计算软件，供工程设计人员使用。,但是，作为使用者必须了解各种最优化方法的特点，才能针对
2、实际问题选择出合适的最优化方法解决问题。,一项设计常常在一定的技术条件下，要求取得一个技术指标的最佳的设计方案，以期达到最佳的设计目标，如重量、成本、性能、承载能力等。,利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。简称CAD。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案;各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索;设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成;利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋
3、转等有关的图形数据加工工作。,计算机辅助设计(CAD),CAD的概念及作用,计算机辅助设计,用计算机设计、计算、绘图。,提高了设计精度、稳定性和效率，修改方便,常用的计算辅助设计软件有:AutoCAD、Proe、SolidWorks、UG和CATIA等。,CAD提供了产品设计所需的各种标准、规范、工艺参数等工程数据。,CAD的应用,CAD的应用,模块化设计,以功能化的产品结构为基础，分解现有的产品，在分解中考虑到各个要素的可行性，从而在早期就预测到设计中可能会出现的矛盾，提高设计的可行性和可靠性，降低产品的成本。,模块化设计的概念及作用,以功能块为单位进行程序设计，实现其求解算法的方法称为模块
4、化。简单地说就是程序的编写不是开始就逐条录入计算机语句和指令，而是首先用主程序、子程序、子过程等框架把软件的主要结构和流程描述出来，并定义和调试好各个框架之间的输入、输出链接关系。,超精密机床系列和型号的拟定；模块的划分；模块的组配；单元模块有限元力学分析；静刚度与动刚度；结构、运动学及功能模型。通用和专用模块的组合与集成；虚拟装配；关键部件工程化制造。系统测试；实验技术。,超精密机床模块化设计举例,超精密机床模块化设计,超精密车床和铣床结构示意图,车床模块,铣床模块,综上所述模块化设计具有如下特点：设计和制造时间短；有利于产品的更新换代和新产品的开发；有利于降低成本，提高产品的质量，便于产品
5、的维修。,有限元法,有限元法是以计算机为工具的一种现代数值计算方法，是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种弹性力学问题的求解方法。,有限元法的概念及作用,有限元法是一种计算机模拟技术，使人们能够在计算机上用软件模拟一个工程问题的发生过程而无需把东西真的做出来。这项技术带来的好处是，在图纸设计阶段能够让人们在计算机上观察到设计出的产品将来在使用中可能会出现的问题，不用把样机做出来在实验中检验会出现什么问题，可以有效降低产品开发的成本，缩短产品设计的周期。,单元特性分析与计算,结构离散化,单元组集求解方程,有限元法的计算过程,常用的有限元分析计算软件有IDEAS、ANSYS、MARC、ABAQ
6、US等。,可以分析应力、变形、温度场、磁场、振动、冲击、随机响应等。,转台结构的有限元分析,可以进行动态特性分析，识别系统的模态参数，从而为转台的设计提供理论依据。,转台主轴轴系及台面有限元分析,转台轴系的动态特性直接影响转台的运动精度、运动平稳性和承载能力。,钳夹梁系统受力简图,600MW定子机座几何模型,600MW定子机座有限元网格,600MW定子机座总体位移云图（最大5.996mm）,机座的等效Von.MiseS应力云图,大变形有限元本构方程的建立,例 切削深度对超精密切削过程影响的有限元分析,有限元模型的建立和边界条件的确定 切屑分离准则的选取 超精密切削过程有限元分析,有限元模型,虚
7、拟设计,虚拟设计技术是由多学科先进知识形成的综合系统技术，其本质是以计算机支持的仿真技术为前提，在产品设计阶段，实时地并行地模拟出产品开发全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造性、产品的可维护性和可拆卸性等，从而提高产品设计的一次成功率。它也有利于更有效更经济灵活地组织制造生产，使工厂和车间的设计与布局更合理更有效，以达到产品的开发周期及成本的最小化、产品设计质量最优化、生产效率的最高化。,虚拟设计的概念及作用,实例：汽车研发典型流程中，首先利用虚拟产品开发技术和结构分析CAE软件确定产品设计方案，然后进行零部件详细设计并实施加工过程。,(1)虚拟设计继承了虚拟现
8、实技术的所有特点。(2)继承了传统CAD设计的优点，便于利用原有成果。(3)具备仿真技术的可视化特点，便于改进和修正原有设计。(4)支持协同工作和异地设计，利于资源共享和优势互补，从而缩短产品开发周期。(5)便于利用和补充各种先进技术，保持技术上的领先优势。,虚拟设计的优点,绿色设计,绿色设计是指以环境资源保护为核心概念的设计过程，其基本思想就是在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳人产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小。,绿色设计的概念,绿色设计的原则,绿色设计的原则被公认为3R的原则，即Reduce,Reuse,Recycle，减少环境污染、减
9、小能源消耗，产品和零部件的回收再生循环或者重新利用。,产品材料的选择和管理。产品可拆卸性和可回收性设计。绿色产品成本分析和设计数据库的建立。产品的绿色包装设计。,产品的绿色设计主要包括以下内容:,可靠性设计,可靠性设计的概念,所谓可靠性，是指产品在规定的时间内和给定的条件下，完成规定功能的能力。可靠性不但直接反映产品各组成部件的质量，而且还影响到整个产品质量性能的优劣。可靠性分为固有可靠性、使用可靠性和环境适应性。可靠性的度量指标一般有可靠度、无故障率、失效率3种。可靠性设计是保证机械及其零部件满足给定的可靠性指标的一种机械设计方法。包括对产品的可靠性进行预计、分配、技术设计、评定等工作。,可
10、靠性设计是为了在设计过程中挖掘和确定隐患及薄弱环节，并采取设计预防和设计改进措施，有效地消除隐患及薄弱环节，定量计算和定性分析主要是评价产品现有的可靠性水平和确定薄弱环节，而要提高产品的固有可靠性，只能通过各种具体的可靠性设计来实现。,可靠性设计的目的,(1)建立可靠性模型，进行可靠性指标的预计和分配。要进行可靠性预计和分配，首先应建立产品的可靠性模型。而为了选择方案、预测产品的可靠性水平、找出薄弱环节，以及逐步合理地将可靠性指标分配到产品的各个层面上去，就应在产品的设计阶段，反复多次地进行可靠性指标的预计和分配。随着技术设计的不断深入和成熟，建模和可靠性指标分配、预计也应不断地修改和完善。(
11、2)进行各种可靠性分析。诸如故障模式影响和危机度分析、故障树分析、热分析、容差分析等。以发泄和确定薄弱环节，在发泄了隐患后通过改进设计，从而消除隐患和薄弱环节。(3)采取各种有效的可靠性设计方法。如制定和贯彻可靠性设计准则、降额设计、冗余设计、简单设计、热设计、耐环境设计等，并把这些可靠性设计方法和产品的性能设计工作结合起来，减少产品故障的发生，最终实现可靠性的要求。,可靠性设计的内容,现代设计与传统设计的区别,机械设计常用软件,CAD/CAM软件,AutoCAD（主要用于绘制二维图）,AutoCAD软件是由美国欧特克有限公司(Autodesk)出品的一款自动计算机辅助设计软件，可以用于绘制二
12、维制图和基本三维设计，通过它无需懂得编程，即可自动制图，因此它在全球广泛使用，可以用于土木建筑，装饰装潢，工业制图，工程制图，电子工业，服装加工等多方面领域。,AutoCAD绘制的零件图,Proe、SolidWorks、UG（最常用的三维建模软件）,Pro/Engineer（简称Proe）操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。可进行三维建模、运动仿真分析、动力仿真分析，并包含了模具设计模块。,Proe三维建模及装配,Proe模具设计,SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统,在美国，包括麻省理工学院（MIT）、斯坦
13、福大学等在内的著名大学已经把SolidWorks列为制造专业的必修课，国内的一些大学（教育机构）如清华大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、大连理工大学、北京理工大学、上海教育局等也在应用SolidWorks进行教学。,SolidWorks建模,UG是Unigraphics的缩写，这是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它在诞生之初主要基于工作站，但随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长，在PC上的应用取得了迅猛的增长，目前已经成为模具行业三维设计的一个主流应用。,UG建模,UG模具设计,工程分析软件,ADAMS,
14、ADAMS，即机械系统动力学自动分析(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)，该软件是美国MDI公司(MechanicalDynamicsInc.)开发的虚拟样机分析软件。,ADAMS机械系统仿真,MATLAB,其中Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。可以实现机构的运动学和动力学分析。,ANSYS,ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域:航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。,ANSYS变形分析,
