機械系統(tǒng)設計論文.doc

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現(xiàn)代設計方法在機械 系統(tǒng)設計中的應用 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 班 級： 機制1222 學 號： 姓 名： 指導教師： 鄔昌峰老師 完成日期： 2013年6月11日 評語部分： 評閱成績： 評閱教師： 評閱日期： 現(xiàn)代設計方法在機械系統(tǒng)設計中的應用 吳玉濤1 （1，河南工程學院 機械工程學院 河南 鄭州 451191） 摘 要：現(xiàn)代設計方法是基于理論形成的方法，這種設計方法現(xiàn)已成為機械系統(tǒng)設計的一個重要工具，并占據(jù)著重要的地位，本文通過分析其特點從而能探究其在機械系統(tǒng)設計中的實際應用。 關(guān)鍵詞：現(xiàn)代設計，理論，機械系統(tǒng)，設計，應用 Modern design methods in mechanical systems design Wu yu tao1 (1,Henan institute of engineering, School of mechanical engineering, Zhengzhou Henan 451191 China) Abstract: Modern design method is based on the theory of the method, the design method has become an important tool in mechanical system design, and occupies the important position, in this paper, by analyzing its characteristics and to explore its practical application in design of mechanical systems. Key words: modern design; method; mechanical systems; design ; application 1 引言 近年來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展和禁忌的全球化，機械技術(shù)與各個學科不斷交叉、融合，制造業(yè)不斷地向高速化、輕量化、虛擬化方向發(fā)展，用戶對參評的需求越來越個性化、多樣化。而設計理論是對產(chǎn)品設計原理和機理的科學總結(jié)，是使產(chǎn)品滿足設計要求以及設計原則的依據(jù)?；谠O計理論和設計方法，以及產(chǎn)品設計過程為研究對象，通過傳統(tǒng)經(jīng)驗的吸收、現(xiàn)代科技的運用、科學方法論的指導和方法學的實現(xiàn)，從而形成和發(fā)展了現(xiàn)代設計理論與方法這門新興的多元交叉學科，它以電子計算機為手段，運用工程設計的新理論和新方法，是使計算結(jié)果達到最優(yōu)化，使設計過程高效化和自動化。 現(xiàn)如今隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的快速發(fā)展，人們對機械產(chǎn)品功能要求的日益增多，機械產(chǎn)品呈現(xiàn)出復雜性增加、壽命周期縮短、更新?lián)Q代速度加快等特點。而傳統(tǒng)的基于二維的機械產(chǎn)品設計人力物力投資大，設計周期長，設計精度低，已不能滿足現(xiàn)代市場對機械產(chǎn)品的需求。因此，使用新的方法，提高產(chǎn)品的設計效率、縮短設計周期、加速產(chǎn)品的更新?lián)Q代，并增強產(chǎn)品的市場競爭力，成為企業(yè)生存之本，而現(xiàn)代設計方法理論正是實現(xiàn)這一目的的有力工具。 2 現(xiàn)代設計方法的內(nèi)容及在機械系統(tǒng)設計中的應用 現(xiàn)代設計方法是隨著當代科學技術(shù)的飛速發(fā)展和計算機技術(shù)的廣泛應用而在設計領(lǐng)域發(fā)展起來的一門新興的多元交叉學科。以滿足市場產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、時間、成本、價格綜合效益最優(yōu)為目的,以計算機輔助設計技術(shù)為主體,以知識為依托,以多種科學方法及技術(shù)為手段，研究、改進、創(chuàng)造產(chǎn)品和工藝等活動過程所用到的技術(shù)和知識群體的總稱。 現(xiàn)代設計方法的內(nèi)容眾多而豐富，它們是由相互獨立又有機聯(lián)系的各種發(fā)放論構(gòu)成，主要的現(xiàn)代設計方法有:虛擬設計、并行設計、綠色設計、可靠性設計、智能優(yōu)化設計、計算機輔助設計、動態(tài)設計、模塊化設計、計算機仿真設計、人機學設計、摩擦學設計、反求設計、疲勞設計等。本文研究可靠性設計、反求設計、計算機輔助設計、人機學設計、優(yōu)化設計、綠色設計、六現(xiàn)代設計方法在機械系統(tǒng)設計中的應用。 2.1可靠性設計 可靠性優(yōu)化設計方法是在常規(guī)優(yōu)化設計方法的基礎上,結(jié)合可靠性設計理論發(fā)展起來的一種有效的優(yōu)化設計方法。它將可靠性分析理論與數(shù)學規(guī)劃方法有機地結(jié)合在一起,也就是在優(yōu)化設計中將設計參數(shù)作為隨機變量,以產(chǎn)品的可靠度作為目標函數(shù)或約束條件,運用最優(yōu)化方法得到在概率意義下的最佳設計的一種數(shù)值計算方法。由于它彌補了單一可靠性設計或優(yōu)化設計的不足,使設計不僅符合工況運行要求,而且得出最優(yōu)的設計參數(shù),因而更具有工程實用價值,對它的研究已成為目前國內(nèi)外學者積極探索和研究的重要領(lǐng)域之一。 優(yōu)化設計數(shù)學模型的3個要素是目標函數(shù)、約束條件和設計變量。相對于常規(guī)的優(yōu)化設計,可靠性優(yōu)化設計的特點在于將可靠性設計引入優(yōu)化設計當中。將可靠性設計理論與優(yōu)化技術(shù)結(jié)合起來通常有下面兩種方法: (1)要求結(jié)構(gòu)或零部件在滿足一定性能的條件下,使其可靠度達到最大?？砂纯煽啃灾笜私⒁粋€目標函數(shù),而按設計其他要求建立另一個或多個目標函數(shù),然后進行多目標函數(shù)優(yōu)化設計其數(shù)學模型如下: maxR(X) minFi(X)(i=1,2,… ,q) stGj(X) ﹙j=1,2…,m﹚ (j=1,2,#,m) 式中:R(X)-可靠性函數(shù) Fi(X)—某一目標函數(shù);Gj(X)—約束條件 (2)在結(jié)構(gòu)或零部件達到最佳性能指標時, 要求它的工作可靠度不低于某一規(guī)定水平?？蓪⒖煽啃灾笜俗鳛榧s束條件,建立數(shù)學模型,進行優(yōu)化設計。一般說來,這種方法更為實用。其數(shù)學模型如下: maxF(X) stRi(X)≥ R0(i=1,2,… ,q) Gj(X)(j=1,2,… ,m) 式中:F(X)—目標函數(shù); Ri(X)—機械產(chǎn)品的可靠性函數(shù); R0—給定的可靠度; Gj(X)—約束條件。 在進行結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化時,除了建立適當?shù)膬?yōu)化模型外,還需要選擇收斂速度快且計算不是很復雜的優(yōu)化算法。由于工程實踐中的可靠性優(yōu)化設計面臨著隨機不確定性和模糊不確定。隨機不確定性反映了對未來結(jié)果的不可預測性,用隨機概率度量;模糊不確定性反映了對已有現(xiàn)象結(jié)果的未確知性,用模糊隸屬度度量。對這種模糊性,僅用概率統(tǒng)計的方法來描述顯然是不完善的,因此基于模糊數(shù)學的模糊可靠性優(yōu)化設計方法在機械結(jié)構(gòu)設計中得到了一定的應用。近年來,國內(nèi)外學者還將計算智能技術(shù)(CIT)中的神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)、遺傳算法(EA)、模擬退火算法(SA)和蟻群算法等應用到結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設計領(lǐng)域中,并取得了良好的效果。 由于可靠性優(yōu)化設計在科學實驗、生產(chǎn)實踐上有著廣泛的應用前景,其重要意義不言而喻。隨著優(yōu)化設計技術(shù)、有限元技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展,如何應用軟件技術(shù)進行可靠性優(yōu)化設計也引起了各國學者極大的興趣。比如我國吉林大學的袁濤等人利用Ansys的參數(shù)化設計語言APDL實現(xiàn)攝動法的可靠性分析,并結(jié)合設計優(yōu)化模塊實現(xiàn)可靠性優(yōu)化設計,并證明這一方法是可行有效的,開辟了一個利用Ansys進行可靠性優(yōu)化設計的途徑,擴展了Ansys的分析范圍。 隨著優(yōu)化設計技術(shù)、有限元技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展,結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化設計已呈現(xiàn)加速發(fā)展的態(tài)勢,必將為機械產(chǎn)品的合理設計與開發(fā)起到非常重要的作用 2.2反求設計 反求工程是一種方法論，與傳統(tǒng)設計的順序恰好相反它根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品系統(tǒng) 推知其設計原理與過程以及各主戛參數(shù)選擇的依據(jù)，最終求得新的設計即達到傳統(tǒng)設計的目標，以說二者殊途同歸。導方法是反求工程的核心，得新設計是反求工程的結(jié)果. 傳統(tǒng)的機械設計習慣上采用三 階段設計法 ，即整體設計 、部件設計及零 件設計或初步設計 、技術(shù)設計與工藝設計同時沿用一般的結(jié)構(gòu)計算方法如材料力學 、結(jié)構(gòu)力學以及作為其理論基礎的彈性力學等提供的公式進行計算?，F(xiàn)在隨著試驗性設計及CAD的發(fā)展 ，國外引進的先進設備 ，基本上采用平行逐次法 ，既有階段又平行作業(yè)，以便相互協(xié)調(diào)因此 ，反求工程就不僅是簡單的反推，必須采用系統(tǒng)方法論。 求工程的信息獲取區(qū)段即是系統(tǒng)分析階段。首先反求對象進行系統(tǒng)的評價 決策評價方法有相蕪矩陣法，交叉影響矩陣法等，將評價測定結(jié)果變換成價值， 作為領(lǐng)導者決策的參考。信息的獲取來源于系統(tǒng)進行的舟析，試驗與側(cè)試?，F(xiàn)在，傳統(tǒng)的靜態(tài)設計方陸逐漸為動態(tài)設計所取代 。動態(tài)設計往通過機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的動態(tài)分柝和動態(tài)試駐來實現(xiàn)、工怍載荷譜對于動態(tài)設計和動態(tài)試驗都是重要的依據(jù)。通過試驗和測試方法，可獲得廈求對象的狀態(tài)、運動和特征等萬面的信息。反求工程的信息處理區(qū)毆相 當于系統(tǒng)選擇階段。在獲得系統(tǒng)的信息后，即可建立模型 ．進行優(yōu)化設計。按模型的性質(zhì)大致有宴體模型、類比模型與數(shù)學模型等。系統(tǒng)工程常用的一些數(shù)學模型有結(jié)構(gòu)模型、蜘絡模型、狀態(tài)空間模型．計量經(jīng)濟模型、系統(tǒng)動力學模型等。建立模型過程需用相似理論，再進行模 型試驗，稱為仿真技術(shù)反求工程信息處理的結(jié)果作為改進設汁的依據(jù) ，同時改進設計過程的設計方法又為反求結(jié)果提供修正參考。反求工程必須參照改進設計所涉及的各種問題 ，完善自身的信息整理結(jié)果 。 綜上所述，反求程必須從系統(tǒng)工程觀點出發(fā) ，對反求設計過程合理化的目標加以系統(tǒng)化 ．綜合運用各種理論化設計力往，出正確結(jié)論 2.3 計算機輔助設計 計算機輔助設計是利用計算機來輔助設計人員進行工程和產(chǎn)品設計,以實現(xiàn)最佳設計效果的一種技術(shù)。隨著高科技產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,計算機輔助設計已成為一門新的學科,它是現(xiàn)代設計方法的一個重要方面。 一個產(chǎn)品或一項工程的傳統(tǒng)設計過程是設計者根據(jù)設計任務的要求,參考已有的經(jīng)驗和資料,進行構(gòu)思設計方案、建立設計模型、計算、分析、繪圖、反復修改等過程,最后設計出滿足要求的產(chǎn)品,并繪制出圖紙和編制出設計文件。在設計過程中,有創(chuàng)造性的思維勞 動,也有復雜的計算及繪圖等,其工作量大,而且要做很多重復、 煩瑣的勞動,這些環(huán)節(jié)都要由設計者來完成,設計效率低。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)和生產(chǎn)的迅速發(fā)展,產(chǎn)品的設計速度和質(zhì)量要求越來越高,市場競爭加劇,迫切需要將設計人員從簡單而煩瑣的計算和畫圖中解放出來,用更多的時間來進行創(chuàng)造性的設計。因而,傳統(tǒng)的手工設計方法越來越難以適應現(xiàn)代化發(fā)展的需要。計算機輔助設計就是將計算機高速而精確的運算功能、大容量存儲和處理數(shù)據(jù)的能力、豐富而靈活的圖形文字處理功能與設計者創(chuàng)造性思維能力、綜合分析及邏輯判斷能力結(jié)合起來,形成一個人與計算機各發(fā)揮所長,又緊密配合的系統(tǒng),從而極大地加快了設計進程,縮短了研制周期,提高了設計質(zhì)量。這種人機結(jié)合的交互式設計過程,構(gòu)成了計算機輔助設計的工作過程。 2.4人機學設計 人機工程學是從人的生理和心理特點出發(fā)．研究人一機一環(huán)境相互關(guān)系和相互作用的規(guī)律．以優(yōu)化人一機一環(huán)境系統(tǒng)的一門學科。在工程機械設計中。操作者是人機工程學研究的核心對象。隨著工程機械功率和作業(yè)速度的不斷提高．施工效率越來越高。工程機械操作者的工作越來越繁重復雜。因此，改善工程機械操作者的勞動條件．構(gòu)建舒適和高效操作環(huán)境的要求越來越迫切。使得人機工程學在工程機械設計中的重要性更為突出。 在工程機械設計中應刻注意人的生理特點．即在保證人安全的前提下．平衡使用人的精力和體力。最大限度地挖掘人的潛力，從而提高生產(chǎn)力。操作者具有良好舒適性和操作性的設計。 隨著計算機在設計領(lǐng)域的引入．基于人機工程學的虛擬設計和測試評價已經(jīng)成為可能．極大地推動了工程機械產(chǎn)品的創(chuàng)新設計．人機工程學越來越受到制造業(yè)及用戶的重視．使得設計理念發(fā)生了深刻的變化?，F(xiàn)代工程機械設計重視操作者的生理、心理特性。為操作者構(gòu)建安全、舒適和高效的操作環(huán)境，使操作者的操作簡便省力、迅速準確、安全舒適．充分發(fā)揮人機效能．提高整個系統(tǒng)的效益．從而增強產(chǎn)品的市場競爭力?？梢灶A計．今后的工程機械設計將更加體現(xiàn)“以人為本”的設計理念。 2.5 優(yōu)化設計 一般工程設計問題都存在著許多種可能的設計方案。人們在進行設計工作時,總是力求從各種可能方案中選擇較好的方案,即優(yōu)化的方案。優(yōu)化設計是在所有可行方案中尋求最佳設計方案的一種現(xiàn)代設計方法,是一門新興學科,它建立在數(shù)學規(guī)劃理論和計算機程序設計基礎上,通過計算機的數(shù)值計算,能從眾多的設計方案中尋到盡可能完善的或最適宜的設計方案,使期望的經(jīng)濟指標達到最優(yōu),它可以成功地解決解析等其它方法難以解決的復雜問題,優(yōu)化設計為工程設計提供了一種重要的科學設計方法,因而采用這種設計方法能大大提高設計效率和設計質(zhì)量。優(yōu)化設計主要包括兩個方面:一是如何將設計問題轉(zhuǎn)化為確切反映問題實質(zhì)并適合于優(yōu)化計算的數(shù)學模型,建立數(shù)學模型包括:選取適當?shù)脑O計變量,建立優(yōu)化問題的目標函數(shù)和約束條件。目標函數(shù)是設計問題所要求的最優(yōu)指標與設計變量之間的函數(shù)關(guān)系式,約束條件反映的是設計變量取得范圍和相互之間的關(guān)系;二是如何求得該數(shù)學模型的最優(yōu)解:可歸結(jié)為在給定的條件下求目標函數(shù)的極值或最優(yōu)值的問題。機械優(yōu)化設計就是在給定的載荷或環(huán)境條件下,在機械產(chǎn)品的形態(tài)、幾何尺寸關(guān)系或其它因素的限制范圍內(nèi),以機械系統(tǒng)的功能、強度和經(jīng)濟性等為優(yōu)化對象,選取設計變量,建立目標函數(shù)和約束條件,并使目標函數(shù)獲得最優(yōu)值一種現(xiàn)代設計方法,目前機械優(yōu)化設計已廣泛應用于航天、航空和國防等各部門 2.6 綠色設計 綠色設計與制造是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式，他是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在制造業(yè)中的重要體現(xiàn)。其定義為：它是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代設計制造模式。其目標是使產(chǎn)品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的燕個產(chǎn)品生命周期中．對環(huán)境的負面影響最小，資源效率最高，并使企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益協(xié)調(diào)優(yōu)化。其過程是通過綠色生產(chǎn)過程(包括綠色 設計、綠色材料、綠色工藝、綠色包裝及綠色管理等)生產(chǎn)綠色產(chǎn)品，因而從產(chǎn)品設計到工藝、工裝都與傳統(tǒng)制造有著本質(zhì)的區(qū)別，綠色制造實質(zhì)上是人類社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在現(xiàn)在制造業(yè)中的體現(xiàn)。其內(nèi)涵是產(chǎn)品生命周期的全過程均具有綠色性。由此可見．綠色制造的實質(zhì)是人類社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在現(xiàn)代制造業(yè)中的體現(xiàn)，是一種綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的先進的現(xiàn)代制造模式。是制造業(yè)的發(fā)展趨勢。是現(xiàn)代企業(yè)提高核心競爭力的必由之路。 機械產(chǎn)品綠色沒計的概念可步1納為：機械產(chǎn)品綠色設計是一種基于產(chǎn)品整個生命周期，并以產(chǎn)-鋯的環(huán)境資源屬性為核心的現(xiàn)代設計理念和方法。在設計中，除考慮產(chǎn)品的功能、性能、壽命、成本等技術(shù)和經(jīng)濟屬性外，還要重點考慮產(chǎn)蹁11I=生產(chǎn)、使用、廢棄和回收的過程中．對環(huán)境和資源的影響。其主要包括以下幾個方面。 ⑴品結(jié)構(gòu)設計 除了滿足普通產(chǎn)品的基本要求外，主要考慮結(jié)構(gòu)的易于拆卸與回收處理。拆卸足廢棄物回收的前提．回收則是廢棄物再利用的保證其研究內(nèi)容包括： ①品拆卸設計方法研究： ②卸評價指標體系的建立： ③卸結(jié)構(gòu)模塊的劃分及其結(jié)構(gòu)設計； ④回收：工藝及方式的研究 ⑵品環(huán)境性能設計 不同的產(chǎn)品有可能對環(huán)境有不同的影響．‘．笈計時應根據(jù)產(chǎn)品性能、盡可能滿足對環(huán)境的要求。如生產(chǎn)電冰箱要求不用氯氟類的制冷劑和發(fā)泡荊減少或消除酸洗、磷化過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染物，降低能耗，減少噪盧等。 ⑶品資源性能設計 為了使產(chǎn)品的資源得到臺理利用和配置。其設計的主要內(nèi)容是： ①品生命周期的資源消耗模型建立： ②品生產(chǎn)過程的資源消耗特性分析等 3 結(jié)論 隨著現(xiàn)代社會網(wǎng)絡技術(shù)的蓬勃發(fā)展，三維圖形軟件、智能化設計軟件愈來愈多地應用于產(chǎn)品的方案設計中，機械產(chǎn)品的方案設計正朝著計算機輔助實現(xiàn)、智能化設計和滿足異地協(xié)同設計制造需求的現(xiàn)代化設計方法方向邁進，使用戶對產(chǎn)品的功能需求→設計→加工→裝配→成品這一并行工程的實現(xiàn)成為可能。未來，現(xiàn)代化設計方法，必將在機械設計領(lǐng)域占據(jù)著越來越重要的地位，不僅僅縮短了產(chǎn)品設計周期，減輕了勞動前度，而且在產(chǎn)品可適用性、可靠性、以及經(jīng)濟性等方面都有著顯著地提升，這些都將在不久的將來一一實現(xiàn)，現(xiàn)代化設計理論將在機械設計領(lǐng)域廣而使用。 參考文獻 【1】鐘志華，周彥偉．現(xiàn)代設計方法【M．】武漢：武漢理工大學出版社，2001． 【2】張鄂．現(xiàn)代設計理論與方法【M．】北京：科學出版社，2007． 【3】孫新民．現(xiàn)代設計方法教程【M．】北京：人民郵電出版社，1999． 【4】胡勝海．機械系統(tǒng)設計【M．】哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1999． 【5】李強，周濟．機械系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化設計的混合遺傳基因方法【J．】華中理工大學學報，1997，25（1）：16－18 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有人追求時，內(nèi)心的一份矜持是必要的，即使心里很愛，也需要給追求者時間和難度，這樣兩人走到一起才會珍惜感情、地久天長。 　　十六、我從來不會在分手很久后才會哭，因為不值。 　　十七、高興呢，就允許自己高興一天；難過呢，也允許自己難過一天。關(guān)鍵是這一天過去了，你得繼續(xù)往前走。 　　十八、對于世界而言，你是一個人；但是對于某個人，你是TA的整個世界。 　　十九、我們漸漸的放開了對方的手 　　二十、為愛投入不應該被苛責，只是忘記自己卻是愛情里的最大弊病，也許，愛情里最好的狀態(tài)不是犧牲與忍讓，而是站在可以看到彼此的位置里，在對方的眼里可以看到最真實的自己。 　　二十一、人生一世，總有個追求，有個盼望，有個讓自己珍視，讓自己向往，讓自己護衛(wèi)，愿意為之活一遭，乃至愿意為之獻身的東西，這就是價值了。 　　二十二、“做自己”很難，但更難的是遇到能接受你“做自己”的人。 　　二十三、只有在你最落魄時，才會知道誰是為你擔心的笨蛋，誰是形同陌路的混蛋。 　　二十四、老天在送你一個大禮物時，都會用重重困難做包裝。 　　二十五、很奇妙的一種感覺是，曾經(jīng)的陌生人，突然之間成為了你的整個世界。我們不可能再有一個童年；不可能再有一個初中；不可能再有一個初戀；不可能再有從前的快樂、幸福、悲傷、痛苦。昨天，前一秒，通通都不可能再回去?！瓉硎且粓鰺o法回放的絕版電影！ 　　二十六、有時陽光很好，有時陽光很暗，這就是生活。 　　二十七、再多的“我愛你”也抵不過一句“分手吧” 　　二十八、失望，有時候也是一種幸福。因為有所期待，所以才會失望。因為有愛，才會有期待。所以縱使失望也是一種幸福，雖然這種幸福有點痛。 　　二十九、當生活給你設置重重關(guān)卡的時候，再撐一下，每次地咬牙闖關(guān)過后，你會發(fā)現(xiàn)想要的都在手中，想丟的都留在了身后。 　　三十、人生沒有真正的絕望。樹，在秋天放下了落葉，心很疼?？墒牵麄€冬天，它讓心在平靜中積蓄力量。春天一到，芳華依然。只要生命還握在手心，人生就沒有絕望。人有悲歡離合，月有陰晴圓缺。一時的成敗得失對于一生來說，不過來了一場小感冒。心若累了，讓它休息，靈魂的修復是人生永不干枯的希望。