1、,机械产品传统设计过程,产品规划（明确设计任务）,原理方案设计,1）传统设计过程分析传统设计的每一个环节都是依靠设计者采用人工方式完成的。首先凭借设计者直接的或间接的经验，通过类比分析或经验公式来确定方案，方案的拟定在很大程度上取决于设计人员的个人经验。分析计算受人工计算条件的限制，只能用静态的、近似的方法，参考数据偏重于经验的概括和总结，往往忽略了一些难解或非主要的因素，设计结果近似性大。,12,2）传统设计的缺陷和局限性设计方案的拟定在很大程度上取决于设计者的个人经验，即使同时拟定了有限的几个方案，也难以获得最优方案分析计算过程中，受人工计算条件的限制，只能采用静态或近似的方法而难以按动态
2、的方法精确计算，计算结果未能完全反映零部件的真正工作状态，影响了设计质量,2.现代设计（1）现代设计方法的概念 现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，是传统设计的深入、丰富和完善。随着设计实践经验的积累、设计理论的发展以及科学技术的进步，特别是计算机技术的高速发展，设计过程产生了质的飞跃。为区别过去常用的传统设计理论方法、人们把这些新兴理论和方法称为现代设计方法。,（3）现代设计方法的基本特点,程序性,创造性,系统性,最优化,综合性,计算机化,设计任务书,任务书分析,确定设计条件,运用系统工程和创造性方法进行总体方案构思,绘制总图、零部件图,编制技术文件,结束,条件协商,修改设计方案,
3、用价值分析、优选法等进行方案的论证,技术设计与分析,最优？,综合分析程序库（系统工程分析程序、优化程序、可靠性分析程序等）,设计资料库（各种技术、标准、规范、产品目录、用户记录等）,图库（基本几何图、标准零部件图）,设计程序库（零部件设计程序、有限元、边界元分析程序）,用户要求与市场信息,否,是,现代设计过程,17,设计方法学是用系统的观点，考虑自然科学、社会科学、经济科学等各种现代因素，为获得质优价廉有创新的产品，研究产品的一般设计进程、设计规律、设计思维和工作方法、设计工具的综合性学科。设计方法学研究的具体对象有：（1）设计对象；（2）设计进程；（3）设计评价；（4）设计思维；（5）设计工
4、具；（6）现代设计理论与方法的应用。,设计方法学,主要现代设计方法,优化设计,计算机辅助设计,可靠性设计,创新设计,动态设计,智能设计,虚拟设计,可视化设计,网络设计,并行设计,数字化设计,疲劳设计,摩擦设计,有限元法,绿色设计,价值工程,相似设计,19,CAD是指设计者以有高速计算能力和显示图形的计算机为工具，用各自的专业知识对产品进行的规划、分析、计算、综合、模拟、评价、绘图和编写技术文件等设计活动的总称。设计者的创新能力、想象力、经验和计算机高速运算的能力、图形显示与处理能力相互有机地结合，综合运用多学科的相关技术，进行产品描述及设计，极大地提高设计工作的效率，为无图纸化生产提供了前提。
5、,计算机辅助设计（CAD）,CAD/CAM系统的工作流程图,产品设计要求,功能与方案设计,建立产品模型,工程分析,不满足要求,修改,满足要求,详细设计,制订加工工艺,数控编程,NC后处理,方案设计专家系统,造型软件系统,有限元分析软件优化分析软件可制造性分析软件,参数化建模,CAPP,NC自动编程，仿真软件，,评价,评价,不满足要求,满足要求,工程数据库,标准件库,加工工艺参数库,工装设备库,NC代码库,二维零件图库,其它,CAM软件,Pro/ENGINEER的基本功能,PRO-E,I-DEAS,CATIA,UG,CADAM,通用软件,虚拟样机技术,虚拟样机技术（Virtual Prototy
6、ping,VP）是一种崭 新的产品开发技术，它是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。该技术是一门综合多学科的技术，以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，以及广泛应用的网络技术、计算机技术、信息技术、集成技术等，将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供一个全新的设计方法。具体说来就是在建造第一台物理样机之前，设计师通过使用计算机技术建立产品系统的数字化模型，进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术。,虚拟样机是由分布的、不同工具开
7、发的、甚至异构的子模型组成的模型联合体：产品的CAD模型产品的外观表示模型产品的功能和性能仿真模型产品的各种分析模型（可制 造性、可装配性等）产品的使用和维护模型以及环境模型等；,虚拟设计支持产品开发制造的全生命周期需求分析和定义概念设计详细设计生产制造测试评估使用维护训练直至销毁等不同阶段,概念设计,详细设计,测试评估,使用,维护训练,需求分析和定义,销毁,需求样机,需求样机是根据用户需求建立的未来产品的可视化和数字化描述，描述产品功能和外部行为的结构模型进行未来产品的功能仿真，给设计部门演示和说明产品功能的具体要求和使用环境。给出未来产品的性能要求及其粗略框架，框架由有待填充、细化和完善的
8、功能模块组成。,概念样机,概念样机是根据需求样机的要求，对所提出未来产品的方案设想的可视化和数字化描述。细化了功能模块和模块间的信息流动关系。为产品的性能和外部行为提供物理细节和更详细的可视化描述。对产品的可制造性、可装配性及其可维护性进行概略评估。,工程样机,工程样机是概念样机的进一步细化，主要由产品的各种物理性能模型、CAD模型以及其他模型（成本、维护等）组成开展产品的各种仿真试验工作，评估详细设计方案的优缺点，以及可制造性、可装配性、可维护性等。根据评估结果，对产品的开发和生产进度、成本、质量提出更为全面的要求。,最终样机,在产品生产、装配和使用前，虚拟样机在工程上基本定型。原型样机是将
9、原有样机与实际使用环境相结合，检验产品的实际使用效果，评估进一步改进设计方案的可能性。加入可靠性模型、维护模型和可用性模型，支持产品的虚拟维护。加入虚拟仿真模型和操作模型，支持产品的使用训练模拟。,32,34,风速入口,出口,流苏模型空间分布图,模型按照图示计算了0360度范围内的12个风向角。,数值风洞模型示意图，网格划分3000万,边界,边界,36,37,有限元法的基本思想是将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠结点联接。单元内部点的待求量可由单元结点量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单，易于由平衡关系或能量关系建立结点量之间的方程式（即单元方程）。然后将各个单元方程“组集
10、”在一起而形成总体代数方程组，计入边界条件后即可对方程组求解。单元划分越细，计算结果就越准确。,有限元法,同济大学,有限元,有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。节点具有一定的自由度。,有限元分析过程,从911纽约世贸大厦说起,有限元分析,有限元分析,同济大学,有限元分析主要应用领域,结构分析热分析电磁分析流体分析 耦合场分析-多物理场,同济大学,结构分析,结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。结构这个术语是一个广义的概念，它包括土木工程结构，如桥梁和建筑物；汽车结构，如车身骨架；海洋结构，如船舶结构；航空结构，如飞机机身等；同时还包括机械零部件，如
11、活塞，传动轴等等。结构分析中计算得出的基本未知量（节点自由度）是位移，其他的一些未知量，如应变，应力，和反力可通过节点位移导出。,同济大学,结构分析-分类,静力分析-用于静态载荷.可以考虑结构的线性及非线性行为，例如:大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等.动力分析-动力学分析是用来确定惯性（质量效应）和阻尼起着重要作用时结构或构件动力学特性的技术。“动力学特性”可能指的是下面的一种或几种类型:振动特性-（结构振动方式和振动频率）周期（振动）载荷的效应随时间变化载荷的效应屈曲分析-用于计算屈曲载荷和确定屈曲模态。包括线性（特征值）和非线性屈曲分析。,ANSYS 静力分析,起重机械有
12、限元应用,同济大学,热分析,热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。热分析之后往往进行结构分析,计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力.热相关问题相变（熔化及凝固）,内热源（例如电阻发热等）三种热传递方式（热传导、热对流、热辐射）稳态传热：系统的温度场不随时间变化瞬态传热：系统的温度场随时间明显变化,热分析计算物体的稳态或瞬态温度分布，以及热量的获取或损失、热梯度、热通量等.,同济大学,工件淬火3.06 min 时的温度、组织分布（NSHT3D）,同济大学,发动机瞬态热仿真,电熨斗瞬态热仿真,铸造成型：温度变化和气泡,金属反挤压成型：温度分布和变化,同
13、济大学,电磁分析,磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等.磁场可由电流、永磁体、外加磁场等产生.,磁场分析 用于计算磁场.,同济大学,磁场分析的类型:静磁场分析-计算直流电（DC）或永磁体产生的磁场.交变磁场分析-计算由于交流电（AC）产生的磁场.瞬态磁场分析-计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场.,电磁接触：磁悬浮列车仿真,同济大学,流体分析,流体分析 用于确定流体的流动及热行为.可以处理不可压缩或可压缩流体、层流及湍流，以及多组份流等.作用于气动翼（叶）型上的升力和阻力超音速喷管中的流场弯管中流体的复杂的三维流动,导流管分析,压
14、力,速度,同济大学,超音速飞行压力分布,汽车气动分析,高速导弹气动,同济大学,耦合场分析,耦合场分析 考虑两个或多个物理场之间的相互作用。如果两个物理场之间相互影响，单独求解一个物理场是不可能得到正确结果的，因此你需要一个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件。例如：在压电力分析中，需要同时求解电压分布（电场分析）和应变（结构分析）.,其他需要耦合场分析的典型情况有：热应力分析流体结构相互作用感应加热（电磁热）,感应振荡,两根热膨胀系数不同的棒焊接在一起，加热后的变形情况,子结构方法分析大型结构的早期应用法,建模时充分利用重复性,根据经验，该龙门起重机的裂纹区域的平均网格尺寸取为50mm，如
15、果根据网格尺度一致的原则，将整个主梁的平均网格尺寸取为50mm，则主梁上的单元数达到了530696个，求解规模很大，在PC机很难进行求解,对能求解的问题耗时也很长。,KI=564.1826KII=4.0051ang=-0.739,裂纹子模型,子模型分析实施步骤及数据流程,粗糙模型的应力云图,同济大学,几种通用有限元软件的比较,（5分制：强5弱1 易5难1 广5小1）,空箱跌落仿真,防护罩方案,防护罩有限元模型,所选用结构单元类型主要为shell163，防护罩节点数为11825，单元数为12686。支撑柱假定为固定，没有考虑轮胎的变形。,当上述的空集装箱意外从第六层的高度自由下落，经过12.91
16、2米的下落高度后，以15.962m/s的速度和防护罩正上面相撞,结果分析,在接触初始时刻，整个防护结构接触点应力最大为525MPa，该处对应的节点号为11825,在0.0285秒时结构应力最大为601MPa，具体位置见上图，该处对应的节点号为1111号,曲线为节点1111处的应力变化曲线图，可以看到在整个过程中，应力最大为601mpa，但是未超过许可，结构整个过程的应力最大值也为601MPa,变形结果,防护罩有限元模型,防护罩防护动画,螺旋卸船机例子,袋物装船机的方式,斜面滑槽,该设备结构复杂水泥袋挤压空气，影响加紧,水泥袋速度过快,原理,功能：螺旋溜槽把悬臂带式输送机上的水泥袋输送到位于螺旋
17、溜槽卸料一端的加载头上,螺旋结构是关键,I 结构简单,II 速度稳定,III 维护方便,螺旋滑槽结构示意图,螺旋滑槽简介,摩擦系数测定,钢板,水泥袋,螺旋滑槽的仿真与样机试验对比,水泥袋螺旋下滑时间是4.7s（不考虑水泥袋经过入料口时间）,水泥袋进入滑槽后大致保持速度不变,78,机械动态特性是指机械本身的固有频率、阻尼特性和对应于各阶固有频率的振型，以及机械在动载荷作用下的响应。前者是机械设备在工作条件下振动情况分析的基本要素，后者为机械设备动强度分析提供必要的条件。动态设计的目的是按照机械动态特性的要求对机械设备或构图（图形）进行审核、修改或重新设计。相关的工作有：（1）理论建模；（2）实验
18、建模；（3）动力学分析；（4）机械结构动力修改与动态优化设计。,机械动态设计,同济大学,动态分析,模态分析-计算线性结构的自振频率及振形.模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术：自然频率振型模态分析是所有动力学分析类型的最基础的内容。,整机模态分析,同济大学,模态分析的作用：使结构设计避免共振或以特定频率进行振动（例如扬声器）；汽车尾气排气管装配体的固有频率与发动机的固有频率相同时，就可能会被震散。拆除机器人工作在强振动环境下，其工作装置为液压冲击器，设计时需确保其激振源频率避开整机的一阶固有频率。有助于在显式动力分析中估算求解控制参数（如时间步长）。,同济大学,1阶模态振型为整个工作臂作
19、为一个整体在可旋转机座上做横向摆动 拆除机器人的激振源（液压冲击器）的频率为7.512.5Hz，而其1阶模态频率为12.305Hz，正好处于这一区间，这说明在拆除机器人工作在最高工作频率的时候，极易诱发其1阶模态，因此需要对其结构进行相应的改进，以避开其1阶固有频率，提高整机的动力学特性。,1阶振型图,82,智能工程是一门关于知识的自动化处理和应用技术的计算机应用学科。知识是指全面知识，既包含理论知识和经验知识，又包括数值模型及符号模型描述的知识。“知识的自动化处理和应用”是指用计算机对知识进行获取、表达、集成、管理、协调及使用等。该定义表达了智能工程的目的、内容和工作对象。,智能工程,83,
20、价值工程是从产品的功能研究开始，对产品进行设计，或重新审查设计图样文件，剔除那些与用户要求的功能无关的材料、结构、零部件，代以更新的构思，设计出功能相同而成本更低的产品。价值指的是事物的用途或积极作用。用户购买商品，最主要是购买该商品的功能，设计中经常遇到的是使用功能和美学功能。产品成本是产品的各项生产费用的总和。降低成本要了解产品费用的组成，估算产品的制造费用，研究产品产量与成本、销售量与利润之间的关系，进行盈亏分析。价值=功能/成本。对功能定量赋值的方法很多，如对某产品的主要技术性能从理想值到超差值分为11级，对应于100分，即为功能值。又如按产品中各零件的不同功能计算功能成本等。价值工程
21、设计的基本步骤是：了解设计对象，明确要求的功能，分析成本的组成，进行价值初评，制定改进方案，获得价值最高的新产品。,价值工程,84,工业产品艺术造型设计是指用艺术手段按照美学法则对工业产品进行造型工作，使产品在保证使用功能的前提下，具有美的、富于表现力的审美特性。造型设计的三要素中，使用功能是产品造型的出发点和产品赖以生存的主要因素；艺术形象是产品造型的主要成果；物质技术条件是产品功能和外观质量的物质基础。工业产品艺术造型设计应遵循的原则有：体现高新科技水平的功能美，符合三化的规范美，显示新型材质的肌理美，体现先进加工手段的工艺美，表达各造型因素整体协调统一的和谐美，追求时代精神的新颖美，体现
22、色光新成就的色彩美等。造型设计要有机地运用统一与变化、比例与尺度、均衡与稳定、节奏与韵律等美学法则。造型要寻求线型、平面、立体、色彩、肌理等造型因素的构成规律和变化，以效果图、动画、模型等形式，设计出物质功能与精神功能高度统一的创新产品。,工业产品艺术造型设计,85,可靠性指的是产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。可靠性设计的特点：（1）可靠性设计法认为作用在零部件上的载荷（广义的）和材料性能等都不是定值，而是随机变量，具有明显的离散性质，在数学上必须用分布函数来描述；（2）由于载荷和材料性能等都是随机变量，必须用概率统计的方法求解；（3）可靠性设计法认为所设计的任何产品都存在一
23、定的失效可能性，并且可以定量地回答产品在工作中的可靠程度。具体工作包括：（1）零部件的可靠性设计；（2）系统的可靠性设计；（3）机械系统的故障树分析；（4）可靠性试验。,可靠性设计,86,人机工程是从系统论的观点研究“人机（操作者的工作对象和环境）系统”中人、机之间的交互作用，研究人的生理和心理特征，合理分配人与机器的功能，正确设计人、机界面，使人、机相互协调，发挥最大的潜力。在封闭的“人机系统”中，机器的显示器显示生产过程的信息变化；人的感受器（眼、耳等）感知和接受信息，传给分析器（大脑），对信息进行分析、处理、存储、决策；由执行器（四肢）根据决策信息作出反应，操纵机器的控制器，使机器的工作
24、状态发生变化，实现生产过程的转变，从而在机器的显示器上显示新的信息。,人机工程,87,人机工程研究封闭的“人机系统”的每个环节的特性及信息的传递：主要感受器（眼睛）感受信息的范围（视野）、能力（视力）、差别（视差）；分析器（人脑）感知、解释和处理信息的速度、时间、变化规律；执行器（四肢）产生力的过程和范围，作出反应的速度和准确度；机器的控制器和显示器这两个人机界面如何设计，才能使显示和控制在空间、位置、运动、人的习惯模式上相互协调，适合人的生理与心理特征，提高传递信息的准确度和速度，符合思维逻辑，创造良好的工作条件。在机器的自动化程度日益提高的时代，要研究不断变化的人机系统，设计出更好的合乎人
25、机工程要求的机器。,88,并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程（包括制造、后勤等）的系统方法。要求产品开发人员在设计伊始，就考虑产品整个生命周期中从概念形成到报废处理的所有因素，充分利用企业内的一切资源，最大限度地满足市场和用户的需求。并行工程的目的在于寻求新产品的易制造性、缩短上市周期和增强市场竞争能力。要求集中涉及产品寿命的所有部门的工程技术人员，组成并行设计组，共同设计制造产品，对产品的各种性能和制造过程进行计算机动态仿真，生成软样品或快速出样，进行分析评议，改进设计，取得最优结果，一次成功。利用计算机的数据处理、信息集成和网络通信的能力，发挥并行设计组的集体力量，将新产品
26、开发研究和生产准备等各种工程活动尽可能并行交叉地进行。这对换代快、批量不大的产品，能显著缩短周期、提高质量。,并行工程,89,并行工程的内涵还包含了人的因素和企业文化。如果说，新产品按“设计试制样机修改设计工艺准备正式投产”的串行工程方法容易造成各自为政、效率低下的结果的话，并行工程则能改变企业组织结构和工作方法，促进人们之间的相互理解，激励积极性，提高协同作战的能力，塑造良好的企业文化氛围，形成一个适合人类发展需要的社会技术系统。,90,模块是具有一定功能和特定结合要素的零件、组件或部件。模块化产品是由一组特定模块在一定范围内组成不同功能或功能相同而性能不同的产品。设计模块和模块化产品，可以
27、满足日益增长的多品种、多规格的要求。模块系统的特点是便于发展变型产品，更新换代，缩短设计和供货周期，提高性能价格比，便于维修，但对于结合部位和形体设计有特殊要求。设计模块系统产品，先要建立模块系列型谱，按型谱的横系列、纵系列、全系列、跨系列或组合系列进行设计，确定设计参数，按功能分析法建立功能模块，设计基本模块、辅助模块、特殊模块和调整模块及其结合部位要素，进行排列组合与编码，设计基型和扩展型产品。模块系统的计算机辅助设计和管理，更显示了模块化设计的优越性。,模块化设计,91,模化设计是在开发新产品时，在相似的模拟工作条件下设计相似的模型进行试验，通过测定模型性能，预测产品原型性能，分析设计的
28、可行性并进行必要的修改，进一步取得最优参数和结构。产品系列设计就是在基型设计的基础上，通过相似原理求出系列中其它产品的参数和尺寸。设计步骤：先设计基型产品，确定产品系列是几何相似还是半相似，选择计算级差，求得扩展型产品的参数尺寸，确定系列产品的结构尺寸。几何相似的产品还可按相似关系以生产成本进行估算。,92,人们在长期探索自然规律的过程中，逐渐形成了研究自然界和工程中各种相似现象的“相似方法”、“模化设计方法”和相应的相似理论、模拟理论。相似方法就是把个别现象的研究结果推广到所有相似现象上去的方法。相似理论是现象模拟和研究相似现象的基础。目前在大型复杂设备和结构设计过程中，一般都要在相似理论指
29、导下，通过模化方法和模型试验，使方案取得合理参数，预测设备的性能。当前用计算机辅助进行相似性设计和代替模型试验，已取得明显的效果。解决相似问题的关键是找出相似系统各尺寸参数的相似比。根据各种物理现象的关系式推导出的由物理量组成的无量纲数群为相似准则。与相似准则各参数对应相似比组成的关系式称为相似指标。在基本相似条件和相似三定律的基础上，用相似准则、方程分析、量纲分析列出相似比方程，然后求得相似比。,相似性设计,93,摩擦学是研究相对运动表面的科学及其有关的应用技术。由于摩擦损耗约占世界能源总消耗量的1/21/3，在一般机械中磨损失效的零件约占全部报废零件的4/5，为节约能源、提高设备可靠性、发展高速机械和生产过程自动化，摩擦学研究发展得很迅速。摩擦学设计是机械构件的运动学设计、强度设计之后的重要设计组成部分。以摩擦、磨损及润滑理论为基础，以系统工程的观点，通过一系列分析计算和经验类比，合理设计机械零部件，采用先进材料和工艺，正确选用润滑方式和装置，预测并排除可能发生的故障，减少机械设备的摩擦损耗，达到经济的稳定磨损率，提高设备的工作效率和运行可靠性。,摩擦学设计,94,目
