现代设计理论与方法作业大作业.docx

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现代设计理论与方法作业大作业

现代机械设计理论与方法

（大作业）

1、采用系统化设计流程及所学现代设计方法详细阐述某公司需要投资研发一款新型产品的整个设计流程和采用方法。

（1）请具体阐述采用哪些设计方法，如何去完成新产品的规划设计过程？

（2）请具体阐述采用哪些设计方法，如何去完成新产品的方案设计过程？

（3）请具体阐述采用哪些设计方法，如何去完成新产品的技术设计过程？

（4）请具体阐述采用哪些设计方法，如何去完成新产品的施工设计过程？

答：

（1）产品规划设计包括三个主要阶段：

第一个阶段是市场细分及选择阶段。

在这个阶段，主要通过市场调研与分析，研究如何细分市场，以及企业如何选择细分市场，最后确定企业对细分市场的战略选择。

第二个阶段是定义新产品概念。

在这个阶段中要对某个细分市场，收集其需求的主要内容，包括客户需求、竞争需求及企业内部需求，并确定企业在该细分市场的产品定位，然后寻找和定义新产品概念。

第三个阶段是确定产品规划阶段。

在这一阶段中需要从技术层面分析新产品属于哪个产品族及其开发路径，并根据公司的战略确定新产品开发的优先顺序和组合策略，然后依据企业资源状况，制定新产品开发的时间计划。

产品规划设计的步骤为：

信息集约→产品设计任务→预测调研→可行性分析→明确任务要求→可行性报告、设计要求项目表。

进行产品规划设计的主要方法有：

设计方法和预测技术。

支持产品规划设计的主要理论有：

设计方法学、技术预测理论、市场学、信息学等。

（2）新产品的方案设计过程大致可以分为方案设计和方案评审两个阶段。

方案设计阶段的步骤为：

总共能分析→功能分解→功能元求解→功能载体组合→获得功能原理方案（多个原理方案）→原理试验→评价决策→最优原理方案→原理参数表、方案原理图。

进行产品的方案设计的方法主要有：

系统化设计方法、创造技法、评价决策法、形态学矩阵法。

主要的理论指导包括：

系统工程学、形态学、创造学、思维心理学、决策论、模糊数学等。

（3）对产品进行技术设计时，首先要对结构进行总体设计，包括了对产品的结构设计和造型设计。

进行新产品的技术设计的主要步骤为：

产品技术设计的方法主要包括：

价值设计、优化设计、可靠性设计、宜人性设计、产品造型设计、系列化设计、机械性能设计、工艺性设计、自动化设计等。

产品技术设计过程中主要涉及的理论指导有：

价值工程学、最优化方法、工程遗传算法、可靠性理论与实验、人机工程学、模块化设计、有限元法、动态设计、摩擦学设计、机械设计的工艺基础、控制理论、智能工程、人工神经元计算方法、专家系统等。

（4）产品结构设计施工设计的主要步骤为：

零件工作图→部件装配图→技术文件。

产品造型设计施工设计的主要步骤为：

外观件加工工艺、画饰工艺规程→效果图、检验标准→造型工艺文件。

进行产品施工设计的主要方法有：

各种制造、装配、造型、装饰、检验等方法。

2、利用形态学矩阵和评价方法，建立合理的煤矿主通风机结构设计方案，并建立以费用为优化目标，系统可靠度不低于99%的主通风机结构设计优化数学模型？

答：

研究对象为煤矿主通风机

通风机是采煤通风系统中的重要设备。

主扇用于全矿井或矿井某一翼的通风，又叫主通风机。

辅扇是用于矿井通风网路中分支风路调节起风量的，是协助主通风机工作的。

局扇是用于矿井无贯穿风流没有打通的巷道的局部地点通风。

矿用风机在矿井通风中的功能包括，可以将足够的新鲜空气有效地送到井下工作场所，保证生产和良好的劳动条件；保证风流稳定，易于管理并具有抗灾能力；具有反转功能，在发生事故时，可由抽风改为送风，风流易于控制，人员便于撤出；可与环境及安全监测系统或检测措施相连接，实现自动控制等。

矿井主通风机的形态学矩阵

局部解

功能元

1

2

3

4

工作方法

抽出式

压入式

混合式

动力源

电动机

气动马达

液动机

风机叶片

单板型叶片

机翼型叶片

圆弧叶片

圆弧窄叶片

防爆技术

隔爆型

浇封型

气密型

无火花型

系统解的可能方案数

N=3×3×4×4=144种

现列出其中两种系统解为：

Ⅰ：

抽出式+电动机+单板型叶片+无火花型

Ⅱ：

压入式+电动机+圆弧叶片+隔爆型

评价与决策

现采用简单评价法。

用“++”表示“很好”，用“+”表示“好”，用“-”表示“不好”。

其评价结构表为

方案

评价准则

Ⅰ

Ⅱ

成本低

+

+

便于制造

+

-

结构简单

+

-

操作方便

-

+

安全性能高

+

-

总计

3“+”

1“-”

总计结果表明，方案Ⅰ为较理想的方案。

主通风机结构设计优化数学模型

1）确定设计变量

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称为可靠度。

可见，产品的可靠度是时间的函数，因此，以时间作为设计变量对产品进行可靠度优化设计。

2）目标函数

以费用为目标函数。

通风机的费用应该包括了购置的费用、保养的费用和维修的费用。

其中，购置的费用为一定值，而随着通风机的老化，保养费用和维修费用会逐渐增加。

所以，保养费用和维修费用也是关于时间的隐式函数。

记保养费用关于时间的函数关系式为，记维修费用关于时间的函数关系式为。

则通风机在其全寿命过程中的费用为：

3）约束条件

由可靠性设计知识可知，产品失效率定义为：

产品工作时刻尚未失效的产品，在该时刻以后的下一个单位时间内发生失效的概率。

它是时间的函数，又称为失效率函数，用表示。

式中，为开始时投入主通风机试验产品的总数；为时刻主通风机的失效数；为时刻产品的失效数；为时间间隔。

根据失效率的定义，可得

对上式分子分母各乘以，得

式中，为产品的可靠度，且。

对上式从0到积分，则得到

于是得

于是，系统可靠度不低于99%的主通风机结构设计优化数学模型为：

3、详细阐述利用有限元法及软件进行采煤机截齿结构强度和刚度安全性分析的过程？

答：

采煤机截齿结构如图1所示

图一：

采煤机截齿结构图

采用有限元进行采煤机截齿结构强度和刚度安全性分析的步骤大致可以分为三步（采用的有限元软件为ANSYS）：

第一步：

建立有限元模型：

建立有限元模型的步骤可以分为以下几个流程

1）指定工作文件名和标题名：

在建立工作文件名和标题之前，首先应修改工作路径，将所要进行的有限元分析保存在某一特定路径的文件夹中，以便查看和编辑所做的分析。

工作文件名的建立是在进入前处理器之前完成的，工作文件名也就是ANSYS为存储在工作空间中的文件取得名字。

标题名最直观的作用是用简洁的英文语句标示当前分析的某种信息，如分析对象、分析工况、分析性质等。

2）定义单元类型：

ANSYS提供了上百种不同的单元，为了方便用户正确识别这些单元，ANSYS建立了针对不同问题的单元类型，并根据单元类型的特点为每个单元命名。

单元命名格式为（单元类型前缀名+数字编号），其中的数字编号在ANSYS中是没有重复的。

定义单元类型的方法为，【mainmenu】（主菜单）→【preprocessor】（前处理器）→【element】（单元类型）→【add】（增加）→【edit】（编辑）→【delete】（删除），在弹出【elementtypes】（单元定义）对话框后，在弹出的对话框中选择需要的单元类型。

3）定义材料属性：

ANSYS中的所有分析都需要输入材料属性。

输入采煤机截齿的弹性模量和泊松比等。

具体方法为：

单击【mainmenu】（主菜单）→【preprocessor】（前处理器）→【materialProps】（材料属性）→【materialmodels】（材料模型），弹出【definematerialmodelbehavior】（定义材料模型）对话框后，单击右侧列表框中的结构模型【structure】（结构）→【linear】（线性）→【elastic】（弹性）→【lsotropic】（各向同性），表明要定义的材料是各向同性线弹性材料。

4）创建有限元模型：

ANSYS提供了两种方法来构建有限元模型，一种是首先创建或导入实体模型，然后对实体模型进行网格划分，以生成有限元模型；另一种是直接利用单元和节点生成有限元模型，但是第二种方法非常困难，因此，在实际中不实用也不常用。

本例中采用第一种方法建立采煤机截齿的有限元模型。

首先在SolidWorks软件中画出截齿的三维实体模型，然后将其导入ANSYS中并对实体模型进行网格划分。

建立采煤机截齿的有限元模型如图2：

图2：

采煤机截齿有限元分析模型

第二步：

加载和求解：

1）定义分析类型和设置分析选项：

ANSYS可以求解7种不同类型的分析，分别是静态分析，瞬态分析、谐振分析、模态分析、频谱分析、屈曲分析和子结构分析。

定义分析选项的方法为：

【mainmenu】（主菜单）→【solution】（求解器）→【analysis】（分析类型）→【newsanalysis】（新的分析）。

2）施加载荷：

按照模型受载荷的方式对进行网格划分后的实体模型进行加载。

3）设置载荷步选项：

确定载荷子步的个数，可以指定最大和最小载荷子步数或者最长和最短时间步数，对该选项进行控制。

4）求解：

选择合适的求解方法：

【mainmenu】（主菜单）→【solution】（求解器）→【analysistype】（分析类型）→【sol’ncontrols】（求解控制），弹出【solutioncontrols】对话框后选择合适的求解方法即可。

选择好求解器后可进行求解，方法为：

【mainmenu】（主菜单）→【solution】（求解器）→【solve】（求解）→【currentLs】（当前载荷步）。

第三步：

结果后处理和结果查看：

有限元完成计算后，需要查看分析结果。

分析结果的查看通过后处理来完成。

所谓后处理器，就是观察和分析有限元的计算结果，并从结果中判定计算是否正确。

ANSYS后处理器包括两个模块，通用后处理器POST1和时间历程后处理器POST2。

进入通用后处理器的方法为：

【mainmenu】（主菜单）→【generalpostproc】（通用后处理器）。

进入时间历程后处理器的方法为：

【mainmenu】（主菜单）→【timehistpostproc】（时间历程后处理器）。

4、选择某传动齿轮轴，详细阐述进行该传动齿轮轴机械强度可靠性设计过程（分别按照静强度、疲劳强度进行计算过程阐述）？

静强度可靠性设计

可靠性设计的基本出发点是零件材料的极限应力Slim服从于概率密度函数f（S）的随机变量，而作用于零件危险截面上的工作应力L服从与概率密度函数g（L）的随机变量。

并用强度-应力干涉理论计算出零件的可靠度或设计出在规定可靠度下零件的基本尺寸。

用f（S）和g（L）分别表示齿轮轴的强度和应力的概率密度函数。

定义可靠度为

由应力-强度干涉模型可得强度小于应力的概率为

强度和应力均为独立的随即变量。

因此失效概率为

则齿轮轴的可靠度为

经过大量的试验分析，齿轮轴的强度和应力的概率密度函数服从于正态分布，即

，

根据齿轮轴强度可靠度的定义，令，由于S和L均是随即变量，所以t也是随机变量并服从于正态分布。

其概率密度函数用来表示，所以

根据随机变量正太分布的运算法则

，

所以，齿轮轴强度的可靠性为

令，则上式为。

令，则齿轮轴的强度可靠度计算式为。

称为强度应力耦合方程。

在工程设计中，由于荷载和应力的现行设计方法具有一定的误差，同时考虑零件的重要程度，实际计算时往往引入强度储备系数N（N>1），所以上式为。

只要计算出强度和应力的均值和方差，即可用耦合方程计算出齿轮轴的可靠度。

同样可以设计出在规定可靠度下的轴的几何尺寸。

疲劳强度可靠性设计

在常规疲劳强度设计中，所用的疲劳极限线图是用各种应力比下的均值画出的，是一条曲线。

而