现代机械的设计方法有哪些?

执着等待等wc · 发表于 2024-2-1 10:12:13

现代机械的设计方法有哪些?

机械设计的现代设计方法：
一、专业现代
由机械设计和计算机专业人员共同开发的计算机软件，能够反映和描述机械产品在实际工况下的各种损伤、失效和破坏的机理，可以定量分析和计算机械零件和机械的动态行为，并形成固定的设计程序，这就是专业的现代设计方法，如：振动分析和设计，摩擦学设计，热力学传热设计，强度、刚度设计，温度场分析等等。这些软件都是在传统的设计方法基础上，应用计算机技术开发出来的。例如：用Pro/M软件分析机械装置的动态特性，用ANSYS软件分析应力都是这方面很好的例子，为准确判断装置的可靠性和选择设计参数奠定了基础。
二、通用现代
为了满足机械产品性能的高要求，在机械设计中大量采用计算机技术进行辅助设计和系统分析，这就是通用的现代设计方法。常见的方法包括优化、有限元、可靠性、仿真、专家系统、CAD等。这些方法并不只是针对机械产品去研究，还有其自身的科学理论和方法。
1、优化设计
机械优化设计是最优化技术在机械设计领域的移植和应用，其基本思想是根据机械设计的理论，方法和标准规范等建立一反映工程设计问题和符合数学规划要求的数学模型，然后采用数学规划方法和计算机计算技术自动找出设计问题的最优方案。它是机械设计理论与优化数学、电子计算机相互结合而形成的一种现代设计方法。
2、仿真与虚拟设计
计算机仿真技术是以计算机为工具“建立实际或联想的系统模型”并在不同条件下对模型进行动态运行实验的一门综合性技术。而虚拟技术的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。这种方法不但缩短产品开发周期，也实现了缩短产品开发与用户之间的距离。
3、有限元设计
这种方法是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。它不仅能用于工程中复杂的非线行问题、非稳态问题的求解，而且还可用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力分析，并能准确地计算形状复杂零件的应力分布和变形，成为复杂零件强度和刚度计算的有力分析工具。
4、模糊设计
它是将模糊数学知识应用到机械设计中的一种设计方法。机械设计中就存在大量的模糊信息。如机械零部件设计中，零件的安全系数往往从保守观点出发，取较大值而不经济，但在其允许的范围内存在很大的模糊区间。机械产品的开发在各阶段常会遇到各种模糊问题，虽然这些问题的特点、性质及对计策的要求不尽相同，但所采取的模糊分析方法是相似的。它的最大特点是，可以将各因素对设计结果的影响进行全面定量地分析，得出综合的数量化指标，作为选择决断的依据。
机械设计是机械工程的重要组成部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能的最主要的因素。机械设计的努力目标是：在各种限定的条件(如材料、加工能力、理论知识和计算手段等)下设计出最好的机械，即做出优化设计。优化设计需要综合地考虑许多要求，一般有：最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠性、最低消耗和最少环境污染。这些要求常是互相矛盾的，而且它们之间的相对重要性因机械种类和用途的不同而异。设计者的任务是按具体情况权衡轻重，统筹兼顾，使设计的机械有最优的综合技术经济效果。过去，设计的优化主要依靠设计者的知识、经验和远见。随着机械工程基础理论和价值工程、系统分析等新学科的发展，制造和使用的技术经济数据资料的积累,以及计算机的推广应用,优化逐渐舍弃主观判断而依靠科学计算。

1）信息论方法, 如信息分析法、技术预测法等。它是现代设计方法的前提。

2）系统论方法, 如系统分析法、人机工程以及面向产品生命周期的设计。

3）控制论方法, 如动态分析法等。

4）优化论方法, 它是现代设计方法的目标。

5）对应论方法, 如相似设计、反求工程设计等。

6）智能论方法, 如CAE 、并行工程、人工智能等是现代设计方法的核心。

7）寿命论方法, 如可靠性设计、价值工程和稳健性设计等。

8）离散论方法, 如有限元和边界元方法。

9）模糊论方法, 如模糊评价和决策等。

10）突变论方法, 如创造性设计等。它是现代设计方法的基础。

11）艺术论方法 , 如艺术造型等。

（1）功能分析法
在20世纪50年代，GE公司的Miles工程师提出了功能分析法的概念，这个概念具体是要将功能抽象化。在机械产品的设计过程中，通过原理来反推产品的设计过程，最终要实现具体的功能。功能分析法可以让设计者对加深对产品的理解。在这一套流程中，首先要对归纳出产品需要实现的总功能，然后将总功能按照先后关系划分为许多子功能，最终选择相关的机构来实现子功能，在这一过程中，因为每个子功能的可执行方案很多，从而可以获得多种可行性方案。如图1是功能分析法的原理示意图。

图1 功能分析法

（2）黑箱法
20世纪40年代，W.R. Ashby提出黑箱的概念。Pahl G, Beitz W利用该概念也是首先把总功能分解成子功能，紧接着在子功能的基础之上找到可执行功能机构，进而形成树状结构。黑箱顾名思义就是看不见内部结构，在输入输出都已经很明确的情况下，来利用黑箱的功能进行设计。图2就是黑箱的原理示意图。
黑箱法的设计诸多特点：1）对各个分功能以影响水平为因素进行评级，必要功能和基本功能作为最需要被满足的功能，其影响水平等级应该划分更高，至于附加功能作，其是在基础功能以上的扩展可有可无，对以分配较低的影响水平；2）用合适的功能载体将子功能合理表现出来，从而实现对必要功能和基本功能加以抽象的表达；3）整个设计系统的基本功能以及满足功能的相关约束条件要清晰的认识，从而找到设计过程中的主要矛盾并对此加以解决。
黑箱法解题思路：1）把总功能拆分为不同等级的分功能，；2）根据分功能建立相关原理结构图； 3）将每个子功能原理结构进行综合。

图2 黑箱法
（3）设计目录法
设计目录法旨在建立一个具有设计方案资料信息存储库。这个存储库可以对内部的设计资料进行分类处理。计算机作为存储终端，可以把工程所熟练应用的设计信息进行存储、传送，从而建立丰富的数据库。另外在这种数据库结构还要采用系统工程的方法从而对数据进行更快捷的提取和存入，进而在对设计方案的搜索时可以做的有的放矢。
（4）形态学矩阵法
瑞士天体物理学家Zwicky提出的形态学矩阵法可以结合分析所提出问题的所有可行性方案，该方法以功能分解为基础，以数学矩阵法和功能法为基本原理，可以让系统实现程序化的归纳分析。H Qin在该方法上作进一步探讨，加上数学建模方法使得分析的结果对汽车白身的设计有很大的好处。在形态学的概念之中，创新并不是创造从来没见过的东西，而是在现有东西基础之上来进行组合，从而设计出不同方案来实现创新。因素和形态作为在这套方法中的主要参数；其中因素是以上提到的功能分析法中被设计的机构的功能，形态是每个分功能的技术载体。总而言之，形态学矩阵法主要就是对不同的产品首先进行功能分析，然后对分解的子功能进行求解，最后对所有的可执行方案进行综合设计，其主要手段以功能分解和功能解。如表1是其建模过程。
形态学矩阵方法的实现流程：拆分总功能、构想形态和求解功能、方案综合、方案选优。

产品成型前的方案设计是重中之重，在整个方案设计过程中最主要是分析功能、筛选执行机构并进行组合从而找到最优解。此课题应用以上方法首先对真空吸吊机功能进行分解，然后找到分功能的可行性机构并进行功能组合从而获得更多的方案。