现代机械设计方法

现代产品设计理论与方法的发展现状及发展趋势摘要：本文论述了现代设计方法的主要内容和主要特点。随着科学技术的飞速发展和人们对产品要求的提高,现代设计方法变得越来越重要,而且将会是各学科群之间相互交叉渗透的一门综合性学科。起重机作为生活中常用的工具，其设计方法也进入创新，高质量，高效率的新阶段。【关键词】：机械设计方法起重机一．现代设计方法根据目前国内外设计学者进行机械产品方案设计所用方法的主要特征，可以将机械产品方案的现代设计方法概括为以下；1.系统化设计方法系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。现代制定的机械产品方案设计进程模式，基本上沿用了德国标准VDI2221的设计方式。2.结构模块化设计方法这种方法从规划产品的角度提出：定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品解（如通用零件部件等）描述设计任务，即分解任务时就考虑每个分任务是否存在对应的产品解，这样，能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具有新型解的专用功能只是少数，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、制造风险十分有利。3.基于产品特征知识的设计方法基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。这种设计方法主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。4.智能化设计方法智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。在利用数学系统理论的同时，考虑了系统工程理论、产品设计技术和系统开发方法学VDI2221，研制出适合于产品设计初期使用的多媒体开发系统软件MUSE。比如在进行自动取款机设计时，把产品的整个开发过程概括为“产品规划”、“开发”和“生产规划”三个阶段，并且充分利用了现有的CAD尖端技术——虚拟现实技术。5.有限元设计方法有限元法是根据变分原理求解数学物理间题的一种数值计算方法,随着计算机的发展,在工程领域得以广泛应用。一般传统设计计算方法局限性很大,仅能进行粗略简化分析,载荷工况只有有限的几种,无法随意组合,大多只能分析静力。采用有限元法则优越得多,能整体、全面、多工况随意组合,进行静力、动力、线性和非线性分析,对完成复杂结构或多自由度系统的分析十分有效。有限元法能针对起重机实际使用的结构边界条件进行定量的分析计算,为设计提供丰富的、反映实际工况的计算结果,并可配有丰富的动态图形显示功能。例如对桥式起重机桥架进行计算,传统方法是将其分解为主梁和端梁两部分,并简化为简支梁计算,精确度不高。采用有限元法,可将桥架作为一个整体框架计算,并可分别进行静力和动力分析,给出局部的应力值。对于大型起重机和特殊、关键零部件的设计计算及局部应力分析,采用有限元法。6三次设计方法三次设计是由日本著名学者田口玄一博士于70年代创立的。无论设计一个新产品还是一种新工艺,可分三个阶段进行:第一阶段为系统设计即功能设计,提出初始设计方案,确定产品基本结构,使产品达到所要求的功能。第二阶段为参数设计,是产品设计的核心,通过选择系统中各可控因素的最佳水平组合,即探求参数的最佳搭配，从而尽量减少各种干扰的影响,提高产品性能的稳定性。第三阶段为容差设计,由于各零部件成本低、参数性能波动范围较大,容差设计是在考虑各零部件性能的波动对产品整机特性影响以后,在不增加总损失的前提下,通过控制影响大的主要误差因素本身的波动来改善产品整机性能的稳定性。三次设计的基本思想是用正交表安排试验方案,用误差因素模拟各种干扰,以动态特性的SN比作为衡量产品质量特性稳定性的指标,用廉价零部件组装质量上乘、成本低廉、性能稳定可靠的产品。值得一提的是：上述各种方法并不是完全孤立的，各类方法之间都存在一定程度上的联系，如结构模块化设计方法中，划分结构模块时就蕴含有系统化思想，建立产品特征及设计方法知识库和推理机时，通常也需运用系统化和结构模块化方法，此外，基于产品特征知识的设计同时又是方案智能化设计的基础之一。在机械产品方案设计中，视能够实现特定功能的通用零件、部件或常用机构为结构模块，并将其应用到系统化设计有关层次的具体设计中，即将结构模块化方法融于系统化设计方法中，不仅可以保证设计的规范化，而且可以简化设计过程，提高设计效率和质量，降低设计成本。可以说，机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进，由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚，目前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计工具软件。二.有限元设计方法在起重机卷筒设计中的运用起重机是由机械、结构、电气、液压等四大部分组成，目前我国起重机设计主要采用许用应力法，所设计的起重机虽能保证安全但结构笨重很不经济。现在国外已开始采用极限状态法进行起重机设计，大大降低了起重机自重。当然现代设计方法较多，可以在进行起重机整机、结构、机构、电气和液压设计时采用适宜的现代设计方法。如：对起重机金属结构的设计可考虑有限元设计方法及最优化设计方法，以最低限度减轻起重机自重和降低能耗；对起重机电器部件及电气系统设计时可考虑采用可靠性设计方法，提高系统的可靠度；对起重机零部件（包括液压元件）和机构设计可考虑采用可靠性设计法和创新设计方法，不断提高可靠度及零部件和机构的创新能力，使零部件和机构越来越精巧；为了考虑快速推出新产品，在对起重机进行设计时，可考虑广泛运用并行设计方法；对超大型设备还可考虑计算机仿真与动态模拟方法。考虑现代社会的环保要求，绿色设计方法也需推广。下面介绍有限元在卷筒设计中的应用。1.基于有限元法的卷筒的优化设计起升机构的卷筒用以收放钢丝绳，把原动机的驱动力传递给钢丝绳，并将原动机的回转运动变为直线运动。起重机械中主要采用圆柱形卷筒。在缠绕式起升机的设计中，卷筒强度问题一直是一个比较大的问题，根据有关部门的调查，国内使用期限达10年以上的提升机，其中80％发现有卷筒开裂、塌陷、开焊或连接螺钉剪断等现象。而卷筒往往体积和重量都较大，因此，正确分析卷筒内部应力的特征，以便有针对性地设计合理的卷筒结构，对减轻卷筒重量、节省材料，有着重要的意义。由于起升机卷筒的直径很大，尽管筒壁很薄，但其截面惯性矩仍很大，故没有缠绕到筒壁上的钢丝绳拉力在筒壁上所引起的剪应力和弯曲应力相对很小，一般将此两项应力忽略不计。因此，卷筒内部的应力主要表现为沿卷筒径向分布的压应力。这只是对单层缠绕卷简进行分析得出的结论，当缠绕层数增加时，卷简沿径向分布的压应力还会增大，还需乘上一个多层缠绕系数。与其它应力相比，差距更加显著。2.卷筒有限元建模时的处理方法有限元分析结果的可信度高低直接受分析模型、载荷处理、约束条件等和实际工程结构力学特性符合程度的影响，建立有限元模型时既要如实的反映实际结构的重要力学特性，又要尽量采用较少的单元和简单的单元形态，以保证较高的计算精度及缩小解题规模。3.基于ANSYS的卷筒优化设计ANSYS软件的优化设计功能允许优化任何方面的设计变量和约束变量，它是一种寻找确定最优设计方案的技术，一般可进行目标优化和拓扑优化。目标优化设计是一种通过迭代试算以确定最优设计方案的技术，其目标是在满足所有设计要求的条件下，追求目标量的支出最小；拓补优化实际上是一种模型的几何构形的优化，某些情况下也可以称之为“布置”优化，其目标是在受到给定约束的情况下，为了使某个目标准则最大或最小而寻求实体的材料的最佳使用方案。优化设计过程如图所示．ANSYS程序主要提供了两种优化的方法(零阶方法和一阶方法)，这两种方法可以处理绝大多数的优化问题．零阶方法是一个很完善的处理方法，可以很有效地处理大多数的工程问题．一阶方法基于目标函数对设计变量的敏感程度，因此更加适合于精确的优化分析。对于这两种方法，ANSYS程序提供了一系列的分析—评估—修程。就是对初始设计进行分析，对分析结果根据设计要求进行评估设计．这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止。三．现代设计方法研究的发展趋势由于国际化市场的激烈竞争和用户对产品的功能、质量、价格、供货期、售后服务等要求越来越高，以及高新技术的飞速发展，以信息科学与微电子技术为代表的现代科学技术对制造业的渗透、改造和更新，使传统的制造技术演变成为一门涵盖从产品设计、制造、管理、销售到回收再生的全过程，跨多个学科且高度复杂化、集成化的先进制造技术。柔性自动化，智能化，并行工程，虚拟制造，精密、微细加工等，是当今先进制造技术的发展趋势。现代设计技术是现代制造技术的主体技术之一，也是先进制造技术的核心与灵魂，必将伴随着先进制造技术的发展，计算机和信息技术的进步，制造业生产模式的变革，竞争与合作的全球化，人们对生态环境、资源的关切和对产品品质多样化等方面的要求，而发生着深刻的变化。展望现代设计技术的发展趋势，大致有以下几方面：1.设计过程的数字化，不仅要完善工程对象中确定性变量的数学描述和数学建模，而且更要研究非确定性变量，包括随机变量、随机过程、模糊变量（人的智能、初始设计参数模型及加载求解参数化结果分析文件设计域搜索运行优化设计经验、创造力、语言及政治、经济、人文等社会科学因素）等的数学描述和数学建模。2.设计过程的自动化和智能化研究。健全、研究、发展各种类型的数据库、方法库和知识库，及自动编程、自学习、自适应等高级商品化软件的研制，如研究设计知识、数据、信息的获取与处理技术、智能CAD人工神经网络专家系统的模型和应用软件等。3.动态多变量优化和工程不确定模型优化（模糊优化）、不可微模型优化及多目标优化等优化方法与程序的研究，并进一步发展到广义工程大系统的优化设计的研究。4.网络化并行设计及协同设计技术、方法及软件的研究。5.虚拟设计和仿真虚拟试验及快速成形技术的深入研究，是一种以计算机仿真为基础，集计算机图形学、智能技术、并行工程、人机工程、材料、成形工艺、光电传感技术和多媒体技术为一体的综合学科研究。6.微型机电系统的设计理论及设计方法和技术的研究，如智能计算、纳米技术、微型机器人系统及微型机械系统的设计计算。7.面向生态环境的绿色设计理论与方法的研究，如绿色产品的设计、清洁化生产过程的设计、产品的可回收性设计等。8.注重基础性设计理论及共性设计技术的深层次研究。基础性设计技术，如动态设计、疲劳设计、防断裂设计、减摩和耐磨设计、防腐蚀性设计及运动学、动力学、传动技术、弹塑性理论等，是许多现代设计技术的知识源泉和数学建模的理论基础。参考文献[1]任开立,顾建辉.机械产品方案的现代设计方法分析[J].黑龙江科技信息,2010(24).[2]米宝山,李雪莉.浅析虚拟制造技术及应用[J].科技信息,2011(21).[3]李为琴.现代机械产品设计方法[J].实验室科学,2007(01).[4]须雷.起重机模块化设计.起重机运输，1990(7).[5]何风梅．缠绕式提升机卷筒强度的有限元优化设计．硕士学位论文．辽宁工程技术大学．2002：12．[6]沈敏粮．起重机起升卷筒多层缠绕的设计方法[J]．起重运输机械．2004。(4)．