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产品结构设计西北工业大学工业设计系吴通结构设计构型设计机构设计机械设计ConfigurationDesignStructuralDesignMechanicalDesignProductDesign概述1、绪论2、自然的结构3、人造物的结构4、静态结构5、动态结构6、结构创新设计1、绪论结构是产品设计中应该特别加以重视的环节。产品的结构决定了产品的功能、同时也丰富着产品的形态。结构设计是产品设计中技术设计阶段的一个重要环节，它是在总体设计的基础上，根据选定的原理方案，确定满足功能要求的零部件结构、尺寸、材料、加工工艺、热处理方式等。现代产品结构设计要满足产品的物质功能要求、精神功能要求、技术要求、工艺要求、经济要求、社会要求等。因此，产品结构的设计是涉及问题最多、最具体、工作量最大的阶段之一。产品结构具有层次性、有序性和稳定性的特点。①层次性存在于任何产品之中，只是产品的复杂程度不同，层次也有多少。1.1、产品结构的特点产品结构具有层次性、有序性和稳定性的特点。①层次性存在于任何产品之中，只是产品的复杂程度不同，层次也有多少。②有序性是指产品结构各个部分之间的组合和联系是按照一定的要求，有目的、有规律的建立起来的。③稳定性保障产品的牢固性、安全性、可靠性和可操作性等诸方面的性能。1.1、产品结构的特点①实践性实践性是结构设计的源泉与归宿。一方面，有实际的问题需要解决，才有结构设计的必要和改进。另一方面，实践经验又帮助设计师优化设计、创新结构。1.2、产品结构设计的特点销连接的结构优化冲压件的结构优化②细节性结构设计是一种细节设计。与原理方案相比，结构设计是通过细节设计来兼顾产品的各种设计约束。1.2、产品结构设计的特点结构的合理性存在与细节之中③多样性改变零件本身的结构：形态、位置、数量、尺寸、材料、连接、运动方式等，可以得到尽可能大的结构设计方案解空间。这是结构优化和创新设计的重要前提。④创新性市场竞争的必然结果。1.2、产品结构设计的特点1.3、静态产品&动态产品产品的基本结构要素可分为以下三种：①外部结构——通过材料和形态来体现（静、动态不同）②内部结构——往往和复杂的技术有关1.4、产品的基本结构分类产品的基本结构要素可分为以下三种：①外部结构——通过材料和形态来体现（静、动态不同）②内部结构——往往和复杂的技术有关③系统结构——产品之间及产品与部件之间的关系（分体结构、系列结构、信息结构等）1.4、产品的基本结构分类概述1、绪论2、自然的结构3、人造物的结构4、静态结构5、动态结构6、结构创新设计2、自然的结构人类通过认识自然从而改造自然。概述1、绪论2、自然的结构3、人造物的结构4、静态结构5、动态结构6、结构创新设计3、人造物的结构人造物是从远古时期人类的祖先智人打制第一块石器开始的，一直到现在的先进加工技术，其结构原理却无非以下三个因素。3.1功能因素3.2生理因素3.3文化因素3.1功能因素对功能因素最具权威的注释就是“功能决定形式”，从这一点上来看，这是符合当时的社会生产力水平的，同时也是最朴素的造物观点。另一方面，满足一定功能的产品并不仅仅具有特定的单一形态，从这个意义上说，“形式追随销售”并无不妥。这里面深层次的问题是对“功能”的理解。黄花梨“宝座”净重：1.6吨尺寸：主座长2.6米高1.8米用材：主座靠背2-3拼，其它全独板工艺：全手工雕刻耗时：三年级别：有可能是中国最大的黄花梨宝座售价：1800万元人民币3.2生理因素人们在创造器物的时候，主要是从自身的尺度出发来设计的。丹麦著名设计师汉宁森在战后设计了许多新型的PH灯具系列，具有极高的美学质量，但这种美的造型来自于照明的科学原理，而不是由于附加的装饰，因而使用效果非常好。特别是他设计的PH-5吊灯和PH洋蓟吊灯取得了很大成功，至今畅销不衰。“PH”是丹麦设计师保罗•汉宁森（PoulHenningsen，1894-1967）名字的简称。汉宁森设计的“PH”灯具不仅是斯堪的纳维亚设计风格的典型代表，也体现了艺术设计的根本原则：科学技术与艺术的统一。这一设计早在1925年的巴黎国际博览会上，便作为与著名建筑师勒·柯布西耶的世纪性建筑“新精神馆”齐名的杰出设计而获得了金牌，并且至今仍是国际市场上的畅销产品。成为诠释丹麦设计“没有时间限制的风格”的最佳注脚。PH灯具的重要特征是：1.所有的光线必须经过一次反射才能达到工作面，以获得柔和均匀的照明效果，并避免清晰的阴影；2.无论从任何角度均不能看到光源，以免眩光刺激眼睛；3.对白炽灯光谱进行补偿，以获得适宜的光色；4.减弱灯罩边沿的亮度，并允许部分光线溢出，以防止灯具与黑暗背景形成过大反差，造成眼睛不适。PH灯具的优美造型正是这些特点的直接反映。汉宁森1925年设计的PH灯3.2生理因素“风水”3.3文化因素产品结构设计做为人类实践活动中的手段历来被以“文化”的方式传承下来，并成为了“文化”的组成部分被传承下去。概述1、绪论2、自然的结构3、人造物的结构4、静态结构5、动态结构6、结构创新设计4、静态结构常见的静态结构有以下六种形式。4.1折叠结构4.2契合结构4.3连接结构4.4壳体结构4.5弹力结构4.6气囊结构4.1折叠结构自然的启示，生物通过改变自身形状的尺寸来满足生存发展的需要：变小为了隐身、保护和休息；变大为了示威、欺骗、争取资源。4.1.1折叠的类型折重叠式——一次性纸杯、碗、碟、椅子、脸盆套式——俄罗斯套娃、望远镜、收音机天线卷式——钢卷尺、钓鱼线、卷闸门、卷筒纸、布匹、木工墨斗轴心式——折扇、雨伞、瑞士军刀、折叠自行车、折叠沙发等平行式——手风琴、纸灯、皮老虎、拉闸门、机场活动通道叠折叠轴心式——以一个或多个轴心为折点的折叠结构。StellaMcCartney的木质手包平行式——利用几何学上的平行原理进行折叠的结构。重叠式——同一种物品在上下或者前后可以相互容纳从而便于重叠放置。套式——通常是由一系列大小不同但形态相同的物品组合在一起。卷式——可以使物品重复的展开与收拢。4.1.2折叠结构的价值①有效利用空间②便于携带③一物多用（折叠餐桌）④安全（折叠剪刀、折叠刀）⑤降低储运成本⑥便于分类管理4.2契合结构契合是指两个物件个体互相咬合的一种结构形式。4.2.1契合结构的类型榫卯拉链拼图契合榫卯——中华民族智慧的结晶，契合结构的典型代表。拉链——美国人智慧的结晶，人类造物史上的重大发明。拼图——以七巧板为代表的益智玩具。4.2.2契合结构的价值①有效利用材料②有利于组合与排列③便于归类整理4.3连接结构连接结构的运用几乎存在于所有的产品结构之中。可拆连接铆接焊接粘接插接——皮带扣、纸盒、塑料盒盖等锁扣——手机盖、电池盖、塑料包装搭扣、包袋扣等螺旋——器皿盖、管道箍等固定连接连接插接——在连接构件上的相应插装部位进行连接。锁扣——靠材料本身的弹性实现的连接。螺旋——螺旋结构操作简单、可靠性强。铆接——通过在构件上打孔再用铆钉铆合的连接方式。焊接——机械加工中常用的方式之一。焊接的缺点是：①造型能力差，须借助辅助件造型；②加工精度低；③焊接产生内应力，容易变形。粘接——广泛运用的不可拆卸的连接方式。4.4壳体结构壳体结构具有轻巧、坚固，并能节省材料的特点。4.4.2壳体结构的特性①壳体表面多为曲面，可以将载荷传递至支撑。②壳体结构难以抵抗集中载荷。③壳体形态饱满而富有力度、灵巧而富有动感，审美感较强。4.5弹力结构弹力结构是利用材料的弹性来形成结构。4.5.2弹性结构的特性①必须在外力的作用下，弹力结构才能发生作用。②弹力具有双向性，既有“拉”，又有“压”。③细长的材料，收到两端的压力时，容易弯曲；收到两端的拉力时，能发挥很大的抵抗力。所以细长材料更能发挥“拉”的力学效应。4.6气囊结构气囊结构指的是能承受周围空气压力、传递和释放外力，并使柔性的薄膜材料充气后成为一个匀质而有弹性的结构体。4.6.2气囊结构的特性①该结构必须具有抗压作用，且不漏气。②结构体内部各个部位的气压必须保持均衡稳定，从而保证充气后褶皱少，饱满而挺拔。③结构体内部空间要贯通，以最大限度发挥气囊整体的支撑作用。概述1、绪论2、自然的结构3、人造物的结构4、静态结构5、动态结构6、结构创新设计5、动态结构设计主要研究内容：构件间可动联接（MovableConnector）的型式及其运动和传力特征。1）构件（Link）机械的运动单元，传递运动和力的载体。实例：内燃机中的缸体、活塞、连杆、曲轴等。5.1机构的组成内燃机连杆一个构件也可以由几个零件刚性联接组成。实例：连杆由连杆体、轴瓦、连杆盖、螺栓、垫圈、螺母、连杆衬套等相互刚性联接组成。连杆体连杆盖螺栓垫圈螺母连杆衬套轴瓦零件(Part)是机械的制造单元。内燃机连杆2）运动副（Kinematicpair）两个构件以一定几何形状和尺寸的表面相互接触所形成的可动联接。运动副元素(Pairelement)：两个构件上相互接触的表面。约束(Constraint)：运动副对构件间的相对运动自由度所施加的限制。特点：•具有较多的自由度，易于构件的自动调整，保持静定特性。•接触应力大，易变形、易磨损、承载能力低。•制造比较困难。适用场合：•结构简单，运动精度要求较高，受力较小。构件的不同接触形式点接触(Pointcontact)线接触(Linecontact)面接触(Areacontact)特点相当于多点接触，承载能力较高，应用广泛。运动副的自由度一般较低，其接触状况对尺寸、形状及相对位置误差十分敏感，实际接触及受力状况难以准确确定，需要较高的制造精度。保证运动副可靠工作的措施●提高表面硬度●正确选用材料●添加润滑剂●加入中间体,将滑动摩擦改为滚动摩擦运动副的分类●按运动副的接触形式分类面与面接触的运动副—低副(Lowerpair)点、线接触的运动副—高副(Higherpair)●按两构件相对运动的形式分类平面运动副(Planarkinematicpair)空间运动副(Spatialkinematicpair)●按接触部分的几何形状分类圆柱副、球面副、螺旋副、球面–平面副、平面–平面副、球面–圆柱副、圆柱–平面副等等。运动副举例球面–平面副Sphere-planepair空间I级高副圆柱–平面副Cylinder-planepair空间II级高副球面副Sphericalpair空间III级低副球销副Sphere-pinpair空间IV级低副圆柱副Cylindricpair空间IV级低副螺旋副Helicalpair空间V级低副转动副Revolutepair平面V级低副轴承Bearing铰链Hingedjoint移动副Prismaticpair,Slidingpair平面V级低副平面机构是应用最广泛的机构。点、线接触的平面运动副—平面高副面接触的平面运动副—平面低副转动副移动副滚动副凸轮副齿轮副至少1个1个构件的类型原动件(Drivinglink)—机构中按给定运动规律运动的构件，也称为输入构件(Inputlink)。从动件(Drivenlink,Follower)—其余的可动构件。具有预期的运动规律、对外完成某种工艺动作的从动件也称为输出构件(Outputlink)或执行构件(Executivelink)。机架(Fixedlink,Frame)—固定不动的构件。机构机架原动件从动件系统画构件时应撇开构件的实际外形，而只考虑运动副的性质。5.2常用机构及其设计1）棘轮机构2）槽轮机构3）擒纵轮机构4）凸轮式间隙运动机构6）非圆齿轮机构5）不完全齿机构7）螺旋机构8）万向铰链机构一、棘轮机构的组成及其工作原理组成：摆杆、棘爪、棘轮、止动爪。1）棘轮机构工作原理：摆杆往复摆动，棘爪推动棘轮间歇转动。优点：结构简单、制造方便、运动可靠、转角可调。缺点：工作时有较大的冲击和噪音，运动精度较差。适用于速度较低和载荷不大的场合。作者：潘存云教授棘轮摆杆棘爪止动爪作者：潘存云教授外缘棘轮类型按轮齿分布：外缘、内缘、端面棘轮机构。二、棘轮机构的类型与应用作者：潘存云教授端面作者：潘存云教授内缘作者