第七章结构方案的创新设计

第七章结构方案的创新设计范兴铎工程学院•机械结构设计的任务是在总体设计的基础上，根据所确定的原理方案，决定满足功能要求的机械结构，需要决定的内容包括结构的类型和组成，结构中所有零部件的形状尺寸，位置，数量，材料，热处理方式和表面状况，所确定的结构除应能够实现原理方案所规定的动作要求外，还应能满足设计对结构的强度，刚度，精度，稳定性，工艺性，寿命，可靠性等方面的要求。•机械结构设计的重要特征之一是设计问题的多解性。•机械结构设计的任务是在众多的可行结构方案中寻求较好的或最好的方案。7.1结构方案的变异设计•就是从一个已知的可行结构方案出发，通过变换得到大量的可行方案，通过对这些方案参数的优化，得到多个局部最优解，再进行比较分析，得到较优解或全局最优解。•目的要求满足设计要求的独立的设计方案，以便对其进行参数优化设计，通过变异设计所得到的独立的设计方案数量越多，覆盖的范围越广泛，通过优化得到全局最优解的可能性就越大。•基本方法：首先通过对结构设计方案的分析，得到一般结构设计方案中包含的技术要素的构成。•然后，再分析每一个技术要素的取值范围，通过对这些技术要素在各自的取值范围内的充分组合，就可以得到足够多得独立的设计方案。•目的：为设计提供大量的可供选择的设计方案，使设计者可以在其中进行评价，比较和选择，并进行参数优化。•一般机械结构的技术要素：几何形状，零件之间的联结和零件的材料及热处理方式。功能面的变异•机械结构的功能面主要是靠机械零部件的几何形状及各个零部件之间的相对位置关系实现的。•表面构成形状，一个零件有多个表面，与其他零部件相接触的表面，与工作介质或被加工物体相接触的表面为功能面。•功能面决定机械功能，是零部件设计的核心问题。•零件几何形状的变异设计主要是功能面的变异。•主要参数有表面的形状，尺寸的大小，表面数量，位置，顺序等。•钉子有平头，钉杆环纹，钉尖锐利，钉头抛光柱型，可以凹陷入木材，美观，钉杆倒刺环纹联结可靠。钉杆螺纹型，钉尖鸭嘴型。联结的变异•零件通过联结组成机器•通过联结限制零件的某些自由度，保留机器的功能所必须的自由度，使机器在工作中能够实现确定形式的运动关系。•联结的作用是通过零件的工作表面与其他零件的相应表面的接触实现的，不同的接触表面采用不同的联结，所施加的紧固力不同，从而对零件的自由度形成不同的约束。•销联结，平键联结，半圆键，花键，切向键，成形连接，楔键，顶丝，过盈等。支撑的变异•支撑的变异设计包括支点位置变异和支点轴承的种类及其组合的变异。•两支撑•两轴承支撑的组合•支点承受轴向载荷的方式。材料的变异•不同的材料具有不同的性能，不同的材料对应不同的加工工艺，结构设计既要根据功能的要求合理地选择适当的材料，又要根据材料的种类，确定适当的加工工艺，并根据加工工艺的要求确定适当的结构。•设计者要充分地了解所选材料的力学性能，加工性能，使用成本等信息。•塑料强度刚度低易老化，作连接件的避免尖角，优先使用圆形或梯形螺纹。•链条冲击加橡胶垫7.2提高性能的设计•性能参数：强度，刚度，精度，工艺性•一、提高强度刚度的设计•正确的设计可以减小单位载荷所引起的材料应力与变形量，提高结构的承载能力。•在外载荷不变的其情况下，降低机构受力是提高强度和刚度的有效措施。载荷分担载荷平衡•减小应力集中•应力集中是影响承受交变应力的结构承载能力的重要因素，应设法缓解应力集中。•零件截面形状的变化越突然，应力集中就越严重。结构设计中应尽力避免使结构受力较大的零件形状突然变化。•由于结构定位等功能的需要，在绝大部分结构中不可避免的会出现结构尺寸及形状的变化，这些变化都会引起应力集中，应避免多种应力源集中。•减小接触应力•高副接触强度和刚度都与接触点的综合曲率半径有关，设法增加接触点的综合曲率半径是提高工作能力的重要措施。提高精度的设计•误差均化•在机构中如果有多个联结点同时对一种运动起限制作用，则运动件的运动误差决定于各联结点的综合影响，其运动精度高于一个联结点的限制作用，如螺纹。•误差合理配置•机床主轴结构设计中，主轴前端（工作端）的旋转精度是重要的设计目标，前支点影响主轴大，故前支点精度选择比后高一级。•误差的传递•误差的累积，但影响程度不一样，减速传动，最后一级影响大，增速传动，第一级影响大，故影响后的一级精度应设计的高一些。•误差补偿•温度变化，受力，磨损等因素使零件的形状及相对位置关系发生变化，是不可避免的，但好的设计可以减少这些因素的影响，进行补偿。•采用误差较小的近似机构•采用近似机构时，会引入误差，应采用近似性较好的近似机构来减少原理误差。提高工艺性的设计•制造，安装，运输，维修，调整等易于进行。•1、方便装卡•加工时预留装夹面，少的装卡次数就可以完成加工。•零件上工作时不起作用，只是为了实现工艺过程而设置的表面为，工艺表面。•2、方便加工•切削加工所要求形成的几何表面的数量，种类越多，加工所需要的工作量就越大，结构设计中，尽量减少加工表面的数量和种类是一条重要的设计原则。•设计中如果为加工过程创造条件，使得某些加工过程可以成组进行，将会明显地提高加工工作效率。•3、简化装配、调整和拆卸•装配易于保证精度，易于识别安装，装配的独立性•易损件应便于更换并预留更换空间。7.3结构的宜人性设计•国外统计数据显示，58％－70％的生产事故都是由于没有充分考虑人的因素造成的。•因此设计时应充分考虑人的生理心理因素来开发产品适合人的生理特点的结构设计•人体的几何因素。•身高、体形、肢体尺寸及比例等，因性别和人种不同，1994年俄国一名宇航员超过美国标准只好换人，使计划受阻。•人的持久性•人长久工作，特别是以固定的姿势作固定的动作时，肢体感观和大脑都会产生生理和心理性疲劳，出现如：体力下降，睡意上升，注意失控，思维迟钝，工作意识衰退等现象，要经过一段时间休息才能恢复，（设计自动化就是为了解决这个问题）。•人的环境承受力•适应环境的能力有限，对温度、光亮、声响、振动、冲击、有害气体承受能力差，应设计考虑保护，高温生产线隔热控制舱，点焊光设置遮挡，太空服等。•劳动强度•短期爆发力与长期负荷能力的差异是很大的劳动强度反映人在一个完整的劳动过程中平均体力或脑力消耗，通常用心率搏出量，需氧量等指标来衡量。•搏出量为每次搏动从左心室射入主动脉的血量。•正常人心率60－100次/分安静状态•100－125中等强度•125－150强劳动•175以上极强劳动•根据以上生理特点设计我们的结构。•1、减少疲劳的设计•静态肌肉施力状态，操作人员长时间保持某一种姿态时，身体的某些肌肉长期处于收缩状态，压缩血管使血流受阻，不能为肌肉提供足够的氧，肌肉的这种工作状态为静态施力。•能量消耗，以卧姿为能量基准，则坐姿能耗增加3％－5％站8％－10％弯腰50％－60％跪30％－40％•设计工作台高度•人在静态施力状态下能够持续工作的时间与施力大小有关。最大能力施力时，供血几乎中断，只能持续几秒钟，当施力等于最大施力的15％时，施力时间可持续很长而不疲劳。•等于最大施力的15％时的施力纹静态施力极限。•容易发力的设计•手臂发力规律：右手》左手，向下发力》向上，向内发力》向外，拉力》推力，沿手臂方向》垂直手臂方向。人的主要作业姿态选择参考•坐姿：持续时间长的工作，应尽可能坐着工作•精确细致的工作•需要手足并用的作业•立姿：经常改变体位的超作。•控制器分布面广，手足需作较大幅度的活动•没有容膝空间的设备旁•需要较大力气的作业，站着容易使劲•当作业显得单调时，立姿可以适当走动。•跪姿：消耗能量大，尽量不采用，但有时装配低部位零件，擦洗设备，擦洗地板，取物等必须用•卧姿：在军事行动，修理汽车等场合采用。•设计操作机器原则：首先选择操作姿态（优先选择坐姿）操纵力的施加方向应选择易于发力的方向，施力方式应避免长时间保持一种姿态，当操作者必须以不平衡姿态操作时，应为操作者设置辅助支撑物。适合人的心理特点的结构设计•1、减少观察错误的设计•人的作用主要是对机械系统的工作状态进行调节，正确的调节来源于正确地观察和了解判断，应能及时正确全面地了解机器的运转状态。•状态的观察主要是通过显示仪表等视觉显示器实现的。•因此显示仪表的设计中应使操作者方便观察，观察后容易正确地理解仪表显示的内容（这样应正确地选择仪表的显示形态，仪表的刻度分布，仪表的摆放位置以及多个仪表的组合实现。应符合操作者的认读习惯，顺时针，从左到右，从下向上增加。•仪表摆放在方便认读的位置为标准，水平80CM视距为最佳认读区域，正负20度范围。大于正负24度认读时间增加，垂直方向为水平方向及水平线下15度范围内。•重要仪表应摆放在视区中心，相关的仪表应分组集中摆放，有固定使用顺序的仪表应按使用顺序摆放。•减少操作错误的设计•在有多个控制器时，应使操作者准确迅速地分辨出不同的控制器，这就需要在控制器形状、尺寸、位置、颜色等方面加以区分。•形状：圆尖方•大小：旋钮直径差为12。5毫米，厚度为10毫米，能够准确分辨。紧急关机按钮一般大而且红色，拍下就可。•位置：垂直间距》130毫米，水平》200毫米不易出错。•控制器的操作应有一定的阻力，有阻力才有反馈信息，可以提高操作过程的稳定性和准确性。•应考虑控制器与显示器的位置关系，应容易识别。•控制器与相应的显示器尽量靠近，并放置在显示器下方，或右方，控制器的运动方向与相应的显示器指针运动方向的关系符合人的习惯模式，顺时针旋钮仪表数字增大。新型结构设计•一、弹性结构•零部件联结多用运动副连接，运动形式越复杂，需要的运动副越多，机器越复杂。•而弹性结构设计方法不用运动副构成零部件的连接，而是通过弹性变形构成连接，由于省去了运动副，结构更简单，体积更小，制造安装维护都方便。•二、快动联结结构•对于经常拆卸的零部件，不但要求联结可靠，还应拆卸操作方便，并且具有一定的寿命，尽量减少拆卸中的磨损。•三、组合结构•是指通过合理的结构设计，将多个零件的功能组合到一个零件上，起到减少零件数量，便于装配，降低成本的目的。•关于给网球充气。网球与足球篮球不一样，足球蓝球有打气孔，可以用打气针头充气。网球没有打气孔，漏气后球就软了、瘪了。如何给瘪了的网球充气呢？专业人士首先分析了网球为什么会漏气？气从哪里漏到哪里？我们知道，网球内部气体压强高，外部大气压强低，气体就会从压强高的地方往压强低的地方扩散，也就是从网球内部往外部漏气，最后网球内外压强—致了，就没有足够的弹性了。怎么让球内压强增加呢？运用逆向思维，专业人士考虑让气体从球外往球内扩散。怎么做呢？那就是把软了的网球放进一个钢筒中，往钢筒内打气，使钢筒内气体的压强远远大于网球内部的压强，这时高压钢筒内的气体就会往网球内“漏气”，经过一定的时间，网球便会硬起来了。•有两个人一起出差，其中一个人逛街时看到大街上有一老妇在卖一只黑色的铁猫。这只铁猫的眼睛很漂亮，经仔细观察，他发现铁猫眼睛是宝石做成的。于是他不动声色对老妇说：“能不能只卖一双眼珠。”老妇起初不同意，但他愿意花整只铁猫的价格。老妇便把猫眼珠取出来卖给了他。他回到旅馆，欣喜若狂地对同伴们说，我捡了一个大便宜。用了很少钱买了两颗宝石。同伴问了前因后果，问他那个卖铁猫的老妇还在不在？他说那个老妇正等着有人买她的那只少了眼珠的铁猫。同伴便取了钱寻找那个老妇去了，一会儿，他把铁猫抱了回来。他分析这只铁猫肯定价值不菲。于是用锤子往铁猫身上敲，铁屑掉落后发现铁猫的内质竟然是用黄金铸成的。买走铁猫玉眼的人是按正常思维走的，铁猫的玉眼很值钱，取走便是。但同伴却通过逆向思维断定：既然猫的眼睛是宝石做的，那么它的身体肯定不会是铁。正是这种逆向思维使同伴摒弃了铁猫的表象，发现了猫的黄金内质。•曾有一篇文章说到：一位中国人移民到了美国，因要打官司就对其律师说：我们是不是找个时间约法官出来坐一坐或者给他送点礼。律师一听，大骇，说千万不可，如果你向法官送礼，你的官司必败无疑。那人说怎么可能。律师说：你给法官送礼不正说明你理亏吗？几天后，律师打电话给他的当事人，说：我们的官司打赢了。那人淡淡地说，我早就知道了