第18卷第4期德州学院学报V ol. 18No. 4现代设计方法和传统机械设计的比较
王万新, 王 会
(德州学院机电系, 山东德州 253000)
摘 要:针对 机械原理 教学的实际情况, 本文通过对常规设计方法与现代设计方法的比较, 提出了引入现代设计方法的必要性. 同时, 对课程中的某些部分怎样应用现代设计方法提出了一些建议.
关键词:现代设计方法; 可靠性设计; 经验设计; 概率设计
中图分类号:T H12 文献标识码:A 文章编号:1004-9444(2002) 04-0100-03
1 前言
传统的机电产品设计是一种以强度和低压控制为中心的安全系数设计、经验设计、类比设计和机电分离设计, 也称常规设计. 而现代机电产品设计方法则是强调创造性, 在注重产品整体功能基础上以现代设计方法和计算机技术为工具的机电一体化系统设计. 这种设计不但可以大大提高设计的质量、精度和效率, 而且可以将产品的适应性、经济性、可靠性统一起来, 从而高水平、高效率地设计出性能优良、市场欢迎、经济效益显著的新型产品.
2 常规设计方法与现代设计方法比较2. 1 常规设计方法简介
目前大中专院校所使用的 机械原理 教材, 主要研究的是机构的原理、运动分析和零部件的设计. 当前所采用的设计方法仍是以直觉设计、经验设计、静态设计为基础的常规设计方法 其不足之处是没有把设计本身当作一门学科来对待, 所使用的设计方法主要有
1) 理论设计
根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计称为理论设计. 如对简单受拉杆的强
收稿日期:2000-06-28; 修回日期:2002-09-04
度设计
设计强度计算式
li m /s 或F /A li m /s 式中
F :作用在杆上的外载荷
A :拉杆的横截面积 lim :拉杆材料的极限应力S :安全系数
可以利用上面公式直接求解杆件必须的横截面积, 也可以按其他方法先初步设计杆件的横截面尺寸, 然后用强度计算公式去校核.
由于实际情况复杂多变, 若安全系数选择过大, 则产品傻、大、粗. 若安全系数过小, 则很难保证安全性. 2) 经验设计
根据某类零件已有的设计方法与经验关系式, 或根据设计者个人的工作经验用类比办法所进行的设计叫经验设计.
随着设计产品的技术系统越来越复杂, 技术含量不断提高, 产品更新发展速度加快, 经验类比的设计方法已不能满足市场需要.
2. 2 现代设计方法简介
现代设计方法是新理论与计算机应用相结合
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第4期 王万新等:现代设计方法和传统机械设计的比较 101 的产物. 它是以思维科学、设计理论系统工程为基础, 以方法论为手段, 以计算机为工具的各种技术和程序的总和.
现代设计与传统设计的比较
系统 方法 手段
传统设计 静态 经验 手工现代设计 动态 科学 计算机1) 机械零件的可靠性设计
零件的可靠性设计是指在规定的时间内、规定的条件下、完成规定功能的能力. 可靠性设计的主要特征是将常规设计方法中所涉及的设计变量如材料强度、疲劳寿命、尺寸、应力等, 看成服从某种分布的随机变量. 然后根据产品的可靠性指标要求, 用概率统计的方法得出零部件和元器件的主要结构参数和尺寸.
根据概率论的观点, 再孤立地讲安全系数是没有意义的, 必须和对应的可靠性联系起来. 比如:按常规设计方法, 安全系数大于1的零件是不应该失效的, 但在实际中, 安全系数很大的零件也有发生失效的事件, 这种现象从我们常规的设计方法是不能理解的, 而从概率设计的观点来讲是完全合乎规律的.
如将引起零件失效的因素统称为 应力 , 用S 表示, 则S 可表示为各种失效因素, S i (i =1、2 、n) 的函数
S =f (s 1, s 2, , s n )
同样将零件抵抗失效的因素称为 强度 , 用r 表示, 则r 可表示为各种影响强度的因素r i (i =1、2、 、n) 的函数
r =g(r 1, r 2, , r n )
在可靠性设计中, 由于应力S 和强度r 都是随机变量, 因此, 判断一个零件是否安全可靠, 是以强度r 大于应力S 所发生的概率来表示的, 其设计准则为
R (t) =P (r >S ) [R ]
式中R (t ) 表示零件在运行中的安全概率, 即可靠度. 它是指零件在工作时间t 内的一种能力.
[R ]称为零件的许用可靠度, 它表示零件在规定时间内和规定的条件下实现设计要求的一种能力, 即许用安全概率.
2按传统的常规设计方法, 对绝大多数零件(如齿轮模数、齿数、轮齿宽、螺旋角等参数) 所设计的结果尽管在刚度、强度两方面可以满足设计要求, 但由于经验性和盲目性, 而不能达到最优化结果.
优化设计跳出了传统的设计思想, 它是在符合一系列限制条件的前提下, 求出满足最优效果的设计参数解, 由于计算量大, 在计算机出现前只是推断, 近年来该技术有了很快的发展. 这里借助一个例子简单介绍几个基本概念.
例 设计一容积为V 的无盖圆柱筒, 要求用料最省.
(1) 设计变量:设计中必须最后确定的各个参数. 如上例中圆柱筒底面半径x 1, 桶高x 2.
(2) 约束条件:各个变量从实际工程出发, 其取值范围所受到各种各样的限制和条件约束. 可分为等式约束和不等式约束.
如上例中
桶的容积 V = x 1x 2 等式约束桶底圆半径x 1>0 不等式约束桶高
x 2>0
不等式约束
(3) 目标函数:目标函数是预期优化目标中各设计变量关系的数学表达式. 如上例中, 用料最省
f (x ) = x 12+2 x 1x 2
(4) 最优化方法:最优化问题也称数学规划
问题, 根据数学模型中是否包含约束条件分为无约束优化问题和约束优化问题. 常见无约束化方法有:一维搜索法、梯度法、牛顿法、共轭方向法. 常见约束优化法有:约束一维搜索、可行方向法、惩罚函数法等.
如上例即可构造惩罚函数求解x 1、x 2
3) 机械零件的计算机辅助设计在主要是人工资料检索、手工计算和绘图的传统设计中, 往往需要较多的人力和较长的设计周期. 特别是对一些复杂的计算及绘图, 只能采取近似计算及作图, 影响了设计的质量. 计算机辅助设计(CAD) 可把人们的经验、智慧和创造力与计算机高速运算的功能有机地结合起来, 有利于发挥人和机器的各自特长, 大大加速设计进程. 借助于CAD 系统, 我们可以用精确计算代替近似计, 2
102 德州学院学报(自然科学版) 第18卷 和结果日趋完善. 2. 3 总结
由常规设计方法到现代设计方法的转变包括.
从定性分析到定量分析, 从静态分析到动态分析, 从手工计算向自动设计计算, 以及从安全性设计向优化设计等转变.
3 现代设计方法在 机械原理 课中的设置目的及实现途径
现代设计方法是当今正趋于普及的设计方法. 它现在已应用于实践, 将来会有更大的发展前途. 作为教学内容, 我们既要注重实践, 还要注意应超前于实践, 因而在本课程中增加现代设计方法的内容对我们来说是不可推卸的责任3. 1 目的
首先, 作为一个开端, 我们要以实用为目的, 而对程序的编写则不予考虑. 也就是说, 要培养学生利用现成的程序软件的能力.
其次, 使学生对现代设计有一个比较完整的概念和印象, 这也是我们的目的之一, 为他们自学提供一个良好的基础. 这样, 无论是对现在的学习, 还是对他们今后的工作都有帮助. 3. 2实现途径
1) 首先对现代设计方法做一些简介, 使学生从理论上有一个完整的了解.
2) 建立有关的程序. 编制机械设计程序的目的是要利用计算机来代替人工完成部分计算、查
表等工作. 为此, 首先应熟悉设计问题的人工设计计算方法, 然后确定计算机的任务. 当然可根据不同情况, 自己设计或采用现成的软件(很多教材后
面都附有一些典型程序可供参考) . 在使用每个程序时, 应说明程序的使用范围、条件、所需的变量, 以及本程序使用了什么现代设计方法.
3) 程序上机. 在常规设计之后, 应安排相应的上机实验. 及时将两种方法(常规方法和现代设计方法) 从设计时间、设计效率、设计结果等方面进行比较, 加深对现代设计的理解. 4 结论
通过以上的简介、比较, 可使我们对现代设计方法有一定的了解. 由此可见在 机械原理 教学中引入现代设计方法是非常必要的. 并且, 我们还要根据具体情况, 将课程中的典型部分编成现成的程序来应用. 需要说明的是, 现代设计方法的引入并不是要以推翻常规设计方法为代价, 而是使二者相互配合, 使机械设计更趋于完善.
参考文献:
1 应锦春 现代设计方法 M 北京:机械工业出版
社, 2000. 3
2 刘惟信 机械可靠性设计 M 北京:清华大学出
版社, 1998
3 黄纯颖 设计方法学 M 北京:机械工业出版社,
1992
Modern design method and traditional mechanical design
WAN G Wan-x in, WA NG Hui
(Department of Mechanical and Electrical of Dezhou University, Dezhou Shandong 253000, China) Abstract :This essay introduces the necessity of modern design method which compares the traditional
method w ith the modern desig n method, and w hich is on the base of the college students studying mechani cal principle course. M eanw hile, some suggesting are proposed about how to use this method in some parts of the course.
Key words:modern desig n method; dependable desig n; experience design; probability desig n
第18卷第4期德州学院学报V ol. 18No. 4现代设计方法和传统机械设计的比较
王万新, 王 会
(德州学院机电系, 山东德州 253000)
摘 要:针对 机械原理 教学的实际情况, 本文通过对常规设计方法与现代设计方法的比较, 提出了引入现代设计方法的必要性. 同时, 对课程中的某些部分怎样应用现代设计方法提出了一些建议.
关键词:现代设计方法; 可靠性设计; 经验设计; 概率设计
中图分类号:T H12 文献标识码:A 文章编号:1004-9444(2002) 04-0100-03
1 前言
传统的机电产品设计是一种以强度和低压控制为中心的安全系数设计、经验设计、类比设计和机电分离设计, 也称常规设计. 而现代机电产品设计方法则是强调创造性, 在注重产品整体功能基础上以现代设计方法和计算机技术为工具的机电一体化系统设计. 这种设计不但可以大大提高设计的质量、精度和效率, 而且可以将产品的适应性、经济性、可靠性统一起来, 从而高水平、高效率地设计出性能优良、市场欢迎、经济效益显著的新型产品.
2 常规设计方法与现代设计方法比较2. 1 常规设计方法简介
目前大中专院校所使用的 机械原理 教材, 主要研究的是机构的原理、运动分析和零部件的设计. 当前所采用的设计方法仍是以直觉设计、经验设计、静态设计为基础的常规设计方法 其不足之处是没有把设计本身当作一门学科来对待, 所使用的设计方法主要有
1) 理论设计
根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计称为理论设计. 如对简单受拉杆的强
收稿日期:2000-06-28; 修回日期:2002-09-04
度设计
设计强度计算式
li m /s 或F /A li m /s 式中
F :作用在杆上的外载荷
A :拉杆的横截面积 lim :拉杆材料的极限应力S :安全系数
可以利用上面公式直接求解杆件必须的横截面积, 也可以按其他方法先初步设计杆件的横截面尺寸, 然后用强度计算公式去校核.
由于实际情况复杂多变, 若安全系数选择过大, 则产品傻、大、粗. 若安全系数过小, 则很难保证安全性. 2) 经验设计
根据某类零件已有的设计方法与经验关系式, 或根据设计者个人的工作经验用类比办法所进行的设计叫经验设计.
随着设计产品的技术系统越来越复杂, 技术含量不断提高, 产品更新发展速度加快, 经验类比的设计方法已不能满足市场需要.
2. 2 现代设计方法简介
现代设计方法是新理论与计算机应用相结合
() , , , .
第4期 王万新等:现代设计方法和传统机械设计的比较 101 的产物. 它是以思维科学、设计理论系统工程为基础, 以方法论为手段, 以计算机为工具的各种技术和程序的总和.
现代设计与传统设计的比较
系统 方法 手段
传统设计 静态 经验 手工现代设计 动态 科学 计算机1) 机械零件的可靠性设计
零件的可靠性设计是指在规定的时间内、规定的条件下、完成规定功能的能力. 可靠性设计的主要特征是将常规设计方法中所涉及的设计变量如材料强度、疲劳寿命、尺寸、应力等, 看成服从某种分布的随机变量. 然后根据产品的可靠性指标要求, 用概率统计的方法得出零部件和元器件的主要结构参数和尺寸.
根据概率论的观点, 再孤立地讲安全系数是没有意义的, 必须和对应的可靠性联系起来. 比如:按常规设计方法, 安全系数大于1的零件是不应该失效的, 但在实际中, 安全系数很大的零件也有发生失效的事件, 这种现象从我们常规的设计方法是不能理解的, 而从概率设计的观点来讲是完全合乎规律的.
如将引起零件失效的因素统称为 应力 , 用S 表示, 则S 可表示为各种失效因素, S i (i =1、2 、n) 的函数
S =f (s 1, s 2, , s n )
同样将零件抵抗失效的因素称为 强度 , 用r 表示, 则r 可表示为各种影响强度的因素r i (i =1、2、 、n) 的函数
r =g(r 1, r 2, , r n )
在可靠性设计中, 由于应力S 和强度r 都是随机变量, 因此, 判断一个零件是否安全可靠, 是以强度r 大于应力S 所发生的概率来表示的, 其设计准则为
R (t) =P (r >S ) [R ]
式中R (t ) 表示零件在运行中的安全概率, 即可靠度. 它是指零件在工作时间t 内的一种能力.
[R ]称为零件的许用可靠度, 它表示零件在规定时间内和规定的条件下实现设计要求的一种能力, 即许用安全概率.
2按传统的常规设计方法, 对绝大多数零件(如齿轮模数、齿数、轮齿宽、螺旋角等参数) 所设计的结果尽管在刚度、强度两方面可以满足设计要求, 但由于经验性和盲目性, 而不能达到最优化结果.
优化设计跳出了传统的设计思想, 它是在符合一系列限制条件的前提下, 求出满足最优效果的设计参数解, 由于计算量大, 在计算机出现前只是推断, 近年来该技术有了很快的发展. 这里借助一个例子简单介绍几个基本概念.
例 设计一容积为V 的无盖圆柱筒, 要求用料最省.
(1) 设计变量:设计中必须最后确定的各个参数. 如上例中圆柱筒底面半径x 1, 桶高x 2.
(2) 约束条件:各个变量从实际工程出发, 其取值范围所受到各种各样的限制和条件约束. 可分为等式约束和不等式约束.
如上例中
桶的容积 V = x 1x 2 等式约束桶底圆半径x 1>0 不等式约束桶高
x 2>0
不等式约束
(3) 目标函数:目标函数是预期优化目标中各设计变量关系的数学表达式. 如上例中, 用料最省
f (x ) = x 12+2 x 1x 2
(4) 最优化方法:最优化问题也称数学规划
问题, 根据数学模型中是否包含约束条件分为无约束优化问题和约束优化问题. 常见无约束化方法有:一维搜索法、梯度法、牛顿法、共轭方向法. 常见约束优化法有:约束一维搜索、可行方向法、惩罚函数法等.
如上例即可构造惩罚函数求解x 1、x 2
3) 机械零件的计算机辅助设计在主要是人工资料检索、手工计算和绘图的传统设计中, 往往需要较多的人力和较长的设计周期. 特别是对一些复杂的计算及绘图, 只能采取近似计算及作图, 影响了设计的质量. 计算机辅助设计(CAD) 可把人们的经验、智慧和创造力与计算机高速运算的功能有机地结合起来, 有利于发挥人和机器的各自特长, 大大加速设计进程. 借助于CAD 系统, 我们可以用精确计算代替近似计, 2
102 德州学院学报(自然科学版) 第18卷 和结果日趋完善. 2. 3 总结
由常规设计方法到现代设计方法的转变包括.
从定性分析到定量分析, 从静态分析到动态分析, 从手工计算向自动设计计算, 以及从安全性设计向优化设计等转变.
3 现代设计方法在 机械原理 课中的设置目的及实现途径
现代设计方法是当今正趋于普及的设计方法. 它现在已应用于实践, 将来会有更大的发展前途. 作为教学内容, 我们既要注重实践, 还要注意应超前于实践, 因而在本课程中增加现代设计方法的内容对我们来说是不可推卸的责任3. 1 目的
首先, 作为一个开端, 我们要以实用为目的, 而对程序的编写则不予考虑. 也就是说, 要培养学生利用现成的程序软件的能力.
其次, 使学生对现代设计有一个比较完整的概念和印象, 这也是我们的目的之一, 为他们自学提供一个良好的基础. 这样, 无论是对现在的学习, 还是对他们今后的工作都有帮助. 3. 2实现途径
1) 首先对现代设计方法做一些简介, 使学生从理论上有一个完整的了解.
2) 建立有关的程序. 编制机械设计程序的目的是要利用计算机来代替人工完成部分计算、查
表等工作. 为此, 首先应熟悉设计问题的人工设计计算方法, 然后确定计算机的任务. 当然可根据不同情况, 自己设计或采用现成的软件(很多教材后
面都附有一些典型程序可供参考) . 在使用每个程序时, 应说明程序的使用范围、条件、所需的变量, 以及本程序使用了什么现代设计方法.
3) 程序上机. 在常规设计之后, 应安排相应的上机实验. 及时将两种方法(常规方法和现代设计方法) 从设计时间、设计效率、设计结果等方面进行比较, 加深对现代设计的理解. 4 结论
通过以上的简介、比较, 可使我们对现代设计方法有一定的了解. 由此可见在 机械原理 教学中引入现代设计方法是非常必要的. 并且, 我们还要根据具体情况, 将课程中的典型部分编成现成的程序来应用. 需要说明的是, 现代设计方法的引入并不是要以推翻常规设计方法为代价, 而是使二者相互配合, 使机械设计更趋于完善.
参考文献:
1 应锦春 现代设计方法 M 北京:机械工业出版
社, 2000. 3
2 刘惟信 机械可靠性设计 M 北京:清华大学出
版社, 1998
3 黄纯颖 设计方法学 M 北京:机械工业出版社,
1992
Modern design method and traditional mechanical design
WAN G Wan-x in, WA NG Hui
(Department of Mechanical and Electrical of Dezhou University, Dezhou Shandong 253000, China) Abstract :This essay introduces the necessity of modern design method which compares the traditional
method w ith the modern desig n method, and w hich is on the base of the college students studying mechani cal principle course. M eanw hile, some suggesting are proposed about how to use this method in some parts of the course.
Key words:modern desig n method; dependable desig n; experience design; probability desig n