现代设计方法在机械系统设计中的应用
课程信息：机械系统设计论文
论文题目：现代设计方法在机械系统设计中的应用 指导老师：xxx 班 级：机制1041 姓 名：xxx
学 号：2xxxxxxxxxxx
论文完成日期：2013年6月12号
现代设计方法在机械系统设计中的应用
(xxx 河南工程学院 机械工程学院 河南 郑州 )
摘要：阐述了传统机械系统设计方法和机械系统的现代设计理论方法的特征；主要介绍了有限元方法、反求工程设计方法；
关键词：优化方法；有限元方法；反求工程设计法；机械系统
Modern design theory and method in mechanical systems design (xxx Henan Engineering College,College of mechanical engineering , Henan zhengzhou )
Abstract：In this paper,the design of the main elements of theoretical Approaches,characteristics is described;The paper mainly introduced the mothed of FEM and Reverse Engineering.etc.
Key words：optimization；FEM ；Reverse Engineering; mechanical systems 引 言
近年来，随着科学技术的发展和经济的全球化，机械技术与各个学科不断交叉、融合，制造业不断地向高速化、轻量化、虚拟化方向发展，用户对产品的需求越来越个性化、多样化。而现代设计理论是在研究设计竞争规律和分布式资源环境中的设计活动发展起来的。现代设计理论方法是应用科学的思想和方法创造出性能先进、结构合理的产品，变被动地重复分析产品的性能为主动地设计产品参数的过程，把静态的、经验的、手工的方法转变为
科学的、动态的、计算机化的方法。现代设计理论方法是新兴的综合性、交
叉性学科。
一、 统机械系统设计与现代设计理论方法
１.１传统机械系统设计
传统的机械系统设计，主要依据于公式、经验、图表、手册等方法来进行静态分析、近似计算、经验设计等半经验半理论的设计。传统机械系统设计过程如图1所示。但传统的机械设计在设计过程中，只考虑了产品本身，而对包括产品整个生命周期内的质量、成本、服务等方面考虑不足，往往供选的方案少，设计方案不合理、计算误差大造成浪费及安全隐患。显然，传统的机械设计方法已难以适应市场竞争和社会发展的需要。
１.２现代设计理论方法
现代设计理论方法是动态发展的，现代设计理论是为设计的创造性过程而建立的各种数学模型；而现代设计方法是对这些数学模型的求解过程，或者为设计师实施创造性过程而提供的各种手段。现代设计理论方法的运用实现了结构分析的定量化、工况分析的动态化、质量分析的可靠化、设计结果的最稳定性化、设计过程的高效化和自动化。
常见的现代设计理论方法很多，如：创新设计法、智能设计法、系统分
析设计法、优化设计法、可靠性设计法、有限元分析法、相似性设计法、虚拟设计法、反求工程设计法、动态设计法等。本文主要介绍有限元设计方法和反求工程设计方法。
二、现代设计理论方法在机械系统设计中的应用
１、有限元法
1. 有限元法的提出
有限元法(FINITELEMENTMETHODS)最初是20世纪50年代作为处理固体力学问题的方法出现的。早在1943年，Courant已经应用了单元的概念。1945--955年，等人在结构矩阵分析方面取得了很大的进展。1956年，Turner、Clough等人把刚架位移法的思路，推广应用于弹性力学平面问题：他们把连续体划分为三角形和矩形单元，单元中的位移函数采用近似表达式，推导单元的刚度矩阵，建立结合点位移与结合点力之间的元刚度方程。1960年Clough首先将这种解决弹性了学的方法称为”有限元法”。几乎与此同时，我国的冯康也提出了类似的方法。
2. 有限元的概念
有限元法的基本思想是“先分后台”，即将连续体或结构先人为地分割成许多单元，并认为单元与单元之间只通过节点相联结，力也只通过节点作用．在此基础上，根据分片近似的思想，假定单元位移函数，利用力学原理推导建立每个单元的平衡方程组；再将所有单元的方程组组集成表示整个结构力学特性的代数方程组，并引入边界条件求解。
有限元法的实质是通过两次近似将具有无限多个自由度的连续体转化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化求解的结构问题。第一次近似为单元划分，精确的边界被离散为简单的边界，连续的物体被离散为一系列只有节点相连的单元。第二次近似为真实复杂的位移分布被近似地表不为简单函数描述的位移分布，这两次近似降低丁求解难度，增大了商限元法解决问题的应用范围。 3．有限元的发展历史
进入20世纪80年代以后，有限元法在上面理论的指导下，其应用已由弹性力学平面问
题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题力。展到稳定问题、动力问题，从固体力学扩展到流体力学、传热学等学科，成为应用广泛的分析 4.有限元法在机械设计中的应用
传统的机械设计基本属于一种经验设计。当要开发一种新产品的时期根据现有的技术资料，进行一些合理的简化和改进。经验设计耗费工时，设计 周期较长，而且设计的产品比较笨重，机械性能又低，产品成本也高。造成这种结果的原因是：传统设计是在有限的几个方案中比较和选择一个比较优秀的方案进行设计的，这使得设计工作带有很大的盲目性。同时选择的方案也没有一个十分精确的评价标准来衡量其优劣。这种设计方法要经过设计一实验一修改设计一实验，往往要经过几轮的设计才能达到一定的水平，设计周期长，成本高。在机械设计中，采用有限元法的优化设计，不仅可以减轻机械设计自重，优化零件形状，降低对材料
消耗与制造成本，提高了产品质量和工作性能，而且能够大大缩短产品设计周期，减少试件的制作，降低成本。有限元在产品设计和研究中所显示
出无可伦比的优越性，使其成为企业在市场竞争中制胜的一个重要工具，已经愈来愈受到工程技术人员的重视。
由于有限元法特别适合于计算机程序编写．因此许多国家都编制了大型通用的有限元程序，如美国加利福尼亚大学研制的SAP软件、麻省理工学院研制的ADWA软件、美国国家航空与宇航局研制的NASTRJW软件等。
下面就简单介绍一下有限元法的一些应用：
用有限元法分析弹性力学的平面问题，第一步就是把连续的弹性体离散化，即把一个连续的弹性体用一组有限个单元的组合体来替代。单元之间只通过节点连接并传递内力(节点力)，单元问边界位移保持一致，既不能出现裂缝，也不允许重叠。结构离散时，首先要选择单元的形状。对于一维问题．常用单元有杆单元、梁单元；对于平面问题，常用的单元有三角形单元、六节点三角形单元、矩形单元、四节点任意四边形单元、曲边单元等；对于亭间问题，常见的单元有四面体单元、平行六面体单元、曲面六面体单元等。 味元的划分基本足任意的，一个结构体可以有多种划分结果。不过应该遵循以下划分原则：
味元的划分基本足任意的，一个结构体可以有多种划分结果。不过应该遵循以下划分 原则：
① 各相邻单元体必须同边、同顶点。
② 结构厚度或弹件常数灾变处应作为单元间的分界线。换句话说．一个单元体内不能有两种材料或不同厚度的材料。
③ 除了结构分割外，边界和载荷也要作相应的离散处理。外载荷的作用点只能足单元节位置不对的要作移置处理，边界要变成相应的铰链与固定边界连接。
④ 单元的大小主要根据计算精度和计算机的运算速度确定。单元越小、划分得越密，计算精度越高，佰相应的计算机运算时间越长。通常在应力集中的部位以及应力变化比较剧烈处，单元应划分得密一些，单元大小不等时要逐渐过渡。
⑤ 一般情况下，节点多的单元，其计算精度较高；相同形状、节点的单元，其内角相差越大，误差越大。比如，六节点三角形单元的精度要远高