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美国知名教授告诉你:到底什么是机械设计!

2019/9/24    来源:机械设计    作者:罗伯特.诺顿      
关键字:机械设计  
机械设计是研究如何创造机械,以使其安全、可靠地工作等的内容。

1 什么是设计?

    墙纸是一种设计。你可能正在穿着“设计者”设计的衣服。汽车的外观是被“设计”出来的。很明显,设计一词涵盖的意义十分范围广泛。在上面的例子中,设计主要是指设计一个物件的外观。以汽车为例,它的很多方面都涉及到设计。比如它的机械内部构件(发动机、制动器、悬挂结构等)都需要设计。在设计机械时,工程师或许比艺术家更能表现出某种程度上的艺术性。

2 什么是机械设计?

    机械设计是研究如何创造机械,以使其安全、可靠地工作等的内容。机械的定义是:一个组装的零件系统,可以以预定和受控的方式传递运动和能量。或更简单地说:一个控制力和运动的系统。

    一台机器的基本功能是做有用功,机器或多或少都会涉及到能量的传递。在这里,我们最关注的是力和运动,当能量从一种形式转换为另一种形式时,机器就产生了运动和力。工程师的任务是分析和计算这些运动、力和能量的变化,以确定机器中的各个相关零部件的尺寸、形状和所需要的材料。这是机械设计的本质。

    当一个设计者需要设计机器的一个零件时,首先必须明白:任何一个零件的功能和性能都依赖于机器中的其它许多相关零件。因此,这里我们是要设计整机,而不是简单地设计单独每一个零件。为此,我们必须利用静力学、动力学、材料力学(应力分析)和材料特性等。

3 机械设计的最终目标是什么?

    机械设计的最终目标是确定部件(机器零件)的尺寸和形状,并选择适合的材料与制造工艺,从而使得设计出来的机器可以完成预定的功能而不发生失效。这就要求设计人员能够计算和预测每个零件的失效形式和条件,然后通过设计预防它失效。这就需要对每一零件进行应力和变形分析。由于应力是外载荷和惯性力的函数,也是零件几何形状的函数,所以计算应力和变形前,必须先进行力分析、力矩分析、扭矩分析,以及系统的动力学分析。

    如果一部待设计的机械中没有运动零件,它的设计任务将变得简单多了,因为这时只需要进行静力分析。但是,如果一部机器没有运动零件,它就不是机械(因为不符合上面机械的定义);它实际上是一个结构。当然,结构也需要设计以防止失效。事实上,大型外部结构(如桥梁、建筑等)也承受着风、地震、交通等引起的动载荷,所以它们的设计也必须考虑这些工况条件。如果机械运动的非常缓慢,且加速度可以忽略不计,那么对它进行静力学分析就可以了。但是,如果机械有明显的加速度,就必须进行动力学分析,这时加速的零件将是“自己质量的受害者”。

    在静态结构中,如建筑物的地板,是设计用来支承重量的,可以通过添加适当的分散材料结构件来增加结构的安全系数。虽然这将添加物较重(增加了“死”的重量),但是如果设计得当,地板可能承载比以前更多的“活”的重量(有效载荷)而不会失效。但对一个动态机械来说,增加运动零件的重量(质量)可能会产生相反的效果,即降低机械的安全系数、允许速度或有效承载能力。这是因为产生应力的载荷是来自于零件的惯性力,我们可以用牛顿第二定律,F=ma,来估算它的大小。由于机械运动零件的加速度取决于它的运动学设计和运行速度,增加运动零件的质量会增加这些零件所受的惯性力,否则就要降低它们的运行速度来避免增加惯性力。即使人们可以通过增加质量来增加零件的强度,但是这种增加可能会因惯性力的增加而大打折扣,甚至被抵消。

    综上所述,我们在机械设计的初始阶段会面临两难选择。通常,在确定零件尺寸大小之前,机械的运动过程已经确定。外界作用在机械上的载荷被称为外载。请注意在某些情况下,机械上的外载有可能将很难预测,例如,运动的汽车上的外载。当设计者不能准确预测机械所受的外载(如坑洞,硬转弯等)时,从为设计目的而做的实际测试中收集到的对经验数据的统计分析可以提供一些信息。

    另外,运动加速度已知,但运动零件质量未知,则产生的惯性力也是有待于确定。这时需要通过迭代获取,即不断重复,或返回到以前的状态。为此,我们需要设计一些试验,利用试验装置的质量特性(如质量、重心位置和转动惯量)进行动态受力分析,以确定作用在零件上的力、力矩和转矩,然后利用试验装置的横截面的几何形状,计算出应力。通常,准确确定机械上所有载荷是设计过程中最困难的事。如果载荷已知,便可以通过计算得到应力。

    最可能的是,在第一次试验中,我们会发现,我们的设计材料不能承受当前的应力水平。那么为了实现一个可行的设计,我们必须改变形状,尺寸,材料,制造工艺,或其他因素,重新设计零件(这就是迭代)。通常,没有经过几次迭代设计过程是很难取得成功的。需要注意,一个零件的质量改变还会影响到作用在与它相连的其他零件上的力,从而导致其他零件也需要重新设计。这是就是相关零件的设计。

    设计可以令人同时感到有趣和沮丧。一般的设计问题方法并不固定,其中很多内容需要具有创造性,这自然会导致有多个解决方案。就如大家可以看到有很不同品牌和型号的新汽车可供选择。显然它们差别很大,但你肯定会有哪些车好、哪些车差的自己的看法。此外,不同设计,最终的目标也不尽相同。一个四轮驱动车的设计与一个两座位跑车设计的目标会有所不同(尽管其他的车的例子也许包括这两者的特点)。

    对初学设计者来说很重要的是要开拓视野。不要试图以寻找“正确答案”的不正确方法进行设计,许多问题并没有所谓的“正确答案”。相反,要大胆!尝试一些颠覆性的设计。然后,通过分析进行测试该设计。如果发现这一设计不适合,也不要失望;因为通过它,你已经了解了你以前不了解的问题。失败是成功之母!我们可以从错误的设计中学到很多东西,可以使下一个设计方案更好。这就是为什么说迭代对成功设计十分重要的原因。

    计算机是现代工程问题求解的必备工具。通过使用计算机辅助工程CAE)软件,可以更快、更准确和合理解决设计问题。然而,结果是建立工程模型和使用的数据都具有良好质量的基础上的。因此,如果设计者对模型和CAE工具没有深入了解,没有这方面的开发和实践经验,他不能依赖计算机给出的解答。

    以上内容摘自罗伯特.诺顿教授的《机械设计(原书第5版)》,该书由华南理工大学国家级教学名师黄平教授的教学团队翻译。

责任编辑:程玥
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