美國知名教授告訴你:到底什么是機械設計

點擊數:585 發布時間:2019-09-21 來源:中國機械網

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什么是設計?

墻紙是一種設計。你可能正在穿著“設計者”設計的衣服。汽車的外觀是被“設計”出來的。很明顯,設計一詞涵蓋的意義十分范圍廣泛。在上面的例子中,設計主要是指設計一個物件的外觀。以汽車為例,它的很多方面都涉及到設計。比如它的機械內部構件(發動機、制動器、懸掛結構等)都需要設計。在設計機械時,工程師或許比藝術家更能表現出某種程度上的藝術性。

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什么是機械設計?

機械設計是研究如何創造機械,以使其安全、可靠地工作等的內容。機械的定義是:一個組裝的零件系統,可以以預定和受控的方式傳遞運動和能量。或更簡單地說:一個控制力和運動的系統。

一臺機器的基本功能是做有用功,機器或多或少都會涉及到能量的傳遞。在這里,我們最關注的是運動,當能量從一種形式轉換為另一種形式時,機器就產生了運動和力。工程師的任務是分析和計算這些運動、力和能量的變化,以確定機器中的各個相關零部件的尺寸、形狀和所需要的材料。這是機械設計的本質。

當一個設計者需要設計機器的一個零件時,首先必須明白:任何一個零件的功能和性能都依賴于機器中的其它許多相關零件。因此,這里我們是要設計整機,而不是簡單地設計單獨每一個零件。為此,我們必須利用靜力學、動力學、材料力學(應力分析)和材料特性等。

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機械設計的最終目標是什么?

機械設計的最終目標是確定部件(機器零件)的尺寸和形狀,并選擇適合的材料與制造工藝,從而使得設計出來的機器可以完成預定的功能而不發生失效。這就要求設計人員能夠計算和預測每個零件的失效形式和條件,然后通過設計預防它失效。這就需要對每一零件進行應力和變形分析。由于應力是外載荷和慣性力的函數,也是零件幾何形狀的函數,所以計算應力和變形前,必須先進行力分析、力矩分析、扭矩分析,以及系統的動力學分析。

如果一部待設計的機械中沒有運動零件,它的設計任務將變得簡單多了,因為這時只需要進行靜力分析。但是,如果一部機器沒有運動零件,它就不是機械(因為不符合上面機械的定義);它實際上是一個結構。當然,結構也需要設計以防止失效。事實上,大型外部結構(如橋梁、建筑等)也承受著風、地震、交通等引起的動載荷,所以它們的設計也必須考慮這些工況條件。如果機械運動的非常緩慢,且加速度可以忽略不計,那么對它進行靜力學分析就可以了。但是,如果機械有明顯的加速度,就必須進行動力學分析,這時加速的零件將是“自己質量的受害者”。

在靜態結構中,如建筑物的地板,是設計用來支承重量的,可以通過添加適當的分散材料結構件來增加結構的安全系數。雖然這將添加物較重(增加了“死”的重量),但是如果設計得當,地板可能承載比以前更多的“活”的重量(有效載荷)而不會失效。但對一個動態機械來說,增加運動零件的重量(質量)可能會產生相反的效果,即降低機械的安全系數、允許速度或有效承載能力。這是因為產生應力的載荷是來自于零件的慣性力,我們可以用牛頓第二定律F=ma,來估算它的大小。由于機械運動零件的加速度取決于它的運動學設計和運行速度,增加運動零件的質量會增加這些零件所受的慣性力,否則就要降低它們的運行速度來避免增加慣性力。即使人們可以通過增加質量來增加零件的強度,但是這種增加可能會因慣性力的增加而大打折扣,甚至被抵消。

綜上所述,我們在機械設計的初始階段會面臨兩難選擇。通常,在確定零件尺寸大小之前,機械的運動過程已經確定。外界作用在機械上的載荷被稱為外載。請注意在某些情況下,機械上的外載有可能將很難預測,例如,運動的汽車上的外載。當設計者不能準確預測機械所受的外載(如坑洞,硬轉彎等)時,從為設計目的而做的實際測試中收集到的對經驗數據的統計分析可以提供一些信息。

另外,運動加速度已知,但運動零件質量未知,則產生的慣性力也是有待于確定。這時需要通過迭代獲取,即不斷重復,或返回到以前的狀態。為此,我們需要設計一些試驗,利用試驗裝置的質量特性(如質量、重心位置和轉動慣量)進行動態受力分析,以確定作用在零件上的力、力矩和轉矩,然后利用試驗裝置的橫截面的幾何形狀,計算出應力。通常,準確確定機械上所有載荷是設計過程中最困難的事。如果載荷已知,便可以通過計算得到應力。

最可能的是,在第一次試驗中,我們會發現,我們的設計材料不能承受當前的應力水平。那么為了實現一個可行的設計,我們必須改變形狀,尺寸,材料,制造工藝,或其他因素,重新設計零件(這就是迭代)。通常,沒有經過幾次迭代設計過程是很難取得成功的。需要注意,一個零件的質量改變還會影響到作用在與它相連的其他零件上的力,從而導致其他零件也需要重新設計。這是就是相關零件的設計。

設計可以令人同時感到有趣和沮喪。一般的設計問題方法并不固定,其中很多內容需要具有創造性,這自然會導致有多個解決方案。就如大家可以看到有很不同品牌和型號的新汽車可供選擇。顯然它們差別很大,但你肯定會有哪些車好、哪些車差的自己的看法。此外,不同設計,最終的目標也不盡相同。一個四輪驅動車的設計與一個兩座位跑車設計的目標會有所不同(盡管其他的車的例子也許包括這兩者的特點)。

 

對初學設計者來說很重要的是要開拓視野。不要試圖以尋找“正確答案”的不正確方法進行設計,許多問題并沒有所謂的“正確答案”。相反,要大膽!嘗試一些顛覆性的設計。然后,通過分析進行測試該設計。如果發現這一設計不適合,也不要失望;因為通過它,你已經了解了你以前不了解的問題。失敗是成功之母!我們可以從錯誤的設計中學到很多東西,可以使下一個設計方案更好。這就是為什么說迭代對成功設計十分重要的原因。

計算機是現代工程問題求解的必備工具。通過使用計算機輔助工程(CAE)軟件,可以更快、更準確和合理解決設計問題。然而,結果是建立工程模型和使用的數據都具有良好質量的基礎上的。因此,如果設計者對模型和CAE工具沒有深入了解,沒有這方面的開發和實踐經驗,他不能依賴計算機給出的解答。

以上內容摘自羅伯特.諾頓教授的《機械設計(原書第5版)》,該書由華南理工大學國家級教學名師黃平教授的教學團隊翻譯。

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