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美國(guó)知名教授告訴你:到底什么是機(jī)械設(shè)計(jì)?;

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放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2016-09-26   瀏覽次數(shù):320
核心提示:1什么是設(shè)計(jì)?墻紙是一種設(shè)計(jì)。你可能正在穿著設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的衣服。汽車的外觀是被設(shè)計(jì)出來(lái)的。很明顯,設(shè)計(jì)一詞涵蓋的意義十分范
1什么是設(shè)計(jì)?
 
墻紙是一種設(shè)計(jì)。你可能正在穿著“設(shè)計(jì)者”設(shè)計(jì)的衣服。汽車的外觀是被“設(shè)計(jì)”出來(lái)的。很明顯,設(shè)計(jì)一詞涵蓋的意義十分范圍廣泛。在上面的例子中,設(shè)計(jì)主要是指設(shè)計(jì)一個(gè)物件的外觀。以汽車為例,它的很多方面都涉及到設(shè)計(jì)。比如它的機(jī)械內(nèi)部構(gòu)件(發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、懸掛結(jié)構(gòu)等)都需要設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí),工程師或許比藝術(shù)家更能表現(xiàn)出某種程度上的藝術(shù)性。
 
 
2什么是機(jī)械設(shè)計(jì)?
 
 
機(jī)械設(shè)計(jì)是研究如何創(chuàng)造機(jī)械,以使其安全、可靠地工作等的內(nèi)容。機(jī)械的定義是:一個(gè)組裝的零件系統(tǒng),可以以預(yù)定和受控的方式傳遞運(yùn)動(dòng)和能量。或更簡(jiǎn)單地說(shuō):一個(gè)控制力和運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。
 
一臺(tái)機(jī)器的基本功能是做有用功,機(jī)器或多或少都會(huì)涉及到能量的傳遞。在這里,我們最關(guān)注的是力和運(yùn)動(dòng),當(dāng)能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式時(shí),機(jī)器就產(chǎn)生了運(yùn)動(dòng)和力。工程師的任務(wù)是分析和計(jì)算這些運(yùn)動(dòng)、力和能量的變化,以確定機(jī)器中的各個(gè)相關(guān)零部件的尺寸、形狀和所需要的材料。這是機(jī)械設(shè)計(jì)的本質(zhì)。
 
當(dāng)一個(gè)設(shè)計(jì)者需要設(shè)計(jì)機(jī)器的一個(gè)零件時(shí),首先必須明白:任何一個(gè)零件的功能和性能都依賴于機(jī)器中的其它許多相關(guān)零件。因此,這里我們是要設(shè)計(jì)整機(jī),而不是簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)單獨(dú)每一個(gè)零件。為此,我們必須利用靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)(應(yīng)力分析)和材料特性等。
 
 
3機(jī)械設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是什么?
 
 
機(jī)械設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是確定部件(機(jī)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(shè)計(jì)出來(lái)的機(jī)器可以完成預(yù)定的功能而不發(fā)生失效。這就要求設(shè)計(jì)人員能夠計(jì)算和預(yù)測(cè)每個(gè)零件的失效形式和條件,然后通過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)防它失效。這就需要對(duì)每一零件進(jìn)行應(yīng)力和變形分析。由于應(yīng)力是外載荷和慣性力的函數(shù),也是零件幾何形狀的函數(shù),所以計(jì)算應(yīng)力和變形前,必須先進(jìn)行力分析、力矩分析、扭矩分析,以及系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析。
 
如果一部待設(shè)計(jì)的機(jī)械中沒(méi)有運(yùn)動(dòng)零件,它的設(shè)計(jì)任務(wù)將變得簡(jiǎn)單多了,因?yàn)檫@時(shí)只需要進(jìn)行靜力分析。但是,如果一部機(jī)器沒(méi)有運(yùn)動(dòng)零件,它就不是機(jī)械(因?yàn)椴环仙厦鏅C(jī)械的定義);它實(shí)際上是一個(gè)結(jié)構(gòu)。當(dāng)然,結(jié)構(gòu)也需要設(shè)計(jì)以防止失效。事實(shí)上,大型外部結(jié)構(gòu)(如橋梁、建筑等)也承受著風(fēng)、地震、交通等引起的動(dòng)載荷,所以它們的設(shè)計(jì)也必須考慮這些工況條件。如果機(jī)械運(yùn)動(dòng)的非常緩慢,且加速度可以忽略不計(jì),那么對(duì)它進(jìn)行靜力學(xué)分析就可以了。但是,如果機(jī)械有明顯的加速度,就必須進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,這時(shí)加速的零件將是“自己質(zhì)量的受害者”。
 
在靜態(tài)結(jié)構(gòu)中,如建筑物的地板,是設(shè)計(jì)用來(lái)支承重量的,可以通過(guò)添加適當(dāng)?shù)姆稚⒉牧辖Y(jié)構(gòu)件來(lái)增加結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。雖然這將添加物較重(增加了“死”的重量),但是如果設(shè)計(jì)得當(dāng),地板可能承載比以前更多的“活”的重量(有效載荷)而不會(huì)失效。但對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)機(jī)械來(lái)說(shuō),增加運(yùn)動(dòng)零件的重量(質(zhì)量)可能會(huì)產(chǎn)生相反的效果,即降低機(jī)械的安全系數(shù)、允許速度或有效承載能力。這是因?yàn)楫a(chǎn)生應(yīng)力的載荷是來(lái)自于零件的慣性力,我們可以用牛頓第二定律,F(xiàn)=ma,來(lái)估算它的大小。由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)零件的加速度取決于它的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)和運(yùn)行速度,增加運(yùn)動(dòng)零件的質(zhì)量會(huì)增加這些零件所受的慣性力,否則就要降低它們的運(yùn)行速度來(lái)避免增加慣性力。即使人們可以通過(guò)增加質(zhì)量來(lái)增加零件的強(qiáng)度,但是這種增加可能會(huì)因慣性力的增加而大打折扣,甚至被抵消。
 
綜上所述,我們?cè)跈C(jī)械設(shè)計(jì)的初始階段會(huì)面臨兩難選擇。通常,在確定零件尺寸大小之前,機(jī)械的運(yùn)動(dòng)過(guò)程已經(jīng)確定。外界作用在機(jī)械上的載荷被稱為外載。請(qǐng)注意在某些情況下,機(jī)械上的外載有可能將很難預(yù)測(cè),例如,運(yùn)動(dòng)的汽車上的外載。當(dāng)設(shè)計(jì)者不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)機(jī)械所受的外載(如坑洞,硬轉(zhuǎn)彎等)時(shí),從為設(shè)計(jì)目的而做的實(shí)際測(cè)試中收集到的對(duì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可以提供一些信息。
 
另外,運(yùn)動(dòng)加速度已知,但運(yùn)動(dòng)零件質(zhì)量未知,則產(chǎn)生的慣性力也是有待于確定。這時(shí)需要通過(guò)迭代獲取,即不斷重復(fù),或返回到以前的狀態(tài)。為此,我們需要設(shè)計(jì)一些試驗(yàn),利用試驗(yàn)裝置的質(zhì)量特性(如質(zhì)量、重心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)進(jìn)行動(dòng)態(tài)受力分析,以確定作用在零件上的力、力矩和轉(zhuǎn)矩,然后利用試驗(yàn)裝置的橫截面的幾何形狀,計(jì)算出應(yīng)力。通常,準(zhǔn)確確定機(jī)械上所有載荷是設(shè)計(jì)過(guò)程中最困難的事。如果載荷已知,便可以通過(guò)計(jì)算得到應(yīng)力。
 
最可能的是,在第一次試驗(yàn)中,我們會(huì)發(fā)現(xiàn),我們的設(shè)計(jì)材料不能承受當(dāng)前的應(yīng)力水平。那么為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)可行的設(shè)計(jì),我們必須改變形狀,尺寸,材料,制造工藝,或其他因素,重新設(shè)計(jì)零件(這就是迭代)。通常,沒(méi)有經(jīng)過(guò)幾次迭代設(shè)計(jì)過(guò)程是很難取得成功的。需要注意,一個(gè)零件的質(zhì)量改變還會(huì)影響到作用在與它相連的其他零件上的力,從而導(dǎo)致其他零件也需要重新設(shè)計(jì)。這是就是相關(guān)零件的設(shè)計(jì)。
 
設(shè)計(jì)可以令人同時(shí)感到有趣和沮喪。一般的設(shè)計(jì)問(wèn)題方法并不固定,其中很多內(nèi)容需要具有創(chuàng)造性,這自然會(huì)導(dǎo)致有多個(gè)解決方案。就如大家可以看到有很不同品牌和型號(hào)的新汽車可供選擇。顯然它們差別很大,但你肯定會(huì)有哪些車好、哪些車差的自己的看法。此外,不同設(shè)計(jì),最終的目標(biāo)也不盡相同。一個(gè)四輪驅(qū)動(dòng)車的設(shè)計(jì)與一個(gè)兩座位跑車設(shè)計(jì)的目標(biāo)會(huì)有所不同(盡管其他的車的例子也許包括這兩者的特點(diǎn))。
 
對(duì)初學(xué)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)很重要的是要開(kāi)拓視野。不要試圖以尋找“正確答案”的不正確方法進(jìn)行設(shè)計(jì),許多問(wèn)題并沒(méi)有所謂的“正確答案”。相反,要大膽!嘗試一些顛覆性的設(shè)計(jì)。然后,通過(guò)分析進(jìn)行測(cè)試該設(shè)計(jì)。如果發(fā)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)不適合,也不要失望;因?yàn)橥ㄟ^(guò)它,你已經(jīng)了解了你以前不了解的問(wèn)題。失敗是成功之母!我們可以從錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)中學(xué)到很多東西,可以使下一個(gè)設(shè)計(jì)方案更好。這就是為什么說(shuō)迭代對(duì)成功設(shè)計(jì)十分重要的原因。
 
計(jì)算機(jī)是現(xiàn)代工程問(wèn)題求解的必備工具。通過(guò)使用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)軟件,可以更快、更準(zhǔn)確和合理解決設(shè)計(jì)問(wèn)題。然而,結(jié)果是建立工程模型和使用的數(shù)據(jù)都具有良好質(zhì)量的基礎(chǔ)上的。因此,如果設(shè)計(jì)者對(duì)模型和CAE工具沒(méi)有深入了解,沒(méi)有這方面的開(kāi)發(fā)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),他不能依賴計(jì)算機(jī)給出的解答。
 
 
 
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