机械设计基础课件第16章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第16章 现代机械设计方法,第16章 现代机械设计方法,16.1 计算机辅助设计,16.2,平面连杆机构的运动分析和机构的运动模拟,16.3,带传动设计举例,16.4,齿轮传动的优化设计,16.1 计算机辅助设计,16.1.1 计算机辅助设计的软件系统,图16-,1,CAD,的软件层次,1.系统软件,系统软件与硬件和操作系统密切相关，用于对系统资源的管理，对输入和输出设备的控制等。,2.支撑软件,1）,集成化,CADCAM,软件,集成化,CADCAM,软件支持在二维和三维图形方式下进行产品及其零件的定义。如AutoCAD,等。但近年来随着实体造型技术的日趋完善，不少,CAD,系统转向采用实体造型技术来定义产品的几何模型，进行分析、数控加工、输出工程图等。目前较为成熟的,CADCAM,集成系统包括：,UG，Pro-Engineer，CATIA，DUCT，,CADDS-5,等。,2）计算和分析软件,计算和分析软件主要用于解决工程设计中的各种数值计算和分析。,包括：数学计算软件，如,MATLAB、MATHCAD,等。有限元分析软件，如,I-,Deas,，SAP-5，ADINA，ANSYS,等。目前有限元分析的理论和方法已日趋成熟，这些软件还包,含了较强的前、后处理功能。优化设计软件，如,IBM,公司的,ODL、,我国的,OPB-2,等。,3）数据库管理系统软件,目前流行的数据库管理软件很多，如,FoxPro、Oracle、Access,等，它们都属于关系型数据库管理系统，常用于商业和事物管理中。适用于,CAD,工程数据库的管理系统必须是管理量大、类型及关系很复杂的数据，且信息模式是动态的。目前流行的数据库管理系统很难满足上述要求。因此，在设计时要根据需要选择和编制适用数据库和,接口程序。,16.1.2 工程数据处理方法,机械设计过程中一些常用数据表格和线图在计算机中的存取一般有三种处理方式：,(1)将数据表格和线图转化为程序存入内存。,(2)将数据表格和线图转化为文件存入内存。,(3)将数据表格和线图转化为数据结构(数据相互关联的形式)存入数据库。,16.1.3 优化设计方法,常规的机械设计是基于安全概念的“合格设计”各种几何参数能够保证零件安全就认为合格，但这不一定是最优的。近年来，由于优化理论的发展和电子计算机广泛应用在机械设计中，采用优化设计方法，可以综合考虑多方面的复杂因素，在各种约束条件的限制下，寻求满足预定目标的最优化方案和最佳参数。这样，在缩短设计周期的同时，大大提高了设计质量，有效地确保所要求的技术经济指标。,通用优化设计程序库的建立以及一些专用零部件优化程序包的研制成功，以直接调用或以商品形式提供给设计部门应用。设计师进行优化设计的主要工作是建立数学模型和分析优化结,果，相关处理方法和计算程序可参阅文献17、18。,16.2 平面连杆机构的运动分析和机构的运动模拟,1.运动分析的目的,机构的运动分析，就是根据给定的原动件运动规律，求出机构中其他构件的运动，即求出各构件的位置、速度、加速度，或角位置、角速度、角加速度等运动参数。其目的在于研究评价机构的运动及动力性能，或求出某些构件上特定点的轨迹，以确定机构的行程或外形尺寸。,要在计算机上分析一个连杆机构的运动情况，必须首先建立类似于式（3-7）的数学模型，在相应的支撑软件系统中编制应用程序，通过计算机模拟实际运动状况，计算出机构运,动过程中的各构件所占据的位置；获取相关的运动参数和机构工作特性等。2.程序说明,(1),AutoCAD,具有宽松的运行环境和广泛的用户群体；有丰富的应用软件供用户参考和使用；应用软件可以直接在,AutoCAD,的图形编辑状态下运行。产生符合机械制图规范的图形或图形文件。,(2)具有强大的图形调用和编辑功能，各种指令既可以直接键入，又可以用菜单选择。,(3)输入数据方便。当需要输入一个点时，既可直接键入点的坐标，也可以用光标给出位置，还可以利用,AutoCAD,对光标的约束功能，捕捉已有实体上的特殊点；当需要输入一,个值时，既可直接键入一个值，也可通过橡皮筋的长度给出。,(4)随时可用,AutoCAD,的原有命令对已生成图形进行修改或完善。,(5)由于,AutoLISP,具有文件操作功能，因此可以将图形的几何或非几何信息写入文件，传递给后续的,CAPPCAM，,也可以读取其他外部程序生成的数据文件，作为结构设计的图形数据。,3.模拟结果及分析,图16-2 曲柄摇杆机构的运动模拟,从模拟结果可以得到以下结论：,（1）,(,),曲线反映摇杆的摆动范围；,max,所对应的横坐标可以确定曲柄的极位夹角,和机构的行程速比系数,k,1.3。,（2）,在,(,),曲线中传动角的变化幅度为（12858），通过多方案优化，可以改变摇杆工作行程的平均传动角水平，有利于机构的动力特性。,（3）机构的运动特性主要反映摇杆的角速度,3,、,角加速度,3,的变化，通过调整几何参数，可获得不同的运动特性。,图16-3 铰链滑块机构及其模拟运动曲线,图16-4 初步的惯性筛机构设计方案及其运动特性,图16-5 改进的惯性筛机构方案及其运动特性,图16-6 曲柄滑块机构的运动轨迹模拟,16.3 带传动设计举例,1.程序说明,本程序使用,AutoCAD,的内部编程语言,AutoLISP,编程。当程序加载后运行执行指令，通过菜单输入计算参数，显示可行的设计方案。通过对用户选择的设计方案进行校核，根据用户要求自动绘制带轮的零件图。,【,例16-1】设计带式运输机传动装置中的,V,带传动，电动机功率,P,=5.5 kW，,转速,n,1,=960 r/min，V,带的传动比,i3.2，,两班制工作，要求传动比误差不超过5%。,解,输入已知条件：点击“设计计算”按钮，得到下列设计结果（见表16-1）：,表16-1,B,型带设计方案,2.结果分析,由上述结果可知，在合理的带速范围内，三角胶带的传递功率随带速增加而提高。为了充分发挥带的传动能力，在传动尺寸允许的条件下，可以选用较大直径的带轮。同时，这样做还可以减少胶带根数，使传动的轴向尺寸减小。在本例中，若对传动尺寸的大小没有限制，,则取小带轮直径,D,1,为160,mm,较好。,16.4 齿轮传动的优化设计,1.设计变量,齿轮传动在工业上的应用极为广泛，因此，齿轮及其减速器的优化设计对提高齿轮传动及其减速器的承载能力、延长寿命和减小其体积和重量等方面都具有重要的技术价值和经济意义。,对于给定齿数比,u,的一对直齿圆柱齿轮传动，当中心距不确定时，其独立的参数有齿数,z,1,（,或,z,2,）、,齿宽系数,d,、,模数,m,以及变位系数,x,1,、,x,2,。,当中心距,a,给定时，其独立参数有,z,1,、,m,以及变位系数,x,1,(,或,x,2,)。,2.目标函数,齿轮传动的目标函数可以选择体积最小或者传递功率最大。,(1)齿轮传动的体积最小。圆柱齿轮的体积可以近似地取为分度圆面积和齿宽的乘积，故,齿轮传动装置的优化目标函数为大小齿轮体积之和,(16-1),(2)齿轮传动传递的功率最大。若以弯曲疲劳强度为限制条件，齿轮传动设计理论得到,圆柱齿轮传动能传递的最大功率为,(16-2),若以接触疲劳强度为限制条件，圆柱齿轮传动能传递的最大功率为,（16-3）,由此，极小化目标函数为,（16-4）,3.约束条件,齿轮传动的优化设计中，约束条件包括：,(1)为防止齿面接触疲劳点蚀失效，齿轮传动必须满足接触疲劳强度条件。,(2)为防止齿根弯曲疲劳折断，齿轮传动必须满足弯曲疲劳强度条件。,(3)为防止根切，对最小齿数的限制。,(4)其他一些限制：模数的要求，齿轮直径的限制，中心距的限制，齿宽的限制。,调用“常用优化方法程序库,OPB”,就能获得在满足约束条件下，使目标函数达到最小,的最优解。,【例16-2】已知圆锥齿轮传动，输入功率,P,=37.26 kW，,主动轮转速,n,1,664r/min，,齿数比,u,=3.4667，,压力角,n,=20，,齿轮材料为20,MnVB,，HRC=58，,使用寿命为20 000,h，,试以体积最小为目标，对齿轮传动进行优化设计。,建立该齿轮传动的优化设计数学模型，调用优化方法程序库，计算结果为表16-2。优化,结果表明中心距由原设计的174,mm,减小到157,mm，,缩短了10左右。,表16-2 齿轮优化设计结果,