2023年现代设计理论与方法作业大作业

现代机械设计理论与措施（大作业）（材料模型），弹出［define materialmodel behavior］（定义材料模型）对话框后，单击右侧列表框中曰勺构造模型【structure】（构造）一【linear】（线性）一［elastic］（弹性）-［Isotropic］（各向同性），表明要定义日勺材料是各向同性线弹性材料4）创立有限元模型ANSYS提供了两种措施来构建有限元模型，一种是首先创立或导入实体模型，然后对实体模型进行网格划分，以生成有限元模型；另一种是直接运用单元和节点生成有限元模型，不过第二种措施非常困难，因此，在实际中不实用也不常用本例中采用第一种措施建立采煤机截齿日勺有限元模型首先在SolidWorks软件中画出截齿的三维实体模型，然后将其导入ANSYS中并对实体模型进行网格划分建立采煤机截齿日勺有限元模型如图215280图2采煤机截齿有限元分析模型第二步加载和求解1）定义分析类型和设置分析选项:ANSYS可以求解7种不一样类型的分析，分别是静态分析，瞬态分析、谐振分析、模态分析、频谱分析、屈曲分析和子构造分析定义分析选项的措施为:［mainmenu］（主菜单）一【solution】（求解器）—［analysis］（分析类型）—［newsanalysis］（新的分析）2）施加载荷按照模型受载荷的方式对进行网格划分后的实体模型进行加载3）设置载荷步选项确定载荷子步的个数，可以指定最大和最小载荷子步数或者最长和最短时间步数,对该选项进行控制4）求解选择合适欧I求解措施【main menu］（主菜单）一［solution］（求解器）—Lanalysis type］（分析类型）一【soln controls】（求解控制），弹出【solution controls］对话框后选择合适日勺求解措施即可选择好求解器后可进行求解，措施为［main menu］（主菜单）一【solution】（求解器）—【solve】（求解）一【current Ls】（目前载荷步）第三步成果后处理和成果查看有限元完成计算后，需要查看分析成果分析成果欧I查看通过后处理来完成所谓后处理器，就是观测和分析有限元的计算成果，并从成果中鉴定计算与否对的ANSYS后处理器包括两个模块，通用后处理器P0ST1和时间历程后处理器POST2o进入通用后处理器的I措施为［main menu】（主菜单）一【general postproc】（通用后处理器）进入时间历程后处理器口勺措施为［mainmenu］（主菜单）一［timehist postproc］（时间历程后处理器）

4、选择某传动齿轮轴，详细论述进行该传动齿轮轴机械强度可靠性设计过程（分别按照静强度、疲劳强度进行计算过程论述）？静强度可靠性设计可靠性设计的基本出发点是零件材料的极限应力Slim服从于概率密度函数的随机变量,而作用于零件危险截面上的工作应力L服从与概率密度函数时随机变量并用强度-应力干涉理论计算出零件时可靠度或设计出在规定可靠度下零件的基本尺寸用#2和分别表达齿轮轴的强度和应力的概率密度函数定义可靠度为/=P（5L）=P［（S-L）O］由应力-强度干涉模型可得强度不不小于应力的概率为p（sD=f f（s）ds强度和应力均为独立的随即变量因此失效概率为亿）这FnfljASHSg则齿轮轴日勺可靠度为R=1-尸=1-『『f（SSg（L）dL=『『秋SYSg（L）dL通过大量的试验分析，齿轮轴的强度和应力的概率密度函数服从于正态分布，即、z\2/2（r/\11S-/\1L-]U\C Lf（s）=一『exp--------------------，g（L）=-7=exp----------------------（T V2TT[2（a JJ b川2乃[仁）s s根据齿轮轴强度可靠度日勺定义R=P[（S-L）＞0],令S-L,由于S和L均是随即变量，因此t也是随机变量并服从于正态分布其概率密度函数用0）来表达，因此＜＞（）/=——^^exp---——根据随机变量正太分布日勺运算法则%=旧+苏，4,=〃s+4因此，齿轮轴强度的可靠性为…[S-L O]=g=『±exp与力力当-J-4令Z,则上式为尺=不晨”三小+co Z2一0令八,则齿轮轴时强度可靠度计算式为R=^=\e^dZ.ZR=笄上一称为强度应力耦合方程在工程设计中，由于荷载和应力欧IZR=Ws+OL现行设计措施具有一定的误差，同步考虑零件的重要程度，实际计算时往往引入Lio~N从［/，…强度储备系数NN1,因此上式为ZA=只要计算出强度和应力日勺均值和方差，即可用耦合方程计算出齿轮轴日勺可靠度同样可以设计出在规定可靠度下日勺轴日勺几何尺寸疲劳强度可靠性设计在常规疲劳强度设计中，所用的疲劳极限线图是用多种应力比下的均值画出日勺，是一条曲线而在可靠性设计中，疲劳极限线图是一条曲线分部带疲劳极限口勺平均值为:——/——2------2+6〃疲劳极限H勺原则离差力为:（——22——22,_%+3Sm3厂———22〃）[+6应力幅的原则离差力为（「为常数）1-rS-------5广n02平均应力的原则离差与为（〃为常数）1+rs〃，=—乙其中互为应力幅的平均值，；可为平均应力日勺平均值,且肩=2吧产曳；力为材料的疲劳极限应力零件时疲劳极限材料H勺疲劳极限（E，sj用原则试样试验测得，零件H勺疲劳极限由材料的疲劳极限考虑各影响原因求得，即式中，仅,sj为尺寸系数日勺分布，伉sj为表面加工系数的分布，仅1%）为有效应力集中系数的分布已知后，即可求得零件的疲劳极限分布可靠性计算按应力-强度干涉模型分别求得应力与强度的均值与原则离差计算联结系数Z（或可靠度系数），由正态分布表查得可靠度R,比较设计条件与否满足规定z=.—式中，京表达强度均值，X表达应力均值；黑表达强度原则离差，力表达应力原则离差

5、选择某种机械产品，详细论述并行设计、造型设计、绿色设计、计算机辅助设计法怎样在该机械产品设计中进行应用？答

一、并行设计在汽车发动机活塞设计中的I应用并行模式设计是将系统理论作为指导思想，并行模式设计既把握住系统的外部联络，也没有忽视系统的内部联络,突破了以环节之间通过外延联络构成过程系统日勺片面性和表面性，弥补了串行模式系统设计的局限性，形成了明显优越的并行系统关联方式并行设计过程简图为市场分析产品规划方案设计___4___1_具体设计___4___1_工艺设计制造装配产品检测并行设计作为一种系统性日勺先进过程模式，得到愈来越多重视，并且在产品研发过程中得到了普遍应用，其在产品设计与产品制造中的科学作用日益凸显对于过程模式设计的研究，目前最活跃的依然是并行工程正因并行设计的一系列点，因此应该把该设计理念贯彻到本机的设计工作中来在选定了清洗剂之后,清洗工艺流程与清洗装置也很大程度上取决于清洗剂的理化特性，进而也会影响清洗装置的设计

二、造型设计在微型电动汽车汽车车身设计中的应用1）前脸造型设计前脸造型设计在微型电动汽车车身造型风格中饰演着重要的角色，汽车作为人们情感载体，是设计师通过人或动物欧I情感赋予前脸造型变化微型电动电动汽车前脸造型时可从下两点出发

（1）前脸线条形态与整车造型风格统一；

（2）前脸造型拟人化，线条多采用曲线与几何元素2）侧围造型设计侧围造型设计在整车设计中尤为重要，其造型线最能体现整车风格特性与体量感，侧围与前脸、顶棚、后围共同引导整车及I造型风格电动汽车欧I侧围造型设计，在空气动力学基础上，保证各个曲面与形体之间的过渡变化微型电动汽车的侧围造型设计可从下两点体现

（1）侧围轮廓线要贯穿于前脸及后尾，保持车身整体性与流畅性；

（2）侧围各线条体现动感，保持腰线有向上前进趋势,也符合快节奏的生活方式3）车灯造型设计车灯作为电动汽车造型设计最直观的设计元素，最能体现“电动”特性，车灯设计的I好坏会影响前脸设计风格与表情元素对微型电动汽车车灯设计应体目前如下两点

（1）运用新技术，充分展现其电动特性，如车灯使用LED灯或显示屏；

（2）车灯造型应通过圆形、曲线、折线等造型元素传达情感例如奔驰SUV电动汽车车灯造型设计凸显“电动”特性，前“进气格栅”与车灯融为一种“T”字形区域，“格栅”由蓝色LED光源模拟而成，尾部车灯与车头呼应,科技感十足4）车门造型设计车门造型设计在微型电动汽车设计中发挥着重要力量，车口的大小、打开方式、形状等影响到车时使用功能及空间，而且还对整车的造型风格和特性起到决策性作用微型电动汽车车口造型设计的I措施；

（1）考虑与整车造型风格的协调统一；

（2）采用多种车口打开方式，取消B柱，增加车内空间的使用综上所述，微型电动汽车车身造型设计分别可W从车前脸、车灯等重要轮廓线设计，车灯造型重要表目前照明方式上，W彰显微型电动汽车“电”日勺特性此外，车口造型W及打开方式变化来增大车内空间使用

三、绿色设计在汽车设计中的应用绿色汽车设计规定汽车适应社会环境的发展除了创制以外还需要给创制的汽车产品进行定位，设计师作为连接汽车与消费者的桥梁，必须对设计出来的汽车负责老式产品欧I生命周期从生产制造至投入使用的每个阶段，即“摇篮至坟墓”的单一一种过程，而绿色汽车赋予了产品生命周期於I延伸性，从汽车设计的概念产生、材料选择、生产制造、再到上路行驶，甚至最终汽车报废的回收处理的各个阶段，都包括在设计师的考虑范围内在详细的设计过程中，绿色设计既要考虑人与自然友好共存的价值观，又要到达环境保护的技术规定，可以说是设计师设计技巧的天才发挥作为全球最大的汽车消费市场和最大的汽车制造国，中国品牌的绿色汽车发展对于全球汽车均有很大的影响比亚迪F3DM双模电动车采用混合动力系统和电动车系统，实现了既可加油、又可充电的多种能量补充方式该车在纯电动模式下长距离行驶百公里仅耗电十六千瓦家用电源即可为期进行充电，7h完

1、采用系统化设计流程及所学现代设计措施详细论述某企业需要投资研发一款新型产品的整个设计流程和采用措施1请详细论述采用哪些设计措施，怎样去完成新产品的规划设计过程？2请详细论述采用哪些设计措施，怎样去完成新产品的方案设计过程？3请详细论述采用哪些设计措施，怎样去完成新产品的技术设计过程？4请详细论述采用哪些设计措施，怎样去完成新产品的施工设计过程？答1产品规划设计包括三个重要阶段第一种阶段是市场细分及选择阶段在这个阶段，重要通过市场调研与分析，研究怎样细分市场，以及企业怎样选择细分市场，最终确定企业对细分市场的战略选择第二个阶段是定义新产品概念在这个阶段中要对某个细分市场，搜集其需求的重要内容，包括客户需求、竞争需求及企业内部需求，并确定企业在该细分市场的I产品定位，然后寻找和定义新产品概念第三个阶段是确定产品规划阶段在这一阶段中需要从技术层面分析新产品属于哪个产品族及其开发途径，并根据企业的战略确定新产品开发的优先次序和组合方略，然后根据企业资源状况，制定新产品开发的时间计划产品规划设计的I步骤为信息集约一产品设计任务一预测调研一可行性分析一明确任务规定一可行性汇报、设计规定项目表进行产品规划设计的重要措施有设计措施和预测技术支持产品规划设计成充电在充斥电和油的I状况下，可以持续行驶580公里长城汽车中作为绿色汽车股I主推产品长城欧拉（Kulla）电动车兼具纯电动汽车的零污染优势和混合动力汽车以便优势，还具有此外两个优越性一是即便在增程器启动状态下，仍具有比其他类型汽车更优越的燃油经济性二是增程器提供能量与辅助功率，电池寿命增加，成本降低海马汽车推出的丘比特新能源车型可以使用两种充电模式，家用电源220V慢充模式，大电流快充模式2小时能充斥电，充斥电后行驶里程可达160km,能满足都市居民日勺代步需求奇瑞推出的首款纯电动汽车瑞麒Ml通过采用转子发动机作为增程器的动力源，该车几乎不产生任何噪音，同步也及其省油奇瑞从3月正式开始启动绿色汽车日勺批量生产计划

四、计算机辅助设计在汽车设计中日勺应用计算机辅助设计是运用计算机强大的图形处理能力和数值计算能力，辅助工程技术人员进行工程或产品的设计与分析，到达理想的目的目前，计算机辅助设计已经广泛应用于机械、电子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等领域计算机辅助设计技术在汽车工程中的运用，对于企业提高设计效率，优化设计方案、减轻技术人员劳动强度、缩短设计周期起着关键性的作用计算机辅助设计在汽车覆盖件模具中日勺应用模具构造日勺三维设计是根据设计规定采用，对产品实现参数化，基于特性、全有关等详细设置，使得产品在设计阶段易于修改，并对设计进行模拟化测试变为可能同步也使得并行的其他工程程序同步进行成为可能运用先进的数字化分析手段，对模具进行多种模拟和分析，使模具加工、制造、装配问题提前暴露，在设计阶段就有效地防止了错误的发生计算机辅助设计在汽车车身设计上日勺应用使得原来的旧模式有了彻底的改观设计人员通过与CAD系统的交互，将自己脑中的概念模式转化为清晰的视觉模式，即几何实体，易于优化和改善，提高了工作效率和设计质量在车身部件的开发中，可能会有多种车型设计要交替进行，产生多种数据版本因此引入产品数据管理技术，建立统一的CAD工程数据库，消除车身开发中各部分内部信息和数据间欧I矛盾和数据冗余，从而保证开发过程顺利进行计算机辅助设计在汽车底盘设计中的应用o汽车底盘总布置是汽车设计中重要的一环，对汽车产品质量起决定性作用在汽车底盘总布置设计时，设计人员都是运用计算机辅助设计技术在三维空间中进行，建立统一的整车坐标系并以此确定各零部件位置在已建立欧I坐标系中建立汽车的I数学模型，用坐标点的措施完成总称装配，并对其做位置干涉检查和运动干涉检查而这对汽车动力性、操作稳定性、制动性都是性能分析的重要工作欧I重要理论有设计措施学、技术预测理论、市场学、信息学等

（2）新产品的方案设计过程大体可以分为方案设计和方案评审两个阶段方案设计阶段的步骤为总共能分析一功能分解一功能元求解一功能载体组合一获得功能原理方案（多种原理方案）一原理试验一评价决策-最优原理方案一原理参数表、方案原理图进行产品的方案设计口勺措施重要有系统化设计措施、发明技法、评价决策法、形态学矩阵法重要的I理论指导包括系统工程学、形态学、发明学、思维心理学、决策论、模糊数学等

（3）对产品进行技术设计时，首先要对构造进行总体设计，包括了对产品的构造设计和造型设计进行新产品区I技术设计口勺重要步骤为产品技术设计日勺措施重要包括价值设计、优化设计、可靠性设计、宜人性设计、产品造型设计、系列化设计、机械性能设计、工艺性设计、自动化设计等产品技术设计过程中重要波及时理论指导有价值工程学、最优化措施、工程遗传算法、可靠性理论与试验、人机工程学、模块化设计、有限元法、动态设计、摩擦学设计、机械设计的工艺基础、控制理论、智能工程、人工神经元计算措施、专家系统等

（4）产品构造设计施工设计的重要步骤为零件工作图一部件装配图一技术文件产品造型设计施工设计的I重要步骤为外观件加工工艺、画饰工艺规程一效果图、检验原则一造型工艺文件进行产品施工设计的重要措施有多种制造、装配、造型、装饰、检验等措施

2、运用形态学矩阵和评价措施，建立合理的煤矿主通风机构造设计方案，并建立以费用为优化目标，系统可靠度不低于99%的主通风机构造设计优化数学模型？答研究对象为煤矿主通风机通风机是采煤通风系统中的重要设备主扇用于全矿井或矿井某一翼的通风，又叫主通风机辅扇是用于矿井通风网路中分支风路调整起风量的I,是协助主通风机工作时局扇是用于矿井无贯穿风流没有打通口勺巷道日勺局部地点通风矿用风机在矿井通风中的功能包括，可以将足够的新鲜空气有效地送到井下工作场所，保证生产和良好的劳动条件；保证风流稳定，易于管理并具有抗灾能力；具有反转功能，在发生事故时，可由抽风改为送风，风流易于控制，人员便于撤出；可与环境及安全监测系统或检测措施相连接，实现自动控制等矿井主通风机的形态学矩阵X.局部解功能元、1234工作措施抽出式压入式混合式动力源电动机气动马达液动机风机叶片单板型叶片机翼型叶片圆弧叶片圆弧窄叶片防爆技术隔爆型浇封型气密型无火花型系统解口勺可能方案数种N=3X3X4X4=144现列出其中两种系统解为I:抽出式+电动机+单板型叶片+无火花型II:压入式+电动机+圆弧叶片+隔爆型评价与决策现采用简朴评价法用“++”表达“很好”，用表达“好”，用表达“不好”其评价构造表为方案I II评价准则成本低++便于制造+—构造简朴+—操作以便+—安全性能高+—总计3“+”1总计成果表明，方案I为较理想的方案主通风机构造设计优化数学模型1）确定设计变量产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的I概率称为可靠度可见，产品日勺可靠度是时间/的函数，因此，以时间“乍为设计变量对产品进行可靠度优化设计2）目标函数以费用为目标函数通风机口勺费用应该包括了购置的费用W、保养的费用X和维修的费用丫其中，购置的费用为一定值，而伴随通风机日勺老化，保养费用和维修费用会逐渐增加因此，保养费用x和维修费用y也是有关时间的I隐式函数记保养费用有关时间才附函数关系式为x=%0，记维修费用有关时间/时函数关系式为y=y（则通风机在其全寿命过程中的费用/（，）为））%=w+M0+M3）约束条件由可靠性设计知识可知，产品失效率定义为产品工作/时刻尚未失效的产品，在该时刻，后来区I下一种单位时间内发生失效的j概率它是时间/时函数，又称为失效率函数，用刈表达式中，N为开始时投入主通风机试验产品的总数；〃⑺为/时刻主通风机时失效数；〃1+4）为1+时刻产品的失效数；4为时间间隔根据失效率4（区I定义，可得nt+At-nt_1n[t+At-nt1dnt AtN-n[t}2，=[N-N_nz dt对上式分子分母各乘以N,得1dR t4=-----•■R tdt式中，MD为产品日勺可靠度，且R（D==3对上式从至卜积分，则得到j MM=-In R t o于是得t干⑺力RQ=e于是，系统可靠度不低于99%的主通风机构造设计优化数学模型为Find tmin f{t=W+xt+yts.t.Rt-

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9903、详细论述运用有限元法及软件进行采煤机截齿构造强度和刚度安全性分析的过程？答采煤机截齿构造如图1所示图一采煤机截齿构造图采用有限元进行采煤机截齿构造强度和刚度安全性分析的步骤大体可以分为三步（采用欧I有限元软件为ANSYS）第一步建立有限元模型建立有限元模型的步骤可以分为如下几种流程1）指定工作文件名和标题名在建立工作文件名和标题之前，首先应修改工作途径，将所要进行的有限元分析保留在某一特定途径欧I文件夹中，以便查看和编辑所做的分析工作文件名的建立是在进入前处理器之前完成的，工作文件名也就是ANSYS为存储在工作空间中的文件获得名字标题名最直观的作用是用简洁日勺英文语句标示目前分析的某种信息，如分析对象、分析工况、分析性质等2）定义单元类型ANSYS提供了上百种不一样的I单元，为了以便顾客对的识别这些单元，ANSYS建立了针对不一样问题的单元类型，并根据单元类型的特点为每个单元命名单元命名格式为（单元类型前缀名+数字编号），其中的I数字编号在ANSYS中是没有反复的定义单元类型欧I措施为，［main menu］（主菜单）一［preprocessor］（前处理器）一［element］（单元类型）一【add］（增加）一［edit］（编辑）一［delete］（删除），在弹出［element types］（单元定义）对话框后,在弹出的对话框中选择需要的单元类型3）定义材料属性ANSYS中的所有分析都需要输入材料属性输入采煤机截齿日勺弹性模量和泊松比等详细措施为单击【main menu］（主菜单）一【preprocessor】（前处理器）一【material Props］（材料属性）一＞【material models］。