到底什么是機(jī)械設(shè)計(jì),？

曉昀

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�,；蚋�簡單地說：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)測每個(gè)零件的失效形式和條件，然后通過設(shè)計(jì)預(yù)防它失效。這就需要對每一零件進(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)械中沒有運(yùn)動(dòng)零件,，它的設(shè)計(jì)任務(wù)將變得簡單多了,，因?yàn)檫@時(shí)只需要進(jìn)行靜力分析。但是,，如果一部機(jī)器沒有運(yùn)動(dòng)零件,，它就不是機(jī)械（因?yàn)椴环�合上面機(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)用來支承重量的,，可以通過添加適當(dāng)?shù)姆稚⒉牧辖Y(jié)構(gòu)件來增加結(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,。但對一個(gè)動(dòng)態(tài)機(jī)械來說，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)力的載荷是來自于零件的慣性力，我們可以用牛頓第二定律,，F(xiàn)=ma,，來估算它的大小。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)行速度來避免增加慣性力。即使人們可以通過增加質(zhì)量來增加零件的強(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,，我們在機(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)過程已經(jīng)確定,。外界作用在機(jī)械上的載荷被稱為外載。請注意在某些情況下,，機(jī)械上的外載有可能將很難預(yù)測,，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)際測試中收集到的對經(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)過程中最困難的事,。如果載荷已知，便可以通過計(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,，沒有經(jīng)過幾次迭代設(shè)計(jì)過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)）,。

           對初學(xué)設(shè)計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)。然后,，通過分析進(jìn)行測試該設(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^它,，你已經(jīng)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(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。這就是為什么說迭代對成功設(shè)計(jì)十分重要的原因,。



          計(jì)算機(jī)是現(xiàn)代工程問題求解的必備工具,。通過使用計(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)者對模型和CAE工具沒有深入了解，沒有這方面的開發(fā)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),，他不能依賴計(jì)算機(jī)給出的解答,。

杯里月光

有道理

nbahero007

文章寫得不錯(cuò)，深有體會(huì),。

方賢東

機(jī)電軟件化

大姐開帖 必屬精品 歡迎大姐常發(fā)經(jīng)驗(yàn)貼

851033291

魯迅說   這樣的貼子必須的頂,，現(xiàn)在不僅電腦輔助設(shè)計(jì)軟件，還有卸數(shù)據(jù)庫插件,，讓我們畫圖更方便了,，不用查設(shè)計(jì)手冊就可標(biāo)注公差，可以計(jì)算材料數(shù)據(jù),，現(xiàn)在讓我手畫圖紙 ,，不知道還能不能行了

曉昀

851033291 發(fā)表于 2019-11-16 09:39
魯迅說   這樣的貼子必須的頂，現(xiàn)在不僅電腦輔助設(shè)計(jì)軟件,，還有卸數(shù)據(jù)庫插件,，讓我們畫圖更方便了，不用查 ...

手繪圖肯定沒問題,，畢竟經(jīng)驗(yàn)和方法有了,，但是,，效率估計(jì)敵不過電腦繪圖的效率。