機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法”讀書報(bào)告摘要：機(jī)械工業(yè)肩負(fù)著為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門提供技術(shù)裝備的重要任務(wù)。機(jī)械工業(yè)的生產(chǎn)水平是一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)水平的重要標(biāo)志，因此通過(guò)了解機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的發(fā)展歷程，深刻體會(huì)機(jī)械設(shè)計(jì)理論和方法的研究現(xiàn)狀，并掌握機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的發(fā)展趨勢(shì)，才能不斷強(qiáng)化自己的能力，為提升我國(guó)工業(yè)技術(shù)水平做出一份貢獻(xiàn)。關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)理論發(fā)展趨勢(shì)優(yōu)化方法齒輪傳動(dòng)一、引言：作為一名車輛工程專業(yè)的大三學(xué)生，我通過(guò)學(xué)習(xí)機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)（正在學(xué)習(xí)）這兩門課程，初步了解了機(jī)械行業(yè)這個(gè)領(lǐng)域，但是，僅僅是從這兩本書上學(xué)到的容是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的于是，我在課余時(shí)間查閱了很多機(jī)械行業(yè)的書籍，現(xiàn)在對(duì)其設(shè)計(jì)理論和方法有了一個(gè)比較細(xì)致的了解，在這篇文章當(dāng)中，我將結(jié)合我課堂上學(xué)到的知識(shí)和從圖書館查閱到的一些容，對(duì)中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的發(fā)展和中國(guó)機(jī)械行業(yè)形勢(shì)進(jìn)行系統(tǒng)的闡述。二、機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的發(fā)展歷程設(shè)計(jì)方法的發(fā)展進(jìn)程大致可劃分為機(jī)械設(shè)計(jì)起源和古代機(jī)械設(shè)計(jì)、近代機(jī)械設(shè)計(jì)、現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)三個(gè)階段，其第一階段是從古代社會(huì)到17世紀(jì)，這段時(shí)期我國(guó)在武器，紡織機(jī)械，農(nóng)具、船舶等方面都有發(fā)明，設(shè)計(jì)制造水平處在世界領(lǐng)先地位，在世界機(jī)械工程史上占有十分重要的位置；從17世紀(jì)到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束這段時(shí)間是近代機(jī)械設(shè)計(jì)階段，在這一階段，古典力學(xué)為機(jī)械工業(yè)的迅速發(fā)展提供了有力的技術(shù)理論支持，機(jī)械設(shè)計(jì)在計(jì)算方法和數(shù)據(jù)積累上也有了很大的發(fā)展；從第二次世界大戰(zhàn)之后，機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)入了現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)階段。計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中占得比重越來(lái)越大，機(jī)械設(shè)計(jì)的速度和質(zhì)量也有了大幅度的提升，具有了明顯的現(xiàn)代化特色。按其容來(lái)分，機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法又可分為：直覺(jué)設(shè)計(jì)階段，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段和理論設(shè)計(jì)階段。這兩種劃分是一一對(duì)應(yīng)的，只是從不同角度來(lái)劃分機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展史。三、機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的研究現(xiàn)狀現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是截然不同的，現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論與方法是利用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性計(jì)算。與傳統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度原則不同，現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出綠色設(shè)計(jì)、全生命周期優(yōu)化設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)等方法，既節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，又能得到更好的產(chǎn)品質(zhì)量，大大提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。但是，現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論實(shí)施起來(lái)又存在著一定的難度，比如說(shuō)全生命周期優(yōu)化設(shè)計(jì)雖然能夠更好地利用原材料，生產(chǎn)出效率更高的產(chǎn)品，但是因?yàn)槠淠繕?biāo)函數(shù)和約束條件太多，部分原始數(shù)據(jù)很難獲取，使得設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程中還是比較困難的。現(xiàn)在比較流行的機(jī)械設(shè)計(jì)方法還有虛擬設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、智能設(shè)計(jì)、可視化設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)和基于質(zhì)量功能展開(kāi)的（QFD）設(shè)計(jì)和三次優(yōu)化設(shè)計(jì)等等。很多的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法都有一定的局限性，對(duì)于功能集成化越來(lái)越高的產(chǎn)品需求機(jī)械設(shè)計(jì)理論和方法顯然還需要進(jìn)一步的提升。四、機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的未來(lái)趨勢(shì)1、機(jī)械設(shè)計(jì)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)從市場(chǎng)需求角度來(lái)說(shuō)的話主要有以下幾個(gè)方面：設(shè)計(jì)將在滿足需求的同時(shí)面向制造和經(jīng)營(yíng)管理發(fā)展；設(shè)計(jì)將不僅僅滿足于其功能需求，還要滿足生態(tài)與環(huán)境的需要；設(shè)計(jì)將從產(chǎn)品質(zhì)量成本第一的競(jìng)爭(zhēng)策略轉(zhuǎn)向快速響應(yīng)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)策略；設(shè)計(jì)將從傳統(tǒng)的串行向并行工作模式、協(xié)同工作方式發(fā)展；設(shè)計(jì)將使人們從設(shè)計(jì)過(guò)程數(shù)字化中逐步確立主動(dòng)地位，激發(fā)主動(dòng)創(chuàng)造性。2、但如果從設(shè)計(jì)方法來(lái)考慮，未來(lái)的機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法主要有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：設(shè)計(jì)理論與方法的集成現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論中不同的設(shè)計(jì)方法有自己適合的應(yīng)用領(lǐng)域，而隨著社會(huì)的進(jìn)步產(chǎn)品變得越來(lái)越復(fù)雜，單一的設(shè)計(jì)理論無(wú)法滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，因此需要把不同設(shè)計(jì)理論中的設(shè)計(jì)工具集成為統(tǒng)一的設(shè)計(jì)模型以適應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的各階段，這是未來(lái)設(shè)計(jì)理論與方法的發(fā)展方向。設(shè)計(jì)過(guò)程的虛擬化信息技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使設(shè)計(jì)過(guò)程虛擬化成為可能，并成為降低設(shè)計(jì)成本的重要方法。實(shí)行設(shè)計(jì)的虛擬化，不僅可以減短設(shè)計(jì)時(shí)間，降低涉及成本，還能夠讓產(chǎn)品得到優(yōu)化，另外設(shè)計(jì)過(guò)程的虛擬化使得不同企業(yè)間的協(xié)同設(shè)計(jì)、智力資源互補(bǔ)成為可能，這將會(huì)大大提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成功率。另外，設(shè)計(jì)方法的科學(xué)化也是未來(lái)機(jī)械設(shè)計(jì)的一種趨勢(shì)，現(xiàn)代設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)在規(guī)律的研究進(jìn)展不大，設(shè)計(jì)方法的科學(xué)化可以擺脫以經(jīng)驗(yàn)為主的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，從而極提高設(shè)計(jì)效率。五、機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法在齒輪傳動(dòng)問(wèn)題上的具體應(yīng)用現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論與方法是一種新興的設(shè)計(jì)理論與方法，特別是利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化分析、輔助設(shè)計(jì)和可靠性計(jì)算等設(shè)計(jì)理論與方法，使得機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程更加精確，設(shè)計(jì)結(jié)果更加貼近實(shí)際情況，而且現(xiàn)在這一領(lǐng)域出現(xiàn)了很多具有著各自獨(dú)特特點(diǎn)的理論，下面我將就我們生活中最常見(jiàn)的齒輪傳動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)闡述一下機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法在機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題上的——m匚從全胡考黑應(yīng)用。齒輪設(shè)計(jì)的基本流程：1、設(shè)計(jì)變量：齒輪傳動(dòng)在工業(yè)上的應(yīng)用極為廣泛，因此，齒輪及其減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)提。高齒輪傳動(dòng)及其減速器的承載能力、延長(zhǎng)壽命和減小其體積和重量等方面都具有重要的技術(shù)。價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。對(duì)于給定齒數(shù)比U的一對(duì)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，當(dāng)中心距不確定時(shí)，其獨(dú)立的參數(shù)有齒數(shù)。Z1(或z2)、齒寬系數(shù)Wd(或齒寬b)、模數(shù)m以及變位系數(shù)X1和X2。當(dāng)中心距給定時(shí)，其獨(dú)立參數(shù)有Zi(或Z2)、屮d(或b)、m以及變位系數(shù)Xi(或X2)。因此，不同情況下，一對(duì)圓柱齒輪傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量如表所示。*7-4H1柱齒絶詩(shī)動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)變量齒寬希數(shù)璽位爲(wèi)stm/51此1mMr旳—7如叫—$斜習(xí)變位齒輪傅動(dòng)石1啲r>",1152、目標(biāo)函數(shù)：齒輪傳動(dòng)的目標(biāo)函數(shù)可以選擇體積最小或者傳遞功率最大。齒輪傳動(dòng)的體積最小：圓柱齒輪的體積可以近似地取為分度圓面積和齒寬的乘積、故齒輪傳動(dòng)裝置的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為大小齒輪體積之和：minf(x)=兀m2(z2+z2)-b412齒輪傳動(dòng)傳遞的功率最大：若以彎曲疲勞強(qiáng)度為限制條件，由公式可知，圓柱齒輪傳動(dòng)能傳遞的最大功率為：兀ndbmQ]P—4^F60x106?KKKKYYYAva卩FaSa￡若以接觸疲勞強(qiáng)度為限制條件，則由公式可知圓柱齒輪傳動(dòng)能傳遞的最大功率為：兀nd2buQ]2P—H—60x106?KKKK(u+1)AvaP由此，極小化目標(biāo)函數(shù)為：minf(x)f(x)=-min(P,P)123．約束條件：齒輪傳動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，約束條件包括：(1)為防止齒面接觸疲勞點(diǎn)蝕失效，齒輪傳動(dòng)必須滿足接觸疲勞強(qiáng)度條件，即a-Q]<0HH頭防止齒根彎曲疲勞折斷、齒輪傳動(dòng)必須滿足彎曲疲勞強(qiáng)度條件，即TOC\o"1-5"\h\zQ一Q]<0F1F1Q-[Q]<0F2F2根切的限制：z-z>01min其他一些極限位的限制：模數(shù)的限制m一m<0minm一m<0maxd—d<0a2maxd—d<0mina1齒輪直徑的限制中心距的限制a—a<0max齒寬的限制b—b<0maxb—b<0min調(diào)用《常用優(yōu)化方法程序庫(kù)OPB》就能獲得在滿足約束條件下，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小的最優(yōu)解。整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)的程序框圖如圖所示。開(kāi)廉進(jìn)*7優(yōu)世設(shè)計(jì)?開(kāi)廉進(jìn)*7優(yōu)世設(shè)計(jì)?2)?優(yōu)化沒(méi)纖嚨■下面我們看一個(gè)三級(jí)圓錐—圓柱齒輪減速器的工程優(yōu)化實(shí)例一煤礦運(yùn)輸機(jī)用三級(jí)圓錐一圓柱齒輪減速器。其中第1、第3級(jí)為圓柱齒輪傳動(dòng)。已知第2級(jí)的輸入功率為P=37.26kW，半動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為ni=664r/min,齒數(shù)比為u=3.4667，嚙合角an=20°，原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)，工作機(jī)載荷有中等沖擊，支承形式如圖所示，齒輪材料為20MnVB，滲碳淬火，HRC=58，齒輪精度為7級(jí)?齒面粗糙度Rz=6.3，潤(rùn)滑油動(dòng)力粘度為83x10-3Pa-s，要求齒輪的使用壽命為2000h,試以體積最小為目標(biāo)，對(duì)此齒輪傳動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)上述優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，調(diào)用《常用優(yōu)化方法程序庫(kù)0PB》計(jì)算結(jié)果如表所示。優(yōu)化結(jié)果表明中心距由原來(lái)的174mm減小到157mm，縮短了10%左右。S75齒輪減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果\螫軸：2122p丫c/atrnm)■r"iin'i■'4j(rnrnJ]fl、()■>7?-1572fe-.UU174.優(yōu)代設(shè)計(jì)J111744-4'j-①4口41.19(1123^-4151.S1"哎計(jì)打、.仆ih[P：ii(th(MPu)□FpJMFa}“pp/MPa)曲甘pJMT丑1tTiip.IMFajlSf31原M"：.9122H<79--站:)407.6：492.~2-3■，r優(yōu)化湮計(jì)-'U4424iro丨抽〕2.OTL2由此可以看出，通過(guò)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論——優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)對(duì)齒輪進(jìn)行優(yōu)化，即減小了人的工作量（主要工作有電腦承擔(dān)），又能夠得到比傳統(tǒng)方法更好的參數(shù)，所以，機(jī)械設(shè)計(jì)理論是否先進(jìn)將直接影響著一個(gè)國(guó)家機(jī)械工業(yè)的發(fā)展。另外，值得指出的是，在齒輪傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，由于齒數(shù)是整型變量，而模數(shù)是離散型變量。所以用連續(xù)變量的優(yōu)化方法獲得最優(yōu)解后，要圓整和取標(biāo)準(zhǔn)值，或直接用混合離散變量的優(yōu)化方法進(jìn)行求解。此外，現(xiàn)在在齒輪傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題中，已經(jīng)開(kāi)始將振動(dòng)和噪聲方面的要求列入優(yōu)化數(shù)學(xué)模型之中，進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)也有將有限元分析與優(yōu)化結(jié)合起來(lái)，例如尋求對(duì)輪齒彎曲強(qiáng)度最有利的齒根過(guò)渡曲線的圓角半徑值。為了彌補(bǔ)常規(guī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，將優(yōu)化設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)相結(jié)合，稱為可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)法。六、總結(jié)通過(guò)做這一次的機(jī)械設(shè)計(jì)大作業(yè)，我對(duì)我國(guó)的機(jī)械行業(yè)有了比較細(xì)致的了解，隨著社會(huì)的進(jìn)步，機(jī)械設(shè)計(jì)理論在不斷地改進(jìn)，我國(guó)近幾年來(lái)在這一方面也取得了一些進(jìn)步，但總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)的機(jī)械行業(yè)還落后與很多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家。機(jī)械理論與方法直接決定著設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量，對(duì)一個(gè)國(guó)家機(jī)械水平有著及其重要的作用。目前，很多現(xiàn)行的設(shè)計(jì)理論已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)需求了，我們應(yīng)該抓住這個(gè)機(jī)遇，致力于新的機(jī)械設(shè)計(jì)理論研究，來(lái)促進(jìn)我國(guó)機(jī)械行業(yè)的進(jìn)步。我認(rèn)為我國(guó)機(jī)械行業(yè)存在的主要問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：國(guó)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)新理論不能夠很快的接受并應(yīng)用，導(dǎo)致設(shè)計(jì)產(chǎn)品落后。據(jù)調(diào)查，雖然現(xiàn)在國(guó)有很多企業(yè)已經(jīng)購(gòu)買了一些國(guó)際上比較通用的CAD/CAE軟件，但大多少企業(yè)只是用它們來(lái)繪制圖紙，而不是用它們來(lái)做仿真實(shí)驗(yàn)，做優(yōu)化設(shè)計(jì)，因此，機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法是我們目前亟待解決的問(wèn)題。與機(jī)械行業(yè)并行的其他行業(yè)落后，比如材料工業(yè)，有很多產(chǎn)品我們也可以設(shè)計(jì)的很漂亮，一些復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)我們也可以設(shè)計(jì)出來(lái)，但是由于材料工業(yè)的落后，我們制造出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量就有可能大打折扣。毋庸置疑，機(jī)械行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的一大支柱產(chǎn)業(yè)，其重要性不可言喻。我國(guó)要想真正在世界立足，機(jī)械技術(shù)這個(gè)硬實(shí)力就一定要取得突破。作為一名車輛專業(yè)的大學(xué)生，我們應(yīng)該肩負(fù)起振興中國(guó)機(jī)械行業(yè)的責(zé)任，扎實(shí)的學(xué)好理論