第七章创新设计.ppt

结构设计是机械设计中涉及问题最多、最具体、工作量最大的工作阶 段。 机械结构设计的重要特征之一是设计问题的多解性，机械结构设计的 任务是在众多的可行结构方案中寻求较好的或最好的方案。 现有的数学分析方法能够使我们从一个可行方案出发在一个单峰区间 内寻求到局部最优解；但是，并不能使我们遍历全部的可行区域，找出 所有的局部最优解，并从中找出全局最优解，从而得到最好的设计方案。 这就需要发挥创造性思维方法的作用。 创造性思维在机械结构设计中的重要应用之一就是结构方案的变异设 计方法。 变异设计的目的是寻求满足设计要求的独立的设计方案，以便对其进 行参数优化设计，尽可能得到全局的最优解。 结构方案的变异包括： 1. 功能面的变异 2. 联接的变异 3. 支承的变异 4. 材料的变异 螺钉用于联接时需要 通过螺钉头部对其进行 拧紧，而变换旋拧功能 面的形状、数量和位置 （内外）可以得到螺钉 头的多种设计方案。 在图a所示的结构中，由于挺杆2的轴线方向与摇杆1通的法线方向不 平行，所以容易卡死。 如果将球面改在摇杆上，如图b所示，则接触面上的法线方向始终平 行于挺杆轴线方向，不产生横向推力，则不会被卡死。 机器中的零部件通过各种各样的联接组成完整的机器。联接限制了零 件的某些自由度，保留机器的功能所必需的自由度，实现了确定形式的 运动关系。 以轴毂联接为例，可能有以下几种情况： 1．固定联接，要限制6个相对运动自由度。 2．滑动联接，要限制5个相对运动自由度。 3．转动联接，也需要限制5个相对运动自由度。 4．移动、转动联接，这种轴毂联接需要限制4个相对运动自由度。 固定式联接的轴，可以是三角形、正方形、六边形或其他特殊形状表 面，但是由于非圆截面加工困难，所以这些形状的截面实际应用较少。 轴系的支承结构是一类典型结构，轴系的工作性能与它的支承设计的 状况和质量密切相关。 旋转轴至少需要两个相距一定距离的支点支承，支承的变异设计包括 支点位置变异和支点轴承的种类及其组合的变异。 每个支点承受轴向载荷的方式有4种可能 将轴系中两个支点的这4种情况进行组合，可得到两支点轴系承受轴 向载荷情况的16种方案， 不同的材料具有不同的性能和不同的加工工艺，结构设计中既要根据 功能的要求合理地选择适当的材料，并根据加工工艺的要求确定适当的 结构，只有通过适当的结构设计才能使所选择 设计者要做到正确地选择结构材料就必须充分地了解所选材料的力学 性能、加工性能、使用成本等信息。 在结构设计中应根据所选材料的不同而采用不同的结构设计原则。 例如在弹性联轴器的设计中，由于所选弹性元件材料的不同，使得联 轴器的结构变化很大，对联轴器的工作性能也有很大的影响。 结构设计中应根据所选材料 的特性及其所对应的加工工 艺而遵循不同的设计原则。 铸铁材料的抗压强度远大 于抗拉强度，因此承受弯矩 的铸铁结构截面多为非对称 形状，以使承载时最大压应 力大于最大拉应力。 例7-1 棘轮机构的变异设计分析 待设计的棘轮机构如图所示 通过变换功能面的形状可得到如图所示的多种方案，其中方案a和方 案c用于单向传动，方案b的棘轮可用于双向传动，方案c功能面能承担较 大的载荷，应用较普遍，但承载能力对制造误差较敏感。 通过变换功能面的数量可得到如图所示的多种结构方案 通过变换功能面的位置得到的结构方案。 通过变换工作面的尺寸得到的结构方案 例7-2 铰链节叉的结构变异 铰链是一类常见的机械结构。下面以其中的铰链节叉为例，分析当采用 不同的毛坯形式时结构的变异设计。 采用铸造毛坯时的不同结构方案 采用整体材料以切削方法成形时的不同结构方案 用板材经焊接成形的结构 使用成型材料并经焊接成形的结构 使用整体材料与板材经焊接成形的结构 机械产品的性能不但与原理设计有关，结构设计的质量也直接影响产 品的性能，甚至影响产品功能的实现。 提高产品的性能，可通过提高结构的强度、刚度、精度、工艺性等方 面来实现。 7.2.1 提高强度和刚度的设计 强度和刚度是结构设计的基本问题，通过正确的结构设计可以减小单 位载荷所引起的材料应力和变形量，提高结构的承载能力。 强度和刚度都与结构受力有关，在外载荷不变的情况下降低结构受力 是提高强度和刚度的有效措施。 提高强度和刚度的设计有如下4种方法： 1. 载荷分担 2. 载荷平衡 3. 减小应力集中 4. 减小接触应力 1．载荷分担 结构设计中应将载荷由多个结构分别承担，这样有利于降低危险结构处 的应力，从而提高结构的承载能力，这种方法称为载荷分担。 2. 载荷平衡 在机械传动中，不做功的力应尽可能使其传递路线变短，如果使其在同 一零件内与其他同类载荷构成平衡力系，则其他零件不受这些载荷的影 响，有利于提高结构的承载能