机械的设计方法篇1
关键词：机械设计；现代；矿山；应用
中图分类号：tH122文献标识码：a
现如今，整个社会对于能源的需求量是非常大的，矿产资源的开发已经成为现今一个非常重要的行业，与此同时，各种各样的矿难也随之增多。造成矿难的原因多种多样，但是其中因为矿山机械的设计导致的悲剧却占了一大部分的原因。所以，加强矿山机械的设计，保证矿山机械的质量，发挥更大的实用性，是我们目前应该重要考虑和研究的问题。我国目前在这方面的研究已经取得了初步的成效。
1现代矿山机械设计的内容以及重要意义
1.1设计的内容
伴随着现代科技的发展，传统的设计方法因为无法满足现代工业的发展需求，逐渐被社会淘汰。而现代设计将重心放在了智能、系统、稳定、先进和包容等方面，根据市场的实际需求情况，经由设计人员认真的推演、规划，最终制定出来的。现代设计的方法对于推动企业的技术发展作用非常明显。
1.2设计的重要意义
正如大家所了解的，煤矿的开采过程是非常复杂的，而且设计的环节非常的多。而在整个的过程中，机械设计由于和开采的安全息相关，所以更加的显示出现代机械设计的重要性。矿山机械设备贯穿于整个矿山的开采过程，这就要求相关部门必须重视机械设计的研究。现代机械设计的方法能够为煤矿的开采节约成本，大大的提高市场的竞争力。
如今，我国经济发展迅猛，科技水平不断创新高，如何更好的将日新月异的技术应用到矿山机械设计中来，是今后一段时间我们要面临的重要课题。
2现代矿山机械设计的要点分析
2.1设计理念体现以人为本
无论哪一种机械设计，都应该贯彻以人为本的原则，强调人的特殊作用。在这个理念中，还应该包括很多的内容，比如矿山机械的噪音都比较大，当然这也是由于其自身的体型和功能决定的，但是噪音会给人带来非常大的伤害，如何尽量的削减噪音，是现代应该重视的一项研究。有关调查显示，人如果长期处于特别嘈杂的环境中，对整个身体机能来说影响是非常大的，一旦受到伤害，首先表现出来的就是呕吐和眩晕。有关数据表明，外界环境的音量如果超过了85dB，就会造成人体大脑皮层的兴奋和难以自制的情况。一旦出现这种情况，就极易影响矿山操作者的工作状态，造成事故的发生。所以，在矿山的设计中必须把人的因素加进来，尽可能的降低机器系统噪音的产生量，使用科学的手段降噪除噪。
特别是现阶段，我国矿山的机械设计的自动化程度还比较低，为了体现人性化的设计，应该把设计要点也放在方便舒适的操作上，尽量使整个操作台的设计更加的体现人性化。比如操作台的位置问题，应该尽量针对人体眼睛的最佳角度来进行角度的设计，人眼的最佳视角是上下三十度左右，左右六十度左右，如果能够满足这个原则，就能更好的缓解操作者的视觉疲劳，提高操作的安全性。
2.2做好综合设计。
现代机械设计具有高效性、安全性和智能性的特点，在设计的过程中，对这些特点必须综合进行考虑，结合人体的基本参数和生理指标进行综合设计，综合这些数据和指标进行实际的设计。这样，机械设计的方案才会更加的完善，体现人性化的需求，满足现代生产的需要。
3现代机械设计方法在矿山中的具体应用。
3.1仿生学设计技术的应用。
3.1.1关于形态的仿生学
形态仿生学设计主要来源于大自然。仿生设计的素材基本都来自于形形的大自然。现代优秀的设计师，必须能够通过大自然来获得灵感，结合生物的不同形态来进行机械系统的设计，通过生物的自然形态的研究来获得更好的生产力源泉。这一点是不可否认的，适者生存的自然法则决定了自然界中所有的生物都有他们自己生存的独特能力。现如今，形态的仿生设计的理念已经更加的被重视，通过系统化的分析，进行有关数据的提取，这为更多的设计者更好的完成生态外形的改造提供了很大的帮助，使它们更好的额被应用到矿山的机械设计制造当中。
3.1.2关于功能的仿生设计。
该理念主要是通过整个大自然中的生物本身特有的构造和能力进行分析，获取数据，再结合矿山机械的设计需求进行功能的融合。功能仿生设计的源泉是自然界的生物本身，它们特有的功能给了设计者们一定的借鉴和模仿的空间，被最大限度的应用到了当今的矿山机械设计的需求之中。如果这些自然功能和实际功能可以完美的结合，对现代机械设计的功能新时期的到来时功不可没的。这对于整个矿山机械的设计来说，其优势是不可估量的，这也是矿山机械设计今后主要的发展方向。
3.2绿色设计理念的应用
3.2.1有关设计方法的探析
矿山机械在运行的过程中，产生的有害物质是比较多的，这对自然环境构成了很大的威胁，比如矿山机械的动力系统一般都是靠柴油机带动的，柴油机在工作的过程中噪声比较大，排放的颗粒物也比较多，特别是那种大缸径的柴油机，对环境的影响特别的严重。因此，为了环保技术的设计，在矿山机械设计中必须加强绿色设计。
从整体的角度出发，绿色设计是整个设计系统的核心，在矿山设计中就是突出结构的设计，比如可拆卸的设计，材料的选择，环境的设计，包装的设计创新等等。这其中最重要的方面就是对环境的综合评价，这个方面将会贯穿于整个的过程之中，主要用在企业矿山机械设备的开发和设计、制作的过程中。
评价指标体系建立的情况，可以考虑生态平衡和废弃的处理等等。其中对于美观度的要求、舒适度的要求、废弃物的回收都是要考虑的，必须贯穿于整个世纪、制造和使用的过程之中，也要体现在回收的环节中。原因就是在矿山机械的设计中，每个阶段的工作都是交叉在一起进行着的，这就要求建立一个完善的环境以有利于内部的交叉使用。一方面，有利于信息的筛选、传送，另一方面有利于反复的使用。
3.2.2有关绿色设计的技术分析
在绿色设计中，首要的就是数据管理的技术，然后是针对建模和仿真技术，第三就是评价的技术。数据的管理，是在矿山机械的绿色设计中一个至关重要的技术，在矿山机械设计的生命周期中，每个环节都有对它的需要，并且需求量是很大的，涵盖了绿色资源和工程的规范技术等进行管理的技术，可以按照事先的眼球将相关的数据信息传递给指定位置的工作人员。
3.3优化设计的应用
目前，优化设计在矿山机械设计中运用已经相当广泛了。优化设计主要是指将设计中遇到的问题向数学模型进行转化，充分利用现代计算机技术，经过准确的计算，得到最佳的可行性方案。优化设计不仅仅推动了计算机辅助功能的进程，也大大提高了产品性能。
3.4可靠性设计的应用
对设计产品质量评定的一个重要方面就是机械在一定的时间和条件下，能够完成的工作强度的能力。为了使设备的性能达到最佳，必须按照机械的性能、材料等进行大量的试验，进行细致的分析，获得具体有效的数据，结合机械的强度、尺寸、材料进行设计，延长设备的使用寿命，提高机械的可靠性。
3.5稳健性设计的应用
结合系统的非线性因素，将多方面的可控因素进行优化，同时优化产品的性能，进而提高机械的稳定性。矿山机械的工作环境相对恶劣，这就要求通过稳健的设计技术，保证机器能够在恶劣的环境中保持稳定、长久的工作状态。
3.6智能设计的应用
经过长期的科学技术的发展，智能机器的出现已经是一种形势了。所以，在矿山机械的设计中尽量采用智能系统设计，是势在必行的。通过集成传感器、控制器和执行器，可以保证机械适应环境能力的提高，还能有效的降低能耗，提高性能。
结语
现代矿山机械设计的方法还是比较多的，矿山机械设计在矿山的开采过程中作用还是非常明显的，设计者如果能够保持与时俱进，更好的进行现有科学资源的运用，那么使矿山机械真正的体现智能化、人性化、精密化的特质，就指日可待了。设计人员要不断的创立新观念、学习新理论，不断的提高自身的社会责任感，为设计出更具有国际竞争力和影响力、更加有效的矿山机械产品而努力。
参考文献
[1]宋昊妍.论现代设计方法在矿山机械设计中的应用[J].机电技术，2015.
机械的设计方法篇2
【关键词】模块化设计；机械设计；设计特点
一、模块化的设计方法
机械设备由众多零件组成，设计阶段也是分类进行的，应用模块化设计理念，能够在短时间内完成工作任务，设计结果也更具有可行性。模块化设计需要考虑各部件投入使用后是否能够实现功能，这与模块之间的配合有很大联系，将设备主体分开设计，彼此之间相互独立又能够共同配合实现功能。设计期间要考虑部件如果发生损坏是否便于更换，以此来保障运行过程稳定可靠，此类设计理念是通过整体细分来实现的。设计期间外形也能得到很好的优化，拥有完善的设计流程，并不是逐次完成设计任务的，先将主体设计完成后，再进行细致的划分，这种设计理念下，机械设备功能更完善，使用期间如果发生故障，检修任务也更容易进行。掌握设计方法才能够优化完成任务，机械设备使用安全性也因此得到了保障。
二、模块设计的内涵及特点
1、模块化设计内涵
设计任务可以从多个层面共同进行，并且这一特征是传统设计方法中所不具备的。先对产品的框架进行设计，在逐层开展内容完善，这样机械设计任务开展形式拥有更多的选择，并且不会出现设计形式混乱的情况。机械设计需要将参数完善记录，方便对设计图形进行审核，完全达到安全标准才能够投入到生产环节中。通常情况下是同横向与纵向两方面来探讨设计形式，将数据依次填写到框架中，对比分析是否存在误差。设计期间结合使用需求可以随时对模块进行改变，确保工作任务能够高效开展。
2、设计的特点。
2.1便于维修。模块化设计理念与传统设计方法相比较，拥有很多新的特点。首先是使用阶段发生故障更便于维修，修理任务也可以在局部进行，节省时间的同时在维修效率上也有明显提升。各模块均可灵活拆卸，故障严重时，通过调试很难使之恢复正常，此时直接将木块更换，快速完成维修任务。由此可见，无论是设计还是使用，该种设计理念都有很多突破，解决了机械设备使用中遇到的问题。2.2简化包装设计。包装是设计工作中的重要内容，同时也十分复杂。要根据设备的外形对包装进行设计，保护运输安全也要合理利用空间，这些标准很难同时实现，但通过模块化设计，包装环节更简单便于实施。传统包装方法中，工作人员要根据不用零件的设计形式探讨包装方案，对基层工作人员相关专业知识要求严格，并且在包装过程中会浪费大量时间，并不利于机械生产加工高效进行。应用模块化设计理念后，包装工程中所面对的产品也都是划分后的，并不需要基层工作人员了解机械设计原理，对控制成本支出及提升生产效率都有很大的帮助。加强模块化设计理念应用后，工作人员可以更高效的完成包装任务，为机械设备使用阶段提供便捷性。2.3模块化包装的成本低。应用模块化设计方法后，在机械生产包装流程中有明显的简化，同时成本支出也得到有效控制。传统的设计理念中，存在很多不确定因素，因此预算的成本支出也很容易发生变化，在工作任务开展过程中，包装所用材料通过计算可以得到准确结果。这样管理人员更明确不必要的成本支出，解宝鑫辽宁金螳螂幕墙装饰有限公司110167严格控制资金使用，这也是模块化设计理念中节约成本的依据。虽然资金支出得到了控制，但产品使用质量并不会因此受到影响。
三、模块化设计机械设计中的应用
1、模块化技术和成组技术的共同点。它们提出的依据都是现代产品的多样化。进行成组的时候都是依据零件特点等因素，主要是利用物体之间的相似性，并且将这些相似的事物进行组合，通过对相似零件规范化的处理，达到小批产品也具有流水作业的情况。而模块化追求的是小产品和中产品以及大批量零件之间的效果，也是利用它们之间的相似度，把一些零件划分，最后制成模块。它们之间的共同点主要表现是，对相似的零件进行集中处理；
2、模块化技术的应用。模块化设计理念需要计算机设备支持才能完成设计任务，应用该技术也需要全面的方案规划，明确机械生产的使用方向，这样在模块划分时才更具有科学性。设计任务通常是先整体再局部，以实现使用功能为目标。不断完善设计方案，借助计算机软件对使用功能进行检测，确保能够达到检验标准，才可以投入到生产环节中。数控机床对模块化的划分是指对机床运动分析和结构分析得出的结构，将具有同样功能的结构进行合理的划分。模块化划分的好坏之间影响着模块化设计的成败。
3、数控机床在进行模块划分时的原则。（1）将具有独立功能的单位作为模块，也就是说对已经分解的单元结构上的划分尽可能的做到其独立性，这样方便不同模块之间的进行组合，能够拼凑出多种产品；（2）部件作为模块。在进行划分的时候，以部件作为模块，这样能够保证模块的完整性，而且也能够保证拼凑的产品的质量；（3）利用组件的方式作模块。设计人员对模块分解之后，还可以将模块进行组件，通过不断的试验更换某些零件，可以使部件的用途增加，这样比更换整个零件更具有经济效益；（4）在进行模块划分的时候，还要考虑到机床中大件的划分，保证其规范性，还要使其便于分离和结合。同时也要考虑到模块的发展空间，定时的进行升级。
4、数控机床的功能分解。机械生产是通过数控机床来完成控制任务的，模块化设计理念应用后，控制任务也要细致划分，以实现使用功能为目标，对生产环节进行分层次控制，这样功能划分更科学合理。机械设备使用阶段的科学性是对设计方案最好的评估，如果不能确定方案可行性，可以通过试验检测进行判断。当然，设计人员进行分解时，首先应该考虑的就是用户需求。由于用户之间的条件存在差异，所以会所在确定机床规格时候也要不同，也就是说在模块的组成中也会存在差异。对单柱的数控来说，其总功能是车削。在将其进行划分的时候，可以讲车削的沟槽和旋转面等方面进行。还要将其的铣镗功能进行划分，这些功能可以按其的执行功能和监测等方面进行划分。
模块化可以说是迄今为止机械包装中最好的设计方法，其开创了机械包装的设计的开放化和标准化。从而提高了机械制造商在竞争如此激烈的市场中的竞争力，同时也推进了我国机械化的水平。
作者:解宝鑫单位:辽宁金螳螂幕墙装饰有限公司
参考文献
机械的设计方法篇3
关键词：现代；机械设计；创新；方式方法；特征
机械自身就是一个十分庞大的硬件，对机械实施设计不仅仅要具有一定专业的技术和知识，还需要很大耐心，与此同时，更需要机械设计人员的责任心、细心以及耐心，过去传统的机械设计工作具备以上的因素就能够实施，但是，在当前新时期中，要求机械设计人员必须要对机械设计技术具有革新理念以及创新理念。第三次工业革命带来了巨大的冲击，这一冲击力使得我国的机械行业能够得到十分迅速的发展，与之相对应来看，对机械设计自身提出的要求也会越来越严格。所以，要求设计人员必须要对机械设计领域实施创新，机械设计自身具有很强的时代性，而机械设计的理念同时伴随着时代自身发展进行变革。下面，笔者就浅谈现代机械设计的创新方法。
1.现代机械设计创新要树立创新观念
想要对过去传统机械设计模式进行创新，要求机械设计的人员必须要有一个大胆地创新理念，并且要将创新理念很好的应用到实践之中去，创新就代表将过去传统思维方式进行突破，对现代超前设计的理念来对机械设计进行思考。对于一个国家以及一个民族来说，创新是必不可少的必需品，对于一个机械设计的人员来说，如果没有一定的创新能力，设计人员自身设计的机械产品就不能够被人们肯定。任何一个专业以及优秀的设计人员必须要对创新的理念进行谨记，运用一个十分特别的创新思维来在机械设计过程中对问题进行深入的思考，进而不断应用自身专业的知识来促进机械设计工作不断的变革。
创新自身具有一定的独创性，所谓的创新就是指勇于对过去传统的理念进行突破，将常规思想打破，寻找一个合理的新功能、新机构以及新源里，独创性能够很好的使机械设计的方案在创新理念方面脱颖而出，设计人员不断对更高层次创新工作进行追求。创新还具有一定的实用性，所谓的实用性主要体现在对于市场的可生产性以及市场的适应性这两个方面。创新具有一定突破性，突破性要求机械设计人员必须要勇于突破惯性思维，从自身定向思维之中解脱出来，善于从新技术领域之中对有用事物进行接受，进而提出一个全新的原理，最终为机械设计工作自身打开一个全新局面。
2.现代机械设计创新要实施优化设计
现代机械优化设计主要将数学规划作为理论以及基础，将电子计算机作为机械设计的工具。在对各种各样约束因素进行综合考虑的前提之下，寻找对某些预定目标最好方案设计进行满足的方式方法。优化设计已经成为了现代机械设计创新的方式方法里面比较先进的方法，主要建立在现代计算机技术基础以及最优化数学理论基础之上的，将计算机以及数学函数进行充分运用，进而计算出一种最有效率以及最优秀设计的一种方案，现代机械设计的核心理念对当前时展要求进行了满足。在我国现代的机械优化设计研究领域中，我国已经有了一定的突破，开发一些十分先进的机械优化设计的程序，并且在机械设计行业以及领域中起到了一定的反响，但是，在应用方面对设计方法进行优化还没有在每一个领域中进行普及，对于机械设计专业以及领域来说，在机械设计创新过程中实施优化设计已经成为了一个前进的方向。
3.现代机械设计创新要实施变型设计
在机械设计过程中实施变型设计就是指在原产品前提以及基础之上来实施全新的开发，使得机械的零件规格更加标准，机械部件实现通用化，机械的产品实现系列化，进而能够很好对广大使用人员需求的机械设计方式方法进行满足。机械产品的结构、原理以及功能都大致相同，但是，机械性能参数以及机械尺寸存在一定的不同，这一种机械设计成为纵系列设计的变型。要求在基础型的产品基础之上来讲功能设计进行开展，这就是所谓的横系列产品设计的变型。除此之外，机械设计具有一定的先进动力参数，这些动力参数不同类型的产品人们将其称之为跨系列机械设计变型。由此，我们可以看出，机械设计变型设计能够从本质上保证机械设计产品固有的原理以及基本功能不变这一情况以及前提之下，随时随地按照使用者需求，对机械设计其他参数进行调整，进而设计出更加完美以及完善的机械产品。机械设计一直都是一门十分精深以及具有博大知识的学科，机械设计包括多个方面，因此，机械设计自身的方式方法具有很多种，作为这一种机械设计方法之中的一种设计方法，变型设计的理念具有科学性以及先进性，能够使机械设计将过去传统设计的模式进行突破，进而走上一条理想、精确以及成熟的路线。
结语：
现代的机械设计必须要与创新密切相关，要求机械设计人员必须要树立起一种创新理念，将主观能动性进行充分发挥，与此同时，还要对现代的机械分析工具进行熟练的应用，进而能够设计出一种更能够满足使用者需求、质量更高的机械。本文中，笔者主要从现代机械设计创新要树立创新观念、现代机械设计创新要实施优化设计以及现代机械设计创新要实施变型设计这三个方面对现代机械设计的创新方法进行了浅谈。
参考文献：
[1]商昌桥.现代机械设计的特点及设计手段的未来发展之我见[J].哈尔滨职业技术学院学报.2007（05）.
[2]华同曙.浅谈现代机械设计的特点及其教育模式[J].江苏工业学院学报（社会科学版），2002（03）.
[3]程志刚，李瑞琴，董亚峰，黄莉.机电一体化产品概念设计理论现状与展望[J].中北大学学报（自然科学版），2006（01）.
机械的设计方法篇4
前言：
机械设计发展的三个阶段的是将预定的目标，经过一系列的规划与分析决策产生一定的信息形成设计，并通过制造，使设计成为产品，造福人类。机械设计的发展史按时间来分，可分为三个阶段：从古代社会到17世纪为机械设计起源和古代机械设计阶段，由17世纪至第二次世界大战结束为近代机械设计，第二次世界大战结束直到现在为现代设计阶段。如果按其内容可分为：直觉设计阶段，经验设计阶段和理论设计阶段。两种划分是一一对应的，是从不同角度来划分机械设计的发展史。每一个阶段在设计理论，方法和制造工艺方面都有明显的特色。
1.机械设计的发展史
在我国古代，机械发明，设计者与制造者是统一的。有许多著名的人物，他们的成果代表了当时我国的机械的设计水平。唐代的时侯我国与许多国家开展了经济，文化和科学技术的交流，对中国和世界其它的一些国家有很大的影响。由于贸易的发展，要求商品增加，从而改进生产设备，使机械设计有了很大的发展，造纸，纺织，农业，矿业，陶瓷，印染，兵器等都有了新的进展，机械设计水平也提高了一大步。
在1854年学者劳莱克斯发表了著作《机械制造中的设计学》把过去溶在力学中的机械设计学独立出来，建立了以力学和制造为基础的新科学体系，由此放生了“机构学”，“机械零件设计”，成为机械设计中的基本的内容。在这一基础上，机械设计学得到了很快的发展。在疲劳强度，接触应力，断裂力学，高温蠕变，流体动力，齿轮接触疲劳强度计算，弯曲疲劳强度计算，滚动轴承强度理论等方面都取得了大量的成果，新工艺，新材科的，新结构的不断涌现机械设计的水平也取得了很大的发展。机器的尺寸减少，速度增加，性能提高，机械设计的计算方法和数据积累也相应有了很大的发展，反映了时代的特色。
现代机械设计方法的特征是，它具有自己的学科体系和专门的内容。其核心技术有3个方面：
（1）以产品的“功能”作为机械设计的核心目标。美国麦尔斯提出了“顾客购买的不是产品的本身，而是产品所具有的功能”，说明了“功能”是产品的本质和灵魂。原理的提出大大解放了设计师的思想，为了实现功能，可以采用不同的原理和结构。我们可以从近年来的计时装置，文件复制设备，通讯方法等方面的飞速发展看出，设计师的聪明才智得到了发挥，多方面满足了社会需要。
（2）“人机学”的形成和发展。机械的工作与人是不可分的，有些操纵的信号要靠人输入。必须考虑操纵者的反应速度和能力限制，还必须考虑操纵者和乘客的舒适性。虽然许多产品已经向自动化发展，许多民用产品对使用者的技术要求日益降低。但是机械产品毕竟是为了人类设计的。考虑“人机学”是提高产品的竞争能力的重要方面。实际上“傻瓜化”就是当前处理人机问题的一个重要的途径。
（3）建立系统的“工业设计”学科体系。工业设计是设计者使产品在外观，色彩，形状，尺寸比例等方面的合理设计，使产品与人，环境更协调，以得到更好的使用效果与况争力。
2.现代代机械制造业设计的发展趋势
2.1现代化机械设计的核心是数字化
随着数字化技术的发展，在设计之前可以对整个生命周期进行建模。利用计算机进行模拟，利用计算机定义产品设计的整个生命周期的完整过程，为机械设计提供参考：设计中可以采用大量的数字化的设计工具和手段。利用数字化的管理手段对整个设计的过程进行科学的管理，从而确保资源的优化配置，提高设计效率。
2.2现代化机械设计的大趋势是并行化
通过计算机平台的支持，设计团队可以共享相关的信息，不在一个地方的设计人员和可以进行协同设计工作。在设计的过程中可以最大限度的获得技术支持，实现优势互补，提升设计能力。而传统意义上的机械设计是一种串行的设计理念，将产品分成几个步骤，然后一个环节完成了才能进行下个环节。并且在设计过程中各个阶段的设计缺乏沟通手段，不能够对发现的问题进行及时的修正，从而极大的延长了机械设计的开发周期，增加了大量的工作量。
现代化机械朝着大型化、综合化的方向发展，机械自身的构造和功能将变得越来越复杂，产品在开发初期做出的相应的设计思路将会直接影响到后期的设计。所以在开发设计的初级阶段一定要进行充分的论证和实验，考虑产品面临的各种因素，这样可以极大的降低在产品后期的修改的次数，缩短开发周期。现代机械设备的科技含量不断的增加，其所涉及到多个部门的知识，一个企业往往没有能力独立完成一个机械的完整的设计，就需要将相关领域的企业或者是研究机构的设计人员集中起来共同设计，通过并行工程的强大支持，各个领域的设计人员同时进行机械的设计，优势互补，强强联合，最终设计出满意的机械产品。
2.3现代化机械设计的要求是智能化
随着自动化技术在机械领域的使用，机械的自动化程度越来越高。设计师充分利用智能技术展开机械的设计工作，组成一套智能化的体系。智能化系统能够独立的进行计算以及逻辑推理，大大减少设计师的工作量，提高设计工作效率。
3.结束语
发展我国的机械设计科学研究，必须集中探讨机械设计各主要环节的正确工作方法和解决问题的途径，收集开发新产品的成功经验和范例，积累大量的设计资料，了解世界有关行业的发展动向，致力于提高我国机械工业的水平，生产具有国际竞争力的机械产品。相信我国学者们要总结过去设计经验并吸收外国先进的学术思想和科学技术的基础上，定能研究出一套适合我国的国情。高效优质，经济地进行设计的规律和方法来为加速现代化建设做出应有的贡献
参考文献
[1]李润方，林腾蛟，陶泽光，韩西.现代机械设计方法及其应用[J].机械工艺师，2000，（09）.
机械的设计方法篇5
[关键词]matLaB；机械优化设计；仿真运用
中图分类号：tn899文献标识码：a文章编号：1009-914X（2015）14-0233-02
引言
在经济迅速腾飞的时代，机械设计的方法和理论在其中的比重越发增大。只有不断完善机械设计理论，才能使我国的机械设计水平提升，也才能为各个部门提供性能先进的技术装备。为此，传统的机械设计方法已经渐渐满足不了人们生产制造的要求，纵观传统的机械设计理念，更多的是对以前产品制造经验的借鉴和拓展，缺乏创新理念，在设计过程上更是繁琐，以经典力学为依据对零部件进行设计，这样加大了成本的投入，使生产周期变长。而现代的机械设计方法，在设计思想上更多地运用最新的技术，不仅仅只以机械系统为关注对象，增大了设计的视角；设计准则上以广义力学的可靠性准则为依据；设计过程更是与前者完全不同，虚拟样机，方案评价，优化参数到最后的设计制作，从性能，结构和成本上更具市场竞争力。
伴随着计算机行业的兴起，它在机械设计中已成为不可替代的重要工具。从机械产品的设计理念到设计成品的完成都可以在计算机上完成，计算机有运算速度上快、存储量大、能进行精确的数据处理等优势，使机械制造业实现了自动化控制和生产。基于matLaB的机械设计方法，借助matLaB强大的数据和图形处理能力，不仅节约了成本，而且提高了设备设计的质量和设计效率。
1matLaB的优化原理
1.1matLaB简介
matLaB的产生是与数学计算联系在一起的，由mathworks公司于1984年推出采用c语言内核的正式版本。该软件能处理日常数学中常见的问题，包括矩阵计算，信号的处理，快速的数值计算和图形生成等功能。在matLaB的运行环境下，用户可以集成的进行数值运算，程序的设计，文件的统一管理等各项操作，随着软件的不断升级，又增加了丰富多彩的图像图形处理和多媒体功能，这样使得matLaB的应用更加的广泛。
1.2matLaB的组成及特点
matLaB拥有一个专属的工具箱，可以解决不同领域的问题，其完善的拓展程序可以满足设计者不同的设计要求。matLaB包括动态仿真系统，主程序和各种各样的工具箱。其主程序又包括以下几方面：
1.）matLaB应用程序接口：是使matLaB语言能与其他高级汇编程序语言进行交互的函数库，实现了文件数据的交换，增加了该语言的灵活性；
2.）图形处理系统：能方便的图形化显示向量和矩阵，而且能对图形添加标注；
3.）数学函数库：包括大量的计算算法，为不同的数值计算提供了全面的依据；
4.）matLaB语言：是一个基于矩阵/数组的高级语言，可以用于快速编写简单的程序，也可以用来编写复杂庞大的应用程序；
5.）开发环境：是一套方便用户使用matLaB的工具集，其中许多工具是图形化用户接口，为用户提供一个集成化较高的工作空间。
1.3matLaB机械优化
matLaB的优化是在机械优化设计中的一种，matLaB强大的数据处理和图形绘制能力，使得在机械设计过程中大大简化了数值计算，图形的直观表述也使得设计更加形象和具体。基于matLaB的机械设计，利用matLaB多功能工具箱，可以更好地帮助设计人员克服许多情况复杂的机械设计和工程问题。另一方面，matLaB丰富的图形图像处理能力和仿真功能，使得繁琐的机械设计得到简化，也让设计更具创新性。此外，把机械设计的图形绘制和计算机软件有机结合，有效的简化了设计和绘图过程，减少了成本的投入，降低了研发时间，保障了机械设计的质量和速度，
2.机械设计优化
随着机械制造业市场的不断开拓，机械设计越来越受到人们的重视。产品能否具有市场竞争力，外观和性能能否满足人们的生活需求，机械设计起到决定性作用。伴随着设计过程的进行，需要对设计方法进行优化，即将机械设计与优化设计理论和方法相结合，利用计算机，自动搜选可以达到预期目标的最优设计方案和最佳设计参数。
优化设计与传统设计相对比，可以看到，优化设计在设计方法、设计手段以及设计思想和理念上都占有很大的优势，从传统设计的求得可行解到优化设计的解得最优解，让设计发生着质的变化，进而也让设计的作品更具挑战性。对机械设计进行优化，可以使传统机械设计中，省去对性能指标的校核，求解可行解上升为求解最优解成为可能；使机械设计的部分评价，由定性改定量成为可能；很大程度上提高了产品的设计质量，进而提高了产品的质量。
机械优化设计在实际解决问题过程中，首分析实际问题，建立优化设计的数学模型，其中主要分析设计的约束条件，设计变量以及设计准则和目标；其次，分析数学模型的类型，选择合适的求解方法，即优化算法；最后，编程上机求解数学模型的最优解，并且对计算机的结果进行评价分析，最终确定是否选用此次计算的解。通过优化设计，最终确定设计方案，进行方案的设计和产品的设计制造。
3基于matLaB的机械设计仿真
matLaB强大的数学计算能力，使得其他数学计算软件在matLaB面前黯然失色，它可以将所得到的计算结果用空间形式（二维，三维或四维）表现出来，直接表露出作品内在所蕴含的内涵和规律。另外，matLaB的动态仿真功能，更是直接的创建了一个系统模型，让机械设计更加形象生动，仿真更加具体。
基于matLaB的机械设计仿真，核心内容是对数值进行积分运算，根据所得的加速度来计算得到物体的位移和速度，描述各个构件之间的相互联系。为了更好的表现机械设计的直观性，利用SoLiDwoRKS软件绘制三维图形，即下图的曲柄滑块机构：
对于上图所描述的曲柄滑块机构，对其建立矢量方程式，分别对两轴进行分解，求导可得到该点的加速度，对其进行整理可以得到矩阵形式。利用matLaB强大的数值计算，在仿真环境下建立运动仿真模型，如下图所示：
通过改变曲柄的角度，可以在matLaB的绘图模型下，得到滑块的加速度变化趋势图。利用matLaB丰富的图形处理能力，大大减少了模型数据的计算量，形象生动的表现出了运算结果的发展趋势，对机械设计提供了一个重要的依据，也使得研发的产品功能更加强大。
4.总结
基于matLaB的机械设计方法，摈弃了传统的设计理念，以全新的视角进行机械产品的设计，无论是产品的设计成本、研发时间，还是产品的外观和质量都得到了很大的改善。在追求经济利益最大化的今天，利用最少的成本投入来获取最大的经济收益，是每一个机械设计者的共同目标。优化设计理念的发掘，改变了原先的设计思路，由被动的对产品性能进行反复的分析转变为主动设计产品的主要尺寸和相关参数，在众多的设计方案中寻找最优的设计方案，进行最优设计，这样不仅从产品的总体结构尺寸，生产投入还是传动的效率方面来看，都是最佳的选择。所以，基于maLtaB的机械设计方法，是每一个设计者共同的追求，只有不断优化机械设计方法，才能以低成本投入得到很好的回报，也为机械设计领域提供一个全新的设计视角和理念。
参考文献
机械的设计方法篇6
关键词：搅拌设备；设计方法；设计计算
搅拌操作可以使两种或两种以上的物料在外界力的作用下加速流动，从而使不同的物料在彼此之间相互分散，达到均匀混合，加速传热和传质的目的。搅拌的物料可以是液相、固相和气相，其中液相流体较多。通过搅拌设备的工艺过程可以使相溶的液相物料均匀混合，使不相溶的另液相均匀乳化，使气体在液相中均匀的分散，使固体粒子在液相中均匀悬浮。搅拌设备在工业生产中被用于物料混合、溶解、乳化、吸收、萃取、化合以及传热等工艺过程。在食品、医药、化工、水处理等工业生产中，带有搅拌装置的化工设备应用范围很广。由于机械搅拌操作条件可控范围较大，能适应多样化的工业生产，因此机械搅拌设备得到广泛应用。
机械搅拌设备由搅拌罐体和搅拌装置两大部分组成。搅拌罐体是搅拌液相流体为主体介质进行各种物理、化学过程的容器。搅拌装置由搅拌器、搅拌轴、轴封和传动装置组成，传动装置包括驱动电机、减速机、联轴器和机架。机械搅拌设备在工作中，由搅拌器的运动加速物料在罐体中完成物理、化学工艺过程。
由于搅拌设备的使用目的不同，机械搅拌操作可用于不同的行业，搅拌设备的结构也是多种多样，但都是通过物料的流动达到搅拌的目的。在搅拌罐体内，物料的流动状态与搅拌罐体的形状、有无挡板及搅拌器的形状、安装位置、转速等因素相关。因此在设计机械搅拌设备时，应对这些相关的因素进行设计，在满足所需工艺参数的前提下，利用最小的功率消耗达到搅拌的目的。
1工艺参数的设定
为了设计机械搅拌设备应有工艺条件参数。了解搅拌设备的工作条件，如压力、温度，熟悉在工作条件下的物料特性，如密度、粘度、毒性、腐蚀性等。同时还应确定搅拌的目的及相应的操作方法，如加料方式。搅拌物料中是否有固体粒子，若有应确定固体粒子的存在形式，如溶解、悬浮、沉淀等。根据这些参数或工艺要求进一步确定与物料接触的部件的材质，判定电动机的工作环境和减速机的负载情况，确定轴封的使用条件。根据搅拌容积和充装系数设定搅拌罐体的结构及尺寸。根据搅拌过程中物料的流动状态可选定搅拌器的型式并确定是否设置挡板。
2搅拌设备的设计
2.1搅拌罐体的结构及尺寸
机械搅拌设备一般为立式圆筒形结构，上部分有椭圆形封头、平盖结构，分可拆和不可拆，下部分有椭圆形封头、锥形底、平底结构。换热型式分为内部换热和外部换热。依据工艺要求，内部换热可选盘管、蛇形管等换热装置，外部换热可采用整体型夹套、半圆管等结构进行换热。搅拌罐体属于压力容器范围时，应按照GB150进行设计。当罐体和夹套有压力时，一般选用椭圆形封头，为了出料需要也可选用圆锥形的罐底。搅拌罐体的容积一般为搅拌容积的1.25倍，对于发酵罐类的情况需适当增加罐体容积。搅拌罐体高度与内经之比（H/Di）通常情况下可取1～2，发酵罐类可取1.7～2.5。为了物料有上下方向的循环流动，罐体内部可设置挡板，挡板垂直安装，宽度为罐体内径的1/12～1/8。挡板与罐体内壁要有间距避免物料在挡板处停滞。
罐体尺寸可按照公式计算：
将Di计算结果圆整到公称直径系列。
根据罐体高度与内经之比可计算出高度H值。
再根据计算出的高度和内径值验证是否符合工艺要求。
带有夹套的罐体还应计算夹套的尺寸。夹套内径一般比罐体内径大50～200mm。夹套高度按照传热面积核算。
搅拌罐体的强度计算按GB150规定进行计算。
2.2搅拌器的选定
搅拌设备通过搅拌器的运转完成搅拌操作过程。不同的搅拌目的需要不同的搅拌过程，选择搅拌器的型式是搅拌设备设计中重要的一步。搅拌罐体的结构、尺寸、挡板的设置情况、物料在罐体中的状态都是选定搅拌器应考虑的因素，这些因素以及搅拌器的结构、尺寸、安装位置、旋转速度都会影响搅拌作用。
搅拌作用是由搅拌器上的叶轮对物料的排出产生流体速度和流体剪切，叶轮的输入能量p主要消耗于物料在罐体内形成循环流Q和产生剪切力？子。循环作用可以使物料产生对流、介质易位，防止固体粒子沉淀，如斜叶开启涡轮和推进式搅拌器主要产生轴向流，高排液量，低剪切性能，有较好的对流循环，动力消耗较低，在大容量均相、混合过程中应用最能体现其优势，在低黏度液体传质、反应、固体粒子的悬浮、溶解等过程应用广泛。剪切作用可以使气泡打碎、不溶液相乳化，如平直叶桨式和圆盘涡轮主要产生径向流，具有极高的剪切力，分散能力强，特别适合于气体的分散、吸收过程和乳化、传热以及非均相反应操作。
对于循环作用和剪切作用，不同型式的搅拌器有不同的侧重点。在一定的能量消耗情况下循环作用和剪切作用是相互消减的，为提高搅拌效率，应考虑有一个起主导作用达到某个搅拌目的。搅拌器叶轮按其作用分为具有强循环性能的叶轮、强剪切作用的叶轮以及两者兼具的叶轮，设计时从物料的特性和搅拌目的选择搅拌器型式。
搅拌器叶轮的大小直接影响排出性能，影响动力消耗，进而影响搅拌进程。叶轮大小用桨径和叶宽来衡量。桨径的大小与搅拌器的型式和罐体有关，一般桨径与罐径之比d/D=0.35～0.8，在低黏度液体搅拌时物料流动性好，能量传递容易，桨径相对小些，在高黏度液体搅拌时转速较低，桨径可以大些。叶宽影响搅拌器的动力消耗，动力消耗随叶宽增加而增加。
根据搅拌器叶轮的搅拌能力确定搅拌器在搅拌轴上的安装层数，当液体较深时设置多层搅拌器。对低黏度液体一般设置1～2层搅拌器即可，下层搅拌器距罐底的高度一般为桨径的0.8～1.2倍。对于高黏度液体或有沉降性高的固体时至少设置2层叶轮以增加物料的流动性，防止出现搅拌死角，下层搅拌器应靠近罐底，能使固体粒子均匀悬浮。
搅拌器转速根据工程经验或试验数据进行相似放大或缩小。当采用试验来完成对某一搅拌目的进行评估时就会得出各种因数，有转速和其他因数之间的关系就可以确定所需要的转速。
搅拌器的型式选定后，还需对搅拌器叶轮进行必要的强度校核，以保证叶轮在工作中的安全。
2.3搅拌功率的计算
搅拌操作过程中需要消耗动力，这种动力就是搅拌功率。影响搅拌功率的因素很多，在确定了罐体的高度、直径，挡板设置情况和搅拌器的形状、直径、宽度和转速后，由工艺条件可知物料的密度、黏度，可以按均相搅拌计算搅拌所需的功率，搅拌功率按下式计算：
p=np？籽n3d5
式中：p-搅拌功率，w；np-搅拌功率准数；？籽-物料密度，kg/m3；n-搅拌转速，r/s；d-搅拌叶轮直径，m。
由于物料密度？籽、转速n、叶轮直径d三个参数易得到，故计算搅拌功率的关键是求出功率准数np。
搅拌罐体及搅拌器的结构与尺寸、物料的特性、重力加速度等影响搅拌功率，计算功率准数np可以用算图直接求取，还可以用公式计算。工程中常采用的是永田进治的搅拌功率计算式[1]，对搅拌罐体无挡板设置的情况下，双叶斜桨和双叶平桨的计算式如下：
式中，a、B、p为方程式参数，可由b/D和d/D计算：
式中：Re-搅拌雷诺数；？兹-搅拌器叶轮倾斜角，°；b-搅拌器叶轮的宽度，m；d-搅拌器叶轮直径，m；？滋-物料黏度，pa・s。
搅拌罐体内设置挡板的情况下，会使搅拌功率提高。挡板系数计算式[1]如下：
式中：Kb-挡板系数；nb-挡板数量；wb-挡板宽度。
当Kb=0.35，为全挡板条件，搅拌功率最大；当0
双叶平桨在全挡板时的雷诺数Rec计算式如下：
双叶斜桨在全挡板时的雷诺数Re？兹计算式如下：
部分挡板时的np∞与全挡板时的npc和无挡板时的np的关系如下：
其它搅拌器叶轮的功率计算在技术设计中，有时会依据以往工程业绩或根据几何相似放大法把试验数据进行放大进行估算搅拌功率。
2.4电动机的选型
搅拌设备主要靠电动机提供动力源，电动机的选择除考虑工作环境外，还得选择合适的额定功率。电动机的额定功率应考虑搅拌操作所需功率、机械传动系统的效率等。除此还应考虑计算偏差和操作条件引起的变量、轴封摩擦产生的损失等。按此估算电动机的额定功率：
pe=p/？浊
式中：pe-电动机额定功率；？浊-总效率，一般为0.6～0.8。
将计算结果圆整取值，并考虑电动机功率等级，选择合适的电动机。
2.5减速机的选型
电动机通过减速机输出适合搅拌操作需要的转速，因此应按照电动机功率p和输出转速n选择减速机的型号，还应考虑搅拌工艺条件、安装空间、工作状况等因素并参照减速机类型表确定选择何种类型的减速机。
减速机有齿轮减速机、皮带减速机等，齿轮减速机较为常用。减速机有多种安装方式，可根据需要选择相应的结构。减速机根据传动比的范围有单级传动和多级传动，传动比按所需输出转速确定。
确定减速机型号后，根据搅拌操作条件和相应的工艺要求，确定减速机输出轴轴头的型式和轴头尺寸大小，再选择相应的联轴器、机架的规格型号。
2.6机架的选型
立式搅拌设备的动力装置是通过机架安装在搅拌设备顶部上的，在机架上还需安装联轴器和轴封等。根据机架中间轴承装置可分为无支点、单支点和双支点三类，无支点的机架适用于轴向力较小且负载均匀的场合，单支点和双支点机架改善了搅拌轴的支撑条件，可以承受轴向双向载荷，适用于有冲击条件下的场合。当搅拌轴系受两个独立支撑时，减速机输出轴与搅拌轴必须采用弹性联轴器连接，带有辅助支撑的轴封及罐体内设中间轴承或底轴承的情况是为了提高搅拌轴的旋转精度的，因此应将这两种支撑看作独立支撑。
2.7搅拌轴的设计计算
搅拌器通过搅拌轴传递扭矩克服流体阻力做功，搅拌器叶轮表面受到流体作用力，搅拌轴受到反作用力可分解为轴向力和一对力偶，由于搅拌器的复杂工作环境使搅拌轴的受力变得复杂。除此搅拌轴还受其他载荷，如轴和搅拌器的自重引起的重力，轴和搅拌器的质量偏心在旋转时产生的离心力，克服轴承、轴封的摩擦力等。在工程上提出的搅拌轴的设计计算方法是对其工作条件做出假设并简化，将轴上的一些次要且难于计算的因素舍去，得到近似的计算方法。
搅拌轴工作时主要受到扭矩和弯矩的联合作用，因此工程上采用下面的近似计算方法对轴的强度和刚度计算。
按扭矩计算轴的强度时忽略轴上其他载荷的作用，不考虑疲劳强度，引入安全系数的办法弥补计算误差。轴上受扭矩时其截面上产生剪应力。其扭转的强度条件是：
式中：？子max-截面上最大剪应力，mpa；mt-轴所传递的扭矩，n・mm；wt-抗扭截面系数，mm3；[？子]k-降低后的扭转许用剪应力，mpa。
计算搅拌轴传递的最大扭矩mt：
式中：n-搅拌轴转数，r/min；pt-搅拌传递功率，kw。
搅拌轴抗扭截面系数wt：
式中：d-实心轴的直径，mm。
整理后得搅拌轴最小实心轴径计算公式：
按扭矩和弯矩计算轴的强度时轴所传递的最大扭矩为：
搅拌轴最大的弯矩由流体作用力与支撑点间距离的乘积之和。
用剪应力计算得最小轴径为：
用拉应力计算得最小轴径为：
式中：Li-径向载荷作用点至支撑点间距离，mm；Fh-作用于搅拌器的径向载荷，n；[？子s]-正常操作下轴的许用剪应力，mpa；[？滓t]-正常操作下轴的许用拉应力，mpa。
为了保证搅拌轴正常工作应避免产生过大的扭转变形，需将轴的变形控制在允许范围内。工程上常用单位长度的比扭转角？酌不得超过许用比扭转角[？酌]作为条件计算扭转刚度。
完成搅拌轴的强度和刚度计算后，还应考虑轴的临界转速和绕曲变形。当搅拌轴的转速接近轴的自振频率时，会出现共振现象，对临界转速进行校核，防止共振发生，避免轴系零部件的损害。搅拌轴挠曲变形直接影响轴的寿命，同时对轴封的性能有很大的影响，应将挠曲变形控制在允许范围内。最终搅拌轴的设计还应考虑键槽或孔引起的局部削弱，应力不均匀带来的影响等。
参考文献
[1]王凯，虞军，等.搅拌设备[m].北京：化学工业出版社，2003.
[2]张石.搅拌器设计的一般程序[J].化学工业与工程，2009，26（5）：447-450.
机械的设计方法篇7
机械搅拌设备由搅拌罐体和搅拌装置两大部分组成。搅拌罐体是搅拌液相流体为主体介质进行各种物理、化学过程的容器。搅拌装置由搅拌器、搅拌轴、轴封和传动装置组成，传动装置包括驱动电机、减速机、联轴器和机架。机械搅拌设备在工作中，由搅拌器的运动加速物料在罐体中完成物理、化学工艺过程。
由于搅拌设备的使用目的不同，机械搅拌操作可用于不同的行业，搅拌设备的结构也是多种多样，但都是通过物料的流动达到搅拌的目的。在搅拌罐体内，物料的流动状态与搅拌罐体的形状、有无挡板及搅拌器的形状、安装位置、转速等因素相关。因此在设计机械搅拌设备时，应对这些相关的因素进行设计，在满足所需工艺参数的前提下，利用最小的功率消耗达到搅拌的目的。
1工艺参数的设定
为了设计机械搅拌设备应有工艺条件参数。了解搅拌设备的工作条件，如压力、温度，熟悉在工作条件下的物料特性，如密度、粘度、毒性、腐蚀性等。同时还应确定搅拌的目的及相应的操作方法，如加料方式。搅拌物料中是否有固体粒子，若有应确定固体粒子的存在形式，如溶解、悬浮、沉淀等。根据这些参数或工艺要求进一步确定与物料接触的部件的材质，判定电动机的工作环境和减速机的负载情况，确定轴封的使用条件。根据搅拌容积和充装系数设定搅拌罐体的结构及尺寸。根据搅拌过程中物料的流动状态可选定搅拌器的型式并确定是否设置挡板。
2搅拌设备的设计
2.1搅拌罐体的结构及尺寸
机械搅拌设备一般为立式圆筒形结构，上部分有椭圆形封头、平盖结构，分可拆和不可拆，下部分有椭圆形封头、锥形底、平底结构。换热型式分为内部换热和外部换热。依据工艺要求，内部换热可选盘管、蛇形管等换热装置，外部换热可采用整体型夹套、半圆管等结构进行换热。搅拌罐体属于压力容器范围时，应按照GB150进行设计。当罐体和夹套有压力时，一般选用椭圆形封头，为了出料需要也可选用圆锥形的罐底。搅拌罐体的容积一般为搅拌容积的1.25倍，对于发酵罐类的情况需适当增加罐体容积。搅拌罐体高度与内经之比（H/Di）通常情况下可取1～2，发酵罐类可取1.7～2.5。为了物料有上下方向的循环流动，罐体内部可设置挡板，挡板垂直安装，宽度为罐体内径的1/12～1/8。挡板与罐体内壁要有间距避免物料在挡板处停滞。
罐体尺寸可按照公式计算：
将Di计算结果圆整到公称直径系列。
根据罐体高度与内经之比可计算出高度H值。
再根据计算出的高度和内径值验证是否符合工艺要求。
带有夹套的罐体还应计算夹套的尺寸。夹套内径一般比罐体内径大50～200mm。夹套高度按照传热面积核算。
搅拌罐体的强度计算按GB150规定进行计算。
2.2搅拌器的选定
搅拌设备通过搅拌器的运转完成搅拌操作过程。不同的搅拌目的需要不同的搅拌过程，选择搅拌器的型式是搅拌设备设计中重要的一步。搅拌罐体的结构、尺寸、挡板的设置情况、物料在罐体中的状态都是选定搅拌器应考虑的因素，这些因素以及搅拌器的结构、尺寸、安装位置、旋转速度都会影响搅拌作用。
搅拌作用是由搅拌器上的叶轮对物料的排出产生流体速度和流体剪切，叶轮的输入能量p主要消耗于物料在罐体内形成循环流Q和产生剪切力？子。循环作用可以使物料产生对流、介质易位，防止固体粒子沉淀，如斜叶开启涡轮和推进式搅拌器主要产生轴向流，高排液量，低剪切性能，有较好的对流循环，动力消耗较低，在大容量均相、混合过程中应用最能体现其优势，在低黏度液体传质、反应、固体粒子的悬浮、溶解等过程应用广泛。剪切作用可以使气泡打碎、不溶液相乳化，如平直叶桨式和圆盘涡轮主要产生径向流，具有极高的剪切力，分散能力强，特别适合于气体的分散、吸收过程和乳化、传热以及非均相反应操作。
对于循环作用和剪切作用，不同型式的搅拌器有不同的侧重点。在一定的能量消耗情况下循环作用和剪切作用是相互消减的，为提高搅拌效率，应考虑有一个起主导作用达到某个搅拌目的。搅拌器叶轮按其作用分为具有强循环性能的叶轮、强剪切作用的叶轮以及两者兼具的叶轮，设计时从物料的特性和搅拌目的选择搅拌器型式。
搅拌器叶轮的大小直接影响排出性能，影响动力消耗，进而影响搅拌进程。叶轮大小用桨径和叶宽来衡量。桨径的大小与搅拌器的型式和罐体有关，一般桨径与罐径之比d/D=0.35～0.8，在低黏度液体搅拌时物料流动性好，能量传递容易，桨径相对小些，在高黏度液体搅拌时转速较低，桨径可以大些。叶宽影响搅拌器的动力消耗，动力消耗随叶宽增加而增加。
根据搅拌器叶轮的搅拌能力确定搅拌器在搅拌轴上的安装层数，当液体较深时设置多层搅拌器。对低黏度液体一般设置1～2层搅拌器即可，下层搅拌器距罐底的高度一般为桨径的0.8～1.2倍。对于高黏度液体或有沉降性高的固体时至少设置2层叶轮以增加物料的流动性，防止出现搅拌死角，下层搅拌器应靠近罐底，能使固体粒子均匀悬浮。
搅拌器转速根据工程经验或试验数据进行相似放大或缩小。当采用试验来完成对某一搅拌目的进行评估时就会得出各种因数，有转速和其他因数之间的关系就可以确定所需要的转速。
搅拌器的型式选定后，还需对搅拌器叶轮进行必要的强度校核，以保证叶轮在工作中的安全。
2.3搅拌功率的计算
搅拌操作过程中需要消耗动力，这种动力就是搅拌功率。影响搅拌功率的因素很多，在确定了罐体的高度、直径，挡板设置情况和搅拌器的形状、直径、宽度和转速后，由工艺条件可知物料的密度、黏度，可以按均相搅拌计算搅拌所需的功率，搅拌功率按下式计算：
p=np？籽n3d5
式中：p-搅拌功率，w；np-搅拌功率准数；？籽-物料密度，kg/m3；n-搅拌转速，r/s；d-搅拌叶轮直径，m。
由于物料密度？籽、转速n、叶轮直径d三个参数易得到，故计算搅拌功率的关键是求出功率准数np。
搅拌罐体及搅拌器的结构与尺寸、物料的特性、重力加速度等影响搅拌功率，计算功率准数np可以用算图直接求取，还可以用公式计算。工程中常采用的是永田进治的搅拌功率计算式[1]，对搅拌罐体无挡板设置的情况下，双叶斜桨和双叶平桨的计算式如下：
式中，a、B、p为方程式参数，可由b/D和d/D计算：
式中：Re-搅拌雷诺数；？兹-搅拌器叶轮倾斜角，°；b-搅拌器叶轮的宽度，m；d-搅拌器叶轮直径，m；？滋-物料黏度，pa?s。
搅拌罐体内设置挡板的情况下，会使搅拌功率提高。挡板系数计算式[1]如下：
式中：Kb-挡板系数；nb-挡板数量；wb-挡板宽度。
当Kb=0.35，为全挡板条件，搅拌功率最大；当0
双叶平桨在全挡板时的雷诺数Rec计算式如下：
双叶斜桨在全挡板时的雷诺数Re？兹计算式如下：
部分挡板时的np∞与全挡板时的npc和无挡板时的np的关系如下：
其它搅拌器叶轮的功率计算在技术设计中，有时会依据以往工程业绩或根据几何相似放大法把试验数据进行放大进行估算搅拌功率。
2.4电动机的选型
搅拌设备主要靠电动机提供动力源，电动机的选择除考虑工作环境外，还得选择合适的额定功率。电动机的额定功率应考虑搅拌操作所需功率、机械传动系统的效率等。除此还应考虑计算偏差和操作条件引起的变量、轴封摩擦产生的损失等。按此估算电动机的额定功率：
pe=p/？浊
式中：pe-电动机额定功率；？浊-总效率，一般为0.6～0.8。
将计算结果圆整取值，并考虑电动机功率等级，选择合适的电动机。
2.5减速机的选型
电动机通过减速机输出适合搅拌操作需要的转速，因此应按照电动机功率p和输出转速n选择减速机的型号，还应考虑搅拌工艺条件、安装空间、工作状况等因素并参照减速机类型表确定选择何种类型的减速机。
减速机有齿轮减速机、皮带减速机等，齿轮减速机较为常用。减速机有多种安装方式，可根据需要选择相应的结构。减速机根据传动比的范围有单级传动和多级传动，传动比按所需输出转速确定。
确定减速机型号后，根据搅拌操作条件和相应的工艺要求，确定减速机输出轴轴头的型式和轴头尺寸大小，再选择相应的联轴器、机架的规格型号。
2.6机架的选型
立式搅拌设备的动力装置是通过机架安装在搅拌设备顶部上的，在机架上还需安装联轴器和轴封等。根据机架中间轴承装置可分为无支点、单支点和双支点三类，无支点的机架适用于轴向力较小且负载均匀的场合，单支点和双支点机架改善了搅拌轴的支撑条件，可以承受轴向双向载荷，适用于有冲击条件下的场合。当搅拌轴系受两个独立支撑时，减速机输出轴与搅拌轴必须采用弹性联轴器连接，带有辅助支撑的轴封及罐体内设中间轴承或底轴承的情况是为了提高搅拌轴的旋转精度的，因此应将这两种支撑看作独立支撑。
2.7搅拌轴的设计计算
搅拌器通过搅拌轴传递扭矩克服流体阻力做功，搅拌器叶轮表面受到流体作用力，搅拌轴受到反作用力可分解为轴向力和一对力偶，由于搅拌器的复杂工作环境使搅拌轴的受力变得复杂。除此搅拌轴还受其他载荷，如轴和搅拌器的自重引起的重力，轴和搅拌器的质量偏心在旋转时产生的离心力，克服轴承、轴封的摩擦力等。在工程上提出的搅拌轴的设计计算方法是对其工作条件做出假设并简化，将轴上的一些次要且难于计算的因素舍去，得到近似的计算方法。
搅拌轴工作时主要受到扭矩和弯矩的联合作用，因此工程上采用下面的近似计算方法对轴的强度和刚度计算。
按扭矩计算轴的强度时忽略轴上其他载荷的作用，不考虑疲劳强度，引入安全系数的办法弥补计算误差。轴上受扭矩时其截面上产生剪应力。其扭转的强度条件是：
式中：？子max-截面上最大剪应力，mpa；mt-轴所传递的扭矩，n?mm；wt-抗扭截面系数，mm3；[？子]k-降低后的扭转许用剪应力，mpa。
计算搅拌轴传递的最大扭矩mt：
式中：n-搅拌轴转数，r/min；pt-搅拌传递功率，kw。
搅拌轴抗扭截面系数wt：
式中：d-实心轴的直径，mm。
整理后得搅拌轴最小实心轴径计算公式：
按扭矩和弯矩计算轴的强度时轴所传递的最大扭矩为：
搅拌轴最大的弯矩由流体作用力与支撑点间距离的乘积之和。
用剪应力计算得最小轴径为：
用拉应力计算得最小轴径为：
式中：Li-径向载荷作用点至支撑点间距离，mm；Fh-作用于搅拌器的径向载荷，n；[？子s]-正常操作下轴的许用剪应力，mpa；[？滓t]-正常操作下轴的许用拉应力，mpa。
机械的设计方法篇8
关键词：模块化设计切割分排机机械设计机械压力机
中图分类号：tH12文献标识码：a文章编号：1674-098X（2015）09（a）-0041-02
当前，随着社会经济的发展，用户群体由原先集中式变为个体户，在机械产品需求方面用户呈现出多样化和个性化特点，从而提出了低成本、高质量和个性化方面的更高要求，这就使机械制造商面临严峻挑战。模块化设计制造是在机械设计过程中引入模块化思想，同时柔性加工技术、成组技术、CaD技术等先进技术的运用，将同一功能的机械产品单元设计为性能各异、可以互换的模块，重点解决是机械设计制造周期、成本与款式、规制之间的关系。设计机械产品系列化模块化可带来精度高，性能稳定，结构简单，成本低廉的优势。模块化设计是实现机械产品大规模定制、使产品越加符合当前市场需求的有效方法之一，有利于提高企业在市场的核心竞争力。
1模块化设计概述
1.1模块化设计定义及目的
模块化设计的界定是从产品设计以及生产的不断发展中逐步形成的，它指的是在某一范围内为满足市场的不同需求，根据功能分析为基础，对功能相同或者相同功能而性能、规格各异的产品进行划分，并以功能模块形式进行系列设计，以期达到变通对模块的选择和组合，即可构成顾客定制的个性化产品。其内容包括创建和组合，其中模块是具有一定功能的零件、组件或部件，一般为批量生产。鉴于不同模块可组合成差异化产品，设计的重用率因而得以提升，使设计成本大大降低，实现了机械产品设计速度的提升及定制设计规模化。
模块化设计的宗旨为用设计上的少变去满足客户需求的多变；以设计时间的最少投入、加工速度的专业化来提高设计生产效率、缩短产品生产周期，应对市场中交货期的日益缩短；采用最有效的方式取得最快速的产品创新；设计方法从组合上求创新、并从功能角度出发，达到产品通用化和标准化，使其可靠性及质量得以提升，通过平台的建立、共享产品通用模块，满足产品大量定制下的经济效益规模化。模块化设计同时具有如下优点：产品内部繁复性减少，同时产品外部增加多样性，客户需求与企业目标之间的差距得以协调；模块化产品的配置设计通过规模化开发迅速提高，生产成本得到降低；设计人员得以减轻工作强度，可使其投入更多精力在技术上创新；在适应生产的定制规模化同时也可适应个性化产品的小批量生产；模块的高质量和可靠性有利于定制产品成功率一次达标；基于模块的封装性，拆卸和组装变得更为便捷，还可以模块为单元进行拆装维修，操作空间、测试设备限制不存在，维修工作极大简化，加快维修速度与效率。
1.2模块化设计特点
模块化设计具有独立性、通用性、互换性和系列化等特点。每个模块都是相互独立的，只具有对外的接口，为提高其性能，可在不调整外部接口的前提下，开始独立设计和优化各个模块。模块化设计具有较大范围的通用化特征，每个模块的组成结构相对固定，参数、性能、对外接口形式和尺寸等也基本上固定不变，当模块属性能满足产品部分功能需求，不管是在产品横系列还是纵系列模块都能通用。模块本身所具备的属性使其在整体产品中占据相当重要的地位，无论是在其整体的设计过程中还是维修期间，都比常规设计更加方便，在必要情况下可以只更新模块，互换性很强。若一批模块外形相似且名称相同，但参数大小各异，那么模块系列就此形成，模块的系列化使其不但适用于产品系列，还能单独适用于个性化产品中，在相应范围内构成不同功能或功能相同性能各异的多种产品。
1.3模块化设计方法
进行机械设计时，相较模块设计的系列化，合理划分模块变得极为重要，不仅需考虑管理与制造的方便、进行模块组合的时候是否能灵活地组合以及在系统中的可更换性，同时考虑模块系列的扩展及变型产品的辐射。划分原则为焊接件简化、外购件简化、借用子装配体简化的原则，促使更多产品的组成。在模块化设计过程中，还要注意模块中具有接口特征的可调换性与组合性两个通重要特征，进一步提高模块标准化、规格化及通用化程度。
模块化在设计方式上，主要包括全系列模块化设计、纵系列模块化设计、横系列模块化设计和跨系列模块化设计。模块化设计的横系列指产品主要参数不改变情况下，以基型产品为基础，通过模块发展变形产品，该设计方式极易实现，比如更换端面铣床的铣头可加装立铣头形成立式铣床，加装卧铣头形成卧式铣床，加装转塔铣头形成转塔铣床。纵系列模块化设计是在同一类型中对不同规格的基型产品进行设计，即通过合理划分区段，使与动力参数相关的模块仅通用于同一区段内，而与尺寸或动力无关的模块通用于更广范围。模块化设计全系列包括横系列及纵系列两项设计，例如运用设计方式横系列，通过更换端面铣床的铣头形成立式铣床、卧式铣床、转塔铣床等横系列产品，还可改变工具铣床身和横梁的高度和长度，形成纵系列产品。跨系列产品设计就是改变某些模块得到其他系列产品的设计方式，此类设计方式主要是基于模块化设计全系列适用结构比较相似的模块化设计跨系列产品上，比如德国某厂生产的模块化镗铣床通过横系列模块化设计方式发展为数控及各型镗铣加工中心，在此基础上，对立柱、滑座、工作台进行更换，原有模块化镗铣床可变为跨系列的落地镗床。
在机械设计中，模块化产品的设计和制作过程是两个不同层次的过程，而事实上，技术系统与模块化设计遵循基本相似的设计流程，而较为复杂的模块化设计，成本费用更高，还需确保各个零部件功能的发挥不是单一的。模块化设计流程在机械设计中运用，见图1。
2模块化设计方法在机械设计中的运用
机械设计是指满足经济指标及相应技术的条件下，求解功能需求并最终锁定最优综合方案的进程，该进程具有综合性、多解性、近似性和层次性的特点，成为创新机械产品的核心和基础，从根本上决定着机械产品的功能、性能、质量和成本。当前，随着社会经济的发展，用户群体由原先集中式变为个体户，对机械产品用户需求呈现个性化及多样化特点，在个性化、高质量及低成本方面显示出更高要求。设计制造模块化成为制造业面对上述挑战的主要方式，基于产品模块化的合理体系，个性化且满足客户需求的产品可快速组合成，同时还能通过批量生产与管理通用模块降低生产和管理成本。
2.1模块化设计在机械压力机设计中的应用
模块化设计方法非常适用于结构复杂的机械产品的设计。机械压力机可以拆解为机身、滑块、传动、气动、、拉伸垫部件等，但分解出的模块较大，无法将这些模块组合成新产品，需进一步细化分解为具有较强通用性的模块。飞轮制动器是机械压力机的重要部件，由气缸、刹车片和底座组成。但由于底座受机床结构和安装位置的限制，不能全部通用，所以飞轮制动器不能作为1个模块来采用模块化设计，可将其分为3个模块来进行设计。不同的压力机气缸是可以相同的，在装配过程中只需适当调整气压气缸便能使用于多种规格的机械压力机上。刹车片可直接作为通用件。底座可根据安装位置结构来进行设计。根据具体需求选择不同气缸、底座和刹车片进行组合形成的飞轮制动器可在各种规格的压力机上使用。由于机械压力机的液压系统和系统的泵站为外购的，因而其本身就是一个独立的模块，但是分配系统具有向不同点输送的功能，这就需要根据企业需求对系统的装配部件进行设计，根据模块化设计原则，设计过程中可将液压系统、系统的分配元件及管路集中起来，形成集中控制模块，只需留出对外接口即可适用于多种机械产品。机械压力机的气动部件的控制气路可通过三联件、压力表、减压阀及其他气动元件的组合形成一个中央控制模块，在该模块中，只需留出对外接口即可适用于吨位相近的不同的压力机上。
通常来说，在大型的机械压力机上，都设置有相应的爬梯，爬梯的主要功能是供机械维修人员上下行走。常规设计中，一般将爬梯作为一个整体焊接件进行设计，或是设计为上下两部分以便于上梁和立柱的拆解。事实上，若能按照模块化设计的理念分解爬梯，其通用性会更强。机床大小于爬梯宽度无关，设计中大可按照人体宽度来设计爬梯跨度，而爬梯的高度则根据机床高度设计，为此，可在考虑爬梯总功能的基础上将爬梯设计为许多节，把每个节都看作是一个模块，那么在具体设计中设计人员只需要根据机床的高度来选择节的种类和数量，而不是重复设计。装配爬梯时，可利用螺钉将选择好的节牢固连接起来。
2.2模块化设计在切割分排机设计中的应用
切割分排机是生产方便面的重要设备。在经过和面、熟化、复合压片、连续压片、切条成型、蒸面这些步骤之后，需要将蒸熟的面条送至切割分排机完成面条的定长切断和分派，在切割分排过程中，面条被折为两层，方便面基本成型，之后进行油炸、冷却、包装。
2.2.1模块划分
模块化设计过程中，根据切割分排机的功能和结构，进行模块划分，大部分模块为必选模块，其中电机包括1.1kw、1.5kw两种。按照产品规格不同，分为3万包、5万包、12万包、15万包四类。二次拉伸网、分排架、滴油装置为可选模块，主要是按班产量或客户要求选择有或无。除此之外，一整的切割分排机，还应包括必不可少的标准件、连接件、紧固件等。对于3万包、5万包、12万包、15万包这4种类型，其主要区别在于4种系列产品的有效工作宽度不同，但它们所要实现的功能是相同的，因而模块划分亦相同。
在模块划分下进行切割分排机的模块化设计最终衍生出来的并不仅仅是3、5、12、15万包这4种产品，这只是按照产量不同来划分的，属于第一个层次的分类，而在此基础上，还能根据客户的不同需求、不同排架长短、有无二次拉伸网、由于滴油装置、不同分排装置衍生出更多种类的产品，通过计算，仅按照3万包的产量，就可衍生出16种产品。另外一方面，每个模块都有各自接口，且在接口约束框架内，每个模块都是不断发展着的，客户需求不同，切割分排机生产的方便面的种类也会有所增加，这对于丰富产品线具有重要现实意义。
2.2.2模块化参数化设计及应用效果
模块划分完成后，需分析各个模块之间的关系，也就是进行各模块之间的接口分析，以明确两个模块之间是否直接相连，这样以来，在切割分排机设计过程中，可从源头上避免模块之间相互干涉现象的出现。必要情况下，进行接口分析的时候应进一步对每个模块的外形轮廓尺寸、接口尺寸等加以明确。比如蒸网主传动轴模块与二次拉伸网、电机、左箱体、右箱体、主传动轴模块存在接口，挑面辊组件模块与左箱体、右箱体、主传动轴模块存在接口，分排架模块与分排架支脚、后分排辊组件、滴油装置、淌板、左箱体、右箱体模块存在接口，左箱体、右箱体模块都与蒸网主传动轴、挑面辊组件、折叠机构、栅轮、二次拉伸网、切刀托辊组件、小胶辊组件、上压辊组件、前分排辊组件、分排架、机架、罩壳模块存在接口。
为便于数据管理，需制定针对方便面生产设备各机组的编码规则，见图2。按照图中的编码规则解读切割分排机的编码，比如Fm12.07为12万包切割分排机的编码，Fm12.06.10为12万包切割分排机某一部件的编码，Fm05.08.03-2为为5万包油炸机某一零件的编码。相应地，按照编码规则对切割分排机各个模块进行编码。编码后，编制切割分排机的合同数据列表，当客户选择了某一具体规格的切割分排机，根据客户具体需求，选用相应的模块，进行模块配置。
以切割分排机中的切刀托辊组件的模块化设计为例，3、5、12、15万包这四种产品的相应模块中，除切刀、切刀棍、托辊件号不同以及标准件数量不同外，其他各个零件均相同，四者存在大量共用件。应用pro/e建立切刀托辊组件模型，建模过程中，在族表中列出不同零部件，并选用不同件号，以生成不同模型组合。之后利用pro/e所具有的强大的参数化设计能力实现各个部件和零件的参数化设计。
通过采用模块化+参数化的设计方法，在面机产品开发设计过程中，企业的设计效率明显提升，产品开发周期大大缩短，原来的一个产品从设计、计算到完成工程图纸的时间为3个月，现在的4个产品利用同一平台、每个机组再加上不同选项，其工程设计时间仅为4个月，且衍生出了64中不同组合的产品。另外，产品质量不断提升，零部件使用种类和使用量明显减少，大大降低了总生产成本。
3结语
总之，模块化设计方法是实现机械产品大规模定制、使产品越加符合当前市场需求的有效方法之一，在提高效率、降低成本、保证质量等方面具有很大优势。但模块化设计也有带来不利影响的可能性，在机械设计中还需加强分析，对其进行合理应用。相信随着模块化设计标准化、规格化、通用化程度的进一步提升，模块的互换性也会随之强化，机械设计与制造水平将会步上一个新台阶。
参考文献
[1]蔡业彬.模块化设计方法及其在机械设计中的应用[J].机械设计与制造，2005（8）：154-156.
[2]赵勃.机械设计中模块化设计方法的运用分析[J].科技经济市场，2015（6）：194.
[3]谌炎辉.复杂机电产品模块化设计若干关键技术及应用研究[D].西安：西安电子科技大学，2013.
[4]王春琦.基于模块化拖挂式a型房车设计方法与应用研究[D].成都：西南交通大学，2013.
机械的设计方法篇9
关键词：机械产品；方案设计方法；发展趋势
引 言
科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期缩短，更新换代速度加快。然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得力不从心，跟不上时展的需要。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。为此，作者在阅读了大量文献的基础上，概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法，并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的发展趋势。
根据目前国内外设计学者进行机械产品方案设计所用方法的主要特征，可以将方案的现代设计方法概括为下述四大类型。
1、系统化设计方法
系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。
系统化设计思想于70年代由德国学者pahl和Beitz教授提出，他们以系统理论为基础，制订了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。德国工程师协会在这一设计思想的基础上，制订出标准VDi2221“技术系统和产品的开发设计方法。
制定的机械产品方案设计进程模式，基本上沿用了德国标准VDi2221的设计方式。除此之外，我国许多设计学者在进行产品方案设计时还借鉴和引用了其他发达国家的系统化设计思想，其中具有代表性的是：
(1)将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。
(2)将产品看作有机体层次上的生命系统，并借助于生命系统理论，把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。同时采用了生命系统图符抽象地表达产品的功能要求，形成产品功能系统结构。
(3)将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题：一是把要设计的产品作为一个系统处理，最佳地确定其组成部分(单元)及其相互关系；二是将产品设计过程看成一个系统，根据设计目标，正确、合理地确定设计中各个方面的工作和各个不同的设计阶段。
由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同，进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。下面介绍一些具有代表性的系统化设计方法。
1.1 设计元素法
用五个设计元素(功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数)描述“产品解”，认为一个产品的五个设计元素值确定之后，产品的所有特征和特征值即已确定。我国亦有设计学者采用了类似方法描述产品的原理解。
1.2 图形建模法
研制的“设计分析和引导系统”KaLeit，用层次清楚的图形描述出产品的功能结构及其相关的抽象信息，实现了系统结构、功能关系的图形化建模，以及功能层之间的联接。
将设计划分成辅助方法和信息交换两个方面，利用nijssen信息分析方法可以采用图形符号、具有内容丰富的语义模型结构、可以描述集成条件、可以划分约束类型、可以实现关系间的任意结合等特点，将设计方法解与信息技术进行集成，实现了设计过程中不同抽象层间信息关系的图形化建模。
文献［11］将语义设计网作为设计工具，在其开发的活性语义设计网aSK中，采用结点和线条组成的网络描述设计，结点表示元件化的单元(如设计任务、功能、构件或加工设备等)，线条用以调整和定义结点间不同的语义关系，由此为设计过程中的所有活动和结果预先建立模型，使早期设计要求的定义到每一个结构的具体描述均可由关系间的定义表达，实现了计算机辅助设计过程由抽象到具体的飞跃。
1.3 “构思”—“设计”法
将产品的方案设计分成“构思”和“设计”两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择和组合满足设计任务要求的原理解。“设计”阶段的工作则是具体实现构思阶段的原理解。
将方案的“构思”具体描述为：根据合适的功能结构，寻求满足设计任务要求的原理解。即功能结构中的分功能由“结构元素”实现，并将“结构元素”间的物理联接定义为“功能载体”，“功能载体”和“结构元素”间的相互作用又形成了功能示意图(机械运动简图)。方案的“设计”是根据功能示意图，先定性地描述所有的“功能载体”和“结构元素”，再定量地描述所有“结构元素”和联接件(“功能载体”)的形状及位置，得到结构示意图。Roper，H.利用图论理论，借助于由他定义的“总设计单元(Ge)”、“结构元素(Ke)”、“功能结构元素(FKe)”、“联接结构元素(VKe)”、“结构零件(Kt)”、“结构元素零件(Ket)”等概念，以及描述结构元素尺寸、位置和传动参数间相互关系的若干种简图，把设计专家凭直觉设计的方法做了形式化的描述，形成了有效地应用现有知识的方法，并将其应用于“构思”和“设计”阶段。
从设计方法学的观点出发，将明确了设计任务后的设计工作分为三步：1)获取功能和功能结构(简称为“功能”)；2)寻找效应(简称为“效应”)；3)寻找结构(简称为“构形规则”)。并用下述四种策略描述机械产品构思阶段的工作流程：策略1：分别考虑“功能”、“效应”和“构形规则”。因此，可以在各个工作步骤中分别创建变型方案，由此产生广泛的原理解谱。策略2：“效应”与“构形规则”(包括设计者创建的规则)关联，单独考虑功能(通常与设计任务相关)。此时，辨别典型的构形规则及其所属效应需要有丰富的经验，产生的方案谱远远少于策略1的方案谱。策略3：“功能”、“效应”、“构形规则”三者密切相关。适用于功能、效应和构形规则间没有选择余地、具有特殊要求的领域，如超小型机械、特大型机械、价值高的功能零件，以及有特殊功能要求的零部件等等。策略4：针对设计要求进行结构化求解。该策略从已有的零件出发，通过零件间不同的排序和连接，获得预期功能。
1.4 矩阵设计法
在方案设计过程中采用“要求—功能”逻辑树(“与或”树)描述要求、功能之间的相互关系，得到满足要求的功能设计解集，形成不同的设计方案。再根据“要求—功能”逻辑树建立“要求—功能”关联矩阵，以描述满足要求所需功能之间的复杂关系，表示出要求与功能间一一对应的关系。
Kotaetal将矩阵作为机械系统方案设计的基础，把机械系统的设计空间分解为功能子空间，每个子空间只表示方案设计的一个模块，在抽象阶段的高层，每个设计模块用运动转换矩阵和一个可进行操作的约束矢量表示；在抽象阶段的低层，每个设计模块被表示为参数矩阵和一个运动方程。
1.5 键合图法
将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、转变能量形式、传递能量等各种类型，并借用键合图表达元件的功能解，希望将基于功能的模型与键合图结合，实现功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换，寻求由键合图产生多个设计方案的方法。
2、结构模块化设计方法
从规划产品的角度提出：定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品解(如通用零件部件等)描述设计任务，即分解任务时就考虑每个分任务是否存在对应的产品解，这样，能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。Feldmann将描述设计任务的功能化产品结构分为四层，(1)产品(2)功能组成(3)主要功能组件(4)功能元件。并采用面向应用的结构化特征目录，对功能元件进行更为具体的定性和定量描述。同时研制出适合于产品开发早期和设计初期使用的工具软件StRat。
认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具有新型解的专用功能只是少数，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、制造风险十分有利。
提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。理想的模块化基本结构应该具有标准化的接口(联接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和CaD技术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将加工中心机床由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知识和CaD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块，再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。
以设计为目录作为选择变异机械结构的工具，提出将设计的解元素进行完整的、结构化的编排，形成解集设计目录。并在解集设计目录中列出评论每一个解的附加信息，非常有利于设计工程师选择解元素。
根据机械零部件的联接特征，将其归纳成四种类型：1)元件间直接定位，并具有自调整性的部件；2)结构上具有共性的组合件；3)具有嵌套式结构及嵌套式元件的联接；4)具有模块化结构和模块化元件的联接。并采用准符号表示典型元件和元件间的连接规则，由此实现元件间联接的算法化和概念的可视化。
在进行机械系统的方案设计中，用“功能建立”模块对功能进行分解，并规定功能分解的最佳“粒化”程度是功能与机构型式的一一对应。“结构建立”模块则作为功能解的选择对象以便于实现映射算法。
3、基于产品特征知识的设计方法
基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。
机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。为此，国内外设计学者针对机械系统方案设计知识的自动化处理做了大量的研究工作，采用的方法可归纳为下述几种。
3.1 编码法
根据“运动转换”功能(简称功能元)将机构进行分类，并利用代码描述功能元和机构类别，由此建立起“机构系统方案设计专家系统”知识库。在此基础上，将二元逻辑推理与模糊综合评判原理相结合，建立了该“专家系统”的推理机制，并用于四工位专用机床的方案设计中。
利用生物进化理论，通过自然选择和有性繁殖使生物体得以演化的原理，在机构方案设计中，运用网络图论方法将机构的结构表达为拓扑图，再通过编码技术，把机构的结构和性能转化为个体染色体的二进制数串，并根据设计要求编制适应值，运用生物进化理论控制繁殖机制，通过选择、交叉、突然变异等手段，淘汰适应值低的不适应个体，以极快的进化过程得到适应性最优的个体，即最符合设计要求的机构方案。
转贴于
3.2 知识的混合型表达法
针对复杂机械系统的方案设计，采用混合型的知识表达方式描述设计中的各类知识尤为适合，这一点已得到我国许多设计学者的共识。
在研制复杂产品方案设计智能决策支持系统DmDSS中，将规则、框架、过程和神经网络等知识表示方法有机地结合在一起，以适应设计中不同类型知识的描述。将多种单一的知识表达方法(规则、框架和过程)，按面向对象的编程原则，用框架的槽表示对象的属性，用规则表示对象的动态特征，用过程表示知识的处理，组成一种混合型的知识表达型式，并成功地研制出“面向对象的数控龙门铣床变速箱方案设计智能系统GBCDiS”和“变速箱结构设计专家系统GBSDeS”。
3.3 利用基于知识的开发工具
在联轴器的CaD系统中，利用基于知识的开发工具neXpeRt-oBJeCt，借助于面向对象的方法，创建了面向对象的设计方法数据库，为设计者进行联轴器的方案设计和结构设计提供了广泛且可靠的设计方法谱。则利用neXpeRt描述直线导轨设计中需要基于知识进行设计的内容，由此寻求出基于知识的解，并开发出直线导轨设计专家系统。
3.4 设计目录法
构造了“功能模块”、“功能元解”和“机构组”三级递进式设计目录，并将这三级递进式设计目录作为机械传动原理方案智能设计系统的知识库和开发设计的辅助工具。
3.5 基于实例的方法
在研制设计型专家系统的知识库中，采用基本谓词描述设计要求、设计条件和选取的方案，用框架结构描述“工程实例”和各种“概念实体”，通过基于实例的推理技术产生候选解来配匹产品的设计要求。
4、智能化设计方法
智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。
在利用数学系统理论的同时，考虑了系统工程理论、产品设计技术和系统开发方法学VDi2221，研制出适合于产品设计初期使用的多媒体开发系统软件mUSe。
在进行自动取款机设计时，把产品的整个开发过程概括为“产品规划”、“开发”和“生产规划”三个阶段，并且充分利用了现有的CaD尖端技术——虚拟现实技术。1)产品规划—构思产品。其任务是确定产品的外部特性，如色彩、形状、表面质量、人机工程等等，并将最初的设想用CaD立体模型表示出，建立能够体现整个产品外形的简单模型，该模型可以在虚拟环境中建立，借助于数据帽和三维鼠标，用户还可在一定程度上参与到这一环境中，并且能够迅速地生成不同的造型和色彩。立体模型是检测外部形状效果的依据，也是几何图形显示设计变量的依据，同时还是开发过程中各类分析的基础。2)开发—设计产品。该阶段主要根据“系统合成”原理，在立体模型上配置和集成解元素，解元素根据设计目标的不同有不同的含义：可以是基本元素，如螺栓、轴或轮毂联接等；也可以是复合元素，如机、电、电子部件、控制技术或软件组成的传动系统；还可以是要求、特性、形状等等。将实现功能的关键性解元素配置到立体模型上之后，即可对产品的配置(设计模型中解元素间的关系)进行分析，产品配置分析是综合“产品规划”和“开发”结果的重要手段。3)生产规划—加工和装配产品。在这一阶段中，主要论述了装配过程中CaD技术的应用，提出用计算机图像显示解元素在相应位置的装配过程，即通过虚拟装配模型揭示造形和装配间的关系，由此发现难点和问题，并找出解决问题的方法，并认为将CaD技术综合应用于产品开发的三个阶段，可以使设计过程的综合与分析在“产品规划”、“开发”和“生产规划”中连续地交替进行。因此，可以较早地发现各个阶段中存在的问题，使产品在开发进程中不断地细化和完善。
我国利用虚拟现实技术进行设计还处于刚刚起步阶段。利用面向对象的技术，重点研究了按时序合成的机构组合方案设计专家系统，并借助于具有高性能图形和交换处理能力的openGL技术，在三维环境中从各个角度对专家系统设计出的方案进行观察，如运动中机构间的衔接状况是否产生冲突等等。
将构造标准模块、产品整体构造及其制造工艺和使用说明的拟订(见图1)称之为快速成型技术。建议在产品开发过程中将快速成型技术、多媒体技术以及虚拟表达与神经网络(应用于各个阶段求解过程需要的场合)结合应用。指出随着计算机软、硬件的不断完善，应尽可能地将多媒体图形处理技术应用于产品开发中，例如三维图形(立体模型)代替装配、拆卸和设计联接件时所需的立体结构想象力等等。
利用智能型CaD系统SiGRapH-DeSiGn作为开发平台，将产品的开发过程分为概念设计、装配设计和零件设计，并以变量设计技术为基础，建立了胶印机凸轮连杆机构的概念模型。从文献介绍的研究工作看，其概念模型是在确定了机构型、数综合的基础上，借助于软件SiGRapH-DeSiGn提供的变量设计功能，使原理图随着机构的结构参数变化而变化，并将概念模型的参数传递给下一级的装配模型、零件设计。
5、各类设计方法评述及发展趋势
综上所述，系统化设计方法将设计任务由抽象到具体(由设计的任务要求到实现该任务的方案或结构)进行层次划分，拟定出每一层欲实现的目标和方法，由浅入深、由抽象至具体地将各层有机地联系在一起，使整个设计过程系统化，使设计有规律可循，有方法可依，易于设计过程的计算机辅助实现。
结构模块化设计方法视具有某种功能的实现为一个结构模块，通过结构模块的组合，实现产品的方案设计。对于特定种类的机械产品，由于其组成部分的功能较为明确且相对稳定，结构模块的划分比较容易，因此，采用结构模块化方法进行方案设计较为合适。由于实体与功能之间并非是一一对应的关系，一个实体通常可以实现若干种功能，一个功能往往又可通过若干种实体予以实现。因此，若将结构模块化设计方法用于一般意义的产品方案设计，结构模块的划分和选用都比较困难，而且要求设计人员具有相当丰富的设计经验和广博的多学科领域知识。
机械产品的方案设计通常无法采用纯数学演算的方法进行，也难以用数学模型进行完整的描述，而需根据产品特征进行形式化的描述，借助于设计专家的知识和经验进行推理和决策。因此，欲实现计算机辅助产品的方案设计，必须解决计算机存储和运用产品设计知识和专家设计决策等有关方面的问题，由此形成基于产品特征知识的设计方法。
目前，智能化设计方法主要是利用三维图形软件和虚拟现实技术进行设计，直观性较好，开发初期用户可以在一定程度上直接参与到设计中，但系统性较差，且零部件的结构、形状、尺寸、位置的合理确定，要求软件具有较高的智能化程度，或者有丰富经验的设计者参与。
值得一提的是：上述各种方法并不是完全孤立的，各类方法之间都存在一定程度上的联系，如结构模块化设计方法中，划分结构模块时就蕴含有系统化思想，建立产品特征及设计方法知识库和推理机时，通常也需运用系统化和结构模块化方法，此外，基于产品特征知识的设计同时又是方案智能化设计的基础之一。在机械产品方案设计中，视能够实现特定功能的通用零件、部件或常用机构为结构模块，并将其应用到系统化设计有关层次的具体设计中，即将结构模块化方法融于系统化设计方法中，不仅可以保证设计的规范化，而且可以简化设计过程，提高设计效率和质量，降低设计成本。
机械的设计方法篇10
【关键词】机械产品外观设计方法构图
1机械产品外观设计现状及要求
1.1现状
纵观市场上大多数石油机械产品外观情况，产品外观设计种类多、呈现多样化趋势。外观设计能够赋予产品欣赏价值和便捷性，社会多元化形势下，人们消费需求也随之发生变化，个性化特点日渐突出，除了产品本身功能之外，还需要对价格和售后服务进行对比，最后，选择符合自身审美的机械产品，这也使得一部分厂家在机械设备设计环节，忽视了外观设计，缺少流畅线条，缺乏对简约构图方法的运用，如：曲线构图、三维线等。我国机械外观设计发展较晚，还需要进一步深入研究[1]。
1.2要求
不同于一般机械设备，石油机械设备工作环境相对恶劣，针对其外观设计也要考虑特殊性，兼顾其尺寸和实用价值，前者主要是能够便于施工人员操作，例如：装置力度设计等，力度如同门上的手柄，要充分考虑是否能够适应人体力度，如果力度过小，那么机械在施工人员难以有效发挥积极作用，也就是说力度是机械产品外观设计需要考虑的要素之一，坚持人性化、绿色化等理念，从而设计出更符合石油事业发展的机械设备。
另外，石油机械产品外观在设计过程中，要符合国家相关规定、产品理念及功能等，突出自身价值定位。因此，要合理规划机械设备比例，现阶段，在设计行业中，黄金比例、相加数级比例等都能够为机械产品设计提供参考和支持。
2机械产品外观设计与构图理论依据及具体方法
2.1理论依据
外观是机械产品给消费者的第一印象，外观设计并非盲目进行的，其是多个学科共同作用下的结果，基于此，在机械产品外观设计过程中，要明确其理论依据，以此来指导外观设计工作顺利进行。母线，石油机械产品外观设计理论主要包括以下几个方面：首先，三次设计理论，主要是通过对产品进行系统、参数及容差设计，实现机械产品各个零件之间的优化组合，有效降低成本及不良影响，提升产品性能；其次，公理化理论，公理化理论主要是针对一些设计理论较为复杂的产品进行优化，其本质上来说，是一种概念理论设计方法；最后，普适理论，其理论基础是建立在经验之上的，通过对机械各项功能机构进行能量输入和输出计算，从而设计出机械设备。了解和掌握相关理论知识，能够帮助我们更好地理解机械外观设计方法。
2.2具体方法
2.2.1局部及全面性方法
现代机械设计过程中，相比较而言，局部及全面性方法设计理念更具科学、合理性，立足于整个机械设计，并将其贯穿于每一个环节，实现对每一个环节的实施监督和控制，能够及时发现设计中存在的问题，并及时作出调整，不断优化机械产品，从而有效提高工作效率和质量。通过强化重点部分，简单处理次要部分进行设计，例如：巧妙地运用线条、色彩等美学视角增强艺术感，并突出设备特点吸引消费者，从而提高销售量。
2.2.2计算机辅助方法
该方法主要是将现代信息等技术作为基础，对机械设备外观进行科学、合理设计的一种方法。计算机等技术不断发展，并逐渐渗透至社会各个领域中，取得了显著成效[2]。因此，设计师可以利用计算机内部软件、网络等在画图、构思及运算方面进行整理和疏通，从而达到期望设计目标。计算机辅助设计方法，不仅具有科学设计理念，能够有效突破传统手绘及图纸设计存在的弊端，而且还能够为下一个设计环节奠定良好的基础，进而更好地完成产品外观设计。
2.2.3智能化设计
三维CaD技术作为一项技术系统，并不是不切实际的方法，而是将设计理念、外部环境及计算机等技术有机结合的综合体，不仅如此，其与其他相关系统的集成，例如：管理信息系统等，促使在机械外观设计中发挥了更大价值。在学科交叉融合影响，CaD技术将朝着智能化趋势发展，不仅关注单纯的线面数据分析，更不需要人工进行参数化限定，而是利用历史设计数据库内相关数据信息，并结合外部环境自动形成机械尺寸（如下图），为机械设备外观设计提供支持。从某种意义上来说，机械外观智能化设计将是涉及领域的一次改革。
图1三维出CaD技术对机械零件进行设计和构图
2.2.4系统化设计
系统化设计方法主要是相对于传统设计方法而言的，有效突破了单一的功能性要求，促使机械设计方法更具系统化、信息化及智能化，该项系统在实际应用过程中，不仅能够保障数据信息不丢失，而且还能够结合用户信息，对程序进行有效管理，即便是数据信息丢失，也能够进行数据恢复，确保用户系统安全、可靠性，从而提高整个系统的安全性。一般情况下，这种方法能够通过多种方式和方法，进行针对性保护，从而为外观设计提供支持。
3结语
根据上文所述，石油机械设备外观设计作为一项具体、复杂性工作，在提高石油开采效率等各个方面占据不可替代的位置。因此，在机械外观设计过程中，要明确机械设计要求，掌握相关理论基础，选择科学、合理的设计方法，提高外观设计合理性，从而促使机械设备在具体应用中发挥最大效用。
参考文献：