現代機械設計理論與方法

本書致力於將知識的基礎作用和創新實踐活動相結合，從提出問題入手，系統介紹解決機械設計問題的理論與方法。全書內容分為三個部分，第一部分是現代機械設計的理論基礎，包含緒論、機械設計進程、創新設計與創造技法、機械創新設計表達、機構的創新設計與實現、機械結構設計；第二部分是現代機械設計技術與實現，包含有限元法、機械動力學設計、逆向工程技術及設計、機械優化設計、機電系統建模模擬與控制設計；第三部分是現代機械產品的市場化設計，包含系列化、模塊化與人機工程設計。本書可作為高等院校機械工程專業高年級本科生和研究生教材，也可作為機械設計、機電一體化、自動化、先進位造等領域科技人員的參考書籍。

機械及裝備製造業真正體現了一個國家的實力，在產業鏈上具有非常強的帶動性。現代機械設計理論與方法的學習對於機械及裝備製造業具有重要的意義，在科技不斷發展和多學科廣泛交叉作用中，其內涵與外延將進一步豐富和擴展。

機械設計是根據使用要求對機械的工作原理、結構、運動方式、力和能量的傳遞系統、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法進行構思、分析和計算並將之轉化為具體的描述，以作為製造依據的創造性工作過程。研究機械設計過程的理論、方法及實現手段等對工業、農業、國防、科技各個領域的理論探索及實踐均具有重要意義。

現代機電產品的質量、性能和成本，在很大程度上是由設計階段的工作決定的，設計實現產品標準化、系列化和通用化，能加速實現我國生產活動的高度機械化、電氣化和自動化。設計水平與工業發展水平是相互影響的。設計先進的機器，可大大加速現代化建設的進程。另外，現代機械設計過程在本質上是一個創新過程，創新設計綜合實踐能力是尖端人才培養的“靈魂、動力”。

作者長期主講機械設計、機械系統動力學、數控技術、現代機械設計理論與方法等課程，在教學過程中，請教多位教學名師和專家，不斷探索現代機械設計課程應處的地位、教授的目的和課程的體系。在多年教學經驗總結和專家指導的基礎上，對教案、主編的相關教材進行了體系變更、內容更新和改寫，從而形成了這本《現代機械設計理論與方法》。本書緊扣設計科學規律的研究與運用，強調知識的基礎作用和創新實踐活動相結合。全書內容可分為三個部分，共12章。

第一部分，是現代機械設計的理論基礎，包含第1章緒論，第2章機械設計進程，第3章創新設計與創造技法，第4章機械創新設計表達，第5章機構的創新設計與實現，第6章機械結構設計。

第二部分，是現代機械設計技術與實現，包含第7章有限元法，第8章機械動力學設計，第9章逆向工程技術及設計，第10章機械優化設計，第11章機電系統建模模擬與控制設計。

第三部分，是現代機械產品的市場化設計相關內容，包含第12章系列化、模塊化與人機工程設計。

本書後面附有思考題。有些題目工作量較大，可作為從方案設計、建模、計算，再到設計結果討論的機械創新設計綜合實踐的題目。如果能與相關的實驗設備、課題研究相結合，則可以形成機械工程設計的實例，使學生對解決機械設計問題的過程有較完整的了解。

本書編寫時力求貼近教學實際，按照工科專業的教學大綱要求和課時要求，提供大量圖示說明和實例。本書既可作為高等學校工科類本科生、研究生的教材，也可作為相關專業工程設計人員和研究人員的設計參考書。

作者在編寫過程中收集、運用部分科研和教學研究資料，參考了大量論文、專著、教材以及相關網頁的資料文獻。感謝清華大學金德聞教授、季林紅教授、王人成副教授長期以來在專業學習、設計理論與實踐教學方面給予的指導幫助。此外，本書的編寫過程還得到鄭州輕工學院陳鹿民教授、中國地質大學（北京）眾多同仁的幫助，在此作者表示衷心感謝。

書中的部分內容參考並選用了作者所指導的碩士生、博士生所做的工作。中國地質大學(北京)“

機械工程學科建設項目

”給予了必要的資助，作者謹對這些學生和資助項目管理機構表示衷心的感謝。

由於作者水平有限，編寫時間倉促，書中難免存在不妥甚至錯訛之處，敬請讀者批評指正。

作者

2013年10月於北京

第1章緒論

1.1機械設計科學的發展及其在現代化建設中的作用

1.1.1機械設計科學在實踐、創新中不斷發展

1.1.2發展歷程

1.1.3機械工業及其設計理論在現代化建設中的作用

1.2機器、機構、零件要素

1.2.1機器

1.2.2機構

1.2.3零件

1.3現代設計理論與設計方法

1.3.1設計、發明與創造

1.3.2現代設計方法

思考題

第2章機械設計進程

2.1機械設計的一般過程

2.1.1機械設計的重要階段及特徵

2.1.2機械產品的工程設計步驟

2.2方案設計的關鍵環節

2.2.1研究和確定設計任務

2.2.2總體方案設計的重點方法

2.2.3系統性能綜合評價

2.2.4多方案設計實例

2.2.5總體布局設計

2.3技術設計的重點環節

2.4技術文件編製與設計總結報告

2.5設計過程的規劃與監控

2.5.1節點計劃說明

2.5.2各個階段的啟動和完成情況審查

2.5.3文件管理

2.6國外對機械系統具體設計步驟的分析

2.6.1諾頓關於設計步驟的分析

2.6.2設計過程的反覆、多解特性分析

思考題

第3章創新設計與創造技法

3.1創新的特點分析

3.2創新設計的基礎

3.2.1理論基礎

3.2.2傳承基礎

3.2.3方法基礎

3.2.4思維基礎

3.2.5群眾性基礎

3.2.6多學科基礎

3.3創造力原理

3.3.1創造力的一般特性

3.3.2創造力的影響因素

3.3.3個人智力與群體智慧

3.3.4想象、幻想、靈感思維、逆向思維

3.4常用的創造技法

3.4.1綜合創造

3.4.2分離創造

3.4.3移植創造

3.4.4其他方法

3.4.5創新設計基本方法

3.5創造技法的實施

3.5.1智力激勵法的實施

3.5.2典型的檢核表——設想提問法

3.6發明問題解決理論

思考題

第4章機械創新設計表達

4.1機構示意圖與機械系統運動簡圖

4.1.1機構示意圖

4.1.2機械系統運動簡圖

4.1.3液壓傳動系統簡圖

4.1.4機械加工裝備及加工過程簡圖

4.2功能原理分析及表達

4.2.1功能分析

4.2.2功能原理關鍵特徵的設計表達

4.2.3功能原理圖與工作原理確定

4.3設計目錄方法簡介

4.3.1邏輯功能元及其物理實現方法

4.3.2數學功能元與物理功能元

4.4機械運動循環圖設計

4.5三維設計顯示

4.5.1三維設計軟體

4.5.2草圖繪製

4.5.3實體建模特徵

4.5.4裝配體

4.6運用三維軟體設計的實例

4.6.1自動爬樓梯裝置

4.6.2減速器三維顯示

思考題

第5章機構的創新設計與實現

5.1機構選型

5.1.1機構選型基礎

5.1.2機構的形式設計

5.1.3選型實例分析

5.2機構變異

5.3機構組合

5.3.1串聯式機構組合

5.3.2並聯式機構組合

5.3.3複合式機構組合

5.3.4疊加式機構組合

5.4功能綜合

5.5構型綜合的基本要求

5.6機構的演繹法

5.7廣義機構

思考題

第6章機械結構設計

6.1機械結構設計的任務

6.2零件的結構要素、工作要素、連接要素

6.3機械系統結構設計的主要原則

6.3.1簡單

6.3.2明確

6.3.3安全可靠

6.4結構設計的原理及實現

6.4.1等強原理

6.4.2變形協調原理

6.4.3自助原理

6.5軸系支承結構設計

6.5.1軸承的調心性能

6.5.2滾動軸承的預緊結構設計

6.5.3密封結構

6.5.4軸承的“正裝”與“反裝”結構

6.5.5止推軸承、靜壓軸承結構

6.5.6幾種聯軸器結構設計

6.5.7軸的安裝結構

6.6提高機械性能的結構設計

6.6.1提高散熱性能

6.6.2非金屬結構設計

6.6.3提高精度的結構設計

思考題

第7章有限元法

7.1有限元法的發展背景

7.2有限元法解題步驟和過程

7.3含彈性構件機構的有限元法

7.3.1單元坐標和系統坐標

7.3.2系統力和單元力

7.3.3單元位移函數

7.3.4單元動力學方程

7.4剛架結構的有限元法

7.4.1單元剛度矩陣的建立

7.4.2單元剛度矩陣的導出

7.4.3總體剛度矩陣的集成

7.4.4位移的求解

7.5有限元分析軟體

7.6機械系統有限元分析的力學基礎與實例

7.6.1力學基礎

7.6.2齒輪有限元分析實例

思考題

第8章機械動力學設計

8.1動力學研究領域

8.2系統動力學建模的原理

8.2.1牛頓第二定律

8.2.2達朗貝爾原理

8.2.3拉格朗日方程

8.2.4凱恩方程

8.2.5影響係數法

8.2.6傳遞矩陣法

8.3機構動力學模型方程的建立

8.3.1旋轉機械動力學方程

8.3.2電磁鐵機構動力學方程

8.3.3含周期性運動構件的機構動力學方程

8.3.4四桿機構動力學方程

8.3.5五桿機構動力學方程

8.3.6開鏈機構動力學方程

8.3.7齒輪傳動系統模型方程

8.3.8電機驅動起動過程運動規律

8.4動力學模擬

8.4.1模擬設計技術

8.4.2計算機數字模擬與物理模擬

8.4.3機械系統的耦合特性及線性圖簡化

8.4.4多領域模擬的計算機實現

8.5ADAMS動力學建模與模擬

8.5.1軟體簡介

8.5.2動力學問題的求解演演算法簡介與坐標系

8.5.3ADAMS的建模與求解過程

8.5.4ADAMS模擬分析模塊

思考題

第9章逆向工程技術及設計

9.1逆向工程概念

9.2逆向工程設計流程

9.3實物逆向工程設計中的幾項關鍵技術

9.4逆向工程關鍵技術的實現

9.5數字模型重構技術

9.6快速原型製造技術

思考題

第10章機械優化設計

10.1優化設計的概念

10.2機械優化設計的發展

10.3機械優化設計的數學模型

10.3.1優化準則與目標函數

10.3.2設計變數

10.3.3約束條件

10.3.4求解數學模型的方法

10.4最優化方法的數學基礎

10.4.1偏導數與梯度

10.4.2泰勒展開式

10.4.3極小點存在條件

10.5優化方法舉例

10.5.1一維搜索方法

10.5.2無約束優化方法

10.5.3約束優化方法

10.6優化計算結果的分析及處理

10.7優化設計建模流程示例

思考題

第11章機電系統建模模擬與控制設計

11.1機電系統集成

11.2機電系統控制

11.2.1控制方式基本分類

11.2.2控制實現方式

11.3機電系統建模與模擬

11.3.1建模

11.3.2機電系統模型結構

11.3.3模擬環境

11.4機電系統控制設計

11.4.1電動機控制方案

11.4.2可逆調速系統、穩速系統

11.4.3交流電動機的變頻控制

11.4.4常規指令實現PID控制

11.5多軸協調運動控制

思考題

第12章系列化、模塊化與人機工程設計

12.1標準化設計、系列化設計

12.1.1設計步驟與方法

12.1.2優先數與標準公比

12.1.3設計舉例

12.2模塊化設計

12.2.1模塊化設計的主要方式

12.2.2模塊化設計的關鍵

12.2.3模塊化設計的步驟

12.2.4模塊化程度的度量

12.3人機工程設計

12.3.1人機特性比較與功能匹配

12.3.2從人體尺度考慮顯示與控制的設計

12.3.3由人體力學考慮人機學設計

12.3.4人機系統的可靠性評價

思考題

參考文獻