现代机械设计理论与方法

第1章 绪论

1.1 机械设计科学的发展及其在现代化建设中的作用

1.1.1 机械设计科学在实践、创新中不断发展

1.1.2 发展历程

1.1.3 机械工业及其设计理论在现代化建设中的作用

1.2 机器、机构、零件要素

1.2.1 机器

1.2.2 机构

1.2.3 零件

1.3 现代设计理论与设计方法

1.3.1 设计、发明与创造

1.3.2 现代设计方法

思考题

第2章 机械设计进程

2.1 机械设计的一般过程

2.1.1 机械设计的重要阶段及特征

2.1.2 机械产品的工程设计步骤

2.2 方案设计的关键环节

2.2.1 研究和确定设计任务

2.2.2 总体方案设计的重点方法

2.2.3 系统性能综合评价

2.2.4 多方案设计实例

2.2.5 总体布局设计

2.3 技术设计的重点环节

2.4 技术文件编制与设计总结报告

2.5 设计过程的规划与监控

2.5.1 节点计划说明

2.5.2 各个阶段的启动和完成情况审查

2.5.3 文件管理

2.6 国外对机械系统具体设计步骤的分析

2.6.1 诺顿关于设计步骤的分析

2.6.2 设计过程的反复、多解特性分析

思考题

第3章 创新设计与创造技法

3.1 创新的特点分析

3.2 创新设计的基础

3.2.1 理论基础

3.2.2 传承基础

3.2.3 方法基础

3.2.4 思维基础

3.2.5 群众性基础

3.2.6 多学科基础

3.3 创造力原理

3.3.1 创造力的一般特性

3.3.2 创造力的影响因素

3.3.3 个人智力与群体智慧

3.3.4 想象、幻想、灵感思维、逆向思维

3.4 常用的创造技法

3.4.1 综合创造

3.4.2 分离创造

3.4.3 移植创造

3.4.4 其他方法

3.4.5 创新设计基本方法

3.5 创造技法的实施

3.5.1 智力激励法的实施

3.5.2 典型的检核表——设想提问法

3.6 发明问题解决理论

思考题

第4章 机械创新设计表达

4.1 机构示意图与机械系统运动简图

4.1.1 机构示意图

4.1.2 机械系统运动简图

4.1.3 液压传动系统简图

4.1.4 机械加工装备及加工过程简图

4.2 功能原理分析及表达

4.2.1 功能分析

4.2.2 功能原理关键特征的设计表达

4.2.3 功能原理图与工作原理确定

4.3 设计目录方法简介

4.3.1 逻辑功能元及其物理实现方法

4.3.2 数学功能元与物理功能元

4.4 机械运动循环图设计

4.5 三维设计显示

4.5.1 三维设计软件

4.5.2 草图绘制

4.5.3 实体建模特征

4.5.4 装配体

4.6 运用三维软件设计的实例

4.6.1 自动爬楼梯装置

4.6.2 减速器三维显示

思考题

第5章 机构的创新设计与实现

5.1 机构选型

5.1.1 机构选型基础

5.1.2 机构的形式设计

5.1.3 选型实例分析

5.2 机构变异

5.3 机构组合

5.3.1 串联式机构组合

5.3.2 并联式机构组合

5.3.3 复合式机构组合

5.3.4 叠加式机构组合

5.4 功能综合

5.5 构型综合的基本要求

5.6 机构的演绎法

5.7 广义机构

思考题

第6章 机械结构设计

6.1 机械结构设计的任务

6.2 零件的结构要素、工作要素、连接要素

6.3 机械系统结构设计的主要原则

6.3.1 简单

6.3.2 明确

6.3.3 安全可靠

6.4 结构设计的原理及实现

6.4.1 等强原理

6.4.2 变形协调原理

6.4.3 自助原理

6.5 轴系支承结构设计

6.5.1 轴承的调心性能

6.5.2 滚动轴承的预紧结构设计

6.5.3 密封结构

6.5.4 轴承的“正装”与“反装”结构

6.5.5 止推轴承、静压轴承结构

6.5.6 几种联轴器结构设计

6.5.7 轴的安装结构

6.6 提高机械性能的结构设计

6.6.1 提高散热性能

6.6.2 非金属结构设计

6.6.3 提高精度的结构设计

思考题

第7章 有限元法

7.1 有限元法的发展背景

7.2 有限元法解题步骤和过程

7.3 含弹性构件机构的有限元法

7.3.1 单元坐标和系统坐标

7.3.2 系统力和单元力

7.3.3 单元位移函数

7.3.4 单元动力学方程

7.4 刚架结构的有限元法

7.4.1 单元刚度矩阵的建立

7.4.2 单元刚度矩阵的导出

7.4.3 总体刚度矩阵的集成

7.4.4 位移的求解

7.5 有限元分析软件

7.6 机械系统有限元分析的力学基础与实例

7.6.1 力学基础

7.6.2 齿轮有限元分析实例

思考题

第8章 机械动力学设计

8.1 动力学研究领域

8.2 系统动力学建模的原理

8.2.1 牛顿第二定律

8.2.2 达朗贝尔原理

8.2.3 拉格朗日方程

8.2.4 凯恩方程

8.2.5 影响系数法

8.2.6 传递矩阵法

8.3 机构动力学模型方程的建立

8.3.1 旋转机械动力学方程

8.3.2 电磁铁机构动力学方程

8.3.3 含周期性运动构件的机构动力学方程

8.3.4 四杆机构动力学方程

8.3.5 五杆机构动力学方程

8.3.6 开链机构动力学方程

8.3.7 齿轮传动系统模型方程

8.3.8 电机驱动起动过程运动规律

8.4 动力学仿真

8.4.1 仿真设计技术

8.4.2 计算机数字仿真与物理仿真

8.4.3 机械系统的耦合特性及线性图简化

8.4.4 多领域仿真的计算机实现

8.5 ADAMS动力学建模与仿真

8.5.1 软件简介

8.5.2 动力学问题的求解算法简介与坐标系

8.5.3 ADAMS的建模与求解过程

8.5.4 ADAMS仿真分析模块

思考题

第9章 逆向工程技术及设计

9.1 逆向工程概念

9.2 逆向工程设计流程

9.3 实物逆向工程设计中的几项关键技术

9.4 逆向工程关键技术的实现

9.5 数字模型重构技术

9.6 快速原型制造技术

思考题

第10章 机械优化设计

10.1 优化设计的概念

10.2 机械优化设计的发展

10.3 机械优化设计的数学模型

10.3.1 优化准则与目标函数

10.3.2 设计变量

10.3.3 约束条件

10.3.4 求解数学模型的方法

10.4 最优化方法的数学基础

10.4.1 偏导数与梯度

10.4.2 泰勒展开式

10.4.3 极小点存在条件

10.5 优化方法举例

10.5.1 一维搜索方法

10.5.2 无约束优化方法

10.5.3 约束优化方法

10.6 优化计算结果的分析及处理

10.7 优化设计建模流程示例

思考题

第11章 机电系统建模仿真与控制设计

11.1 机电系统集成

11.2 机电系统控制

11.2.1 控制方式基本分类

11.2.2 控制实现方式

11.3 机电系统建模与仿真

11.3.1 建模

11.3.2 机电系统模型结构

11.3.3 仿真环境

11.4 机电系统控制设计

11.4.1 电动机控制方案

11.4.2 可逆调速系统、稳速系统

11.4.3 交流电动机的变频控制

11.4.4 常规指令实现PID控制

11.5 多轴协调运动控制

思考题

第12章 系列化、模块化与人-机工程设计

12.1 标准化设计、系列化设计

12.1.1 设计步骤与方法

12.1.2 优先数与标准公比

12.1.3 设计举例

12.2 模块化设计

12.2.1 模块化设计的主要方式

12.2.2 模块化设计的关键

12.2.3 模块化设计的步骤

12.2.4 模块化程度的度量

12.3 人-机工程设计

12.3.1 人-机特性比较与功能匹配

12.3.2 从人体尺度考虑显示与控制的设计

12.3.3 由人体力学考虑人-机学设计

12.3.4 人-机系统的可靠性评价

思考题

参考文献

本书致力于将知识的基础作用和创新实践活动相结合，从提出问题入手，系统介绍解决机械设计问题的理论与方法。全书内容分为三个部分，第一部分是现代机械设计的理论基础，包含绪论、机械设计进程、创新设计与创造技法、机械创新设计表达、机构的创新设计与实现、机械结构设计；第二部分是现代机械设计技术与实现，包含有限元法、机械动力学设计、逆向工程技术及设计、机械优化设计、机电系统建模仿真与控制设计；第三部分是现代机械产品的市场化设计，包含系列化、模块化与人机工程设计。本书可作为高等院校机械工程专业高年级本科生和研究生教材，也可作为机械设计、机电一体化、自动化、先进制造等领域科技人员的参考书籍。

作者杨义勇长期主讲机械设计、机械系统动力学、数控技术、现代机械设计理论与方法等课程，在教学过程中，请教多位教学名师和专家，不断探索现代机械设计课程应处的地位、教授的目的和课程的体系。在多年教学经验总结和专家指导的基础上，对教案、主编的相关教材进行了体系变更、内容更新和改写，从而形成了这本《现代机械设计理论与方法》。本书紧扣设计科学规律的研究与运用，强调知识的基础作用和创新实践活动相结合。