发布时间：2023-10-07 15:42:33
绪论：一篇引人入胜的产品结构设计理论，需要建立在充分的资料搜集和文献研究之上。搜杂志网为您汇编了三篇范文，供您参考和学习。
1 结构动态分析的研究对象
机械动态设计是正在发展中的一项新技术，它涉及到现代动态分析、计算机技术、产品结构动力学理论、设计方法学等众多学科范围，目前还没有形成完整的动态设计理论、方法和体系，许多问题尚需进行深入广泛的研究。以下结合文献[1～4]的论述，对机械动态设计发展与现状作简要评述。
目前,国外在结构动态分析设计领域的研究十分活跃，特别是美国、西欧等一些发达国家，十分重视关于结构动态分析设计问题的研究，并将其列为结构设计领域的重点发展方向之一。结构动态设计的主要内容包括两个方面：①建立一个切合实际的结构动力学模型；②选择有效的结构动态设计方法[1]。机械结构动态设计的一般大体过程是：对满足工作性能要求的产品初步设计图样，或就需要改进的产品结构实物进行实体建模，并作动态特性分析。然后，根据工程实际情况，给出其动态特性的要求或预定的动态特性目标，再按结构动力学“逆问题”方法直接求解结构设计参数，或按结构动力学“正问题”分析方法，进行结构修改与修改后结构的动态特性预测，其结构的修改与预测往往需要反复多次，直到满足各项设计要求为止，从而得到一个具有良好静、动态特性的产品设计方案。
2 结构振动系统的建模
2.1 有限单元法。结构振动系统的建模问题是结构动态设计的基础，目前建模的一种常用的方法是采用有限元法，这种方法首先将连续的弹性体离散化，然后从能量原理出发建立起整体控制方程，利用数值方法求解，得到结构的参数。该方法的优点是可在结构设计之初，根据设计图纸，预知产品的动态性能，预估振动、噪声的强度和其它动态问题，并可在图纸阶段改变结构形状以消除或抑制这些问题。该方法是一种近似解法，但就其计算精度来看，基本能够满足使用者的要求。对复杂结构，这是一种较为有效的分析方法。随着计算机技术的发展，建立在有限元原理上的结构分析软件已经相当成熟（如：IDEAS、ADINA、NASTRAN、SAP、ANSYS等），它们已卓有成效地应用于航空、航天、船舶、汽车和机床等工程结构的动态分析。
然而，对大型复杂结构而言，由于材料物理参数的不确定性，边界条件的近似处理、接头及连接处的连接参数估计不准确，以及缺乏阻尼参数等原因，要想直接依据图样资料建立一个能准确反映结构动态特性的有限元模型是比较困难的，其计算精度也难以保证。
2.2 试验模态分析法。近10多年来，由于动态测试、信号处理、计算机辅助实验等技术的迅速提高，试验建模技术也得到了很大的发展，因此结构动力学分析的另一种有效的方法是试验模态分析法。该方法是建立在实验基础上的确定系统动态特性的一种更为有效的方法。它是在结构上选择有限个试验点，在一点或多点进行激励，在所有点测量系统的输出响应，通过对测量数据的分析和处理，建立结构系统离散的数学模型。
这种模型能较准确的描述实际系统，分析结果也较可靠，但该法客观上要求有一个实际模型，因而提高了建模成本，同时由于实测信息的不完整，导致模型的不完备，往往只能反映真实系统的低阶模态特性，难以适应大型复杂结构。
2.3 基于试验数据的有限元模型修正法。鉴于上述两种方法的优缺点，现代的发展趋势是把有限元方法和试验模态分析技术有机结合起来，用有限元方法建立先验模型，而用实测的动态数据通过不同方法对其先验模型进行修正，利用修正后的有限元模型计算结构的动态特性和响应，进行结构的优化设计[1,5]。目前，一些较复杂结构系统的实验模态分析和动态特性有限元分析在国内外都已取得了一定的成果[5]。用实验模态分析结果修正机体有限元模型的方法，在机体有限元建模上已得到实际应用，从而为进行机体动力响应计算奠定了基础。
基于实验数据的结构有限元模型修正，近30年来国内外学者提出了大量的修正方法，这些方法从修正的对象来说，大体上可分为矩阵型与设计参数型两大类。矩阵型方法的基本思想是：根据一定的准则和结构动力学关系来修正有限元模型的质量矩阵和刚度矩阵，使修正后的有限元模型计算的模态参数与实验结果一致。这类方法首先由Berman等人于1971年提出，而由Caesar（1986）、Kaba（1985）和张（1988）等设法改进。虽然在数学上该方法可达到由修正后的有限元模型计算的模态参数与实验结果相一致的目的，但其修正后的质量与刚度矩阵已失去了明确的物理意义，因此修正后的模型很难用于结构的动态设计；而设计参数型直接对结构的材料、截面形状和几何尺寸等参数进行修正，该类方法可直接应用于结构动态设计，例如Colluins(1974年)、曾（1991）、陈（1994年，1996年）等人曾用实验模态参数辨识结构的设计参数，Ewins（1990年）、Link（1992年）等人曾用频率响应函数进行过结构设计参数的识别。该方法属于基于“逆问题”直接求解的动态设计方法。关于结构动态设计的“正问题”，即结构修改与修改结构的重分析，是目前较为广泛的一类动态设计方法。例如：有关结构修改的灵敏度分析（Fox1968年提出），修改结构重分析中用到的基于小参数的矩阵摄动法（Rayleigh为先驱）等等都得到了广泛应用。
3 结构动态分析在工程领域的应用
目前对结构进行动态分析时，应用较为广泛的是利用有限元的方法，建立模型后，在对结构静态分析的基础上，进行模态分析、冲击载荷作用下的结构分析等等。这种分析方法已成功地应用于航空、航天、船舶、汽车和机床等工程结构的动态分析。
参考文献
[1] 陈新.机械结构动态设计理论方法及应用.北京:机械出版社,1997
[2] 张连山.关于国内抽油机发展趋向的几个问题.石油机械，2003，24(2)
[3] 萧南平.对游梁式抽油机节能问题的探讨.石油机械，2000，25（3）
1变型设计概述
1.1变型设计的基本概念简单的说，变型设计就是一种设计方法，是一个设计过程，它的基本思想是通过改进已有的系列产品或设计实例来适应新的设计需求，实现产品的快速设计和新产品的快速试制定型。就整体而言，变型设计就是运用一定的规则将整个产品的设计归结为对其中各个部件、零件等功能模块的设计。因此在进行变型设计时建立一个合理的产品结构模型是实现产品快速变型的关键。
1.2方法体系
机械产品结构设计是一个系统、复杂、循序渐进的过程，无论是用户新的需求，还是机械产品在功能上的细小变化，都有可能引起很大改变，即在产品结构上的细小变动都有可能导致产品结构设计上的重大变动，这在机械产品的变型设计中表现的尤为明显。有时企业为了更好的满足各种用户的不同需求，不得不对原有的产品结构进行重新设计，以期获得更多的收益，奠定自身的竞争优势。笔者认为，对机械产品结构进行变型设计的关键就是要准确找到变型设计的根源，建立科学合理的方法体系，进而保证变型设计和快速设计目标的实现。本文所要介绍的方法体系，是以变型规则为基础，通过事物特性表技术的合理运用来构建合理的机械产品结构模型，该模型能够对支持变型设计的机械产品及其构配件之间的关系和条件进行准确的描述。事物特性表技术实现了机械产品结构数据通过二维表结构进行标准化、科学化、规范化的组织，这对机械产品结构的变型设计无疑是非常有帮助的。
2事物特性表的应用
事物特性表是一种ASCII文件，它的格式是保持不变的，不仅能够对事物的基本属性进行登记，还能对构配件的一些特性进行针对性的描述。在国家的相关标准中，它被当作一种信息标准进行应用，不仅能对事物的特性进行描述，并严格按照相关规范和要求进行记录、存储和显现。表格形式如表1所示。正是因为事物特性表能够详细、有效的对事物的性能、特征、工艺特殊性等进行描述，尤其是产品在开展与尺寸变型相关的结构设计时，事物特性表更有利于产品结构从类到实例的转变，这对变型设计和相关检索显然是非常有帮助的。例如，我们可以对某种机械产品的内外径、长度等特性进行描述，我们就可以得到一类产品，而我们对以上特性参数化之后就得到了某种产品的实例，最后将所有特性参数进行组合后，我们就得到了该产品的事物特性表。事物特性表的应用不仅如此，我们还可以结合机械产品变型设计的具体实际进行灵活扩展，尽量将事物特性表的作用最大化。
3机械产品结构模型分析
从某种意义上说，我们可以把产品结构模型看成是能够适应应有的的约束配置的构件的实例化集合。在具体应用过程中，企业应当立足于市场及用户的各种需求，从企业原有的系列产品结构中进行改进和创新，进而派生出更多的有效的产品结构。在对产品结构模型进行分析和构建时，我们首先应当对产品的结构、特点、功能有个全面的把握和了解，并按照相关设计原则和理念把产品模块化，然后通过面向对象的设计方法将所要进行设计的产品进行分解，进而获得相应的产品类或零部件类，最终得到科学、有效的产品模块结构。产品结构模型的原理如图1所示，其主要包含产品变型与约束规则、参数传递结构和构建集合等内容。而为了更好的对产品结构及其结构进行分析，我们首先要对产品以及组成产品的零配件关系进行描述，即构建产品装配拓扑树。
3.1产品装配拓扑树的构建
对于产品装配拓扑树的描述来说，我们可以把它看作是一种类结构，具体如图2所示。在装配拓扑树中，基本模块是产品结构设计中必不可少的，必选模块则是在严格遵循相关规则的基础上，从企业主要的系列产品结构模块中指定一定数量的模块加入到产品中；可选模块则是在严格遵循相关规则的基础上，从企业主要的系列产品结构模块中选择一定数量的模块加入到产品中。O2表示在组成部件BNode2时必须且只能在Anode6和Anode7中选择一个零件构件，并且以该构件与CNode2的关系装配到BNode2中。R1表示在组成产品族CNode1时，可以根据一定的规则在Anode4和Anode5中选择一个零件。将构件（Node）的概念引入到装配拓扑树中，主要是为了更好的表达产品对象以及零部件等子对象，而构件不能完全等同于具体的零部件，我们可以把它看成是零部件的抽象，是拥有一定共同特性的的集合，我们可以将其表述为一个四元组：Node＝[ID,Sel(Inc,Num),Type,Des(Attr_name,Data_Type,In_cons)]式中ID表示产品对象或其零部件子对象的唯一标识号；Sel表示该构件的选择特性，Inc的取值为0，1。Inc=0表示该构件是可选构件，Inc=1表示该构件是必选构件。Num表示零部件在产品中的配置数目；Des表示构件的属性描述信息，Type表示该构件的类型。At-tr_name表示该构件的一个属性名称；Data_Type表示属性的取值类型，如浮点型（float）、整型（int）、字符型（char）、布尔型（bool）等；In_cons表示属性的取值限定约束。
3.2PSMTree类的构造
在完成装配拓扑树的构建后，能够从结构上很好地支持产品对象的变异性。然后采用面向对象的方法对由PSMTree描述的产品原型进行建模，在建模时采用事物特性表技术来构造描述PSMTree的类属性，从而通过类的继承得到描述产品的类。在对类进行构造时，我们可以依靠O_Asm、O_Par和O_Sel这3个类来分别描述PSMtree中的产品及其零部件构件。提取3个类的标识码ID、名称NAME、变型规则等共同属性构造基类O_Base，O_Base与O_Asm、O_Par和O_Sel构成分类结构，具体如图3所示。
3.3机械产品的变型设计规则
中图分类号：T9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）10-0047-01
机电一体化技术是以其产品为载体而体现出来，是机电一体化技术发展至今的技术水平体现。机电一体化产品设计人员，要使产品设计符合机电一体化技术要求，并富于时代感，就要对于产品设计技术以掌握，并具备多种技术融合的技术能力。面对机电一体化产品的技术先进性和复杂性，就要将符合当代机电一体化技术发展的产品设计理论建立起来。
一、机电一体化产品概念设计理论构建的意义
在机电一体化产品设计中，概念设计对于产品质量起到至关重要的作用。作为产品设计中的重要阶段，对于产品质量的决定程度可以达到70%以上。要获得性能优异的机电一体化产品，就要将机电一体化产品概念确定下来，制定出相应的设计方案和设计技术方法。概念设计理论首先是基于概念设计思想而建立起来的，在其基础上还先后出现了多种阶段性设计理论，如TRIZ设计、公理化设计QFD设计理论等等，对于机电一体化技术发展进程中所获得的创新设计成果发挥了重要的推动作用。
在机械工程研究领域中，这些理论被运用于其中，进行组合设计而形成了技术综合性较强的设计产品，由此而促进了机电一体化系统的多种学科交叉。系统的继承性决定了其设计的复杂性，多门科学技术的融合，使得原有的单一化设计理论不再适应目前的科技发展需求。那么，在机电一体化产品概念设计理论研究中，就要从机电一体化系统自身的性能出发，结合设计目标而建立起完整的概念设计理论，以对创新设计的机电一体化产品以指导。与此同时，还要在机电一体化产品设计概念理论建立起来之后，结合相关学科，以使理论研究逐渐扩展。
二、机电一体化产品概念设计理论研究现状
按照现代机构角度对机电一体化系统进行分类，可以划分为三个子系统，即广义执行机构、信息处理及控制系统和传感检测系统。将三个子系统相衔接，建立起框架体系，不仅有效实现机电一体化运动功能，而且还促进了产品创新设计。在机电一体化产品设计系统中，广义执行机构子系统是核心部分，其概念设计理论研究关乎到机构运动的总功能。特别是在基本工艺动作设计过程中，要基于广义执行机构的概念设计理论对基本的工艺动作进行构思，以使其具有动作的独立执行能力。当执行动作的创新技术确定下来之后，就可以结合机构系统建立框架模型，以使系统设计更具有可操作性，而且采用这种方式更能够结合计算机辅助进行产概念设计。
对于机电一体化产品的框架模型而言，仿真问题是最为重要的。作为设计结构复杂的动态系统，机电一体化产品实现动态性能的同时，更要注重系统仿真性嫩的验证。那么，在机电一体化产品概念设计阶段，就要确立功能实现的约束条件，将各种相关的仿真软件技术纳入到框架模型当中，运用各种通用建模技术，使用仿真软件将诸如原理图、键合图、信号流图以及方框图等等参数化。运用Simulink仿真软件将系统仿真平台建立起来，以为机电一体化产品概念设计的实现奠定基础。
三、机电一体化产品概念设计理论的发展展望
对于机电一体化产品设计人员而言，产品概念设计理论具有重要的指导作用。国外研究机电一体化产品概念设计理论所获得的成果，是建立在研究电子控制理论的基础上的。国内的研究学者则着重于机电一体化产品的运动结构研究。机电一体化系统是基于多种学科而建立起来的，这就需要产品设计者对于产品从多种学科角度进行研究，并趋向于产品概念理论的使用操作性。虽然国内外对于机电一体化产品设计理论的研究方向有所不同，但研究目标是相同的，且对于新技术、新产品的开发具有重要的指导意义。
关于机电一体化产品概念设计理论，从研究趋势上来看，还要面临诸多问题有待解决。比如，在进行机电一体化产品概念设计理论时，还要将推理方法建立起来；对于机电一体化产品的运动机构进行分类，为了对驱动元件以及传动机构等等进行选择，还要将驱动元件库以及机构执行库建立起来；对于传感器的选择，有赖于测物理量的参数定量化，以确定传感器类型。此外，还要将信息处理、控制方法库建立起来，以提高系统软件和硬件的可控性。机电一体化产品在不同的设计阶段，都会产生不同的概念设计理论，将产品概念设计评价体系建立起来，以利于产品不同阶段设计有效衔接。
总结
综上所述，对于机电一体化产品设计人员而言，概念理论设计所发挥的指导作用是不容忽视的。中国目前对于机电一体化产品设计的研究主要是基于运动功能为主产品结构设计。作为多种学科集合的机电一体化技术，其复杂性决定了机电一体化产品概念设计理论的重要性。
