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机械系统设计

  

  1.   机械系统设计中零件与装配使用三维绘图软件,系统工艺流程图使用CAD软件;力学应力及非线性问题使用有限元及相关数值计算软件,可模拟系统在静负载荷与动负载荷等工作情况的分析。
  1. 主要包括机构设计,传动设计,外框底座设计,液压管路,气压管路等的相关设计。

 

静力学

力偶

约束

静定与静不定

平面力系与空间力系学

重心与形心

 

材料力学

变形体静力学

变形体与刚体

 

强度,刚度,稳定度

杆件,板,壳,块体

 

基本变形:拉伸或压缩,剪切,扭转,弯曲

圣维南原理

拉伸或压缩的强度条件,许用应力

 

胡克定律应力应变弹性模量,屈服强度,抗拉强度,变形能,比能

塑性材料,脆性材料

 

扭转,扭矩,剪应变,剪切胡克定律,极惯性矩,截面系数,抗扭刚度,扭转强度条件,剪切许用应力

 

弯曲内力:剪力与弯矩图

轴惯性矩(面积惯性矩,形心惯性矩),静矩,平行轴定理,弯曲剪应力,强度条件,抗弯截面系数,惯性积,形心主轴

 

弯曲变形,抗弯刚度,挠度与转角,刚度条件,静不定梁

压杆稳定,欧拉载荷,抗弯刚度,柔度,稳定许用应力

 

 

运动学

只涉及空间与时间两个基本概念,不涉及物体的受力和惯性

惯性参考系与非惯性参考系

单值连续函数

点与刚体

刚体的空间运动与平面运动

平行移动动的运动方程,位移,速度,加速度

与转动的运动方程,角位移,角速度,角加速度

点的合成运动

 

 

动力学

牛顿三大定律:

惯性定律

力与加速度定律

作用与反作用定律

 

质点运动微分方程

动量(质量与速度)动能(质量与速度的平方或旋转惯性与角速度的平方),动量矩

冲量,冲量矩,功

动量定理

动量矩定理,转动惯量(质量惯性矩),平行轴定理,

动能定理,力与力偶的功,动能,势能,守恒定律

达朗贝尔原理,惯性力

虚位移原理,自由度,广义坐标

 

四个强度理论

 

组合变形

 

变形体动力学

动载荷,动应力

 

构件作等加速转动时应力和变形的计算

构件作等速转动时应力和变形的计算

构件受冲击载荷时应力和变形的计算

 

实例:

一条AOB05-4080的型材,长度L=1250,两端固定,在其中间部位加载150公斤的载荷,试校核其强度。如下图: 

 

第一步:校核型材的抗弯强度 

在表1中查到型材集中载荷简支梁结构。其最大弯矩为Mmax=( PL/4 )=150*9.8*1.25/4=459.4/N·m,查AOB05-4080型材的弹性模量E=70000N/mm2;

查型材技术参数表,得 截面惯性矩Ix=174455mm4 Iy=655220mm4  抗弯截截面系数为 Wxmax=8722.75mm3 Wymax=16380.5mm3  

代入正应力公式:

1.用80面作承载面

 

 

σmax 52.66 Mpa,N/mm^2
M弯矩 459.4 N.m
P负载 150 kg
L长度 1.25 m
  9.8 N/kg
Wx 8722.75 mm^3

 

2.用40面作承载面

 

σmax 28.04 Mpa,N/mm^2
M弯矩 459.4 N.m
P负载 150 kg
L长度 1.25 m
  9.8 N/kg
Wy 16380.5 mm^3

 

 

查表2,6063-T5的屈服强度为145 Mpa,除以安全系数1.5,52.67MPa≤145/1.5=96.7 MPa,故此款型材用80面作承载面能满足承载150公斤的强度。同理,28.05MPa≤145/1.5=96.7 MPa,此款型材用40面作承载面能满足承载150公斤的强度。

 

 

第二步:校核型材的刚度。

 

1:用40面作承载面

 

按最大挠度公式:

 

查型材技术参数表,得 截面惯性矩Ix=174455mm4 Iy=655220mm4 

 

 

fmax 1.30 mm
P 150 kg
L 1250 mm
E 70000 N/mm^2
Iy 655220 mm^4
  9.8 N/kg
系数 48  

 

按公式:   

 

 

 ,故用型材40面承载可满足刚度要求。

 

2:用80面作承载面

 

查型材技术参数表,得 截面惯性矩Ix=174455mm4 Iy=655220mm4 

 

 

 

 

fmax 4.90 mm
P 150 kg
L 1250 mm
E 70000 N/mm^2
Ix 174455 mm^4
  9.8 N/kg
系数 48  

 

 按公式:     

 

  , 故用型材80面承载不能满足刚度要求。

 

结论:一条长度为1250mm的AOB05-4080型材,要承载150kg的载荷,只能用40面来承载,才能满足强度和钢度要求。

 

 

 

 

一 平面与空间机构设计

 

 

二 传动设计

  主要有齿轮传动,气压传动以及液压传动。

 

三 外框底座设计

  按客户地形空间及噪声要求。

 

四 液压管路

  适用重载荷控制场合,使用管路连接件,液压阀,过滤器,油泵等组成。

 

五 气压管路

  适用可以放置空气压缩机的场合,使用各种管路连接件,电磁气动阀,及三联件组成。

 

 

六 机械臂结构设计

  包括机身,臂部,手部,关节等运动部件的设计。

 

Euler's equation

Euler's equation

 

 

转动惯量 moment of inertia or rotational inertia

 

moment of inertia

 

moment of inertia2

 

 

Inertia tensor

 

Inertia tensor

 

 

Properties of Rigid Bodies

 

  Lagrange equations

Lagrange equations

 

Christoffel symbol

 

 

 

七 有限单元分析(数值解)

  1.划分单元,建立坐标系;

  2.计算单元刚度矩阵(形函数与等参函数);

  3.计算整体刚度矩阵;

  4.计算载荷矩阵;

  5.引入边界约束条件,修改整体刚度矩阵;

  6.计算应力。

 

平面三角形位移函数中的相关计算

 

cramer rule

 

工业机器人运动学相关计算

 

涉及机械的相关标准参考:

 

《机械设计手册》第1~5卷 成大先 主编

《热处理手册》第1~4卷 中国机械工程学会热处理学分 编

《机械加工工艺手册》第1~3卷 王先逵 主编

《焊接手册》第1~3卷 中国机械工程学会焊接学会 编

《石油化工压力管道设计手册》 于浦义 张德姜 唐永进 编著

 

GB/T 700-2006 碳素结构钢

 

GB/T 702-2008 热轧钢棒尺寸、外形、重量及允许偏差

 

GB/T 7306.1-2000 55°密封管螺纹第1部分圆柱内螺纹和圆锥外螺纹

 

GB/T 7306.2-2000 55°密封管螺纹第2部分圆锥内螺纹和圆锥外螺纹

 

GB/T 8163-2008 输送流体用无缝钢管

 

GB/T 17395-2008 无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差

 

GB/T 1804-2000 一般公差 未注公差的线性和角度尺寸的公差

 

GB/T 1184-1996 形状公差和位置公差 未注公差值