现代机械设计方法
Modern Machine Design Methods

二、设计加速器应用案例-减速器的生成

1、轴承设计

资源中心提供了标准化的模型和数据，能够直接调用而不需要自己去创建标准模型。在装配过程中，选取任何一个标准件，把光标放置在准备安装的孔或轴附近，会根据感应到的孔或轴的直径去自动选取合适的标准件装配到部件中。

01
打开“齿轮箱_02.iam”。
02
在工具栏中，选择“从资源中心载入”。
03
在资源中心中浏览器中选择“角接触球轴承”，在列表中选择“滚动轴承 GB/T 292-2007 70000AC”。
04
挪动鼠标选择最佳自适应放置结果，然后将轴承放置在齿轮箱上。单击鼠标左键以确定放置位置，然后点击AutoDrop菜单中的“对号”。
  
05
检查轴承放置位置。
  

2、螺栓联接设计

设计加速器可以为工程师在设计过程中提供决策支持和设计计算。用户输入机械设计的原始条件参数，可自动创建符合机械设计需要的结构。螺栓联接设计生成器，可以自动插入螺栓联接的全套构成。基于标准的自动化样式开发设计，节省大量部件和零件造型时间。

01
从工具面板中，点击 “设计”选项卡，点击“螺栓联接”。
02
在对话框中，选择减速箱底部的环形平面作为“起始平面”。
03
选择螺栓孔的边作为“圆形参考”。
04
勾选“遵循阵列”选项，选择减速箱底面为“终止平面”，直径为8。
05
点击 “单击以添加紧固件”，选择“螺栓GB/T 31.1-1988 M8x35”、“垫圈GB/T 93-1987 M8”、“螺母GB/T 6184-2000 M8”。
  
06
完成螺栓联接设计，查看设计结果。
  

3、轴设计

轴某种意义上也是一种标准件，包括它的几何尺寸，各种槽和键都是有对应的标准件和国家标准，之前的设计我们更加依赖工程师设计手册，在设计加速器里，把工程师设计手册的规则融入程序当中，所以我们只需要选型，然后对其强度进行校核，就可以得到符合设计条件的设计方案。

01
从工具面板中，点击 “设计”选项卡，点击“轴”。
02
在轴生成器窗口中，删除已有轴段，直到剩下两个轴段。
双击轴段，设置轴的主径和截面长度，点击“确定”。
03
点击“装配”选项卡，使用“插入”约束，将轴装配进轴承孔内。
04
左键点击选中轴，从右键菜单中选择“使用设计加速器进行编辑”，打开轴生成器窗口。点击“插入圆柱”按钮，添加新的轴段，分别设置每段轴的主径和截面长度。
05
点击确定，查看轴设计效果。
06
左键点击轴，从右键菜单中打开设计加速器，选择“计算”选项卡。在载荷和支撑选项中选择“支承”，将自由支撑类型拖动到后段轴的中心。
07
双击“固定支撑类型”，打开“固定支承”窗口，解除自定义选项，选择轴承。
  
08
点击“图形”选项卡，查看默认载荷为100N情况下的分析数据。
09
双击载荷符号，将载荷从100N改为 500N。
再次查看计算结果。
10
点击右上角的“结果”按钮，在浏览器中打开计算结果详细页面。
  
11
回到“设计”选项卡，选中第三段轴“圆柱体36 x 40”。点击“分割所选截面”，将L1和D2分别改为35mm和40mm，点击“确定”。
12
为分割后的第三段轴添加一个退刀槽。选中“圆柱体36 x 35”，在第三列的下拉菜单中，选择“退刀槽（SI单位）—> 退刀槽-A(SI单位)”，点击“确定”接受默认数据。
  
13
为最后一段轴添加一个单圆头键槽。选择“圆柱体25x60”, 在第三列的下拉菜单中，选择“单圆头键槽”，在弹出的对话框中，修改键槽长度L值为36，点击“确定”。
  
14
在右侧添加一个内孔挡圈。在截面下拉菜单中选择“右侧的内孔”，点击“插入圆柱内孔”按钮。
为内孔“添加挡圈”。根据实际需要编辑内孔和挡圈的尺寸，点击“确定”。
15
完成轴的设计，查看设计效果。

4、齿轮设计

齿轮被广泛地应用在机械传动及整个机械领域中。齿轮的三维建模能够逼真地展现零部件的结构特征，齿轮的设计计算则能够验证我们在设计过程中齿轮的强度、材料等，能否达到我们的设计要求。在设计加速器中，可以很方便地绘制齿轮模型，将校验计算、材料设计和几何图元设计相结合，很大程度上缩短了齿轮设计的周期，减少了生产样机的成本。

01
从工具面板中，点击 “设计”选项卡，选择“正齿轮”。。
02
在“正齿轮零部件生成器”窗口中调整参数。设计向导选择“齿数”，传动比为2，模数为2，中心距为80mm。螺旋角为30度，齿宽34mm。将齿轮创建为“零部件”。
03
点击齿轮1的“圆柱面”按钮，选择第一根轴表面。
04
点击齿轮2的“圆柱面”按钮，选择第二根轴表面。
05
点击齿轮2的“起始平面”按钮，选择轴端面。
06
点击“计算”选项卡，显示计算界面。
07
从“强度计算方法”下拉菜单中选择计算方法。
点击“更多”，选择载荷计算类型为“功率、速度—>扭矩”，强度计算类型为“校验计算”。
08
在材料值中，勾选“齿轮1”选项，弹出“齿轮材料”窗口，从系统库中选择材料 “EN C60”。同理，为齿轮2选择材料。
09
设置好齿轮计算的参数，点击“计算”。然后点击右上角 “结果”按钮。
在浏览器中打开计算结果详细页面。
10
完成齿轮设计，查看设计结果。用鼠标拖动齿轮进行旋转，两个齿轮将互相啮合随拖动进行旋转。

5、同步皮带设计

同步带传动是以带齿与轮齿啮合来传递动力，达到同步传动的目的。同步带传动设计的目的是确定带的型号、节距、带长、带宽、齿数等参数。同步皮带传动零部件生成器，用于设计和分析在工业中使用的机械动力传动。它是一个适用于各种同步皮带传动的造型工具，能产生真实的带模型。

01
从工具面板中，点击 “设计”选项卡，选择“同步皮带”。
02
在同步皮带零部件生成器窗口中，选择“H型同步皮带”，选择齿轮轴端面作为皮带中间平面定位参照。输入“中间平面偏移”值为-15mm。
03
在皮带轮设置中，为第一个皮带轮选择齿轮轴圆柱面作为“过选定几何图元的固定位置”。
04
在皮带轮设置中，为第二个皮带轮选择电机轴圆柱面作为“过选定几何图元的固定位置”。
05
添加张紧轮。点击“单击以添加皮带轮…”，选择“张紧轮（公制）”。
点击张紧轮上的箭头切换方向，使张紧轮压紧皮带。
06
点击第一个皮带轮特性按钮，在特性设置界面中，将齿数设为40，消除“自定义大小”选项。同理，将第二个皮带轮齿数设为20。
07
点击“浏览皮带轮类型”按钮，两个皮带轮均选择“H-双边挡圈直齿”。
08
调整张紧轮大小和位置，使得齿数为102。
09
点击“更多”，将皮带创建为“详细”，点击“确定”。
完成皮带轮创建，查看设计结果。

6、运动模拟

在进行机械设计时，建立模型后往往需要通过虚拟的手段，在电脑上模拟所设计的机构，来达到在虚拟环境中模拟现实机构运动的目的。对于提高设计效率，降低成本有很大的作用。

01
在浏览器中，选中同步皮带轮，从右键菜单中选择“柔性”。
在同步皮带零部件生成器中，点击“更多”，将皮带创建为“实体”。
02
使用“配合”约束，将皮带轮1的坐标系YZ平面和齿轮1的坐标系YZ平面进行约束。
03
使用“配合”约束，将正齿轮1的坐标系XZ平面和轴1的坐标系XZ平面进行约束。
04
使用“角度”约束，使同步皮带轮2的坐标系XZ 平面和模型底平面之间角度为0。
05
选中“角度”约束，从右键菜单中选择“驱动”，在弹出对话框中，添加结束角度值，点击播放按钮即可看到效果。

二、形状优化应用案例-张紧轮支架的优化

下面以Autodesk Fusion 360为例，应用其形状生成器对张紧轮支架进行优化，形状生成器是设计轻型、具有结构效率的零件的新方法。

01
创建形状优化分析
① 切换“设计”模块至“仿真”模块。
② 选择“形状优化”，创建分析。
③ 双击“单位”，设置为公制（SI）。
02
定义材料
可以设置分析材料，默认为与模型材料相同，本案例为：钢（Steel）。
03
定义结构约束
为简化操作，直接选择支架底面添加固定约束，且三个轴全部固定。
04
定义结构载荷
① 首先定义受力表面，考虑到支架与张紧轮的装配关系为轴和轴承连接，最上侧为受力危险点，其受力在长孔两侧，以轴承外径为19mm的圆面，分割表面，形成受力表面。
② 选择两侧表面，类型选择力，方向类型为矢量方向，添加竖直向下50N的力，即 Fz=-50N。
③ 启用重力。
05
定义结构载荷
① 选择长孔上圆表面，边界形状为圆柱体，在边界大小处，修改X轴为5mm，半径值为9.5mm，其他保持默认，完成第一处保留区域定义。在长孔下圆表面重复以上操作，完成第二处保留区域定义。
② 选择长孔侧面的边，边界形状为长方体体，在边界大小处，修改X轴的值为19mm，X质心偏移3mm，完成第三处保留区域定义。
③ 选择支架底面，边界形状为长方体，边界大小处修改Z轴值为10mm，把底部包裹进入保留区即可，完成第四处保留区域定义。
06
设置优化标准
点击形状优化标准，设置目标质量为≤60%，刚度最大化。
07
网格设置
在管理-设置内定义求解网格为绝对大小：1mm，网格大小会影响求解速度。
08
预检查
提交运算前先进行模型预检查，在提交求解前检查是否已完成各项设置以及设置是否合理。（之前为分割面生成的曲面会通不过预检查，只要在设计环节把曲面删除即可）
09
提交求解
预检查通过后，提交云端求解。
10
查看优化结果
运算结束后会自动打开结果，也可通过作业状态查看结果。
11
导出结果至模型
点击升级，并选择添加网格对象至设计空间：将优化结果转化为实体，以进一步在原模型上进行去除材料操作。
12
修改原模型
形状优化生成的网格模型仅能作为实体设计的几何参考，可以在原支架模型上创建草图，利用“拟合点样条线”命令，沿网格模型边界创建闭合的样条线，对实体模型进行剪切。最终得到减重设计的支架。此处模型详细修改过程不再详述，仅作示意。

三、衍生式设计应用案例-航空发动机支架

发动机支架是喷气式飞机发动机的重要零部件。在运行过程中，支架必须支撑发动机的重量，而不会断裂或弯曲。支架很少使用，但它们会一直放置在发动机上，包括在飞行期间。与所有航空零件一样，减少重量而不损失强度和性能非常重要。

本教程将以飞机发动机支架为例，介绍衍生式设计的完整流程：

· 模型准备

· 条件设定

· 结果生成

3.1 模型准备

01
打开和保存起始形状模型
① 启动Fusion 360，打开数据面板，并新建项目：发动机支架。
② 通过数据面板找到样例Basic Training内的12-Generative Design文件夹，双击打开名称为Starting Shape_GE_Bracket的模型文件。
③ 该样例模型为只读模式，需另存至个人项目内进行后续操作。点击另存为，将模型名称定义为GE Bracket，并存至“发动机支架”项目内。
02
创建螺栓孔的保留几何图元
保留几何图元表示在最终形状中需保留形状的几何图元，应包含对于产品性能和功能至关重要的几何元素。比如螺栓孔等连接部位，以及与其他零件存在装配关系或交互的设计部分，如连接耳片、控制柄或把手等。
① 点击编辑模型，进入模型设计界面。
② 复制“实体1”，单击实体，右键选择粘贴，生成“实体2”，创建该零件实体的副本，方便后续使用。点击“实体1”旁边的“隐藏”图标 ，隐藏“实体1”，确保原始模型实体不被编辑。
③ 选择模型底面作为草图平面，新建草图。以“中心直径圆”命令分别创建以四个圆孔中心为圆心、与模型圆角等径的四个圆，完成草图设计。
④ 拉伸草图创建的四个圆，与“实体2”相交，形成四个圆环体。将光标悬停在其中一个保留几何图元的顶部外部边上以亮显该边或顶部外部面，然后单击它以创建四个螺栓孔保留几何图元。
03
创建中心销的保留几何图元
① 显示“实体1”，选中两个销孔的倒角，按delete键删除。
② 在“编辑模型曲面”选项卡上，单击“创建”>“偏移”，分别单击这两个中心销孔的内表面，将圆柱形面偏移0mm，以获得要保留的面的曲面副本。
③ 使用“加厚”工具可以基于曲面的法线使用负值创建 5 毫米厚的实体，完成支撑中心销的保留几何图元创建。
04
创建螺栓孔的障碍物几何图元
在定义衍生式设计几何图元时，需要考虑零件在真实场景的使用、安装和维护，以及其如何作为装配体的一部分如何与其他零件配合。衍生式设计过程中，模型需避开这些需要设置障碍物的区域。
① 创建一个大于支架底部轮廓的长方体作为衍生式设计的障碍物，可避免设计结果超过支架的底面，方便后续安装。具体操作：在“编辑模型实体”选项卡上，单击“创建”>“长方体”，选择支架底面，创建大小超出支架的长方形，选择新建实体生成厚度10mm的长方体。
② 隐藏“实体1”，在“编辑模型曲面”选项卡上，单击“创建”>“面片”，选择一个螺栓孔顶部内轮廓，创建如图所示的面片。重复同样的操作，分别以剩余三个螺栓孔顶部内轮廓创建面片。
③ 重复上一步同样的操作，以四个螺栓孔底部轮廓创建面片。为方便操作，可将第一步创建的长方体先隐藏。
④ 在“编辑模型实体”选项卡上，单击“创建”>“流体体积” ，直接在视图区域内框选全部模型，在“流体体积”对话框中选择“内部”作为体积，以创建内部空心的无间隙实体。
⑤ 选中第2、3步创建的面片，点击右键“移除”。在“编辑模型实体”选项卡上，单击“创建”>“拉伸” ，选择四个螺栓孔顶部，向上创建65mm的实体，完成螺栓孔保留几何图元的创建。
05
创建中心销的障碍物几何图元
此航空支架通过中心销安装到另一个部件上，与螺栓孔类似，需要创建障碍物几何图元来确保有充足的空间可以安装和卸下中心销以便于维护支架。
① 如图所示，以之前构建的中心销保留几何图元的圆环面创建草图，并点击该圆环面，自动将圆环轮廓投影至草图，完成草图。
② 在“编辑模型实体”选项卡上，单击“创建”>“拉伸” ，选择圆环和内部小圆，向外侧拉伸45mm并选择新建实体。
③ 在“编辑模型实体”选项卡上，单击“构造”>“中间平面” ，选择两圆环的内侧端面，创建两中心销孔的中间平面。
④ 隐藏前序步骤所操作的圆环体，并将第1步创建的草图显示，并选中小圆，创建拉伸实体至上一步的中间平面，选择合并，与第2步创建的圆柱体合并为一个实体。
⑤ 显示上一步隐藏的圆环体。在“创建”面板上，单击“镜像” ，选择上一步合并生成的实体作为对象，中间平面作为镜像平面，创建对称实体。至此，完成中心销障碍物几何图元的创建。隐藏中间平面等过程元素，显示支架模型“实体1”及底部的长方体。
06
创建障碍物几何图元以保留运动的范围
支架有围绕中心销运动的需求，因此需要创建障碍物保证设计结果有足够的空间满足支架的活动范围。
① 在“编辑模型实体”选项卡上，单击“创建”>“圆柱体” ，点击连接中心销的耳片内表面（如图）。
② 切换视图为左视图，将光标悬停在模型上，直到看到自动投影的蓝线，继续缓慢向上移动光标，直到看到标记该线中点的蓝色三角形，然后单击该三角形。
③ 输入97，点击另一个耳片的内表面，选择新建实体，创建直径97mm的圆柱体。
④ 点击“修改”>“分割实体” ，要分割的实体选择上一步新建的圆柱体，分割工具选择支架两耳片之间通道的底面。可将圆柱体先隐藏，方便选择通道底面。
⑤ 至此，已完成全部设计准备。隐藏不必要的过程元素，将需要的实体显示出来。点击完成编辑模型，返回衍生式设计界面。

3.2 条件设定

01
定义保留几何图元
使用“保留几何图元” 工具选中如图所示的六个圆环结构——明确通过衍生式设计生成的模型中必须包含与其相同的六个圆环结构。
02
定义障碍物几何图元
使用“障碍物几何图元” 工具选择如图所示的其他零件——明确支架必须避开这些零件而生成，以免造成干涉。
03
定义结构约束
使用“结构约束” 工具在螺栓固定连接的圆台表面添加固定约束。
04
定义结构载荷
① 使用“结构载荷” 工具在两个中心销孔内表面添加大小为1000N，方向沿Z轴正向的载荷。选择孔内表面时，可先将障碍物几何图元隐藏。
② 克隆“载荷工况1”，在新建的“载荷工况2”内，编辑结构载荷，将Z向值改为0，Y向输入-1000N。
05
设置衍生式设计目标
使用“目标” 工具指定衍生式设计目标为“最小化质量”，限制条件为安全系数不小于2.0（默认）。
06
指定制造方式
使用“制造” 工具指定衍生式设计可采用的制造方式为“无限制”和“增材”：悬垂结构角度50deg，最小厚度1.5mm。
07
选择分析材料
使用“材料” 工具指定用于制造该零件的材料为钢。（亦可指定多种材料，衍生式设计将分别针对不同材料得出多种结果）
08
预检查
通过“预检查” 工具检验是否已完成全部条件给定，以确认是否可以开始进行衍生式设计计算。如果遇到成本估算相关的警告，可忽视，继续下一步。
09
提交云端设计
使用“生成” 工具进行衍生式设计，将定义的方案提交云端运算。运算速度取决于模型的复杂度以及材料、制造方式等设置。提交云端分析后，关闭窗口，本地可继续其他设计工作。

3.3 结果生成

01
查看作业状态
使用“作业状态” 工具，查看衍生式设计状态。云端作业完成后，状态将显示完成。点击查看结果，将显示全部设计结果的浏览页面。
02
查看结果
在衍生式结果浏览页面，提供多种显示方式。通过左侧过滤器可对结果进行筛选，右侧区域点击各结果，可查看该设计的关键信息，双击可打开进行浏览，包括模型三维视图、详细信息等。
处理状态包含“已融合”和“已完成”，“已融合”代表已收敛，达到了分析设置中指定的目标，结果的最小安全系数等于或大于“安全系数”限制。“已完成”代表求解器生成了最终结果，但未达到在分析设置中指定的目标。将光标悬停在缩略图上可以显示更多该状态的信息。建议使用“已融合”的衍生式设计结果。
03
选定最优结果导出设计
① 通过各项指标对比，选出最优结果。使用“导出” 工具将该衍生式设计结果导出为设计模型。
② 至此，已完成飞机发动机支架的衍生式设计流程。