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东北大学机械设计基础教程欢迎来到东北大学机械设计基础教程！这门课程将带领大家踏上机械设计的世界，探索从基础知识到实际应用的广阔领域。

课程介绍与学习目标课程目标本课程旨在帮助学生掌握机械设计的基本理论、方法和技能，培养学生的工程思维和设计能力，为今后的学习和研究打下坚实的基础。学习目标通过学习本课程，学生将能够：理解机械设计的定义和意义掌握机械设计的基本流程和设计思维运用工程材料知识进行材料选择进行机械零件的受力分析和强度计算了解机械连接、传动系统和轴系的结构设计掌握机械设计中的公差与配合熟悉机械制图与CAD技术了解机械设计的优化方法和可靠性分析认识绿色设计与可持续性发展学习机械创新设计方法和知识产权保护

机械设计的定义与意义1机械设计定义机械设计是将科学理论、工程技术和制造工艺相结合，对机械产品进行创造性设计的过程，旨在满足人们对机械产品的各种需求。2机械设计的意义机械设计是现代工业的基础，它不仅推动着科技进步，而且为人们的生活提供了各种便捷和舒适。

机械设计在工程中的重要性核心地位机械设计是各种工程领域的核心，它直接影响着产品的性能、可靠性、成本和制造效率。应用范围机械设计应用广泛，涵盖了汽车、航空航天、机器人、医疗器械、能源设备等各个领域。

机械设计的基本流程1需求分析明确设计目标、功能要求和技术指标。2方案设计提出多种设计方案，进行比较和评估。3详细设计确定方案细节，绘制工程图纸，进行计算和分析。4制造工艺设计制定制造工艺流程，选择加工方法和设备。5样机试制制作样机，进行性能测试和改进。6批量生产根据样机进行批量生产。

设计思维与创新方法设计思维以用户为中心，通过发散性思维、原型设计和迭代改进，寻找问题的最佳解决方案。创新方法包括TRIZ理论、仿生设计、逆向设计等，用于突破现有技术瓶颈，创造新的设计理念。

工程材料的基本性能强度材料抵抗外力破坏的能力，包括抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等。硬度材料抵抗局部压痕的能力，常用指标包括布氏硬度、洛氏硬度等。塑性材料在断裂前发生永久变形的能力，常用指标包括延伸率、断面收缩率等。弹性材料在外力作用下发生变形，当外力去除后，材料恢复原来形状的能力。

金属材料的分类与特性黑色金属铁、锰、铬等金属，具有强度高、价格低的特点，如钢、铁。1有色金属铜、铝、锌等金属，具有导电性、导热性好、耐腐蚀性强的特点，如铝合金、铜合金。2贵金属金、银、铂等金属，具有化学稳定性高、价格昂贵的特点。3

非金属材料在机械设计中的应用塑料重量轻、耐腐蚀、易加工，广泛应用于齿轮、轴承、外壳等部件。陶瓷硬度高、耐高温、耐磨损，用于刀具、轴承、绝缘体等。复合材料将两种或多种材料复合而成，具有轻质高强、耐高温、耐腐蚀等优点，应用于航空航天、汽车等领域。

材料选择的基本原则1性能要求材料应满足机械零件的强度、硬度、塑性、韧性等性能要求。2成本控制选择性价比高的材料，避免过度追求高性能材料。3加工工艺选择易于加工、成型和表面处理的材料。4环境因素考虑材料的耐腐蚀性、耐高温性等，以适应工作环境的要求。

机械零件受力分析基础受力分析步骤1.明确作用力：确定外力、惯性力等。建立力平衡根据静力学原理，分析各力的方向和大小。绘制受力图将各力绘制到零件的示意图上，清晰地展示力的关系。

静力学分析方法平衡方程根据牛顿定律，建立物体受力的平衡方程。力矩平衡根据力矩平衡原理，分析物体受力矩的平衡状态。虚拟功原理利用虚拟功原理，分析物体在约束条件下的平衡状态。

应力与应变的基本概念σ应力物体内部单位面积上所承受的力，单位为帕斯卡（Pa）。ε应变物体在外力作用下发生的形变程度，是一个无量纲量。

应力-应变曲线解读弹性阶段应力与应变成正比，卸载后恢复原状。屈服阶段应力超过屈服强度，产生塑性变形。强化阶段应力继续增加，材料产生显著的塑性变形。颈缩阶段材料强度下降，开始发生断裂。

材料强度理论1最大应力理论认为材料破坏时，最大正应力达到材料的抗拉强度。2最大剪应力理论认为材料破坏时，最大剪应力达到材料的抗剪强度。3能量理论认为材料破坏时，单位体积上的应变能达到材料的断裂韧性。

机械零件疲劳设计疲劳破坏机械零件在交变载荷作用下，即使应力低于屈服强度，也会因反复应力循环而导致破坏。疲劳设计目标保证零件在规定的载荷条件下，具有足够的使用寿命。

疲劳载荷与寿命预测1载荷类型包括弯曲载荷、扭转载荷、拉伸载荷等。2寿命预测利用S-N曲线、疲劳极限等方法，估算零件的疲劳寿命。

失效分析与预防失效分析对失效零件进行分析，确定失效原因和失效模式。预防措施根据失效分析结果，采取措施预防类似失效再次发生。

机械连接技术1螺纹连接利用螺纹副，将两个或多个零件连接在一起。2键连接利用键将轴与轮毂连接在一起，用于传递转矩。3销连接利用销将两个或多个零件连接在一起，用于定位和传递