淺析現(xiàn)代機械設(shè)計方法及研究進展

　　摘要：現(xiàn)代機械設(shè)計方法是以設(shè)計方法學(xué)為基礎(chǔ)，利用計算機技術(shù)，將機械設(shè)計向定量、動態(tài)、優(yōu)化等方面發(fā)展，這種發(fā)展可以顯著提高設(shè)計質(zhì)量，縮短設(shè)計周期，降低研制費用，保證一次設(shè)計成功率，增強機械產(chǎn)品的競爭力。
　　關(guān)鍵詞:機械設(shè)計方法發(fā)展趨勢
　　中圖分類號:T-0文獻標識碼:A文章編號:1672-3791(2011)06(c)-0000-00
　　
　　機械設(shè)計是根據(jù)使用要求對機械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進行構(gòu)思、分析和計算，并將其轉(zhuǎn)化為具體的描述以作為制造依據(jù)的工作過程，其目標是在各種限定的條件下設(shè)計出最好的機械，即做出優(yōu)化設(shè)計。隨著科技的進步，特別是計算機科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展，機械設(shè)計水平發(fā)展得很快。多種設(shè)計技術(shù)和理論交叉融合，使得機械設(shè)計方法進一步拓展，設(shè)計手段也更加精確化和智能化。
　　
　　1 現(xiàn)代機械設(shè)計方法的發(fā)展過程及其面臨的形勢
　　1.1 現(xiàn)代機械設(shè)計方法的發(fā)展過程
　　為了適應(yīng)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的要求，使設(shè)計工作更加現(xiàn)代化，同時確保設(shè)計質(zhì)量，進一步加快設(shè)計速度，逐步興起了對現(xiàn)代設(shè)計方法的探討和研究。將現(xiàn)代設(shè)計方法應(yīng)用到機械設(shè)計中即為現(xiàn)代機械設(shè)計方法。目前常用的方法有：技術(shù)預(yù)測法、系統(tǒng)設(shè)計法信號分析法、模糊設(shè)計法、有限元和邊界元分析設(shè)計法、可靠性設(shè)計法、優(yōu)化設(shè)計法和計算機輔助設(shè)計法等。
　　設(shè)計和設(shè)計方法由來已久，但機械設(shè)計形成傳統(tǒng)設(shè)計方法和理論，僅100多年歷史。傳統(tǒng)設(shè)計方法存在諸多局限，將逐漸淡出歷史舞臺。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的提高以及計算機科學(xué)的普及和應(yīng)用，現(xiàn)代機械設(shè)計發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計方法進而發(fā)展到全面利用優(yōu)化設(shè)計、計算機輔助設(shè)計和仿真模擬等方法進行精確的計算和圖形顯示。
　　1.2 現(xiàn)代機械設(shè)計面臨的形勢
　　現(xiàn)代機械設(shè)計面臨的主要形勢為：設(shè)計領(lǐng)域由單一趨向多元，多學(xué)科滲透；設(shè)計對象由單機趨向系統(tǒng)；設(shè)計人員由單人擴大到群體；產(chǎn)品更新加快，產(chǎn)品設(shè)計更有序；科技的進步對現(xiàn)代設(shè)計提出了新的要求。
　　
　　2現(xiàn)代機械設(shè)計方法的特征
　　2.1 與傳統(tǒng)機械設(shè)計方法的對比
　　傳統(tǒng)的機械設(shè)計過程為：產(chǎn)品需求調(diào)查；問題歸納定義；問題綜述；分析和方案優(yōu)化；評價修改；繪制圖樣和撰寫文件。傳統(tǒng)設(shè)計方法有很多的局限性：如用經(jīng)驗類比法進行分析，設(shè)計水平低；通過試湊得到的參數(shù)和指標不準；以靜態(tài)假設(shè)為基礎(chǔ)，不適應(yīng)動態(tài)設(shè)計要求；設(shè)計成功率低，花費大；信息反饋的周期長。
　　現(xiàn)代機械設(shè)計是在傳統(tǒng)設(shè)計方法上的繼承和發(fā)展，其將系統(tǒng)科學(xué)引入機械設(shè)計，使得設(shè)計技術(shù)水準更高，也更為理性。具體而言，現(xiàn)代機械設(shè)計是一門綜合性強、多學(xué)科交叉的基礎(chǔ)科學(xué)，即將機械技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等通過系統(tǒng)工程有機結(jié)合，最終實現(xiàn)整個機械系統(tǒng)的最優(yōu)化。從系統(tǒng)角度出發(fā)，現(xiàn)代機械設(shè)計可看成是由時間維、邏輯維和方法維組成的三維系統(tǒng)。時間維：反映按時間順序的設(shè)計流程，包括產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和加工設(shè)計；邏輯維：解決問題的邏輯步驟，即先分析；再綜合；然后評價；最后決策；方法維：設(shè)計過程中的思維和工作方法。利用現(xiàn)代先進的設(shè)計理論、方法及工具，使得機械設(shè)計高效而優(yōu)質(zhì)。
　　2.2現(xiàn)代機械設(shè)計方法分類
　　現(xiàn)代機械設(shè)計方法可從多角度進行劃分：
　　（1）從工程領(lǐng)域角度將現(xiàn)代設(shè)計方法分為：現(xiàn)代模具設(shè)計方法、現(xiàn)代材料設(shè)計方法等。
　　（2）按應(yīng)用成熟度對現(xiàn)代設(shè)計方法進行分類：應(yīng)用正普及類—優(yōu)化設(shè)計、計算機輔助設(shè)計、機電一體化設(shè)計等；內(nèi)容正發(fā)展類—創(chuàng)新設(shè)計、虛擬設(shè)計、并行設(shè)計、智能設(shè)計等。
　　（3）從涵蓋范圍的角度對現(xiàn)代設(shè)計方法進行分類：廣義設(shè)計類（對象實體化的全過程）；狹義設(shè)計類（僅完成圖樣）。
　　（4）中義設(shè)計類：設(shè)計內(nèi)容介于廣義設(shè)計和狹義設(shè)計之間。目前應(yīng)用較廣的有：最優(yōu)化方法、數(shù)值仿真和動態(tài)設(shè)計等。
　　2.3 機械設(shè)計的兩類現(xiàn)代設(shè)計方法
　　（1）專業(yè)的現(xiàn)代設(shè)計方法
　　隨著現(xiàn)代科技的不斷進步和發(fā)展，由計算機專業(yè)和機械設(shè)計人員協(xié)同開發(fā)計算機軟件，使該軟件能夠準確反應(yīng)機械產(chǎn)品在工況中的損傷、失效和破壞機理，并定量分析各零件和機械的動態(tài)行為，形成穩(wěn)定的設(shè)計程序，即專業(yè)的現(xiàn)代設(shè)計方法。例如：摩擦學(xué)設(shè)計、強度設(shè)計和溫度場分析等。
　　（2）通用的現(xiàn)代設(shè)計方法
　　隨著計算機普及和應(yīng)用，為了進一步滿足機械產(chǎn)品性能的要求，在機械設(shè)計時廣泛采用計算機技術(shù)進行系統(tǒng)分析和輔助設(shè)計，稱之為通用的現(xiàn)代設(shè)計方法。包括最優(yōu)化、可靠性、仿真、專家系統(tǒng)和CAD分析等。
　　只有將專業(yè)的現(xiàn)代設(shè)計方法和通用的現(xiàn)代設(shè)計方法充分結(jié)合，才能使設(shè)計既有針對性又有科學(xué)性，才是較為完善和系統(tǒng)的現(xiàn)代設(shè)計方法。
　　
　　3 現(xiàn)代機械設(shè)計的發(fā)展趨勢
　　3.1 智能化
　　基于范例推理和約束滿足的設(shè)計方法的廣泛應(yīng)用，促成了智能CAD技術(shù)的產(chǎn)生。將人工智能與CAD技術(shù)相結(jié)合，進一步提高了CAD系統(tǒng)的創(chuàng)造力。具有一定智能的專家系統(tǒng)主要用于方案綜合和設(shè)計評價，近年來還出現(xiàn)了適合機械設(shè)計多解性的模糊設(shè)計以及模糊評判方法。基于現(xiàn)代機械設(shè)計所具有的智能化、集成化特點，CAD技術(shù)只有與人工智能、專家系統(tǒng)等技術(shù)充分結(jié)合，才能實現(xiàn)本身的智能化，進而促進計算機系統(tǒng)間的集成。當前，計算機已成為通用的設(shè)計工具，可建立模型來描述機械產(chǎn)品的各種工況，通過智能化處理，為產(chǎn)品設(shè)計提供了高效的設(shè)計方案。
　　3.2 綠色化
　　如今，人們已經(jīng)意識到環(huán)境與發(fā)展密切相關(guān)，因此綠色設(shè)計的理念應(yīng)運而生。綠色設(shè)計，指通過高效利用能源和資源而獲得綠色產(chǎn)品的設(shè)計，具體而言，即在產(chǎn)品設(shè)計的整個過程中，將產(chǎn)品的環(huán)境屬性列在首位，滿足環(huán)境要求的同時，保證產(chǎn)品的基本功能、質(zhì)量和經(jīng)濟性。綠色產(chǎn)品指既具有特定功能，又對人體健康和周圍環(huán)境沒有危害的產(chǎn)品。綠色設(shè)計是人類享受健康美好生活、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然要求，也是未來技術(shù)發(fā)展的趨勢，其意義在于它可以減少企業(yè)的投資風(fēng)險，提高工作效率和產(chǎn)品的市場競爭力。
　　3.3 系統(tǒng)和定量化
　　現(xiàn)代機械設(shè)計是將傳統(tǒng)設(shè)計中的經(jīng)驗、類比法設(shè)計提高到邏輯的、理性的，系統(tǒng)的新設(shè)計方法。即將機械產(chǎn)品看作是一個總系統(tǒng)，利用計算機技術(shù)，實現(xiàn)人、機和環(huán)境的相互協(xié)調(diào)。具體而言，把總系統(tǒng)分解為若干個子系統(tǒng)，采用現(xiàn)代設(shè)計的各種理論和方法，協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的匹配，達到系統(tǒng)化的目標。傳統(tǒng)設(shè)計方法采用靜態(tài)分析，僅憑經(jīng)驗取值，只能定性分析，無法動態(tài)定量設(shè)計，不能反映實際工況。但機械產(chǎn)品其功能的完成是在隨機動態(tài)下進行的，因此實現(xiàn)機械設(shè)計的定量是未來的發(fā)展方向。現(xiàn)代機械設(shè)計充分考慮材料強度、零部件的損傷，運用有限元法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法實現(xiàn)動態(tài)、可靠的設(shè)計，既縮短了開發(fā)周期，又確保了一次設(shè)計的成功率。
　　
　　4 結(jié)論
　　現(xiàn)代機械設(shè)計方法與傳統(tǒng)的設(shè)計相比，發(fā)生了巨大的變化，其優(yōu)勢在于博取縱各科之長，綜合運用并加以整體優(yōu)化。現(xiàn)代機械設(shè)計方法以設(shè)計方法學(xué)為基礎(chǔ)，利用計算機技術(shù)，提高設(shè)計質(zhì)量，縮短設(shè)計周期，降低研制費用，保證一次設(shè)計成功率，增強機械產(chǎn)品的競爭力。現(xiàn)代機械設(shè)計的發(fā)展趨勢表現(xiàn)為智能化、綠色化、系統(tǒng)和定量化。隨著計算機技術(shù)、檢測技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代機械設(shè)計的內(nèi)容進一步擴展，設(shè)計出的產(chǎn)品將更加新穎和實用。