研析機械設計發(fā)展史

年濤

摘要：人類文明的進步與社會的發(fā)展離不開機械設計的發(fā)展，本文從機械設計的發(fā)展史入手，介紹了機械設計發(fā)展的四階段，著重介紹了發(fā)展期與成熟期。

關鍵詞：機械設計；發(fā)展歷史；生產(chǎn)方式；近現(xiàn)代；機械化

前言

于人類的起源之中，工具的出現(xiàn)使得人類社會的發(fā)展不斷加快，尤其是近現(xiàn)代。人類的出現(xiàn)伴隨著工具的不斷演化與發(fā)展，直到十八世紀工業(yè)革命以來才出了技術特征明顯的專門為工業(yè)生產(chǎn)而運用的成體系的機械設計。于工業(yè)革命初期，英國人Smeaton J 對英國人Newcornen T 發(fā)明的各種功率蒸汽機以系統(tǒng)分析，整理出了相關的計算公式。Watt J就是基于其工作研發(fā)出來了新一代的蒸汽機。隨后的機械設計雖然多有曲折，但是還是逐漸奠定了一定的技術經(jīng)驗與科學基礎，體系不斷完整。現(xiàn)在大規(guī)模機械化與自動化生產(chǎn)已經(jīng)將個體手工勞動之生產(chǎn)方式所替代，尤其是電子計算機的高速發(fā)展使得生產(chǎn)的產(chǎn)品更加高質且成本低。從主要工業(yè)國家的發(fā)展歷程來看，其主要分為四階段。

1.第一階段之搖籃期：設計公式下的經(jīng)典設計

此階段是從工業(yè)革命至第二次世界大戰(zhàn)之間的時間，機械工業(yè)生產(chǎn)主要發(fā)生在歐美，其設計是依靠經(jīng)典設計公式所進行的組合來進行。這期間力學的各個分支得到了發(fā)展，同時機械設計過程中積累了豐富經(jīng)驗，奠定了機械設計的試驗、實驗與理論研究奠定了堅實基礎，并確立了最基本的觀念與形成了基本體系。例如1893年美國人Lewis W發(fā)表了“齒形系數(shù)”之數(shù)據(jù)圖表，雖然此后齒輪的制造方法與材料變化很大，但是該圖標到現(xiàn)在依然可以使用，在現(xiàn)在的機械設計教學中占有重要地位。

2 .第二階段之成長期：經(jīng)驗下的實驗設計

此階段涵蓋第二次世界大戰(zhàn)以及1960年以前這段時間，主要地點為美國，屬于機械工業(yè)在數(shù)量上擴大生產(chǎn)的階段。此階段下的機械設計，以模型試驗和實機試驗來獲得相關數(shù)據(jù)進行設計。這個階段的日本尤為惹人注目，因為其在五十年代屢屢從美國引入技術，在某種程度上可以說日本是歐美機械化的另一個翻本，也就是日本人所稱的“模仿設計”階段。第二次世界大戰(zhàn)之后，世界經(jīng)濟開始復蘇，經(jīng)典設計之方法與理論不斷完備使得機械工業(yè)的發(fā)展有了極大的提升。在機械設計之中，其主要囊括兩大方面，即機能設計與強度設計。其中強度設計兼顧三個方面，即彈性設計、極限設計和疲勞設計。

3. 第三階段之發(fā)展期：靜態(tài)解析下的理論設計

此階段為1960年到1980年這段時間，是機械設計從實驗設計轉至理論設計之發(fā)展階段。上世紀六十年代以后，機械生產(chǎn)不但在數(shù)量上有了很大提升，而且出現(xiàn)的電子技術和液壓技術等系列設計使得機械性能獲得了很大提升并進一步改善了產(chǎn)品質量。在機械設計中，理論推導的方法替代了實驗驗證對機械性能進行確認。以前經(jīng)典的設計方法無法解析的一些靜態(tài)與動態(tài)問題，通過電子計算機技術獲得了很好的解決。此階段的日本還是以那些先進國家為機械設計上的榜樣，依然進行著“類似設計”；七十年代伴隨著全球性的石油危機，日本為了解決支付石油進口帶來的外匯消耗問題，開始進行多領域的技術開發(fā)從而維護自己于國際市場中的出口競爭力。經(jīng)過不斷的努力，其在設計技術上進入到了先進國家之流，在“獨立設計之路”上邁出了很大的一步，當然其也敏銳地在動態(tài)分析研究中有了長足的進展。新技術革命以高技術為核心，正是借助這一契機日本成為了能夠與西歐和美國并駕齊驅的機械設計先進國家。此階段電子計算機得到了廣泛應用，讓現(xiàn)代機械設計之方法理論得以發(fā)展，體系日益完善。人們不再滿足于經(jīng)典的近似粗略應力分析，對于精準分析有了更深的需求，如有限元法、邊界元法和差分法等，而數(shù)值分析在分析結構強度和剛度以及潤滑、傳熱和振動上有了很廣發(fā)的應用。“合格設計”已經(jīng)不再滿足于人們，最優(yōu)化設計成為了設計主流。經(jīng)典剛度設計觀點與設計計量的常量觀點不再受到追捧，概率設計和可靠性設計應運而生。設計方法學的出現(xiàn)，將機械設計工作者從繁瑣而粗略的經(jīng)典設計方法中解放出來。經(jīng)典斷裂理論已經(jīng)無法滿足于人們的需求，機械零件設計之斷裂力學方法興起。

4. 第四階段之成熟期：動態(tài)解析下的理論設計

八十年代以后，擴大生產(chǎn)不再那么盲目，產(chǎn)品質量有了很大的提升，成為了高質低成本的生產(chǎn)時代。機械生產(chǎn)向著高速、高效、輕量化、自動化和精密的方向快速發(fā)展，而產(chǎn)品結構更加復雜，因此這讓機械設計有了更大的困難，要求也越高。與此同時，隨著人們生活水平質的飛躍，機械的運轉更加安全環(huán)保成為了一個重要課題。此時的日本在政策上采取了貿易立國的方式，并清醒地認識到了憑借廉價勞動力在國際市場競爭中是無法持續(xù)的，必須在全球范圍內采取措施以適應高技術競爭，并為了國內生產(chǎn)技術的革新以進行大量的投資，在高度只是密集化產(chǎn)業(yè)上發(fā)力，并掌握了一定的高附加值加工技術，從而在生產(chǎn)率上有了較大提升。機械動態(tài)設計有了現(xiàn)代的設計方法，通過動力學建模獲得相應的動態(tài)特性數(shù)學模型，有了很多成熟方法，如機械機能解析建模法、機械結構動力分析有限元建模法、傳遞矩陣建模法、試驗模態(tài)分析建模法、試驗模態(tài)分析建模法和機械結構動力學混合建模法。

我國建國初期機械設計非常落后，但是在1956年到1978年這段時間機械工業(yè)開始體系化，有了產(chǎn)品自行設計與系列設計的起步，然而同發(fā)達國家相比落后距離尚遠。當然，我們也有達到世界先進水平的機械設計，如長征火箭系列和八十年代的北京正負電子對撞機等，但是依然沒有擺脫“模仿設計”的陰影。從全國范圍內來看，特別是對一些大中型企業(yè)，多處于第二階段的“成長期”，當然還有很多小型企業(yè)是屬于“搖籃期”的。需要注意的是，在我國高等學校的機械專業(yè)中，很多知識和課程嚴重滯后，無法擺脫傳統(tǒng)的設計觀念，嚴重掣肘了我國機械設計的發(fā)展。國家在機械設計上投入了越來越多的財力和無力，并大力引進相關人才，為我國機械設計的高速發(fā)展提供了契機。

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