現代機械設計理論與方法最新進展

武漢輕工大學動物科學與營養工程學院 柳景亮

1 前言

隨著社會經濟的快速發展，以計算機技術為代表的現代科學技術水平的發展也進入了飛速發展的新時期。在這種情況下，現代機械設計理論與方法也受到了極大的影響。科學技術的發展拓展了現代機械設計理論與方法的涵蓋范圍。使更多的技術理論與方法得到了有機地結合，同時，還提升了現代機械設計理論與方法的自動化與精確化程度。進入新的歷史時期，現代機械的設計理論與方法要適應國際化機械產品市場競爭的需要，不斷地從機械產品的質量、功能以及結構等方面進行改進。因此，機械產品在國際市場中競爭的實質就是機械產品設計水平之間的較量，所以關于現代機械設計理論與方法的研究是具有重要意義的。

2 現代機械設計理論與方法的發展進程

從機械設計理論與方法的總體發展進程來看，可以分為兩個階段，第一個階段是從十七世紀開始的以機械設計的直觀感覺和經驗作為設計基礎的傳統設計階段，在這個階段，機械設計過多運用了現有的設計手冊與相關公式。傳統設計階段具有明顯的特點，運用原有的設計手冊和相關公式的設計方法使得整體的機械設計過程顯得極其死板，缺乏創新性，并且設計成本也相對較高，機械制造的周期也較長，使得機械設計理論與方法很難滿足市場需求，理論與實踐沒能有機結合，嚴重制約和影響了機械設計理論與方法，以及機械制造業的進一步發展。第二個階段是從二十世紀中后期到現在，這個階段被稱為現代設計階段。在現代設計階段，人們更多地發現按照原有的設計理念已經無法與現代社會經濟的發展水平保持同步，必須打破傳統的設計觀念，推陳出新，才能夠逐漸滿足機械制造業的發展需求。因此，在機械設計理論與方法的研究方面進行了大膽創新與改革。

3 現代機械設計理論與方法的種類與特點

3.1 現代機械設計理論與方法的種類

我國在現代機械設計理論與方法的研究方面自成一派，我國在機械設計學領域，更多地強調了實用性的要求，理論與實踐要相互結合，從實踐中不斷地總結理論中存在的不足，并加以彌補，使得我國在機械設計理論方面的研究更加的系統化。

現代機械設計理論與方法的系統化過程，使其逐漸形成了不同的類型。第一，是以智能化著稱的設計理論與方法。這個類型的機械設計更多地運用了現代計算機軟件技術，使設計理論與方法在三維圖形以及媒體工具上得以進行展現，突出了設計學理論在機械設計過程中的重要作用。第二，是以系統化著稱的設計理論與方法。這個類型的機械設計將機械整體分解成為了不同的設計階段，通過對不同階段或部分的設計研究，從而使各個部分能夠實現最終的有機結合。這個類型的機械設計堅持的是矛盾統一的原則，既強調各個部分的獨立性，又重視各個部分的內在聯系。在這個類型的機械設計理論中，具有代表性的設計方法有圖形建模法、元素法以及構思設計法等。第三，是以產品的特征知識作為基礎的設計理論與方法。這種類型的設計理論與方法是建立在對機械產品具有較高的認知程度的基礎之上的，通過對機械產品整體構成及相關原理知識的了解，建立相應的推理機制和知識體系，為以后的相關機械產品的制造提供借鑒和參考。第四，是以機械產品的功能作為主要設計理念的設計理論與方法，這種類型的設計理論與方法以模塊化結構設計為主要設計手段[1]。

現代機械設計理論與方法的各個種類之間有著必然的聯系，每個種類并不是孤立的，相互之間保持著一定的滲透性和共享性。

3.2 現代機械設計理論與方法的特點

在機械設計的傳統設計階段，由于設計理論與方法單一，機械設計者只能根據機械設計的要求，以原有的機械設計經驗作為理論基礎，結合相關的數學公式和力學公式，運用類比、模擬等方式展開機械設計。傳統機械設計階段受當時設計條件的影響較大，不具備深入研究的物質與實踐基礎，導致傳統設計階段的機械產品整體技術含量較低，新產品的研發過程相對緩慢，使得傳統設計階段的機械產品容易出現同一問題。發展到現代機械設計階段，機械設計理論與方法獲得了與其他學科相互融合的機會，在多學科的共同影響之下，現代機械設計理論與方法得到了進一步的發展，表現出以下的特點。

第一，創新性。對于一個國家而言，創新是其生存和發展的根基，也是一個民族壯大和發展的靈魂。現代機械設計理論與方法是在不斷地對原有設計理論與方法的實踐和改進過程中發展的，在繼承了傳統機械設計理論與方法的先進性的同時，對其相對薄弱的方面進行了批判與改造，使得現代機械設計理論與方法能夠更好地適應和滿足現代機械產品市場的客觀需求。現代機械設計理論與方法給予了機械產品設計者充分的發揮空間，設計者可以在既定的設計思維允許的范圍內，對機械產品結構和功能進行大膽地創新，在保證產品質量的同時，不斷降低產品開發和生產生本[2]。

第二，系統性。在現代機械設計理論與方法的類型中，有一種是將機械產品看做是多個獨立結構的產品的組合。這種類型的設計理論與方法被稱為系統設計法。現代機械設計理論與方法的系統性就是在系統設計法的運用中體現出來的。由于機械產品的設計與開發要滿足日益增長的市場需求，因此，從整體上把握機械產品的結構、功能及質量是極其困難的，將機械產品的設計過程細化是一個必然的發展趨勢。機械產品設計的系統化就是為了更好地解決產品各個部分的細節問題，使機械產品設計更具針對性，著重把握設計過程中的關鍵環節。

第三，前瞻性。現代機械產品設計理論與方法的前瞻性主要體現在機械產品的設計階段。機械產品最終要用于實際的生產過程當中，因此，在產品設計時，就要考慮到機械產品在實際的運作環境中可能對環境造成的影響，以及機械產品在運行過程中可能出現的故障等。這些因素都直接影響著機械產品在實際的運行過程中的效率，而機械產品設計理論與方法具有的前瞻性就使得機械產品從最初的設計就開始對運行中的問題展開了研究和技術改進，這些能夠有力地推動機械產品設計理論與方法的發展。

第四，融合性。從現代機械設計理論與方法的發展進程來看，其發展歷史相對較短，屬于新興學科。但現代機械設計理論與方法中所包含的一些內容卻并非與其同時代出現，其中也包括了傳統機械設計理論與方法的部分內容。而現代機械設計理論與方法在技術層面更多地運用到了現代計算機理論與技術，相關力學理論與技術，以及工業造型設計理論與技術等。這些都說明了現代機械設計理論與方法是一門具有高度融合性的學科理論。

4 現代機械設計理論與方法的不足之處

4.1 基礎性理論研究相對欠缺

從現代機械設計理論與方法的本質來看，其并不具有較高的理論性，而這一點也是現代機械設計理論與方法在發展過程中存在的難點。出現這一問題的主要原因，是我國在現代機械設計理論層面缺乏對基礎性理論的研究。基礎性理論可以分為通用型和專用型，而我國的研究多半停留在通用型的機械設計基礎性理論，對于具有專業性質的機械設計基礎性理論的研究過于分散，不利于我國現代機械設計理論與方法的整體發展[3]。

4.2 具有現代設計理念的機械設計創新不足

創新是時代發展的根本動力，現代機械設計理論與方法也是如此。我國對于現代機械設計理論與方法的研究更多地是向國外先進理念的借鑒和學習，而缺乏自己獨立的產品設計。使得我國的機械產品從外觀和功能上都與其他國家的同類型產品十分接近，而機械產品的研發要與我國社會經濟發展水平和相對的市場需求相適應，照搬照抄只能是越來越脫離實際。

4.3 現代機械設計理論的各個環節聯系不夠緊密

由于現代機械設計理論與方法具有系統性特征，因此，在系統性的作用之下，機械產品被分解為多個部分，通過對不同部分的設計的整合，才能夠獲得完成的機械產品設計。然而，在實際的產品設計過程中，各個部分的設計工作很難達到統一，相互之間的聯系也不夠緊密。通常情況下，各個部分的設計都是相互獨立的，使得最終難以保證將各個部分進行有效對接，極大地降低了機械產品的整體設計效率。

5 現代機械設計理論與方法的發展趨勢

5.1 環保型設計

所謂環保型設計，就是在可持續發展戰略的指導下，充分利用能源和資源，使得機械產品從整體上符合低耗減排的要求。這就要求在機械設計過程中將環境保護作為產品開發的前提和基礎，同時還要確保產品的質量和功能不會因此而受到影響。環保型設計理念的引入，將極大地提升機械產品的運行效率，降低對環境的污染。環保型設計理念不僅是現代機械設計理論與方法的必然發展方向，也是所有行業設計理論的共同發展趨勢。

5.2 智能型設計

智能型設計就是要在機械產品中，設計安裝能夠為操作者提供產品運行過程中基本參數以及各個組成部分的運行情況的智能裝置。這就要求在機械產品設計過程中要運用現代人工智能與計算機輔助技術，使人們能夠及時地獲得關于機械產品運行中的所有參數及各個構成要件的基本情況，這樣就便于設計者按照產品運行中的缺陷對產品設計進行改進，不斷提升機械產品的技術含量。

6 結論

現代機械設計理論與方法經歷了漫長的發展過程，已經逐步形成了具有創新性、系統性、前瞻性以及融合性設計理論，但在現代機械基礎性設計理論與創新性的研究方面還十分欠缺。這也為我國的現代機械設計理論與方法的發展指明了方向。就目前現代機械設計理論與方法的發展來看，環保型設計和智能型設計將成為未來現代機械設計理論與方法的必然發展趨勢。

[1]張勁.現代機械設計的理論與方法及研究進展[J].林區教學,2010,12:6-8.

[2]蔡郭生,王篤雄.基于現代機械設計理論方法特點與研究進展的探討[J].赤峰學院學報(自然科學版),2012,06:94-95.

[3]殷國富,干靜,胡曉兵,徐雷,成爾京,陳珂,汪永超.面向信息時代的機械產品現代設計理論與方法研究進展[J].四川大學學報(工程科學版),2006,05:38-47.