新型機械設計方法研究

摘要：隨著經濟的發展、科學的進步，機械設備也在不斷豐富和發展，把人類從繁重或危險的勞作中解放出來。正因為機械在經濟社會中有著重要地位，如何根據經濟和生產力的發展改進機械和創新機械設計方法成為了人們需要著重解決的問題。文章對新型機械設計方法進行了探究。

關鍵詞：機械設備；新型機械設計方法；系統化；動態化；智能化 文獻標識碼：A

中圖分類號：TH122 文章編號：1009-2374（2016）01-0021-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.011

新型機械的設計一方面需要體現對生產力的提高作用，體現在新的經濟條件下新的生產形式或表現；另一方面從生產者的個人利益而言，機械的設計與制造應為其帶來可觀的收益，這是機械設計與制造的動力之一。因此，新型機械的設計需要兩方面的動力：一是社會的需求；二是個人利益的需求，但并非每一項新型機械的設計都能滿足社會的發展需求和個人的利益要求。因此，如何設計出符合時代要求，體現時代特征，并且能促進經濟發展的機械是每一個機械設計者要著重解決的問題，也是實現個人利益的根本。本文重點從系統化、動態化、智能化等方面分析機械設計的方法，探討在新的條件下如何設計符合時代要求的新型機械。

1 系統化設計方法

對于現代機械的設計而言，許多方法都是無法單獨存在的，或者說在機械設計中單純運用一種方法進行設計是不可取的，如利用仿真模擬設計、專家系統設計、CAD制圖設計等，但這些方法只是一種手段，一定程度上只能滿足設計者在某一方面的需求。如仿真模擬設計雖然能為設計者提供一個比較真實的輪廓，并提供相關的數據，但仿真模擬無法做到把所有因素考慮其中。因此，需要綜合運用多種方法，對機械的設計進行綜合考慮，實現技術、人和設備之間的互動協調。具體而言：一方面，對機械進行合適的分解，將一個整體合理的系統分解成相互有關聯的子系統；另一方面，將各個子系統進行綜合協調，使得機械設計的整體結構達到最大限度的運行和運轉，使各部分功能的傳遞達到最大值。如德國的設計方法學就十分提倡系統化的設計方法，其以“功能-原理-結構”這樣的框架為模型，設計各種方案，然后進行最優選擇和調整，得到最好的設計方案。如美國的創造性設計方法，其是在沒有其他知識技術和手段的前提下，通過創造性的方法，充分發揮想象，來完成新的設計和假象。與德國設計方法學不同的是，其更注重辯證思維和靈感、經驗和個人的知識體系。而具體哪一種方法更好，則是各有各的選擇，決定于個人的知識經驗以及性格等各方面的因素。

另外，系統化的設計不但可以用來解釋機械設計中各個子系統之間的關系，還可以用來解釋機械設計所考慮的各種變量和常量之間的關系。因為，系統化的設計方法意味著對內部和外部多種因素的考慮和綜合。總而言之，系統化的設計方法主要是考慮系統內部和外部的各種優勢和劣勢因素，考慮各部分、各組織系統之間的關聯和協同配合，最后對這些因素進行整合和取舍，形成一個完整的整體。

2 動態化設計方法

任何機械的設計都需要考慮在動態下其功能的運轉，因此，不能像傳統設計那般只有純粹的靜態分析，更不能只憑經驗系數或參數進行修正，而是應該在考慮載荷譜和材料強度等條件下進行設計。

可以充分運用有限元法或者可靠性設計法等一系列的方法進行設計，同時，動態的設計不僅可以從機械本身功能的角度來闡述，更重要的是，機械的設計和制造需要和這個動態的、變化的、發展的社會相適應，需要和社會的多樣化需求相適應。因此，某種程度上來說，動態化設計方法不僅是要實現機械在物理上的動態，更重要的是要實現機械在社會需求層次和社會發展層次上的動態。一種機械只有經得起社會的考驗，才能說是科學合理的設計。或者說，動態化的設計方法主要是針對這個變化的社會和機械本身所要面對的動能問題而提出的一種設計方法，在其他領域也可以稱之為可協

調性。

另外，從一定程度上來說，動態的意味著不確定的，意味著一種模糊性。簡單而言，產品設計的好壞與其使用的范圍相對稱，而不能用一種普遍的設計標準來進行衡量。如產品在性能、使用壽命、可靠性上都存在不同的界限，即存在模糊性現象。因此，在設計時，可以帶入一種模糊學理念，使用模糊的量而非精確的分析。這種模糊性主要是用來處理不確定性因素。這可以說是一種動態的設計方法，也可以說是一種模糊設計方法，這里把動態理解成一種廣義上的含義，因此把模糊性設計方法看成是動態設計方法的一種特例。

3 優化設計和可靠性設計方法

在日常生活中，人們都會自覺或不自覺地對一些事情進行最優的選擇，通過各種因素的優劣對比，形成一種利弊分析，從而做出最符合個人利益的抉擇，并且一般是符合個人的最大化利益。從這一角度出發，在機械設計中，同樣需要我們對機械的設計進行最優選擇。優化設計方法是優化理論在機械領域的延伸，其基本的理念是根據機械設計的各種理論學說和設計規則等標準來建立所需的數學模型。然后，在此基礎上運用數學規劃和數字處理等技術來優化所建模型，直至達到最優的方案。當然，優化設計的前提是有可優化的方案，這代表不僅要有一些方案，而且必須是可行的，空談不可行的方案是沒有優化意義的。具體而言，如線性優化和導數優化方法。在某些方面來說，優化設計方法和系統化的設計方法有一些相似，但最大的不同是系統化設計方法形成的合理可行方案可以是多個，而且一般要求必須有多個方案。但優化設計方法形成的方案一般而言只有一個，即最優方案。

優化的目的是使設計實現其最大的價值和最大的功效，但這其中蘊含了不同的意義：一是可行，優化設計需要在可行的方案上進行，或者說提出一個可行的可優化的方案，這也是上一段的意義所在；二是優化設計的結果必須是可靠的，否則優化設計方法沒有正確的意義。可靠性的設計是指機械在規定或給定的條件和時間內，能完成所要求的工作任務。其是在機械設計過程中，對結構和子系統的組合和各自功效發揮進行分析和調整。簡單來說，就是機械設計必須能達到設計的目標，就像大型客機的設計必須能載更多的乘客。這是設計的目的，如果不行，那就說明設計不可靠。具體而言，如簡化系統的方法、裕度設計和可維修設計。

4 智能化設計方法

“智能”這個詞是隨著信息時代和網絡時代的發展而出現的，因此智能設計方法在一定程度上來說，可以借指所有通過計算機網絡實現的設計方法。其基本的要素是基于計算機技術，運用信息技術，實現計算機對人類思維活動的模擬或設計。在這個過程中，計算機承擔越來越多的復雜任務，如數字計算、三維展示等。并且，隨著時代的發展，計算機技術也在不斷向前，通過計算機能實現的設計空間越來越大，越來越多的設計者或科學家更依賴計算機進行一系列的設計活動。如模擬技術的運用可以使設計者在不生產實物的情況下，就能對產品性能、使用壽命和使用強度等進行分析和估測，從而不斷對其進行優化和改進，最終能夠快速制造最終產品，這是用數字模型取代實物模型的一大優勢，也可以說是新型機械設計方法中最為先進和重要的方法。或者說，智能化的設計方法在一定程度上代表了機械設計的未來走向和機械行業的發展方向。具體而言，如RT技術，即快速原型技術。

另外，從社會的角度而言，智能不僅僅是通過電子信息技術實現產品的一次性設計，更重要的是，產品所具有的智能功能，產品在設計時所具有的智能特征，如飛機和汽車制造中的智能設計。可以說，隨著人類的發展，人們對智能化的設計越來越期待，智能化的設計方法也越來越普及。

5 其他設計方法

除了上述的四種主要的設計方法以外，在機械設計制造中，其實還有許多的設計理論和設計方法，如并行設計方法。這種設計方法主要是改變傳統設計方法中的階段性設計問題。傳統設計對設計之后的問題很少考慮，也因此出現了設計和制造、制造和維修等方面的脫節。而并行設計方法和系統化的設計方法有點相似，需要將產品使用中的各種因素考慮進去。將產品的設計和產品的制造和使用結合起來考慮，形成集成開發。但與系統性設計方法不同的是，這種方法更注重考慮縱向上的眾多因素，而系統化的設計更多的是橫向的考慮。此外，還有摩擦學的設計方法，需要將摩擦學知識以及潤滑學的知識結合起來，對產品進行設計，其主要目的也就是要盡可能地減少摩擦，增大效用。此外，還有諸如參數設計方法等。

6 結語

機械設計是一個復雜而又龐大的工程，需要對各種數據進行分析和計算，需要將創新點和已有的機械設備進行重組和結合，需要考慮社會的不同需求，并將其轉化為機械的內在機理。人類自從有了系統的力學和機械學以后，各種設計理論的出現彌補了機械設計的真空地帶，使得傳統的盲目的設計正變得有計劃、有目的地進行。同時，不同的設計者從不同的角度出發，運用不同的學科知識，結合各自的實際經驗，進行了不同的設計和設想。也正是因為如此，需要我們進一步學習不同的設計方法和不同的設計理論，不斷創新和改進機械設計的方法和流程，使新型機械的設計和制造成為可能。

參考文獻

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作者簡介：孫巖，男，河北唐山人，惠達衛浴股份有限公司工程項目部初級機電工程師，研究方向：設備研發。

（責任編輯：周 瓊）