現(xiàn)代機械設(shè)計方法研究及其創(chuàng)新

李鐵，孫俊鴿

（洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 洛陽 471000）

在科學(xué)技術(shù)與信息技術(shù)飛速發(fā)展的時代背景下，對機械設(shè)計尤其是工業(yè)設(shè)計提出了嚴(yán)格要求。機械設(shè)計人員不僅需要具備扎實的理論基礎(chǔ)，還需要具備較強的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力。在設(shè)計理念上要不斷創(chuàng)新，設(shè)計出符合人們需求的產(chǎn)品。文章首先分析了現(xiàn)代機械設(shè)計的理論基礎(chǔ)，然后對機械設(shè)計方法和過程進行深入分析，最后提出了現(xiàn)代機械設(shè)計創(chuàng)新方法，以此促進設(shè)計水平的不斷提高，滿足人們多樣化需求。

1 現(xiàn)代機械設(shè)計理論

21 世紀(jì)初期，隨著建筑施工工藝與施工材料的不斷提高，對機械產(chǎn)品的需求量與日俱增，這幾年，建筑施工企業(yè)得到快速發(fā)展，使得機械產(chǎn)品市場變得更加復(fù)雜、多變，市場競爭越來越激烈。隨著技術(shù)的進步和質(zhì)量管理水平的不斷提高，機械產(chǎn)品的可靠性也得到提高，但是機械產(chǎn)品在應(yīng)用過程中還存在諸多問題，市場競爭惡劣，安全事故頻頻發(fā)生，企業(yè)管理不科學(xué)、不規(guī)范，經(jīng)濟效益與社會效益都不理想。

相比傳統(tǒng)機械設(shè)計方法與設(shè)計產(chǎn)品，現(xiàn)代機械設(shè)計更注重主動的、計算機化的設(shè)計產(chǎn)品。傳統(tǒng)機械設(shè)計由于多方面原因經(jīng)常導(dǎo)致產(chǎn)品失效，也就是說所設(shè)計出的產(chǎn)品并不符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)與要求，甚至失去使用功能，經(jīng)常出現(xiàn)各種故障，降低產(chǎn)品的使用壽命。探究機械設(shè)計方法就是為了研究產(chǎn)品失效的原因，確定失效的機理和模式，從而采取針對性措施或者預(yù)防措施進行技術(shù)生產(chǎn)與管理活動，避免發(fā)生同類事故。

現(xiàn)代機械設(shè)計理論是在機械設(shè)計理論科學(xué)的基礎(chǔ)之上形成的，也就是說現(xiàn)代機械設(shè)計理論是在借鑒與繼承傳統(tǒng)機械設(shè)計方法與學(xué)科基礎(chǔ)之上的一種再創(chuàng)造。傳統(tǒng)機械設(shè)計傾向于靜態(tài)地、手工地、被動地設(shè)計產(chǎn)品，不僅需要消耗大量的人力與物力，工作效率極低，還加大了生產(chǎn)與設(shè)計成本。而現(xiàn)代機械設(shè)計理論涵蓋了更多的信息技術(shù)與其他科學(xué)技術(shù)，優(yōu)化、信息以及藝術(shù)等多方面內(nèi)容，尤其對于復(fù)雜的產(chǎn)品具有一定優(yōu)勢。比如離散論方法中的有限元方法和邊界方法，通過這些現(xiàn)代新型的設(shè)計方法，能夠設(shè)計出更符合人們需求的產(chǎn)品。可以說，現(xiàn)代機械設(shè)計理論是源于傳統(tǒng)機械設(shè)計，又高于機械設(shè)計的一種完美機械產(chǎn)品設(shè)計，當(dāng)前還需要先進的科學(xué)設(shè)計理論與豐富的設(shè)計經(jīng)驗。

2 機械設(shè)計方法原則和過程

隨著科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟的不斷發(fā)展與推進,機械制造行業(yè)得到快速發(fā)展，對于我國制造業(yè)來說，機械產(chǎn)品的可靠性與質(zhì)量是長期發(fā)展的重要內(nèi)容。但是由于其設(shè)計、生產(chǎn)制造以及使用維護等多方面因素的限制，使得我國機械產(chǎn)品存在不同程度的失效問題。在機械產(chǎn)品制造過程中，由于產(chǎn)品具有較大的抗剪能力和較強的延展性，這對于機械產(chǎn)品制造技術(shù)與質(zhì)量管理的要求非常高。對于產(chǎn)品失效我們將其劃分為狀態(tài)失效、完全失效和仍然可以工作或者運行3 種，但是所產(chǎn)生的效益與預(yù)期的功能存在較大差異。隨著人們想法和需求的變化，對設(shè)計方法和生產(chǎn)工藝的要求越來越高，對機械設(shè)計人員的要求也越來越嚴(yán)格。如何不斷與先進的科學(xué)技術(shù)與設(shè)計理念相結(jié)合，高效、完美地完成機械設(shè)計工作成為當(dāng)前需要研究的重要課題。一般來說，我們將機械設(shè)計分為4 個步驟，包括項目設(shè)計前期、方案分析與設(shè)計、技術(shù)設(shè)計以及施工設(shè)計。機械設(shè)計步驟如圖1。

圖1 機械設(shè)計步驟

項目設(shè)計前期是整個機械設(shè)計的基礎(chǔ)與前提，只有做好項目設(shè)計前期工作，才可以為后續(xù)機械設(shè)計環(huán)節(jié)奠定良好基礎(chǔ)，對于項目設(shè)計前期工作來說，必須做好市場調(diào)研和實地考察，進行可行性研究與市場因素分析，從而制定科學(xué)的計劃方案。其次，方案設(shè)計與分析，這是機械設(shè)計最重要的環(huán)節(jié)，主要對功能總體、功能組合要素以及系統(tǒng)運行原理進行分析，對這些要素進行綜合分析之后，再確定最佳設(shè)計方案。技術(shù)設(shè)計對機械設(shè)計各個環(huán)節(jié)所運用的結(jié)構(gòu)部署、實驗數(shù)據(jù)模型以及選型設(shè)計等進行分析，為施工設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。機械設(shè)計的每個環(huán)節(jié)都直接或者間接影響著機械設(shè)計的合理性與經(jīng)濟效益，這就需要設(shè)計人員充分利用科學(xué)技術(shù)進行創(chuàng)新設(shè)計，以滿足人們的多樣化需求。

3 機械設(shè)計方法創(chuàng)新分析

質(zhì)量管理對生產(chǎn)制造的影響是十分巨大的，可以說是機械創(chuàng)新設(shè)計的前提與基礎(chǔ)，由于在產(chǎn)品制造過程中或者使用中會受到多方面因素限制，因此，必須重視質(zhì)量管理。質(zhì)量管理并不是針對企業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)營活動的某個環(huán)節(jié)，而是貫穿于生產(chǎn)經(jīng)營的各個環(huán)節(jié)與各個階段。質(zhì)量管理工作是一項系統(tǒng)又復(fù)雜的工程，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都直接決定著機械產(chǎn)品的效益與功能，直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量，成為產(chǎn)品失效的主要根源。搞好機械產(chǎn)品的質(zhì)量管理，全面提高企業(yè)質(zhì)量管理水平，保證相關(guān)人員的人身安全，也是預(yù)防產(chǎn)品失效的主要手段。在機械設(shè)計過程中，要充分發(fā)揮人的主觀能動性，人的想象力與創(chuàng)造力，運用現(xiàn)代的機械設(shè)計方法與理念，將計算機技術(shù)或者其他信息技術(shù)作為輔助工作進行機械產(chǎn)品設(shè)計。

隨著機械產(chǎn)品需求不斷增加，我國對產(chǎn)品失效分析的理論研究與實踐研究不斷加大，并且在各個領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的開發(fā)與應(yīng)用對產(chǎn)品的延展性質(zhì)與抗剪能力提出了更嚴(yán)格的要求。產(chǎn)品失效之后對其進行失效原因分析，不僅是找出技術(shù)與生產(chǎn)工藝上的問題，更是通過深入分析與研究發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題。其設(shè)計應(yīng)該使用現(xiàn)代的科學(xué)思維模式來分析，利用現(xiàn)代科學(xué)方法和工具來實現(xiàn)，其設(shè)計應(yīng)該具有創(chuàng)新性和新穎性，尤其在新產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)中，更應(yīng)該凸顯創(chuàng)新性。我們可以將機械創(chuàng)新設(shè)計分為4 個步驟，研究機械產(chǎn)品的工作原理和本質(zhì)、對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及出現(xiàn)失效原因進行分析、對機械產(chǎn)品的運動機理和參數(shù)數(shù)據(jù)進行優(yōu)選、最后綜合分析與調(diào)優(yōu)。機械創(chuàng)新設(shè)計具體過程如圖2。

其次，機械創(chuàng)新設(shè)計分類。我們就產(chǎn)品失效的實際情況來分析，大部分產(chǎn)品失效都是由于設(shè)計不合理、不科學(xué)引起的。而設(shè)計因素引起的產(chǎn)品失效具體表現(xiàn)在，材料的選擇、加工制造導(dǎo)致的缺陷或者裝配調(diào)試以及日常維護等諸多方面。所以，機械創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)，除了基礎(chǔ)的機械設(shè)計科學(xué)基礎(chǔ)外，還包括計算機輔助設(shè)計、有限元設(shè)計以及并行設(shè)計等。其中計算機設(shè)計是主要方法，現(xiàn)代機械設(shè)計與計算機設(shè)計密不可分。利用其建模技術(shù)、圖形處理技術(shù)以及工程分析方法等實現(xiàn)機械的系統(tǒng)設(shè)計，需要不斷優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，對產(chǎn)品出現(xiàn)失效的部位或者原因進行綜合分析與評估，還需要相關(guān)機械制造人員經(jīng)過長期探索與反復(fù)實踐，在產(chǎn)品加工成型過程中，需要重點控制好產(chǎn)品加工的細節(jié)操作。

另外，有限元分析方法。有限元分析方法是利用數(shù)學(xué)近似的方法對物理系統(tǒng)進行模擬的一種機械設(shè)計工作，我們都知道任何技術(shù)手段或者設(shè)計上的問題都直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量。通過有限元分析方法，用已知量來探求未知量，用簡單問題代替實際復(fù)雜問題，不斷優(yōu)化設(shè)計方案，通過對比、分析探索出最佳的設(shè)計方案。

4 結(jié)語

圖2 機械創(chuàng)新設(shè)計具體過程

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟的不斷發(fā)展與推進,機械制造行業(yè)得到快速發(fā)展。文章對現(xiàn)代機械設(shè)計理論進行探究，對機械設(shè)計以及設(shè)計方法進行分析，從而對現(xiàn)代機械設(shè)計的創(chuàng)新方法進行深入分析，希望為相關(guān)人員提供幫助與借鑒。