淺談現代機械設計方向及發展

摘 要：要是把讀書比作人類精神文明進步的階梯的話，那么機械毫無疑問就是人類物質文化前進的動力。而機械設計則是機械進步和發展的“地基”。本文就此話題開展探討，從而增進人們對于現代機械制造的了解，更是再繼承和發展傳統設計上，又融入了許許多多的現代化科學理論和科學技術組合而成，是把設計的產品為目標的知識群體總稱。從現在的角度來說的話，就是一門新興的綜合性、交叉性學科。現代社會幾乎所有工程問題，特別是現代設計問題，都是與數學模型緊密聯系在一起的。建立科學合理的數學模型，就是解決現代設計問題的主要問題。

關鍵詞：數學建模;計算機輔助機械設計;現代機械發展趨勢;現代機械設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.016

1 現代機械設計的發展趨勢以及對計算機和數學建模輔助的技術應用

近些年大大小小的國家，都在快速的發展機械制造的技術。現在的機械制造已經成為了測量一個國家工業的基礎，慢慢的就成為了國家之間工業競爭的“武器”。現在的機械制造技術在科技進步新工藝、新材料，在同一時代一同出現，使得這一時代的設計優化更加的多樣化，同時精細度也越來越高，所以，所以這個時代的工作者也不只是單單的設計目標的功能，更多的是附帶的功能如如何更容易在工廠里工作、如何更好的與其他產品更好的兼容工作，另外更是要使得機械優化設計后，其動力的性能、運動的精度可以顯著的改善。現代的機械制造技術對比原先的傳統制造技術基礎上，更加完善了信息技術的了解、自動控制技術、計算機技術的操控等，由是加入了集電子、機械材料、信息、與管理技術等技術于一體。近些年來得機械優化設計的發展，給機械設計工程帶來了很大的正面影響，對近一些年提高機械產品質量、降低成本和縮短生產周期等方面都起到了正面的影響。但是要看到，目前機械優化設計里面所采用的優化算法與工程的實際設計要求還不相適應，這就是現代機械設計面臨的新挑戰。

1.1 現代機械制造技術的現狀及其特點

近些年來，先進的制造技術不斷被我國采用，國外先進技術也在積極引進實施，復雜的機械也慢慢變多，也出現了很多需要優化的工作，如更好的傳動、更省的能源、更加簡易的操控。現代的機械設計更加完善每個都具有“互動性”，現在考慮的方向，不但要求設計者們對基礎有所了解及其深入了解以外，更多的是要融通更多的其他知識使得你的產品可以在市場上更有競爭力可以滿足更多的市場需求，比如學習：工程、設計、材料使用、機械、經濟等學說，從而設計出更加讓人們查覺到你產品的吸引力，從而開創出更大的市場。我們可以從中看出：“現代設計”是以市場需求為“指向標”，以知識獲取為中心，以現代設計思想，以方法為指導，把現代技術手段為工具，把產品生命期為對象設計而來得。

1.2 計算機輔助機械設計方法及優勢

機械設計分為兩類，狹義的機械設計和廣義的機械設計。狹義的機械設計緊緊指的是技術性的設計過程;廣義的機械設計指的是根據現有條件和使用要求，分析機械原理，構思機械整體結構和各個零部件的形狀尺寸，計算其中力和能量的傳遞方式，選擇適合型號的潤滑方法，整合所有信息形成文字，說明制造機械的依據。機械設計的重要意義在于他是生產機器的前提，他對機械的性能起到決定性作用，通俗地說，機械設計在很大程度上決定了所生產出來的機器的質量和機器的工作性能。這就帶來了很多方便。

可以提高工作效率從而使得產品更加具有市場吸引力，現代想要使得一個作品更加的高效就要學會使用計算機輔助設計，輔助設計時，可以盡可能的展現出它的全部特點和優缺點。設計軟件，可做到自動計算，可以做到降低設計的工作時間。使得設計更加方便甚至全民參與，多元從而更容易出現，新零件更加容易調試更加容易檢查故障處理，更加方便工作，同時也可以處理不同類別、不同產品里零件兼容里面的問題。

1.3 數學建模的由來和發展及實踐

機械設計在長期的生產和實踐里，很早就已經應用數學的方法解決了許多的問題。如：求周長其所圍面積最大問題和求定表面積所圍體積最大問題。這些問題都為后來的問題及解法做出重大貢獻，這些問題也是現代最優問題的雛形。在這之前處理最優化問題大部分都是采用以前的變分法和微分法。二戰以后人們就慢慢改變思路采用當時的運籌學，使得那些古典法無法解決的最優化問題得到了改變，新的思路被人們漸漸挖掘而出。20世紀50年代后，發展數學的規劃理論為現代設計做好了理論的基礎的鋪墊。20世紀60年代后，這些方法也開始慢慢的應用在機械設計等各個領域，并得到了高度利用和發展。

設計的變量可能影響設計的結果、設計的質量等一系列的可變參數，在機械優化的設計里，設計變量就是圖紙里面各個參數也是這個圖紙最有價值也是最核心的內容。在優化機械設計的數學模型里，設計的變量數量的選擇內容越多，盡管可以酣暢淋漓的描述出問題來，但也使的建模的內容變得愈加困難，導致難以得出一個正確的解;從另一面來想的話，設優化機械設計的答案少，最佳設計結果雖然有的時難以得到，問題的正確答案變量少。

2 機械設計優化思路與產品的創造和開發

現代社會競爭力取決與產品質量，而競爭力取決于在于產品的性能和價格，雖跟資金自主有著關系，但是更多的是跟設計密切相關，從這個公司的設計水平可以看出這個公司的產品質量及公司人員的能力。現在的市場競爭力日益提高，設計周期更是被不斷縮減，現在的產品又要向著高速、高效、低消耗的方向發展，現在不只是要遵守以前的規則來做到初始規定的目標，還要做到比初始設計更加完美把工作環境融入其中如：讓每個零件具有更高的兼容、讓其更容易融入工廠環境等方面得到更好的完善，總的來說不止要考慮到當前的發展更要為以后的長遠發展做出準備。

優化設計：是如何可以把設計里的問題轉化為適用于優化計算的數學模型，建立的數學模型里包括：采取適合的設計變量，建立優化問題的目標函數、約束條件。目標函數就是設計問題所要求的最佳指標與其設計變量之間的函數關系式，設計變量取得范圍和相互之間的關系也是約束條件的一種反映。現在的機械優化設計已在航天、航空和國防等，國家和民用企業中應用。

3 現代機械的特點優化

同傳統設計相比，可以看出現代機械設計的具有的三個特點：（1）創建一個正確的可以反映實際工程設計問題的數學模型;（2）思想和策略來采用最優;（3）尋找最佳方案。如：從數學模型為基礎開始進行優化。它引用了很多新的概念及術語。設計師們可以將機械設計的理念、思想、具體等根據要求構造成數學模型，然后轉化成數學問題，后利用應用理論推理和驗算快速從而找到最優的解決途徑及問題答案所在。根據原本的機械設計加以修改讓后讓其與現代科技相結合，所開創了應用新的有效的解決機械設計問題的途徑。傳統設計方法就是被動地分析產品的性能，而現代優化設計則是主動設計產品的參數，從整體的大局出發找尋最優方案。優化設計的一般過程與傳統設計方法有所不同。它是以計算機自動設計選優為其基本特征的。借助于云傳遞的高速高效率，我們可以從大量的方案中挑選出最優的方案。可以從中挑出一部分，可以達到目的的方案或找出最優指標的理想方案，只有這樣才能使得機械產品給企業帶來極高的效益。

4 總結

現在的機械優化，選擇適當的優化方案是十分有必要的，因為，每個問題都有很多不同的解決方案或方法，現在有很多的方案使得與產品本身的設計不大相關其實都可融入，作的更加完善，從而使得產品更加的完善甚至超越產品最初的創造。從總體來看：機械優化已經逐漸完善了，也代表著一門全新的科目的誕生。深使得現代機器優化可以和現代學科融合從而做好理論的“地基”，這樣可以使得機械產品設計可以從而達到質量上的飛躍。近年來機械優化的設計手段和方法都有著較大的突破，工作站計算能力的不斷加強和數學規劃理論的不斷發展都是其主要原因。同時，又因優化設計思路的不斷開闊，基因遺傳學、仿生學理論和人工智能優化等許多現代化設計理論的引入，進一步促進優化設計的更新與完善的速度。給機械工程界帶來巨大經濟效益的是機械優化設計，優化設計的發展前景是非常廣闊的，因為它往往伴隨著技術的更新和產品競爭的日益加劇。當今的機械優化正逐步發展向多學科優化設計，其充分利用到了科學技術和先進計算機技術的最新研究成果。所以其研究必須與數學、計算機、力學理論、工程實踐等領域密切聯系起來，方能擁有更為廣闊的發展前景。

參考文獻：

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[3]秦大同，謝里陽.現代機械設計手冊[M].化學工業出版社.

作者簡介：劉長陽（1982-），男，山東沂南人，本科，研究方向：機械設計。