現代設計技術在機械工程設計中的應用

摘 要：傳統的人工設計方式存在效率低、誤差大等問題，無法保障機械工程設計水平。現代設計技術是互聯網時代下衍生出來的新技術，融合了多種現代理論與技術，在當前及未來都有較大的發展空間。基于此，重點分析了機械工程設計中現代設計技術的具體應用，以期指導相關工作。

關鍵詞：機械工程設計；現代設計技術；應用

0引言

經濟社會穩步發展進程中，各行各業對機械設備的依賴性顯著增大，在新理論和新技術的支持下產生了很多現代化機械設備，這些設備都有各自的功能，可在生產生活領域發揮優勢。

相關人員需根據機械工程要求，采用全新的設計理念、方法與技術，建立現代化機械工程設計體系。隨著技術的進一步發展，機械工程設計中的有關人員需繼續把握行業動向，創新技術形式與路徑，用現代設計技術取代新技術。

1 現代設計技術的特點

1.1 多學科的交叉和融合

現代設計技術為多種技術的綜合，如計算機技術、綠色設計技術等，每種技術都有各自的特點，利用技術融合可發揮合力作用，克服在機械工程設計中的諸多困難。機械工程設計中可選擇的技術少，一些技術相對落后，很難提高設計質量水平，無法保障機械工程的質量、安全。現代科學技術具有多學科交叉與融合的特性，面對機械工程設計任務，有關人員可合理選擇現代設計技術，依據實際需求進行創新，提高機械設計水平[1]。

1.2 傳統設計技術的延伸和發展

現代設計技術依托傳統設計技術而出現，在新技術陸續出現和發展的過程中，取代了傳統技術或者與傳統技術相融合，能滿足現代工程設計的現實需求。綜合當下現代設計技術的發展趨勢及特點，發現其技術形式、方向多為傳統設計技術的延伸、發展，有關人員在創新應用現代設計技術時可對傳統設計技術取其精華、棄其糟粕，以提高機械工程中的技術水平，使設計的機械工程能滿足生產、生活所需，保持穩定運行，創造更大的效益。

1.3 設計手段的精確化

信息時代下，計算機技術在全社會范圍內的影響力顯著擴大，且這些技術逐步被應用到了更多方面，特別是在設計方面，計算機技術開創了現代化設計方向。多年來計算機軟硬件、網絡技術等都保持高速發展，在機械工程設計中應用新技術可按需設計，選定最優設計方案。與此同時，借助各種專業化設計可輔助設計工作、提高設計效率，即使需修改或者檢查設計，也能由軟件自主完成，無需人工反復修改，操作便捷性高，可提高設計精度，體現設計手段精確化的特點。

1.4 產品壽命周期全面提高

隨著生活質量顯著提高，人們對產品質量、性能等提出了全新的要求。因為機械設備的普遍應用，人們不單單追求對機械產品的基本功能，還需要確保機械設備具有更高的可靠性，以保障在設備投入使用后可穩定、可靠運行，能滿足人們的各方面需求。隨著時代進步，現代設計技術廣受關注，在利用此類技術設計機械工程時，有嚴格的設計流程及技術規范，能提高產品的壽命周期。

2 現代設計技術的發展現狀

2.1 國外現代設計技術的發展

2.1.1 計算機輔助設計

20世紀中期，通常通過簡單的數字圖形界面控制與操作計算機、機床，在此過程中機械設計方面需關注設計人員與機械之間的互動。基于此，相關學者提出了人機圖形通信系統對工程設計輔助系統開發與優化的作用，計算機圖形、技術圖形的設計方面可借助相應程序來完成，逐步優化機械系統，增強設計人員與計算機系統之間的配合度。

20世紀60年代，計算機技術進入了全新的發展階段，由此帶動了設計技術的現代化，市場上出現了首批具備圖形界面功能的計算機。因為當時的技術條件有限，這些計算機的軟硬件功能不足，且相互之間的兼容性不夠[2]。

此后隨著技術的進一步發展，市面上的計算機體積大大減小，這些計算機被應用在辦公場所，體現了計算機的微型化發展趨勢，逐步誕生了更為精簡的編程語言。這是計算機輔助設計系統（CAD）產生的前提條件，該階段下的CAD系統的交互性顯著，具備二維繪圖、三維線框繪圖功能，體現了設計方面的技術進步。

2.1.2 幾何建模

20世紀70年代，機械工程中計算機輔助設計的應用范圍顯著擴大，當機械工程中涉及幾何形狀的描述時，一般可采用計算機輔助設計系統設計幾何形狀。結合當時的技術情況，計算機輔助設計的典型特點為利用自由曲線曲面生成算法、幾何表面造型。早期關于形狀的理論為歐幾里得幾何理論、柏拉圖固體學說，雖有這些理論支撐，但因為當時人們對物體形狀的認識和描述還處于初級水平，也很難真正利用這些理論來優化設計技術。

在有關專家的相關研究與分析中，清晰指出了在實體建模過程中計算機的不可或缺性，在此期間尤其需關注數字化形狀在幾何方面的應用。此后隨著理論與實踐的增多，幾何形狀、固體形狀等在數學、計算機學科等的理論、算法發展下，可從二維、基礎三維形狀逐步變為三維實體結構，呈現其更為真實的狀態。在現代設計技術的發展中，幾何建模為其中的一大代表，在原有CAD系統中引入了Bezier、B樣條法等算法，可增強圖形設計效果的立體性[3]。

2.1.3 實體建模

20世紀70年代末期，數字化設計水平顯著提高，在已有技術的支持下，數字化設計能達到大多數情況下的表面加工與設計需求，但也存在一定的設計不足，就是難以準確、直觀地表示形態和質量等更為具象的特征。

20世紀80年代，在飛機與汽車的設計方面采用了數字化設計技術，即使面對相對復雜的實體形狀設計任務，同樣能得到相對理想的設計效果。美國、英國、日本、德國等發達國家，率先采用邊界表示法、構造實體幾何數表示法，開發了專門軟件，為更多的設計任務提供了軟件支持。CSG建模方法在當時廣受關注，利用基礎幾何形狀，如立方體、圓柱體、錐體等基礎性元素，再引入布爾算法即可建立立體形狀數字化模型，在此設計方式下的部件、組件處理、可視化、交換等都相對便捷。在實體建模過程中邊界表示法為一大理論條件，就是通過面片、三角形等曲面組合包圍構成封閉空間，此過程就是實體數字化建模的流程。

實體建模與幾何建模具有高度的相似性，但二者之間也存在明顯區別，前者呈現的物體信息更為全面、準確與直觀，保真度更高。實體建模技術支持下，各模型均能對應真實的物體形態，這一特點為后續的3D打印技術發展提供了更多可能。

2.1.4雕刻建模與掃描建模

隨著理論和實踐的增多，各種建模軟件也逐漸出現，雕刻建模、掃描建模的形式打開了建模軟件發展的新格局。ZBrush為美國Pixologic公司研發的建模軟件，其功能相對多樣，即使面對相對復雜的設計任務，利用該軟件也能輔助建模，真實還原物體原貌[4]。軟件以傳統雕刻技法為前提，保障了三維建模的便捷性，設計人員通過操控鼠標即可完成相應的建模任務，最后再在模型中進行深化設計與調整。

2.2 國內數字化設計發展

2.2.1 數字信息整合

隨著CAD/CIMS在應用工程中的投入逐漸增大，在國家政策、資金與技術支持下，機械設計制造中可選擇的數字化技術越發多樣和先進，相關技術在具體的應用中取得了良好的應用效果。在此階段，我國制造業加大了對信息資源的利用與開發，再加上行業內制定了統一的數據標準，許多主體單位建有數據中心，促進了企業間、行業內的數據共享，為設計制造一體化創造了更大的可能性。

2.2.2 一體化生產

制造業信息化工程的實施，促進了信息、自動化、管理制造等相關技術的融合，在數字化設計、生產、管理方面獲得了更多的技術成果，陸續產生了很多全新的設計方法、思路、工具，帶動了行業的整體進步。在計算機、網絡、智能化等技術支持下，機械工程設計呈現一體化特征，從產品的設計構思開始到制造完成的全生命周期內，均可發揮數字化設計技術的作用，提高設計質量。

2.2.3 智能化設計制造

在機械工程設計中大力推廣現代信息技術，在互聯網、云計算與人工智能等技術支持下，許多專業的機械設計企業開始了對智能化數字設計的探索。設計人員在設計各種機械設備時可采用大數據技術處理大量的數據，精準分析用戶需求，以人工智能為支撐完成簡單的設計任務，以提高設計效率。由互聯網、云存儲等技術可展示虛擬模型。在這些新技術支持下的機械工程設計，各環節之間的銜接更為緊密，大大縮短了產品的開發周期，即使面臨復雜的設計問題或者難題，也能利用新技術來處理。

3 現代設計技術在機械工程設計中的具體應用

3.1 綠色設計

當下經濟社會穩步發展的過程中，人們的環保意識顯著增強。在國家大力推行低碳經濟的同時，各行各業的發展也非常強調綠色化，帶動全社會范圍內的可持續發展理念。以機械工程設計為例，在傳統的設計理念及方式下，人們更為關注機械工程的基本功能及經濟效益，對綠色環保的關注不夠。在現代設計技術支持下，機械工程方面的設計任務應大力推廣綠色設計理念。設計人員需清楚綠色設計的內涵，確保機械設備在應用于生產后，對環境造成的影響較小，并確保設計全過程中合理執行污染標準。

綠色設計的難度較大，必須協調機械性能與環境污染的關系。機械工程設計中需將綠色化放在重要位置。在任何類型的機械工程設計中，都需全面推行綠色設計技術標準，滿足機械基本的功能與作用，并適當延長設備的使用壽命。在選材方面堅持綠色化，優先采用綠色環保型材料，以最大程度上減少資源消耗，降低機械工程對環境的污染。當然，在設計過程中也需關注材料拆卸與回收方面，以盡可能滿足拆卸、回收便捷性要求。

3.2 系統設計

現階段各方面所需的機械類型相對較多，每種機械設備都有其結構與功能特點，不同部件之間存在緊密聯系。因此，在機械工程設計中有關人員也需推行系統設計理念與技術。機械的功能主要包含動力、傳動、操作等子系統，每一子系統下又可進一步細分。

為提高機械工程設計水平，有關人員需注意以下兩方面：①清楚設計的具體方向與路徑，考慮設計目的，分析在設計下需達到的功能特點，以整合相應的數據，總結設計中的問題及難點，制定解決措施，優化設計路徑。②分析影響設計效果的因素，了解各因素對設計效果的影響程度，以這些為前提確定設計方案，保障此方案的科學性與可行性，在確定方案時可采用數學規劃等方式，以數據分析、算法檢驗等結果作為依據，調整方案細節。

3.3 并行設計

機械工程設計中并行設計也廣受人們的關注，這屬于綜合性設計方式，其中融合了工程設計、制造管理、操作運營等思想及方法。主要任務就是要讓設計人員在具體的設計過程中，做好機械產品的綜合分析與評估，重點關注機械工程的設計、制造、檢驗、維護、運行、成本等方面，強調一體化、集成化的設計思路，以縮短設計周期，保障機械工程的設計水平。

在機械工程設計中推行并行設計，必須采用多種現代設計技術，如建模技術，在機械開發階段，通過建模技術來整合已有的機械信息，以建立符合要求的模型，通過該模型確定設計理論、方法等。模擬仿真技術可應用在機械工程設計、加工、裝配、維修等各個環節，涵蓋模擬建模、設計等全過程，可清晰還原過程與結果，便于相關人員及時發現問題，并進行相應的處理。

3.4 機械結構設計

任何機械工程的設計中，結構設計都為重點和難點，是需要重點關注的部分。為提高機械結構設計的合理性，相關人員可借助CAD軟件進行設計。該軟件具有多重功能，能快速設計機械結構并進行繪制，得到平面圖、立體圖和剖視圖，設計人員能在計算機中進行多維度的結構設計與模擬。與原先的手工繪圖與模型制作相比，CAD下的設計工作更為便捷，很多設計工作均可由軟件自動完成，不僅設計效率高還能降低設計誤差。

以農業機械工程為例，引入CAD軟件能設計多種農業機械的結構，如拖拉機、收割機、灌溉設備等。設計人員在正式設計之前，需了解農戶對機械產品的功能、性能等要求，在此前提下進行一系列優化與調整。比如拖拉機，屬于農業生產中相對常見的設備，在設計其結構時，利用CAD軟件能自動設計、合理組合駕駛室、發動機、變速箱、傳動系統等各種零部件，不僅能提高設計效率，還能保障設計效果。當然，在具體的設計過程中也能利用CAD軟件進行仿真與優化，幫助設計人員及時發現設計缺陷并處理。

4 結束語

當前隨著人們對機械工程設計要求的提高，各種規模及類型的機械工程中都應引入全新的設計理念與方法，推廣現代設計技術，以彌補傳統設計技術的不足，構建現代化設計技術體系，提高設計整體水平。在未來的機械工程設計中，需繼續研究和推廣現代設計技術。

參考文獻

[1] 王熙杰，任建新.現代設計技術在機械工程設計中的應用[J].內蒙古煤炭經濟，2021（9）：149-150.

[2] 姜宇澤.現代設計技術在農業機械工程設計中的應用[J].南方農機，2020，51（24）：39-40.

[3] 許琴芬.CAD技術在機械工程設計中的應用[J].湖北農機化，2020（10）：77-78.

[4] 都晨.CAD技術在農業機械工程設計中的應用分析[J].現代農機，2020（5）：26-27.

收稿日期：2023-10-22

作者簡介：馮宜超（1991—），男，壯族，廣西崇左人，本科，工程師，研究方向：機械工程設備研發。