1、现代机械设计技术方法及发展研究摘要:机械设计是机械工程的重要组成部分,机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将这些转化为具体地描述以人为制造依据的工作过程。本文综述了目前常用的几种现代机械设计方法并展望了未来的机械设计方法的发展趋势。 关键词:机械;设计方法;展望 Abstract: The mechanical design is an important part of mechanical engineering, mechanical design is in accordance with
2、 the requirements of mechanical work principle, structure, mode of motion, force and energy transmission, each parts of the material and shape size, lubrication methods for design, analysis and calculation and these into specific description of human based on the working process of manufacture. This
3、 paper summarizes the development trend of modern mechanical design of several commonly used methods and prospects the future of the mechanical design method. Key words: machinery; design method; Prospect 中图分类号：TU2 一、现代机械设计的特点 传统的机械设计已经形成了比较成熟的理论和方法，但是现代机械的面貌已经发生了重大的变化。可以认为，各个领域科学技术的发展，都是现代机械设计理论和方法
4、发展的基础，这里包含哲学、思维科学、心理学和智能科学的研究成果；现代应用数学、物理学与应用化学等基础科学领域的研究成果；机械电子学、控制理论与技术、检测技术和自动化领域的研究成果；特别是电子计算机的广泛应用和现代信息科学的发展，造就了现代设计技术的理论方法体系，使现代的机械设计建立在与传统方法迥然不同、全新的层次之上。与传统的机械设计相比，现代机械设计有以下一些具体的特点。 1.1 传统的机械设计中，灵感和经验的成分占有很大的比重，思维带有很大的被动性。但是今天，技术的飞速发展和市场竞争的激烈化，要求人们不断地提出大胆的设想和新的开发目标，要求运用现有的最新技术去创造出前所未有的产品。传统设计
5、过程明显地不能适应这一要求。 1.2 传统的机械设计着重于实现机械本身预定的功能，现代机械设计则要求把对象置于大系统中，进行系统的设计，将预定功能在人-机-环境之间进行科学合理的分配。对人开展了深入地生理学、心理学研究，要求在人与机之间做出最佳的界面设计。还要考虑机械从原材料提取、加工装配、投入使用，直到报废回收全生命周期各阶段与环境的关系，保证自然资源与生态的平衡，实现人类的可持续发展。 1.3 传统的机械设计偏重于强度准则，现代的优限单元法、断裂力学等领域的研究成果，进一步强化了人们强度设计的能力。在此基础上，现代机械设计的准则拓宽到产品设计的更多领域。 1.4 传统的机械设计过程往往是根
6、据任务和目标，先做出第一个方案，甚至造出样机，然后通过评定与考核，进行修改，形成第二轮方案，如此反复，直到满意为止。这一设计过程历时长，消耗大，所谓满意往往带有很多的主观性。现代机械设计则可根据各种给定的条件，运用优化设计理论和方法，借助计算机求得最佳设计参数和方案，因此设计的耗费低，周期短，而且科学地反映设计的最佳状态。 1.5 传统的设计建立在手工操作的基础上，人脑的思维进度在很大程度上被这种缓慢的操作过程所约束，许多原始发生于人脑的三维构思，在传统的设计中必须用抽象的二维图形加以表达，而代表现代机械设计的 CAD 技术则很好地解决了这些问题，技术人员从计算机那里可以很快地获得为进一步思维
7、所必需的理论计算结果和信息；大量的绘图工作有计算机代理；屏幕上的三维图形可以直接与人脑中的构思接轨。在传统的设计中，机器的动态效果只能通过抽象的运动学、动力学数据加以反映，而现代的计算机仿真技术能对未来机器的运转状态清楚地加以描述。在传统的设计中，从概念设计、技术设计到编制工艺、计算工时成本，有许多部门用串行工作方法参与，需要一个漫长的过程，而现代的并行设计技术，使人们在作出一个方案的设计时，通过计算机网络同时获得后续过程相关信息，使设计者有可能及时修改方案，寻求一个全面、综合的优化方案。 二、机械设计的常用现代设计方法 2.1 专业的现代设计方法。由机械设计和计算机专业人员共同开发的计算机软
8、件能够反映和描述机械产品在实际工况下的各种损伤、失效和破坏的机理可以定量分析和计算机械零件和机械的动态行为并形成固定的设计程序这就是专业的现代设计方法如振动分析和设计摩擦学设计热力学传热设计强度、刚度设计温度场分析等等。这些软件都是在传统的设计方法基础上应用计算机技术开发出来的。例如用 pro/m 软件分析机械装置的动态特性用 ansys 软件分析应力都是这方面很好的例子为准确判断装置的可靠性和选择设计参数奠定了基础。 2.2 通用的现代设计方法。为了满足机械产品性能的高要求在机械设计中大量采用计算机技术进行辅助设计和系统分析这就是通用的现代设计方法。常见的方法包括优化、有限元、可靠性、仿真、
9、专家系统、cad 等。这些方法并不只是针对机械产品去研究还有其自身的科学理论和方法。 （1）优化设计。机械优化设计是最优化技术在机械设计领域的移植和应用其基本思想是根据机械设计的理论方法和标准规范等建立一反映工程设计问题和符合数学规划要求的数学模型然后采用数学规划方法和计算机计算技术自动找出设计 问题的最优方案。它是机械设计理论与优化数学、电子计算机相互结合而形成的一种现代设计方法。 （2）仿真与虚拟设计。计算机仿真技术是以计算机为工具“建立实际或联想的系统模型”并在不同条件下对模型进行动态运行实验的一门综合性技术。而虚拟技术的本质是以计算机支持的仿真技术为前提在产品设计阶段实时地并行地模拟出
10、产品开发全过程及其对产品设计的影响预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造性、产品的可维护性和可拆卸性等从而提高产品设计的一次成功率。这种方法不但缩短产品开发周期也实现了缩短产品开发与用户之间的距离。 （3）有限元设计。这种方法是利用数学近似的方法对真实物理系统几何和载荷工况进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素即单元就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。它不仅能用于工程中复杂的非线行问题、非稳态问题的求解而且还可用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力分析并能准确地计算形状复杂零件的应力分布和变形成为复杂零件强度和刚度计算的有力分析工具。 （4）模糊设计。它是将模糊数学知识应用到
11、机械设计中的一种设计方法。机械设计中就存在大量的模糊信息。如机械零部件设计中零件的安全系数往往从保守观点出发取较大值而不经济但在其允许的范围内存在很大的模糊区间。机械产品的开发在各阶段常会遇到各种模糊问题虽然这些问题的特点、性质及对计策的要求不尽相同但所采取的模糊分析方法是相似的。它的最大特点是可以将各因素对设计结果的影响进行全面定量地分析得出综合的数量化指标作为选择决断的依据。 三、机械设计技术的展望 将来机械设计学必将渗透到半导体制造、生物工程、纳米技术和机器人等行业中去在对社会发展做出贡献的同时不断完善自己使理论进一步创新。 3.1 进一步实现系统性。即从系统观点入手把机械产品看作一个系
12、统或整体依赖计算机技术实现人、机、环境和相互协调。具体来说是把总系统分解为若干个子系统采用各种现代设计理论和方法追求系统优化为目标协调各子系统的设计和匹配。 3.2 深化智能化设计。随着科技的进步和发展设计要越来越多地考虑智能的因素。大量设计内容都可通过建立模型来描述机械产品的各种工况行为对模型求解可预测产品的性能、设计的合理性和最优性。例如各类车辆性能 评价的智能决策系统齿轮箱设计专家系统故障诊断系统等已应用在新车的开发设计中。 3.3 更加注重绿色思想。绿色设计技术是对产品在其生命周期中按符合环境保护、资源利用率最高、能源消耗最低的要求进行设计的技术。要求设计者从全周期考虑产品的环境属性和基本属性在设计时始终立足于人的身心健康、环境保护等同时要求所设计的产品具有可回收利用性对环境的损害最小。 四、结束语 现代机械设计是许多学科和领域的技术交融后的捷径，这些技术在现实机械中实现了完美的结合，其前提是相关知识在设计者的头脑中首先实现完美的结合，构成一个有序的知识体系。现代机械设计不可能是个人行为，在设计群体中，所有成员都应掌握现代机械设计的有关知识，这样才能做到相互了解和配合，才能建立全局观念，最终实现现代机械的完美设计。
