淺析現(xiàn)代機械設計方法及研究進展

　　摘要：現(xiàn)代機械設計方法是以設計方法學為基礎，利用計算機技術，將機械設計向定量、動態(tài)、優(yōu)化等方面發(fā)展，這種發(fā)展可以顯著提高設計質量，縮短設計周期，降低研制費用，保證一次設計成功率，增強機械產(chǎn)品的競爭力。
　　關鍵詞:機械設計方法發(fā)展趨勢
　　中圖分類號:T-0文獻標識碼:A文章編號:1672-3791(2011)06(c)-0000-00
　　
　　機械設計是根據(jù)使用要求對機械的工作原理、結構、運動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等進行構思、分析和計算，并將其轉化為具體的描述以作為制造依據(jù)的工作過程，其目標是在各種限定的條件下設計出最好的機械，即做出優(yōu)化設計。隨著科技的進步，特別是計算機科學、系統(tǒng)科學的發(fā)展，機械設計水平發(fā)展得很快。多種設計技術和理論交叉融合，使得機械設計方法進一步拓展，設計手段也更加精確化和智能化。
　　
　　1 現(xiàn)代機械設計方法的發(fā)展過程及其面臨的形勢
　　1.1 現(xiàn)代機械設計方法的發(fā)展過程
　　為了適應科學技術快速發(fā)展的要求，使設計工作更加現(xiàn)代化，同時確保設計質量，進一步加快設計速度，逐步興起了對現(xiàn)代設計方法的探討和研究。將現(xiàn)代設計方法應用到機械設計中即為現(xiàn)代機械設計方法。目前常用的方法有：技術預測法、系統(tǒng)設計法信號分析法、模糊設計法、有限元和邊界元分析設計法、可靠性設計法、優(yōu)化設計法和計算機輔助設計法等。
　　設計和設計方法由來已久，但機械設計形成傳統(tǒng)設計方法和理論，僅100多年歷史。傳統(tǒng)設計方法存在諸多局限，將逐漸淡出歷史舞臺。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們生活水平的提高以及計算機科學的普及和應用，現(xiàn)代機械設計發(fā)生了巨大的轉變，由傳統(tǒng)的經(jīng)驗設計方法進而發(fā)展到全面利用優(yōu)化設計、計算機輔助設計和仿真模擬等方法進行精確的計算和圖形顯示。
　　1.2 現(xiàn)代機械設計面臨的形勢
　　現(xiàn)代機械設計面臨的主要形勢為：設計領域由單一趨向多元，多學科滲透；設計對象由單機趨向系統(tǒng)；設計人員由單人擴大到群體；產(chǎn)品更新加快，產(chǎn)品設計更有序；科技的進步對現(xiàn)代設計提出了新的要求。
　　
　　2現(xiàn)代機械設計方法的特征
　　2.1 與傳統(tǒng)機械設計方法的對比
　　傳統(tǒng)的機械設計過程為：產(chǎn)品需求調(diào)查；問題歸納定義；問題綜述；分析和方案優(yōu)化；評價修改；繪制圖樣和撰寫文件。傳統(tǒng)設計方法有很多的局限性：如用經(jīng)驗類比法進行分析，設計水平低；通過試湊得到的參數(shù)和指標不準；以靜態(tài)假設為基礎，不適應動態(tài)設計要求；設計成功率低，花費大；信息反饋的周期長。
　　現(xiàn)代機械設計是在傳統(tǒng)設計方法上的繼承和發(fā)展，其將系統(tǒng)科學引入機械設計，使得設計技術水準更高，也更為理性。具體而言，現(xiàn)代機械設計是一門綜合性強、多學科交叉的基礎科學，即將機械技術、信息技術、控制技術等通過系統(tǒng)工程有機結合，最終實現(xiàn)整個機械系統(tǒng)的最優(yōu)化。從系統(tǒng)角度出發(fā)，現(xiàn)代機械設計可看成是由時間維、邏輯維和方法維組成的三維系統(tǒng)。時間維：反映按時間順序的設計流程，包括產(chǎn)品規(guī)劃、方案設計、技術設計和加工設計；邏輯維：解決問題的邏輯步驟，即先分析；再綜合；然后評價；最后決策；方法維：設計過程中的思維和工作方法。利用現(xiàn)代先進的設計理論、方法及工具，使得機械設計高效而優(yōu)質。
　　2.2現(xiàn)代機械設計方法分類
　　現(xiàn)代機械設計方法可從多角度進行劃分：
　?。?）從工程領域角度將現(xiàn)代設計方法分為：現(xiàn)代模具設計方法、現(xiàn)代材料設計方法等。
　　（2）按應用成熟度對現(xiàn)代設計方法進行分類：應用正普及類—優(yōu)化設計、計算機輔助設計、機電一體化設計等；內(nèi)容正發(fā)展類—創(chuàng)新設計、虛擬設計、并行設計、智能設計等。
　?。?）從涵蓋范圍的角度對現(xiàn)代設計方法進行分類：廣義設計類（對象實體化的全過程）；狹義設計類（僅完成圖樣）。
　　（4）中義設計類：設計內(nèi)容介于廣義設計和狹義設計之間。目前應用較廣的有：最優(yōu)化方法、數(shù)值仿真和動態(tài)設計等。
　　2.3 機械設計的兩類現(xiàn)代設計方法
　?。?）專業(yè)的現(xiàn)代設計方法
　　隨著現(xiàn)代科技的不斷進步和發(fā)展，由計算機專業(yè)和機械設計人員協(xié)同開發(fā)計算機軟件，使該軟件能夠準確反應機械產(chǎn)品在工況中的損傷、失效和破壞機理，并定量分析各零件和機械的動態(tài)行為，形成穩(wěn)定的設計程序，即專業(yè)的現(xiàn)代設計方法。例如：摩擦學設計、強度設計和溫度場分析等。
　?。?）通用的現(xiàn)代設計方法
　　隨著計算機普及和應用，為了進一步滿足機械產(chǎn)品性能的要求，在機械設計時廣泛采用計算機技術進行系統(tǒng)分析和輔助設計，稱之為通用的現(xiàn)代設計方法。包括最優(yōu)化、可靠性、仿真、專家系統(tǒng)和CAD分析等。
　　只有將專業(yè)的現(xiàn)代設計方法和通用的現(xiàn)代設計方法充分結合，才能使設計既有針對性又有科學性，才是較為完善和系統(tǒng)的現(xiàn)代設計方法。
　　
　　3 現(xiàn)代機械設計的發(fā)展趨勢
　　3.1 智能化
　　基于范例推理和約束滿足的設計方法的廣泛應用，促成了智能CAD技術的產(chǎn)生。將人工智能與CAD技術相結合，進一步提高了CAD系統(tǒng)的創(chuàng)造力。具有一定智能的專家系統(tǒng)主要用于方案綜合和設計評價，近年來還出現(xiàn)了適合機械設計多解性的模糊設計以及模糊評判方法?；诂F(xiàn)代機械設計所具有的智能化、集成化特點，CAD技術只有與人工智能、專家系統(tǒng)等技術充分結合，才能實現(xiàn)本身的智能化，進而促進計算機系統(tǒng)間的集成。當前，計算機已成為通用的設計工具，可建立模型來描述機械產(chǎn)品的各種工況，通過智能化處理，為產(chǎn)品設計提供了高效的設計方案。
　　3.2 綠色化
　　如今，人們已經(jīng)意識到環(huán)境與發(fā)展密切相關，因此綠色設計的理念應運而生。綠色設計，指通過高效利用能源和資源而獲得綠色產(chǎn)品的設計，具體而言，即在產(chǎn)品設計的整個過程中，將產(chǎn)品的環(huán)境屬性列在首位，滿足環(huán)境要求的同時，保證產(chǎn)品的基本功能、質量和經(jīng)濟性。綠色產(chǎn)品指既具有特定功能，又對人體健康和周圍環(huán)境沒有危害的產(chǎn)品。綠色設計是人類享受健康美好生活、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必然要求，也是未來技術發(fā)展的趨勢，其意義在于它可以減少企業(yè)的投資風險，提高工作效率和產(chǎn)品的市場競爭力。
　　3.3 系統(tǒng)和定量化
　　現(xiàn)代機械設計是將傳統(tǒng)設計中的經(jīng)驗、類比法設計提高到邏輯的、理性的，系統(tǒng)的新設計方法。即將機械產(chǎn)品看作是一個總系統(tǒng)，利用計算機技術，實現(xiàn)人、機和環(huán)境的相互協(xié)調(diào)。具體而言，把總系統(tǒng)分解為若干個子系統(tǒng)，采用現(xiàn)代設計的各種理論和方法，協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的匹配，達到系統(tǒng)化的目標。傳統(tǒng)設計方法采用靜態(tài)分析，僅憑經(jīng)驗取值，只能定性分析，無法動態(tài)定量設計，不能反映實際工況。但機械產(chǎn)品其功能的完成是在隨機動態(tài)下進行的，因此實現(xiàn)機械設計的定量是未來的發(fā)展方向?，F(xiàn)代機械設計充分考慮材料強度、零部件的損傷，運用有限元法和數(shù)學規(guī)劃法實現(xiàn)動態(tài)、可靠的設計，既縮短了開發(fā)周期，又確保了一次設計的成功率。
　　
　　4 結論
　　現(xiàn)代機械設計方法與傳統(tǒng)的設計相比，發(fā)生了巨大的變化，其優(yōu)勢在于博取縱各科之長，綜合運用并加以整體優(yōu)化?，F(xiàn)代機械設計方法以設計方法學為基礎，利用計算機技術，提高設計質量，縮短設計周期，降低研制費用，保證一次設計成功率，增強機械產(chǎn)品的競爭力?，F(xiàn)代機械設計的發(fā)展趨勢表現(xiàn)為智能化、綠色化、系統(tǒng)和定量化。隨著計算機技術、檢測技術和控制技術的快速發(fā)展，現(xiàn)代機械設計的內(nèi)容進一步擴展，設計出的產(chǎn)品將更加新穎和實用。