新型機械設(shè)計方法淺析

曹仁濤

（蘭州交通大學機電工程學院，甘肅蘭州 730070）

機器的性能品質(zhì)不但取決于零件制造品質(zhì)和機器裝配品質(zhì)，更取決于機械設(shè)計品質(zhì)。傳統(tǒng)的常規(guī)機械設(shè)計方法有理論計算設(shè)計、經(jīng)驗類比設(shè)計、模型實驗設(shè)計等，在復(fù)雜設(shè)計條件下往往受到局限，設(shè)計技術(shù)推陳出新勢在必行。

1 新型機械設(shè)計方法的基本特點

1）以自動化設(shè)計取代人工設(shè)計。充分利用先進的計算機硬件及軟件平臺，極力提高人機結(jié)合的設(shè)計系統(tǒng)的自動化水平，以提高產(chǎn)品的設(shè)計品質(zhì)，這是新型機械設(shè)計方法的基本特征［1］。

2）以動態(tài)建模取代靜態(tài)模型。典型的如以機器結(jié)構(gòu)動力學計算取代靜力學計算，以實時在線測試數(shù)據(jù)作為評價依據(jù)等。

3）以定量計算取代定性判斷。如以有限元計算非規(guī)則零件的尺寸和剛度，取代傳統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)驗類比法確定箱體各部分壁厚等。

4）以變量取代常量。如最優(yōu)化設(shè)計中用隨機變量取代傳統(tǒng)設(shè)計方法中通常以經(jīng)驗常量校核的粗略數(shù)據(jù)處理方法。

5）以優(yōu)化設(shè)計取代可行性設(shè)計。用設(shè)計變量恰當?shù)亟⒃O(shè)計目標的數(shù)學模型，從眾多的可行性解決方案中求其最優(yōu)解。

6）以并行設(shè)計取代串行設(shè)計。強調(diào)從設(shè)計階段就并行地綜合考慮產(chǎn)品整個生命周期中各方面的要求與相互關(guān)系，避免串行設(shè)計中可能發(fā)生的干涉與返工。

7）以微觀設(shè)計取代宏觀設(shè)計。如以斷裂力學理論處理零件材料本身微觀裂紋擴展引起的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象，建立以損傷容限為設(shè)計判據(jù)的設(shè)計方法。

8）以系統(tǒng)工程法取代分部處理法［2］。將產(chǎn)品的整個設(shè)計工作作為一個系統(tǒng)，用系統(tǒng)工程的觀點分析劃分設(shè)計階段和組成單元，綜合處理它們的內(nèi)在關(guān)系。

2 新型機械設(shè)計方法的種類

1）優(yōu)化設(shè)計。機械優(yōu)化設(shè)計是最優(yōu)化技術(shù)在機械設(shè)計領(lǐng)域的移植和應(yīng)用，其基本思想是根據(jù)機械設(shè)計的理論方法和標準規(guī)范等建立反映工程設(shè)計問題和符合數(shù)學規(guī)劃要求的數(shù)學模型，然后采用數(shù)學規(guī)劃方法和計算機數(shù)字處理技術(shù)自動找出設(shè)計問題的最優(yōu)方案。不但可行，而且最優(yōu)，是機械優(yōu)化設(shè)計追求的目標，可行性方案的提出與建模是優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)。常用優(yōu)化處理方法有一維搜索法、線性優(yōu)化法、導(dǎo)數(shù)優(yōu)化法、非導(dǎo)數(shù)優(yōu)化法等。常見優(yōu)化軟件有 MATLAB，ANSYS 等［3］。

2）可靠性設(shè)計?？煽啃允侵府a(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力?？煽啃栽O(shè)計是對系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)進行可靠性分析和預(yù)測，采用簡化系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)、裕度設(shè)計和可維修設(shè)計等措施以提高系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)可靠度的設(shè)計。它不但直接反映產(chǎn)品各組成部件的品質(zhì)，而且還影響到整個產(chǎn)品品質(zhì)性能的優(yōu)劣?？煽啃苑譃楣逃锌煽啃?、使用可靠性和環(huán)境適應(yīng)性?？煽啃缘亩攘恐笜艘话阌锌煽慷取o故障率、失效率三種。

3）并行設(shè)計。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是按照設(shè)計、制造等過程串行進行，設(shè)計階段很少考慮設(shè)計以后的問題，這種設(shè)計方法使得產(chǎn)品設(shè)計與以后的制造、使用、維修等環(huán)節(jié)相互脫節(jié)。并行設(shè)計是在產(chǎn)品開始設(shè)計的時候，就考慮到產(chǎn)品從設(shè)計到使用過程中整個壽命周期的所有元素，產(chǎn)品的設(shè)計過程和工藝設(shè)計、加工制造和銷售等各個階段并行地進行，實行集成開發(fā)，力爭使所設(shè)計的產(chǎn)品具有較高的綜合性能。

4）模糊設(shè)計。機械設(shè)計領(lǐng)域普遍存在著模糊性現(xiàn)象，如產(chǎn)品性能的好與壞、使用壽命的長與短、可靠性的高與低等，都是一些模糊量。模糊設(shè)計是把模糊理論引入到設(shè)計領(lǐng)域中而形成的一種嶄新的設(shè)計方法。模糊設(shè)計不是建立在對系統(tǒng)進行精確的數(shù)學分析基礎(chǔ)上，而是根據(jù)模糊性的實際經(jīng)驗確定設(shè)計參數(shù)［4］。模糊設(shè)計一般是與別的設(shè)計方法相結(jié)合，處理設(shè)計中的不確定性因素，使得設(shè)計方法更加合理、完善。

5）參數(shù)化設(shè)計。參數(shù)化設(shè)計分為兩個部分，即參數(shù)化圖元和參數(shù)化修改引擎。參數(shù)化設(shè)計中的圖元都是以構(gòu)件的形式出現(xiàn)，這些構(gòu)件之間的不同，是通過參數(shù)的調(diào)整反映出來的。參數(shù)化修改引擎提供的參數(shù)更改技術(shù)使用戶對機械設(shè)計做的任何改動都可以自動在其他相關(guān)聯(lián)的部分反映出來，使每一個機械零件都通過一個變更傳播引擎互相關(guān)聯(lián)。參數(shù)化設(shè)計可以大大提高模型的生成和修改的速度，在產(chǎn)品的系列設(shè)計、相似設(shè)計及專用CAD系統(tǒng)開發(fā)方面都具有較大的應(yīng)用價值。

6）摩擦學設(shè)計。摩擦學是研究具有相對運動表面摩擦、磨損與潤滑理論的一門學科。摩擦學設(shè)計就是充分運用摩擦學知識，合理設(shè)計機械零部件，采用先進材料和工藝，正確選用潤滑方式和裝置，減小機械設(shè)備的摩擦損耗，降低失效時間延長產(chǎn)品壽命，提高設(shè)備的工作效率和運行可靠性［5］。盡管摩擦學問題普遍大量存在于所有機械設(shè)備中，但以往機械設(shè)計很少考慮摩擦學問題。摩擦學設(shè)計是繼運動學設(shè)計、強度設(shè)計之后又一重要的設(shè)計內(nèi)容。

7）虛擬產(chǎn)品設(shè)計。是指在不生產(chǎn)實物產(chǎn)品的情況下，利用計算機技術(shù)在虛擬狀態(tài)下構(gòu)思、設(shè)計、制造、測試和分析產(chǎn)品的設(shè)計方法，它建立在用計算機完成產(chǎn)品整個開發(fā)過程的基礎(chǔ)上。工程師完全是在計算機上建立產(chǎn)品模型，對模型進行分析，然后改進產(chǎn)品設(shè)計方案，用數(shù)字模型代替實物原型，進行分析、試驗、改進原有的設(shè)計［6］。這樣常常只需制作一次最終的實物原型，使新產(chǎn)品開發(fā)一次獲得成功?？焖僭图碦P技術(shù)是虛擬產(chǎn)品設(shè)計的主要技術(shù)手段，目前已發(fā)展到快速模具制造即RT技術(shù)。

8）智能設(shè)計。智能設(shè)計是指應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，采用計算機模擬人類的思維活動，提高計算機的智能水平，從而使計算機能夠更多、更好地承擔設(shè)計過程中各種復(fù)雜任務(wù)，成為設(shè)計人員的重要輔助工具。前些年智能設(shè)計僅僅停留在計算機輔助設(shè)計即CAD水平上，計算機的不斷發(fā)展而產(chǎn)生的基于知識庫的專家系統(tǒng)、以及具有自學習功能和聯(lián)想記憶功能的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到迅速發(fā)展，推動智能設(shè)計邁上新臺階。

3 結(jié)語

近幾年來，隨著科學技術(shù)的進步尤其是計算機軟件技術(shù)的發(fā)展，基于計算機輔助設(shè)計即CAD技術(shù)的許多新型設(shè)計理念和方法不斷出現(xiàn)，并逐漸得到應(yīng)用。與國外新型設(shè)計方法咄咄逼人的推廣形式相比較，機械設(shè)計在這方面節(jié)奏顯然慢了一些［7］。研究并應(yīng)用新型機械設(shè)計方法已是我國機械設(shè)計工作者的當務(wù)之急。

［1］趙松年.現(xiàn)代設(shè)計方法學［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［2］濮良貴.機械設(shè)計［M］.北京:高等教育出版社，2011.

［3］孫靖民.機械優(yōu)化設(shè)計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［4］王國強.機械優(yōu)化設(shè)計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［5］朱文堅.機械設(shè)計方法學［M］.廣州:華南理工大學出版社，2006.

［6］梅順齊.現(xiàn)代設(shè)計方法［M］.武漢:華中科技大學出版社，2009.

［7］王鳳岐.現(xiàn)代設(shè)計方法［M］.天津:天津大學出版社，2004.