探究機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

巫偉

（鄭州市污水凈化有限公司，河南 鄭州 450000）

一、概述

機(jī)械設(shè)計(jì)(machine design)是將機(jī)械各個(gè)零件的材質(zhì)、形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)、工作原理、運(yùn)行方式等進(jìn)行分析、計(jì)算盡而轉(zhuǎn)換成具體的描述，并且作為以后機(jī)械生產(chǎn)制造依據(jù)的工作過(guò)程。

二、當(dāng)前機(jī)械制造業(yè)設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容當(dāng)前機(jī)械制造業(yè)設(shè)計(jì)方法是將傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)理念進(jìn)行總結(jié)分析，再加上現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)技術(shù)而實(shí)施的機(jī)械設(shè)計(jì)。其中有以下幾個(gè)方面的主要內(nèi)容。

1 數(shù)字化

數(shù)字化技術(shù)是當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)的核心特點(diǎn)，在機(jī)械設(shè)計(jì)工作開(kāi)展之前我們就需要利用數(shù)字化技術(shù)對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)生命進(jìn)行建模工作，進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)，以便在實(shí)際機(jī)械設(shè)計(jì)中可以有最完美的設(shè)計(jì)技術(shù)和方案。同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，也可以利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和數(shù)字管理手段對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行檢查、管理和分析，從而保障資源配置最優(yōu)化、還能最大化的提高設(shè)計(jì)效率，節(jié)約時(shí)間。

2 并行化

并行化技術(shù)的運(yùn)用是當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)的最大趨勢(shì)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，在很多方面實(shí)現(xiàn)信息共享，還可以打破時(shí)間和空間的阻礙，讓不同地方的工作者可以在同一平臺(tái)工作。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)都是單方面的設(shè)計(jì)，只能一個(gè)步驟一個(gè)步驟的進(jìn)行，并且在設(shè)計(jì)過(guò)程中每個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)之間缺少必要的溝通，有問(wèn)題也不能在第一時(shí)間進(jìn)行修正，增加設(shè)計(jì)人員的工作量。當(dāng)前機(jī)械設(shè)備的科技含量很高，涉及到的知識(shí)范圍也比較廣，單單只依靠個(gè)人是無(wú)法完成完整的機(jī)械設(shè)計(jì)，迫切的需要有相關(guān)的技術(shù)人員來(lái)一起探討解決。

通過(guò)計(jì)算機(jī)綜合平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，信息共享，集思廣益，從而可以在最短的時(shí)間內(nèi)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)最完美的效果，所以并行化是當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)的最大趨勢(shì)。

3 智能化

自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)方面，己隨處可見(jiàn)，機(jī)械的自動(dòng)化程度也越來(lái)越高，機(jī)械設(shè)計(jì)師只有充分利用智能技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)工作，機(jī)械設(shè)計(jì)智能化系統(tǒng)，具有獨(dú)立計(jì)算和智能邏輯推理功能，可以很大成度的減輕設(shè)計(jì)師的工作量，大大提高工作效率。因此智能化技術(shù)的運(yùn)用已經(jīng)成為當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)的迫切需要。

三、現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)及應(yīng)用情況

隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及，機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)也在不斷的更新。其中包括有限元、最優(yōu)化、模糊、可靠性、仿真、專家系統(tǒng)，CAD等方法，比較常見(jiàn)的技術(shù)有以下五種。

1 有限元設(shè)計(jì)

有限元分析技術(shù)FED（Finite Element Design）是當(dāng)前被廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)工程分析技術(shù)，它是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，以有限數(shù)量的未知量去逼近無(wú)限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。該技術(shù)不僅能用于工程中復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題和非線性問(wèn)題，而且還可以用于工程設(shè)計(jì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)研究，并能準(zhǔn)確的計(jì)算出形狀復(fù)雜零件的應(yīng)力變化和分布情況，是當(dāng)前復(fù)雜構(gòu)件強(qiáng)度和剛度計(jì)算的有力分析工具，是上世紀(jì)60年代，漸漸發(fā)展和健全的數(shù)值計(jì)算方式。

2 最優(yōu)化設(shè)計(jì)

最優(yōu)化設(shè)計(jì)OD（Optimal Design）是當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)中較新穎的設(shè)計(jì)方式，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是最優(yōu)化技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的移植和應(yīng)用，其基本思想是根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的理論、方法和標(biāo)準(zhǔn)建立一反映工程設(shè)計(jì)問(wèn)題和符合數(shù)學(xué)規(guī)劃要求的數(shù)學(xué)模型。然后通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)規(guī)劃方法和計(jì)算機(jī)計(jì)算技術(shù)，對(duì)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解運(yùn)算，選擇最合理的優(yōu)化方法。這一方式的出現(xiàn)比較晚，但是其發(fā)展相當(dāng)?shù)目焖佟Ｔ诟鞣N工程設(shè)計(jì)中都被廣泛的應(yīng)用。最優(yōu)化設(shè)計(jì)不公可以改變機(jī)械產(chǎn)品的性能，還可以有效的降低成本。是當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)之一。

3 模糊設(shè)計(jì)

模糊設(shè)計(jì)（Fuzzy Design）是把模糊數(shù)學(xué)知識(shí)應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)的一種設(shè)計(jì)方式。機(jī)械設(shè)計(jì)中就存在大量的模糊信息，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，其結(jié)構(gòu)變的越來(lái)越龐大和復(fù)雜，其有存在的變量很多，在很多情況下我們無(wú)法對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行十分精確的描述。例如機(jī)械產(chǎn)品使用壽命和承載力等都是模糊現(xiàn)象，其系數(shù)往往從保守觀點(diǎn)出發(fā)，取較大值，但是在它充許的范圍內(nèi)存在有比較大的模糊區(qū)間。在各工程設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)有很之類似的問(wèn)題，對(duì)于這類問(wèn)題就需要采取糊數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行解決。就是把模糊技術(shù)和其他重量的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)合運(yùn)算，最終形成模糊優(yōu)化、模糊可靠性等多種方式。

4 可靠性設(shè)計(jì)

可靠性設(shè)計(jì)RD（Reliability Design）也是一門(mén)新興的學(xué)科，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中是20世紀(jì)60年代興起并逐漸進(jìn)入的。機(jī)械零件的可靠性設(shè)計(jì)就是指在特定的時(shí)間和條件下，實(shí)現(xiàn)規(guī)定功能的能力。概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)是可靠性設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，而失效分析和預(yù)測(cè)（包括可靠性試驗(yàn)）是可靠性設(shè)計(jì)的依據(jù)，確保產(chǎn)品的可靠性是可靠性設(shè)計(jì)的根本目標(biāo)。目前人們對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的安全性和可靠性比較關(guān)心，只有給人安全保障，使用起來(lái)會(huì)比較可靠。所以各企業(yè)都把機(jī)械設(shè)計(jì)的重心放在產(chǎn)品的安全性和可靠性上，所以可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)成為當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)十分重要的組成部分之一。

5仿真和虛擬設(shè)計(jì)

仿真技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為工具“建立實(shí)際或聯(lián)想的系統(tǒng)模型”并且可以在不同情況下對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)的一種綜全性技術(shù)。其本質(zhì)是以計(jì)算機(jī)的仿真技術(shù)，并行化的模擬出產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的全部過(guò)程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)的影響。對(duì)產(chǎn)品性能、成本進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析其可制造性、可維護(hù)性和可拆卸性，不僅可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成功率，而且還可以大大的減少產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)也增加了用戶之間的距離。

四、當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)方法發(fā)展趨勢(shì)探索

在科技發(fā)展迅速的今天，新的技術(shù)在不斷的涌現(xiàn)，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的科技含量也越來(lái)越高，其技術(shù)水平的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)達(dá)白熱化的狀態(tài)。在如此激烈的競(jìng)爭(zhēng)中，如果想脫穎而出，在這個(gè)行業(yè)占有一席之地，我們只有不斷的改進(jìn)技術(shù)、降低成本、提高工作效率，這些不僅是我們需要努力的方向，同是也是目前機(jī)械設(shè)計(jì)方法的發(fā)展趨勢(shì)和方向。

1 信息系統(tǒng)化

未來(lái)機(jī)械設(shè)計(jì)方法研究的趨勢(shì)將會(huì)越來(lái)越信息系統(tǒng)化，因?yàn)橄到y(tǒng)工程學(xué)是依托信息學(xué)、控制論、統(tǒng)籌管理等科學(xué)方法建立并發(fā)展起來(lái)的，用來(lái)解決工程問(wèn)題最優(yōu)化設(shè)計(jì)及控制的科學(xué)。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)，我們都是把設(shè)計(jì)對(duì)象當(dāng)作獨(dú)立的事物進(jìn)行分析、試驗(yàn)、研究，其得到的結(jié)論局限性非常大。我們把信息系統(tǒng)工程學(xué)運(yùn)用在機(jī)械設(shè)計(jì)中，把整個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程作為統(tǒng)一的系統(tǒng)進(jìn)行研究和探索，這樣對(duì)系統(tǒng)的每個(gè)部分都進(jìn)行研究，得到的結(jié)構(gòu)很全面，也很有科學(xué)依據(jù)，同時(shí)大大的節(jié)省了人力、時(shí)間。對(duì)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)有很大的優(yōu)勢(shì)，在工程設(shè)計(jì)中被爭(zhēng)相使用，其發(fā)展前景十分的可觀。

2 人才創(chuàng)造潛力的培養(yǎng)和挖掘

創(chuàng)造潛力挖掘的發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)越來(lái)越精英化，雖然現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)越來(lái)越發(fā)達(dá)，在各個(gè)工業(yè)設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)被告廣泛應(yīng)用，但是世界的核心依然是人類，人才創(chuàng)造潛力的發(fā)掘才是最核心，最重要的。以培養(yǎng)高級(jí)工程技術(shù)人才為主，綜合培養(yǎng)能熟練掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，并且具有現(xiàn)代科技觀念，從事機(jī)械設(shè)計(jì)、管理等方面的高級(jí)工程技術(shù)人才。如果可以最大限度的發(fā)揮、引導(dǎo)、開(kāi)啟機(jī)械設(shè)計(jì)師們的想象力，激發(fā)其創(chuàng)造力，運(yùn)用其獨(dú)特的設(shè)計(jì)靈感和創(chuàng)造能力再輔助現(xiàn)化代科學(xué)技術(shù)來(lái)解決工作上的問(wèn)題，一定會(huì)呈現(xiàn)出事半功倍的效果，所以說(shuō)在市場(chǎng)如此激烈的形勢(shì)下，人才創(chuàng)造潛力的培養(yǎng)和挖掘，是當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)生命力最基本的保證措施。

3 產(chǎn)品商品化的設(shè)計(jì)趨勢(shì)

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一種以機(jī)械產(chǎn)品為主要對(duì)象，將機(jī)械各個(gè)零件的材質(zhì)、形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)、工作原理、運(yùn)行方式等進(jìn)行分析、計(jì)算盡而轉(zhuǎn)換成具體的描述，并且作為以后機(jī)械生產(chǎn)制造依據(jù)的工作過(guò)程。但是現(xiàn)在很多的企業(yè)都清楚的認(rèn)識(shí)到在競(jìng)爭(zhēng)如此激烈的現(xiàn)代社會(huì)，如果想要更好的生存發(fā)展必須要不斷的創(chuàng)新，但是卻有很多的新產(chǎn)品投入了大量的財(cái)力、物力、人力和時(shí)間，卻在商品化這一環(huán)節(jié)上出現(xiàn)問(wèn)題。商品化是所有機(jī)械設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，也是檢驗(yàn)機(jī)械設(shè)計(jì)成果最好的方法，所以在設(shè)計(jì)開(kāi)始就應(yīng)該做好市場(chǎng)調(diào)研和產(chǎn)品定位。機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)不是單單對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行"美化"設(shè)計(jì)，還要充分表現(xiàn)產(chǎn)品的功能、實(shí)用性、工藝設(shè)計(jì)和人機(jī)、環(huán)境之章的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，最終創(chuàng)造出造型美觀形式新穎，并具備有現(xiàn)代工業(yè)美感，可以擴(kuò)大產(chǎn)品銷(xiāo)路，創(chuàng)造出更高的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益。提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，從而推動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)持續(xù)發(fā)展。

結(jié)語(yǔ)

作為一名機(jī)械的設(shè)計(jì)師，我們一定要隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展的需求，不斷的豐富我們的設(shè)計(jì)思想、理論和方法，熟練的運(yùn)用現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)，來(lái)提升設(shè)計(jì)水平，從而促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展和變革，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

[1]覃文潔，程穎.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法概論[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2007.

[2]賈麗萍.機(jī)械工程中常規(guī)設(shè)計(jì)技術(shù)與現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的比較[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，20ll(24)：61.

[3]薛培軍，劉冬敏.基于機(jī)械產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)策略研究 [J].中州大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(4)：110-111.

[4]商昌橋.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)手段的未來(lái)發(fā)展之我見(jiàn)[J].哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007(5)：115-116.

[5]周龍.三維CAD技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討[J].考試周刊，2008(16)：167.

[6]劉占朝.淺談機(jī)電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].華章，2011(20)：261.

[7]劉福祿.機(jī)電一體化技術(shù)的內(nèi)涵與發(fā)展[J].重慶工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2009(3)：38-41.