現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計的理論基礎(chǔ)分析

熊衛(wèi)華

【摘 要】機(jī)械設(shè)計是一門融入多學(xué)科，多部門共同協(xié)作的任務(wù)[1]。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計理念是以經(jīng)驗為主導(dǎo)的單面式設(shè)計方法，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代工業(yè)和市場對研發(fā)的需求，于是人們提出了現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計理論。在現(xiàn)代化技術(shù)提高，智能化、自動化發(fā)展的今天，現(xiàn)代設(shè)計理論已經(jīng)有了長足的進(jìn)步，且在日新月異地發(fā)展。主要表現(xiàn)在電腦輔助設(shè)計（CAD）軟件在快速設(shè)計和虛擬仿真中的應(yīng)用，現(xiàn)代理論發(fā)展運用于機(jī)械設(shè)計理論等。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械設(shè)計；計算機(jī)輔助設(shè)計；仿真分析

1.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計理論概述

隨著現(xiàn)代化化技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)面臨著與日俱增的挑戰(zhàn)，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計也隨著人們的需求而提出更高的要求。在這種情況下，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計理論方法已不能滿足工廠的需要，一種更智能、更便捷、更合理的方法被提出——現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計理論。在短期的發(fā)展歷程中，有人提出現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計理論的幾大方向，包括：（1）信息論方法；（2）系統(tǒng)論法；（3）控制論法；（4）優(yōu)化論法；（5）對應(yīng)論方法；（6）智能論方法；（7）壽命論方法；（8）離散論方法；（9）模糊論方法；（10）突變論方法；（11）藝術(shù)論方法等。這些方法的引入，是基于現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，如計算機(jī)科學(xué)、現(xiàn)代測量理論、現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論等。

正是有了一系列現(xiàn)代化設(shè)計理論，機(jī)械設(shè)計在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)理論上有了質(zhì)的飛躍，與傳統(tǒng)設(shè)計理論相比，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計理論更加突出合理性、有據(jù)性和形象性。例如用CAD技術(shù)對機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計，使我們在短時間內(nèi)看到產(chǎn)品的外觀，可以在設(shè)計過程中邊建模邊分析，這樣對其形狀有一個比較形象的把握，而傳統(tǒng)上的機(jī)械設(shè)計方法只能憑設(shè)計人員的經(jīng)驗和想象力。在這方面，現(xiàn)代化機(jī)械設(shè)計方法要具有很多優(yōu)勢。

2.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計理論基礎(chǔ)與分析

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計理論主要包括四種：現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué)、計算機(jī)輔助設(shè)計、可信性設(shè)計、設(shè)計試驗技術(shù)。這些方法都是在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)實需要發(fā)展延伸而來的，是基于現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)和傳統(tǒng)設(shè)計理論而衍生的新的設(shè)計理論。

2.1現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué)

設(shè)計方法學(xué)是研究產(chǎn)品設(shè)計規(guī)律、設(shè)計程序及設(shè)計中思維和工作方法的一門綜合性學(xué)科。在傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計方法中，經(jīng)驗設(shè)計占據(jù)主導(dǎo)部分，人們根據(jù)經(jīng)驗對機(jī)器的整體外觀進(jìn)行想象化設(shè)計，然后由團(tuán)隊式進(jìn)行分析。而現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué)是在總結(jié)以往的設(shè)計規(guī)律，在此基礎(chǔ)上對要設(shè)計的產(chǎn)品進(jìn)行相似性分析，對以往設(shè)計方法加以利用。

現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué)包括并行設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計、功能設(shè)計、模塊化設(shè)計、模糊設(shè)計、價值工程、反求工程技術(shù)、質(zhì)量功能配置、綠色設(shè)計、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計、工業(yè)造型設(shè)計。并行設(shè)計是一種整體設(shè)計法，要求設(shè)計人員在初始階段便對產(chǎn)品的整個生命周期進(jìn)行考慮，包括產(chǎn)品的設(shè)計、改善使用、銷售、維修等方面的內(nèi)容。是設(shè)計者利用現(xiàn)代協(xié)作技術(shù)，多部門，多學(xué)科間的一種聯(lián)系，充分考慮產(chǎn)品生命周期內(nèi)的各種因素。模塊化設(shè)計是指將整個機(jī)械分為幾個功能模塊分別設(shè)計，在設(shè)計中只需考慮各模塊的功能和各模塊外部之間如何關(guān)聯(lián)。這樣的設(shè)計，不僅減少了單個設(shè)計人員的信息關(guān)注量，而且在使用客戶中也可以根據(jù)需要進(jìn)行甄別選取，然后組合使用，這樣既節(jié)省了單個勞動人員的工作量，又加快了設(shè)計速度，縮短產(chǎn)品設(shè)計流程，又避免了客戶對產(chǎn)品上的功能性浪費。這些現(xiàn)代化方法，都使設(shè)計更加便捷化，程序化，合理化。

2.2計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）

計算機(jī)輔助設(shè)計英文全稱為computer aided design，包括優(yōu)化設(shè)計、有限元法、智能計算機(jī)輔助設(shè)計、工程數(shù)據(jù)庫、虛擬設(shè)計和模擬仿真。計算機(jī)輔助設(shè)計是基于機(jī)械設(shè)計軟件如AutoCAD、Ansys、Solidworks等設(shè)計軟件的現(xiàn)代設(shè)計理論方法。

在目前的設(shè)計理論中，超前化設(shè)計之前是每個企業(yè)和設(shè)計人員必須學(xué)會的方法，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計軟件各種設(shè)計方法的利用，讓設(shè)計人員可以把想法在電腦上提前展示出來。然后再利用有限元軟件對產(chǎn)品的受力，溫度等進(jìn)行分析，進(jìn)行強(qiáng)度校核，這就大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期，而且虛擬的產(chǎn)品分析還可以降低設(shè)計成本。例如對一個機(jī)械手臂的設(shè)計中，設(shè)計人員首先將產(chǎn)品大致外觀用三維軟件solidworks進(jìn)行三維建模仿真，待裝配完成，對外觀及機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)上不合理的部分進(jìn)行初步改進(jìn)。待這些外觀結(jié)構(gòu)改善完畢，導(dǎo)入有限元分析軟件ansys，施加虛擬外力，對機(jī)械手臂各部件進(jìn)行可行性分析，強(qiáng)度、壽命是否能達(dá)到要求。這樣，一個機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計完畢，進(jìn)行試生產(chǎn)后，機(jī)械部分的設(shè)計成功率幾乎達(dá)到99%，這便是CAD技術(shù)的優(yōu)點。

2.3可信性設(shè)計

可信性的引入，是在機(jī)械設(shè)計技術(shù)成熟之后才提出的。包括安全設(shè)計、可靠性設(shè)計、動態(tài)分析與設(shè)計疲勞可靠性設(shè)計、防斷裂設(shè)計、減摩耐磨設(shè)計、防腐蝕設(shè)計、健壯設(shè)計、耐環(huán)境設(shè)計、維修性設(shè)計、測試性設(shè)計、人機(jī)工程設(shè)計。它融合了材料、斷裂力學(xué)、疲勞理論、數(shù)理統(tǒng)計等內(nèi)容的一個學(xué)科，比傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計復(fù)雜。

對于現(xiàn)代設(shè)計理論學(xué)說，可靠性設(shè)計的提出是在市場競爭下提出來的，它關(guān)系到一個產(chǎn)品的生命周期，以及在這個生命周期內(nèi)的平均修復(fù)時間等問題。設(shè)計人員在設(shè)計產(chǎn)品時，兼顧考慮產(chǎn)品的使用性能，并在這基礎(chǔ)上對產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加合理。可靠性設(shè)計包括兩種基本方法：定量化和定性化。定量化的方法要從故障（失效）的概率分布講起，如何能定量地設(shè)計、試驗、控制和管理產(chǎn)品的可靠性。定性方法則是經(jīng)驗為主，也就是要把過去積累處理失效的經(jīng)驗設(shè)計到產(chǎn)品中，使它具有免故障的能力。定性和定量方法是相輔相成的?？煽啃栽O(shè)計目的是在設(shè)計階段預(yù)測和預(yù)防所有可能發(fā)生的故障和隱患，消除于未然，把可靠性設(shè)計到產(chǎn)品中去。事前分析指出產(chǎn)品在運行中的故障診斷、檢測，和壽命預(yù)測技術(shù)，以保持運行的可靠性。事后分析指產(chǎn)品發(fā)生故障或失效后的分析，找出產(chǎn)品故障模式的原因，研究預(yù)防故障的技術(shù)。尤其是事前分析，這便是可靠性研究重點的重點，美國工業(yè)中90%的可靠性成本用于設(shè)計上，而且在提高可靠性方面已積累了不少經(jīng)驗和技術(shù)。

2.4設(shè)計試驗技術(shù)

機(jī)械設(shè)計試驗技術(shù)，是基于虛擬仿真技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的又一新興學(xué)科。在設(shè)計人員對產(chǎn)品外觀等設(shè)計完畢后，在電腦上對產(chǎn)品的可靠性驗證和運動仿真，發(fā)現(xiàn)需要改進(jìn)的方面后對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化。它包括環(huán)保性能試驗、仿真與虛擬試驗、可靠性試驗。

設(shè)計試驗技術(shù)理論，要求事先制定好試驗指標(biāo)，即判斷試驗結(jié)果是否達(dá)到預(yù)期效果的技術(shù)性指標(biāo)。這些指標(biāo)要求定量定性，以求得到的結(jié)果更具有科學(xué)性和可比較性。在這些技術(shù)里，關(guān)鍵在于檢測技術(shù)，如有限元軟件的引入，虛擬仿真軟件的運用等。設(shè)計人員在建模完成后可以對產(chǎn)品各部件的運動輸入計算機(jī)，計算機(jī)根據(jù)大量的計算得到產(chǎn)品的運動特性，受力特點。設(shè)計人員便可以形象直觀的知道產(chǎn)品各方面特性。這種虛擬試驗的好處便是縮短設(shè)計周期，降低研發(fā)成本，減小設(shè)計人員工作量。他的理論基礎(chǔ)是計算機(jī)運動關(guān)系分析和受力分析。

3.結(jié)論

面對市場上日益劇烈的競爭，機(jī)械設(shè)計者不僅面臨技術(shù)上的競爭，還要進(jìn)行時間上的賽跑，而現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計技術(shù)正是在這方面要求的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，它是在現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)，現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，在機(jī)械設(shè)計上一種革新式的新理論。

我國現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計技術(shù)發(fā)展較晚，起步較慢，很多理論方法引子國外，技術(shù)上目前也比較落后，但最近經(jīng)過努力，很多從業(yè)人員在這方面做了大量研究。例如70年代興起的反求工程，很大程度上縮短了我國研發(fā)新產(chǎn)品的周期，加快了機(jī)械行業(yè)的發(fā)展速度。CAD軟件在各公司已經(jīng)普及，虛擬仿真技術(shù)等早已運用到實際設(shè)計研發(fā)過程中。現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計理論，已經(jīng)給機(jī)械設(shè)計行業(yè)帶來了一種革命，在不久的將來，新的技術(shù)必定會有這些理論衍生并應(yīng)用，帶來更多的方便。