現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論方法與研究進(jìn)展探討

莫建剛

【摘 要】本文簡述了現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論方法的相關(guān)內(nèi)容，分析了我國現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論方法的發(fā)展方向，以作理論交流。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械設(shè)計(jì)理論；設(shè)計(jì)方法；發(fā)展趨勢

自從我國加入WTO以來，我國制造業(yè)也開始向國際化水準(zhǔn)靠攏，市場競爭不斷升級，市場對機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、功能、性價比以及外形的多樣化和個性化提出了更高的要求，同時由于環(huán)境資源的制約，要求市場上有更多資源節(jié)約型、可持續(xù)發(fā)展的機(jī)械產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。這代表我們在新的市場形態(tài)中面臨著新的機(jī)遇，同時又存在著極大的危機(jī)。因此，提高我國制造業(yè)的生產(chǎn)水平，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，滿足國際化、動態(tài)化、環(huán)?；母咝阅芨哔|(zhì)量產(chǎn)品要求，成為時下我國制造業(yè)的一大重要任務(wù)。加強(qiáng)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論方法的研究比以往任何時期都更加顯得十分重要。

1.我國現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論和方法的現(xiàn)狀

據(jù)2010 年統(tǒng)計(jì)，我國制造業(yè)的工業(yè)增加值已居世界第二位，這說明中國已經(jīng)成為世界制造大國，但遠(yuǎn)不是世界制造強(qiáng)國。 這是因?yàn)槲覈臋C(jī)械產(chǎn)品不僅缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)，缺乏自主創(chuàng)新產(chǎn)品，而且在產(chǎn)品的性能和質(zhì)量上與發(fā)達(dá)國家的差距較大。改革開放后，我國的機(jī)械設(shè)計(jì)水平雖然有較大的進(jìn)步，但與發(fā)達(dá)的美德日等工業(yè)化強(qiáng)國相比，仍然相當(dāng)于他們六七十年代的水平。我國機(jī)械制造業(yè)的落后說明了我國在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論、方法和技術(shù)領(lǐng)域的落后，這也說明了加快發(fā)展我國機(jī)械產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論方法研究的重要性和緊迫性。

二十世紀(jì)八九十年代，我國機(jī)械行業(yè)為了打造“數(shù)字化”和“信息化”工廠，許多企業(yè)花巨資購買了世界高端的CAD/CAM/CAE 軟件，如AUTOCAD、PR0/E、UG、ANSYS和ADAMS 等，并培訓(xùn)了一大批機(jī)械設(shè)計(jì)人員。但很多企業(yè)在CAD 應(yīng)用的深度和廣度仍有很大局限性，他們僅僅是利用CAD 進(jìn)行工程繪圖，只實(shí)現(xiàn)了機(jī)械設(shè)計(jì)的“甩圖板”目的，而三維CAD/CAM/CAE、仿真設(shè)計(jì)等應(yīng)用卻很少。采用先進(jìn)的CAD 軟件進(jìn)行工程繪圖或做產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算，確實(shí)能減輕設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，提高機(jī)械設(shè)計(jì)效率，但機(jī)械設(shè)計(jì)不等于計(jì)算，也不等于機(jī)械制圖加計(jì)算，它并不能從根本上解決中國目前機(jī)械設(shè)計(jì)水平低下的問題。在機(jī)械產(chǎn)品生命全周期中，由于設(shè)計(jì)成本只占制造總成本的3%左右，而設(shè)計(jì)階段決定了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能、質(zhì)量、成本、可制造性、可維修性等主要性能指標(biāo)，所以設(shè)計(jì)階段決定了產(chǎn)品整個成本的70%左右，制造階段及后續(xù)其他相關(guān)階段只決定約30%的總成本。因此大力開展現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論方法的研究，并把現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論方法在我國制造業(yè)中推廣使用顯得非常有必要。

2.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法理論的范疇

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論和方法是對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的繼承、創(chuàng)新和發(fā)展，它是將機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和管理科學(xué)等有機(jī)地加以綜合，形成的一門多學(xué)科、多專業(yè)相互交融的系統(tǒng)設(shè)計(jì)科學(xué)。如果從系統(tǒng)的觀點(diǎn)分析，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論和方法又是一個由時間維、邏輯維、方法維組成的三維系統(tǒng)。時間維反映了產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和加工設(shè)計(jì)流程的時間順序；邏輯維是指解決問題的邏輯步驟，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)采取先分析、再綜合、然后評價、最后決策的步驟；方法維是指機(jī)械設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)過程中的各種思維方法和工作方法?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)采用各種先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論方法，使機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)入優(yōu)質(zhì)、高效和創(chuàng)新的新時代?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)具有的范疇如下：（1）信息論方法。如信息分析法，技術(shù)預(yù)測等。（2）系統(tǒng)論法。如系統(tǒng)分析法，人機(jī)工程等。（3）控制論法。如動態(tài)分析法等。（4）優(yōu)化論法。它是現(xiàn)代設(shè)計(jì)法的目標(biāo)。（5）對應(yīng)論方法。如相似設(shè)計(jì)、反求工程設(shè)計(jì)等。（6）智能論方法。如CAD，計(jì)算機(jī)輔助分析等，它是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的核心。（7）壽命論方法，如可靠性和價值工程等。（8）離散論方法。如有限元和邊界元方法。（9）模糊論方法。如模糊評價和決策等。（10）突變論方法。如創(chuàng)造性設(shè)計(jì)等，它是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)。（11）藝術(shù)論方法。如藝術(shù)造型等。

3.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法理論的特點(diǎn)

傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)者是根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的任務(wù)和目標(biāo)，以生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，運(yùn)用一些基本的設(shè)計(jì)計(jì)算理論，采用模擬、類比、試湊等方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于試驗(yàn)和測試條件差、技術(shù)水平低，整機(jī)的性能分析也難以深入，因此新產(chǎn)品的研發(fā)往往需要經(jīng)多次試驗(yàn)和修改，從而造成產(chǎn)品設(shè)計(jì)時間長、耗費(fèi)大、所謂滿意往往帶有很大的主觀性等問題。而現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法是在多學(xué)科（思維科學(xué)、信息科學(xué)、系統(tǒng)工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科）支持下，研究機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)律、設(shè)計(jì)技術(shù)和工具、設(shè)計(jì)實(shí)施方法的工程技術(shù)科學(xué)，它具有下列特點(diǎn)：

（1）創(chuàng)新性。創(chuàng)新是一個國家和民族的靈魂，是生存、發(fā)展壯大的前提。現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)依托的是先進(jìn)設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)工具，它能使設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造性思維能力得到充分發(fā)揮，使設(shè)計(jì)者靈活運(yùn)用各種創(chuàng)造性的手法，開發(fā)出高質(zhì)量、低成本、服務(wù)優(yōu)且符合環(huán)保概念的產(chǎn)創(chuàng)新品。

（2）系統(tǒng)性。 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)注重用系統(tǒng)的觀點(diǎn)來看待設(shè)計(jì)問題它既考慮產(chǎn)品本身，還考慮對系統(tǒng)和環(huán)境的影響，即注重人-機(jī)-環(huán)境的大系統(tǒng)關(guān)系。

（3）動態(tài)性。傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)只考慮產(chǎn)品的的靜態(tài)特性，而現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)需要同時考慮產(chǎn)品的靜態(tài)和動態(tài)特性。

（4）前瞻性。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)不僅考慮產(chǎn)品生命周期的全過程和各個階段的性能要求，同時還考慮系統(tǒng)和環(huán)境的影響。這種具有前瞻性的設(shè)計(jì)可以讓人們及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的潛在缺陷，將可能發(fā)生的機(jī)械故障減小到最低程度，它能保證自然生態(tài)資源的平衡，實(shí)現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展。例如，電動汽車的出現(xiàn)就是一個反映現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)具有前瞻性的例證，在電動汽車設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員既考慮了有關(guān)電動汽車的技術(shù)問題，又考慮了駕駛操作方便、乘客安全舒適以及動力燃料供應(yīng)、城市布局、道路發(fā)展規(guī)劃等社會問題。

（5）多學(xué)科理論和技術(shù)的交融性。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論方法是一門新興的綜合性交叉學(xué)科，它交叉與融合了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)、可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)、有限元方法、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、工業(yè)造型設(shè)計(jì)等多種學(xué)科。例如，可靠性設(shè)計(jì)涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用、管理、貯存、運(yùn)輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)，它是將概率與統(tǒng)計(jì)理論、失效物理和機(jī)械學(xué)等多種學(xué)科有機(jī)相結(jié)合起來的一門綜合性很強(qiáng)的科學(xué)。由于現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論方法具有多學(xué)科理論和技術(shù)的交融性，因此現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)減小了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的盲目性和隨意性，提高了設(shè)計(jì)的主動性、科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

（6）并行化、自動化、計(jì)算機(jī)化。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式是由許多部門用串行工作方法參與設(shè)計(jì)，由于信息是串行的，采用人工檢索資料、手工計(jì)算和繪圖，因此易造成大量返工，且質(zhì)量難保證，設(shè)計(jì)過程漫長?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是新理論與計(jì)算機(jī)應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物，采用計(jì)算機(jī)化后可進(jìn)行并行設(shè)計(jì)，可把人們的經(jīng)驗(yàn)、智慧和創(chuàng)造力與計(jì)算機(jī)高速運(yùn)算的功能有機(jī)地結(jié)合起來。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展以及工程數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，機(jī)械設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性大大提高，提高了工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)效率，設(shè)計(jì)手段也更加精確，設(shè)計(jì)方法更加現(xiàn)代化。

4.我國現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論和方法的發(fā)展方向

隨著市場需求的多元化與產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，我國現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論方法的發(fā)展也在不斷的發(fā)生變化?？傮w來說，我國現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論方法將在以下幾個方向進(jìn)行發(fā)展：（1）在性能上向高精度、高效率、智能化的方向發(fā)展；（2）在功能上向小型、輕型、多功能化方向發(fā)展；3）在層次上向集成化方向發(fā)展。具體來說，我國現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論方法的發(fā)展機(jī)械設(shè)計(jì)對象由單機(jī)走向系統(tǒng)，設(shè)計(jì)要求由單目標(biāo)走向多目標(biāo)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期縮短；設(shè)計(jì)所涉及的領(lǐng)域由單一領(lǐng)域走向多個領(lǐng)域；產(chǎn)品設(shè)計(jì)由自由發(fā)展走向有計(jì)劃的發(fā)展；設(shè)計(jì)工作的人員從單人走向小組；設(shè)計(jì)的發(fā)展要適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展；綠色設(shè)計(jì)思想。

5.結(jié)論

隨著現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論的更新，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)也將會不斷進(jìn)步，現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的高性能高質(zhì)量實(shí)用環(huán)保是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法先進(jìn)性、科學(xué)性的最好體現(xiàn)。加強(qiáng)對現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論方法的研究力度，促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)水平的提高，對我國制造行業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著重要意義。