論現(xiàn)代機械設計的特點及設計手段的未來發(fā)展趨勢

王艷

【摘 要】隨著計算機技術(shù)在制造業(yè)中的廣泛應用，機械設計也隨之發(fā)生了革命性的變化，現(xiàn)代機械技術(shù)給制造業(yè)帶來了全新的局面，各種設計技術(shù)、計算技術(shù)、設計工具乃至新材料、新工藝在產(chǎn)品制造中得到了應用，縮短了產(chǎn)品周期，提高了產(chǎn)品的性能與質(zhì)量。本文闡述了現(xiàn)代機械設計的特點及設計中常見的設計手段，大膽展望了未來機械設計的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)代機械設計；計算機輔助設計；設計手段；發(fā)展趨勢

1.現(xiàn)代機械設計優(yōu)越性

機械設計是為實現(xiàn)某一使用功能，同時考慮其運動可能性、制造可能性、經(jīng)濟可能性，從而構(gòu)思一種具有一定創(chuàng)新的機械產(chǎn)品的過程。傳統(tǒng)的設計技術(shù)受低劣的設備條件和落后的技術(shù)方法所限，只能在保守的觀念下，依據(jù)粗略的驗算甚至估計，通過大量的簡化和靜止化假設完成機械工程設計，它必然使設計存在隨意性，對個人的經(jīng)驗和習慣的依賴性極大，極難實現(xiàn)合理、準確和高效的設計?，F(xiàn)代設計技術(shù)充分利用了當今迅速發(fā)展起來的計算機技術(shù)、計算技術(shù)、應用數(shù)學和力學、電子學、測試和分析技術(shù)，使設計技術(shù)有可能從經(jīng)驗的、靜止的和隨意性很大的傳統(tǒng)設計變?yōu)榛谟嬎銛?shù)據(jù)、知識工程或?qū)＜蚁到y(tǒng)的、動態(tài)的現(xiàn)代設計。這需要充分收集、分析和檢索必要的信息、快速的數(shù)值運算和方案尋優(yōu)，因而必然大規(guī)模地使用CAD技術(shù)和人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。

現(xiàn)代設計雖然大體上繼承了傳統(tǒng)設計的原則和步驟、價值分析法則和指標、造型設計標準和觀念、類比設計思想、組合/分解方法等但科技發(fā)展對設計技術(shù)的促進使之不可能一成不變地沿襲舊有模式，而是幾乎在產(chǎn)品設計全周期的各階段，都應引入現(xiàn)代科技成果和工具，使用各學科的新發(fā)現(xiàn)、新觀念。在計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、圖形圖象處理和傳輸技術(shù)基礎(chǔ)上組建“計算機支持的協(xié)同工作”（CSCW，ComputerSupportingCooperationWorking）環(huán)境以綜合集體的智慧；用系統(tǒng)工程的觀點乃至大系統(tǒng)理論對問題進行分解簡化或綜合分析。而在隨后的分析計算和優(yōu)化設計階段（或者總稱詳細設計階段），應以彈性力學為基礎(chǔ)，以有限元分析系統(tǒng)為工具進行機械結(jié)構(gòu)的應力/應變分析和強度計算，以塑性力學、材料力學為基礎(chǔ)，以有限元方法、計算機數(shù)字仿真和圖形仿真技術(shù)為手段，進行針對材料屈曲和塑性破壞的極限設計；以振動理論、強化試驗理論和安全壽命預測理論為基礎(chǔ)，在計算機系統(tǒng)支持下完成針對疲勞損傷的疲勞設計。由此可見，現(xiàn)代設計技術(shù)的相關(guān)學科領(lǐng)域除上述傳統(tǒng)設計過程中涉及的技術(shù)門類外，還融進了計算機仿真技術(shù)、隨機振動與動態(tài)載荷分析、模塊化設計、優(yōu)化設計、計算機輔助設計、有限元分析、動態(tài)試驗及其強化、計算機信息交換方法和標準等，其中，動態(tài)、優(yōu)化和計算機化是其核心。

2.現(xiàn)代機械設計特點

現(xiàn)代設計技術(shù)具有以下特點：一是智能化。大型復雜機械的設計必須完成“分析—分解—綜合”的過程。其中包含了大量創(chuàng)造性思維過程和智能活動。二是經(jīng)濟性，市場的競爭、用戶的選擇使對產(chǎn)品的經(jīng)濟性要求越來越高。三是并行性。必須超前考慮后續(xù)過程，實現(xiàn)DFM、DFA，以壓縮廢品、庫存的消耗，確保上述經(jīng)濟性。四是集成化。即樹立人—機一體化、機—電一體化、硬件—軟件一體化觀念，綜合多方面測試分析數(shù)據(jù)指導、評價設計，融多種現(xiàn)代科技成果和技術(shù)，特別是CAD技術(shù)于機械產(chǎn)品之中。五是精確性。這是機械工程產(chǎn)品復雜度、綜合性提高的必然結(jié)果，現(xiàn)代先進的計算技術(shù)、計算理論和計算分析工具的使用也使之得以迅速提高。六是動態(tài)性。不僅分析設計對象要從動態(tài)的觀點出發(fā)，設計組織的合作協(xié)調(diào)也具有動態(tài)性，后者要求設計數(shù)據(jù)集成、設計系統(tǒng)無縫連接。

3.計算機輔助設計技術(shù)的發(fā)展趨勢

從目前的情況來看，CAD技術(shù)主要應用于機械設計的以下諸方面：幾何建模、工程分析（如結(jié)構(gòu)分析中的應力/應變計算，動態(tài)特性、熱傳導特性分析等）、設計審查與評價（如公差分配審查、干涉檢查、運動仿真等）、計算機輔助繪圖、工程數(shù)據(jù)庫的建立及其操作和工程設計信息的處理、檢索和交換等。然而，機械設計是一種反復改進、分析評價的創(chuàng)造過程。這一過程具有以下特征：一是創(chuàng)造性，針對市場需求或用戶需求構(gòu)思出具有一定創(chuàng)意的產(chǎn)品模型；二是多解性，建模中材料、用戶對象、設計標準、經(jīng)濟指標等的差異均可導致迥然不同的設計結(jié)果；三是近似性，不論計算手段多么先進、設計工具多么強有力，也必須進行必要的簡化近似。這些特性在機械設計過程中非常突出，但又沒有確定的數(shù)學模型，也難以得出明確的解答，現(xiàn)有CAD技術(shù)因此在其中尚無用武之地。由于具有上述特征的工作基本上集中在設計過程的早期，其中構(gòu)思的優(yōu)劣、設計目標選擇的合理與否，對后續(xù)工作的影響不論在深度還是廣度上都非常大。為了在機械工程設計的早期最大限度地將工程技術(shù)人員從繁瑣無序的摸索嘗試中解放出來，從而充分發(fā)揮人類卓越的創(chuàng)造力，同時綜合運用人類多年積累的知識成果，發(fā)揮設計組織的集體智慧，必須將繁雜的數(shù)值計算、知識信息的傳送處理和檢索、簡單而又眾多的判斷等工作盡可能地交給計算機完成。因此，CAD技術(shù)必須向智能化、信息集成化、信息交換接口標準化和CAD/CAM一體化方向發(fā)展。可以預見，隨著近年來人工智能、知識庫數(shù)據(jù)庫技術(shù)、信息集成與交換技術(shù)的飛速發(fā)展和信息交換標準的擬定、發(fā)展與完善，CAD技術(shù)正在向智能化、信息集成化、信息交換接口標準化方向發(fā)展，它在機械設計過程中的應用也趨于向設計早期深入。

人工智能在CAD技術(shù)的智能化中起著突出的作用，人工智能與CAD技術(shù)相結(jié)合的一切研究，幾乎都圍繞著提高CAD系統(tǒng)的創(chuàng)造力而展開?；诜独评淼脑O計，基于約束滿足的設計等方法的廣泛應用，導致了智能CAD技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。其中具有一定智能的專家系統(tǒng)主要以兩種形式存在，即用于方案綜合和設計評價。近年來還出現(xiàn)了處理設計條件描述不充分問題的基于神經(jīng)網(wǎng)絡的設計方案推導系統(tǒng)，以及針對機械工程設計多解性的模糊設計、模糊評判方法。

隨著工程設計項目規(guī)模和設計隊伍的擴大，設計周期的縮短，以及DFM、DFA模式的引入，關(guān)于設計系統(tǒng)內(nèi)部信息共享的要求日益迫切。信息集成包括MIS（管理信息系統(tǒng)）、DSS（決策支持系統(tǒng)）、CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)共享及其完整性、安全性和一致性維護。然而，實現(xiàn)這一目標的困難在于：設計中大量存在非結(jié)構(gòu)化、非定長的多媒體信息，如工程圖樣、產(chǎn)品樣品圖象、關(guān)于用戶調(diào)查及產(chǎn)品評價的錄音等，對他們的有效管理必須借助于多媒體數(shù)據(jù)庫。雖然目前用于商業(yè)和教育的多媒體數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)已進入實用階段，但支持工程設計的多媒體工程數(shù)據(jù)庫（EDB）還有許多問題尚待研究。因此，為了減輕網(wǎng)絡負載，必須解決Client/Server環(huán)境下智能化多庫協(xié)同問題，多媒體信息傳輸、播放的同步問題等。CAD系統(tǒng)集成化的另一途徑是信息交換接口的標準化。為此，已先后產(chǎn)生了IGES、PDES、STEP等信息交換標準，目前它們還在進一步發(fā)展完善中。

4.結(jié)束語

總之，隨著計算機輔助設計在機械設計中應用的不斷深化，現(xiàn)代產(chǎn)品制造過程將會向更加智能化、集成化、人性化的方向發(fā)展，市場的競爭也將會不斷對產(chǎn)品提出更高的要求。計算機輔助技術(shù)在機械設計的應用中將會越來越廣泛，促進制造業(yè)融入更多人工智能的因素，更加人性化和高效化。