現(xiàn)代機械設計方法

周崇

【摘 要】隨著科學技術(shù)的發(fā)展，社會的進步，現(xiàn)代機械產(chǎn)品的設計除了在質(zhì)量上的要求外，還注重機械產(chǎn)品的創(chuàng)新性?，F(xiàn)代機械設計方法的提出就是為了提高機械產(chǎn)品的設計質(zhì)量、縮短機械產(chǎn)品的設計時間和提高機械產(chǎn)品的設計效率，并且設計出的產(chǎn)品滿足產(chǎn)品設計的經(jīng)濟性、環(huán)保性、適應性和可靠性的要求。與傳統(tǒng)機械設計方法相比，現(xiàn)代機械設計方法有設計周期短、耗費低、主動性強和綠色環(huán)保等特點，它所設計的產(chǎn)品在功能、結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的外觀方面都有明顯的進步。

【關(guān)鍵詞】機械設計；現(xiàn)代設計；傳統(tǒng)設計

機械設計是根據(jù)產(chǎn)品的使用要求對機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、運動形式、工作原理、潤滑方式等進行分析、計算和設計并將這些方法應用到具體的設計過程的方法。傳統(tǒng)的機械設計方法也稱常規(guī)機械設計方法，是需要設計人員去檢索資料、手工計算和繪圖，設計周期長，設計質(zhì)量不高的產(chǎn)品設計方法。隨著科學科學技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品迅速的更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的機械設計方法已不能滿足機械設計人員的設計要求，這就提出了現(xiàn)代機械設計方法。現(xiàn)代機械設計方法是對傳統(tǒng)機械設計方法的完善和改變，它以發(fā)展并完善設計理論、改進產(chǎn)品的設計方法、提高設計產(chǎn)品的質(zhì)量和縮短設計周期為目標為宗旨，包含了創(chuàng)造性設計方法、系統(tǒng)分析設計方法、優(yōu)化設計方法、有限元分析方法、反求工程設計等。

1.傳統(tǒng)機械設計方法與現(xiàn)代機械設計方法

傳統(tǒng)機械設計的方法是以設計人員對于所設計產(chǎn)品的理論認知和工作經(jīng)驗為基礎(chǔ)而進行靜態(tài)、直覺的設計。（1）產(chǎn)品的理論認知來自于長期的設計經(jīng)驗和實驗結(jié)果，是固定不變的。但現(xiàn)實社會往往是復雜多變的，這就存在設計出的產(chǎn)品考慮不全面，存在安全隱患，我們用安全系數(shù)來概述。如果選擇的安全系數(shù)過大，則投入產(chǎn)品的資金就會增加，成本增加；如果選擇的安全系數(shù)過小，則在保證產(chǎn)品的安全性方面很難做到。（2）工作經(jīng)驗是設計人員根據(jù)所設計產(chǎn)品已經(jīng)存在的設計過程和經(jīng)驗公式，或設計人員本身的設計思路與同類或者相似產(chǎn)品的設計方法進行類比。隨著不斷提高的產(chǎn)品技術(shù)含量，設計體系變的越來越復雜，傳統(tǒng)的機械設計方法已不能滿足產(chǎn)品的更新速度和市場的需求。

以思維科學、設計理論系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)，計算機為工具的現(xiàn)代機械設計方法出現(xiàn)了。與傳統(tǒng)機械設計方法相比，現(xiàn)代機械設計方法是動態(tài)，科學的?，F(xiàn)代機械設計方法設計出的產(chǎn)品比傳統(tǒng)機械設計方法所設計出的產(chǎn)品在質(zhì)量上更可靠、更安全，在外觀上更自然、更吸引人，在總體功能上更人性化。顯然，現(xiàn)代機械設計方法具有很多傳統(tǒng)機械設計方法不能比的特點：（1）隨著社會的發(fā)展，產(chǎn)品的更新?lián)Q代很快，設計人員要不斷的改善舊產(chǎn)品推出新產(chǎn)品。而在新產(chǎn)品的開發(fā)過程中，被動的傳統(tǒng)機械設計方法已不能滿足要求，需要主動性比較強的現(xiàn)代機械設計方法來適應。（2）現(xiàn)代社會的消費群體在追求先進產(chǎn)品的同時還要求產(chǎn)品的綠色環(huán)保性。傳統(tǒng)的機械設計方法追求的是產(chǎn)品本身的質(zhì)量和預定功能，而現(xiàn)代機械設計方法在追求產(chǎn)品預定性能的基礎(chǔ)上還要考慮產(chǎn)品在原料的選取、工件的加工、產(chǎn)品的裝配、產(chǎn)品的使用到產(chǎn)品的報廢回收都需要考慮和環(huán)境的關(guān)系，保證產(chǎn)品的綠色性。（3）傳統(tǒng)機械設計方法一般先根據(jù)設計思路制定出第一套方案并做出樣機，然后對樣機進行試驗、評定并且不斷的修改直到滿意而形成第二套方案，期間耗費高、時間周期長?，F(xiàn)代機械設計方法依據(jù)各種既定的條件，綜合運用優(yōu)化設計的方法，借助計算機軟件設計仿真出產(chǎn)品，設計周期短，耗資低。

2.現(xiàn)代機械設計方法

現(xiàn)代機械設計方法實際上是把科學方法論運用到機械設計當中，它是以設計出的產(chǎn)品為目標的一系列設計方法和先進技術(shù)手段的完美結(jié)合?，F(xiàn)代機械設計方法在不斷的完善和改變中，但它以發(fā)展并完善設計理論、改進產(chǎn)品的設計方法、提高設計產(chǎn)品的質(zhì)量和縮短設計周期為目標的宗旨是不會改變的。經(jīng)歸納總結(jié)現(xiàn)代機械設計方法有創(chuàng)造性設計方法、系統(tǒng)分析設計方法、優(yōu)化設計方法、有限元分析方法、反求工程設計等。

2.1系統(tǒng)分析設計方法

傳統(tǒng)的分析設計方法一般是把要設計的對象分成獨立的幾部分來分別進行研究。因為各個部分的研究人員不能及時交流，導致所設計對象的各個部分是獨立的，所以得出的結(jié)論往往是片面的、不完整的?，F(xiàn)代系統(tǒng)分析設計方法把所設計的對象看成是一個完整的系統(tǒng)，用系統(tǒng)工程的方法來進行研究，并且在尋求最佳的設計方案時還要考慮產(chǎn)品或系統(tǒng)的制造過程和運行情況。即系統(tǒng)分析設計應同時考慮系統(tǒng)的開發(fā)、系統(tǒng)的制造和系統(tǒng)的運行這三個部分，只有這樣才能驗證出產(chǎn)品的設計效果。

2.2優(yōu)化設計方法

現(xiàn)代化的優(yōu)化設計方法已不再是傳統(tǒng)的那種根據(jù)設計人員的經(jīng)驗或直觀想法來確定結(jié)構(gòu)方案，也不是再滿足所設計產(chǎn)品要求的前提下，先確定設計方案再根據(jù)安全準則對產(chǎn)品的強度、剛度和壽命等分析計算，然后確定產(chǎn)品的尺寸等；而是不僅要考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計還要同時考慮產(chǎn)品的運輸和產(chǎn)品的流通等各個方面?，F(xiàn)代機械優(yōu)化設計方法包含建立優(yōu)化設計的數(shù)學模型和選擇恰當?shù)膬?yōu)化設計的方法。因為優(yōu)化設計方法是根據(jù)在尋求數(shù)學模型的解決方法時得到產(chǎn)品解決的最優(yōu)方案，所以設計人員要根據(jù)所設計產(chǎn)品的要求建立相應的數(shù)學模型，而數(shù)學模型一旦建立后，機械問題就變成了一個數(shù)學問題。設計人員根據(jù)數(shù)學模型的特點選擇合適的優(yōu)化設計方法，然后借助計算機軟件等工具求出數(shù)學解，然后把求出的解應用到機械產(chǎn)品中，滿足產(chǎn)品設計的要求。

2.3有限元分析方法

有限元分析方法是隨著計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代化設計計算方法，它首先是應用在連續(xù)力學領(lǐng)域的數(shù)值分析方法，隨后隨著計算機的快速發(fā)展而擴展到熱、磁等連續(xù)性分析領(lǐng)域。有限元分析方法的原理是將要分析的產(chǎn)品劃分為有限的、獨立而又相互聯(lián)結(jié)的部分，這些部分一般都是常見的形狀，比如在有限元分析軟件ANSYS中，被分析的產(chǎn)品如果是平面則最好劃分為四邊形，如果是立體則最好劃分為六面體。劃分好單元后設計人員需要確定所分析產(chǎn)品的各個變量，然后建立單元函數(shù)進行單元求解，最后聯(lián)立單元方程求解。概括起來說有限元分析方法可以分為三個階段：前處理階段是建立有限元模型并進行網(wǎng)格劃分；處理階段是進行參數(shù)的確定和單元的計算；后處理階段是提取分析結(jié)果，得出結(jié)論。

2.4反求工程設計

反求工程也稱為逆向工程，它是以先進的產(chǎn)品為研究對象，通過現(xiàn)代設計方法進行研究分析，探索并掌握產(chǎn)品應用的先進技術(shù)，然后設計出同類的先進產(chǎn)品的一系列方法和技術(shù)的總稱。我國是制造業(yè)大國而非制造業(yè)強國，要想達到制造業(yè)強國關(guān)鍵是人才和技術(shù)，外國有很多機械設計方法和技術(shù)領(lǐng)先于我們，但他們對我國采取封鎖的政策。研究表明運用反求工程設計掌握先進產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)可以使設計人員的研究周期縮短百分a之四十以上，極大的提高了設計速度。可見研究反求工程設計對我國的技術(shù)發(fā)展有很重要的意義。一個先進成熟的產(chǎn)品，要在了解掌握原設計的基礎(chǔ)上設計出同類有競爭性的新產(chǎn)品也是有一定的難度的，所以反求工程是一種先被動后主動的創(chuàng)造性活動，并非產(chǎn)品設計的逆過程。

3.結(jié)論

現(xiàn)代機械設計方法是對傳統(tǒng)機械設計方法的完善和補充，它是一個主動性很強、設計周期短、耗費低的系統(tǒng)?，F(xiàn)代機械設計方法無論在產(chǎn)品的設計還是產(chǎn)品的制造和報廢回收都優(yōu)于傳統(tǒng)的機械設計方法?，F(xiàn)代機械設計方法是將許多領(lǐng)域和學科的知識在實際的產(chǎn)品設計中得到了完美的融合，它不僅僅是一個人的單獨設計，而是一個設計團隊的所有設計人員都應該掌握并能在實際的設計過程中應用現(xiàn)代機械設計的方法，并且每個設計人員應該互相了解，這樣才能設計出完美的產(chǎn)品。