研析機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展史

年濤

摘要：人類文明的進(jìn)步與社會(huì)的發(fā)展離不開(kāi)機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展，本文從機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展史入手，介紹了機(jī)械設(shè)計(jì)發(fā)展的四階段，著重介紹了發(fā)展期與成熟期。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)；發(fā)展歷史；生產(chǎn)方式；近現(xiàn)代；機(jī)械化

前言

于人類的起源之中，工具的出現(xiàn)使得人類社會(huì)的發(fā)展不斷加快，尤其是近現(xiàn)代。人類的出現(xiàn)伴隨著工具的不斷演化與發(fā)展，直到十八世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)才出了技術(shù)特征明顯的專門為工業(yè)生產(chǎn)而運(yùn)用的成體系的機(jī)械設(shè)計(jì)。于工業(yè)革命初期，英國(guó)人Smeaton J 對(duì)英國(guó)人Newcornen T 發(fā)明的各種功率蒸汽機(jī)以系統(tǒng)分析，整理出了相關(guān)的計(jì)算公式。Watt J就是基于其工作研發(fā)出來(lái)了新一代的蒸汽機(jī)。隨后的機(jī)械設(shè)計(jì)雖然多有曲折，但是還是逐漸奠定了一定的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)與科學(xué)基礎(chǔ)，體系不斷完整?，F(xiàn)在大規(guī)模機(jī)械化與自動(dòng)化生產(chǎn)已經(jīng)將個(gè)體手工勞動(dòng)之生產(chǎn)方式所替代，尤其是電子計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展使得生產(chǎn)的產(chǎn)品更加高質(zhì)且成本低。從主要工業(yè)國(guó)家的發(fā)展歷程來(lái)看，其主要分為四階段。

1.第一階段之搖籃期：設(shè)計(jì)公式下的經(jīng)典設(shè)計(jì)

此階段是從工業(yè)革命至第二次世界大戰(zhàn)之間的時(shí)間，機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)主要發(fā)生在歐美，其設(shè)計(jì)是依靠經(jīng)典設(shè)計(jì)公式所進(jìn)行的組合來(lái)進(jìn)行。這期間力學(xué)的各個(gè)分支得到了發(fā)展，同時(shí)機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，奠定了機(jī)械設(shè)計(jì)的試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)與理論研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，并確立了最基本的觀念與形成了基本體系。例如1893年美國(guó)人Lewis W發(fā)表了“齒形系數(shù)”之?dāng)?shù)據(jù)圖表，雖然此后齒輪的制造方法與材料變化很大，但是該圖標(biāo)到現(xiàn)在依然可以使用，在現(xiàn)在的機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中占有重要地位。

2 .第二階段之成長(zhǎng)期：經(jīng)驗(yàn)下的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

此階段涵蓋第二次世界大戰(zhàn)以及1960年以前這段時(shí)間，主要地點(diǎn)為美國(guó)，屬于機(jī)械工業(yè)在數(shù)量上擴(kuò)大生產(chǎn)的階段。此階段下的機(jī)械設(shè)計(jì)，以模型試驗(yàn)和實(shí)機(jī)試驗(yàn)來(lái)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這個(gè)階段的日本尤為惹人注目，因?yàn)槠湓谖迨甏鷮覍覐拿绹?guó)引入技術(shù)，在某種程度上可以說(shuō)日本是歐美機(jī)械化的另一個(gè)翻本，也就是日本人所稱的“模仿設(shè)計(jì)”階段。第二次世界大戰(zhàn)之后，世界經(jīng)濟(jì)開(kāi)始復(fù)蘇，經(jīng)典設(shè)計(jì)之方法與理論不斷完備使得機(jī)械工業(yè)的發(fā)展有了極大的提升。在機(jī)械設(shè)計(jì)之中，其主要囊括兩大方面，即機(jī)能設(shè)計(jì)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)。其中強(qiáng)度設(shè)計(jì)兼顧三個(gè)方面，即彈性設(shè)計(jì)、極限設(shè)計(jì)和疲勞設(shè)計(jì)。

3. 第三階段之發(fā)展期：靜態(tài)解析下的理論設(shè)計(jì)

此階段為1960年到1980年這段時(shí)間，是機(jī)械設(shè)計(jì)從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)至理論設(shè)計(jì)之發(fā)展階段。上世紀(jì)六十年代以后，機(jī)械生產(chǎn)不但在數(shù)量上有了很大提升，而且出現(xiàn)的電子技術(shù)和液壓技術(shù)等系列設(shè)計(jì)使得機(jī)械性能獲得了很大提升并進(jìn)一步改善了產(chǎn)品質(zhì)量。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，理論推導(dǎo)的方法替代了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)機(jī)械性能進(jìn)行確認(rèn)。以前經(jīng)典的設(shè)計(jì)方法無(wú)法解析的一些靜態(tài)與動(dòng)態(tài)問(wèn)題，通過(guò)電子計(jì)算機(jī)技術(shù)獲得了很好的解決。此階段的日本還是以那些先進(jìn)國(guó)家為機(jī)械設(shè)計(jì)上的榜樣，依然進(jìn)行著“類似設(shè)計(jì)”；七十年代伴隨著全球性的石油危機(jī)，日本為了解決支付石油進(jìn)口帶來(lái)的外匯消耗問(wèn)題，開(kāi)始進(jìn)行多領(lǐng)域的技術(shù)開(kāi)發(fā)從而維護(hù)自己于國(guó)際市場(chǎng)中的出口競(jìng)爭(zhēng)力。經(jīng)過(guò)不斷的努力，其在設(shè)計(jì)技術(shù)上進(jìn)入到了先進(jìn)國(guó)家之流，在“獨(dú)立設(shè)計(jì)之路”上邁出了很大的一步，當(dāng)然其也敏銳地在動(dòng)態(tài)分析研究中有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。新技術(shù)革命以高技術(shù)為核心，正是借助這一契機(jī)日本成為了能夠與西歐和美國(guó)并駕齊驅(qū)的機(jī)械設(shè)計(jì)先進(jìn)國(guó)家。此階段電子計(jì)算機(jī)得到了廣泛應(yīng)用，讓現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)之方法理論得以發(fā)展，體系日益完善。人們不再滿足于經(jīng)典的近似粗略應(yīng)力分析，對(duì)于精準(zhǔn)分析有了更深的需求，如有限元法、邊界元法和差分法等，而數(shù)值分析在分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度以及潤(rùn)滑、傳熱和振動(dòng)上有了很廣發(fā)的應(yīng)用?！昂细裨O(shè)計(jì)”已經(jīng)不再滿足于人們，最優(yōu)化設(shè)計(jì)成為了設(shè)計(jì)主流。經(jīng)典剛度設(shè)計(jì)觀點(diǎn)與設(shè)計(jì)計(jì)量的常量觀點(diǎn)不再受到追捧，概率設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。設(shè)計(jì)方法學(xué)的出現(xiàn)，將機(jī)械設(shè)計(jì)工作者從繁瑣而粗略的經(jīng)典設(shè)計(jì)方法中解放出來(lái)。經(jīng)典斷裂理論已經(jīng)無(wú)法滿足于人們的需求，機(jī)械零件設(shè)計(jì)之?dāng)嗔蚜W(xué)方法興起。

4. 第四階段之成熟期：動(dòng)態(tài)解析下的理論設(shè)計(jì)

八十年代以后，擴(kuò)大生產(chǎn)不再那么盲目，產(chǎn)品質(zhì)量有了很大的提升，成為了高質(zhì)低成本的生產(chǎn)時(shí)代。機(jī)械生產(chǎn)向著高速、高效、輕量化、自動(dòng)化和精密的方向快速發(fā)展，而產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，因此這讓機(jī)械設(shè)計(jì)有了更大的困難，要求也越高。與此同時(shí)，隨著人們生活水平質(zhì)的飛躍，機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)更加安全環(huán)保成為了一個(gè)重要課題。此時(shí)的日本在政策上采取了貿(mào)易立國(guó)的方式，并清醒地認(rèn)識(shí)到了憑借廉價(jià)勞動(dòng)力在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中是無(wú)法持續(xù)的，必須在全球范圍內(nèi)采取措施以適應(yīng)高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，并為了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)的革新以進(jìn)行大量的投資，在高度只是密集化產(chǎn)業(yè)上發(fā)力，并掌握了一定的高附加值加工技術(shù)，從而在生產(chǎn)率上有了較大提升。機(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)有了現(xiàn)代的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)動(dòng)力學(xué)建模獲得相應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型，有了很多成熟方法，如機(jī)械機(jī)能解析建模法、機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析有限元建模法、傳遞矩陣建模法、試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析建模法、試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析建模法和機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)混合建模法。

我國(guó)建國(guó)初期機(jī)械設(shè)計(jì)非常落后，但是在1956年到1978年這段時(shí)間機(jī)械工業(yè)開(kāi)始體系化，有了產(chǎn)品自行設(shè)計(jì)與系列設(shè)計(jì)的起步，然而同發(fā)達(dá)國(guó)家相比落后距離尚遠(yuǎn)。當(dāng)然，我們也有達(dá)到世界先進(jìn)水平的機(jī)械設(shè)計(jì)，如長(zhǎng)征火箭系列和八十年代的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)等，但是依然沒(méi)有擺脫“模仿設(shè)計(jì)”的陰影。從全國(guó)范圍內(nèi)來(lái)看，特別是對(duì)一些大中型企業(yè)，多處于第二階段的“成長(zhǎng)期”，當(dāng)然還有很多小型企業(yè)是屬于“搖籃期”的。需要注意的是，在我國(guó)高等學(xué)校的機(jī)械專業(yè)中，很多知識(shí)和課程嚴(yán)重滯后，無(wú)法擺脫傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念，嚴(yán)重掣肘了我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展。國(guó)家在機(jī)械設(shè)計(jì)上投入了越來(lái)越多的財(cái)力和無(wú)力，并大力引進(jìn)相關(guān)人才，為我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)的高速發(fā)展提供了契機(jī)。

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