現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法最新進(jìn)展

武漢輕工大學(xué)動(dòng)物科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院 柳景亮

1 前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為代表的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展也進(jìn)入了飛速發(fā)展的新時(shí)期。在這種情況下，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法也受到了極大的影響?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展拓展了現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的涵蓋范圍。使更多的技術(shù)理論與方法得到了有機(jī)地結(jié)合，同時(shí)，還提升了現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的自動(dòng)化與精確化程度。進(jìn)入新的歷史時(shí)期，現(xiàn)代機(jī)械的設(shè)計(jì)理論與方法要適應(yīng)國際化機(jī)械產(chǎn)品市場競爭的需要，不斷地從機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量、功能以及結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行改進(jìn)。因此，機(jī)械產(chǎn)品在國際市場中競爭的實(shí)質(zhì)就是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平之間的較量，所以關(guān)于現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的研究是具有重要意義的。

2 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的發(fā)展進(jìn)程

從機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的總體發(fā)展進(jìn)程來看，可以分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是從十七世紀(jì)開始的以機(jī)械設(shè)計(jì)的直觀感覺和經(jīng)驗(yàn)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，在這個(gè)階段，機(jī)械設(shè)計(jì)過多運(yùn)用了現(xiàn)有的設(shè)計(jì)手冊與相關(guān)公式。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)階段具有明顯的特點(diǎn)，運(yùn)用原有的設(shè)計(jì)手冊和相關(guān)公式的設(shè)計(jì)方法使得整體的機(jī)械設(shè)計(jì)過程顯得極其死板，缺乏創(chuàng)新性，并且設(shè)計(jì)成本也相對較高，機(jī)械制造的周期也較長，使得機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法很難滿足市場需求，理論與實(shí)踐沒能有機(jī)結(jié)合，嚴(yán)重制約和影響了機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法，以及機(jī)械制造業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。第二個(gè)階段是從二十世紀(jì)中后期到現(xiàn)在，這個(gè)階段被稱為現(xiàn)代設(shè)計(jì)階段。在現(xiàn)代設(shè)計(jì)階段，人們更多地發(fā)現(xiàn)按照原有的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)無法與現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平保持同步，必須打破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀念，推陳出新，才能夠逐漸滿足機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展需求。因此，在機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的研究方面進(jìn)行了大膽創(chuàng)新與改革。

3 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的種類與特點(diǎn)

3.1 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的種類

我國在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的研究方面自成一派，我國在機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)領(lǐng)域，更多地強(qiáng)調(diào)了實(shí)用性的要求，理論與實(shí)踐要相互結(jié)合，從實(shí)踐中不斷地總結(jié)理論中存在的不足，并加以彌補(bǔ)，使得我國在機(jī)械設(shè)計(jì)理論方面的研究更加的系統(tǒng)化。

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的系統(tǒng)化過程，使其逐漸形成了不同的類型。第一，是以智能化著稱的設(shè)計(jì)理論與方法。這個(gè)類型的機(jī)械設(shè)計(jì)更多地運(yùn)用了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，使設(shè)計(jì)理論與方法在三維圖形以及媒體工具上得以進(jìn)行展現(xiàn)，突出了設(shè)計(jì)學(xué)理論在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中的重要作用。第二，是以系統(tǒng)化著稱的設(shè)計(jì)理論與方法。這個(gè)類型的機(jī)械設(shè)計(jì)將機(jī)械整體分解成為了不同的設(shè)計(jì)階段，通過對不同階段或部分的設(shè)計(jì)研究，從而使各個(gè)部分能夠?qū)崿F(xiàn)最終的有機(jī)結(jié)合。這個(gè)類型的機(jī)械設(shè)計(jì)堅(jiān)持的是矛盾統(tǒng)一的原則，既強(qiáng)調(diào)各個(gè)部分的獨(dú)立性，又重視各個(gè)部分的內(nèi)在聯(lián)系。在這個(gè)類型的機(jī)械設(shè)計(jì)理論中，具有代表性的設(shè)計(jì)方法有圖形建模法、元素法以及構(gòu)思設(shè)計(jì)法等。第三，是以產(chǎn)品的特征知識作為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理論與方法。這種類型的設(shè)計(jì)理論與方法是建立在對機(jī)械產(chǎn)品具有較高的認(rèn)知程度的基礎(chǔ)之上的，通過對機(jī)械產(chǎn)品整體構(gòu)成及相關(guān)原理知識的了解，建立相應(yīng)的推理機(jī)制和知識體系，為以后的相關(guān)機(jī)械產(chǎn)品的制造提供借鑒和參考。第四，是以機(jī)械產(chǎn)品的功能作為主要設(shè)計(jì)理念的設(shè)計(jì)理論與方法，這種類型的設(shè)計(jì)理論與方法以模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主要設(shè)計(jì)手段[1]。

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的各個(gè)種類之間有著必然的聯(lián)系，每個(gè)種類并不是孤立的，相互之間保持著一定的滲透性和共享性。

3.2 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的特點(diǎn)

在機(jī)械設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，由于設(shè)計(jì)理論與方法單一，機(jī)械設(shè)計(jì)者只能根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的要求，以原有的機(jī)械設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)作為理論基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)的數(shù)學(xué)公式和力學(xué)公式，運(yùn)用類比、模擬等方式展開機(jī)械設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)階段受當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)條件的影響較大，不具備深入研究的物質(zhì)與實(shí)踐基礎(chǔ)，導(dǎo)致傳統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的機(jī)械產(chǎn)品整體技術(shù)含量較低，新產(chǎn)品的研發(fā)過程相對緩慢，使得傳統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的機(jī)械產(chǎn)品容易出現(xiàn)同一問題。發(fā)展到現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)階段，機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法獲得了與其他學(xué)科相互融合的機(jī)會(huì)，在多學(xué)科的共同影響之下，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法得到了進(jìn)一步的發(fā)展，表現(xiàn)出以下的特點(diǎn)。

第一，創(chuàng)新性。對于一個(gè)國家而言，創(chuàng)新是其生存和發(fā)展的根基，也是一個(gè)民族壯大和發(fā)展的靈魂?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法是在不斷地對原有設(shè)計(jì)理論與方法的實(shí)踐和改進(jìn)過程中發(fā)展的，在繼承了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的先進(jìn)性的同時(shí)，對其相對薄弱的方面進(jìn)行了批判與改造，使得現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法能夠更好地適應(yīng)和滿足現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品市場的客觀需求?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法給予了機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)者充分的發(fā)揮空間，設(shè)計(jì)者可以在既定的設(shè)計(jì)思維允許的范圍內(nèi)，對機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行大膽地創(chuàng)新，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，不斷降低產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)生本[2]。

第二，系統(tǒng)性。在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的類型中，有一種是將機(jī)械產(chǎn)品看做是多個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品的組合。這種類型的設(shè)計(jì)理論與方法被稱為系統(tǒng)設(shè)計(jì)法。現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的系統(tǒng)性就是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)法的運(yùn)用中體現(xiàn)出來的。由于機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)要滿足日益增長的市場需求，因此，從整體上把握機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能及質(zhì)量是極其困難的，將機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程細(xì)化是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢。機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化就是為了更好地解決產(chǎn)品各個(gè)部分的細(xì)節(jié)問題，使機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)更具針對性，著重把握設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

第三，前瞻性?，F(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論與方法的前瞻性主要體現(xiàn)在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段。機(jī)械產(chǎn)品最終要用于實(shí)際的生產(chǎn)過程當(dāng)中，因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，就要考慮到機(jī)械產(chǎn)品在實(shí)際的運(yùn)作環(huán)境中可能對環(huán)境造成的影響，以及機(jī)械產(chǎn)品在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的故障等。這些因素都直接影響著機(jī)械產(chǎn)品在實(shí)際的運(yùn)行過程中的效率，而機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論與方法具有的前瞻性就使得機(jī)械產(chǎn)品從最初的設(shè)計(jì)就開始對運(yùn)行中的問題展開了研究和技術(shù)改進(jìn)，這些能夠有力地推動(dòng)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論與方法的發(fā)展。

第四，融合性。從現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的發(fā)展進(jìn)程來看，其發(fā)展歷史相對較短，屬于新興學(xué)科。但現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法中所包含的一些內(nèi)容卻并非與其同時(shí)代出現(xiàn)，其中也包括了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的部分內(nèi)容。而現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法在技術(shù)層面更多地運(yùn)用到了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)理論與技術(shù)，相關(guān)力學(xué)理論與技術(shù)，以及工業(yè)造型設(shè)計(jì)理論與技術(shù)等。這些都說明了現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法是一門具有高度融合性的學(xué)科理論。

4 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的不足之處

4.1 基礎(chǔ)性理論研究相對欠缺

從現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的本質(zhì)來看，其并不具有較高的理論性，而這一點(diǎn)也是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法在發(fā)展過程中存在的難點(diǎn)。出現(xiàn)這一問題的主要原因，是我國在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論層面缺乏對基礎(chǔ)性理論的研究?；A(chǔ)性理論可以分為通用型和專用型，而我國的研究多半停留在通用型的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)性理論，對于具有專業(yè)性質(zhì)的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)性理論的研究過于分散，不利于我國現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的整體發(fā)展[3]。

4.2 具有現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念的機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新不足

創(chuàng)新是時(shí)代發(fā)展的根本動(dòng)力，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法也是如此。我國對于現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的研究更多地是向國外先進(jìn)理念的借鑒和學(xué)習(xí)，而缺乏自己獨(dú)立的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。使得我國的機(jī)械產(chǎn)品從外觀和功能上都與其他國家的同類型產(chǎn)品十分接近，而機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)要與我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和相對的市場需求相適應(yīng)，照搬照抄只能是越來越脫離實(shí)際。

4.3 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論的各個(gè)環(huán)節(jié)聯(lián)系不夠緊密

由于現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法具有系統(tǒng)性特征，因此，在系統(tǒng)性的作用之下，機(jī)械產(chǎn)品被分解為多個(gè)部分，通過對不同部分的設(shè)計(jì)的整合，才能夠獲得完成的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)。然而，在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，各個(gè)部分的設(shè)計(jì)工作很難達(dá)到統(tǒng)一，相互之間的聯(lián)系也不夠緊密。通常情況下，各個(gè)部分的設(shè)計(jì)都是相互獨(dú)立的，使得最終難以保證將各個(gè)部分進(jìn)行有效對接，極大地降低了機(jī)械產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)效率。

5 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的發(fā)展趨勢

5.1 環(huán)保型設(shè)計(jì)

所謂環(huán)保型設(shè)計(jì)，就是在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的指導(dǎo)下，充分利用能源和資源，使得機(jī)械產(chǎn)品從整體上符合低耗減排的要求。這就要求在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中將環(huán)境保護(hù)作為產(chǎn)品開發(fā)的前提和基礎(chǔ)，同時(shí)還要確保產(chǎn)品的質(zhì)量和功能不會(huì)因此而受到影響。環(huán)保型設(shè)計(jì)理念的引入，將極大地提升機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)行效率，降低對環(huán)境的污染。環(huán)保型設(shè)計(jì)理念不僅是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的必然發(fā)展方向，也是所有行業(yè)設(shè)計(jì)理論的共同發(fā)展趨勢。

5.2 智能型設(shè)計(jì)

智能型設(shè)計(jì)就是要在機(jī)械產(chǎn)品中，設(shè)計(jì)安裝能夠?yàn)椴僮髡咛峁┊a(chǎn)品運(yùn)行過程中基本參數(shù)以及各個(gè)組成部分的運(yùn)行情況的智能裝置。這就要求在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中要運(yùn)用現(xiàn)代人工智能與計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，使人們能夠及時(shí)地獲得關(guān)于機(jī)械產(chǎn)品運(yùn)行中的所有參數(shù)及各個(gè)構(gòu)成要件的基本情況，這樣就便于設(shè)計(jì)者按照產(chǎn)品運(yùn)行中的缺陷對產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，不斷提升機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)含量。

6 結(jié)論

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程，已經(jīng)逐步形成了具有創(chuàng)新性、系統(tǒng)性、前瞻性以及融合性設(shè)計(jì)理論，但在現(xiàn)代機(jī)械基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)理論與創(chuàng)新性的研究方面還十分欠缺。這也為我國的現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的發(fā)展指明了方向。就目前現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的發(fā)展來看，環(huán)保型設(shè)計(jì)和智能型設(shè)計(jì)將成為未來現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法的必然發(fā)展趨勢。

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