現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法研究及其創(chuàng)新*

陳 彤

(浙江省工業(yè)設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州 310051)

0 引言

在科技高度發(fā)展的今天，人們的想法、需求層出不窮，對設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)工藝的要求也在不斷提高。機(jī)械設(shè)計(jì)人員除了對機(jī)械設(shè)計(jì)原理具有扎實(shí)基礎(chǔ)外，在思維方式上要開闊，在設(shè)計(jì)理念上要創(chuàng)新，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上與產(chǎn)品功能相輔相成，在實(shí)現(xiàn)手段上與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)高度融合，不斷設(shè)計(jì)出讓人們滿意的產(chǎn)品。機(jī)械設(shè)計(jì)作為一門傳統(tǒng)學(xué)科，在第三次工業(yè)革命，有些行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入第四次工業(yè)革命之際，如何不斷與先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，短時、高效、完美、保質(zhì)的完成機(jī)械設(shè)計(jì)工作，是值得研究的課題。本文對現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的理論進(jìn)行了探討，分析了機(jī)械設(shè)計(jì)的方法與過程，對現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的創(chuàng)新方法進(jìn)行了研究。

1 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論

相比傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)的、靜態(tài)的、手工的、被動的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)更多的注重于主動的、動態(tài)的、計(jì)算機(jī)化的、科學(xué)的、設(shè)計(jì)產(chǎn)品?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論是在機(jī)械設(shè)計(jì)理論科學(xué)的基礎(chǔ)上形成的，涵蓋了更多的智能、信息、控制、離散、優(yōu)化、藝術(shù)等范疇的內(nèi)容，尤其是對于復(fù)雜的產(chǎn)品［1］，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)更能凸顯它的優(yōu)勢。比如控制論方法中的探索動態(tài)分析法，比如離散論方法中的有限元方法和邊界方法，比如藝術(shù)論方法中的研究藝術(shù)造型和審美，等等，通過這些現(xiàn)代的方法，能給設(shè)計(jì)出使人更加滿意的產(chǎn)品。現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)既源于傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)，又高于機(jī)械設(shè)計(jì)，完成一個完美的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，既需要傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，也需要現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)先進(jìn)科學(xué)的設(shè)計(jì)方法。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)方法原則與過程

機(jī)械設(shè)計(jì)一般可以劃分為四個步驟，如圖1所示，包括項(xiàng)目設(shè)計(jì)前期、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)［2］。

圖1 機(jī)械設(shè)計(jì)步驟

項(xiàng)目設(shè)計(jì)前期工作包括要進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，進(jìn)行可行性研究，制定可行性計(jì)劃［3］;方案設(shè)計(jì)包括對功能的總體分析、功能分解組合、系統(tǒng)原理解、實(shí)驗(yàn)、確定最佳方案;技術(shù)設(shè)計(jì)包含總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、選型設(shè)計(jì)等;施工設(shè)計(jì)包括畫零件圖、畫裝配圖、編寫技術(shù)文件、試制、生產(chǎn)等。

機(jī)械設(shè)計(jì)的每一個環(huán)節(jié)都可以充分發(fā)揮人們的能力，利用科學(xué)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

3 機(jī)械設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)首先要發(fā)揮人的主觀能動性、人的想象力、人的創(chuàng)造力，在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，通過運(yùn)用現(xiàn)代的機(jī)械設(shè)計(jì)方法和輔助工具進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)模式應(yīng)該使用現(xiàn)代的科學(xué)思維方式來思考分析，其設(shè)計(jì)過程應(yīng)該利用現(xiàn)代科學(xué)的方法和工具來實(shí)現(xiàn)，其設(shè)計(jì)應(yīng)該具有創(chuàng)造性和新穎性，尤其在新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)中，創(chuàng)新應(yīng)更加凸顯。創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)該是機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專業(yè)知識、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)過程中對產(chǎn)品具有價值的、創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)思想，要由人的主觀能動性、創(chuàng)造性思維，實(shí)時有機(jī)的融入到設(shè)計(jì)中去，實(shí)現(xiàn)重構(gòu)、聯(lián)想、疊加、歸納綜合、抽象推理，從而形成新的設(shè)計(jì)思維模式。

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的創(chuàng)新涵蓋兩個方面:一個是通過創(chuàng)新使生產(chǎn)生活中現(xiàn)有的產(chǎn)品具有更佳的技術(shù)性、更高的可靠性、更廣的適用性和更多的經(jīng)濟(jì)性，從多個方面，從人們使用的角度出發(fā)創(chuàng)新設(shè)計(jì)更符合人類使用的產(chǎn)品。另外一個是通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)出新的機(jī)械產(chǎn)品，以滿足人們的生產(chǎn)生活需要［4］。這兩個方面的創(chuàng)新都離不開創(chuàng)新的思維模式，科學(xué)的設(shè)計(jì)技術(shù)，現(xiàn)代的設(shè)計(jì)工具。

3．1 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)步驟

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)步驟有四步:第一步是研究機(jī)械產(chǎn)品的工作原理本質(zhì);第二步是對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對其類型進(jìn)行綜合;第三步是對機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)動機(jī)理、尺度及參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選;第四步是綜合分析和調(diào)優(yōu)。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)步驟的具體內(nèi)容如圖2，機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)具體過程。

圖2 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)具體過程

3．2 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)分類

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)技術(shù)，除了基礎(chǔ)的機(jī)械設(shè)計(jì)科學(xué)基礎(chǔ)，還包括機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)(Mechanical System Design)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design)、可靠性設(shè)計(jì)(Reliability Design)、有限元設(shè)計(jì)(Finite element design)、反求設(shè)計(jì)(Reverse Design)、優(yōu)化設(shè)計(jì)(Optimal design)、變形設(shè)計(jì)(Variant Design)、并行設(shè)計(jì)(Concurrent Design)等［5］。

3．2．1 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

(1)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)密不可分，計(jì)算機(jī)技術(shù)可以使機(jī)械設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)變得高效、規(guī)范、準(zhǔn)確。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design，簡稱CAD)，是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的主要計(jì)算機(jī)工具，利用其建模技術(shù)、圖形處理技術(shù)、工程分析方法等功能實(shí)現(xiàn)機(jī)械的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。利用CAD，要把機(jī)械設(shè)計(jì)的物理問題模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)學(xué)知識借助計(jì)算機(jī)求解數(shù)學(xué)模型，從而得到設(shè)計(jì)方案。

(2)有限元分析方法 有限元分析(FEA，F(xiàn)inite Element Analysis)，是一種利用數(shù)學(xué)近似的方法對現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)的物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬的一種機(jī)械設(shè)計(jì)工具。FEA利用有限數(shù)量的相互作用的元素，即已知量來探求無限的未知量的一種系統(tǒng)。由于是簡單問題代替復(fù)雜的實(shí)際問題，因此，求解的未知量只能是無限逼近的近似值?，F(xiàn)實(shí)世界中的問題多為復(fù)雜的難以求取準(zhǔn)確結(jié)果的實(shí)際問題，而有限元計(jì)算精度高，所以可以充分應(yīng)對復(fù)雜的實(shí)際問題，因此是受到設(shè)計(jì)者喜愛的機(jī)械工程分析設(shè)計(jì)工具。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使得有限元分析技術(shù)也從單一的結(jié)構(gòu)分析延伸發(fā)展為多領(lǐng)域多學(xué)科的適用面廣的數(shù)值分析法、強(qiáng)度分析法和靜力分析。這對于機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新來時，無疑是一種莫大的幫助。

3．2．2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)(optimization design)是在數(shù)學(xué)規(guī)劃理論和計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上，在相關(guān)約束下，尋求最優(yōu)方案以滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法［6］。優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)計(jì)算數(shù)學(xué)函數(shù)以求取最優(yōu)，尋求最優(yōu)的過程中融入了最優(yōu)化方法、優(yōu)化策略，分線性和非線性進(jìn)行逐步逼近，最終求的最優(yōu)設(shè)計(jì)。另外，優(yōu)化設(shè)計(jì)還可以與模糊設(shè)計(jì)相結(jié)合，形成功能更加強(qiáng)大的模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)。

我國的有些設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)開始應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，但在機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)仍然是一個發(fā)展、探索和創(chuàng)新的方向。

3．2．3 可靠性設(shè)計(jì)

機(jī)械的可靠性設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)工程師長期追求的目標(biāo)，可靠性是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一種重要指標(biāo)?？煽啃栽O(shè)計(jì)與常規(guī)設(shè)計(jì)相對應(yīng)，常規(guī)設(shè)計(jì)多憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可靠性設(shè)計(jì)是常規(guī)設(shè)計(jì)的延伸，更科學(xué)的分析和設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系［7］。機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)是多學(xué)科的融合，涉及數(shù)學(xué)中的數(shù)理統(tǒng)計(jì)、概率論，物理中的失效物理學(xué)等。常規(guī)設(shè)計(jì)中涉及很多變量，比如應(yīng)力、載荷、強(qiáng)度、壽命、可靠度、維修率等。將常規(guī)設(shè)計(jì)中的變量作為隨機(jī)變量，遵循某種分布規(guī)律，用概率統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以滿足可靠性要求。

產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性息息相關(guān)，隨著科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，人們對機(jī)械產(chǎn)品和設(shè)備的可靠性要求也愈加嚴(yán)格。因此，研究機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)是十分必要的，在可靠性上尋求創(chuàng)新也是機(jī)械設(shè)計(jì)人員的首要任務(wù)。

3．2．4 變形設(shè)計(jì)

變形設(shè)計(jì)是在原機(jī)械產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的設(shè)計(jì)，以滿足使用者的多種需求。對產(chǎn)品原理、功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，進(jìn)行功能擴(kuò)展，設(shè)計(jì)橫向的系列產(chǎn)品。另外，也可進(jìn)行跨系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，是產(chǎn)品具有更好的動力，這也是一種變形設(shè)計(jì)。歸根結(jié)底是要設(shè)計(jì)出更加完美、完善的產(chǎn)品。

3．2．5 并行設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)是串行設(shè)計(jì)方法，該方法的弊端是環(huán)環(huán)相扣，周期長，成本高。并行設(shè)計(jì)又叫同步工程、集成工程，顧名思義，并行設(shè)計(jì)是一種集成化的、系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法，同樣也是以工程數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，打破傳統(tǒng)的系統(tǒng)內(nèi)部的機(jī)構(gòu)、單元和過程，建立協(xié)同的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造一體化，充分考慮質(zhì)量、周期和成本的多重因素的一種設(shè)計(jì)方法。因此，并行設(shè)計(jì)是一種集成的設(shè)計(jì)方法。

3．2．6 反求設(shè)計(jì)

反求設(shè)計(jì)是在已有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析和研究，從其功能原理和部件的設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)中進(jìn)行改進(jìn)、創(chuàng)新或是探求新的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)思路［8］。反求設(shè)計(jì)方法目前是很多發(fā)達(dá)國家發(fā)展科學(xué)技術(shù)、開發(fā)新產(chǎn)品的研究設(shè)計(jì)方法之一。反求設(shè)計(jì)要解決的關(guān)鍵技術(shù)包括以下方面。

(1)探索更實(shí)用的測試測量方法，研制更實(shí)用的設(shè)備，以提高測量精度和準(zhǔn)度。

(2)利用三維重構(gòu)方法軟件，提高設(shè)計(jì)計(jì)算精度，減小不必要誤差。

(3)融合工程數(shù)學(xué)、人工智能等，形成自己的一套設(shè)計(jì)還原技術(shù)，完成對原有設(shè)計(jì)的反求。

(4)研究適合反求設(shè)計(jì)的產(chǎn)品模型技術(shù)，將配套產(chǎn)品建立模型，以便于原始參數(shù)的反求還原。

(5)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)精度進(jìn)行功能分析，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)原有還原的軟件工具。

目前，國內(nèi)還有另外一種現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法劃分，具體如下。

(1)系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，尋找完成設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的組成要素和各要素之間的關(guān)系，將要素結(jié)合，從而完成設(shè)計(jì)，比如:元素設(shè)計(jì)法、圖形結(jié)合建模法、矩陣設(shè)計(jì)法等。

(2)結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)方法，即將設(shè)計(jì)按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解細(xì)化，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，在早期規(guī)劃階段就可以將設(shè)計(jì)中可能存在的問題和矛盾及時發(fā)現(xiàn)，具有一定的預(yù)測能力和節(jié)約成本效果，能高效的協(xié)調(diào)解決設(shè)計(jì)過程中的問題，因此具有較高的設(shè)計(jì)效率和可靠性。

(3)基于產(chǎn)品特征的設(shè)計(jì)方法，利用計(jì)算機(jī)語言描述產(chǎn)品特征，采用專家經(jīng)驗(yàn)，建立產(chǎn)品相關(guān)的知識庫和推理機(jī)制，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)。一般有編碼法、目錄法、實(shí)例法。

(4)智能化設(shè)計(jì)方法，以力學(xué)理論知識為基礎(chǔ)，借助于ANSYS、有限元等三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行虛擬的智能的設(shè)計(jì)，然后用多媒體甚至是超媒體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

總之，這些現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法都是機(jī)械設(shè)計(jì)者的進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的好幫手，創(chuàng)新設(shè)計(jì)是機(jī)械人員不懈努力的方向。

4 結(jié)語

本文對現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的理論進(jìn)行了探討，對機(jī)械設(shè)計(jì)尤其是工業(yè)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析，分析了現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的方法與過程，對現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)和創(chuàng)新方法進(jìn)行了研究。

綜上所述，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)過程等多方面都具有明顯優(yōu)勢，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)與多學(xué)科科學(xué)技術(shù)的完美結(jié)合，為機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。創(chuàng)新首先要以人的主觀能動性為基礎(chǔ)，機(jī)械設(shè)計(jì)人員要以創(chuàng)新性思維進(jìn)行產(chǎn)品需求分析和設(shè)計(jì)，同時還要對現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)工具使用嫻熟，才能設(shè)計(jì)出使大家滿意的質(zhì)量更好、性能更優(yōu)、可靠性更好機(jī)械產(chǎn)品。

［1］ 李 芬．機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢［J］．才智，2011(17):49．

［2］ 田 夢．?dāng)?shù)據(jù)庫技術(shù)創(chuàng)新推動行業(yè)創(chuàng)新［N］．計(jì)算機(jī)世界，2009－07－06．

［3］ 盛伯浩，陳宗舜．機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)與 CAD［M］．清華大學(xué)出版社，2005．

［4］ 陳 屹，謝 華．現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2004．

［5］ Saeed Moaveni［US］．Finite Element Analysis Theory and Application－ANSYSsecond edition［M］．Electronic Industry Press，2005．

［6］ 白 柳．淺談機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的反求設(shè)計(jì)［J］．山西冶金，2009(6):59－61．

［7］ 魏玉新．現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的創(chuàng)新方法研究［J］．裝備制造，2009(5):173－174．

［8］ 楊宗德．創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中的創(chuàng)新思維方法［J］．機(jī)械研究與應(yīng)用，2001(8):52－54．