新型機械設(shè)計理論在汽車工程方向的應(yīng)用研究

管天福

（湖北國土資源職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430090）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的快速增長，人們對于生活質(zhì)量的追求越來越高，汽車的需求量日益增大，汽車行業(yè)的競爭也越來越激烈。人們已經(jīng)不僅僅將汽車定位于日常的代步工具，更是一個表達自我生活理念的私人空間，是我們生活方式的體現(xiàn)，在某種程度上已經(jīng)是作為車主的第二個家。所以在各種因素的影響下，汽車的機械制造發(fā)生了相應(yīng)的變化。對于汽車的環(huán)保性能、性價比、外觀設(shè)計、內(nèi)飾功能等一系列方面制定出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，加快了機械設(shè)計制造理論的改革創(chuàng)新。

1 新型機械設(shè)計技術(shù)的概述及研究趨勢

1.1 機械設(shè)計理論的基本概述

機械設(shè)計是機械工程所屬的一個二級學(xué)科，這個學(xué)科主要是對產(chǎn)品的研發(fā)進行理論設(shè)計和對機械性能進行控制。這一學(xué)科領(lǐng)域主要包括了機械零件的選擇、機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計、傳動方式的設(shè)計等方面。涉及到了動力學(xué)、力學(xué)、美學(xué)、摩擦力學(xué)、人機工程學(xué)、機械創(chuàng)新設(shè)計、生物學(xué)、機電控制、機械原理等學(xué)科之間相互融合，不斷創(chuàng)新發(fā)展以滿足消費者的需求[1]。

1.2 新型機械技術(shù)的發(fā)展趨勢

現(xiàn)如今，機械設(shè)備已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活中。機械設(shè)計是機械生產(chǎn)的首要步驟，機械設(shè)計環(huán)節(jié)的質(zhì)量決定著機械性能、產(chǎn)品質(zhì)量、經(jīng)濟效益。隨著機械設(shè)計理論的不斷完善，越來越前沿的技術(shù)正在運用于機械設(shè)計中，這其中包括3D打印技術(shù)、機械動態(tài)仿真技術(shù)、機電系統(tǒng)的軟件模擬技術(shù)、機械創(chuàng)新設(shè)計與檢測技術(shù)、有限元分析技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代機械技術(shù)中[2]。

2 分析新型機械設(shè)計的相關(guān)理論的特點

傳統(tǒng)機械設(shè)計主要是根據(jù)機械設(shè)計的任務(wù)和目標(biāo)，然后完全依賴設(shè)計者的生產(chǎn)經(jīng)驗來進行，通過一些類比，模擬等方法來推測設(shè)計的可靠性，最后完成設(shè)計任務(wù)。但當(dāng)時實驗需要的各種測試條件和技術(shù)達不到要要求，導(dǎo)致實驗難以向更深層級推進，即使實驗完成了，得出的結(jié)果也不一定可以確保設(shè)計的安全可靠，而且設(shè)計不能保證一次成果，因此需要不斷地實驗不斷地修改才能得出完美的、符合時代的設(shè)計。這導(dǎo)致產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)需要大量的時間和精力，因此機械設(shè)計理論需要和其他學(xué)科（如電子信息，計算機編程等）進行有機結(jié)合，進行機械設(shè)計實驗，研究機械設(shè)計規(guī)律，創(chuàng)造新的機械設(shè)計技術(shù)（CAD,SW），來促進新型機械設(shè)計理論的發(fā)展和機械設(shè)計研究工作的創(chuàng)新。相比較于傳統(tǒng)機械設(shè)計理論，新型機械設(shè)計理論具有以下特點：

（1）系統(tǒng)性。隨著科技的發(fā)展，單一機械設(shè)計往往需要根據(jù)在系統(tǒng)中的作用和位置尺等要求進行設(shè)計，只考慮機械本身，不但會影響人們生活中的正常使用，還會導(dǎo)致機械在系統(tǒng)中失效。注重人機關(guān)系以及機械與系統(tǒng)的關(guān)系是現(xiàn)代機械設(shè)計的新要求。

（2）靜態(tài)性?，F(xiàn)代機械設(shè)計應(yīng)該考慮到機械產(chǎn)品在運行時的運動狀態(tài)，運動才是機械的常態(tài)。

（3）前瞻性。新型機械設(shè)計能夠在設(shè)計初期根據(jù)產(chǎn)品的生命周期和性能要求，以此系統(tǒng)和環(huán)境的影響，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的漏洞，將設(shè)計產(chǎn)品發(fā)生故障的概率降到最低，同時這樣可以減少不必要的材料損耗，有利于人類的可持續(xù)發(fā)展。例如：現(xiàn)代社會出現(xiàn)的新能源汽車，設(shè)計者就是根據(jù)時代發(fā)展的需求，進行節(jié)能環(huán)保的設(shè)計，既考慮到對環(huán)境的污染又考慮到駕駛的操作便利和乘客的舒適度，減少了對不可再生資源的消耗，同時也對解決城市布局和道路規(guī)劃等問題起到了推動作用。

（4）科學(xué)理論和技術(shù)的交融性?，F(xiàn)代設(shè)計理論方法不斷地與其他新興學(xué)科（如計算機編程，有限元分析，人機工程學(xué)，三維建模等）進行融合來推動自身的發(fā)展研究。這樣不僅使設(shè)計更加人性化，而且使設(shè)計過程可以通過其他方法來優(yōu)化升級。例如，設(shè)計機械需要對機械進行必要的運動分析，傳統(tǒng)機械設(shè)計只能通過完成自己的設(shè)計進行現(xiàn)實中的實驗，而新型設(shè)計可以通過三維建模創(chuàng)造出產(chǎn)品的三維模型然后進行動態(tài)分析，還可以通過MATLAB等變成軟件計算出產(chǎn)品的受力和速度狀態(tài)。新型機械設(shè)計通過融合其他學(xué)科理論和技術(shù)減少了傳統(tǒng)設(shè)計中存在的隨機性，使機械設(shè)計變得自主，科學(xué)和標(biāo)準(zhǔn)[3]。

3 新型機械設(shè)計理論研究的作用及方向

我國的汽車制造及設(shè)計發(fā)展的歷史并不久遠，從解放初期到現(xiàn)在也就幾十年的時間，但是各方面的技術(shù)都趨于成熟，機械設(shè)計制造可以說是汽車制造最重要的一環(huán)，設(shè)計的好壞與否，以及技術(shù)的成熟與否都將是衡量一個企業(yè)甚至是一個國家工業(yè)水平的重要指標(biāo)，在21世紀(jì)這種經(jīng)濟全球化的大環(huán)境下，人們對機械設(shè)備的需求和要求正在逐步上升，各種智能機器的產(chǎn)生，正在穩(wěn)步提升人們的生活質(zhì)量，不僅解放了生產(chǎn)力還大大的提高了效率，可見，新型設(shè)計理論在汽車方面的作用應(yīng)該被更多的人所重視。

3.1 新型機械設(shè)計理論研究意義

從現(xiàn)在的大環(huán)境來看，各種不同品牌的汽車正在逐步的提升自己的設(shè)計，以便擁有自己的特色，從而提升產(chǎn)品辨識度，間接的提升自己的品牌價值；從某種角度來說，這正是機械設(shè)計理論轉(zhuǎn)化為的經(jīng)濟的收益一種體現(xiàn)。好的設(shè)計，可以創(chuàng)造出更好的產(chǎn)品，可以帶動更好的銷售，利益也從此產(chǎn)生，這樣可以有更多的經(jīng)費投入研發(fā)和創(chuàng)新中，從而形成一個良性循環(huán)的經(jīng)濟圈。從大的方面來看，這與國家經(jīng)濟發(fā)展和科技的提升有著密切的聯(lián)系。二者相輔相成，相互依賴，因此作為新時代下了機械設(shè)計工作者，必須結(jié)合當(dāng)前時代以及世界經(jīng)濟趨勢，去設(shè)計出更符合人們的需要的汽車制造技術(shù)和挖掘出更多的該進方向，這樣才能滿足經(jīng)濟效益與使用性質(zhì)的雙重要求[4]。

3.2 新型機械設(shè)計理論在汽車方面發(fā)展方向

就當(dāng)前的國內(nèi)汽車制造來說，主要體現(xiàn)一個多元化的特點，大部分的汽車制造企業(yè)針對汽車的設(shè)計改革主要是在汽車的內(nèi)部，在核心部件上并沒有多大的改動。在大部分企業(yè)都著重于改動內(nèi)飾的情況下，我們機械設(shè)計工作者應(yīng)該多多思考在一些核心的方面做出改進和提升，對汽車性能的提升是完美對接市場需求的，更加智能化，多樣化，高效率的產(chǎn)品，是每一位消費者都共同期盼的。這也是機械設(shè)計工作者都希望看到的，百花齊放的良性競爭環(huán)境，可以更好的促進國家經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。另外，不僅僅是在性能上、在壽命上、材料上我們可以用更好的設(shè)計去創(chuàng)造更好的產(chǎn)品。

4 新型機械設(shè)計理論在汽車工程中的應(yīng)用研究

在工業(yè)革命的的持續(xù)發(fā)展和進步的過程中，人類先先后后的發(fā)明了許多不同類型的汽車。如今工業(yè)革命發(fā)展越來越快，汽車行業(yè)也隨著水漲船高?？梢哉f人們現(xiàn)今出行最多的方式就是汽車，在一些城鎮(zhèn)幾乎是每家每戶都有一輛代步汽車，更不用說發(fā)達城市了。汽車所具備的便利性，讓人們的生活質(zhì)量也隨之提升，不僅如此，人類文明發(fā)展更是得到巨大進步。我國的汽車行業(yè)至今也是經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展和沉淀，但應(yīng)用在汽車產(chǎn)業(yè)中許多技術(shù)理論還是不能得到完美應(yīng)用。新型機械設(shè)計理論的應(yīng)用將會使得我國汽車產(chǎn)業(yè)得到飛速發(fā)展。新機械設(shè)計理論在汽車工程中的應(yīng)用分析如下。

4.1 噪聲和振動上的應(yīng)用

現(xiàn)階段，汽車早已成為我們出行和經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分。汽車的零部件能否起到應(yīng)有的作用，這個直接影響到汽車的正常行駛，同時也關(guān)乎到人們出行的安全問題。在行駛過程中若汽車零部件和其他設(shè)備部件出現(xiàn)問題，這是人們行駛安全就得不到保障。故障性振動是汽車故障中一個重要問題。正常情況下，在汽車的行駛過程中，或多或少都會產(chǎn)生振動和噪聲，而這些振動和噪聲是直觀判斷汽車質(zhì)量的重要指標(biāo)。要降低這些“不良反應(yīng)”，輸入載荷的頻率與結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率是不能接近的，通過使用頻率分布表就能很好的完成這項工作。進而振動頻率分配可以更好的進行，工作狀態(tài)時產(chǎn)生的耦合也能得到相應(yīng)消除，產(chǎn)品的振動特性也會改善。利用NVH分析我們可以了解新車型研發(fā)的性能指標(biāo)，同時能夠有效的改善設(shè)計和制造過程在存在的問題，這種分析方法可以減少我們的設(shè)計成本，同時也保障了新設(shè)計車型的周期[5]。

4.2 汽車結(jié)構(gòu)強度及模態(tài)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化上的應(yīng)用

在世界經(jīng)濟日益上升的大趨勢下，人們對汽車結(jié)構(gòu)、性能及駕駛技術(shù)也有提出了更高的要求，同時也希望它能夠滿足諸多特點，例如：節(jié)能，安全等。正應(yīng)如此，車輛的輕量化更被看重，汽車框架和結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)?shù)玫礁纳啤C械有限元分析可以有效的幫助我們實現(xiàn)這些要求。首先它能夠具體實行分析汽車設(shè)計中主體結(jié)構(gòu)件和其他零部件的相關(guān)要求，例如穩(wěn)定性，強度等。不僅如此還可以利用有限元法對零部件進行模態(tài)分析。計算機能讓我們更為直觀的感受零部件的振動模態(tài)，方便我們進行動態(tài)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。有限元分析法在汽車應(yīng)用過程占據(jù)重要地位，好的應(yīng)用能讓設(shè)計的車身更為出色。

5 結(jié)語

總而言之，在如今的汽車行業(yè)，新型機械設(shè)計理論的舞臺很大，它的良好應(yīng)用能讓我們事半功倍的同時也能使汽車技術(shù)工藝得到優(yōu)化。進一步深入研究和發(fā)展新型機械設(shè)計理論，也會給機械設(shè)計領(lǐng)域帶來更好的前景，進而推動汽車工程良性發(fā)展。