熊衛(wèi)華

【摘 要】機械設計是一門融入多學科，多部門共同協(xié)作的任務[1]。傳統(tǒng)的機械設計理念是以經驗為主導的單面式設計方法，已經不能滿足現(xiàn)代工業(yè)和市場對研發(fā)的需求，于是人們提出了現(xiàn)代機械設計理論。在現(xiàn)代化技術提高，智能化、自動化發(fā)展的今天，現(xiàn)代設計理論已經有了長足的進步，且在日新月異地發(fā)展。主要表現(xiàn)在電腦輔助設計（CAD）軟件在快速設計和虛擬仿真中的應用，現(xiàn)代理論發(fā)展運用于機械設計理論等。

【關鍵詞】機械設計；計算機輔助設計；仿真分析

1.現(xiàn)代機械設計理論概述

隨著現(xiàn)代化化技術的發(fā)展，制造業(yè)面臨著與日俱增的挑戰(zhàn)，機械產品的設計也隨著人們的需求而提出更高的要求。在這種情況下，傳統(tǒng)的機械設計理論方法已不能滿足工廠的需要，一種更智能、更便捷、更合理的方法被提出——現(xiàn)代機械設計理論。在短期的發(fā)展歷程中，有人提出現(xiàn)代機械設計理論的幾大方向，包括：（1）信息論方法；（2）系統(tǒng)論法；（3）控制論法；（4）優(yōu)化論法；（5）對應論方法；（6）智能論方法；（7）壽命論方法；（8）離散論方法；（9）模糊論方法；（10）突變論方法；（11）藝術論方法等。這些方法的引入，是基于現(xiàn)代化技術的發(fā)展，如計算機科學、現(xiàn)代測量理論、現(xiàn)代數(shù)學理論等。

正是有了一系列現(xiàn)代化設計理論，機械設計在傳統(tǒng)的基礎理論上有了質的飛躍，與傳統(tǒng)設計理論相比，現(xiàn)代機械設計理論更加突出合理性、有據(jù)性和形象性。例如用CAD技術對機械產品的設計，使我們在短時間內看到產品的外觀，可以在設計過程中邊建模邊分析，這樣對其形狀有一個比較形象的把握，而傳統(tǒng)上的機械設計方法只能憑設計人員的經驗和想象力。在這方面，現(xiàn)代化機械設計方法要具有很多優(yōu)勢。

2.現(xiàn)代機械設計理論基礎與分析

現(xiàn)代機械設計理論主要包括四種：現(xiàn)代設計方法學、計算機輔助設計、可信性設計、設計試驗技術。這些方法都是在傳統(tǒng)機械設計的基礎上，根據(jù)現(xiàn)實需要發(fā)展延伸而來的，是基于現(xiàn)代設計技術和傳統(tǒng)設計理論而衍生的新的設計理論。

2.1現(xiàn)代設計方法學

設計方法學是研究產品設計規(guī)律、設計程序及設計中思維和工作方法的一門綜合性學科。在傳統(tǒng)的機械設計方法中，經驗設計占據(jù)主導部分，人們根據(jù)經驗對機器的整體外觀進行想象化設計，然后由團隊式進行分析。而現(xiàn)代設計方法學是在總結以往的設計規(guī)律，在此基礎上對要設計的產品進行相似性分析，對以往設計方法加以利用。

現(xiàn)代設計方法學包括并行設計、系統(tǒng)設計、功能設計、模塊化設計、模糊設計、價值工程、反求工程技術、質量功能配置、綠色設計、面向對象的設計、工業(yè)造型設計。并行設計是一種整體設計法，要求設計人員在初始階段便對產品的整個生命周期進行考慮，包括產品的設計、改善使用、銷售、維修等方面的內容。是設計者利用現(xiàn)代協(xié)作技術，多部門，多學科間的一種聯(lián)系，充分考慮產品生命周期內的各種因素。模塊化設計是指將整個機械分為幾個功能模塊分別設計，在設計中只需考慮各模塊的功能和各模塊外部之間如何關聯(lián)。這樣的設計，不僅減少了單個設計人員的信息關注量，而且在使用客戶中也可以根據(jù)需要進行甄別選取，然后組合使用，這樣既節(jié)省了單個勞動人員的工作量，又加快了設計速度，縮短產品設計流程，又避免了客戶對產品上的功能性浪費。這些現(xiàn)代化方法，都使設計更加便捷化，程序化，合理化。

2.2計算機輔助設計（CAD）

計算機輔助設計英文全稱為computer aided design，包括優(yōu)化設計、有限元法、智能計算機輔助設計、工程數(shù)據(jù)庫、虛擬設計和模擬仿真。計算機輔助設計是基于機械設計軟件如AutoCAD、Ansys、Solidworks等設計軟件的現(xiàn)代設計理論方法。

在目前的設計理論中，超前化設計之前是每個企業(yè)和設計人員必須學會的方法，現(xiàn)代機械設計軟件各種設計方法的利用，讓設計人員可以把想法在電腦上提前展示出來。然后再利用有限元軟件對產品的受力，溫度等進行分析，進行強度校核，這就大大縮短了產品設計周期，而且虛擬的產品分析還可以降低設計成本。例如對一個機械手臂的設計中，設計人員首先將產品大致外觀用三維軟件solidworks進行三維建模仿真，待裝配完成，對外觀及機構結構上不合理的部分進行初步改進。待這些外觀結構改善完畢，導入有限元分析軟件ansys，施加虛擬外力，對機械手臂各部件進行可行性分析，強度、壽命是否能達到要求。這樣，一個機械產品設計完畢，進行試生產后，機械部分的設計成功率幾乎達到99%，這便是CAD技術的優(yōu)點。

2.3可信性設計

可信性的引入，是在機械設計技術成熟之后才提出的。包括安全設計、可靠性設計、動態(tài)分析與設計疲勞可靠性設計、防斷裂設計、減摩耐磨設計、防腐蝕設計、健壯設計、耐環(huán)境設計、維修性設計、測試性設計、人機工程設計。它融合了材料、斷裂力學、疲勞理論、數(shù)理統(tǒng)計等內容的一個學科，比傳統(tǒng)的機械設計復雜。

對于現(xiàn)代設計理論學說，可靠性設計的提出是在市場競爭下提出來的，它關系到一個產品的生命周期，以及在這個生命周期內的平均修復時間等問題。設計人員在設計產品時，兼顧考慮產品的使用性能，并在這基礎上對產品進行改進，使產品結構更加合理?？煽啃栽O計包括兩種基本方法：定量化和定性化。定量化的方法要從故障（失效）的概率分布講起，如何能定量地設計、試驗、控制和管理產品的可靠性。定性方法則是經驗為主，也就是要把過去積累處理失效的經驗設計到產品中，使它具有免故障的能力。定性和定量方法是相輔相成的?？煽啃栽O計目的是在設計階段預測和預防所有可能發(fā)生的故障和隱患，消除于未然，把可靠性設計到產品中去。事前分析指出產品在運行中的故障診斷、檢測，和壽命預測技術，以保持運行的可靠性。事后分析指產品發(fā)生故障或失效后的分析，找出產品故障模式的原因，研究預防故障的技術。尤其是事前分析，這便是可靠性研究重點的重點，美國工業(yè)中90%的可靠性成本用于設計上，而且在提高可靠性方面已積累了不少經驗和技術。

2.4設計試驗技術

機械設計試驗技術，是基于虛擬仿真技術的基礎上發(fā)展而來的又一新興學科。在設計人員對產品外觀等設計完畢后，在電腦上對產品的可靠性驗證和運動仿真，發(fā)現(xiàn)需要改進的方面后對產品進行優(yōu)化。它包括環(huán)保性能試驗、仿真與虛擬試驗、可靠性試驗。

設計試驗技術理論，要求事先制定好試驗指標，即判斷試驗結果是否達到預期效果的技術性指標。這些指標要求定量定性，以求得到的結果更具有科學性和可比較性。在這些技術里，關鍵在于檢測技術，如有限元軟件的引入，虛擬仿真軟件的運用等。設計人員在建模完成后可以對產品各部件的運動輸入計算機，計算機根據(jù)大量的計算得到產品的運動特性，受力特點。設計人員便可以形象直觀的知道產品各方面特性。這種虛擬試驗的好處便是縮短設計周期，降低研發(fā)成本，減小設計人員工作量。他的理論基礎是計算機運動關系分析和受力分析。

3.結論

面對市場上日益劇烈的競爭，機械設計者不僅面臨技術上的競爭，還要進行時間上的賽跑，而現(xiàn)代機械設計技術正是在這方面要求的基礎上發(fā)展而來的，它是在現(xiàn)代計算機技術，現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫技術和現(xiàn)代數(shù)學理論的基礎上發(fā)展而來的，在機械設計上一種革新式的新理論。

我國現(xiàn)代機械設計技術發(fā)展較晚，起步較慢，很多理論方法引子國外，技術上目前也比較落后，但最近經過努力，很多從業(yè)人員在這方面做了大量研究。例如70年代興起的反求工程，很大程度上縮短了我國研發(fā)新產品的周期，加快了機械行業(yè)的發(fā)展速度。CAD軟件在各公司已經普及，虛擬仿真技術等早已運用到實際設計研發(fā)過程中?，F(xiàn)代機械設計理論，已經給機械設計行業(yè)帶來了一種革命，在不久的將來，新的技術必定會有這些理論衍生并應用，帶來更多的方便。