莫建剛

【摘 要】本文簡述了現(xiàn)代機械設計理論方法的相關內容，分析了我國現(xiàn)代機械設計理論方法的發(fā)展方向，以作理論交流。

【關鍵詞】機械設計理論；設計方法；發(fā)展趨勢

自從我國加入WTO以來，我國制造業(yè)也開始向國際化水準靠攏，市場競爭不斷升級，市場對機械產品的質量、結構、功能、性價比以及外形的多樣化和個性化提出了更高的要求，同時由于環(huán)境資源的制約，要求市場上有更多資源節(jié)約型、可持續(xù)發(fā)展的機械產品不斷涌現(xiàn)。這代表我們在新的市場形態(tài)中面臨著新的機遇，同時又存在著極大的危機。因此，提高我國制造業(yè)的生產水平，提高產品的質量，滿足國際化、動態(tài)化、環(huán)保化的高性能高質量產品要求，成為時下我國制造業(yè)的一大重要任務。加強現(xiàn)代機械設計理論方法的研究比以往任何時期都更加顯得十分重要。

1.我國現(xiàn)代機械設計理論和方法的現(xiàn)狀

據(jù)2010 年統(tǒng)計，我國制造業(yè)的工業(yè)增加值已居世界第二位，這說明中國已經(jīng)成為世界制造大國，但遠不是世界制造強國。 這是因為我國的機械產品不僅缺乏自主知識產權，缺乏自主創(chuàng)新產品，而且在產品的性能和質量上與發(fā)達國家的差距較大。改革開放后，我國的機械設計水平雖然有較大的進步，但與發(fā)達的美德日等工業(yè)化強國相比，仍然相當于他們六七十年代的水平。我國機械制造業(yè)的落后說明了我國在機械產品設計理論、方法和技術領域的落后，這也說明了加快發(fā)展我國機械產品現(xiàn)代設計理論方法研究的重要性和緊迫性。

二十世紀八九十年代，我國機械行業(yè)為了打造“數(shù)字化”和“信息化”工廠，許多企業(yè)花巨資購買了世界高端的CAD/CAM/CAE 軟件，如AUTOCAD、PR0/E、UG、ANSYS和ADAMS 等，并培訓了一大批機械設計人員。但很多企業(yè)在CAD 應用的深度和廣度仍有很大局限性，他們僅僅是利用CAD 進行工程繪圖，只實現(xiàn)了機械設計的“甩圖板”目的，而三維CAD/CAM/CAE、仿真設計等應用卻很少。采用先進的CAD 軟件進行工程繪圖或做產品結構優(yōu)化計算，確實能減輕設計人員的工作強度，提高機械設計效率，但機械設計不等于計算，也不等于機械制圖加計算，它并不能從根本上解決中國目前機械設計水平低下的問題。在機械產品生命全周期中，由于設計成本只占制造總成本的3%左右，而設計階段決定了產品的結構、功能、質量、成本、可制造性、可維修性等主要性能指標，所以設計階段決定了產品整個成本的70%左右，制造階段及后續(xù)其他相關階段只決定約30%的總成本。因此大力開展現(xiàn)代設計理論方法的研究，并把現(xiàn)代設計理論方法在我國制造業(yè)中推廣使用顯得非常有必要。

2.現(xiàn)代機械設計方法理論的范疇

現(xiàn)代機械設計理論和方法是對傳統(tǒng)設計方法的繼承、創(chuàng)新和發(fā)展，它是將機械技術、信息技術、微電子技術、計算機技術、控制技術和管理科學等有機地加以綜合，形成的一門多學科、多專業(yè)相互交融的系統(tǒng)設計科學。如果從系統(tǒng)的觀點分析，現(xiàn)代機械設計理論和方法又是一個由時間維、邏輯維、方法維組成的三維系統(tǒng)。時間維反映了產品規(guī)劃、方案設計、技術設計和加工設計流程的時間順序；邏輯維是指解決問題的邏輯步驟，現(xiàn)代機械設計采取先分析、再綜合、然后評價、最后決策的步驟；方法維是指機械設計設計過程中的各種思維方法和工作方法?，F(xiàn)代機械設計采用各種先進的設計理論方法，使機械設計進入優(yōu)質、高效和創(chuàng)新的新時代?，F(xiàn)代機械設計具有的范疇如下：（1）信息論方法。如信息分析法，技術預測等。（2）系統(tǒng)論法。如系統(tǒng)分析法，人機工程等。（3）控制論法。如動態(tài)分析法等。（4）優(yōu)化論法。它是現(xiàn)代設計法的目標。（5）對應論方法。如相似設計、反求工程設計等。（6）智能論方法。如CAD，計算機輔助分析等，它是現(xiàn)代設計方法的核心。（7）壽命論方法，如可靠性和價值工程等。（8）離散論方法。如有限元和邊界元方法。（9）模糊論方法。如模糊評價和決策等。（10）突變論方法。如創(chuàng)造性設計等，它是現(xiàn)代設計方法的基礎。（11）藝術論方法。如藝術造型等。

3.現(xiàn)代機械設計方法理論的特點

傳統(tǒng)機械設計方法設計者是根據(jù)機械設計的任務和目標，以生產經(jīng)驗數(shù)據(jù)作為設計依據(jù)，運用一些基本的設計計算理論，采用模擬、類比、試湊等方法進行設計。由于試驗和測試條件差、技術水平低，整機的性能分析也難以深入，因此新產品的研發(fā)往往需要經(jīng)多次試驗和修改，從而造成產品設計時間長、耗費大、所謂滿意往往帶有很大的主觀性等問題。而現(xiàn)代機械設計理論與方法是在多學科（思維科學、信息科學、系統(tǒng)工程、計算機技術等學科）支持下，研究機械設計規(guī)律、設計技術和工具、設計實施方法的工程技術科學，它具有下列特點：

（1）創(chuàng)新性。創(chuàng)新是一個國家和民族的靈魂，是生存、發(fā)展壯大的前提。現(xiàn)代機械設計依托的是先進設計理論和設計工具，它能使設計者的創(chuàng)造性思維能力得到充分發(fā)揮，使設計者靈活運用各種創(chuàng)造性的手法，開發(fā)出高質量、低成本、服務優(yōu)且符合環(huán)保概念的產創(chuàng)新品。

（2）系統(tǒng)性。 現(xiàn)代機械設計注重用系統(tǒng)的觀點來看待設計問題它既考慮產品本身，還考慮對系統(tǒng)和環(huán)境的影響，即注重人-機-環(huán)境的大系統(tǒng)關系。

（3）動態(tài)性。傳統(tǒng)機械設計只考慮產品的的靜態(tài)特性，而現(xiàn)代機械設計需要同時考慮產品的靜態(tài)和動態(tài)特性。

（4）前瞻性。在產品設計初期，現(xiàn)代機械設計不僅考慮產品生命周期的全過程和各個階段的性能要求，同時還考慮系統(tǒng)和環(huán)境的影響。這種具有前瞻性的設計可以讓人們及早發(fā)現(xiàn)產品的潛在缺陷，將可能發(fā)生的機械故障減小到最低程度，它能保證自然生態(tài)資源的平衡，實現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展。例如，電動汽車的出現(xiàn)就是一個反映現(xiàn)代機械設計具有前瞻性的例證，在電動汽車設計過程中，設計人員既考慮了有關電動汽車的技術問題，又考慮了駕駛操作方便、乘客安全舒適以及動力燃料供應、城市布局、道路發(fā)展規(guī)劃等社會問題。

（5）多學科理論和技術的交融性。 現(xiàn)代設計理論方法是一門新興的綜合性交叉學科，它交叉與融合了現(xiàn)代設計方法學、可靠性設計技術、有限元方法、計算機輔助設計技術、工業(yè)造型設計等多種學科。例如，可靠性設計涉及產品設計、生產、使用、管理、貯存、運輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)，它是將概率與統(tǒng)計理論、失效物理和機械學等多種學科有機相結合起來的一門綜合性很強的科學。由于現(xiàn)代機械設計理論方法具有多學科理論和技術的交融性，因此現(xiàn)代機械設計減小了傳統(tǒng)設計中經(jīng)驗設計的盲目性和隨意性，提高了設計的主動性、科學性和準確性。

（6）并行化、自動化、計算機化。傳統(tǒng)設計方式是由許多部門用串行工作方法參與設計，由于信息是串行的，采用人工檢索資料、手工計算和繪圖，因此易造成大量返工，且質量難保證，設計過程漫長?，F(xiàn)代設計方法是新理論與計算機應用相結合的產物，采用計算機化后可進行并行設計，可把人們的經(jīng)驗、智慧和創(chuàng)造力與計算機高速運算的功能有機地結合起來。隨著計算機軟硬件的發(fā)展以及工程數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡技術的廣泛應用，機械設計數(shù)據(jù)的準確性、穩(wěn)定性大大提高，提高了工程技術人員的設計效率，設計手段也更加精確，設計方法更加現(xiàn)代化。

4.我國現(xiàn)代機械設計理論和方法的發(fā)展方向

隨著市場需求的多元化與產品質量標準的不斷提高，我國現(xiàn)代機械設計理論方法的發(fā)展也在不斷的發(fā)生變化?？傮w來說，我國現(xiàn)代機械設計理論方法將在以下幾個方向進行發(fā)展：（1）在性能上向高精度、高效率、智能化的方向發(fā)展；（2）在功能上向小型、輕型、多功能化方向發(fā)展；3）在層次上向集成化方向發(fā)展。具體來說，我國現(xiàn)代機械設計理論方法的發(fā)展機械設計對象由單機走向系統(tǒng)，設計要求由單目標走向多目標，產品設計周期縮短；設計所涉及的領域由單一領域走向多個領域；產品設計由自由發(fā)展走向有計劃的發(fā)展；設計工作的人員從單人走向小組；設計的發(fā)展要適應科學技術的發(fā)展；綠色設計思想。

5.結論

隨著現(xiàn)代機械設計理論的更新，現(xiàn)代機械設計技術也將會不斷進步，現(xiàn)代機械產品的高性能高質量實用環(huán)保是現(xiàn)代設計方法先進性、科學性的最好體現(xiàn)。加強對現(xiàn)代機械設計理論方法的研究力度，促進機械設計水平的提高，對我國制造行業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展有著重要意義。