王艷

【摘 要】隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，機(jī)械設(shè)計(jì)也隨之發(fā)生了革命性的變化，現(xiàn)代機(jī)械技術(shù)給制造業(yè)帶來(lái)了全新的局面，各種設(shè)計(jì)技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、設(shè)計(jì)工具乃至新材料、新工藝在產(chǎn)品制造中得到了應(yīng)用，縮短了產(chǎn)品周期，提高了產(chǎn)品的性能與質(zhì)量。本文闡述了現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)中常見的設(shè)計(jì)手段，大膽展望了未來(lái)機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)手段；發(fā)展趨勢(shì)

1.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)越性

機(jī)械設(shè)計(jì)是為實(shí)現(xiàn)某一使用功能，同時(shí)考慮其運(yùn)動(dòng)可能性、制造可能性、經(jīng)濟(jì)可能性，從而構(gòu)思一種具有一定創(chuàng)新的機(jī)械產(chǎn)品的過程。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)受低劣的設(shè)備條件和落后的技術(shù)方法所限，只能在保守的觀念下，依據(jù)粗略的驗(yàn)算甚至估計(jì)，通過大量的簡(jiǎn)化和靜止化假設(shè)完成機(jī)械工程設(shè)計(jì)，它必然使設(shè)計(jì)存在隨意性，對(duì)個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣的依賴性極大，極難實(shí)現(xiàn)合理、準(zhǔn)確和高效的設(shè)計(jì)。現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)充分利用了當(dāng)今迅速發(fā)展起來(lái)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)、電子學(xué)、測(cè)試和分析技術(shù)，使設(shè)計(jì)技術(shù)有可能從經(jīng)驗(yàn)的、靜止的和隨意性很大的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)變?yōu)榛谟?jì)算數(shù)據(jù)、知識(shí)工程或?qū)＜蚁到y(tǒng)的、動(dòng)態(tài)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)。這需要充分收集、分析和檢索必要的信息、快速的數(shù)值運(yùn)算和方案尋優(yōu)，因而必然大規(guī)模地使用CAD技術(shù)和人工智能技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)雖然大體上繼承了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則和步驟、價(jià)值分析法則和指標(biāo)、造型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和觀念、類比設(shè)計(jì)思想、組合/分解方法等但科技發(fā)展對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)的促進(jìn)使之不可能一成不變地沿襲舊有模式，而是幾乎在產(chǎn)品設(shè)計(jì)全周期的各階段，都應(yīng)引入現(xiàn)代科技成果和工具，使用各學(xué)科的新發(fā)現(xiàn)、新觀念。在計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、圖形圖象處理和傳輸技術(shù)基礎(chǔ)上組建“計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作”（CSCW，ComputerSupportingCooperationWorking）環(huán)境以綜合集體的智慧；用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)乃至大系統(tǒng)理論對(duì)問題進(jìn)行分解簡(jiǎn)化或綜合分析。而在隨后的分析計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)階段（或者總稱詳細(xì)設(shè)計(jì)階段），應(yīng)以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，以有限元分析系統(tǒng)為工具進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)力/應(yīng)變分析和強(qiáng)度計(jì)算，以塑性力學(xué)、材料力學(xué)為基礎(chǔ)，以有限元方法、計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真和圖形仿真技術(shù)為手段，進(jìn)行針對(duì)材料屈曲和塑性破壞的極限設(shè)計(jì)；以振動(dòng)理論、強(qiáng)化試驗(yàn)理論和安全壽命預(yù)測(cè)理論為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)支持下完成針對(duì)疲勞損傷的疲勞設(shè)計(jì)。由此可見，現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域除上述傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中涉及的技術(shù)門類外，還融進(jìn)了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、隨機(jī)振動(dòng)與動(dòng)態(tài)載荷分析、模塊化設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、有限元分析、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)及其強(qiáng)化、計(jì)算機(jī)信息交換方法和標(biāo)準(zhǔn)等，其中，動(dòng)態(tài)、優(yōu)化和計(jì)算機(jī)化是其核心。

2.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)特點(diǎn)

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)具有以下特點(diǎn)：一是智能化。大型復(fù)雜機(jī)械的設(shè)計(jì)必須完成“分析—分解—綜合”的過程。其中包含了大量創(chuàng)造性思維過程和智能活動(dòng)。二是經(jīng)濟(jì)性，市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)、用戶的選擇使對(duì)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性要求越來(lái)越高。三是并行性。必須超前考慮后續(xù)過程，實(shí)現(xiàn)DFM、DFA，以壓縮廢品、庫(kù)存的消耗，確保上述經(jīng)濟(jì)性。四是集成化。即樹立人—機(jī)一體化、機(jī)—電一體化、硬件—軟件一體化觀念，綜合多方面測(cè)試分析數(shù)據(jù)指導(dǎo)、評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)，融多種現(xiàn)代科技成果和技術(shù)，特別是CAD技術(shù)于機(jī)械產(chǎn)品之中。五是精確性。這是機(jī)械工程產(chǎn)品復(fù)雜度、綜合性提高的必然結(jié)果，現(xiàn)代先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)、計(jì)算理論和計(jì)算分析工具的使用也使之得以迅速提高。六是動(dòng)態(tài)性。不僅分析設(shè)計(jì)對(duì)象要從動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)出發(fā)，設(shè)計(jì)組織的合作協(xié)調(diào)也具有動(dòng)態(tài)性，后者要求設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集成、設(shè)計(jì)系統(tǒng)無(wú)縫連接。

3.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

從目前的情況來(lái)看，CAD技術(shù)主要應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)的以下諸方面：幾何建模、工程分析（如結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)力/應(yīng)變計(jì)算，動(dòng)態(tài)特性、熱傳導(dǎo)特性分析等）、設(shè)計(jì)審查與評(píng)價(jià)（如公差分配審查、干涉檢查、運(yùn)動(dòng)仿真等）、計(jì)算機(jī)輔助繪圖、工程數(shù)據(jù)庫(kù)的建立及其操作和工程設(shè)計(jì)信息的處理、檢索和交換等。然而，機(jī)械設(shè)計(jì)是一種反復(fù)改進(jìn)、分析評(píng)價(jià)的創(chuàng)造過程。這一過程具有以下特征：一是創(chuàng)造性，針對(duì)市場(chǎng)需求或用戶需求構(gòu)思出具有一定創(chuàng)意的產(chǎn)品模型；二是多解性，建模中材料、用戶對(duì)象、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等的差異均可導(dǎo)致迥然不同的設(shè)計(jì)結(jié)果；三是近似性，不論計(jì)算手段多么先進(jìn)、設(shè)計(jì)工具多么強(qiáng)有力，也必須進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化近似。這些特性在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中非常突出，但又沒有確定的數(shù)學(xué)模型，也難以得出明確的解答，現(xiàn)有CAD技術(shù)因此在其中尚無(wú)用武之地。由于具有上述特征的工作基本上集中在設(shè)計(jì)過程的早期，其中構(gòu)思的優(yōu)劣、設(shè)計(jì)目標(biāo)選擇的合理與否，對(duì)后續(xù)工作的影響不論在深度還是廣度上都非常大。為了在機(jī)械工程設(shè)計(jì)的早期最大限度地將工程技術(shù)人員從繁瑣無(wú)序的摸索嘗試中解放出來(lái)，從而充分發(fā)揮人類卓越的創(chuàng)造力，同時(shí)綜合運(yùn)用人類多年積累的知識(shí)成果，發(fā)揮設(shè)計(jì)組織的集體智慧，必須將繁雜的數(shù)值計(jì)算、知識(shí)信息的傳送處理和檢索、簡(jiǎn)單而又眾多的判斷等工作盡可能地交給計(jì)算機(jī)完成。因此，CAD技術(shù)必須向智能化、信息集成化、信息交換接口標(biāo)準(zhǔn)化和CAD/CAM一體化方向發(fā)展。可以預(yù)見，隨著近年來(lái)人工智能、知識(shí)庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、信息集成與交換技術(shù)的飛速發(fā)展和信息交換標(biāo)準(zhǔn)的擬定、發(fā)展與完善，CAD技術(shù)正在向智能化、信息集成化、信息交換接口標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展，它在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用也趨于向設(shè)計(jì)早期深入。

人工智能在CAD技術(shù)的智能化中起著突出的作用，人工智能與CAD技術(shù)相結(jié)合的一切研究，幾乎都圍繞著提高CAD系統(tǒng)的創(chuàng)造力而展開。基于范例推理的設(shè)計(jì)，基于約束滿足的設(shè)計(jì)等方法的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致了智能CAD技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。其中具有一定智能的專家系統(tǒng)主要以兩種形式存在，即用于方案綜合和設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)。近年來(lái)還出現(xiàn)了處理設(shè)計(jì)條件描述不充分問題的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方案推導(dǎo)系統(tǒng)，以及針對(duì)機(jī)械工程設(shè)計(jì)多解性的模糊設(shè)計(jì)、模糊評(píng)判方法。

隨著工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目規(guī)模和設(shè)計(jì)隊(duì)伍的擴(kuò)大，設(shè)計(jì)周期的縮短，以及DFM、DFA模式的引入，關(guān)于設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)部信息共享的要求日益迫切。信息集成包括MIS（管理信息系統(tǒng)）、DSS（決策支持系統(tǒng)）、CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)共享及其完整性、安全性和一致性維護(hù)。然而，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的困難在于：設(shè)計(jì)中大量存在非結(jié)構(gòu)化、非定長(zhǎng)的多媒體信息，如工程圖樣、產(chǎn)品樣品圖象、關(guān)于用戶調(diào)查及產(chǎn)品評(píng)價(jià)的錄音等，對(duì)他們的有效管理必須借助于多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)。雖然目前用于商業(yè)和教育的多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)已進(jìn)入實(shí)用階段，但支持工程設(shè)計(jì)的多媒體工程數(shù)據(jù)庫(kù)（EDB）還有許多問題尚待研究。因此，為了減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，必須解決Client/Server環(huán)境下智能化多庫(kù)協(xié)同問題，多媒體信息傳輸、播放的同步問題等。CAD系統(tǒng)集成化的另一途徑是信息交換接口的標(biāo)準(zhǔn)化。為此，已先后產(chǎn)生了IGES、PDES、STEP等信息交換標(biāo)準(zhǔn)，目前它們還在進(jìn)一步發(fā)展完善中。

4.結(jié)束語(yǔ)

總之，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用的不斷深化，現(xiàn)代產(chǎn)品制造過程將會(huì)向更加智能化、集成化、人性化的方向發(fā)展，市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)也將會(huì)不斷對(duì)產(chǎn)品提出更高的要求。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)的應(yīng)用中將會(huì)越來(lái)越廣泛，促進(jìn)制造業(yè)融入更多人工智能的因素，更加人性化和高效化。