周崇

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)除了在質(zhì)量上的要求外，還注重機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新性。現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法的提出就是為了提高機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間和提高機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，并且設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、適應(yīng)性和可靠性的要求。與傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法相比，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法有設(shè)計(jì)周期短、耗費(fèi)低、主動(dòng)性強(qiáng)和綠色環(huán)保等特點(diǎn)，它所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在功能、結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的外觀方面都有明顯的進(jìn)步。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械設(shè)計(jì)；現(xiàn)代設(shè)計(jì)；傳統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)計(jì)是根據(jù)產(chǎn)品的使用要求對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)形式、工作原理、潤(rùn)滑方式等進(jìn)行分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)并將這些方法應(yīng)用到具體的設(shè)計(jì)過(guò)程的方法。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法也稱常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)方法，是需要設(shè)計(jì)人員去檢索資料、手工計(jì)算和繪圖，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)質(zhì)量不高的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。隨著科學(xué)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品迅速的更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法已不能滿足機(jī)械設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)要求，這就提出了現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法。現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法是對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法的完善和改變，它以發(fā)展并完善設(shè)計(jì)理論、改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法、提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量和縮短設(shè)計(jì)周期為目標(biāo)為宗旨，包含了創(chuàng)造性設(shè)計(jì)方法、系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、有限元分析方法、反求工程設(shè)計(jì)等。

1.傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)的方法是以設(shè)計(jì)人員對(duì)于所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的理論認(rèn)知和工作經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)而進(jìn)行靜態(tài)、直覺的設(shè)計(jì)。（1）產(chǎn)品的理論認(rèn)知來(lái)自于長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，是固定不變的。但現(xiàn)實(shí)社會(huì)往往是復(fù)雜多變的，這就存在設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品考慮不全面，存在安全隱患，我們用安全系數(shù)來(lái)概述。如果選擇的安全系數(shù)過(guò)大，則投入產(chǎn)品的資金就會(huì)增加，成本增加；如果選擇的安全系數(shù)過(guò)小，則在保證產(chǎn)品的安全性方面很難做到。（2）工作經(jīng)驗(yàn)是設(shè)計(jì)人員根據(jù)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品已經(jīng)存在的設(shè)計(jì)過(guò)程和經(jīng)驗(yàn)公式，或設(shè)計(jì)人員本身的設(shè)計(jì)思路與同類或者相似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行類比。隨著不斷提高的產(chǎn)品技術(shù)含量，設(shè)計(jì)體系變的越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法已不能滿足產(chǎn)品的更新速度和市場(chǎng)的需求。

以思維科學(xué)、設(shè)計(jì)理論系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)為工具的現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法出現(xiàn)了。與傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法相比，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法是動(dòng)態(tài)，科學(xué)的?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品比傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法所設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品在質(zhì)量上更可靠、更安全，在外觀上更自然、更吸引人，在總體功能上更人性化。顯然，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法具有很多傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法不能比的特點(diǎn)：（1）隨著社會(huì)的發(fā)展，產(chǎn)品的更新?lián)Q代很快，設(shè)計(jì)人員要不斷的改善舊產(chǎn)品推出新產(chǎn)品。而在新產(chǎn)品的開發(fā)過(guò)程中，被動(dòng)的傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法已不能滿足要求，需要主動(dòng)性比較強(qiáng)的現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法來(lái)適應(yīng)。（2）現(xiàn)代社會(huì)的消費(fèi)群體在追求先進(jìn)產(chǎn)品的同時(shí)還要求產(chǎn)品的綠色環(huán)保性。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法追求的是產(chǎn)品本身的質(zhì)量和預(yù)定功能，而現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法在追求產(chǎn)品預(yù)定性能的基礎(chǔ)上還要考慮產(chǎn)品在原料的選取、工件的加工、產(chǎn)品的裝配、產(chǎn)品的使用到產(chǎn)品的報(bào)廢回收都需要考慮和環(huán)境的關(guān)系，保證產(chǎn)品的綠色性。（3）傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法一般先根據(jù)設(shè)計(jì)思路制定出第一套方案并做出樣機(jī)，然后對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)、評(píng)定并且不斷的修改直到滿意而形成第二套方案，期間耗費(fèi)高、時(shí)間周期長(zhǎng)?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法依據(jù)各種既定的條件，綜合運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，借助計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)仿真出產(chǎn)品，設(shè)計(jì)周期短，耗資低。

2.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法實(shí)際上是把科學(xué)方法論運(yùn)用到機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中，它是以設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品為目標(biāo)的一系列設(shè)計(jì)方法和先進(jìn)技術(shù)手段的完美結(jié)合?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法在不斷的完善和改變中，但它以發(fā)展并完善設(shè)計(jì)理論、改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法、提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量和縮短設(shè)計(jì)周期為目標(biāo)的宗旨是不會(huì)改變的。經(jīng)歸納總結(jié)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法有創(chuàng)造性設(shè)計(jì)方法、系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)方法、優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、有限元分析方法、反求工程設(shè)計(jì)等。

2.1系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)方法一般是把要設(shè)計(jì)的對(duì)象分成獨(dú)立的幾部分來(lái)分別進(jìn)行研究。因?yàn)楦鱾€(gè)部分的研究人員不能及時(shí)交流，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)對(duì)象的各個(gè)部分是獨(dú)立的，所以得出的結(jié)論往往是片面的、不完整的。現(xiàn)代系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)方法把所設(shè)計(jì)的對(duì)象看成是一個(gè)完整的系統(tǒng)，用系統(tǒng)工程的方法來(lái)進(jìn)行研究，并且在尋求最佳的設(shè)計(jì)方案時(shí)還要考慮產(chǎn)品或系統(tǒng)的制造過(guò)程和運(yùn)行情況。即系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)考慮系統(tǒng)的開發(fā)、系統(tǒng)的制造和系統(tǒng)的運(yùn)行這三個(gè)部分，只有這樣才能驗(yàn)證出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效果。

2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)代化的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法已不再是傳統(tǒng)的那種根據(jù)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)或直觀想法來(lái)確定結(jié)構(gòu)方案，也不是再滿足所設(shè)計(jì)產(chǎn)品要求的前提下，先確定設(shè)計(jì)方案再根據(jù)安全準(zhǔn)則對(duì)產(chǎn)品的強(qiáng)度、剛度和壽命等分析計(jì)算，然后確定產(chǎn)品的尺寸等；而是不僅要考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還要同時(shí)考慮產(chǎn)品的運(yùn)輸和產(chǎn)品的流通等各個(gè)方面?，F(xiàn)代機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法包含建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型和選擇恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)的方法。因?yàn)閮?yōu)化設(shè)計(jì)方法是根據(jù)在尋求數(shù)學(xué)模型的解決方法時(shí)得到產(chǎn)品解決的最優(yōu)方案，所以設(shè)計(jì)人員要根據(jù)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的要求建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，而數(shù)學(xué)模型一旦建立后，機(jī)械問題就變成了一個(gè)數(shù)學(xué)問題。設(shè)計(jì)人員根據(jù)數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)選擇合適的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，然后借助計(jì)算機(jī)軟件等工具求出數(shù)學(xué)解，然后把求出的解應(yīng)用到機(jī)械產(chǎn)品中，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。

2.3有限元分析方法

有限元分析方法是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代化設(shè)計(jì)計(jì)算方法，它首先是應(yīng)用在連續(xù)力學(xué)領(lǐng)域的數(shù)值分析方法，隨后隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展而擴(kuò)展到熱、磁等連續(xù)性分析領(lǐng)域。有限元分析方法的原理是將要分析的產(chǎn)品劃分為有限的、獨(dú)立而又相互聯(lián)結(jié)的部分，這些部分一般都是常見的形狀，比如在有限元分析軟件ANSYS中，被分析的產(chǎn)品如果是平面則最好劃分為四邊形，如果是立體則最好劃分為六面體。劃分好單元后設(shè)計(jì)人員需要確定所分析產(chǎn)品的各個(gè)變量，然后建立單元函數(shù)進(jìn)行單元求解，最后聯(lián)立單元方程求解。概括起來(lái)說(shuō)有限元分析方法可以分為三個(gè)階段：前處理階段是建立有限元模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分；處理階段是進(jìn)行參數(shù)的確定和單元的計(jì)算；后處理階段是提取分析結(jié)果，得出結(jié)論。

2.4反求工程設(shè)計(jì)

反求工程也稱為逆向工程，它是以先進(jìn)的產(chǎn)品為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究分析，探索并掌握產(chǎn)品應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)，然后設(shè)計(jì)出同類的先進(jìn)產(chǎn)品的一系列方法和技術(shù)的總稱。我國(guó)是制造業(yè)大國(guó)而非制造業(yè)強(qiáng)國(guó)，要想達(dá)到制造業(yè)強(qiáng)國(guó)關(guān)鍵是人才和技術(shù)，外國(guó)有很多機(jī)械設(shè)計(jì)方法和技術(shù)領(lǐng)先于我們，但他們對(duì)我國(guó)采取封鎖的政策。研究表明運(yùn)用反求工程設(shè)計(jì)掌握先進(jìn)產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)可以使設(shè)計(jì)人員的研究周期縮短百分a之四十以上，極大的提高了設(shè)計(jì)速度?？梢娧芯糠辞蠊こ淘O(shè)計(jì)對(duì)我國(guó)的技術(shù)發(fā)展有很重要的意義。一個(gè)先進(jìn)成熟的產(chǎn)品，要在了解掌握原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出同類有競(jìng)爭(zhēng)性的新產(chǎn)品也是有一定的難度的，所以反求工程是一種先被動(dòng)后主動(dòng)的創(chuàng)造性活動(dòng)，并非產(chǎn)品設(shè)計(jì)的逆過(guò)程。

3.結(jié)論

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法是對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法的完善和補(bǔ)充，它是一個(gè)主動(dòng)性很強(qiáng)、設(shè)計(jì)周期短、耗費(fèi)低的系統(tǒng)。現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法無(wú)論在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)還是產(chǎn)品的制造和報(bào)廢回收都優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法?，F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法是將許多領(lǐng)域和學(xué)科的知識(shí)在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到了完美的融合，它不僅僅是一個(gè)人的單獨(dú)設(shè)計(jì)，而是一個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的所有設(shè)計(jì)人員都應(yīng)該掌握并能在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的方法，并且每個(gè)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該互相了解，這樣才能設(shè)計(jì)出完美的產(chǎn)品。