周崇

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，社會的進步，現(xiàn)代機械產(chǎn)品的設(shè)計除了在質(zhì)量上的要求外，還注重機械產(chǎn)品的創(chuàng)新性。現(xiàn)代機械設(shè)計方法的提出就是為了提高機械產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量、縮短機械產(chǎn)品的設(shè)計時間和提高機械產(chǎn)品的設(shè)計效率，并且設(shè)計出的產(chǎn)品滿足產(chǎn)品設(shè)計的經(jīng)濟性、環(huán)保性、適應(yīng)性和可靠性的要求。與傳統(tǒng)機械設(shè)計方法相比，現(xiàn)代機械設(shè)計方法有設(shè)計周期短、耗費低、主動性強和綠色環(huán)保等特點，它所設(shè)計的產(chǎn)品在功能、結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的外觀方面都有明顯的進步。

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

機械設(shè)計是根據(jù)產(chǎn)品的使用要求對機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、運動形式、工作原理、潤滑方式等進行分析、計算和設(shè)計并將這些方法應(yīng)用到具體的設(shè)計過程的方法。傳統(tǒng)的機械設(shè)計方法也稱常規(guī)機械設(shè)計方法，是需要設(shè)計人員去檢索資料、手工計算和繪圖，設(shè)計周期長，設(shè)計質(zhì)量不高的產(chǎn)品設(shè)計方法。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)的機械設(shè)計方法已不能滿足機械設(shè)計人員的設(shè)計要求，這就提出了現(xiàn)代機械設(shè)計方法?，F(xiàn)代機械設(shè)計方法是對傳統(tǒng)機械設(shè)計方法的完善和改變，它以發(fā)展并完善設(shè)計理論、改進產(chǎn)品的設(shè)計方法、提高設(shè)計產(chǎn)品的質(zhì)量和縮短設(shè)計周期為目標(biāo)為宗旨，包含了創(chuàng)造性設(shè)計方法、系統(tǒng)分析設(shè)計方法、優(yōu)化設(shè)計方法、有限元分析方法、反求工程設(shè)計等。

1.傳統(tǒng)機械設(shè)計方法與現(xiàn)代機械設(shè)計方法

傳統(tǒng)機械設(shè)計的方法是以設(shè)計人員對于所設(shè)計產(chǎn)品的理論認知和工作經(jīng)驗為基礎(chǔ)而進行靜態(tài)、直覺的設(shè)計。（1）產(chǎn)品的理論認知來自于長期的設(shè)計經(jīng)驗和實驗結(jié)果，是固定不變的。但現(xiàn)實社會往往是復(fù)雜多變的，這就存在設(shè)計出的產(chǎn)品考慮不全面，存在安全隱患，我們用安全系數(shù)來概述。如果選擇的安全系數(shù)過大，則投入產(chǎn)品的資金就會增加，成本增加；如果選擇的安全系數(shù)過小，則在保證產(chǎn)品的安全性方面很難做到。（2）工作經(jīng)驗是設(shè)計人員根據(jù)所設(shè)計產(chǎn)品已經(jīng)存在的設(shè)計過程和經(jīng)驗公式，或設(shè)計人員本身的設(shè)計思路與同類或者相似產(chǎn)品的設(shè)計方法進行類比。隨著不斷提高的產(chǎn)品技術(shù)含量，設(shè)計體系變的越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的機械設(shè)計方法已不能滿足產(chǎn)品的更新速度和市場的需求。

以思維科學(xué)、設(shè)計理論系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)，計算機為工具的現(xiàn)代機械設(shè)計方法出現(xiàn)了。與傳統(tǒng)機械設(shè)計方法相比，現(xiàn)代機械設(shè)計方法是動態(tài)，科學(xué)的?，F(xiàn)代機械設(shè)計方法設(shè)計出的產(chǎn)品比傳統(tǒng)機械設(shè)計方法所設(shè)計出的產(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)代機械設(shè)計方法具有很多傳統(tǒng)機械設(shè)計方法不能比的特點：（1）隨著社會的發(fā)展，產(chǎn)品的更新?lián)Q代很快，設(shè)計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)過程中，被動的傳統(tǒng)機械設(shè)計方法已不能滿足要求，需要主動性比較強的現(xiàn)代機械設(shè)計方法來適應(yīng)。（2）現(xiàn)代社會的消費群體在追求先進產(chǎn)品的同時還要求產(chǎn)品的綠色環(huán)保性。傳統(tǒng)的機械設(shè)計方法追求的是產(chǎn)品本身的質(zhì)量和預(yù)定功能，而現(xiàn)代機械設(shè)計方法在追求產(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)機械設(shè)計方法一般先根據(jù)設(shè)計思路制定出第一套方案并做出樣機，然后對樣機進行試驗、評定并且不斷的修改直到滿意而形成第二套方案，期間耗費高、時間周期長?，F(xiàn)代機械設(shè)計方法依據(jù)各種既定的條件，綜合運用優(yōu)化設(shè)計的方法，借助計算機軟件設(shè)計仿真出產(chǎn)品，設(shè)計周期短，耗資低。

2.現(xiàn)代機械設(shè)計方法

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

2.1系統(tǒng)分析設(shè)計方法

傳統(tǒng)的分析設(shè)計方法一般是把要設(shè)計的對象分成獨立的幾部分來分別進行研究。因為各個部分的研究人員不能及時交流，導(dǎo)致所設(shè)計對象的各個部分是獨立的，所以得出的結(jié)論往往是片面的、不完整的?，F(xiàn)代系統(tǒng)分析設(shè)計方法把所設(shè)計的對象看成是一個完整的系統(tǒng)，用系統(tǒng)工程的方法來進行研究，并且在尋求最佳的設(shè)計方案時還要考慮產(chǎn)品或系統(tǒng)的制造過程和運行情況。即系統(tǒng)分析設(shè)計應(yīng)同時考慮系統(tǒng)的開發(fā)、系統(tǒng)的制造和系統(tǒng)的運行這三個部分，只有這樣才能驗證出產(chǎn)品的設(shè)計效果。

2.2優(yōu)化設(shè)計方法

現(xiàn)代化的優(yōu)化設(shè)計方法已不再是傳統(tǒng)的那種根據(jù)設(shè)計人員的經(jīng)驗或直觀想法來確定結(jié)構(gòu)方案，也不是再滿足所設(shè)計產(chǎn)品要求的前提下，先確定設(shè)計方案再根據(jù)安全準(zhǔn)則對產(chǎn)品的強度、剛度和壽命等分析計算，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)計還要同時考慮產(chǎn)品的運輸和產(chǎn)品的流通等各個方面?，F(xiàn)代機械優(yōu)化設(shè)計方法包含建立優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型和選擇恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化設(shè)計的方法。因為優(yōu)化設(shè)計方法是根據(jù)在尋求數(shù)學(xué)模型的解決方法時得到產(chǎn)品解決的最優(yōu)方案，所以設(shè)計人員要根據(jù)所設(shè)計產(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，機械問題就變成了一個數(shù)學(xué)問題。設(shè)計人員根據(jù)數(shù)學(xué)模型的特點選擇合適的優(yōu)化設(shè)計方法，然后借助計算機軟件等工具求出數(shù)學(xué)解，然后把求出的解應(yīng)用到機械產(chǎn)品中，滿足產(chǎn)品設(shè)計的要求。

2.3有限元分析方法

有限元分析方法是隨著計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代化設(shè)計計算方法，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，隨后隨著計算機的快速發(fā)展而擴展到熱、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)計人員需要確定所分析產(chǎn)品的各個變量，然后建立單元函數(shù)進行單元求解，最后聯(lián)立單元方程求解。概括起來說有限元分析方法可以分為三個階段：前處理階段是建立有限元模型并進行網(wǎng)格劃分；處理階段是進行參數(shù)的確定和單元的計算；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

反求工程也稱為逆向工程，它是以先進的產(chǎn)品為研究對象，通過現(xiàn)代設(shè)計方法進行研究分析，探索并掌握產(chǎn)品應(yīng)用的先進技術(shù)，然后設(shè)計出同類的先進產(chǎn)品的一系列方法和技術(shù)的總稱。我國是制造業(yè)大國而非制造業(yè)強國，要想達到制造業(yè)強國關(guān)鍵是人才和技術(shù)，外國有很多機械設(shè)計方法和技術(shù)領(lǐng)先于我們，但他們對我國采取封鎖的政策。研究表明運用反求工程設(shè)計掌握先進產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)可以使設(shè)計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)計速度。可見研究反求工程設(shè)計對我國的技術(shù)發(fā)展有很重要的意義。一個先進成熟的產(chǎn)品，要在了解掌握原設(shè)計的基礎(chǔ)上設(shè)計出同類有競爭性的新產(chǎn)品也是有一定的難度的，所以反求工程是一種先被動后主動的創(chuàng)造性活動，并非產(chǎn)品設(shè)計的逆過程。

3.結(jié)論

現(xiàn)代機械設(shè)計方法是對傳統(tǒng)機械設(shè)計方法的完善和補充，它是一個主動性很強、設(shè)計周期短、耗費低的系統(tǒng)?，F(xiàn)代機械設(shè)計方法無論在產(chǎn)品的設(shè)計還是產(chǎn)品的制造和報廢回收都優(yōu)于傳統(tǒng)的機械設(shè)計方法。現(xiàn)代機械設(shè)計方法是將許多領(lǐng)域和學(xué)科的知識在實際的產(chǎn)品設(shè)計中得到了完美的融合，它不僅僅是一個人的單獨設(shè)計，而是一個設(shè)計團隊的所有設(shè)計人員都應(yīng)該掌握并能在實際的設(shè)計過程中應(yīng)用現(xiàn)代機械設(shè)計的方法，并且每個設(shè)計人員應(yīng)該互相了解，這樣才能設(shè)計出完美的產(chǎn)品。