王慶輝+萬(wàn)強(qiáng)+楊敏

【摘 要】機(jī)械設(shè)計(jì)具有較悠久的歷史和完整的系統(tǒng)，是機(jī)械工程的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展和技術(shù)水平的不斷提高使得過(guò)去傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)無(wú)法滿足當(dāng)前設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)化和創(chuàng)新化得要求。本文在綜述了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)與現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用、內(nèi)涵及它們之間內(nèi)在聯(lián)系的基礎(chǔ)上，闡述了機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)指出開(kāi)發(fā)、應(yīng)用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)是當(dāng)前機(jī)械工業(yè)的發(fā)展關(guān)鍵，而優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)已勢(shì)在必行。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械設(shè)計(jì)；技術(shù)；發(fā)展現(xiàn)狀；趨勢(shì)

機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)在我國(guó)機(jī)械制造業(yè)領(lǐng)域使用得比較普遍，其是機(jī)械制造工程的重要組成部分，與機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量性能、研究周期、技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)環(huán)境效益以及生態(tài)效益等息息相關(guān)。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)一步向前推進(jìn)，我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的工作原理、結(jié)構(gòu)、力和能量傳遞方式、零件材料、形狀尺寸以及運(yùn)動(dòng)方式等都發(fā)生了本質(zhì)變化。在新的時(shí)代發(fā)展形勢(shì)下，現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及現(xiàn)代管理技術(shù)等都賦予了機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)新理論和新方法。我國(guó)的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)無(wú)論是在直覺(jué)設(shè)計(jì)、靜態(tài)設(shè)計(jì)還是在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)等方面都得到了極大發(fā)展。

一、常規(guī)設(shè)計(jì)技術(shù)及應(yīng)用

（一）理論設(shè)計(jì)

理論設(shè)計(jì)是指根據(jù)長(zhǎng)期總結(jié)出來(lái)的設(shè)計(jì)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所進(jìn)行的設(shè)計(jì)。下面以簡(jiǎn)單受拉桿件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)為例來(lái)討論理論設(shè)計(jì)的概念。桿件必須的橫截面積可以利用公式直接求解，也可以按其它方法先初步設(shè)計(jì)桿件的橫截面尺之后再用強(qiáng)度計(jì)算公式去校核。由于實(shí)際情況復(fù)雜多變，必須根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇合適的安全系數(shù)，才能保證安全性。

（二）經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)

經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)是指根據(jù)設(shè)計(jì)者個(gè)人的工作經(jīng)驗(yàn)用類比的辦法，或根據(jù)對(duì)某類零件已有的設(shè)計(jì)與使用實(shí)踐而歸納出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式所進(jìn)行的設(shè)計(jì)。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)常用于那些像機(jī)架、箱體、傳動(dòng)零件的各結(jié)構(gòu)要素等結(jié)構(gòu)形狀己典型化而使用要求不大變動(dòng)的零件。隨著設(shè)計(jì)產(chǎn)品的技術(shù)系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，產(chǎn)品更新發(fā)展速度加快，技術(shù)含量不斷提高，經(jīng)驗(yàn)類比的設(shè)計(jì)方法已不能滿足市場(chǎng)需要。

（三）模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)適用于一些結(jié)構(gòu)很復(fù)雜而尺寸又巨大的重要零件，尤其是一些重型整體機(jī)械零件，可以有效提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。即把初步設(shè)計(jì)的零、部件或機(jī)器做成小模型或小尺寸樣機(jī)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的手段對(duì)其各方面的特性進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行逐步的修改直至達(dá)到完善。由于這個(gè)設(shè)計(jì)方法昂貴、費(fèi)時(shí)，因此一般用于特別重要的設(shè)計(jì)中。

二、現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)及應(yīng)用

（一）優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)可以成功地解決解析法等其他方法難以解決的復(fù)雜問(wèn)題，它是建立在數(shù)學(xué)規(guī)劃理論和計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算出一切可能的方案，并在一切可能的方案中尋求最優(yōu)方案，使期望的指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方法。

（二）可靠性設(shè)計(jì)

可靠性設(shè)計(jì)從20世紀(jì)60年代以來(lái)逐漸進(jìn)入機(jī)械工程領(lǐng)域，是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一門新興學(xué)科。在規(guī)定的條件下，規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力稱為零件的可靠性設(shè)計(jì)。將常規(guī)設(shè)計(jì)方法中所涉及的設(shè)計(jì)變量如材料強(qiáng)度、疲勞壽命、尺寸、應(yīng)力等，看成服從某種分布的隨機(jī)變量是可靠性設(shè)計(jì)的主要特征。然后根據(jù)產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)要求，用概率統(tǒng)計(jì)的方法得出零部件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和尺寸。

三、現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)與常規(guī)設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)系

（一）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析的定量化

常規(guī)設(shè)計(jì)技術(shù)只能對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件或整機(jī)進(jìn)行類比或定性的估算。現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)引入了邊界元及有限元方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)任何產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的定量化分析。

（二） 產(chǎn)品工況分析的動(dòng)態(tài)化

常規(guī)設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的工作狀況僅限于動(dòng)態(tài)的估算和靜態(tài)的計(jì)算。而現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)中的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法可以同時(shí)利用實(shí)際工況相符的數(shù)學(xué)模型與理論和測(cè)試數(shù)據(jù)建造，在通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)出產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能和改進(jìn)效果。

（三）產(chǎn)品質(zhì)量分析的可靠性化

常規(guī)設(shè)計(jì)技術(shù)中采用的安全系數(shù)法僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)，不能定量給出產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性預(yù)測(cè)。而現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)中的可靠性設(shè)計(jì)法基于概率論建造模型并進(jìn)行分析計(jì)算，把零部件或整機(jī)的各種具有離散性的性能參數(shù)均視為隨機(jī)變量，從而定量的做出產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性預(yù)測(cè)。

（四） 產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)果的最優(yōu)化

常規(guī)設(shè)計(jì)技術(shù)比較依賴設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷，主要通過(guò)近似系數(shù)、經(jīng)驗(yàn)公式或類比等方法進(jìn)行校核、設(shè)計(jì)。而現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)法是根據(jù)產(chǎn)品的性能要求和設(shè)計(jì)目標(biāo)構(gòu)造數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法和數(shù)學(xué)規(guī)劃理論，通過(guò)計(jì)算機(jī)求得最優(yōu)化結(jié)果。

（五） 產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的高效化和自動(dòng)化

常規(guī)設(shè)計(jì)技術(shù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中雖然重復(fù)性高，但是設(shè)計(jì)方案卻不一定最優(yōu)。而現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中均是教會(huì)計(jì)算機(jī)，讓計(jì)算機(jī)去完成，從而為實(shí)現(xiàn)制造的自動(dòng)化做好了準(zhǔn)備，并且實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過(guò)程的高效化和自動(dòng)化。

四、現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的關(guān)系及比較

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)是相關(guān)科學(xué)技術(shù)綜介應(yīng)用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的延伸與發(fā)展，它使常規(guī)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)也稱常規(guī)設(shè)計(jì)，是一種以低壓控制和強(qiáng)度為中心的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、安全系數(shù)設(shè)計(jì)、類比設(shè)計(jì)。而現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法則在注重產(chǎn)品整體功能基礎(chǔ)上，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)為工具的一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)造性，這種設(shè)計(jì)小但可以大大提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量、精度和效率，而且可以將產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性、可靠性統(tǒng)一起來(lái)，從而高效率、高水平地設(shè)計(jì)出市場(chǎng)歡迎、性能優(yōu)良、效益顯著的新型產(chǎn)品。

從常規(guī)設(shè)計(jì)方法到現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法有以下轉(zhuǎn)變：從靜態(tài)分析道動(dòng)態(tài)分析，從定性分析道定量分析，從安全性設(shè)計(jì)向優(yōu)化設(shè)計(jì)，從手工計(jì)算向自動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算等轉(zhuǎn)變。

五、機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

具體來(lái)說(shuō)現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要有：第一，設(shè)計(jì)中的快速響應(yīng)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)策略將代替產(chǎn)品質(zhì)量成本第一的競(jìng)爭(zhēng)策略。第二，設(shè)計(jì)將從滿足產(chǎn)品功能屬性向同時(shí)滿足環(huán)境與生態(tài)屬性發(fā)展。第三，設(shè)計(jì)將從需求的同時(shí)面向經(jīng)營(yíng)管理和制造發(fā)展。第四，設(shè)計(jì)將從傳統(tǒng)的串行向協(xié)同工作方式、并行工作模式發(fā)展。第五，設(shè)計(jì)將激發(fā)主動(dòng)創(chuàng)造性，使人們從設(shè)計(jì)過(guò)程數(shù)字化中逐步確立主動(dòng)地位。順應(yīng)此趨勢(shì)，目前主要研究和應(yīng)用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)有：優(yōu)化設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)方法學(xué)、可靠性設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、有限元設(shè)計(jì)、摩擦學(xué)設(shè)計(jì)、工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)、模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、三次設(shè)計(jì)、價(jià)值工程設(shè)計(jì)、智能工程設(shè)計(jì)、反求工程設(shè)計(jì)、并行工程等。

六、結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)與我國(guó)機(jī)械制造業(yè)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中處于的位置緊密相關(guān)。在社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)中，為了有效提升我國(guó)機(jī)械產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，提升我國(guó)的綜合國(guó)力，需要對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行改革，發(fā)揮其在現(xiàn)代企業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)有作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂明.機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的現(xiàn)狀與趨勢(shì)研究[J].廣東石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（06）：46-49.

[2]胡曉波.機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].輕工機(jī)械，2005（03）：4-7.

[3]陳靜.機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2011（01）：54.endprint