基于现代机械设计理论方法特点与研究进展的探讨

2012-08-15蔡郭生王笃雄

赤峰学院学报·自然科学版 2012年6期

关键词：机械设计机械理论

蔡郭生，王笃雄

（扬州大学机械学院，江苏扬州 225009）

基于现代机械设计理论方法特点与研究进展的探讨

蔡郭生，王笃雄

（扬州大学机械学院，江苏扬州 225009）

阐述了机械设计学科的发展历史，现代机械设计理论方法的特点、范畴和内涵.分析了我国机械设计领域与发达工业国家存在的差距及现代机械设计理论方法的发展方向，提出了只有下功夫弥补现代机械设计理论的不足，才能使我国的机械设计水平整体提升的观点.

机械设计理论；设计方法；发展趋势

2l世纪机械制造业竞争的是国际化的、动态化的和多元化的，它面临着新的机遇，同时又存在着极大的危机.随着社会的不断发展，市场对机械产品的质量、结构、功能、性价比以及外形的多样化和个性化提出了更高的要求，同时由于环境资源的制约，要求市场上有更多资源节约型、可持续发展的机械产品不断涌现.因此，制造业的竞争焦点，实际上就是设计的竞争，目前进行现代机械设计理论方法的研究比以往任何时期都更加显得十分重要.

1 机械现代设计理论及方法的发展进程

机械设计理论方法的发展经历了二个历史阶段.一是17世纪前的“直觉设计阶段”和17世纪后的“经验设计阶段”、“传统设计阶段”，通常人们把它们统称为“传统设计阶段”.传统的机械设计是以经验为基础，运用设计手册、数学和力学公式进行设计，这种设计方法的特点是：设计水平低、成功率低、花费大、信息反馈周期长，它已远远不能满足产品的功能需求和市场需求，必将逐渐淡出历史的舞台.二是目前的现代设计阶段.

随着社会的发展，人们生活水平的不断提高，人类对机械产品提出了越来越高的要求，这就使得机械设计的理论和方法不断向前推进.同时科学技术的不断进步，也为现代机械设计的理论和方法提供了手段.而设计理论和方法的进步往往会带动产品的革新，从而形成良性循环.

目前国内外设计科学形成了不同的流派，主要有以下几个主要流派：一是英、美、日的创造性设计学派.他们认为设计包含创造、分析和决策三要素.强调创新性方法研究，系统工程、价值分析、安全技术、人机工程，市场分析及CAD技术等.二是德国、北欧机械设计方法学学派.他们强调系统总体设计，层次细、规范详细.三是俄罗斯、东欧的新设计法学派.他们强调基础，提倡发散、变性、收验三步设计程式.四是中国的设计学.他们强调综合、系统和适用性相统一.

现代机械设计方法是基于现代机械设计理论形成，而现代机械设计理论是对现代机械产品原理的科学总结，是判断产品能否满足设计要求的依据.随着科学技术的发展，机械设计理论和方法也在不断前进，因此现代设计理论和方法有种类较多，目前主要有下列四种：(1)现代设计方法学.包括并行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、模糊设计、价值工程、反求工程技术、质量功能配置、绿色设计、面向对象的设计、工业造型设计.(2)计算机辅助设计.包括优化设计、有限元法、智能计算机辅助设计、工程数据库、虚拟设计和模拟仿真.(3)可信性设计.包括安全设计、可靠性设计、动态分析与设计疲劳可靠性设计、防断裂设计、减摩耐磨设计、防腐蚀设计、健壮设计、耐环境设计、维修性设计、测试性设计、人机工程设计.(4)设计试验技术.包括环保性能试验、仿真与虚拟试验、可靠性试验[1].

2 现代机械设计方法理论的范畴和特点

现代机械设计理论和方法是对传统设计方法的继承、创新和发展，它是将机械技术、信息技术、微电子技术、计算机技术、控制技术和管理科学等有机地加以综合，形成的一门多学科、多专业相互交融的系统设计科学.如果从系统的观点分析，现代机械设计理论和方法又是一个由时间维、逻辑维、方法维组成的三维系统.时间维反映了产品规划、方案设计、技术设计和加工设计流程的时间顺序；逻辑维是指解决问题的逻辑步骤，现代机械设计采取先分析、再综合、然后评价、最后决策的步骤；方法维是指机械设计设计过程中的各种思维方法和工作方法.现代机械设计采用各种先进的设计理论方法，使机械设计进入优质、高效和创新的新时代[2].

现代机械设计具有的范畴如下：(1)信息论方法.如信息分析法，技术预测等.(2)系统论法.如系统分析法，人机工程等.(3)控制论法.如动态分析法等.(4)优化论法.它是现代设计法的目标.(5)对应论方法.如相似设计、反求工程设计等.(6)智能论方法.如CAD，计算机辅助分析等，它是现代设计方法的核心.(7)寿命论方法，如可靠性和价值工程等.(8)离散论方法.如有限元和边界元方法.(9)模糊论方法.如模糊评价和决策等.(10)突变论方法.如创造性设计等，它是现代设计方法的基础.(11)艺术论方法.如艺术造型等[1].

传统机械设计方法设计者是根据机械设计的任务和目标，以生产经验数据作为设计依据，运用一些基本的设计计算理论，采用模拟、类比、试凑等方法进行设计.由于试验和测试条件差、技术水平低，整机的性能分析也难以深入，因此新产品的研发往往需要经多次试验和修改，从而造成产品设计时间长、耗费大、所谓满意往往带有很大的主观性等问题.而现代机械设计理论与方法是在多学科（思维科学、信息科学、系统工程、计算机技术等学科）支持下，研究机械设计规律、设计技术和工具、设计实施方法的工程技术科学，它具有下列特点：

2.1 创新性.创新是一个国家和民族的灵魂，是生存、发展壮大的前提.现代机械设计依托的是先进设计理论和设计工具，它能使设计者的创造性思维能力得到充分发挥，使设计者灵活运用各种创造性的手法，开发出高质量、低成本、服务优且符合环保概念的产创新品.

2.2 系统性.现代机械设计注重用系统的观点来看待设计问题它既考虑产品本身，还考虑对系统和环境的影响，即注重人－机－环境的大系统关系.

2.3 动态性.传统机械设计只考虑产品的的静态特性，而现代机械设计需要同时考虑产品的静态和动态特性.

2.4 前瞻性.在产品设计初期，现代机械设计不仅考虑产品生命周期的全过程和各个阶段的性能要求，同时还考虑系统和环境的影响.这种具有前瞻性的设计可以让人们及早发现产品的潜在缺陷，将可能发生的机械故障减小到最低程度，它能保证自然生态资源的平衡，实现人类的可持续发展.例如，电动汽车的出现就是一个反映现代机械设计具有前瞻性的例证，在电动汽车设计过程中，设计人员既考虑了有关电动汽车的技术问题，又考虑了驾驶操作方便、乘客安全舒适以及动力燃料供应、城市布局、道路发展规划等社会问题.

2.5 多学科理论和技术的交融性.现代设计理论方法是一门新兴的综合性交叉学科，它交叉与融合了现代设计方法学、可靠性设计技术、有限元方法、计算机辅助设计技术、工业造型设计等多种学科.例如，可靠性设计涉及产品设计、生产、使用、管理、贮存、运输等各个环节，它是将概率与统计理论、失效物理和机械学等多种学科有机相结合起来的一门综合性很强的科学.由于现代机械设计理论方法具有多学科理论和技术的交融性，因此现代机械设计减小了传统设计中经验设计的盲目性和随意性，提高了设计的主动性、科学性和准确性.

2.6 并行化、自动化、计算机化.传统设计方式是由许多部门用串行工作方法参与设计，由于信息是串行的，采用人工检索资料、手工计算和绘图，因此易造成大量返工，且质量难保证，设计过程漫长.现代设计方法是新理论与计算机应用相结合的产物,采用计算机化后可进行并行设计，可把人们的经验、智慧和创造力与计算机高速运算的功能有机地结合起来.随着计算机软硬件的发展以及工程数据库、网络技术的广泛应用，机械设计数据的准确性、稳定性大大提高，提高了工程技术人员的设计效率，设计手段也更加精确，设计方法更加现代化.

3 我国现代机械设计理论和方法的现状及发展方向

据2010年统计，我国制造业的工业增加值已居世界第二位，这说明中国已经成为世界制造大国，但远不是世界制造强国.这是因为我国的机械产品不仅缺乏自主知识产权，缺乏自主创新产品，而且在产品的性能和质量上与发达国家的差距较大[3].据韩国产业银行最近发表的《韩、中主要产业技术竞争力分析》报告称，我国的技术竞争力落后韩国3～8年，中韩在汽车和一般机械的差距在四年以上.改革开放后，我国的机械设计水平虽然有较大的进步，但与发达的美德日等工业化强国相比，仍然相当于他们六七十年代的水平.我国机械制造业的落后说明了我国在机械产品设计理论、方法和技术领域的落后，这也说明了加快发展我国机械产品现代设计理论方法研究的重要性和紧迫性.

二十世纪八九十年代，我国机械行业为了打造“数字化”和“信息化”工厂，许多企业花巨资购买了世界高端的CAD／CAM／CAE 软件，如 AUTOCAD、PR0/E、UG、ANSYS和ADAMS等，并培训了一大批机械设计人员.但很多企业在CAD应用的深度和广度仍有很大局限性，他们仅仅是利用CAD进行工程绘图，只实现了机械设计的“甩图板”目的，而三维CAD/CAM/CAE、仿真设计等应用却很少.采用先进的CAD软件进行工程绘图或做产品结构优化计算，确实能减轻设计人员的工作强度，提高机械设计效率，但机械设计不等于计算，也不等于机械制图加计算，它并不能从根本上解决中国目前机械设计水平低下的问题.在机械产品生命全周期中，由于设计成本只占制造总成本的3%左右，而设计阶段决定了产品的结构、功能、质量、成本、可制造性、可维修性等主要性能指标，所以设计阶段决定了产品整个成本的70%左右，制造阶段及后续其他相关阶段只决定约30%的总成本[4].因此大力开展现代设计理论方法的研究，并把现代设计理论方法在我国制造业中推广使用，对于提高我国机械制造业在世界市场上的竞争能力，具有重要的意义.

目前现代机械设计理论方法的发展趋势是：在性能上向高精度、高效率、智能化的方向发展；在功能上向小型、轻型、多功能化方向发展；在层次上向集成化方向发展.具体来讲是：设计对象由单机走向系统；设计要求由单目标走向多目标，产品设计周期缩短；设计所涉及的领域由单一领域走向多个领域；产品设计由自由发展走向有计划的发展；设计工作的人员从单人走向小组；设计的发展要适应科学技术的发展；绿色设计思想.