论现代机械设计的特点及设计手段的未来发展趋势

王艳

【摘 要】随着计算机技术在制造业中的广泛应用，机械设计也随之发生了革命性的变化，现代机械技术给制造业带来了全新的局面，各种设计技术、计算技术、设计工具乃至新材料、新工艺在产品制造中得到了应用，缩短了产品周期，提高了产品的性能与质量。本文阐述了现代机械设计的特点及设计中常见的设计手段，大胆展望了未来机械设计的发展趋势。

【关键词】现代机械设计；计算机辅助设计；设计手段；发展趋势

1.现代机械设计优越性

机械设计是为实现某一使用功能，同时考虑其运动可能性、制造可能性、经济可能性，从而构思一种具有一定创新的机械产品的过程。传统的设计技术受低劣的设备条件和落后的技术方法所限，只能在保守的观念下，依据粗略的验算甚至估计，通过大量的简化和静止化假设完成机械工程设计，它必然使设计存在随意性，对个人的经验和习惯的依赖性极大，极难实现合理、准确和高效的设计。现代设计技术充分利用了当今迅速发展起来的计算机技术、计算技术、应用数学和力学、电子学、测试和分析技术，使设计技术有可能从经验的、静止的和随意性很大的传统设计变为基于计算数据、知识工程或专家系统的、动态的现代设计。这需要充分收集、分析和检索必要的信息、快速的数值运算和方案寻优，因而必然大规模地使用CAD技术和人工智能技术、数据库技术等。

现代设计虽然大体上继承了传统设计的原则和步骤、价值分析法则和指标、造型设计标准和观念、类比设计思想、组合/分解方法等但科技发展对设计技术的促进使之不可能一成不变地沿袭旧有模式，而是几乎在产品设计全周期的各阶段，都应引入现代科技成果和工具，使用各学科的新发现、新观念。在计算机技术、通讯技术、图形图象处理和传输技术基础上组建“计算机支持的协同工作”（CSCW，ComputerSupportingCooperationWorking）环境以综合集体的智慧；用系统工程的观点乃至大系统理论对问题进行分解简化或综合分析。而在随后的分析计算和优化设计阶段（或者总称详细设计阶段），应以弹性力学为基础，以有限元分析系统为工具进行机械结构的应力/应变分析和强度计算，以塑性力学、材料力学为基础，以有限元方法、计算机数字仿真和图形仿真技术为手段，进行针对材料屈曲和塑性破坏的极限设计；以振动理论、强化试验理论和安全寿命预测理论为基础，在计算机系统支持下完成针对疲劳损伤的疲劳设计。由此可见，现代设计技术的相关学科领域除上述传统设计过程中涉及的技术门类外，还融进了计算机仿真技术、随机振动与动态载荷分析、模块化设计、优化设计、计算机辅助设计、有限元分析、动态试验及其强化、计算机信息交换方法和标准等，其中，动态、优化和计算机化是其核心。

2.现代机械设计特点

现代设计技术具有以下特点：一是智能化。大型复杂机械的设计必须完成“分析—分解—综合”的过程。其中包含了大量创造性思维过程和智能活动。二是经济性，市场的竞争、用户的选择使对产品的经济性要求越来越高。三是并行性。必须超前考虑后续过程，实现DFM、DFA，以压缩废品、库存的消耗，确保上述经济性。四是集成化。即树立人—机一体化、机—电一体化、硬件—软件一体化观念，综合多方面测试分析数据指导、评价设计，融多种现代科技成果和技术，特别是CAD技术于机械产品之中。五是精确性。这是机械工程产品复杂度、综合性提高的必然结果，现代先进的计算技术、计算理论和计算分析工具的使用也使之得以迅速提高。六是动态性。不仅分析设计对象要从动态的观点出发，设计组织的合作协调也具有动态性，后者要求设计数据集成、设计系统无缝连接。

3.计算机辅助设计技术的发展趋势

从目前的情况来看，CAD技术主要应用于机械设计的以下诸方面：几何建模、工程分析（如结构分析中的应力/应变计算，动态特性、热传导特性分析等）、设计审查与评价（如公差分配审查、干涉检查、运动仿真等）、计算机辅助绘图、工程数据库的建立及其操作和工程设计信息的处理、检索和交换等。然而，机械设计是一种反复改进、分析评价的创造过程。这一过程具有以下特征：一是创造性，针对市场需求或用户需求构思出具有一定创意的产品模型；二是多解性，建模中材料、用户对象、设计标准、经济指标等的差异均可导致迥然不同的设计结果；三是近似性，不论计算手段多么先进、设计工具多么强有力，也必须进行必要的简化近似。这些特性在机械设计过程中非常突出，但又没有确定的数学模型，也难以得出明确的解答，现有CAD技术因此在其中尚无用武之地。由于具有上述特征的工作基本上集中在设计过程的早期，其中构思的优劣、设计目标选择的合理与否，对后续工作的影响不论在深度还是广度上都非常大。为了在机械工程设计的早期最大限度地将工程技术人员从繁琐无序的摸索尝试中解放出来，从而充分发挥人类卓越的创造力，同时综合运用人类多年积累的知识成果，发挥设计组织的集体智慧，必须将繁杂的数值计算、知识信息的传送处理和检索、简单而又众多的判断等工作尽可能地交给计算机完成。因此，CAD技术必须向智能化、信息集成化、信息交换接口标准化和CAD/CAM一体化方向发展。可以预见，随着近年来人工智能、知识库数据库技术、信息集成与交换技术的飞速发展和信息交换标准的拟定、发展与完善，CAD技术正在向智能化、信息集成化、信息交换接口标准化方向发展，它在机械设计过程中的应用也趋于向设计早期深入。

人工智能在CAD技术的智能化中起着突出的作用，人工智能与CAD技术相结合的一切研究，几乎都围绕着提高CAD系统的创造力而展开。基于范例推理的设计，基于约束满足的设计等方法的广泛应用，导致了智能CAD技术的产生和发展。其中具有一定智能的专家系统主要以两种形式存在，即用于方案综合和设计评价。近年来还出现了处理设计条件描述不充分问题的基于神经网络的设计方案推导系统，以及针对机械工程设计多解性的模糊设计、模糊评判方法。

随着工程设计项目规模和设计队伍的扩大，设计周期的缩短，以及DFM、DFA模式的引入，关于设计系统内部信息共享的要求日益迫切。信息集成包括MIS（管理信息系统）、DSS（决策支持系统）、CIMS（计算机集成制造系统）的数据共享及其完整性、安全性和一致性维护。然而，实现这一目标的困难在于：设计中大量存在非结构化、非定长的多媒体信息，如工程图样、产品样品图象、关于用户调查及产品评价的录音等，对他们的有效管理必须借助于多媒体数据库。虽然目前用于商业和教育的多媒体数据库系统已进入实用阶段，但支持工程设计的多媒体工程数据库（EDB）还有许多问题尚待研究。因此，为了减轻网络负载，必须解决Client/Server环境下智能化多库协同问题，多媒体信息传输、播放的同步问题等。CAD系统集成化的另一途径是信息交换接口的标准化。为此，已先后产生了IGES、PDES、STEP等信息交换标准，目前它们还在进一步发展完善中。

4.结束语

总之，随着计算机辅助设计在机械设计中应用的不断深化，现代产品制造过程将会向更加智能化、集成化、人性化的方向发展，市场的竞争也将会不断对产品提出更高的要求。计算机辅助技术在机械设计的应用中将会越来越广泛，促进制造业融入更多人工智能的因素，更加人性化和高效化。