浅谈现代机械设计方法

刘爱华　黄鼎图

摘要：在当前科学技术飞速发展的过程中，各种生产单位不断的增多，各种生产器械和生产设备的要求也在不断地增加。随着计算机技术与信息技术在各个领域的不断应用，机械设计也展现出日新月异的变化，特征明显的现代机械设计方法越来越受到推崇。

1.现代机械设计的特征

现代设计是传统设计的深入、丰富和完善，而非独立于传统设计的全新设计。虽然目前对现代设计尚无确切定义，但可从以下特征来理解。

1.1以计算机技术为核心

这是现代设计的主要特征。计算机技术的发展对设计产生的影响，表现为以下几方面：

①使设计手段从“手工”向“自动”的转变。

②推动产品表示从“二维”向“三维”的转变。

③促进一些新的设计方法的出现。有限元分析、优化、模态分析等，都涉及大量复杂计算。并行设计、虚拟设计、计算机仿真这些新方法已经开始推广使用。

④使设计方式从“串行”到“并行”的变化。

⑤提高了产品开发的效率。设计与制造一体化存在于计算机内的产品模型可直接进入CAPP系统进行工艺规划和NC编程，进而加工代码可直接传入NC机床、加工中心进行加工。产品模型加强了设计与制造两个环节的连接。

⑥提高了设计管理水平。数据库技术的发展改变了传统的手工管理模式，各种MIS、PDM系统的广泛应用大大提高了设计的管理水平，保证了设计过程的高效、协同和安全。

⑦提高了设计效率和水平。组织模式的开放网络技术的发展加快了数据通讯速度，形成了不受行政隶属关系约束的、多企业共同参与的异地设计，达到了优势互补和资源共享。

1.2以设计理论为指导

传统设计是以生产经验为基础，以运用力学和数学形成的计算公式、经验公式、图表、手册等作为依据进行的。而现代设计方法是基于科学理论形成的，这样能减小经验设计的盲目性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准确性。因此，现代设计是以理论指导为主、经验为辅的一种设计。

1.3技术上的特征

（1）智能化

大型复杂机械的设计必须完成“分析一分解一综合”的过程，其中包含了大量创造性思维过程和智能活动。

（2）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。

（3）并行性

必须超前考虑后续的过程，实现DFM、DFA，以压缩废品、库存的消耗，确保经济性。

（4）集成化

树立人一机一体化、机电一体化、硬一软件一体化的观念，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技术于产品设计之中。

（5）精确性

机械产品复杂度、综合性提高的必然结果要求设计过程中要采用先进的计算技术、计算理论和计算分析工具，使设计的分析更为准确、设计参数更为精确。

（6）动态性

设计对象处在动态环境中，把握其动态过程对于提高产品的可靠性具有重要意义，同时设计组织的协调也具有动态性，所以要求设计数据集成和设计系统必须无缝连接。

2.现代机械设计的方法

2.1结构模块化设计方法

从规划产品的角度提出：定义设计任务以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品解如通用零件部件等描述设计任务，即分解任务时就考虑每个分任务是否存在对应的产品解。这样，能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低成本。理想的模块化基本结构应该具有标准化的接口联接和配合部，并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和CAD技术，将变形设计与组合设计相结合。根据分级模块化原理，将加工中心机床由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级。并利用专家知识和CAD技术将它们组合成不同品种和规格的功能模块，再将这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。

2.2基于产品特征知识的设计方法

用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。 2.3系统化设计方法

将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各要素间存在着有机的联系，并具有层次性。所有的设计要素结合后，即可实现设计系统需完成的任务。 2.4智能化设计方法 根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。机械产品的方案设计通常无法采用纯数学演算的方法进行，也难以用数学模型进行完整的描述，而需根据产品特征进行形式化的描述，借助于设计专家的知识和经验进行推理和决策。目前，智能化设计方法主要是利用三维图形软件和虚拟现实技术进行设计，直观性较好，开发初期用户可以在一定程度上直接参与到设计中，要求软件具有较高的智能化程度，或者有丰富经验的设计者参与。

3.结束语

机械设计的过程中，各种手段和设计手法是一个系统化的过程，各类方法之间都存在一定程度上的联系，保证设计过程中的规范化，简单化，更能够提高设计质量与效率，降低其成本，我们只有充分利用各种设计方法，才可以更精确、更经济，更有效率的进行产品设计。

参考文献

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