现代机械设计方法探析

张宝生

摘要：机械工程作为一门古老学科,只有不断地与当代先进的科学技术紧密结合,才能促进自身不断地向前发展和进步。现代机械的主要特征是什么,现代机械设计与传统机械设计有何不同之处,是每一位现代机械设计者必须首先要掌握的问题。

关键词：现代机械；机械设计；优化设计

中图分类号：F407文献标识码： A

引言

伴随技术水平的提升，有越来越多的方法和工艺被应用到机械系统当中。使得技术的种类以及功能变得越来越强大，但是，竞争力的要求也在进一步提升，如果想让自己的产品能够在市场上获得销路，除了达到此产品的基本功能之外还应当注意一些细小因素，例如价格低廉，性能稳定，便于操作，环保，感官和谐等因素。这要求设计人员能够灵活运用多种技术和措施，找到技术的最佳结合点，形成性能与收益之间的最好配比。

一、设计过程的基本环节

一个将提供的物质资源转化为技术装置以满足客观需求的实践活动就是一个设计过程。一般来讲，设计过程大致由下列环节组成:

根据需求提出设计任务:调查研究、掌握信息;提出明确、详细的设计要求;方案构思、初评最佳设计方案;选择模型、确定参数:详细设计;制造加工:样机试验、设计评定；设计改进、生产使用。在设计过程中，以上各步骤间存在着严密的逻辑关系，既不能颠倒，也不可随意跳跃。在一次设计过程中为获得满意的产品设计，在各个步骤之间存在着各种循环。因此设计又是一个根据各种信息反复做出判断的过程。另外，产品设计完成后，由于时空、条件的变化，原有设计已不满足新的要求，这就要对产品进行改进设计，进入一个新的设计循环过程。产品就是经过这种反复循环，不断改进、更新、升级，甚至换代，呈螺旋形向前发展。

机械设计没有一成不变的固定程序，常因具体条件不同而异，但一般设计步骤如下:

根据零件在机械中的地位和作用，选择零件的类型和结构。分析零件的载荷性质，拟定零件的计算简图，计算作用在零件上的载荷。根据零件的工作条件及对零件的特殊要求，选择适当的材料。分析零件可能出现的失效形式，决定计算准则和许用应力。确定零件的主要几何尺寸，综合考虑零件的材料、受载以及加工装配工艺和经济性等因素，参照有关标准、技术规范以及经验公式，确定全部结构尺寸。绘制零件工作图，确定公差和技术要求，写出计算说明书。

二、现代机械设计方法的种类

2.1 优化设计

机械优化设计是最优化技术在机械设计领域的移植和应用，其基本思想是根据机械设计的理论方法和标准规范等建立反映工程设计问题和符合数学规划要求的数学模型，然后采用数学规划方法和计算机数字处理技术自动找出设计问题的最优方案。不但可行，而且最优，是机械优化设计追求的目标，可行性方案的提出与建模是优化设计的基础。常用优化处理方法有一维搜索法、线性优化法、导数优化法、非导数优化法等。常见优化软件有MATLAB、ANSYS 等。

2.2 可靠性设计

可靠性是指产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性设计是对系统和结构进行可靠性分析和预测，采用简化系统和结构、裕度设计和可维修设计等措施以提高系统和结构可靠度的设计。它不但直接反映产品各组成部件的质量，而且还影响到整个产品质量性能的优劣。可靠性分为固有可靠性、使用可靠性和环境适应性。可靠性的度量指标一般有可靠度、无故障率、失效率三种。

2.3 并行设计

传统的设计方法是按照设计、制造等过程串行进行，设计阶段很少考虑设计以后的问题，这种设计方法使得产品设计与以后的制造、使用、维修等环节相互脱节。并行设计是在产品开始设计的时候，就考虑到产品从设计到使用过程中整个寿命周期的所有元素，产品的设计过程和工艺设计、加工制造和销售等各个阶段并行地进行，实行集成开发，力争使所设计的产品具有较高的综合性能。

2.4 模糊设计

机械设计领域普遍存在着模糊性现象，如产品性能的好与坏、使用寿命的长与短、可靠性的高与低等，都是一些模糊量。模糊设计是把模糊理论引入到设计领域中而形成的一种崭新的设计方法。模糊设计不是建立在对系统进行精确的数学分析基础上，而是根据模糊性的实际经验确定设计参数。

模糊设计一般是与别的设计方法相结合，处理设计中的不确定性因素，使得设计方法更加合理、完善。

2.5 参数化设计

参数化设计分为两个部分，即参数化图元和参数化修改引擎。参数化设计中的图元都是以构件的形式出现，这些构件之间的不同，是通过参数的调整反映出来的。参数化修改引擎提供的参数更改技术使用户对机械设计做的任何改动都可以自动在其他相关联的部分反映出来，使每一个机械零件都通过一个变更传播引擎互相关联。参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计及专用CAD 系统开发方面都具有较大的应用价值。

2.6 摩擦学设计

摩擦学是研究具有相对运动表面摩擦、磨损与润滑理论的一门学科。摩擦学设计就是充分运用摩擦学知识，合理设计机械零部件，采用先进材料和工艺，正确选用润滑方式和装置，减小机械设备的摩擦损耗，降低失效时间延长产品寿命，提高设备的工作效率和运行可靠性。尽管摩擦学问题普遍大量存在于所有机械设备中，但以往机械设计很少考虑摩擦学问题。摩擦学设计是继运动学设计、强度设计之后又一重要的设计内容。

2.7 智能设计

计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）技术是电子信息技术的一个重要组成部分。这一新的方式方法利用了最先进的计算机手段，能够快速而高效地完成工程设计方案，使手动工作的低效率低准确率的弊病得到解决。使构图工艺得到进一步提升。将人的智慧与计算机的高运转能力相结合。计算机作为人的能力的延伸，主要包括计算能力强，精准度高，程序化自动化强大，这与人的能动性和创造性相互配合，有利于在发挥人的能力的基础上降低人的劳动强度和时间，CAD 系统想要运行必须将硬件与软件相互结合。硬件系统承载着计算机技术的基础部分，属于辅助技术，但是必不可少。而软件是核心，它是人们想要利用的主要对象。CAD 也由这两部分组成。1）软件可分为系统软件、支撑软件和应用软件3 个层次；2）系统软件对计算机资源进行自动管理和控制，它处于整个软件的核心内层，主要包括操作系统和数据通信系统等；3）支撑软件是帮助人们高效率开发应用软件的软件工具系统，亦称为软件开发工具；4）应用软件是用户利用计算机以及它所提供的各种系统软件和支撑软件，自行编制的用于解决各种实际问题的程序。计算机辅助机械设计的一般过程包括：1）建立数学模型：一般机械零件基本都有现成的数学模型，但对没有数学模型的则首先要建立正确的数学模型；2）设计程序框图：程序框图根据手工计算的步骤来设计；3）用高级语言编制程序：根据程序框图来编程；4）程序调试：程序编好后，先仔细检查源程序，然后将其输入计算机进行试算，再对程序适用范围的边界、转折点进行试算，要求与手算结果完全吻合。

三 现代机械设计方法的基本特点

3.1 以自动化设计取代人工设计

充分利用先进的计算机硬件及软件平台，极力提高人机结合的设计系统的自动化水平，以提高产品的设计质量，这是现代机械设计方法的基本特征。

3.2 以动态建模取代静态模型

典型的如以机器结构动力学计算取代静力学计算，以实时在线测试数据作为评价依据等。

3.3 以定量计算取代定性判断

如以有限元计算非规则零件的尺寸和刚度，取代传统设计的经验类比法确定箱体各部分壁厚等。

3.4 以变量取代常量

如最优化设计中用随机变量取代传统设计方法中通常以经验常量校核的粗略数据处理方法。

3.5 以优化设计取代可行性设计

用设计变量恰当地建立设计目标的数学模型，从众多的可行性解决方案中求其最优解。

3.6 以并行设计取代串行设计

强调从设计阶段就并行地综合考虑产品整个生命周期中各方面的要求与相互关系，避免串行设计中可能发生的干涉与返工。

四、对现代机械设计方法的思考

4.1 根据市场的变化而变化

机械设备的最终目的就是投入市场，被广泛的需求者购置应用。所以，现代机械设计方法应该根据市场的变化而变化。首先，对市场的数据和资料进行分析，了解机械设备的诉求方向，分明机械设计的观赏性、实用性等性能，保证机械设计方法能够切实的创造经济效益；其次，对市场进行定期调查，根据不同群体的反馈来更新机械设计方法，我们要保证现代机械设计方法能够及时的设计出人们满意的产品，在便利生活和工作的同时，实现设计的提升。目前，市场才是最重要的主导，从市场出发是一种非常可取的方式。

4.2 建立良性循环

现代设计方法并不是独立存在的，在设计方法之前有设计材料，之后有具体的生产加工设备。无论是应用现代设计方法还是优化现代设计方法，都要在一定程度上考虑前后关系，保证现代设计方法在整个链条中实现良性循环。另一方面，我国现在正处于一个非常重要的上升阶段，机械设计方法对机械行业的发展具有非常重要的作用，绝对不能出现任何的问题。相对来说，良性循环并不能在短时间内建设成功，所以要根据各个阶段的实际需求来建设，这样既可以在取得阶段性的成果，同时可以最大限度的解决资金、时间等一系列的问题。相信在以后的工作当中，良性循环会符合现阶段的发展节奏，取得更大的经济效益。

五、结束语

本文对现代机械设计方法进行了一定的探索，从整体上看，工作成果还是比较积极的。但是，随着人们生活水平和工作水平的不断提升，现代机械设计方法已经失去了起始阶段的光环。我们在未来的工作中，首先要进一步分析市场需求、国家的发展方向，居民对机械设备的具体诉求，之后采用有效的方式进行系统优化，保证现代机械设计方法可以长久的被应用，最后再应用到实际的生产和加工工作中。相信在日后的相关工作中，现代机械设计方法能够取得更大的经济效益和社会效益。

参考文献：

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[2]唐林,邹慧君.机械产品方案的现代设计方法及发展趋势[J].机械科学与技术.2000(02)

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