现代机械设计方法研究及其创新*

陈 彤

(浙江省工业设计研究院，浙江杭州 310051)

0 引言

在科技高度发展的今天，人们的想法、需求层出不穷，对设计方法和实现工艺的要求也在不断提高。机械设计人员除了对机械设计原理具有扎实基础外，在思维方式上要开阔，在设计理念上要创新，在结构设计上与产品功能相辅相成，在实现手段上与计算机辅助设计高度融合，不断设计出让人们满意的产品。机械设计作为一门传统学科，在第三次工业革命，有些行业已经进入第四次工业革命之际，如何不断与先进的科学技术相结合，短时、高效、完美、保质的完成机械设计工作，是值得研究的课题。本文对现代机械设计的理论进行了探讨，分析了机械设计的方法与过程，对现代机械设计的创新方法进行了研究。

1 现代机械设计理论

相比传统机械设计的经验的、静态的、手工的、被动的设计产品，现代机械设计更多的注重于主动的、动态的、计算机化的、科学的、设计产品。现代机械设计理论是在机械设计理论科学的基础上形成的，涵盖了更多的智能、信息、控制、离散、优化、艺术等范畴的内容，尤其是对于复杂的产品［1］，现代机械设计更能凸显它的优势。比如控制论方法中的探索动态分析法，比如离散论方法中的有限元方法和边界方法，比如艺术论方法中的研究艺术造型和审美，等等，通过这些现代的方法，能给设计出使人更加满意的产品。现代机械设计既源于传统机械设计，又高于机械设计，完成一个完美的机械产品设计，既需要传统机械设计的经验，也需要现代机械设计先进科学的设计方法。

2 机械设计方法原则与过程

机械设计一般可以划分为四个步骤，如图1所示，包括项目设计前期、方案设计、技术设计、施工设计［2］。

图1 机械设计步骤

项目设计前期工作包括要进行实地调研，进行可行性研究，制定可行性计划［3］;方案设计包括对功能的总体分析、功能分解组合、系统原理解、实验、确定最佳方案;技术设计包含总体设计、结构设计、实验、选型设计等;施工设计包括画零件图、画装配图、编写技术文件、试制、生产等。

机械设计的每一个环节都可以充分发挥人们的能力，利用科学技术进行创新设计。

3 机械设计方法创新

机械创新设计首先要发挥人的主观能动性、人的想象力、人的创造力，在机械设计过程中，通过运用现代的机械设计方法和辅助工具进行机械产品的设计，其设计模式应该使用现代的科学思维方式来思考分析，其设计过程应该利用现代科学的方法和工具来实现，其设计应该具有创造性和新颖性，尤其在新产品的设计和开发中，创新应更加凸显。创新设计应该是机械设计领域的专业知识、设计经验，在设计过程中对产品具有价值的、创造性的设计思想，要由人的主观能动性、创造性思维，实时有机的融入到设计中去，实现重构、联想、叠加、归纳综合、抽象推理，从而形成新的设计思维模式。

现代机械设计的创新涵盖两个方面:一个是通过创新使生产生活中现有的产品具有更佳的技术性、更高的可靠性、更广的适用性和更多的经济性，从多个方面，从人们使用的角度出发创新设计更符合人类使用的产品。另外一个是通过创新设计出新的机械产品，以满足人们的生产生活需要［4］。这两个方面的创新都离不开创新的思维模式，科学的设计技术，现代的设计工具。

3．1 机械创新设计步骤

机械创新设计步骤有四步:第一步是研究机械产品的工作原理本质;第二步是对产品结构进行分析，对其类型进行综合;第三步是对机械产品的运动机理、尺度及参数进行优选;第四步是综合分析和调优。机械创新设计步骤的具体内容如图2，机械创新设计具体过程。

图2 机械创新设计具体过程

3．2 机械创新设计分类

机械创新设计技术，除了基础的机械设计科学基础，还包括机械系统设计(Mechanical System Design)、计算机辅助设计(Computer Aided Design)、可靠性设计(Reliability Design)、有限元设计(Finite element design)、反求设计(Reverse Design)、优化设计(Optimal design)、变形设计(Variant Design)、并行设计(Concurrent Design)等［5］。

3．2．1 计算机设计

(1)计算机辅助设计 现代机械设计与计算机密不可分，计算机技术可以使机械设计、工程设计变得高效、规范、准确。计算机辅助设计(Computer Aided Design，简称CAD)，是现代机械设计的主要计算机工具，利用其建模技术、图形处理技术、工程分析方法等功能实现机械的系统设计。利用CAD，要把机械设计的物理问题模型转化为数学模型，采用数学知识借助计算机求解数学模型，从而得到设计方案。

(2)有限元分析方法 有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)，是一种利用数学近似的方法对现实世界中真实的物理系统进行模拟的一种机械设计工具。FEA利用有限数量的相互作用的元素，即已知量来探求无限的未知量的一种系统。由于是简单问题代替复杂的实际问题，因此，求解的未知量只能是无限逼近的近似值。现实世界中的问题多为复杂的难以求取准确结果的实际问题，而有限元计算精度高，所以可以充分应对复杂的实际问题，因此是受到设计者喜爱的机械工程分析设计工具。

计算机技术的快速发展，使得有限元分析技术也从单一的结构分析延伸发展为多领域多学科的适用面广的数值分析法、强度分析法和静力分析。这对于机械设计创新来时，无疑是一种莫大的帮助。

3．2．2 优化设计

优化设计(optimization design)是在数学规划理论和计算机的基础上，在相关约束下，寻求最优方案以满足设计目标的一种创新设计方法［6］。优化设计运用计算机技术计算数学函数以求取最优，寻求最优的过程中融入了最优化方法、优化策略，分线性和非线性进行逐步逼近，最终求的最优设计。另外，优化设计还可以与模糊设计相结合，形成功能更加强大的模糊优化设计。

我国的有些设计领域已经开始应用优化设计方法进行设计，但在机械设计行业仍然是一个发展、探索和创新的方向。

3．2．3 可靠性设计

机械的可靠性设计是机械设计工程师长期追求的目标，可靠性是衡量产品质量的一种重要指标。可靠性设计与常规设计相对应，常规设计多凭借经验进行设计，可靠性设计是常规设计的延伸，更科学的分析和设计变量之间的关系［7］。机械可靠性设计是多学科的融合，涉及数学中的数理统计、概率论，物理中的失效物理学等。常规设计中涉及很多变量，比如应力、载荷、强度、寿命、可靠度、维修率等。将常规设计中的变量作为随机变量，遵循某种分布规律，用概率统计方法进行机械产品设计，以满足可靠性要求。

产品质量与可靠性息息相关，随着科学技术迅猛发展，人们对机械产品和设备的可靠性要求也愈加严格。因此，研究机械可靠性设计是十分必要的，在可靠性上寻求创新也是机械设计人员的首要任务。

3．2．4 变形设计

变形设计是在原机械产品基础上进行标准化、系列化的设计，以满足使用者的多种需求。对产品原理、功能和结构进行研究，进行功能扩展，设计横向的系列产品。另外，也可进行跨系列产品的设计，是产品具有更好的动力，这也是一种变形设计。归根结底是要设计出更加完美、完善的产品。

3．2．5 并行设计

传统机械设计是串行设计方法，该方法的弊端是环环相扣，周期长，成本高。并行设计又叫同步工程、集成工程，顾名思义，并行设计是一种集成化的、系统化的设计方法，同样也是以工程数学和计算机为基础，打破传统的系统内部的机构、单元和过程，建立协同的模式进行设计，实现机械设计制造一体化，充分考虑质量、周期和成本的多重因素的一种设计方法。因此，并行设计是一种集成的设计方法。

3．2．6 反求设计

反求设计是在已有产品的基础上进行分析和研究，从其功能原理和部件的设计关键技术中进行改进、创新或是探求新的设计和实现思路［8］。反求设计方法目前是很多发达国家发展科学技术、开发新产品的研究设计方法之一。反求设计要解决的关键技术包括以下方面。

(1)探索更实用的测试测量方法，研制更实用的设备，以提高测量精度和准度。

(2)利用三维重构方法软件，提高设计计算精度，减小不必要误差。

(3)融合工程数学、人工智能等，形成自己的一套设计还原技术，完成对原有设计的反求。

(4)研究适合反求设计的产品模型技术，将配套产品建立模型，以便于原始参数的反求还原。

(5)对产品设计精度进行功能分析，设计实现原有还原的软件工具。

目前，国内还有另外一种现代机械设计方法划分，具体如下。

(1)系统化设计，寻找完成设计的产品的组成要素和各要素之间的关系，将要素结合，从而完成设计，比如:元素设计法、图形结合建模法、矩阵设计法等。

(2)结构模块化设计方法，即将设计按照产品结构进行分解细化，分别进行设计，在早期规划阶段就可以将设计中可能存在的问题和矛盾及时发现，具有一定的预测能力和节约成本效果，能高效的协调解决设计过程中的问题，因此具有较高的设计效率和可靠性。

(3)基于产品特征的设计方法，利用计算机语言描述产品特征，采用专家经验，建立产品相关的知识库和推理机制，利用计算机进行辅助设计，实现产品的方案设计。一般有编码法、目录法、实例法。

(4)智能化设计方法，以力学理论知识为基础，借助于ANSYS、有限元等三维设计软件进行虚拟的智能的设计，然后用多媒体甚至是超媒体进行结构设计。

总之，这些现代机械设计方法都是机械设计者的进行创新设计的好帮手，创新设计是机械人员不懈努力的方向。

4 结语

本文对现代机械设计的理论进行了探讨，对机械设计尤其是工业设计中的设计方法进行了分析，分析了现代机械设计的方法与过程，对现代机械设计的创新点和创新方法进行了研究。

综上所述，现代机械设计比传统机械设计在系统结构、实现过程等多方面都具有明显优势，现代机械设计与多学科科学技术的完美结合，为机械设计实现创新奠定了坚实基础。创新首先要以人的主观能动性为基础，机械设计人员要以创新性思维进行产品需求分析和设计，同时还要对现代机械设计工具使用娴熟，才能设计出使大家满意的质量更好、性能更优、可靠性更好机械产品。

［1］ 李 芬．机械设计技术的发展趋势［J］．才智，2011(17):49．

［2］ 田 梦．数据库技术创新推动行业创新［N］．计算机世界，2009－07－06．

［3］ 盛伯浩，陈宗舜．机械产品设计与 CAD［M］．清华大学出版社，2005．

［4］ 陈 屹，谢 华．现代设计方法及其应用［M］．北京:国防工业出版社，2004．

［5］ Saeed Moaveni［US］．Finite Element Analysis Theory and Application－ANSYSsecond edition［M］．Electronic Industry Press，2005．

［6］ 白 柳．浅谈机械创新设计中的反求设计［J］．山西冶金，2009(6):59－61．

［7］ 魏玉新．现代机械设计的创新方法研究［J］．装备制造，2009(5):173－174．

［8］ 杨宗德．创新设计过程中的创新思维方法［J］．机械研究与应用，2001(8):52－54．