浅析大数据时代的机械设计发展趋势

王磊

摘要：随着科学技术的日益发展，大数据技术的日渐成熟，各行各业都能从新技术的应用中获益。传统的机械设计更多地依赖于机械设计师个人的知识、经验和技能。而在大数据时代，机械设计师可以逐渐利用人工智能、大数据、物联网、数字孪生等高新技术加快设计的速度和提高设计的质量，更好地满足日益激烈的市场竞争需求。

关键词：机械设计；发展趋势；大数据

中图分类号：TH122 文献标识码：A

1与人工智能结合发展的机械设计

1.1专家系统

专家系统（Expert System）实际上是一个计算机程序，是现在人工智能的一个主要应用。专家系统也被称为“基于知识的系统”，它是人类专家的智能助手，或者是无法接触专家的人的资源。专家系统使用推理从存储的信息中得出结论。这种人工智能应用的目的不是取代我们的人类专家，而是让他们的知识和经验更广泛地得到应用。专家系统由知识库、推理机和用户界面三部分组成。知识库在一个非常狭窄的领域中包含声明性（事实性）和程序性（使用规则）知识。推理引擎通过确定要访问哪些过程性知识以获得适当的声明性知识来运行系统，然后得出结论并决定何时找到适用的解决方案。利用專家系统进行机械设计具有一定的优势，比如一致性、可用性、不知疲倦等特性。

1.2生成式机械设计

生成性设计模仿了自然进化的设计方法。设计师或工程师将设计目标连同材料、制造方法和成本约束等参数输入生成设计软件。与拓扑优化有区别的是，该软件探求处理方案的所有可能性，快速生成设计备选方案。它测试并从每次迭代中学习什么可行，什么不可行。生成式机械设计具有三大优点：（1）探索更广泛的设计方案。在你能想出一个点子的时间里，一台电脑就能产生上千个点子，同时还能产生数据来证明哪种设计效果最好。（2）使不可能的设计成为可能。生成式设计允许您创建优化的复杂形状和内部网格。其中有些形式是传统制造方法无法做到的，然而，采用3D打印制造方法可以轻易实现。（3）优化材料和制造方法。设置目标和参数，生成式软件将根据这些约束创建高性能的设计选项。该软件解决了相互冲突的设计约束，因此设计师可以专注于创新。实际上，生成式设计目前已取得很大发展。据外国媒体称，设计软件公司Autodesk与美国宇航局合作，利用人工智能设计了用于太空探索的卫星航天器，并取得了超越预期的效果。

2基于大数据技术的模块化机械设计

2.1模块划分

模块划分是模块化设计的基础和前提，划分时应尽量利用少的模块组成功能更完善的机械产品，并满足机械产品的精度要求、可靠性要求等内容。现阶段，模块化划分主要根据功能模块划分，基于结构模型的模块划分等几个原则。在设计的过程中，应综合考虑模块划分原则的通用性、可操作执行性、模块继承性以及生命周期性等多个评价指标，根据侧重点不同选取相关的模块划分原则，从而保证设计的有效性。针对于复杂的情况，模块划分也可采取不同的划分原则进行结合。

2.2基于结构特征的设计方法

①机械结构对产品的性能起到了至关重要的作用，通过分析结构特征的方法对产品进行设计，第一步先要对零部件的特征进行分析，对零件进行归类划分，通过分析各类零件的功能，在保证机械功能不变的基础上用尽可能少的零件完成产品，尽可能的减少加工中心步骤，减少困难工艺所占的比例，但又尽可能的不影响产品质量。然后根据几何形状找到相似的零件族，然后基于零件功能要求和几何约束要求，设计标准模块，为模块化产品能够适用于各类机械产品提供基础，为模块化产品接下来的设计内容提供约束和方案。②根据国家和行业的相关标准，在不影响该模块功能的前提下，更改产品设计参数满足应用的要求。③设计模块产品模型。模型的建立是产品设计中最关键的一步，主要是通过合理设计产品尺寸、产品间关联关系从而达到目的。在以后的修改中，可根据各个尺寸之间的关联关系，在基本模块中输入某一组数值即可得到模块的改进版本。

2.3侧重功能分解的设计方法

功能分解设计方法是另外一种设计模块化产品的重要方法，主要包括顾客需求分析，产品要求分析，产品概念分解，概念集成以及方案评估等几个方面的内容。模块化产品设计是服务于用户的，以顾客为中心完成的，分析时根据与顾客沟通，结合全球贸易环境和行业现状，设计模块化机械产品。

2.4快速设计

为了快速迎合市场的需求，快速设计这种新的设计理念开始出现，使用这种理念的目的在于保证产品质量的同时，大大减少产品设计的开发周期。和计算机集成、并行工程、敏捷工程和精良工程相比，这种方式的优越性在于，将各个功能模块可以提前设计好，然后根据客户需求进行组合连接，可以实现快速投入生产。目前国内的机械产品的快速设计模式起步较晚，生产水平和其他发达国家相比还存在较大的差距，而且，我国的模块化设计内容多还停留在计算机辅助设计和制造的基础阶段，还达不到智能化设计的要求。除此之外，从机械产品更新速度和要求来看，模块化设计朝着快速设计的方向发展是必然趋势。

3基于数字孪生（DigitalTwin）应用发展的机械设计

数字孪生指的是集成了各种用途的物理资产（物理孪生）、流程、人员、位置、系统和设备的数字副本。利用产品模型、传感器等，它可以正确地映射实体产品在整个生命周期的各种实际数据。数字孪生将人工智能、机器学习和软件分析与空间网络图相结合，创建实时的数字仿真模型，随着物理模型的变化而不断更新和变化。数字孪生体不断地从多个来源学习和更新自己，以表示其接近实时的状态、工作条件或位置。基于数字孪生（Digital twin）驱动的机械设计不但能够进行概念设计，也能够进行详细设计和虚拟验证，将极大地缩短产品的设计周期。

4基于增材制造（AdditiveManufacturing）技术的机械设计

传统的机械制造多采用的是去除材料的加工方法，一个复杂零件的生产，需要由多种不同的机床完成，固定资产投入大，制造成本高。而且，在进行机械设计时，设计师必须充分考虑“面向制造的机械设计”和“面向装配的机械设计”，否则，最终的成品极有可能成为废品。增材制造（AM），是一种通过连续添加层来生产零件的过程，这与传统的减法制造相反。增材制造工艺的实施方式多种多样，其中3D打印是一种越来越受欢迎的方法。另一种方法包括熔化连续的材料层来制造产品。增材制造的主要好处是它可以在不浪费多余材料的情况下制造出几何形状复杂的物体。这个过程的另一个好处是它不需要很多工具，而且是一个成本较低的制造过程。 以往的能实现某一功能的机械结构可能由几百个零件组成，而基于3D打印技术的零件数量可以只需要几个。以2015年NASA工程师向公众展示的3d打印火箭燃料喷射器为例，这种传统方法制作的喷射器一般由200多个部件组成，而3D打印的喷射器只有两个部件。这种改变也给机械设计带来一定的变化，设计师在设计时可以不考虑旧的设计规则。当然设计时选择最好的材料和工艺，这一原则也适用于AM，是必须在设计的早期阶段考虑的。近年来，随着国际上对增材制造的广泛关注和大量投入，增材制造技术也得到了迅速发展。

结束语

在大数据时代，机械设计将变得更加智能化、模块化，机械产品将更加轻量化、绿色化，机械设计师移动办公的可能性将大大提高。未来机械设计师可以不必端坐在电脑前，打开专业的三维建模软件进行机械设计。综上所述，以上内容就是对大数据时代的机械设计发展趋势的论述。

参考文献

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（作者单位：无锡市庆源激光科技有限公司）