新型机械设计理论在汽车工程方向的应用研究

2021-04-10管天福

新型工业化 2021年4期

管天福

（湖北国土资源职业学院，湖北武汉 430090）

0 引言

随着社会经济的快速增长，人们对于生活质量的追求越来越高，汽车的需求量日益增大，汽车行业的竞争也越来越激烈。人们已经不仅仅将汽车定位于日常的代步工具，更是一个表达自我生活理念的私人空间，是我们生活方式的体现，在某种程度上已经是作为车主的第二个家。所以在各种因素的影响下，汽车的机械制造发生了相应的变化。对于汽车的环保性能、性价比、外观设计、内饰功能等一系列方面制定出了更高的标准，加快了机械设计制造理论的改革创新。

1 新型机械设计技术的概述及研究趋势

1.1 机械设计理论的基本概述

机械设计是机械工程所属的一个二级学科，这个学科主要是对产品的研发进行理论设计和对机械性能进行控制。这一学科领域主要包括了机械零件的选择、机械结构的设计、传动方式的设计等方面。涉及到了动力学、力学、美学、摩擦力学、人机工程学、机械创新设计、生物学、机电控制、机械原理等学科之间相互融合，不断创新发展以满足消费者的需求[1]。

1.2 新型机械技术的发展趋势

现如今，机械设备已经广泛的应用于人们的生产生活中。机械设计是机械生产的首要步骤，机械设计环节的质量决定着机械性能、产品质量、经济效益。随着机械设计理论的不断完善，越来越前沿的技术正在运用于机械设计中，这其中包括3D打印技术、机械动态仿真技术、机电系统的软件模拟技术、机械创新设计与检测技术、有限元分析技术被广泛地应用于现代机械技术中[2]。

2 分析新型机械设计的相关理论的特点

传统机械设计主要是根据机械设计的任务和目标，然后完全依赖设计者的生产经验来进行，通过一些类比，模拟等方法来推测设计的可靠性，最后完成设计任务。但当时实验需要的各种测试条件和技术达不到要要求，导致实验难以向更深层级推进，即使实验完成了，得出的结果也不一定可以确保设计的安全可靠，而且设计不能保证一次成果，因此需要不断地实验不断地修改才能得出完美的、符合时代的设计。这导致产品的设计研发需要大量的时间和精力，因此机械设计理论需要和其他学科（如电子信息，计算机编程等）进行有机结合，进行机械设计实验，研究机械设计规律，创造新的机械设计技术（CAD,SW），来促进新型机械设计理论的发展和机械设计研究工作的创新。相比较于传统机械设计理论，新型机械设计理论具有以下特点：

（1）系统性。随着科技的发展，单一机械设计往往需要根据在系统中的作用和位置尺等要求进行设计，只考虑机械本身，不但会影响人们生活中的正常使用，还会导致机械在系统中失效。注重人机关系以及机械与系统的关系是现代机械设计的新要求。

（2）静态性。现代机械设计应该考虑到机械产品在运行时的运动状态，运动才是机械的常态。

（3）前瞻性。新型机械设计能够在设计初期根据产品的生命周期和性能要求，以此系统和环境的影响，提前发现设计中存在的漏洞，将设计产品发生故障的概率降到最低，同时这样可以减少不必要的材料损耗，有利于人类的可持续发展。例如：现代社会出现的新能源汽车，设计者就是根据时代发展的需求，进行节能环保的设计，既考虑到对环境的污染又考虑到驾驶的操作便利和乘客的舒适度，减少了对不可再生资源的消耗，同时也对解决城市布局和道路规划等问题起到了推动作用。

（4）科学理论和技术的交融性。现代设计理论方法不断地与其他新兴学科（如计算机编程，有限元分析，人机工程学，三维建模等）进行融合来推动自身的发展研究。这样不仅使设计更加人性化，而且使设计过程可以通过其他方法来优化升级。例如，设计机械需要对机械进行必要的运动分析，传统机械设计只能通过完成自己的设计进行现实中的实验，而新型设计可以通过三维建模创造出产品的三维模型然后进行动态分析，还可以通过MATLAB等变成软件计算出产品的受力和速度状态。新型机械设计通过融合其他学科理论和技术减少了传统设计中存在的随机性，使机械设计变得自主，科学和标准[3]。

3 新型机械设计理论研究的作用及方向

我国的汽车制造及设计发展的历史并不久远，从解放初期到现在也就几十年的时间，但是各方面的技术都趋于成熟，机械设计制造可以说是汽车制造最重要的一环，设计的好坏与否，以及技术的成熟与否都将是衡量一个企业甚至是一个国家工业水平的重要指标，在21世纪这种经济全球化的大环境下，人们对机械设备的需求和要求正在逐步上升，各种智能机器的产生，正在稳步提升人们的生活质量，不仅解放了生产力还大大的提高了效率，可见，新型设计理论在汽车方面的作用应该被更多的人所重视。

3.1 新型机械设计理论研究意义

从现在的大环境来看，各种不同品牌的汽车正在逐步的提升自己的设计，以便拥有自己的特色，从而提升产品辨识度，间接的提升自己的品牌价值；从某种角度来说，这正是机械设计理论转化为的经济的收益一种体现。好的设计，可以创造出更好的产品，可以带动更好的销售，利益也从此产生，这样可以有更多的经费投入研发和创新中，从而形成一个良性循环的经济圈。从大的方面来看，这与国家经济发展和科技的提升有着密切的联系。二者相辅相成，相互依赖，因此作为新时代下了机械设计工作者，必须结合当前时代以及世界经济趋势，去设计出更符合人们的需要的汽车制造技术和挖掘出更多的该进方向，这样才能满足经济效益与使用性质的双重要求[4]。

3.2 新型机械设计理论在汽车方面发展方向

就当前的国内汽车制造来说，主要体现一个多元化的特点，大部分的汽车制造企业针对汽车的设计改革主要是在汽车的内部，在核心部件上并没有多大的改动。在大部分企业都着重于改动内饰的情况下，我们机械设计工作者应该多多思考在一些核心的方面做出改进和提升，对汽车性能的提升是完美对接市场需求的，更加智能化，多样化，高效率的产品，是每一位消费者都共同期盼的。这也是机械设计工作者都希望看到的，百花齐放的良性竞争环境，可以更好的促进国家经济和科学技术的发展。另外，不仅仅是在性能上、在寿命上、材料上我们可以用更好的设计去创造更好的产品。

4 新型机械设计理论在汽车工程中的应用研究

在工业革命的的持续发展和进步的过程中，人类先先后后的发明了许多不同类型的汽车。如今工业革命发展越来越快，汽车行业也随着水涨船高。可以说人们现今出行最多的方式就是汽车，在一些城镇几乎是每家每户都有一辆代步汽车，更不用说发达城市了。汽车所具备的便利性，让人们的生活质量也随之提升，不仅如此，人类文明发展更是得到巨大进步。我国的汽车行业至今也是经历了几十年的发展和沉淀，但应用在汽车产业中许多技术理论还是不能得到完美应用。新型机械设计理论的应用将会使得我国汽车产业得到飞速发展。新机械设计理论在汽车工程中的应用分析如下。

4.1 噪声和振动上的应用

现阶段，汽车早已成为我们出行和经济发展的重要组成部分。汽车的零部件能否起到应有的作用，这个直接影响到汽车的正常行驶，同时也关乎到人们出行的安全问题。在行驶过程中若汽车零部件和其他设备部件出现问题，这是人们行驶安全就得不到保障。故障性振动是汽车故障中一个重要问题。正常情况下，在汽车的行驶过程中，或多或少都会产生振动和噪声，而这些振动和噪声是直观判断汽车质量的重要指标。要降低这些“不良反应”，输入载荷的频率与结构模态频率是不能接近的，通过使用频率分布表就能很好的完成这项工作。进而振动频率分配可以更好的进行，工作状态时产生的耦合也能得到相应消除，产品的振动特性也会改善。利用NVH分析我们可以了解新车型研发的性能指标，同时能够有效的改善设计和制造过程在存在的问题，这种分析方法可以减少我们的设计成本，同时也保障了新设计车型的周期[5]。

4.2 汽车结构强度及模态分析、结构优化上的应用

在世界经济日益上升的大趋势下，人们对汽车结构、性能及驾驶技术也有提出了更高的要求，同时也希望它能够满足诸多特点，例如：节能，安全等。正应如此，车辆的轻量化更被看重，汽车框架和结构应当得到改善。机械有限元分析可以有效的帮助我们实现这些要求。首先它能够具体实行分析汽车设计中主体结构件和其他零部件的相关要求，例如稳定性，强度等。不仅如此还可以利用有限元法对零部件进行模态分析。计算机能让我们更为直观的感受零部件的振动模态，方便我们进行动态的结构设计。有限元分析法在汽车应用过程占据重要地位，好的应用能让设计的车身更为出色。