现代设计技术在机械工程设计中的应用

摘 要：传统的人工设计方式存在效率低、误差大等问题，无法保障机械工程设计水平。现代设计技术是互联网时代下衍生出来的新技术，融合了多种现代理论与技术，在当前及未来都有较大的发展空间。基于此，重点分析了机械工程设计中现代设计技术的具体应用，以期指导相关工作。

关键词：机械工程设计；现代设计技术；应用

0引言

经济社会稳步发展进程中，各行各业对机械设备的依赖性显著增大，在新理论和新技术的支持下产生了很多现代化机械设备，这些设备都有各自的功能，可在生产生活领域发挥优势。

相关人员需根據机械工程要求，采用全新的设计理念、方法与技术，建立现代化机械工程设计体系。随着技术的进一步发展，机械工程设计中的有关人员需继续把握行业动向，创新技术形式与路径，用现代设计技术取代新技术。

1 现代设计技术的特点

1.1 多学科的交叉和融合

现代设计技术为多种技术的综合，如计算机技术、绿色设计技术等，每种技术都有各自的特点，利用技术融合可发挥合力作用，克服在机械工程设计中的诸多困难。机械工程设计中可选择的技术少，一些技术相对落后，很难提高设计质量水平，无法保障机械工程的质量、安全。现代科学技术具有多学科交叉与融合的特性，面对机械工程设计任务，有关人员可合理选择现代设计技术，依据实际需求进行创新，提高机械设计水平[1]。

1.2 传统设计技术的延伸和发展

现代设计技术依托传统设计技术而出现，在新技术陆续出现和发展的过程中，取代了传统技术或者与传统技术相融合，能满足现代工程设计的现实需求。综合当下现代设计技术的发展趋势及特点，发现其技术形式、方向多为传统设计技术的延伸、发展，有关人员在创新应用现代设计技术时可对传统设计技术取其精华、弃其糟粕，以提高机械工程中的技术水平，使设计的机械工程能满足生产、生活所需，保持稳定运行，创造更大的效益。

1.3 设计手段的精确化

信息时代下，计算机技术在全社会范围内的影响力显著扩大，且这些技术逐步被应用到了更多方面，特别是在设计方面，计算机技术开创了现代化设计方向。多年来计算机软硬件、网络技术等都保持高速发展，在机械工程设计中应用新技术可按需设计，选定最优设计方案。与此同时，借助各种专业化设计可辅助设计工作、提高设计效率，即使需修改或者检查设计，也能由软件自主完成，无需人工反复修改，操作便捷性高，可提高设计精度，体现设计手段精确化的特点。

1.4 产品寿命周期全面提高

随着生活质量显著提高，人们对产品质量、性能等提出了全新的要求。因为机械设备的普遍应用，人们不单单追求对机械产品的基本功能，还需要确保机械设备具有更高的可靠性，以保障在设备投入使用后可稳定、可靠运行，能满足人们的各方面需求。随着时代进步，现代设计技术广受关注，在利用此类技术设计机械工程时，有严格的设计流程及技术规范，能提高产品的寿命周期。

2 现代设计技术的发展现状

2.1 国外现代设计技术的发展

2.1.1 计算机辅助设计

20世纪中期，通常通过简单的数字图形界面控制与操作计算机、机床，在此过程中机械设计方面需关注设计人员与机械之间的互动。基于此，相关学者提出了人机图形通信系统对工程设计辅助系统开发与优化的作用，计算机图形、技术图形的设计方面可借助相应程序来完成，逐步优化机械系统，增强设计人员与计算机系统之间的配合度。

20世纪60年代，计算机技术进入了全新的发展阶段，由此带动了设计技术的现代化，市场上出现了首批具备图形界面功能的计算机。因为当时的技术条件有限，这些计算机的软硬件功能不足，且相互之间的兼容性不够[2]。

此后随着技术的进一步发展，市面上的计算机体积大大减小，这些计算机被应用在办公场所，体现了计算机的微型化发展趋势，逐步诞生了更为精简的编程语言。这是计算机辅助设计系统（CAD）产生的前提条件，该阶段下的CAD系统的交互性显著，具备二维绘图、三维线框绘图功能，体现了设计方面的技术进步。

2.1.2 几何建模

20世纪70年代，机械工程中计算机辅助设计的应用范围显著扩大，当机械工程中涉及几何形状的描述时，一般可采用计算机辅助设计系统设计几何形状。结合当时的技术情况，计算机辅助设计的典型特点为利用自由曲线曲面生成算法、几何表面造型。早期关于形状的理论为欧几里得几何理论、柏拉图固体学说，虽有这些理论支撑，但因为当时人们对物体形状的认识和描述还处于初级水平，也很难真正利用这些理论来优化设计技术。

在有关专家的相关研究与分析中，清晰指出了在实体建模过程中计算机的不可或缺性，在此期间尤其需关注数字化形状在几何方面的应用。此后随着理论与实践的增多，几何形状、固体形状等在数学、计算机学科等的理论、算法发展下，可从二维、基础三维形状逐步变为三维实体结构，呈现其更为真实的状态。在现代设计技术的发展中，几何建模为其中的一大代表，在原有CAD系统中引入了Bezier、B样条法等算法，可增强图形设计效果的立体性[3]。

2.1.3 实体建模

20世纪70年代末期，数字化设计水平显著提高，在已有技术的支持下，数字化设计能达到大多数情况下的表面加工与设计需求，但也存在一定的设计不足，就是难以准确、直观地表示形态和质量等更为具象的特征。

20世纪80年代，在飞机与汽车的设计方面采用了数字化设计技术，即使面对相对复杂的实体形状设计任务，同样能得到相对理想的设计效果。美国、英国、日本、德国等发达国家，率先采用边界表示法、构造实体几何数表示法，开发了专门软件，为更多的设计任务提供了软件支持。CSG建模方法在当时广受关注，利用基础几何形状，如立方体、圆柱体、锥体等基础性元素，再引入布尔算法即可建立立体形状数字化模型，在此设计方式下的部件、组件处理、可视化、交换等都相对便捷。在实体建模过程中边界表示法为一大理论条件，就是通过面片、三角形等曲面组合包围构成封闭空间，此过程就是实体数字化建模的流程。

实体建模与几何建模具有高度的相似性，但二者之间也存在明显区别，前者呈现的物体信息更为全面、准确与直观，保真度更高。实体建模技术支持下，各模型均能对应真实的物体形态，这一特点为后续的3D打印技术发展提供了更多可能。

2.1.4雕刻建模与扫描建模

随着理论和实践的增多，各种建模软件也逐渐出现，雕刻建模、扫描建模的形式打开了建模软件发展的新格局。ZBrush为美国Pixologic公司研发的建模软件，其功能相对多样，即使面对相对复杂的设计任务，利用该软件也能辅助建模，真实还原物体原貌[4]。软件以传统雕刻技法为前提，保障了三维建模的便捷性，设计人员通过操控鼠标即可完成相应的建模任务，最后再在模型中进行深化设计与调整。

2.2 国内数字化设计发展

2.2.1 数字信息整合

随着CAD/CIMS在应用工程中的投入逐渐增大，在国家政策、资金与技术支持下，机械设计制造中可选择的数字化技术越发多样和先进，相关技术在具体的应用中取得了良好的应用效果。在此阶段，我国制造业加大了对信息资源的利用与开发，再加上行业内制定了统一的数据标准，许多主体单位建有数据中心，促进了企业间、行业内的数据共享，为设计制造一体化创造了更大的可能性。

2.2.2 一体化生产

制造业信息化工程的实施，促进了信息、自动化、管理制造等相关技术的融合，在数字化设计、生产、管理方面获得了更多的技术成果，陆续产生了很多全新的设计方法、思路、工具，带动了行业的整体进步。在计算机、网络、智能化等技术支持下，机械工程设计呈现一体化特征，从产品的设计构思开始到制造完成的全生命周期内，均可发挥数字化设计技术的作用，提高设计质量。

2.2.3 智能化设计制造

在机械工程设计中大力推广现代信息技术，在互联网、云计算与人工智能等技术支持下，许多专业的机械设计企业开始了对智能化数字设计的探索。设计人员在设计各种机械设备时可采用大数据技术处理大量的数据，精准分析用户需求，以人工智能为支撑完成简单的设计任务，以提高设计效率。由互联网、云存储等技术可展示虚拟模型。在这些新技术支持下的机械工程设计，各环节之间的衔接更为紧密，大大缩短了产品的开发周期，即使面临复杂的设计问题或者难题，也能利用新技术来处理。

3 现代设计技术在机械工程设计中的具体应用

3.1 绿色设计

当下经济社会稳步发展的过程中，人们的环保意识显著增强。在国家大力推行低碳经济的同时，各行各业的发展也非常强调绿色化，带动全社会范围内的可持续发展理念。以机械工程设计为例，在传统的设计理念及方式下，人们更为关注机械工程的基本功能及经济效益，对绿色环保的关注不够。在现代设计技术支持下，机械工程方面的设计任务应大力推广绿色设计理念。设计人员需清楚绿色设计的内涵，确保机械设备在应用于生产后，对环境造成的影响较小，并确保设计全过程中合理执行污染标准。

绿色设计的难度较大，必须协调机械性能与环境污染的关系。机械工程设计中需将绿色化放在重要位置。在任何类型的机械工程设计中，都需全面推行绿色设计技术标准，满足机械基本的功能与作用，并适当延长设备的使用寿命。在选材方面坚持绿色化，优先采用绿色环保型材料，以最大程度上减少资源消耗，降低机械工程对环境的污染。当然，在设计过程中也需關注材料拆卸与回收方面，以尽可能满足拆卸、回收便捷性要求。

3.2 系统设计

现阶段各方面所需的机械类型相对较多，每种机械设备都有其结构与功能特点，不同部件之间存在紧密联系。因此，在机械工程设计中有关人员也需推行系统设计理念与技术。机械的功能主要包含动力、传动、操作等子系统，每一子系统下又可进一步细分。

为提高机械工程设计水平，有关人员需注意以下两方面：①清楚设计的具体方向与路径，考虑设计目的，分析在设计下需达到的功能特点，以整合相应的数据，总结设计中的问题及难点，制定解决措施，优化设计路径。②分析影响设计效果的因素，了解各因素对设计效果的影响程度，以这些为前提确定设计方案，保障此方案的科学性与可行性，在确定方案时可采用数学规划等方式，以数据分析、算法检验等结果作为依据，调整方案细节。

3.3 并行设计

机械工程设计中并行设计也广受人们的关注，这属于综合性设计方式，其中融合了工程设计、制造管理、操作运营等思想及方法。主要任务就是要让设计人员在具体的设计过程中，做好机械产品的综合分析与评估，重点关注机械工程的设计、制造、检验、维护、运行、成本等方面，强调一体化、集成化的设计思路，以缩短设计周期，保障机械工程的设计水平。

在机械工程设计中推行并行设计，必须采用多种现代设计技术，如建模技术，在机械开发阶段，通过建模技术来整合已有的机械信息，以建立符合要求的模型，通过该模型确定设计理论、方法等。模拟仿真技术可应用在机械工程设计、加工、装配、维修等各个环节，涵盖模拟建模、设计等全过程，可清晰还原过程与结果，便于相关人员及时发现问题，并进行相应的处理。

3.4 机械结构设计

任何机械工程的设计中，结构设计都为重点和难点，是需要重点关注的部分。为提高机械结构设计的合理性，相关人员可借助CAD软件进行设计。该软件具有多重功能，能快速设计机械结构并进行绘制，得到平面图、立体图和剖视图，设计人员能在计算机中进行多维度的结构设计与模拟。与原先的手工绘图与模型制作相比，CAD下的设计工作更为便捷，很多设计工作均可由软件自动完成，不仅设计效率高还能降低设计误差。

以农业机械工程为例，引入CAD软件能设计多种农业机械的结构，如拖拉机、收割机、灌溉设备等。设计人员在正式设计之前，需了解农户对机械产品的功能、性能等要求，在此前提下进行一系列优化与调整。比如拖拉机，属于农业生产中相对常见的设备，在设计其结构时，利用CAD软件能自动设计、合理组合驾驶室、发动机、变速箱、传动系统等各种零部件，不仅能提高设计效率，还能保障设计效果。当然，在具体的设计过程中也能利用CAD软件进行仿真与优化，帮助设计人员及时发现设计缺陷并处理。

4 结束语

当前随着人们对机械工程设计要求的提高，各种规模及类型的机械工程中都应引入全新的设计理念与方法，推广现代设计技术，以弥补传统设计技术的不足，构建现代化设计技术体系，提高设计整体水平。在未来的机械工程设计中，需继续研究和推广现代设计技术。

参考文献

[1] 王熙杰，任建新.现代设计技术在机械工程设计中的应用[J].内蒙古煤炭经济，2021（9）：149-150.

[2] 姜宇泽.现代设计技术在农业机械工程设计中的应用[J].南方农机，2020，51（24）：39-40.

[3] 许琴芬.CAD技术在机械工程设计中的应用[J].湖北农机化，2020（10）：77-78.

[4] 都晨.CAD技术在农业机械工程设计中的应用分析[J].现代农机，2020（5）：26-27.

收稿日期：2023-10-22

作者简介：冯宜超（1991—），男，壮族，广西崇左人，本科，工程师，研究方向：机械工程设备研发。