机械现代化设计理论与方法

机械现代化设计理论与方法
21世纪机械制造业竞争的是国际化的、动态化的和多元化的，它面临着新的机遇，同时又存在着极大的危机。

随着社会的不断发展，市场对机械产品的质量、结构、功能、性价比以及外形的多样化和个性化提出了更高的要求，同时由于环境资源的制约，要求市场上有更多资源节约型、可持续发展的机械产品不断涌现。

因此，制造业的竞争焦点，实际上就是设计的竞争，目前进行机械现代化设计理论与方法的研究比以往任何时期都更加显得十分重要。

1 机械现代化设计理论与方法的发展进程
机械设计理论与方法的发展经历了二个历史阶段。

一是17 世纪前的“直觉设计阶段”和17 世纪后的“经验设计阶段”、“传统设计阶段”，通常人们把它们统称为“传统设计阶段”。

传统的机械设计是以经验为基础，运用设计手册、数学和力学公式进行设计，这种设计方法的特点是：设计水平低、成功率低、花费大、信息反馈周期长，它已远远不能满足产品的功能需求和市场需求，必将逐渐淡出历史的舞台。

二是目前的现代设计阶段。

随着社会的发展，人们生活水平的不断提高，人类对机械产品提出了越来越高的要求，这就使得机械设计的理论和方法不断向前推进。

同时科学技术的不断进步，也为现代机械设计的理论和方法提供了手段。

而设计理论和方法的进步往往会带动产品的革新，从而形成良性循环。

目前国内外设计科学形成了不同的流派，主要有以下几个主要流派：一是英、美、日的创造性设计学派。

他们认为设计包含创造、分析和决策三要素。

强调创新性方法研究，系统工程、价值分析、安全技术、人机工程，市场分析及CAD 技术等。

二是德国、北欧机械设计方法学学派。

他们强调系统总体设计，层次细、规范详细。

三是俄罗斯、东欧的新设计法学派。

他们强调基础，提倡发散、变性、收验三步设计程式。

四是中国的设计学。

他们强调综合、系统和适用性相统一。

机械现代化设计方法是基于现代机械设计理论形成，而现代机械设计理论是对现代机械产品原理的科学总结，是判断产品能否满足设计要求的依据。

随着科学技术的发展，机械设计理论和方法也在不断前进，因此现代设计理论和方法有种类较多，目前主要有下列四种：(1)现代设计方法学。

包括并行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、模糊设计、价值工程、反求工程技术、质量功能
配置、绿色设计、面向对象的设计、工业造型设计。

(2)计算机辅助设计。

包括优化设计、有限元法、智能计算机辅助设计、工程数据库、虚拟设计和模拟仿真。

(3)可信性设计。

包括安全设计、可靠性设计、动态分析与设计疲劳可靠性设计、防断裂设计、减摩耐磨设计、防腐蚀设计、健壮设计、耐环境设计、维修性设计、测试性设计、人机工程设计。

(4)设计试验技术。

包括环保性能试验、仿真与虚拟试验、可靠性试验。

2 我国机械现代化设计理论和方法的现状及发展方向
据2010 年统计，我国制造业的工业增加值已居世界第二位，这说明中国已经成为世界制造大国，但远不是世界制造强国。

这是因为我国的机械产品不仅缺乏自主知识产权，缺乏自主创新产品，而且在产品的性能和质量上与发达国家的差距较大。

据韩国产业银行最近发表的《韩、中主要产业技术竞争力分析》报告称，我国的技术竞争力落后韩国3～8 年，中韩在汽车和一般机械的差距在四年以上。

改革开放后，我国的机械设计水平虽然有较大的进步，但与发达的美、德、日等工业化强国相比，仍然相当于他们六七十年代的水平。

我国机械制造业的落后说明了我国在机械产品设计理论、方法和技术领域的落后，这也说明了加快发展我国机械产品现代设计理论方法研究的重要性和紧迫性。

二十世纪八九十年代，我国机械行业为了打造“数字化”和“信息化”工厂，许多企业花巨资购买了世界高端的CAD／CAM／CAE 软件，如AUTOCAD、PR0/E、UG、ANSYS和ADAMS 等，并培训了一大批机械设计人员。

但很多企业在CAD 应用的深度和广度仍有很大局限性，他们仅仅是利用CAD 进行工程绘图，只实现了机械设计的“甩图板”目的，而三维CAD/CAM/CAE、仿真设计等应用却很少。

采用先进的CAD 软件进行工程绘图或做产品结构优化计算，确实能减轻设计人员的工作强度，提高机械设计效率，但机械设计不等于计算，也不等于机械制图加计算，它并不能从根本上解决中国目前机械设计水平低下的问题。

在机械产品生命全周期中，由于设计成本只占制造总成本的3%左右，而设计阶段决定了产品的结构、功能、质量、成本、可制造性、可维修性等主要性能指标，所以设计阶段决定了产品整个成本的70%左右，制造阶段及后续其他相关阶段只决定约30%的总成本。

因此大力开展现代设计理论方法的研究，并把现代设计理论方法在我国制造业中推广使用，对于提高我国机械制造业在世界市场上的竞争能力，
具有重要的意义。

目前机械现代化设计理论与方法的发展趋势是：在性能上向高精度、高效率、智能化的方向发展；在功能上向小型、轻型、多功能化方向发展；在层次上向集成化方向发展。

具体来讲是：设计对象由单机走向系统；设计要求由单目标走向多目标，产品设计周期缩短；设计所涉及的领域由单一领域走向多个领域；产品设计由自由发展走向有计划的发展；设计工作的人员从单人走向小组；设计的发展要适应科学技术的发展；绿色设计思想。

3 现代机械设计方法理论的范畴和特点
现代机械设计理论和方法是对传统设计方法的继承、创新和发展，它是将机械技术、信息技术、微电子技术、计算机技术、控制技术和管理科学等有机地加以综合，形成的一门多学科、多专业相互交融的系统设计科学。

如果从系统的观点分析，现代机械设计理论和方法又是一个由时间维、逻辑维、方法维组成的三维系统。

时间维反映了产品规划、方案设计、技术设计和加工设计流程的时间顺序；逻辑维是指解决问题的逻辑步骤，现代机械设计采取先分析、再综合、然后评价、最后决策的步骤；方法维是指机械设计设计过程中的各种思维方法和工作方法。

现代机械设计采用各种先进的设计理论方法，使机械设计进入优质、高效和创新的新时代。

现代机械设计具有的范畴如下：(1)信息论方法。

如信息分析法，技术预测等。

(2)系统论法。

如系统分析法，人机工程等。

(3)控制论法。

如动态分析法等。

(4)优化论法。

它是现代设计法的目标。

(5)对应论方法。

如相似设计、反求工程设计等。

(6)智能论方法。

如CAD，计算机辅助分析等，它是现代设计方法的核心。

(7)寿命论方法，如可靠性和价值工程等。

(8)离散论方法。

如有限元和边界元方法。

(9)模糊论方法。

如模糊评价和决策等。

(10)突变论方法。

如创造性设计等，它是现代设计方法的基础。

(11)艺术论方法。

如艺术造型等。

传统机械设计方法设计者是根据机械设计的任务和目标，以生产经验数据作为设计依据，运用一些基本的设计计算理论，采用模拟、类比、试凑等方法进行设计。

由于试验和测试条件差、技术水平低，整机的性能分析也难以深入，因此新产品的研发往往需要经多次试验和修改，从而造成产品设计时间长、耗费大、所谓满意往往带有很大的主观性等问题。

而现代机械设计理论与方法是在多学科
（思维科学、信息科学、系统工程、计算机技术等学科）支持下，研究机械设计规律、设计技术和工具、设计实施方法的工程技术科学，它具有下列特点：3．1 创新性
创新是一个国家和民族的灵魂，是生存、发展壮大的前提。

现代机械设计依托的是先进设计理论和设计工具，它能使设计者的创造性思维能力得到充分发挥，使设计者灵活运用各种创造性的手法，开发出高质量、低成本、服务优且符合环保概念的产创新品。

3．2 系统性
现代机械设计注重用系统的观点来看待设计问题它既考虑产品本身，还考虑对系统和环境的影响，即注重人－机－环境的大系统关系。

3．3 动态性。

传统机械设计只考虑产品的的静态特性，而现代机械设计需要同时考虑产品的静态和动态特性，考虑产品与外部环境的物质流、能量流和信息流的交换。

3．4 前瞻性
在产品设计初期，现代机械设计不仅考虑产品生命周期的全过程和各个阶段的性能要求，同时还考虑系统和环境的影响。

这种具有前瞻性的设计可以让人们及早发现产品的潜在缺陷，将可能发生的机械故障减小到最低程度，它能保证自然生态资源的平衡，实现人类的可持续发展。

例如，电动汽车的出现就是一个反映现代机械设计具有前瞻性的例证，在电动汽车设计过程中，设计人员既考虑了有关电动汽车的技术问题，又考虑了驾驶操作方便、乘客安全舒适以及动力燃料供应、城市布局、道路发展规划等社会问题。

3．5 多学科理论和技术的交融性
现代设计理论方法是一门新兴的综合性交叉学科，它交叉与融合了现代设计方法学、可靠性设计技术、有限元方法、计算机辅助设计技术、工业造型设计等多种学科。

例如，可靠性设计涉及产品设计、生产、使用、管理、贮存、运输等各个环节，它是将概率与统计理论、失效物理和机械学等多种学科有机相结合起来的一门综合性很强的科学。

由于现代机械设计理论方法具有多学科理论和技术的交融性，因此现代机械设计减小了传统设计中经验设计的盲目性和随意性，提高了设计的主动性、科学性和准确性。

3．6 并行化、自动化、计算机化
传统设计方式是由许多部门用串行工作方法参与设计，由于信息是串行的，采用人工检索资料、手工计算和绘图，因此易造成大量返工，且质量难保证，设计过程漫长。

现代设计方法是新理论与计算机应用相结合的产物,采用计算机化后可进行并行设计，可把人们的经验、智慧和创造力与计算机高速运算的功能有机地结合起来。

随着计算机软硬件的发展以及工程数据库、网络技术的广泛应用，机械设计数据的准确性、稳定性大大提高，提高了工程技术人员的设计效率，设计手段也更加精确，设计方法更加现代化。

4械现代化设计原则
4.1 功能满足原则
顾客要购买的不是产品本身而是产品的功能, 功能实际上是体现了顾客的某种需要。

机械设计的目的是构造能够实现规定功能的机械产品。

如果产品不具备要求的功能, 设计就会失去价值。

满足功能是各类产品设计的首要原则。

4.2 质量保障原则
质量是产品的生命, 保证质量是产品设计的重要原则。

产品质量主要由性能和可靠性决定, 故这类原则主要包括: 性能指标、可靠性、强度原则、刚度原则、稳定性、抗磨损性、抗腐蚀性、抗蠕变性、动态特性、平衡特性、热特性等。

4.3 工艺优良原则
现代机械设计, 工艺为本。

工艺优良原则要求设计能够并且容易通过生产过程实现, 它包括: 可制造性、可装配性、可测试性等。

4.4 经济合理原则
传统的机械设计原材料消耗大,设计周期长, 反复多, 浪费严重。

现代机械设计要求产品具有较低的开发成本、制造成本、使用成本和维护成本。

4.5 可持续原则
要求考虑产品投放市场后的表现行为, 包括环境友好性、环境适应性、人机友好性、可维护性、可安装性、可拆卸性、可回收性等。

5机械现代化设计理论与方法
机械现代化设计理论与方法是以设计机械产品为目标的一个知识群的总称, 有一个完善和发展的过程。

本文仅介绍几种相对比较成熟、应用较为广泛的理论
与方法。

5.1 系统化设计
5.1.1 系统化设计的主要思想
将设计看成是由若干个设计要素组成的一个系统, 每个要素具有相对独立性, 各个要素之间存在着有机联系,并具有层次性, 所有的设计要素按照一定的模式结合后,即可实现系统所需完成的任务。

机械系统就是由各个机械基本要素组成的, 完成所需的动作或动作过程, 实现机械能的变化, 代替人类劳动的系统。

5.1.2 系统化设计的基本内容
（1）确定设计目标和要求。

根据客户需求, 确定设计参数, 选定约束条件, 编写设计任务书和产品开发计划。

（2）原理方案设计。

设计师充分发挥自己的专业知识、实践经验和创新能力, 构思出能达到预期结果的原理方案。

（3）结构方案设计。

即确定零部件的形状、尺寸、材料, 进行强度、刚度、可靠性等分析计算, 画出结构草图。

（4）总体设计。

在原理方案和结构方案设计的基础上, 全面考虑产品的总体布局、工艺造型、人机工程等因素, 画出总装图。

（5）施工设计。

将总装图分解成零部件图, 根据加工、装配要求, 标注公差、配合及技术要求, 绘制出全部生产图纸和说明书。

5.1.3 系统化设计的一般步骤
系统化设计的一般步骤如图1所示:
5.2 优化设计
5．2.1优化设计的有关概念
优化设计是上世纪60 年代发展起来的一门新兴学科, 它是最优化技术和计算机技术在设计领域应用的结果。

所谓优化就是对问题的寻优, 人们都希望所从事的工作能尽可能做好, 以期望得到一个最为满意的目标。

优化设计为机械设计提供了一种重要的科学设计方法, 在解决复杂设计问题时, 能从众多的设计方案中找到尽可能完善、最适宜的设计方案。

优化设计主要包括两部分内容:一是优化设计的建模技术; 另一个是优化设计问题的求解技术。

机械设计问题的优
化, 可以表达为一组优选的设计参数, 在满足一系列限制条件下, 使设计指标达到最优。

5.2.2 优化设计的数学模型
优化设计的数学模型由设计变量、目标函数和设计约束三部分组成, 称为优化设计的三要素。

设计变量:T X ）
，，，（n 21x x x ⋅⋅⋅⋅⋅⋅= 目标函数：minF(x)
设计约束：n
p v x hv m u x u ⋅⋅⋅==⋅⋅⋅=≤2,1,0)(2,10)(g ， 5.2.3 优化设计的求解方法
求解方法可分为准则法和数学规划法两大类。

准则法就是根据力学或其他原则, 构造达到最优的准则, 如满应力准则等。

数学规划法是从解极值问题的数学原理出发, 运用数学规划的方法来求解最优解, 如线性规划、非线性规划等。

5.2.4 优化设计的步骤
优化设计的基本步骤如图2所示:
5.3 价值工程
5.3.1 价值工程的有关概念
价值工程是以提高实用价值为目的, 以功能分析为核心, 以开发集体智力资源为基础, 以科学分析方法为工具,用最少的成本支出达到最合适的产品功能的产品开发的科学方法。

其实质是将技术与经济、功能与成本、企业利益与用户要求结合起来进行定量分析的设计方法, 以达到提高产品使用价值的目的。

在价值工程中, 产品价值是产品功能与产品成本的综合反映, 三者之间的关系为V = F/C
式中: V——产品的价值;
F——产品的功能;
C——产品的寿命周期成本。

5.3.2 价值工程的功能分析
顾客要购买的不是产品本身而是产品的功能, 功能实际上是体现了顾客的某种需要。

足功能是各类产品设计的必要原则。

功能分析是价值工程的核心, 包括功能定义和功能整理。

其目的就是在满足用户基本功能的基础上, 确保和增加产品的必要功能, 剔除或减少不必要功能。

（1）功能定义。

功能定义是对价值工程对象及其组成部分的功能所作的明确表述。

常采用“两词法”（即动宾词组法)来简明扼要地表述。

如车床产品的功能是“车削工件”。

（2）功能整理。

功能整理是对定义出的功能进行系统分析、整理, 明确功能之间的关系, 分清功能类别, 建立如图3所示的功能系统图。

5.3.3 价值工程的工作程序
价值工程的工作程序如表1示:
5.4 反求工程
5.4.1 反求工程的基本介绍
反求工程(Reverse Engineering,RE),也称逆向工程、反向工程, 是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量, 根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程, 是一个从样品生成产品数字化信息模型, 并在此基础上进行产品设计开发及生产的全过程。

反求工程技术是测量技术、数据处理技术、图形处理技术和加工技术相结合
的一门综合性技术。

随着计算机技术的飞速发展和上述单元技术逐渐成熟, 近年来在新产品设计开发中愈来愈多地被得到应用。

因为在产品开发过程中需要以实物(样件) 作为设计依据、参考模型或作为最终验证依据时尤其需要应用该项技术。

所以在汽车、摩托车等的外形覆盖件和内装饰件的设计、家电产品外形设计、艺术品复制中对反求工程技术的应用需求尤为迫切。

反求工程技术不同于一般常规的产品仿制, 采用反求技术开发的产品往往比较复杂, 通常由一些复杂曲面构成, 精度要求也比较高。

需要专业人员运用丰富的工程设计经验、知识和创造性思维, 对已有产品进行解剖、深化和再创造, 是已有设计的设计, 这就是反求工程的内涵, 特别要强调创新是反求的灵魂。

表1价值工程的工作程序
5.4.2 反求工程设计的基本步骤
反求工程设计的基本步骤为:
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（1）分析阶段。

首先需对反求对象的功能原理、结构形状、材料性能、加工工艺等方面进行全面深入的了解, 明确其关键功能及关键技术, 对设计特点和不足之处作出评估。

（2）再设计阶段。

在反求分析的基础上, 运用测量仪器对样本模型进行测量, 获取样本模型的特征参数, 利用CAD /CAM 系统重构反求对象的几何模型, 根据要求在结构和功能等方面进行必要的创新和改进。

（3）制造阶段。

按照产品通常的制造方法, 完成对反求产品的制造。

如果不满足设计要求, 可以返回分析阶段或再设计阶段重新进行修改设计。

6 结论
（1）机械现代化设计理论是对传统机械设计理论的发展，是现代机械设计的基础与核心。

现代设计方法是基于现代机械设计理论形成的，现代机械设计方法仅仅是现代机械设计的手段和目的。

（2）机械产品的竞争实质上就是设计的竞争。

深入地研究现代机械设计理论方法对机械设计水平的影响，对提高我国机械产品的创新能力和竞争力，为推动我国从制造大国走向制造强国是非常有益的。

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