现代机械设计方法

现代设计是以产品为总目标的一 系列种类繁多的现代 设计法和技术的综合运用，生产技术 的需要和先进设计手 段的出现，必须促进设计领域的改革 和发展，对于机械设 计来说几乎是更新换代，传统的常规 设计方法受到很大冲 击，用科的设计方法代替经验的，类 比的设计方法是势 在必行。缩短设计周期，提高设计质 量，发展设计理论， 改进设计技术及方法已成为当前机械 设计的必然趋势。
2．价值工程 价值工程从产品的功能研究 开始，对产品进行设计，或重新审查设计 图样文件，剔除那些与用户要求的功能无 关的元素，如机械中的材料、结构、零部 件，代以创新的构思，设计出功能相同而 成本更低的产品。 价值指的是事物的用途或积极作用。用 户购买商品，最主要是购买该商品的功能 ，设计中经常遇到的是使用功能和美学功 能。产品成本是产品的各项生产费用的总 和。降低成本要了解产品费用的组成，估 算产品的制造费用，研究产品产量与成本 、销售量与利润之间的关系，进行盈亏分 析。价值一功能／成本。对功能定量赋值 的方法很多，如对某产品的主要技术性能 从理想值到超差值分为1 1级，对应于10 ～0分，即为相对功能值。 价值工程设计的基本步骤是：了解设计 对象，明确要求的功能，分析成本的组成 ，进行价值初评，制定改进方案，获得价 值最高的创新产品。
摩擦学设计 摩擦学是研究具有相对运动表面摩 擦、磨损与润滑理论的一门学科。 摩擦学设计就是充分运用摩擦学知 识，合理设计机械零部件，采用先 进材料和工艺，正确选用润滑方式 和装置，减小机械设备的摩擦损耗， 降低失效时间延长产品寿命，提高 设备的工作效率和运行可靠性。尽 管摩擦学问题普遍大量存在于所有 机械设备中，但以往机械设计很少 考虑摩擦学问题。摩擦学设计是继 运动学设计、强度设计之后又一重 要的设计内容。
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3．并行工程 并行工程是集成地而不 是分散地、并行地而不是顺序地设计新 产品及其相关的各种过程（包括制造、 后勤等）的系统方法。要求产品开发人 员在设计伊始，就考虑产品整个生命周 期中，从概念形成到产品报废处理的所 有因素，充分利用企业内的一切资源， 最大限度地满足市场和用户的需求。 并行工程的目的在于寻求新产品的易 实现性、缩短上市周期和增强市场竞争 能力。要求集中涉及产品寿命的所有部 门的工程技术人员，组成并行设计组， 共同设计制造产品，对产品的各种性能 和制造过程进行计算机动态仿真，生成 软样品或快速出样，进行分析评议，改 进设计，取得最优结果，使投放市场的 新产品一次成功。利用计算机的数据处 理、信息集成和网络通信的能力，发挥 并行设计组的集体力量，将新产品开发 研究和生产准备等各种工程活动，尽可 能并行交叉地进行。这对换代快、批量 不大的产品，能显著缩短周期，提高质 量。
现代设计方法概念：现今为工程项目或产品制造完成到实体化的全过程而 制订的技术方案、图样与程序。英文为“modern design method”。它运 用创新的设计手段，交叉地应用多种理论、方法和技术，使产品设计过程 成为一种富于电脑化，自动化、虚拟化、智能化和最优化的创造活动，在 决策、综合、迭代与寻优中高效率的、低成本的、高质量的完成产品设计。

优化设计
机械优化设计是最优化技术在机械设计领域的移植和应用，其基本思想 是根据机械设计的理论方法和标准规范等建立反映工程设计问题和符合 数学规划要求的数学模型，然后采用数学规划方法和计算机数字处理技 术自动找出设计问题的最优方案。不但可行，而且最优，是机械优化设 计追求的目标，可行性方案的提出与建模是优化设计的基础。常用优化 处理方法有一维搜索法谶性优化法、导数优化法、非导数优化法等。常 见优化软件有 MATLAB、ANSYS等 ¨。
4．优化设计及其发展 优化设计的目的 是寻找所求解问题的最优答案。从客观 方面来说，优化既是一种客观规律，也 是一种社会发展规律；从主观方面来说， 优化是人类有史以来的追求活动准则。 现代意义上的优化实质上是计算机技术 同数学规划论的综合。需要求解的问题 往往包含许多限制性因素，优化过程就 是用最优化理论与方法，通过计算机的 迭代计算，‘寻找在限制性因素之下的 最优参数值。 对机械工程来说，优化使机械设计的 改进和优选速度大大提高。例如为提高 机构性能的参数优化，为减轻重量或降 低成本的机械结构优化，各种传动系统 的参数优化和发动机机械系统的隔振与 减振优化等。优化技术不仅用于产品成 型以后的再优化设计过程中，而且已经 渗透到产品的开发设计过程中，同时与 可靠性设计、模糊设计、有限元法等其 他设计方法有机结合，取得新的效果。
机械及装备制造业真正体现了一个国家的实力，在产业链上具有非常 强的带动性。现代机械设计理论与方法的学习对于机械及装备制造业 具有重要的意义，在科技不断发展和多学科广泛交叉作用中，其内涵 与外延将进一步丰富和扩展。 机械设计是根据使用要求对机械的工 作原理、结构、运动方式、力和能量的传递系统、各个零件的材料和 形状尺寸、润滑方法进行构思、分析和计算并将之转化为具体的描述， 以作为制造依据的创造性工作过程。研究机械设计过程的理论、方法 及实现手段等对工业、农业、国防、科技各个领域的理论探索及实践 均具有重要意义。 现代机电产品的质量、性能和成本，在很大程度 上是由设计阶段的工作决定的，设计实现产品标准化、系列化和通用 化，能加速实现我国生产活动的高度机械化、电气化和自动化。设计 水平与工业发展水平是相互影响的。设计先进的机器，可大大加速现 代化建设的进程。另外，现代机械设计过程在本质上是一个创新过程， 创新设计综合实践能力是尖端人才培养的“灵魂、动力”。作者长期 主讲机械设计、机械系统动力学、数控技术、现代机械设计理论与方 法等课程，在教学过程中，请教多位教学名师和专家，不断探索现代 机械设计课程应处的地位、教授的目的和课程的体系。在多年教学经 验总结和专家指导的基础上，对教案、主编的相关教材进行了体系变 更、内容更新和改写，从而形成了这本《现代机械设计理论与方法》。
1．计算机辅助设计 经过长期努力，所有的现代设 计方法几乎都离不开计算机的帮助。计算机辅助设 计(CAD)是使设计者能以计算机为工具，对产品进行 规划、分析、综合、模拟、评价、绘图、编写文件 等设计活动的总称。设计者的想象力、创新能力、 知识、经验和计算机高速运算、图形显示和处理能 力有机结合，综合多学科的相关技术，进行产品描 述与设计，大大提高了工作效率。近年来，不仅产 品更新换代周期不断缩短，而且要求生产模式由单 一品种大批量转向多品种小批量。市场竞争推动了 计算机硬件本身及其外围设备和图形软件及与现代 设计理论与方法相结合的各种应用软件的迅猛发展， 使CAD得到日益普遍的应用。目前市场要求快速开发 新机械产品，使CAD与计算机辅助制造(CAM)连接， 形成CAD/CAM集成系统。目前的计算机集成制造 (CIM)是CAD/CAM、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅 助工艺设计(CAPP)、计算机辅助检测(CAT)、数控技 术(NC)、直接数控(DNC)，计算机数控(CNC)、成组技 术(GT)、柔性制造系统(FMS)、物料资源规划(MRP)、 管理信息系统(MIS)、自动化工厂(AF)等技术在更高水 平上的集成。计算机集成制造系统(CIMS)则是以CAD ／CAM为核心的、在CIM概念指导下建立的制造系统。 随着因特网作为一种平台的兴起和以网络应用为基 础的软件的飞速发展，CAD的发展将步入新阶段。
可靠性设计
可靠性是指产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力。 可靠性设计是对系统和结构进行可靠性分析和预测，采用简化系统和结 构、裕度设计和可维修设计等措施以提高系统和结构可靠度的设计。它 不但直接反映产品各组成部件的质量，而且还影响到整个产品质量性能 的优劣。可靠性分为固有可靠性、使用可靠性和环境适应性。可靠性的 度量指标一般有可靠度、无故障率、失效率三种。
现代机械设计
机械设计（machine design），根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、 力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计 算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。 机械设计是机械工程的重要组成部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能的最主 要的因素。机械设计的努力目标是：在各种限定的条件(如材料、加工能力、理论知 识和计算手段等)下设计出最好的机械，即做出优化设计。优化设计需要综合地考虑 许多要求，一般有：最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠 性、最低消耗和最少环境污染。这些要求常是互相矛盾的，而且它们之间的相对重要 性因机械种类和用途的不同而异。设计者的任务是按具体情况权衡轻重，统筹兼顾， 使设计的机械有最优的综合技术经济效果。过去，设计的优化主要依靠设计者的知识、 经验和远见。随着机械工程基础理论和价值工程、系统分析等新学科的发展，制造和 使用的技术经济数据资料的积累,以及计算机的推广应用,优化逐渐舍弃主观判断而依 靠科学计算。 各产业机械的设计，特别是整体和整系统的机械设计，须依附于各有关的产业技术而 难于形成独立的学科。因此出现了农业机械设计、矿山机械设计、泵设计、压缩机设 计、汽轮机设计、内燃机设计、机床设计等专业性的机械设计分支学科。
并行设计 传统的设计方法是按照设计、制造等过程串行 进行，设计阶段很少考虑设计以后的问题，这种设计方法使得产品设计 与以后的制造、使用、维修等环节相互脱节。并行设计是在产品开始设 计的时候，就考虑到产品从设计到使用过程中整个寿命周期的所有元素， 产品的设计过程和工艺设计、加工制造和销售等各个阶段并行地进行， 实行集成开发，力争使所设计的产品具有较高的综合性能。 模糊设计 机械设计领域普遍存在着模糊性现象，如产品性能的好与坏、使用寿命 的长与短、可靠性的高与低等，都是一些模糊量。模糊设计是把模糊理 论引入到设计领域中而形成的一种崭新的设计方法。模糊设计不是建立 在对系统进行精确的数学分析基础上，而是根据模糊性的实际经验确定 设计参数 J。模糊设计一般是与别的设计方法相结合，处理设计 中的不确定性因素，使得设计方法更加合理、完善。 参数化设计 参数化设计分为两个部分，即参数化图元和参数化修改引擎。参数化设计中 的图元都是以构件的形式出现，这些构件之间的不同，是通过参数的调整反 映出来的。参数化修改引擎提供的参数更改技术使用户对机械设计做的任何 改动都可以自动在其他相关联的部分反映出来，使每一个机械零件都通过一 个变更传播引擎互相关联。参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速
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。