机械设计的学科前沿和动态发展

机械设计及其理论的前沿和动态发展

第一部分机械设计发展概述

一、机械设计学科形成历史

专为工业生产所运用、具有明显的技术特征,而又形成体系的机械设计, 在18世纪工业革命以后的一段时间才被确立起来。英国人斯密顿（Seaton,J）,对纽可门(Newcomen,T),发明的各种功率的蒸汽机进行了系统分析,写出许多实验报告,并整理出一套计算公式；瓦特（Watt,J）,就是在他工作的基础上,先后于1756年和1782年研制出新一代的蒸汽机。机械设计经历了反复多次的失败,才逐步积累了技术经验,奠定了科学的基础,形成完整的体系。

两百多年前的个体手工劳动的生产方式，现在已由大规模的机械化、自动化生产所代替。过去，产品的质量和性能，完全依赖于劳动者个人的经验和手艺，而现在已经可以做到由电子计算机对生产过程进行自动的适应性控制，使得产品成量好、成本低。人类在自己的生产活动中,不断地总结经验和’采用最新的科学技术来推动生产向前发展同时，在发展生产的过程中，又不断向科学技术提出新课题。这一切必然反映于机械设计发展过程。

二、机械设计的形成阶段

第一阶段，设计公式进行的经典设计阶段。机械工业生产主要在欧美各国进行，设计主要是依据经典设计公式的组合进行。力学各分支的发展，加上在机械制造中积累的丰富经验,为机械设计的实验、试验和理论研究奠定了基础，确立了基本观念，形成了基本体系，也

做了不少基础性的工作。

第二阶段，以经验为主的实验设计，第二次世界大战中和战后(1940一1960 年) 。是机械工业在数量方面扩大生产的时代，主要在美国。这一阶段的机械设计，主要是通过实机或模型试验获得基本数据，然后以此进行设计。机械设计可分为机能设计和强度设计两大方面。以强度设计为例，它应兼顾三个方面内容: （1）以弹性力学为基础的弹性设计；（2）以屈曲等塑性破坏为对象的极限设计；（3）基于安全寿命预测、许用损伤限度等的疲劳设计。

第三阶段，以静态解析为主的理论设计，这个阶段(1960-1980年)是机械设计由实验设计转入理论设计的发展阶段。1960年以后,在机械生产数量增加的同时，要求提高产品质量，改进机械性能，出现了应用液压技术、电子技术等系列设计。

第四阶段，以动态解析为主的理论设计，进入20世纪80年代，由于机械生产日益向高速、高效、精密、轻量化和自动化的方向发展, 产品结构日趋复杂，对机械的工作性能也要求越来越高。为使机械安全可靠地工作，其结构系统必须具有良好的静、动特性。另一方面，人们的环境保护意识增强，机械振动和噪声损害操作者的身心健康，成为亟待解决的社会问题。为此，由静态解析为主的设计开始向动态解析转移，以满足机械静、动特性和低振动、低噪声的要求。

第二部分现代机械设计技术

机械设计是机械工程的重要组成部分,是决定机械性能的最主要的因素。现代设计技术主要包括：优良性能设计基础技术、竞争优势创

建设计技术、全寿命周期设计技术、绿色产品设计技术等。

一、优良性能设计基础技术。这是以提高机械产品综合性能为目的的设计技术，同时也是在传统性能设计基础上提出的，在对机械及其零件进行材料、结构和尺寸设计的前提下，运用摩擦学及断裂力学等一系列科研成果，从个体设计到系统设计，并从深度和广度上拓展此项设计技术的内涵和外延。其内容包括以下几种设计技术：1.可靠性设计和实验技术。2.防疲劳断裂设计技术。3. 系统动态设计技术 4. 摩擦学设计技术。5.防腐蚀设计技术。 6.状态监测补偿与控制技术。

二、竞争优势创建设计技术，这是在市场经济体制下形成和发展起来的。竞争机制和供求关系是市场经济的两大特点，这就要求生产设计人员要用新观点、新原理和新功能来设计不断满足顾客需要的新产品，进而使企业在全球范围的激烈竞争中始终处于不败之地。该项内容包含以下几种设计技术：1.产品创新设计技术。2.降低成本设计技术。3.快速设计技术。4.仿真与虚拟设计技术。5.智能设计技术。6.广义优化设计。7.造型色彩设计技术。

三、全寿命周期设计技术。这要求设计产品时不仅要考虑产品的功能和结构，而且要设计产品的全寿命周期，也就是要设计产品的规划、设计、制造、营销、运行、使用、维修保养，直到回收再用处置的全过程。这项内容具体由三种设计技术组成：1. 并行设计技术。2.面向制造的新技术。3.产品数据管理技术。

四、绿色产品设计技术。这是对产品在其生命周期中，按符合环境保护、资源利用率最高、能源消耗最低的要求进行设计的技术。它

包括以下几种技术： 1. 面向环境设计技术。2.面向能源设计技术。3. 面向材料设计技术。

第三部分计算机辅助设计技术

计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）技术产生于19世纪50年代后期。CAD技术作为杰出的工程技术成就，已广泛地应用于工程设计的各个领域。CAD技术研究热点有计算机辅助概念设计、计算机支持的协同设计、海量信息存储、管理及检索、设计

法研究及其相关问题、支持创新设计等。

1，CAD软件包括：（1）Pro/Engineer ，美国参数技术公司（PTC）的产品。PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全

相关的概念，开发出来的第三代机械CAD/CAE/CAM产品Pro/Engineer软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户

能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。（2）SolidWorks，美国SolidWorks公司于1995年11月研制开发的SolidWorks是一套基于Windows平台的全参数化特征造型软件，它可

以十分方便地实现复杂的三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。（3）AutoCAD ，美国Autodesk公司为微机开发的一个交互式二维工程绘图软件，AutoCAD是当今最流行的二维绘图软件，有强大的二维功能，如绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能，同时有部分三维功能。

2、主要CAE软件包括：ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声

场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大