现代机械设计方法

现代产品设计理论与方法的发展现状及发展趋势

摘要：本文论述了现代设计方法的主要内容和主要特点。随着科学技术的飞速发展和人们对产品要求的提高,现代设计方法变得越来越重要,而且将会是各学科群之间相互交叉渗透的一门综合性学科。起重机作为生活中常用的工具，其设计方法也进入创新，高质量，高效率的新阶段。

【关键词】：机械设计方法起重机

一．现代设计方法

根据目前国内外设计学者进行机械产品方案设计所用方法的主要特征，可以将机械产品方案的现代设计方法概括为以下；

1.系统化设计方法

系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。现代制定的机械产品方案设计进程模式，基本上沿用了德国标准VDI2221的设计方式。

2.结构模块化设计方法

这种方法从规划产品的角度提出：定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品解（如通用零件部件等）描述设计任务，即分解任务时就考虑每个分任务是否存在对应的产品解，这样，能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具有新型解的专用功能只是少数，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、制造风险十分有利。

3.基于产品特征知识的设计方法

基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。这种设计

方法主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。

4.智能化设计方法

智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。在利用数学系统理论的同时，考虑了系统工程理论、产品设计技术和系统开发方法学VDI2221，研制出适合于产品设计初期使用的多媒体开发系统软件MUSE。比如在进行自动取款机设计时，把产品的整个开发过程概括为“产品规划”、“开发”和“生产规划”三个阶段，并且充分利用了现有的CAD尖端技术——虚拟现实技术。

5.有限元设计方法

有限元法是根据变分原理求解数学物理间题的一种数值计算方法,随着计算机的发展,在工程领域得以广泛应用。一般传统设计计算方法局限性很大,仅能进行粗略简化分析,载荷工况只有有限的几种,无法随意组合,大多只能分析静力。采用有限元法则优越得多,能整体、全面、多工况随意组合,进行静力、动力、线性和非线性分析,对完成复杂结构或多自由度系统的分析十分有效。有限元法能针对起重机实际使用的结构边界条件进行定量的分析计算,为设计提供丰富的、反映实际工况的计算结果,并可配有丰富的动态图形显示功能。例如对桥式起重机桥架进行计算,传统方法是将其分解为主梁和端梁两部分,并简化为简支梁计算,精确度不高。采用有限元法,可将桥架作为一个整体框架计算,并可分别进行静力和动力分析,给出局部的应力值。对于大型起重机和特殊、关键零部件的设计计算及局部应力分析,采用有限元法。

6三次设计方法

三次设计是由日本著名学者田口玄一博士于70年代创立的。无论设计一个新产品还是一种新工艺,可分三个阶段进行:第一阶段为系统设计即功能设计,提出初始设计方案,确定产品基本结构,使产品达到所要求的功能。第二阶段为参数设计,是产品设计的核心,通过选择系统中各可控因素的最佳水平组合,即探求参数的最佳搭配，从而尽量减少各种干扰的影响,提高产品性能的稳定性。第三阶

段为容差设计,由于各零部件成本低、参数性能波动范围较大,容差设计是在考虑各零部件性能的波动对产品整机特性影响以后,在不增加总损失的前提下,通过控制影响大的主要误差因素本身的波动来改善产品整机性能的稳定性。三次设计的基本思想是用正交表安排试验方案,用误差因素模拟各种干扰,以动态特性的SN比作为衡量产品质量特性稳定性的指标,用廉价零部件组装质量上乘、成本低廉、性能稳定可靠的产品。

值得一提的是：上述各种方法并不是完全孤立的，各类方法之间都存在一定程度上的联系，如结构模块化设计方法中，划分结构模块时就蕴含有系统化思想，建立产品特征及设计方法知识库和推理机时，通常也需运用系统化和结构模块化方法，此外，基于产品特征知识的设计同时又是方案智能化设计的基础之一。在机械产品方案设计中，视能够实现特定功能的通用零件、部件或常用机构为结构模块，并将其应用到系统化设计有关层次的具体设计中，即将结构模块化方法融于系统化设计方法中，不仅可以保证设计的规范化，而且可以简化设计过程，提高设计效率和质量，降低设计成本。

可以说，机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进，由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚，目前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计工具软件。

二.有限元设计方法在起重机卷筒设计中的运用

起重机是由机械、结构、电气、液压等四大部分组成，目前我国起重机设计主要采用许用应力法，所设计的起重机虽能保证安全但结构笨重很不经济。现在国外已开始采用极限状态法进行起重机设计，大大降低了起重机自重。当然现代设计方法较多，可以在进行起重机整机、结构、机构、电气和液压设计时采用适宜的现代设计方法。如：对起重机金属结构的设计可考虑有限元设计方法及最优化设计方法，以最低限度减轻起重机自重和降低能耗；对起重机电器部件及电气系统设计时可考虑采用可靠性设计方法，提高系统的可靠度；对起重机零部件（包括液压元件）和机构设计可考虑采用可靠性设计法和创新设计方法，不断提高可靠度及零部件和机构的创新能力，使零部件和机构越来越精巧；为了考虑快速推出新产品，在对起重机进行设计时，可考虑广泛运用并行设计方法；对超大型设备还可考虑计算机仿真与动态模拟方法。考虑现代社会的环保要求，绿色设计方