现代机械设计方法及展望

现代机械设计方法及展望

单位：宁夏大学

学院：机械工程学院

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现代机械设计方法及展望

摘要：如果说书籍是人类精神文明进步的阶梯，那么机械无疑是人类物质文化前进的动力。机械设计是机械工程的重要组成部分，科学地安排设计过程，使用现代科学的方法和手段进行设计。同时也要求设计人员不光有丰富的专业知识，而且要掌握先进的设计理论、设计方法及设计手段，科学地进行设计工作，这样才能及时得到符合要求的产品。推动人类物质文化发展的脚步。本文综述了目前常用的几种现代机械设计方法，并展望了未来的机械设计方法的发展趋势。

关键词：机械设计方法展望

1、引言

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，并将这砦转化为具体地描述以人为制造依据的工作过程。机械设计作为工程设计的重要组成部分，不仅代表着将科学发现转化为经济实践的成果，也表征着一个国家和地区的制造业发展水平。

近十几年里，工业产品的设计理论和制造方法发生了极大的变化。首先，由于计算机辅助设计(CAD)、辅助工程(CAE)和辅助制造(CAM)等方法的普遍推广，改变了传统的设计模式，提高了设计质量和工作效率，使设计加工周期大大缩短；其次，机器人及自动化生产线的广泛使用，把操作者从繁重的体力劳动和危险作业环境中解放出来，提高了劳动生产效率。

2、机械设计的常用现代设计方法

2.1专业的现代设计方法

由机械设计和计算机专业人员共同开发的计算机软件，能够反映和描述机械产品在实际工况下的各种损伤、失效和破坏的机理，可以定量分析和计算机械零件和机械的动态行为，并形成固定的设计程序，这就是专业的现代设计方法，如：振动分析和设计，摩擦学设计，热力学传热设计，强度、刚度设计，温度场分析等等。这些软件都是在传统的设计方法基础上，应用计算机技术开发出来的。例如：用Pro／M软件分析机械装置的动态特性，用ANSYS软件分析应力都是这方面很好的例子，为准确判断装置的可靠性和选择设计参数奠定了基础。

2.2通用的现代设计方法

为了满足机械产品性能的高要求，在机械设计中大量采用计算机技术进行辅助设计和系统分析，这就是通用的现代设计方法。常见的方法包括优化、有限元、可靠性、仿真、专家系统、CAD等。这些方法并不只是针对机械产品去研究，还有其自身的科学理论和方法。

2.2.1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一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计算技术自动找出设计问题的最优方案。它是机械设计理论与优化数学、电子计算机相互结合而形成的一种现代设计方法。

2.2.2仿真与虚拟设计

计算机仿真技术是以计算机为工具“建立实际或联想的系统模型”并在不同条件下对模型进行动态运行实验的一门综合性技术。而虚拟技术的本质是以计算机支持的仿真技术为前提，在产品设计阶段，实时地并行地模拟出产品开发全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造性、产品的可维护性和可拆卸性等，从而提高产品设计的一次成功率。这种方法不但缩短产品开发周期，也实现了缩短产品开发与用户之间的距离。

2.2.3有限元设计

这种方法是利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。它不仅能用于工程中复杂的非线行问题、非稳态问题的求解，而且还可用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力分析，并能准确地计算形状复杂零件的应力分布和变形，成为复杂零件强度和刚度计算的有力分析工具。

2.2.4模糊设计

它是将模糊数学知识应用到机械设计中的一种设计方法。机械设计中就存在大量的模糊信息。如机械零部件设计中，零件的安全系数往往从保守观点出发，取较大值而不经济，但在其允许的范围内存在很大的模糊区间。机械产品的开发在各阶段常会遇到各种模糊问题，虽然这些问题的特点、性质及对计策的要求不尽相同，但所采取的模糊分析方法是相似的。它的最大特点是，可以将各因素对设计结果的影响进行全面定量地分析，得出综合的数量化指标，作为选择决断的依据。

3、机械设计技术的展望

现代社会机械广泛应用于生产，生活各个领域，已成为衡量一个国家技术水平和现代化程度的重要标志。将来机械设计学必将渗透到半导体制造、生物T程、纳米技术和机器人等行业中去，随着机械设计基础理论的发展及新概念，新方法，新工艺的不断出现，机械设计也得到了迅猛的发展。主要体现在以下几个方面。

首先，机械体积从米级向微米级设计。有用于宇宙的空间机械，有用于深海作业的机械，又有用于人体血管内的机械等等。显然，它们有的是庞然大物，有的是微型机械，这就要求设计不同的尺寸的零件。

其次，从单个零件到整机系统的设计。现代机械日益向高速的，重载，高精度，高效率和低噪音等方向发展，必然要嘶哑从传动系统偏重于零件，部件的静态单个的设计向多种零件的综合或以整机为对像的动态系统多个零件扩展的设计。

第三，设计用的工具的改变。改变图板等绘图工具，应用计算机软件技术直接在计算机上进行最优化的机械设计。

第四，设计—加工的一体化。机电一体化的应用改变了传统的机械设计与机械加工的分离使零件的设计与加工几乎同时进行。例如数控机床的应用，改变了传统的设计与加工方法，它实现了机械与电子，强电与弱电，软件与硬件，控制与信息的多种技术的有机结合，按照计算机的指令来控制机床进行机械加工。目前，应用软件较多的是CAD（Computer Aided Design,计算机辅助设计），CAM(Computer Aided Manufacture,计算机辅助制造)。

第五，对机械的人性化设计和等寿命设计。在市场竞争日益激烈的市场环境下，不仅要求设计的机械产品质量好，使用期限内安全可靠度高，而且在视觉上给人以舒适的，实用的，富有时代气息和外观具有吸引力。同时采用等寿命设计使产品质优价廉，以此来提高产品的市场竞争力。

第六，更加注重绿色思想。绿色设计技术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。要求设计者从全周期考虑产品的环境属性和基本属性，在设计时始终立足于人的身心健康、环境保护等，同时要求所设计的产品具有可回收利用性，对环境的损害最小。

4、小结

随着科学技术的发展、计算机的广泛应用，设计方法和手段发生了很大变化，科学的新成就不断丰富、充实着机械设计的思想、理论、方法和手段，促进了机械设计的变革、创新和发展，也要求工程设计人员不断更新设计思维，采用现代设计技术，提高机械产品的竞争力。

参考文献：

【1 J覃文洁，程颖．现代设计方法概论[M】．北京：北京理工大学出版社，2007．

【2】王明贤，李连进．展望未来的机械设计学阴．机械，2003(30)：7—11．

【3】刘静香，张春梅．现代设计方法的研究现状与发展趋势【J]．河南机电高等专科学校学报，2003，1 1(2)：60—61．