现代设计方法在机械设计中的应用

浅析现代设计方法在机械设计中的优势

能源与机械工程学院机械工程及其自动化系丁瑞 20100501

摘要：阐述传统机械设计方法和机械系统的现代设计方法，并比较二者异同，体现现代设计方法的优势。

关键词：现代设计方法；传统设计方法；机械设计

一、引言

机械产品的设计从19 世纪中期的技术设计发展到现在已经历了一百多年的变迁和发展。其间任何产品生产的历史也就是人们追求先进产品与服务的创新设计、及其理论、方法与工具发展的历史。而人类也经历了漫长的创造创新和设计制造的历程。

近年来，随着科学技术的发展和经济的全球化，机械技术与各个学科不断交叉、融合，制造业不断地向高速化、轻量化、虚拟化方向发展，用户对产品的需求越来越个性化、多样化。机械产品的设计方法更趋于科学、完善，计算精度更高,计算速度更快。而机械设计在传统设计的基础上更趋于现代设计方法的应用。

二、传统机械设计方法

传统的机械设计是以直觉设计、经验设计、静态设计为基础的常规设计方法，主要分为以下几个阶段[1]：

（1）直觉设计阶段

古代的设计是一种直觉设计。当时人们或是从自然现象中直接得到启示，或是全凭人的直观感觉来设计制作工具。设计方案存在于手工艺人头脑之中，无法记录表达，产品也是比较简单的。直觉设计阶段在人类历史中经历了一个很长的时期，17世纪以前基本都属于这一阶段。

（2）经验设计阶段

随着生产的发展，单个手工艺人的经验或其头脑中的构思已很难满足这些要求。于是，手工艺人联合起来，互相协作。一部分经验丰富的手工艺人将自己的经验或构思用图纸表达出来，然后根据图纸组织生产。图纸的出现，即可使具有丰富经验的手工艺人通过图纸将其经验或构思记录下来，传与他人，便于用图纸对产品进行分析、改进和提高，推动设计工作向前发展；还可满足更多的人同时参加同一产品的生产活动，满足社会对产品的需求及提高生产率的要求。因此，利用图纸进行设计，使人类设计活动由直觉设计阶段进入到经验设计阶段。

（3）半理论半经验设计阶段

20世纪以来，由于科学和技术的发展与进步，设计的基础理论研究和实验研究得到加强，随着理论研究的深入、实验数据及设计经验的积累，已形成了一套半经验半理论的设计方法。这种方法以理论计算和长期设计实践而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。此阶段设计方法主要有三种[2]：

①理论设计

根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计称为理论设计．如对简单受拉杆的强度设计：

设计强度计算式σ≤σ

lim ／s 或F／A≤σ

lim

式中：

F：作用在杆上的外载荷；A：拉杆的横截面积；σ

lim

：拉杆材料的极限应力；S：

安全系数

可以利用上面公式直接求解杆件必须的横截面积，也可以按其他方法先初步设计杆件的横截面尺寸，然后用强度计算公式去校核．由于实际情况复杂多变，若安全系数选择过大，则产品傻、大、粗．若安全系数过小，则很难保证安全性[3]。

②经验设计

根据某类零件已有的设计方法与经验关系式，或根据设计者个人的工作经验用类比办法所进行的设计叫经验设计．随着设计产品的技术系统越来越复杂。技术含量不断提高，产品更新发展速度加快，经验类比的设计方法已不能满足市场需要．③模型实验设计

对于一些尺寸巨大而结构又很复杂的重要零件，尤其是一些重型整体机械零件，为了提高设计质量，可采用模型实验设计的方法。即把初步设计的零部件或机器制成小模型或小尺寸样机，经过实验的手段对其各方面的特性进行检验，根据实验结果对设计进行逐步的修改，从而达到完善。这样的设计过程叫做模型实验设计。

三、现代设计方法

现代设计方法是新兴的综合性、交叉性学科，是在研究设计竞争规律和分布式资源环境中的设计活动发展起来的，是应用科学的思想和方法创造出性能先进、结构合理产品的方法，是动态的、科学的、计算机化的方法。它将那些在科学领域内得到应用的所有科学方法论应用到机械设计中，变被动地重复分析产品的性能为主动地设计产品参数的过程，把静态的、经验的、手工的方法转变为科学的、动态的、计算机化的方法[4]。

现代设计方法在机械设计中有如下应用：

（1）计算机辅助设计

计算机辅助设计(Computer Aided Design),简称CAD,它借助计算机进行信息处理,利用计算机具有运算速度快且准确、存储量大、逻辑判断功能强等特点, 通过人机交互作用完成设计工作。其相对于传统的设计方法有以下优点:

①显著提高了设计效率,缩短了设计周期;加快了机械零件和机械产品的更新换代,增强了产品的市场竞争能力；

②可以存储大量的设计信息和设计经验, 使缺乏设计经验的新手也能顺利完成设计任务；

③能在短时间内给出很多设计方案,并进行分析比较,从而获得最佳设计方案；

④使机械设计人员从繁重的重复性工作中得以解脱, 而将更多的时间和精力集中到创造性的工作上；

⑤与计算机辅助制造(CAM)、计算机管理自动化结合起来形成计算机集成制造系统(CIMS)；从企业总效益最高出发,综合进行市场预测、产品设计、生产计划、制造和销售等一系列工作, 由此实现人力、物力和时间等各种资源的有效利用[5]。（2）机械可靠性设计

机械可靠性设计是将概率论、数理统计、失效物力和机械学相结合而形成的一种综合性设计技术。其主要特点是将常规设计方法中所涉及到的设计变量,如载荷、应力、强度、寿命等,所具有的多值现象看成是服从某种分布规律的随机变量,用概率统计方法设计出符合机械产品可靠性指标要求的零部件和整机的主要参数和结构尺寸。

（3）机械系统及其优化设计

机械系统设计是应用系统的观点进行机械产品设计的一种设计方法。其过程一般包括计划、外部系统设计、内部系统设计和制造销售四个阶段。与传统设计相比, 传统设计注重内部系统设计,重点在于改善零件或子系统的特性, 而对于各零部件之间、内部与外部系统之间的相互作用和影响考虑较少。而当机械系统设计遵循系统的观点后, 就将内、外系统和各子系统之间的相互关系综合进行了研究, 把设计问题的物理模型转化为数学模型, 运用最优化的数学理论、选用适当的优化方法、借助计算机求解该数学模型,且通过各子系统的协调工作, 取长补短来实现整个系统最佳的总功能。

（4）模块化设计

模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上, 划分并设计出一系列功能模块, 通过模块的选择和组

合就可以构成不同的产品, 以满足市场的不同需求。产品模块化的主要目标之一就是以尽可能少的模块种类和数量组成尽可能多的种类和规格的产品。模块化设计相对于传统设计具有以下特点:

①减少产品的设计和制造时间,缩短供货周期,有利于争取客户；

②有利于产品的更新换代和新产品的开发,增加企业对市场的快速反应能力；

③有利于提高产品质量,降低成本,增加产品的市场竞争能力；

④便于产品的维修。

除此之外，在现代设计方法中还需要运用其它相关先进的设计方法：如虚拟设计、创新设计技术、快速响应设计、全寿命周期设计技术、有限元设计（数值分析）、模糊设计等[6]。

式、图表、设计手册等作为设计准则的设计方法。这种设计方法带来了运用中出现的许多问题：零部件容易腐蚀损坏、容易疲劳损坏，断裂、表面剥落，零部件容易摩擦损坏等等。这些问题的出现，都是传统设计方法的局限性造成的。传统设计方法有很多局限：在方案设计时凭借设计者有限的直接经验或间接经验，通过计算、类比分析等，以收敛思维方式，过早地确定方案，而这种方案设计既不充分又不系统，不强调创新，因此很难得到最优方案；在机械设计中，仅对重要的零件根据简化的力学模型或经验公式进行静态的或近似的设计计算，其他零件只作类比设计，与实际工况有时相差较远，难免造成失误；传统设计方法偏重于考虑产品自身的功能的实现，忽略人―机―环境之间关系的重要性……总的来说，传统设计方法工作周期长，效率低、成本高，而且在分析计算过程中，由于受人工计算条件的限制，只能采用静态或近似的方法而难以按动态的方法精确计算，计算结果未能完全反应零部件的真正工作状态，影响了设计质量[7]。

随着现代科学技术的飞速发展、生产技术的需要和市场的激烈竞争力，设计产品的技术系统越来越复杂, 技术含量不断提高, 产品更新发展速度加快, 传统的