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［摘要］机械工程作为一门古老学科, 只有不断地与当代先进的科学技术紧密结合, 才能促进自身不断地向前发展和进步。现代机械的主要特征是什么, 现代机械设计与传统机械设计有何不同之处,是每一位现代机械设计者必须首先要掌握的问题。
［关键词］机械设计现代设计方法优化设计
中图分类号：TD404 文献标识码：A 文章编号：
一、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。
二、机械设计面临的形势
1、设计对象由单机趋向系统,如机械行业中的普通机床发展成为机械加工中心。
2、设计所涉及的领域由单一领域向多领域发展,如系工程、人机工程、价值工程等许多学科正不断地应用到设计领域中来。
3、承担设计的技术人员由单人变为小组甚为大到群体,许多原本不属于设计领域的技术人员参与到重大课题的设计中来。
4、产品更新换代的速度加快,产品设计由自由发展变化为有计划有组织分阶段的展开。
5、计算机技术的应用和发展对工程设计提出了新的更高的要求。
三、传统机械设计方法
传统的机械设计过程:
1、市场(用户)对产品的需求调查；
2、工程设计问题的归纳定义;
3、工程设计问题的综合；
4、设计问题的分析和方案的优化;
5、已有设计方案的反复评价修改;
6、是绘制工程图样和撰写设计文件。
上述设计过程分别涉及以下各方面的工作和相关的技术人员:市场预测、科学思维方法学、相似理论和模型试验、价值工程、可靠性设计、测试与分析技术、类比设计和设计信息管理。传统的设计技术受低劣的设备条件和落后的技术方法所限,只能在保守的观念下,依据粗略的验算甚至估计,通过大量的简化和静止化假设完成机械工程设计,它必然使设计存在随意性，灵感和经验的成分占有很大的比例，思维带有很大的被动性。對个人的经验和习惯的依赖性极大,极难实现合理、准确和高效的设计。
传统的机械设计过程, 往往是根据任务和目标先做出第一方案,甚至造出样机,然后通过评定与考核进行修改形成第二方案;如此反复直到满意为止。这一设计过程历时长,耗费大。所谓满意,往往带有很大的主观性。
四、现代机械设计方法
进入21世纪以来“, 现代设计方法”已经发展成为一门新的学科或一个新的技术领域,相当时髦,应用广泛。
“现代设计方法是对应于传统设计方法”而提出与发展的,为一种大概念,有大的范畴,其下位可有现代机械设计方法、现代模具设计方法等。
《中国机械设计大典》第1 卷第1 篇总论的前言中指出,什么是“现代设计方法”，很难有一个明确的界限来划分“现代设计方法”和“传统设计方法”之间的区别。“这是因为传统的设计方法会不断发展,注入新的内容和活力;而新近涌现出来的设计方法,可能因为迅速和大面积的普及而被认为是很一般的设计方法”。
目前,最具权威的《中国机械设计大典》第1 卷“现代机械设计方法”选列了设计方法中的十个题目,然而它们是创新设计、生命周期设计、有限元设计、虚拟设计、优化设计、稳健设计、并行设计、智能设计、机电一体化设计和计算机辅助设计。该书中指出,以上这些选题分为两大类:一类是过去的设计手册中曾经出现的选题,另一类则是在以前的手册中未曾出现过的选题。
现代机械设计方法的分类基于上述认识，按照分类学的基本原理,应该选择一个划分标准来进行分类。从应用成熟度的角度,对现代设计方法进行分类,可以将它们分成相对应的两类:
①比较成熟,应用正普及类:有限元设计(有限元分析)、优化设计(最优化方法)、机电一体化设计(或光机电一体化设计)、计算机辅助设计(CAD)......
②比较新颖,内容正发展类:有创新设计、生命周期设计、虚拟设计、稳健设计、并行设计、智能设计……参见图1。
图1 现代设计方法一级分类
其次,从工程领域角度,现代设计方法可以分为:现代机械设计方法、现代模具设计方法、现代材料设计方法……[5]
计涵盖范围的角度可将现代设计方法划分为:广义设计类:设计内容针对其对象实体化的全过程。狭义设计类:设计内容仅为完成图样(包括计算机绘图)。
中义设计类:设计内容介于两者之间。比如,当今数字化时代着重于数学计算的现代工程分析设计方法,比较时兴的有:有限元分析、最优化方法、数值仿真、动态设计。其原理与特点参考图2。
图2 着重数字设计的设计方法
现代设计技术具有以下特点:
一是智能化。大型复杂机械的设计必须完成“分析—分解—综合”的过程。其中包含了大量创造性思维过程和智能活动。
二是经济性，市场的竞争、用户的选择使对产品的经济性要求越来越高。
三是并行性。必须超前考虑后续过程,实现DFM、DFA,以压缩废品、库存的消耗,确保上述经济性。
四是集成化。即树立人—机一体化、机—电一体化、硬件—软件一体化观念,综合多方面测试分析数据指导、评价设计,融多种现代科技成果和技术,特别是CAD技术于机械产品之中。
五是精确性。这是机械工程产品复杂度、综合性提高的必然结果,现代先进的计算技术、计算理论和计算分析工具的使用也使之得以迅速提高。
六是动态性。不仅分析设计对象要从动态的观点出发,设计组织的合作协调也具有动态性,后者要求设计数据集成、设计系统无缝连接。
现代机械设计的规律:
在进行新的设计或改进老的设计过程中,设计者应遵循一种理性化的规律,一步步地进行设计,这样才有利于对设计工作进行科学的管理。现代机械设计规律分四个步骤:①确定设计的逻辑关系;②确定设计的物理关系;③确定设计的结构关系;④确定总体设计。四个步骤中各含七个过程:①将机械基础特性化;②确定计算数据;③应用收集数据;④确定处理数据的原则;⑤确定应用的数学方法;⑥优化准则;⑦将计算结果具体化。
优化设计
选定设计目标(单个或多个),找出目标与设计变量的函数关系式,列出各项设计要求所对应的约束条件,对这个数学模型求它的最优解。如一个圆柱形容器,求容积一定的条件下,用料最省。其数学模型如下:
极小化满足于: 其中, 分别表示容器的半径和高度,为容积常数。计算后得出时,用料一定最省,但在设计中能满足的设计方案有无数个。
五、结束语
总之,只有掌握好现代科学知识,运用好现代的科学技术和工具,保持创新意识, 才能为工业企业的发展和竞争创造一个较宽松的技术环境。既然现代机械设计与传统的机械设计相比,已经发生了很大的变化,当然也就必须改革以往的传统教学模式, 才能培养出真正的高素质人才,以适应现代机械设计的需要。
参考文献
［1］邱宣怀等编著.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，2007
［2］华同曙.浅谈现代机械设计的特点及其教育模式［J］.江苏石油化工学院学报，2002,3(3):53
［3］中国机械工程学会中国机械设计大典编委会.中国机械设计大典:第1 卷:现代机械设计方法［M］.南昌:江西科学技术出版社, 2002
［4］卢险峰.现代设计方法的定义及一级分类［J］. 南昌大学学报·工科版，2009， 31（1）
［5］卢险峰编.最优化方法应用基础［M］.上海:同济大学出版社,2003
［6］商昌桥.现代机械设计的特点及设计手段的未来发展之我见［J］.哈尔滨职业技术学院学报，2007, 5,115
［关键词］机械设计现代设计方法优化设计
中图分类号：TD404 文献标识码：A 文章编号：
一、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。
二、机械设计面临的形势
1、设计对象由单机趋向系统,如机械行业中的普通机床发展成为机械加工中心。
2、设计所涉及的领域由单一领域向多领域发展,如系工程、人机工程、价值工程等许多学科正不断地应用到设计领域中来。
3、承担设计的技术人员由单人变为小组甚为大到群体,许多原本不属于设计领域的技术人员参与到重大课题的设计中来。
4、产品更新换代的速度加快,产品设计由自由发展变化为有计划有组织分阶段的展开。
5、计算机技术的应用和发展对工程设计提出了新的更高的要求。
三、传统机械设计方法
传统的机械设计过程:
1、市场(用户)对产品的需求调查；
2、工程设计问题的归纳定义;
3、工程设计问题的综合；
4、设计问题的分析和方案的优化;
5、已有设计方案的反复评价修改;
6、是绘制工程图样和撰写设计文件。
上述设计过程分别涉及以下各方面的工作和相关的技术人员:市场预测、科学思维方法学、相似理论和模型试验、价值工程、可靠性设计、测试与分析技术、类比设计和设计信息管理。传统的设计技术受低劣的设备条件和落后的技术方法所限,只能在保守的观念下,依据粗略的验算甚至估计,通过大量的简化和静止化假设完成机械工程设计,它必然使设计存在随意性，灵感和经验的成分占有很大的比例，思维带有很大的被动性。對个人的经验和习惯的依赖性极大,极难实现合理、准确和高效的设计。
传统的机械设计过程, 往往是根据任务和目标先做出第一方案,甚至造出样机,然后通过评定与考核进行修改形成第二方案;如此反复直到满意为止。这一设计过程历时长,耗费大。所谓满意,往往带有很大的主观性。
四、现代机械设计方法
进入21世纪以来“, 现代设计方法”已经发展成为一门新的学科或一个新的技术领域,相当时髦,应用广泛。
“现代设计方法是对应于传统设计方法”而提出与发展的,为一种大概念,有大的范畴,其下位可有现代机械设计方法、现代模具设计方法等。
《中国机械设计大典》第1 卷第1 篇总论的前言中指出,什么是“现代设计方法”，很难有一个明确的界限来划分“现代设计方法”和“传统设计方法”之间的区别。“这是因为传统的设计方法会不断发展,注入新的内容和活力;而新近涌现出来的设计方法,可能因为迅速和大面积的普及而被认为是很一般的设计方法”。
目前,最具权威的《中国机械设计大典》第1 卷“现代机械设计方法”选列了设计方法中的十个题目,然而它们是创新设计、生命周期设计、有限元设计、虚拟设计、优化设计、稳健设计、并行设计、智能设计、机电一体化设计和计算机辅助设计。该书中指出,以上这些选题分为两大类:一类是过去的设计手册中曾经出现的选题,另一类则是在以前的手册中未曾出现过的选题。
现代机械设计方法的分类基于上述认识，按照分类学的基本原理,应该选择一个划分标准来进行分类。从应用成熟度的角度,对现代设计方法进行分类,可以将它们分成相对应的两类:
①比较成熟,应用正普及类:有限元设计(有限元分析)、优化设计(最优化方法)、机电一体化设计(或光机电一体化设计)、计算机辅助设计(CAD)......
②比较新颖,内容正发展类:有创新设计、生命周期设计、虚拟设计、稳健设计、并行设计、智能设计……参见图1。
图1 现代设计方法一级分类
其次,从工程领域角度,现代设计方法可以分为:现代机械设计方法、现代模具设计方法、现代材料设计方法……[5]
计涵盖范围的角度可将现代设计方法划分为:广义设计类:设计内容针对其对象实体化的全过程。狭义设计类:设计内容仅为完成图样(包括计算机绘图)。
中义设计类:设计内容介于两者之间。比如,当今数字化时代着重于数学计算的现代工程分析设计方法,比较时兴的有:有限元分析、最优化方法、数值仿真、动态设计。其原理与特点参考图2。
图2 着重数字设计的设计方法
现代设计技术具有以下特点:
一是智能化。大型复杂机械的设计必须完成“分析—分解—综合”的过程。其中包含了大量创造性思维过程和智能活动。
二是经济性，市场的竞争、用户的选择使对产品的经济性要求越来越高。
三是并行性。必须超前考虑后续过程,实现DFM、DFA,以压缩废品、库存的消耗,确保上述经济性。
四是集成化。即树立人—机一体化、机—电一体化、硬件—软件一体化观念,综合多方面测试分析数据指导、评价设计,融多种现代科技成果和技术,特别是CAD技术于机械产品之中。
五是精确性。这是机械工程产品复杂度、综合性提高的必然结果,现代先进的计算技术、计算理论和计算分析工具的使用也使之得以迅速提高。
六是动态性。不仅分析设计对象要从动态的观点出发,设计组织的合作协调也具有动态性,后者要求设计数据集成、设计系统无缝连接。
现代机械设计的规律:
在进行新的设计或改进老的设计过程中,设计者应遵循一种理性化的规律,一步步地进行设计,这样才有利于对设计工作进行科学的管理。现代机械设计规律分四个步骤:①确定设计的逻辑关系;②确定设计的物理关系;③确定设计的结构关系;④确定总体设计。四个步骤中各含七个过程:①将机械基础特性化;②确定计算数据;③应用收集数据;④确定处理数据的原则;⑤确定应用的数学方法;⑥优化准则;⑦将计算结果具体化。
优化设计
选定设计目标(单个或多个),找出目标与设计变量的函数关系式,列出各项设计要求所对应的约束条件,对这个数学模型求它的最优解。如一个圆柱形容器,求容积一定的条件下,用料最省。其数学模型如下:
极小化满足于: 其中, 分别表示容器的半径和高度,为容积常数。计算后得出时,用料一定最省,但在设计中能满足的设计方案有无数个。
五、结束语
总之,只有掌握好现代科学知识,运用好现代的科学技术和工具,保持创新意识, 才能为工业企业的发展和竞争创造一个较宽松的技术环境。既然现代机械设计与传统的机械设计相比,已经发生了很大的变化,当然也就必须改革以往的传统教学模式, 才能培养出真正的高素质人才,以适应现代机械设计的需要。
参考文献
［1］邱宣怀等编著.机械设计［M］.北京：高等教育出版社，2007
［2］华同曙.浅谈现代机械设计的特点及其教育模式［J］.江苏石油化工学院学报，2002,3(3):53
［3］中国机械工程学会中国机械设计大典编委会.中国机械设计大典:第1 卷:现代机械设计方法［M］.南昌:江西科学技术出版社, 2002
［4］卢险峰.现代设计方法的定义及一级分类［J］. 南昌大学学报·工科版，2009， 31（1）
［5］卢险峰编.最优化方法应用基础［M］.上海:同济大学出版社,2003
［6］商昌桥.现代机械设计的特点及设计手段的未来发展之我见［J］.哈尔滨职业技术学院学报，2007, 5,115