蔡郭生，王篤雄

（揚州大學(xué) 機械學(xué)院，江蘇 揚州 225009）

基于現(xiàn)代機械設(shè)計理論方法特點與研究進展的探討

蔡郭生，王篤雄

（揚州大學(xué) 機械學(xué)院，江蘇 揚州 225009）

闡述了機械設(shè)計學(xué)科的發(fā)展歷史，現(xiàn)代機械設(shè)計理論方法的特點、范疇和內(nèi)涵.分析了我國機械設(shè)計領(lǐng)域與發(fā)達工業(yè)國家存在的差距及現(xiàn)代機械設(shè)計理論方法的發(fā)展方向，提出了只有下功夫彌補現(xiàn)代機械設(shè)計理論的不足，才能使我國的機械設(shè)計水平整體提升的觀點.

機械設(shè)計理論；設(shè)計方法；發(fā)展趨勢

2l世紀(jì)機械制造業(yè)競爭的是國際化的、動態(tài)化的和多元化的，它面臨著新的機遇，同時又存在著極大的危機.隨著社會的不斷發(fā)展，市場對機械產(chǎn)品的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)、功能、性價比以及外形的多樣化和個性化提出了更高的要求，同時由于環(huán)境資源的制約，要求市場上有更多資源節(jié)約型、可持續(xù)發(fā)展的機械產(chǎn)品不斷涌現(xiàn).因此，制造業(yè)的競爭焦點，實際上就是設(shè)計的競爭，目前進行現(xiàn)代機械設(shè)計理論方法的研究比以往任何時期都更加顯得十分重要.

1 機械現(xiàn)代設(shè)計理論及方法的發(fā)展進程

機械設(shè)計理論方法的發(fā)展經(jīng)歷了二個歷史階段.一是17世紀(jì)前的“直覺設(shè)計階段”和17世紀(jì)后的“經(jīng)驗設(shè)計階段”、“傳統(tǒng)設(shè)計階段”，通常人們把它們統(tǒng)稱為“傳統(tǒng)設(shè)計階段”.傳統(tǒng)的機械設(shè)計是以經(jīng)驗為基礎(chǔ)，運用設(shè)計手冊、數(shù)學(xué)和力學(xué)公式進行設(shè)計，這種設(shè)計方法的特點是：設(shè)計水平低、成功率低、花費大、信息反饋周期長，它已遠遠不能滿足產(chǎn)品的功能需求和市場需求，必將逐漸淡出歷史的舞臺.二是目前的現(xiàn)代設(shè)計階段.

隨著社會的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，人類對機械產(chǎn)品提出了越來越高的要求，這就使得機械設(shè)計的理論和方法不斷向前推進.同時科學(xué)技術(shù)的不斷進步，也為現(xiàn)代機械設(shè)計的理論和方法提供了手段.而設(shè)計理論和方法的進步往往會帶動產(chǎn)品的革新，從而形成良性循環(huán).

目前國內(nèi)外設(shè)計科學(xué)形成了不同的流派，主要有以下幾個主要流派：一是英、美、日的創(chuàng)造性設(shè)計學(xué)派.他們認(rèn)為設(shè)計包含創(chuàng)造、分析和決策三要素.強調(diào)創(chuàng)新性方法研究，系統(tǒng)工程、價值分析、安全技術(shù)、人機工程，市場分析及CAD技術(shù)等.二是德國、北歐機械設(shè)計方法學(xué)學(xué)派.他們強調(diào)系統(tǒng)總體設(shè)計，層次細(xì)、規(guī)范詳細(xì).三是俄羅斯、東歐的新設(shè)計法學(xué)派.他們強調(diào)基礎(chǔ)，提倡發(fā)散、變性、收驗三步設(shè)計程式.四是中國的設(shè)計學(xué).他們強調(diào)綜合、系統(tǒng)和適用性相統(tǒng)一.

現(xiàn)代機械設(shè)計方法是基于現(xiàn)代機械設(shè)計理論形成，而現(xiàn)代機械設(shè)計理論是對現(xiàn)代機械產(chǎn)品原理的科學(xué)總結(jié)，是判斷產(chǎn)品能否滿足設(shè)計要求的依據(jù).隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械設(shè)計理論和方法也在不斷前進，因此現(xiàn)代設(shè)計理論和方法有種類較多，目前主要有下列四種：(1)現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué).包括并行設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計、功能設(shè)計、模塊化設(shè)計、模糊設(shè)計、價值工程、反求工程技術(shù)、質(zhì)量功能配置、綠色設(shè)計、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計、工業(yè)造型設(shè)計.(2)計算機輔助設(shè)計.包括優(yōu)化設(shè)計、有限元法、智能計算機輔助設(shè)計、工程數(shù)據(jù)庫、虛擬設(shè)計和模擬仿真.(3)可信性設(shè)計.包括安全設(shè)計、可靠性設(shè)計、動態(tài)分析與設(shè)計疲勞可靠性設(shè)計、防斷裂設(shè)計、減摩耐磨設(shè)計、防腐蝕設(shè)計、健壯設(shè)計、耐環(huán)境設(shè)計、維修性設(shè)計、測試性設(shè)計、人機工程設(shè)計.(4)設(shè)計試驗技術(shù).包括環(huán)保性能試驗、仿真與虛擬試驗、可靠性試驗[1].

2 現(xiàn)代機械設(shè)計方法理論的范疇和特點

現(xiàn)代機械設(shè)計理論和方法是對傳統(tǒng)設(shè)計方法的繼承、創(chuàng)新和發(fā)展，它是將機械技術(shù)、信息技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)和管理科學(xué)等有機地加以綜合，形成的一門多學(xué)科、多專業(yè)相互交融的系統(tǒng)設(shè)計科學(xué).如果從系統(tǒng)的觀點分析，現(xiàn)代機械設(shè)計理論和方法又是一個由時間維、邏輯維、方法維組成的三維系統(tǒng).時間維反映了產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和加工設(shè)計流程的時間順序；邏輯維是指解決問題的邏輯步驟，現(xiàn)代機械設(shè)計采取先分析、再綜合、然后評價、最后決策的步驟；方法維是指機械設(shè)計設(shè)計過程中的各種思維方法和工作方法.現(xiàn)代機械設(shè)計采用各種先進的設(shè)計理論方法，使機械設(shè)計進入優(yōu)質(zhì)、高效和創(chuàng)新的新時代[2].

現(xiàn)代機械設(shè)計具有的范疇如下：(1)信息論方法.如信息分析法，技術(shù)預(yù)測等.(2)系統(tǒng)論法.如系統(tǒng)分析法，人機工程等.(3)控制論法.如動態(tài)分析法等.(4)優(yōu)化論法.它是現(xiàn)代設(shè)計法的目標(biāo).(5)對應(yīng)論方法.如相似設(shè)計、反求工程設(shè)計等.(6)智能論方法.如CAD，計算機輔助分析等，它是現(xiàn)代設(shè)計方法的核心.(7)壽命論方法，如可靠性和價值工程等.(8)離散論方法.如有限元和邊界元方法.(9)模糊論方法.如模糊評價和決策等.(10)突變論方法.如創(chuàng)造性設(shè)計等，它是現(xiàn)代設(shè)計方法的基礎(chǔ).(11)藝術(shù)論方法.如藝術(shù)造型等[1].

傳統(tǒng)機械設(shè)計方法設(shè)計者是根據(jù)機械設(shè)計的任務(wù)和目標(biāo)，以生產(chǎn)經(jīng)驗數(shù)據(jù)作為設(shè)計依據(jù)，運用一些基本的設(shè)計計算理論，采用模擬、類比、試湊等方法進行設(shè)計.由于試驗和測試條件差、技術(shù)水平低，整機的性能分析也難以深入，因此新產(chǎn)品的研發(fā)往往需要經(jīng)多次試驗和修改，從而造成產(chǎn)品設(shè)計時間長、耗費大、所謂滿意往往帶有很大的主觀性等問題.而現(xiàn)代機械設(shè)計理論與方法是在多學(xué)科（思維科學(xué)、信息科學(xué)、系統(tǒng)工程、計算機技術(shù)等學(xué)科）支持下，研究機械設(shè)計規(guī)律、設(shè)計技術(shù)和工具、設(shè)計實施方法的工程技術(shù)科學(xué)，它具有下列特點：

2.1 創(chuàng)新性.創(chuàng)新是一個國家和民族的靈魂，是生存、發(fā)展壯大的前提.現(xiàn)代機械設(shè)計依托的是先進設(shè)計理論和設(shè)計工具，它能使設(shè)計者的創(chuàng)造性思維能力得到充分發(fā)揮，使設(shè)計者靈活運用各種創(chuàng)造性的手法，開發(fā)出高質(zhì)量、低成本、服務(wù)優(yōu)且符合環(huán)保概念的產(chǎn)創(chuàng)新品.

2.2 系統(tǒng)性.現(xiàn)代機械設(shè)計注重用系統(tǒng)的觀點來看待設(shè)計問題它既考慮產(chǎn)品本身，還考慮對系統(tǒng)和環(huán)境的影響，即注重人－機－環(huán)境的大系統(tǒng)關(guān)系.

2.3 動態(tài)性.傳統(tǒng)機械設(shè)計只考慮產(chǎn)品的的靜態(tài)特性，而現(xiàn)代機械設(shè)計需要同時考慮產(chǎn)品的靜態(tài)和動態(tài)特性.

2.4 前瞻性.在產(chǎn)品設(shè)計初期，現(xiàn)代機械設(shè)計不僅考慮產(chǎn)品生命周期的全過程和各個階段的性能要求，同時還考慮系統(tǒng)和環(huán)境的影響.這種具有前瞻性的設(shè)計可以讓人們及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的潛在缺陷，將可能發(fā)生的機械故障減小到最低程度，它能保證自然生態(tài)資源的平衡，實現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展.例如，電動汽車的出現(xiàn)就是一個反映現(xiàn)代機械設(shè)計具有前瞻性的例證，在電動汽車設(shè)計過程中，設(shè)計人員既考慮了有關(guān)電動汽車的技術(shù)問題，又考慮了駕駛操作方便、乘客安全舒適以及動力燃料供應(yīng)、城市布局、道路發(fā)展規(guī)劃等社會問題.

2.5 多學(xué)科理論和技術(shù)的交融性.現(xiàn)代設(shè)計理論方法是一門新興的綜合性交叉學(xué)科，它交叉與融合了現(xiàn)代設(shè)計方法學(xué)、可靠性設(shè)計技術(shù)、有限元方法、計算機輔助設(shè)計技術(shù)、工業(yè)造型設(shè)計等多種學(xué)科.例如，可靠性設(shè)計涉及產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、使用、管理、貯存、運輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)，它是將概率與統(tǒng)計理論、失效物理和機械學(xué)等多種學(xué)科有機相結(jié)合起來的一門綜合性很強的科學(xué).由于現(xiàn)代機械設(shè)計理論方法具有多學(xué)科理論和技術(shù)的交融性，因此現(xiàn)代機械設(shè)計減小了傳統(tǒng)設(shè)計中經(jīng)驗設(shè)計的盲目性和隨意性，提高了設(shè)計的主動性、科學(xué)性和準(zhǔn)確性.

2.6 并行化、自動化、計算機化.傳統(tǒng)設(shè)計方式是由許多部門用串行工作方法參與設(shè)計，由于信息是串行的，采用人工檢索資料、手工計算和繪圖，因此易造成大量返工，且質(zhì)量難保證，設(shè)計過程漫長.現(xiàn)代設(shè)計方法是新理論與計算機應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物,采用計算機化后可進行并行設(shè)計，可把人們的經(jīng)驗、智慧和創(chuàng)造力與計算機高速運算的功能有機地結(jié)合起來.隨著計算機軟硬件的發(fā)展以及工程數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，機械設(shè)計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性大大提高，提高了工程技術(shù)人員的設(shè)計效率，設(shè)計手段也更加精確，設(shè)計方法更加現(xiàn)代化.

3 我國現(xiàn)代機械設(shè)計理論和方法的現(xiàn)狀及發(fā)展方向

據(jù)2010年統(tǒng)計，我國制造業(yè)的工業(yè)增加值已居世界第二位，這說明中國已經(jīng)成為世界制造大國，但遠不是世界制造強國.這是因為我國的機械產(chǎn)品不僅缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)，缺乏自主創(chuàng)新產(chǎn)品，而且在產(chǎn)品的性能和質(zhì)量上與發(fā)達國家的差距較大[3].據(jù)韓國產(chǎn)業(yè)銀行最近發(fā)表的《韓、中主要產(chǎn)業(yè)技術(shù)競爭力分析》報告稱，我國的技術(shù)競爭力落后韓國3～8年，中韓在汽車和一般機械的差距在四年以上.改革開放后，我國的機械設(shè)計水平雖然有較大的進步，但與發(fā)達的美德日等工業(yè)化強國相比，仍然相當(dāng)于他們六七十年代的水平.我國機械制造業(yè)的落后說明了我國在機械產(chǎn)品設(shè)計理論、方法和技術(shù)領(lǐng)域的落后，這也說明了加快發(fā)展我國機械產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計理論方法研究的重要性和緊迫性.

二十世紀(jì)八九十年代，我國機械行業(yè)為了打造“數(shù)字化”和“信息化”工廠，許多企業(yè)花巨資購買了世界高端的CAD／CAM／CAE 軟件，如 AUTOCAD、PR0/E、UG、ANSYS和ADAMS等，并培訓(xùn)了一大批機械設(shè)計人員.但很多企業(yè)在CAD應(yīng)用的深度和廣度仍有很大局限性，他們僅僅是利用CAD進行工程繪圖，只實現(xiàn)了機械設(shè)計的“甩圖板”目的，而三維CAD/CAM/CAE、仿真設(shè)計等應(yīng)用卻很少.采用先進的CAD軟件進行工程繪圖或做產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算，確實能減輕設(shè)計人員的工作強度，提高機械設(shè)計效率，但機械設(shè)計不等于計算，也不等于機械制圖加計算，它并不能從根本上解決中國目前機械設(shè)計水平低下的問題.在機械產(chǎn)品生命全周期中，由于設(shè)計成本只占制造總成本的3%左右，而設(shè)計階段決定了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能、質(zhì)量、成本、可制造性、可維修性等主要性能指標(biāo)，所以設(shè)計階段決定了產(chǎn)品整個成本的70%左右，制造階段及后續(xù)其他相關(guān)階段只決定約30%的總成本[4].因此大力開展現(xiàn)代設(shè)計理論方法的研究，并把現(xiàn)代設(shè)計理論方法在我國制造業(yè)中推廣使用，對于提高我國機械制造業(yè)在世界市場上的競爭能力，具有重要的意義.

目前現(xiàn)代機械設(shè)計理論方法的發(fā)展趨勢是：在性能上向高精度、高效率、智能化的方向發(fā)展；在功能上向小型、輕型、多功能化方向發(fā)展；在層次上向集成化方向發(fā)展.具體來講是：設(shè)計對象由單機走向系統(tǒng)；設(shè)計要求由單目標(biāo)走向多目標(biāo)，產(chǎn)品設(shè)計周期縮短；設(shè)計所涉及的領(lǐng)域由單一領(lǐng)域走向多個領(lǐng)域；產(chǎn)品設(shè)計由自由發(fā)展走向有計劃的發(fā)展；設(shè)計工作的人員從單人走向小組；設(shè)計的發(fā)展要適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展；綠色設(shè)計思想.

4 結(jié)論

（1）現(xiàn)代機械設(shè)計理論是對傳統(tǒng)機械設(shè)計理論的發(fā)展，是現(xiàn)代機械設(shè)計的基礎(chǔ)與核心.現(xiàn)代設(shè)計方法是基于現(xiàn)代機械設(shè)計理論形成的，現(xiàn)代機械設(shè)計方法僅僅是現(xiàn)代機械設(shè)計的手段和目的.

（2）機械產(chǎn)品的競爭實質(zhì)上就是設(shè)計的競爭.深入地研究現(xiàn)代機械設(shè)計理論方法對機械設(shè)計水平的影響，對提高我國機械產(chǎn)品的創(chuàng)新能力和競爭力，為推動我國從制造大國走向制造強國是非常有益的.

〔1〕孫靖民.現(xiàn)代機械設(shè)計方法[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003.8.

〔2〕王隆太.先進制造技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.18～19.

〔3〕溫詩鑄，黎明.機械學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

〔4〕Simon S;Ram D S;Christophe B Design repositories:next-generation engineering design databases 2004.

TH122

A

1673-260X（2012）03-0094-02