陳 彤

(浙江省工業(yè)設計研究院，浙江杭州 310051)

0 引言

在科技高度發(fā)展的今天，人們的想法、需求層出不窮，對設計方法和實現(xiàn)工藝的要求也在不斷提高。機械設計人員除了對機械設計原理具有扎實基礎外，在思維方式上要開闊，在設計理念上要創(chuàng)新，在結(jié)構(gòu)設計上與產(chǎn)品功能相輔相成，在實現(xiàn)手段上與計算機輔助設計高度融合，不斷設計出讓人們滿意的產(chǎn)品。機械設計作為一門傳統(tǒng)學科，在第三次工業(yè)革命，有些行業(yè)已經(jīng)進入第四次工業(yè)革命之際，如何不斷與先進的科學技術相結(jié)合，短時、高效、完美、保質(zhì)的完成機械設計工作，是值得研究的課題。本文對現(xiàn)代機械設計的理論進行了探討，分析了機械設計的方法與過程，對現(xiàn)代機械設計的創(chuàng)新方法進行了研究。

1 現(xiàn)代機械設計理論

相比傳統(tǒng)機械設計的經(jīng)驗的、靜態(tài)的、手工的、被動的設計產(chǎn)品，現(xiàn)代機械設計更多的注重于主動的、動態(tài)的、計算機化的、科學的、設計產(chǎn)品?，F(xiàn)代機械設計理論是在機械設計理論科學的基礎上形成的，涵蓋了更多的智能、信息、控制、離散、優(yōu)化、藝術等范疇的內(nèi)容，尤其是對于復雜的產(chǎn)品［1］，現(xiàn)代機械設計更能凸顯它的優(yōu)勢。比如控制論方法中的探索動態(tài)分析法，比如離散論方法中的有限元方法和邊界方法，比如藝術論方法中的研究藝術造型和審美，等等，通過這些現(xiàn)代的方法，能給設計出使人更加滿意的產(chǎn)品?，F(xiàn)代機械設計既源于傳統(tǒng)機械設計，又高于機械設計，完成一個完美的機械產(chǎn)品設計，既需要傳統(tǒng)機械設計的經(jīng)驗，也需要現(xiàn)代機械設計先進科學的設計方法。

2 機械設計方法原則與過程

機械設計一般可以劃分為四個步驟，如圖1所示，包括項目設計前期、方案設計、技術設計、施工設計［2］。

圖1 機械設計步驟

項目設計前期工作包括要進行實地調(diào)研，進行可行性研究，制定可行性計劃［3］;方案設計包括對功能的總體分析、功能分解組合、系統(tǒng)原理解、實驗、確定最佳方案;技術設計包含總體設計、結(jié)構(gòu)設計、實驗、選型設計等;施工設計包括畫零件圖、畫裝配圖、編寫技術文件、試制、生產(chǎn)等。

機械設計的每一個環(huán)節(jié)都可以充分發(fā)揮人們的能力，利用科學技術進行創(chuàng)新設計。

3 機械設計方法創(chuàng)新

機械創(chuàng)新設計首先要發(fā)揮人的主觀能動性、人的想象力、人的創(chuàng)造力，在機械設計過程中，通過運用現(xiàn)代的機械設計方法和輔助工具進行機械產(chǎn)品的設計，其設計模式應該使用現(xiàn)代的科學思維方式來思考分析，其設計過程應該利用現(xiàn)代科學的方法和工具來實現(xiàn)，其設計應該具有創(chuàng)造性和新穎性，尤其在新產(chǎn)品的設計和開發(fā)中，創(chuàng)新應更加凸顯。創(chuàng)新設計應該是機械設計領域的專業(yè)知識、設計經(jīng)驗，在設計過程中對產(chǎn)品具有價值的、創(chuàng)造性的設計思想，要由人的主觀能動性、創(chuàng)造性思維，實時有機的融入到設計中去，實現(xiàn)重構(gòu)、聯(lián)想、疊加、歸納綜合、抽象推理，從而形成新的設計思維模式。

現(xiàn)代機械設計的創(chuàng)新涵蓋兩個方面:一個是通過創(chuàng)新使生產(chǎn)生活中現(xiàn)有的產(chǎn)品具有更佳的技術性、更高的可靠性、更廣的適用性和更多的經(jīng)濟性，從多個方面，從人們使用的角度出發(fā)創(chuàng)新設計更符合人類使用的產(chǎn)品。另外一個是通過創(chuàng)新設計出新的機械產(chǎn)品，以滿足人們的生產(chǎn)生活需要［4］。這兩個方面的創(chuàng)新都離不開創(chuàng)新的思維模式，科學的設計技術，現(xiàn)代的設計工具。

3．1 機械創(chuàng)新設計步驟

機械創(chuàng)新設計步驟有四步:第一步是研究機械產(chǎn)品的工作原理本質(zhì);第二步是對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行分析，對其類型進行綜合;第三步是對機械產(chǎn)品的運動機理、尺度及參數(shù)進行優(yōu)選;第四步是綜合分析和調(diào)優(yōu)。機械創(chuàng)新設計步驟的具體內(nèi)容如圖2，機械創(chuàng)新設計具體過程。

圖2 機械創(chuàng)新設計具體過程

3．2 機械創(chuàng)新設計分類

機械創(chuàng)新設計技術，除了基礎的機械設計科學基礎，還包括機械系統(tǒng)設計(Mechanical System Design)、計算機輔助設計(Computer Aided Design)、可靠性設計(Reliability Design)、有限元設計(Finite element design)、反求設計(Reverse Design)、優(yōu)化設計(Optimal design)、變形設計(Variant Design)、并行設計(Concurrent Design)等［5］。

3．2．1 計算機設計

(1)計算機輔助設計 現(xiàn)代機械設計與計算機密不可分，計算機技術可以使機械設計、工程設計變得高效、規(guī)范、準確。計算機輔助設計(Computer Aided Design，簡稱CAD)，是現(xiàn)代機械設計的主要計算機工具，利用其建模技術、圖形處理技術、工程分析方法等功能實現(xiàn)機械的系統(tǒng)設計。利用CAD，要把機械設計的物理問題模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學模型，采用數(shù)學知識借助計算機求解數(shù)學模型，從而得到設計方案。

(2)有限元分析方法 有限元分析(FEA，F(xiàn)inite Element Analysis)，是一種利用數(shù)學近似的方法對現(xiàn)實世界中真實的物理系統(tǒng)進行模擬的一種機械設計工具。FEA利用有限數(shù)量的相互作用的元素，即已知量來探求無限的未知量的一種系統(tǒng)。由于是簡單問題代替復雜的實際問題，因此，求解的未知量只能是無限逼近的近似值?，F(xiàn)實世界中的問題多為復雜的難以求取準確結(jié)果的實際問題，而有限元計算精度高，所以可以充分應對復雜的實際問題，因此是受到設計者喜愛的機械工程分析設計工具。

計算機技術的快速發(fā)展，使得有限元分析技術也從單一的結(jié)構(gòu)分析延伸發(fā)展為多領域多學科的適用面廣的數(shù)值分析法、強度分析法和靜力分析。這對于機械設計創(chuàng)新來時，無疑是一種莫大的幫助。

3．2．2 優(yōu)化設計

優(yōu)化設計(optimization design)是在數(shù)學規(guī)劃理論和計算機的基礎上，在相關約束下，尋求最優(yōu)方案以滿足設計目標的一種創(chuàng)新設計方法［6］。優(yōu)化設計運用計算機技術計算數(shù)學函數(shù)以求取最優(yōu)，尋求最優(yōu)的過程中融入了最優(yōu)化方法、優(yōu)化策略，分線性和非線性進行逐步逼近，最終求的最優(yōu)設計。另外，優(yōu)化設計還可以與模糊設計相結(jié)合，形成功能更加強大的模糊優(yōu)化設計。

我國的有些設計領域已經(jīng)開始應用優(yōu)化設計方法進行設計，但在機械設計行業(yè)仍然是一個發(fā)展、探索和創(chuàng)新的方向。

3．2．3 可靠性設計

機械的可靠性設計是機械設計工程師長期追求的目標，可靠性是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一種重要指標?？煽啃栽O計與常規(guī)設計相對應，常規(guī)設計多憑借經(jīng)驗進行設計，可靠性設計是常規(guī)設計的延伸，更科學的分析和設計變量之間的關系［7］。機械可靠性設計是多學科的融合，涉及數(shù)學中的數(shù)理統(tǒng)計、概率論，物理中的失效物理學等。常規(guī)設計中涉及很多變量，比如應力、載荷、強度、壽命、可靠度、維修率等。將常規(guī)設計中的變量作為隨機變量，遵循某種分布規(guī)律，用概率統(tǒng)計方法進行機械產(chǎn)品設計，以滿足可靠性要求。

產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性息息相關，隨著科學技術迅猛發(fā)展，人們對機械產(chǎn)品和設備的可靠性要求也愈加嚴格。因此，研究機械可靠性設計是十分必要的，在可靠性上尋求創(chuàng)新也是機械設計人員的首要任務。

3．2．4 變形設計

變形設計是在原機械產(chǎn)品基礎上進行標準化、系列化的設計，以滿足使用者的多種需求。對產(chǎn)品原理、功能和結(jié)構(gòu)進行研究，進行功能擴展，設計橫向的系列產(chǎn)品。另外，也可進行跨系列產(chǎn)品的設計，是產(chǎn)品具有更好的動力，這也是一種變形設計。歸根結(jié)底是要設計出更加完美、完善的產(chǎn)品。

3．2．5 并行設計

傳統(tǒng)機械設計是串行設計方法，該方法的弊端是環(huán)環(huán)相扣，周期長，成本高。并行設計又叫同步工程、集成工程，顧名思義，并行設計是一種集成化的、系統(tǒng)化的設計方法，同樣也是以工程數(shù)學和計算機為基礎，打破傳統(tǒng)的系統(tǒng)內(nèi)部的機構(gòu)、單元和過程，建立協(xié)同的模式進行設計，實現(xiàn)機械設計制造一體化，充分考慮質(zhì)量、周期和成本的多重因素的一種設計方法。因此，并行設計是一種集成的設計方法。

3．2．6 反求設計

反求設計是在已有產(chǎn)品的基礎上進行分析和研究，從其功能原理和部件的設計關鍵技術中進行改進、創(chuàng)新或是探求新的設計和實現(xiàn)思路［8］。反求設計方法目前是很多發(fā)達國家發(fā)展科學技術、開發(fā)新產(chǎn)品的研究設計方法之一。反求設計要解決的關鍵技術包括以下方面。

(1)探索更實用的測試測量方法，研制更實用的設備，以提高測量精度和準度。

(2)利用三維重構(gòu)方法軟件，提高設計計算精度，減小不必要誤差。

(3)融合工程數(shù)學、人工智能等，形成自己的一套設計還原技術，完成對原有設計的反求。

(4)研究適合反求設計的產(chǎn)品模型技術，將配套產(chǎn)品建立模型，以便于原始參數(shù)的反求還原。

(5)對產(chǎn)品設計精度進行功能分析，設計實現(xiàn)原有還原的軟件工具。

目前，國內(nèi)還有另外一種現(xiàn)代機械設計方法劃分，具體如下。

(1)系統(tǒng)化設計，尋找完成設計的產(chǎn)品的組成要素和各要素之間的關系，將要素結(jié)合，從而完成設計，比如:元素設計法、圖形結(jié)合建模法、矩陣設計法等。

(2)結(jié)構(gòu)模塊化設計方法，即將設計按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行分解細化，分別進行設計，在早期規(guī)劃階段就可以將設計中可能存在的問題和矛盾及時發(fā)現(xiàn)，具有一定的預測能力和節(jié)約成本效果，能高效的協(xié)調(diào)解決設計過程中的問題，因此具有較高的設計效率和可靠性。

(3)基于產(chǎn)品特征的設計方法，利用計算機語言描述產(chǎn)品特征，采用專家經(jīng)驗，建立產(chǎn)品相關的知識庫和推理機制，利用計算機進行輔助設計，實現(xiàn)產(chǎn)品的方案設計。一般有編碼法、目錄法、實例法。

(4)智能化設計方法，以力學理論知識為基礎，借助于ANSYS、有限元等三維設計軟件進行虛擬的智能的設計，然后用多媒體甚至是超媒體進行結(jié)構(gòu)設計。

總之，這些現(xiàn)代機械設計方法都是機械設計者的進行創(chuàng)新設計的好幫手，創(chuàng)新設計是機械人員不懈努力的方向。

4 結(jié)語

本文對現(xiàn)代機械設計的理論進行了探討，對機械設計尤其是工業(yè)設計中的設計方法進行了分析，分析了現(xiàn)代機械設計的方法與過程，對現(xiàn)代機械設計的創(chuàng)新點和創(chuàng)新方法進行了研究。

綜上所述，現(xiàn)代機械設計比傳統(tǒng)機械設計在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)過程等多方面都具有明顯優(yōu)勢，現(xiàn)代機械設計與多學科科學技術的完美結(jié)合，為機械設計實現(xiàn)創(chuàng)新奠定了堅實基礎。創(chuàng)新首先要以人的主觀能動性為基礎，機械設計人員要以創(chuàng)新性思維進行產(chǎn)品需求分析和設計，同時還要對現(xiàn)代機械設計工具使用嫻熟，才能設計出使大家滿意的質(zhì)量更好、性能更優(yōu)、可靠性更好機械產(chǎn)品。

［1］ 李 芬．機械設計技術的發(fā)展趨勢［J］．才智，2011(17):49．

［2］ 田 夢．數(shù)據(jù)庫技術創(chuàng)新推動行業(yè)創(chuàng)新［N］．計算機世界，2009－07－06．

［3］ 盛伯浩，陳宗舜．機械產(chǎn)品設計與 CAD［M］．清華大學出版社，2005．

［4］ 陳 屹，謝 華．現(xiàn)代設計方法及其應用［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2004．

［5］ Saeed Moaveni［US］．Finite Element Analysis Theory and Application－ANSYSsecond edition［M］．Electronic Industry Press，2005．

［6］ 白 柳．淺談機械創(chuàng)新設計中的反求設計［J］．山西冶金，2009(6):59－61．

［7］ 魏玉新．現(xiàn)代機械設計的創(chuàng)新方法研究［J］．裝備制造，2009(5):173－174．

［8］ 楊宗德．創(chuàng)新設計過程中的創(chuàng)新思維方法［J］．機械研究與應用，2001(8):52－54．