现代机械设计理论与方法最新进展

武汉轻工大学动物科学与营养工程学院 柳景亮

1 前言

随着社会经济的快速发展，以计算机技术为代表的现代科学技术水平的发展也进入了飞速发展的新时期。在这种情况下，现代机械设计理论与方法也受到了极大的影响。科学技术的发展拓展了现代机械设计理论与方法的涵盖范围。使更多的技术理论与方法得到了有机地结合，同时，还提升了现代机械设计理论与方法的自动化与精确化程度。进入新的历史时期，现代机械的设计理论与方法要适应国际化机械产品市场竞争的需要，不断地从机械产品的质量、功能以及结构等方面进行改进。因此，机械产品在国际市场中竞争的实质就是机械产品设计水平之间的较量，所以关于现代机械设计理论与方法的研究是具有重要意义的。

2 现代机械设计理论与方法的发展进程

从机械设计理论与方法的总体发展进程来看，可以分为两个阶段，第一个阶段是从十七世纪开始的以机械设计的直观感觉和经验作为设计基础的传统设计阶段，在这个阶段，机械设计过多运用了现有的设计手册与相关公式。传统设计阶段具有明显的特点，运用原有的设计手册和相关公式的设计方法使得整体的机械设计过程显得极其死板，缺乏创新性，并且设计成本也相对较高，机械制造的周期也较长，使得机械设计理论与方法很难满足市场需求，理论与实践没能有机结合，严重制约和影响了机械设计理论与方法，以及机械制造业的进一步发展。第二个阶段是从二十世纪中后期到现在，这个阶段被称为现代设计阶段。在现代设计阶段，人们更多地发现按照原有的设计理念已经无法与现代社会经济的发展水平保持同步，必须打破传统的设计观念，推陈出新，才能够逐渐满足机械制造业的发展需求。因此，在机械设计理论与方法的研究方面进行了大胆创新与改革。

3 现代机械设计理论与方法的种类与特点

3.1 现代机械设计理论与方法的种类

我国在现代机械设计理论与方法的研究方面自成一派，我国在机械设计学领域，更多地强调了实用性的要求，理论与实践要相互结合，从实践中不断地总结理论中存在的不足，并加以弥补，使得我国在机械设计理论方面的研究更加的系统化。

现代机械设计理论与方法的系统化过程，使其逐渐形成了不同的类型。第一，是以智能化著称的设计理论与方法。这个类型的机械设计更多地运用了现代计算机软件技术，使设计理论与方法在三维图形以及媒体工具上得以进行展现，突出了设计学理论在机械设计过程中的重要作用。第二，是以系统化著称的设计理论与方法。这个类型的机械设计将机械整体分解成为了不同的设计阶段，通过对不同阶段或部分的设计研究，从而使各个部分能够实现最终的有机结合。这个类型的机械设计坚持的是矛盾统一的原则，既强调各个部分的独立性，又重视各个部分的内在联系。在这个类型的机械设计理论中，具有代表性的设计方法有图形建模法、元素法以及构思设计法等。第三，是以产品的特征知识作为基础的设计理论与方法。这种类型的设计理论与方法是建立在对机械产品具有较高的认知程度的基础之上的，通过对机械产品整体构成及相关原理知识的了解，建立相应的推理机制和知识体系，为以后的相关机械产品的制造提供借鉴和参考。第四，是以机械产品的功能作为主要设计理念的设计理论与方法，这种类型的设计理论与方法以模块化结构设计为主要设计手段[1]。

现代机械设计理论与方法的各个种类之间有着必然的联系，每个种类并不是孤立的，相互之间保持着一定的渗透性和共享性。

3.2 现代机械设计理论与方法的特点

在机械设计的传统设计阶段，由于设计理论与方法单一，机械设计者只能根据机械设计的要求，以原有的机械设计经验作为理论基础，结合相关的数学公式和力学公式，运用类比、模拟等方式展开机械设计。传统机械设计阶段受当时设计条件的影响较大，不具备深入研究的物质与实践基础，导致传统设计阶段的机械产品整体技术含量较低，新产品的研发过程相对缓慢，使得传统设计阶段的机械产品容易出现同一问题。发展到现代机械设计阶段，机械设计理论与方法获得了与其他学科相互融合的机会，在多学科的共同影响之下，现代机械设计理论与方法得到了进一步的发展，表现出以下的特点。

第一，创新性。对于一个国家而言，创新是其生存和发展的根基，也是一个民族壮大和发展的灵魂。现代机械设计理论与方法是在不断地对原有设计理论与方法的实践和改进过程中发展的，在继承了传统机械设计理论与方法的先进性的同时，对其相对薄弱的方面进行了批判与改造，使得现代机械设计理论与方法能够更好地适应和满足现代机械产品市场的客观需求。现代机械设计理论与方法给予了机械产品设计者充分的发挥空间，设计者可以在既定的设计思维允许的范围内，对机械产品结构和功能进行大胆地创新，在保证产品质量的同时，不断降低产品开发和生产生本[2]。

第二，系统性。在现代机械设计理论与方法的类型中，有一种是将机械产品看做是多个独立结构的产品的组合。这种类型的设计理论与方法被称为系统设计法。现代机械设计理论与方法的系统性就是在系统设计法的运用中体现出来的。由于机械产品的设计与开发要满足日益增长的市场需求，因此，从整体上把握机械产品的结构、功能及质量是极其困难的，将机械产品的设计过程细化是一个必然的发展趋势。机械产品设计的系统化就是为了更好地解决产品各个部分的细节问题，使机械产品设计更具针对性，着重把握设计过程中的关键环节。

第三，前瞻性。现代机械产品设计理论与方法的前瞻性主要体现在机械产品的设计阶段。机械产品最终要用于实际的生产过程当中，因此，在产品设计时，就要考虑到机械产品在实际的运作环境中可能对环境造成的影响，以及机械产品在运行过程中可能出现的故障等。这些因素都直接影响着机械产品在实际的运行过程中的效率，而机械产品设计理论与方法具有的前瞻性就使得机械产品从最初的设计就开始对运行中的问题展开了研究和技术改进，这些能够有力地推动机械产品设计理论与方法的发展。

第四，融合性。从现代机械设计理论与方法的发展进程来看，其发展历史相对较短，属于新兴学科。但现代机械设计理论与方法中所包含的一些内容却并非与其同时代出现，其中也包括了传统机械设计理论与方法的部分内容。而现代机械设计理论与方法在技术层面更多地运用到了现代计算机理论与技术，相关力学理论与技术，以及工业造型设计理论与技术等。这些都说明了现代机械设计理论与方法是一门具有高度融合性的学科理论。

4 现代机械设计理论与方法的不足之处

4.1 基础性理论研究相对欠缺

从现代机械设计理论与方法的本质来看，其并不具有较高的理论性，而这一点也是现代机械设计理论与方法在发展过程中存在的难点。出现这一问题的主要原因，是我国在现代机械设计理论层面缺乏对基础性理论的研究。基础性理论可以分为通用型和专用型，而我国的研究多半停留在通用型的机械设计基础性理论，对于具有专业性质的机械设计基础性理论的研究过于分散，不利于我国现代机械设计理论与方法的整体发展[3]。

4.2 具有现代设计理念的机械设计创新不足

创新是时代发展的根本动力，现代机械设计理论与方法也是如此。我国对于现代机械设计理论与方法的研究更多地是向国外先进理念的借鉴和学习，而缺乏自己独立的产品设计。使得我国的机械产品从外观和功能上都与其他国家的同类型产品十分接近，而机械产品的研发要与我国社会经济发展水平和相对的市场需求相适应，照搬照抄只能是越来越脱离实际。

4.3 现代机械设计理论的各个环节联系不够紧密

由于现代机械设计理论与方法具有系统性特征，因此，在系统性的作用之下，机械产品被分解为多个部分，通过对不同部分的设计的整合，才能够获得完成的机械产品设计。然而，在实际的产品设计过程中，各个部分的设计工作很难达到统一，相互之间的联系也不够紧密。通常情况下，各个部分的设计都是相互独立的，使得最终难以保证将各个部分进行有效对接，极大地降低了机械产品的整体设计效率。

5 现代机械设计理论与方法的发展趋势

5.1 环保型设计

所谓环保型设计，就是在可持续发展战略的指导下，充分利用能源和资源，使得机械产品从整体上符合低耗减排的要求。这就要求在机械设计过程中将环境保护作为产品开发的前提和基础，同时还要确保产品的质量和功能不会因此而受到影响。环保型设计理念的引入，将极大地提升机械产品的运行效率，降低对环境的污染。环保型设计理念不仅是现代机械设计理论与方法的必然发展方向，也是所有行业设计理论的共同发展趋势。

5.2 智能型设计

智能型设计就是要在机械产品中，设计安装能够为操作者提供产品运行过程中基本参数以及各个组成部分的运行情况的智能装置。这就要求在机械产品设计过程中要运用现代人工智能与计算机辅助技术，使人们能够及时地获得关于机械产品运行中的所有参数及各个构成要件的基本情况，这样就便于设计者按照产品运行中的缺陷对产品设计进行改进，不断提升机械产品的技术含量。

6 结论

现代机械设计理论与方法经历了漫长的发展过程，已经逐步形成了具有创新性、系统性、前瞻性以及融合性设计理论，但在现代机械基础性设计理论与创新性的研究方面还十分欠缺。这也为我国的现代机械设计理论与方法的发展指明了方向。就目前现代机械设计理论与方法的发展来看，环保型设计和智能型设计将成为未来现代机械设计理论与方法的必然发展趋势。

[1]张劲.现代机械设计的理论与方法及研究进展[J].林区教学,2010,12:6-8.

[2]蔡郭生,王笃雄.基于现代机械设计理论方法特点与研究进展的探讨[J].赤峰学院学报(自然科学版),2012,06:94-95.

[3]殷国富,干静,胡晓兵,徐雷,成尔京,陈珂,汪永超.面向信息时代的机械产品现代设计理论与方法研究进展[J].四川大学学报(工程科学版),2006,05:38-47.