浅议现代机械设计理念和技术展望

关博文

浅议现代机械设计理念和技术展望

关博文

（哈尔滨理工大学 机械动力工程学院，哈尔滨 163453）

本文首先对现代机械设计理念进行了阐述，之后分析传统设计与现代设计的特点，并进行比较，最后对现代机械设计的相关技术应用展开讨论。

机械设计 理念 技术 创新

机械制造行业是现代化建设与国民发展的基础性行业，机械设计能否做好对机械制造工业的发展有很大影响，而现代机械设计结合了数学、力学、电子计算机及工程实践科学等一系列学科领域的应用，使传统的机械设计取得了跨越性的技术改革。传统的机械设计大多数只需要满足使用性的要求，现代机械产品的设计更加注重产品的整体性，强调创新设计，并在很大程度上对产品的质量、精度等也有一定要求，从而诠释了机械产品的可靠性、经济性及美观性的统一。随着科技不断的进步发展，机械设计对技术的要求越来越高，设计人员要想设计出好的机械产品，就必须拓展思维，顺应时代需求，加强对现代设计技术的灵活运用，不断总结创新，才能有所突破和发展，提高机械产品的市场竞争力，从而确保企业的综合效益。

1 现代机械设计新理念

产品的生产分为设计与制造两大部分，现代机械设计涉及到数学、计算机、力学及工程实践理论，并将这些理论成就结合到设计实际当中。在设计过程中，现代机械设计以科学、理性为基本原则，遵循逻辑关系、物理关系、结构关系，从总体层面设计中加以确定。通过对数学模型的优化，运用各种思维方式，对各环节进行逻辑推理和判断、分析与决策，在各个环节中，除了需求分析及可行性研究与分析这两个环节很难用计算机实现外，其余从概念设计到设计结果都可用计算机实现，进而经过精确的数据分析与反复循环操作来完成最终的设计方案。此外，现代机械设计理念不仅仅只考虑到设计任务，更结合了实际，与客户进行讨论，充分收集设计资料与相关数据，结合最为先进的科学技术，不断推陈出新，修改方案，从而将设计过程贯穿于机械制造始终，体现稳定、精确、智能且经济的设计概念，融合低能耗、人性化、高性能的设计理念，在很大程度上实现了机械设计的创新与发展。

2 传统机械设计与现代机械设计的对比

现代机械设计不仅融合了现代科学技术，而且在设计过程、设计方法上更上一层。传统的机械设计是以目标任务来制定设计方案或制造出具体样机，之后再进行考核评定，在此基础上对方案进行修改，从而拿出第二方案，如此反复循环来完成过程更新，直至达到最佳方案为止。传统机械设计具体流程为：市场调查→问题分析→设计方案→优化方案→修改方案→绘制图样。在传统机械设计中，由于设计观念得到限制，再加上技术方法与设备条件比较落后，有很大一部分是依靠设计者的经验与直接，虽然经验十足的设计者也可以设计出好的机械产品，但是如果只凭个人直觉很难创新。因此，传统机械设计没有全面考虑到结构的性能可靠及产品设计的成本，对于艺术的美观也很缺乏，从而在很大程度上只满足了产品的基本要求。此外，传统机械设计周期较短，产品安全性较高，但很难实现精密微小，一般较为笨重。相对于传统机械设计理念，现代机械设计观念得到更新，设计方法越来越多，不仅可以满足使用条件，在其他方面，如美观设计、精度设计等考虑的较多，在对设计产品的寿命周期、安全系数、特殊部分负载等方面进行了优化设计，如在安全系数方面，在传统设计方法中的安全系数大于1的零件是不应该失效的，而实际应用中，安全系数很大的零件也有可能发生失效。按传统的设计方法，对齿数、轮齿宽、螺旋角等绝大多数零件的设计结果虽然在刚度、强度两方面满足了设计要求，往往因为经验性和盲目性，很难达到最优化结果。此外，现代机械设计更将倾向机电一体化发展，所研究出的机械产品也已不再是单纯的机械构件，而是以机械、电子、计算机、信息、通讯科技集成的机电一体化产品。这些现代化科学技术不是只凭借设计者的经验可以解决的，而是运用了科学技术、丰富的理论知识和软件分析出来的，更具有说服力，并将计算机的高速运算功能和人的创造力结合起来，加速了设计进程。

3 现代机械设计技术

3.1 基于计算机的设计技术

随着信息技术的不断发展，计算机技术取得了空前的跨越，现代机械设计结合了计算机技术，出现了仿真与虚拟设计技术、网络协同技术和并行设计等现代机械设计技术方法。仿真与虚拟设计技术是以CAD、ANSYS、PROE等仿真画图设计软件为基础，形成了更为强大的人机交互系统，通过对模型运行控制的研究来达到计算机与机械技术的融合。但是，必须要了解软件只是辅助设计应用，如果没有机械设计师的思维运作也不可能完成产品设计。当前投入使用的虚拟设计是利用转换的数据格式并以CAD系统输出建模的环境系统，通过对CAD软件进行工程绘图或做产品结构优化计算能减轻设计人员的工作强度，提高机械设计效率，但机械设计不等于机械制图加计算，不能从根本上解决中国目前机械设计水平低下的问题。网络协同技术构建了一个三维网络机械设计平台，解决了数据在网络上的访问、传输与修改问题，其主要是在高效协同工作的条件下来统一管理分散的设计信息与资源，从而完成机械产品的设计与开发。并行设计是指并发进行每个协同工作，当前网络技术的发展使并行设计成为机械设计的重要方法之一，并行设计强调功能过程集成，在原有信息集成基础上实现每个产品的重组，并使整个设计过程尽可能同时进行。

3.2 新概念设计技术

新概念机械设计技术是面向生态、环境、绿色的设计理念，如包装设计、使用设计、维修设计、拆卸设计和回收设计等。对于绿色环保设计的产品应首先考虑到产品的生命周期，从产品的制造到产品的使用，直到产品利用完毕，同时，绿色设计还要求所设计出来的产品在不危害生态系统的前提下进行，遵循生态环保设计理念，在传统设计的基础上进行一定的补充和调整，以此来减少报废的机械设备的数量，减少生态环境破坏。

3.3 数学知识设计应用

现代机械设计越来越多的融入了数学知识，通过有限元设计、优化设计与可靠性设计使机械产品更符合实际需求。有限元是求解偏微分方程的一种数值方法，利用有限元可以解决很多问题，其已经成为了工程数值分析十分有力的工具，现如今，在实际应用中投入了很多通用程序与专用程序。而优化设计则是利用数学建模的方法在特定约束条件下求得设计的最佳值，优化手段主要是依靠计算机辅助软件，首先建立与实际相符的数学模型，约束条件与函数为设计的要求。之后再根据所建模型用计算机求解得到最佳设计方案。但是，必须要明确机械设计中存在的问题，设计参数应在满足一定工作条件、载荷，并在刚度、强度、尺寸等技术要求下来寻找。机械产品的可靠性设计是应用可靠性数学理论和方法来达到预期的可靠性要求，可以分为定量与定性分析。定量分析是计算产品的失效概率，通常应用马尔可夫过程、布尔代数、故障树来分析。而定性分析则是对事故种类、原因及后果等进行研究，主要通过事件树分析、故障模式和影响、致命度分析等。

4 结语

随着科学技术的不断发展，机械制造已经成为现代化建设的基础性行业，现代机械设计颠覆了传统的人工生产模式，将电子计算机、数学、力学等技术相结合，使机械制造得到了全面革新。现阶段，虽然我国已经将计算机技术、数学知识和新概念设计技术等融入到机械设计当中，并进行了灵活运用，但是仍需清楚地认识到我国仅仅是制造业大国，不是制造业强国。因此，要想促进我国机械制造行业的发展，就必须进一步更新传统机械设计理念，而现代设计是将设计与市场相结合，在深刻理解、熟练掌握机械工作原理的基础上，建立优良的技术系统来创新机械设计，并将分析结果和计算数据转变成为具体描述，才能达到切合实际需求、满意的设计结果。

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On Modern Mechanical Design Concept and Technology Prospect

GUAN Bowen
(College of mechanical engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 163453)

In this paper, the concept of modern mechanical design is described, after the analysis of the traditional design and modern design features, and to compare, and finally to the modern mechanical design of the relevant technical application.

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