机械设计发展史

王天福



机械设计发展史

王天福

设计必须科学化，这意味着要科学地阐述客观设计过程及其本质，分析与设计有关的领域及其单位，在些基础上，科学地安排设计过程，使用科学的方法和手段进行设计。同时也要求设计人员不光有丰富的专业知识，而且也要掌握先进的设计理论，设计方法及设计手段，科学地进行设计工作，这样才能及时得到符合要求的产品。

一、前言

“设计"的最初含义是将符号、记号、图形之类记下来的意思。随着生产的发展和科技的进步，设计的内涵不断向深度和广度发展，设计的含义越来越深刻和越来越先进。设计是人类改造自然的基本的活动之一，设计是复杂的思维过程，设计过程蕴含着创新和发明的机会。设计的目的是将预定的目标，经过一系列的规划与分析决策产生一定的信息形成设计，并通过制造，使设计成为产品，造福人类。

（一）机械设计发展的三个阶段

机械设计的发展史按时间来分，可分为三个阶段，分别是：从古代社会到17世纪为机械设计起源和古代机械设计阶段，由17世纪至第二次世界大战结束为近代机械设计，第二次世界大战结束直到现在为现代设计阶段。如果按其内容来分，可分为：直觉设计阶段，经验设计阶段和理论设计阶段。两种划分是一一对应的，是从不同角度来划分机械设计的发展史。每一个阶段在设计理论，方法和制造工艺方面都有明显的特色。下面就按时间来划分，把机械设计发展史划分为三个阶段来论述。

（二）机械设计起源和古代机械设计

在我国古代，机械发明、设计者与制造者是统一的。有许多著名的人物，他们的成果代表了当时我国的机械的设计水平。唐代的时侯我国与许多国家开展了经济、文化和科学技术的交流，与东南亚、南亚、阿拉伯、非洲东海岸贸易频繁，对中国和世界其它的一些国家有很大的影响。由于贸易的发展，要求商品增加，从而改进生产设备，使机械设计有了很大的发展，造纸、纺织、农业、矿业、陶瓷、印染、兵器等有新的进展，机械设计水平也提高了一大步，宋代沈括的著作《梦溪笔谈》记载了当时的许多科学成就，反映了当时的科学水平。

（三）近代机械设计

17世纪欧洲的航海、纺织、钟表等工业的兴起，提出了许多技术部题，1644年英国组成了“哲学学院”，德国成立了实验研究会和柏林学会，1666年，法国、意大利也成立了研究机构。在这些机构中工作的意大利人伽利略（1564--1642）发表了自由落体定律、惯性定律、抛物体运动，还进行过梁的弯曲实验；英国人牛顿提出了运动的三大定律，1688年，他提出了计算流体粘度的阻力的公式，奠定了古典力学的基础；英国人虎克建立了在一定范围内弹性体的应力 - 应变成正比的胡克定律；1705年伯努利提出了梁弯曲的微分方程式，在古典力学的基础上建立和发展了近代机械设计的理论，为18世纪产业革命中机械工业的迅速发展提供了有力的技术理论支持； 1764年英国人瓦特发明了蒸气机，为纺织、采矿、冶炼、船舶、食品、铁路等工业提供了强大的动力，推动了多种行业对机械的需求，使机械工业得到迅速的发展，而机械化使生产力迅速提高，进入了产业革命时代。这一时期，对机械设计提出了很多的要求，各种机械的载荷、速度、尺寸都有很大的提高，因此机械设计理论也在古典力学的基础上迅速发展。材料力学、弹性力学、流体力学、机械力学、疲劳力学、疲劳强度理论、实验应力分析方法等都取得了大量的成果，建立了自己的学科体系。

（四）现代机械设计

第二次世界大战以后，作为机械设计的理论基础的机械学继续以更加迅猛的速度发展，摩擦学，可靠性分析，机械优化设计，有限元计算，尤其是计算机在机械设计中迅速推广，使机械设计的速度和质量都有大幅度的提高世界各国逐渐认识到产品市场竞争对各国经济发展的重要作用。机械设计目前已经不宜作为机械学的一个分支，而应该认为是与机械学并立的一门技术科学了。现代机械设计方法具有自己的学科体系和专门的内容。核心技术有3个方面：①以产品的“功能”作为机械计的核心目标。美国麦尔斯提出了“顾客购买的不是产品的本身，而是产品所具有的功能”，明解地说明了“功能”是产品的本质和灵魂。这一原理的提出大大地解放了设计师的思想，为了实现某一功能，可以采用各种不同的原理和结构。我们可以从近年来的计时装置、文件复制设备、通讯方法等方面的飞速发展看出，设计师的聪明才智得到了空前的发挥，多方面的满足了社会的需要。②“人机学”的形成和发展。机械的工作往往与人是不可分割的，如汽车、飞机有些操纵的信号要靠人输入。必须考虑操纵者的反映速度和能力限制，还必须考虑操纵者和乘客的传舒适性。虽然许多产品已经向自动化发展，许多民用产品对使用者的拔术要求日益降低。但是机械产品竞毕竟是为了人类设计的。考虑“人机学”是提高产品的竞争能力的重要方面。③建立系统的“工业设计”学科体系。工业设计是设计者使产品在外观、色彩、形状、尺寸比例等方面的合理设计，使产品与人、环境更协调，以得到更好的使用效果与况争力。

二、机械设计的未来发展趋势

现代社会机械广泛应用于生产，生活各个领域，已成为衡量一个国家技术水平和现代化程度的重要标志。随着机械设计基础理论的发展及新概念、新方法、新工艺的不断出现，机械设计也得到了迅猛的发展。主要体现在以下几个方面。（1）机械体积从米级向微米级设计（2）从单个零件到整机系统的设计（3）设计用的工具的改变（4）设计--加工的一体化（5）对机械的人性化设计和等寿命设计

三、我国机械设计现状

我国在现代机械设计方面起步较晚，中国机械工程学会于1983年5月才召开了“第一次机械设计方法学讨论会”，但经过了多年的努力，我国在现代设计方法的研究方面已经取得了可喜的成绩，现在的中国可以自豪地称为“世界的工厂”，“MADE IN CHINA”已经是世界闻名了。但是相对于世界上先进的国家来说，我国的机械设计还是相当的落后的，具体表现为：（1）对客观设计过程研究，了解不够，尚未很好地掌握设计中的客观规律。（2）当前设计的优劣主要取缺于设计者的经验。（3）设计生产效率低。（4）设计进度与质量不能很好控制。（5）设计手段与方法有待改进。（6）尚未形成能为大家接受的，能有效指导设计实践，较为系统的设计理论。

面对这一形势。唯一的回答就是：设计必须科学化，这意味着要科学地阐述客观设计过程及其本质，分析与设计有关的领域及其单位，在些基础上，科学地安排设计过程，使用科学的方法和手段进行设计。同时也要求设计人员不光有丰富的专业知识，而且也要掌握先进的设计理论，设计方法及设计手段，科学地进行设计工作，这样才能及时得到符合要求的产品。发展我国的机械设计科学研究，必须集中探讨机械设计各主要环节的正确工作方法和解决问题的途径，收集开发新产品的成功经验和范例，积累大量的设计资料，了解世界有关行业的发展动向，致力于提高我国机械工业的水平，生产具有国际竞争力的机械产品。相信我国学者们要总结过去设计经验并吸收外国先进的学术思想和科学技术的基础上，定能研究出一套适合我国的国情。高效优质，经济地进行设计的规律和方法来为加速现代化建设做出应有的贡献。