现代设计在机械设计中的应用

摘 要：社会在发展，科技在进步，人们对产品性能和质量的高要求，都使机械设计在机械工程中更为关键和重要。将更多的现代技术融入到设计中，以新概念，多元化，高效率地优势获取更高的市场经济效益。文章从新理念、数学知识、IT技术这三点介绍现代设计技术在机械设计中的应用进行介绍。

关键词：现代设计技术；机械设计；计算机；绿色设计

1 基于新理念的设计技术

现如今环境问题已经是一个引起全球化的问题，现代工业发展断然不能采取“先发展、后治理”的道路。将绿色节能、生态环保的新理念新思想贯彻到设计中是现代设计的一大突出特色。绿色产品设计要求关注产品全生命周期内各因素对生态环境的作用，从概念设计到产品出场再到报废回收的全过程都尽可能地节约能源和资源，尽可能对生态环境不造成或者造成极少量危害。因此，绿色产品设计可定义为面向不损害产品质量、功能及其制作过程的，能与环境相容的设计，具有良好的经济性能和环境性能，故形象地称作“摇篮到摇籃”。

其特色主要体现在以下几点：

（1）智能的数据库。绿色产品设计中所用数据库因其包含产品全生命周期中有关使用性能、环境效益、经济效益的所有数据，数据库庞大复杂。[1]智能数据库有效地模拟人的推理分析、联系想象和记忆原理来实现对繁杂数据的存储、搜索和修改。

（2）优良的环境友好性。设计要求具体产品在选择材料到生产、使用、废弃、回收处理所有过程中都对环境无害或有微小危害。因此，生产原料、制造工艺都要保持清洁，以保证生产出的产品对使用者的身体健康安全以及使用者的周围环境不造成任何伤害，在后续报废回收处理中回收利用率高，少有废弃污染物。所以选材时宜采用可降解、可回收、无毒、无污染的材料。

（3）极高的资源利用率。自然资源尤其是不可再生资源的开发和利用一直都是人们的关注点，资源的破坏、滥用和不合理利用都严重制约了经济的持续发展。还要注重分析所选材料的使用对产品设计、工艺及制造所带来的影响及其重复利用的价值。[2]

2 基于数学知识的设计技术

2.1 有限元设计

秦凯维奇（O.C.Zienkiewicz）教授在他的名著《有限元法》中给出的有限元法定义：把连续体看成是有限个部分（有限元）的集合体，其性态由有限个参数所规定，在求解离散成有限元的集合体时，其有限单元应满足连续体所遵循的规则。

迅猛发展的计算机技术与基本的数学理论知识相结合，使得有限元分析技术成为了工程数值分析中极效的数值分析方法。有限元设计将整体划分为离散的单元体后再根据微积分的数学原理求解。其关键在将无限化为有限，可通过改变有限单元体的数目来实现不同精度的改变，使其更加接近实际尺寸，常用于工程设计中复杂的非线性非稳态问题的求解和复杂的静态动态受力分析。就国内引进的一些有限元分析软件而言，并不需要使用者熟知其工作原理，使用便捷操作简单易上手，如SUPERSAP、ADINA、PROE等等。

2.2 优化设计

优化设计作为一门新兴的独立工程学科，它以数学中的最优化理论和现代计算机技术为基础，以寻找出约束条件下的最优答案为目的。根据已知的设计参数建立合适的数学模型，将设计标准和要求抽象为约束条件并建立与之相对应的函数，然后利用计算机软件进行复杂的计算，并求解出最优值，确定最佳方案，如蚁群算法就是一种新型的模拟蚂蚁觅食的有效的优化算法。

2.3 可靠性设计

可靠性设计旨在发现并消除产品的潜在缺陷和改善其薄弱环节，以保证产品满足给定的可靠性指标。产品设计中所选材料的强度、刚度、相应零部件的尺寸、受载情况等为随机变量，并利用概率统计相关数学原理得出相应参数，以提高其安全概率。可靠性设计作为一门运用数学理论与方法的新型设计方法，发展至今天，已经成为机械设计中的有力工具，其发挥的作用也越来越重要。

3 基于IT技术的设计技术

3.1 并行设计

传统的机械设计是按顺序进行的，故称作串行设计，因其工作区间相互独立且一个时间做一项工作，故给设计方法不同阶段信息交流少，可操作性差，耗费大量时间资源，效率低。而并行设计则是各项工作同时进行，作区间相互交叉重叠，各设计阶段的专家可通过先进的计算机网络技术进行信息的多层反复交互，发现问题可以及时修改弥补。因其用空间资源换取了时间资源，从而加快了设计工作的速度，提高了设计工作的效率。并行设计要求设计者从一开始就要考虑产品全部生命周期中各环节因素的影响，争取最终制造一次成功。因其设计过程中，销售者和使用者都考虑进去，所以最终产品能更好满足用户的需求，从而提高了产品的可靠性、实用性和市场竞争力。对于并行设计可以形象的描述为“运筹于帷幄之中，决胜于千里之外”。

3.2 网络协同技术

网络协同设计是利高效的协同机制在支撑平面上，将分散的设计资源和设计工作流统一起来共同开发设计产品。针对网络上访问、传输、修改等问题，网络技术的发展使分布式数据库和大量的数据管理成为现实。在公共数据库知识库的支撑下，各阶段设计人员可以无阻碍通信，在此协调机制下，多小组可并行协调的进行设计。

3.3 智能设计

所谓智能设计便是利用计算机技术模拟人的思维方式进行构思计划，在复杂问题前可以灵活分析出更有效地解决方法。将设计与人工神经网络技术和及其学习技术等技术的结合，不仅更好地满足了设计要求而且更大程度地实现了机械设计的自动化。

4 总结

“让中国制造遍布世界的每个地方。”这是中国制造的追求目标，为此先进的设计制造技术是必不可少的。为更好地满足市场对高质量高性能产品得需求，设计工作者仅掌握传统的机械设计技术是远远不够的，更需要熟练运用各种现代设计技术并大胆尝试勇于创新。

参考文献：

[1]袁驰.农业运输机械的绿色设计.潍坊学院学报，2009，06.

[2]董俊华.现代设计技术在机械设计中的应用.河南机电高等专科学校学报，2007，01.

作者简介：李路帧（1996），女，山东滨州人，山东农业大学在读本科生。