现代机械设计的理论基础分析

熊卫华

【摘 要】机械设计是一门融入多学科，多部门共同协作的任务[1]。传统的机械设计理念是以经验为主导的单面式设计方法，已经不能满足现代工业和市场对研发的需求，于是人们提出了现代机械设计理论。在现代化技术提高，智能化、自动化发展的今天，现代设计理论已经有了长足的进步，且在日新月异地发展。主要表现在电脑辅助设计（CAD）软件在快速设计和虚拟仿真中的应用，现代理论发展运用于机械设计理论等。

【关键词】机械设计；计算机辅助设计；仿真分析

1.现代机械设计理论概述

随着现代化化技术的发展，制造业面临着与日俱增的挑战，机械产品的设计也随着人们的需求而提出更高的要求。在这种情况下，传统的机械设计理论方法已不能满足工厂的需要，一种更智能、更便捷、更合理的方法被提出——现代机械设计理论。在短期的发展历程中，有人提出现代机械设计理论的几大方向，包括：（1）信息论方法；（2）系统论法；（3）控制论法；（4）优化论法；（5）对应论方法；（6）智能论方法；（7）寿命论方法；（8）离散论方法；（9）模糊论方法；（10）突变论方法；（11）艺术论方法等。这些方法的引入，是基于现代化技术的发展，如计算机科学、现代测量理论、现代数学理论等。

正是有了一系列现代化设计理论，机械设计在传统的基础理论上有了质的飞跃，与传统设计理论相比，现代机械设计理论更加突出合理性、有据性和形象性。例如用CAD技术对机械产品的设计，使我们在短时间内看到产品的外观，可以在设计过程中边建模边分析，这样对其形状有一个比较形象的把握，而传统上的机械设计方法只能凭设计人员的经验和想象力。在这方面，现代化机械设计方法要具有很多优势。

2.现代机械设计理论基础与分析

现代机械设计理论主要包括四种：现代设计方法学、计算机辅助设计、可信性设计、设计试验技术。这些方法都是在传统机械设计的基础上，根据现实需要发展延伸而来的，是基于现代设计技术和传统设计理论而衍生的新的设计理论。

2.1现代设计方法学

设计方法学是研究产品设计规律、设计程序及设计中思维和工作方法的一门综合性学科。在传统的机械设计方法中，经验设计占据主导部分，人们根据经验对机器的整体外观进行想象化设计，然后由团队式进行分析。而现代设计方法学是在总结以往的设计规律，在此基础上对要设计的产品进行相似性分析，对以往设计方法加以利用。

现代设计方法学包括并行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、模糊设计、价值工程、反求工程技术、质量功能配置、绿色设计、面向对象的设计、工业造型设计。并行设计是一种整体设计法，要求设计人员在初始阶段便对产品的整个生命周期进行考虑，包括产品的设计、改善使用、销售、维修等方面的内容。是设计者利用现代协作技术，多部门，多学科间的一种联系，充分考虑产品生命周期内的各种因素。模块化设计是指将整个机械分为几个功能模块分别设计，在设计中只需考虑各模块的功能和各模块外部之间如何关联。这样的设计，不仅减少了单个设计人员的信息关注量，而且在使用客户中也可以根据需要进行甄别选取，然后组合使用，这样既节省了单个劳动人员的工作量，又加快了设计速度，缩短产品设计流程，又避免了客户对产品上的功能性浪费。这些现代化方法，都使设计更加便捷化，程序化，合理化。

2.2计算机辅助设计（CAD）

计算机辅助设计英文全称为computer aided design，包括优化设计、有限元法、智能计算机辅助设计、工程数据库、虚拟设计和模拟仿真。计算机辅助设计是基于机械设计软件如AutoCAD、Ansys、Solidworks等设计软件的现代设计理论方法。

在目前的设计理论中，超前化设计之前是每个企业和设计人员必须学会的方法，现代机械设计软件各种设计方法的利用，让设计人员可以把想法在电脑上提前展示出来。然后再利用有限元软件对产品的受力，温度等进行分析，进行强度校核，这就大大缩短了产品设计周期，而且虚拟的产品分析还可以降低设计成本。例如对一个机械手臂的设计中，设计人员首先将产品大致外观用三维软件solidworks进行三维建模仿真，待装配完成，对外观及机构结构上不合理的部分进行初步改进。待这些外观结构改善完毕，导入有限元分析软件ansys，施加虚拟外力，对机械手臂各部件进行可行性分析，强度、寿命是否能达到要求。这样，一个机械产品设计完毕，进行试生产后，机械部分的设计成功率几乎达到99%，这便是CAD技术的优点。

2.3可信性设计

可信性的引入，是在机械设计技术成熟之后才提出的。包括安全设计、可靠性设计、动态分析与设计疲劳可靠性设计、防断裂设计、减摩耐磨设计、防腐蚀设计、健壮设计、耐环境设计、维修性设计、测试性设计、人机工程设计。它融合了材料、断裂力学、疲劳理论、数理统计等内容的一个学科，比传统的机械设计复杂。

对于现代设计理论学说，可靠性设计的提出是在市场竞争下提出来的，它关系到一个产品的生命周期，以及在这个生命周期内的平均修复时间等问题。设计人员在设计产品时，兼顾考虑产品的使用性能，并在这基础上对产品进行改进，使产品结构更加合理。可靠性设计包括两种基本方法：定量化和定性化。定量化的方法要从故障（失效）的概率分布讲起，如何能定量地设计、试验、控制和管理产品的可靠性。定性方法则是经验为主，也就是要把过去积累处理失效的经验设计到产品中，使它具有免故障的能力。定性和定量方法是相辅相成的。可靠性设计目的是在设计阶段预测和预防所有可能发生的故障和隐患，消除于未然，把可靠性设计到产品中去。事前分析指出产品在运行中的故障诊断、检测，和寿命预测技术，以保持运行的可靠性。事后分析指产品发生故障或失效后的分析，找出产品故障模式的原因，研究预防故障的技术。尤其是事前分析，这便是可靠性研究重点的重点，美国工业中90%的可靠性成本用于设计上，而且在提高可靠性方面已积累了不少经验和技术。

2.4设计试验技术

机械设计试验技术，是基于虚拟仿真技术的基础上发展而来的又一新兴学科。在设计人员对产品外观等设计完毕后，在电脑上对产品的可靠性验证和运动仿真，发现需要改进的方面后对产品进行优化。它包括环保性能试验、仿真与虚拟试验、可靠性试验。

设计试验技术理论，要求事先制定好试验指标，即判断试验结果是否达到预期效果的技术性指标。这些指标要求定量定性，以求得到的结果更具有科学性和可比较性。在这些技术里，关键在于检测技术，如有限元软件的引入，虚拟仿真软件的运用等。设计人员在建模完成后可以对产品各部件的运动输入计算机，计算机根据大量的计算得到产品的运动特性，受力特点。设计人员便可以形象直观的知道产品各方面特性。这种虚拟试验的好处便是缩短设计周期，降低研发成本，减小设计人员工作量。他的理论基础是计算机运动关系分析和受力分析。

3.结论

面对市场上日益剧烈的竞争，机械设计者不仅面临技术上的竞争，还要进行时间上的赛跑，而现代机械设计技术正是在这方面要求的基础上发展而来的，它是在现代计算机技术，现代数据库技术和现代数学理论的基础上发展而来的，在机械设计上一种革新式的新理论。

我国现代机械设计技术发展较晚，起步较慢，很多理论方法引子国外，技术上目前也比较落后，但最近经过努力，很多从业人员在这方面做了大量研究。例如70年代兴起的反求工程，很大程度上缩短了我国研发新产品的周期，加快了机械行业的发展速度。CAD软件在各公司已经普及，虚拟仿真技术等早已运用到实际设计研发过程中。现代机械设计理论，已经给机械设计行业带来了一种革命，在不久的将来，新的技术必定会有这些理论衍生并应用，带来更多的方便。