现代机械设计方法

周崇

【摘 要】随着科学技术的发展，社会的进步，现代机械产品的设计除了在质量上的要求外，还注重机械产品的创新性。现代机械设计方法的提出就是为了提高机械产品的设计质量、缩短机械产品的设计时间和提高机械产品的设计效率，并且设计出的产品满足产品设计的经济性、环保性、适应性和可靠性的要求。与传统机械设计方法相比，现代机械设计方法有设计周期短、耗费低、主动性强和绿色环保等特点，它所设计的产品在功能、结构和产品的外观方面都有明显的进步。

【关键词】机械设计；现代设计；传统设计

机械设计是根据产品的使用要求对机械产品的结构、运动形式、工作原理、润滑方式等进行分析、计算和设计并将这些方法应用到具体的设计过程的方法。传统的机械设计方法也称常规机械设计方法，是需要设计人员去检索资料、手工计算和绘图，设计周期长，设计质量不高的产品设计方法。随着科学科学技术的发展，产品迅速的更新换代，传统的机械设计方法已不能满足机械设计人员的设计要求，这就提出了现代机械设计方法。现代机械设计方法是对传统机械设计方法的完善和改变，它以发展并完善设计理论、改进产品的设计方法、提高设计产品的质量和缩短设计周期为目标为宗旨，包含了创造性设计方法、系统分析设计方法、优化设计方法、有限元分析方法、反求工程设计等。

1.传统机械设计方法与现代机械设计方法

传统机械设计的方法是以设计人员对于所设计产品的理论认知和工作经验为基础而进行静态、直觉的设计。（1）产品的理论认知来自于长期的设计经验和实验结果，是固定不变的。但现实社会往往是复杂多变的，这就存在设计出的产品考虑不全面，存在安全隐患，我们用安全系数来概述。如果选择的安全系数过大，则投入产品的资金就会增加，成本增加；如果选择的安全系数过小，则在保证产品的安全性方面很难做到。（2）工作经验是设计人员根据所设计产品已经存在的设计过程和经验公式，或设计人员本身的设计思路与同类或者相似产品的设计方法进行类比。随着不断提高的产品技术含量，设计体系变的越来越复杂，传统的机械设计方法已不能满足产品的更新速度和市场的需求。

以思维科学、设计理论系统工程为基础，计算机为工具的现代机械设计方法出现了。与传统机械设计方法相比，现代机械设计方法是动态，科学的。现代机械设计方法设计出的产品比传统机械设计方法所设计出的产品在质量上更可靠、更安全，在外观上更自然、更吸引人，在总体功能上更人性化。显然，现代机械设计方法具有很多传统机械设计方法不能比的特点：（1）随着社会的发展，产品的更新换代很快，设计人员要不断的改善旧产品推出新产品。而在新产品的开发过程中，被动的传统机械设计方法已不能满足要求，需要主动性比较强的现代机械设计方法来适应。（2）现代社会的消费群体在追求先进产品的同时还要求产品的绿色环保性。传统的机械设计方法追求的是产品本身的质量和预定功能，而现代机械设计方法在追求产品预定性能的基础上还要考虑产品在原料的选取、工件的加工、产品的装配、产品的使用到产品的报废回收都需要考虑和环境的关系，保证产品的绿色性。（3）传统机械设计方法一般先根据设计思路制定出第一套方案并做出样机，然后对样机进行试验、评定并且不断的修改直到满意而形成第二套方案，期间耗费高、时间周期长。现代机械设计方法依据各种既定的条件，综合运用优化设计的方法，借助计算机软件设计仿真出产品，设计周期短，耗资低。

2.现代机械设计方法

现代机械设计方法实际上是把科学方法论运用到机械设计当中，它是以设计出的产品为目标的一系列设计方法和先进技术手段的完美结合。现代机械设计方法在不断的完善和改变中，但它以发展并完善设计理论、改进产品的设计方法、提高设计产品的质量和缩短设计周期为目标的宗旨是不会改变的。经归纳总结现代机械设计方法有创造性设计方法、系统分析设计方法、优化设计方法、有限元分析方法、反求工程设计等。

2.1系统分析设计方法

传统的分析设计方法一般是把要设计的对象分成独立的几部分来分别进行研究。因为各个部分的研究人员不能及时交流，导致所设计对象的各个部分是独立的，所以得出的结论往往是片面的、不完整的。现代系统分析设计方法把所设计的对象看成是一个完整的系统，用系统工程的方法来进行研究，并且在寻求最佳的设计方案时还要考虑产品或系统的制造过程和运行情况。即系统分析设计应同时考虑系统的开发、系统的制造和系统的运行这三个部分，只有这样才能验证出产品的设计效果。

2.2优化设计方法

现代化的优化设计方法已不再是传统的那种根据设计人员的经验或直观想法来确定结构方案，也不是再满足所设计产品要求的前提下，先确定设计方案再根据安全准则对产品的强度、刚度和寿命等分析计算，然后确定产品的尺寸等；而是不仅要考虑产品结构设计还要同时考虑产品的运输和产品的流通等各个方面。现代机械优化设计方法包含建立优化设计的数学模型和选择恰当的优化设计的方法。因为优化设计方法是根据在寻求数学模型的解决方法时得到产品解决的最优方案，所以设计人员要根据所设计产品的要求建立相应的数学模型，而数学模型一旦建立后，机械问题就变成了一个数学问题。设计人员根据数学模型的特点选择合适的优化设计方法，然后借助计算机软件等工具求出数学解，然后把求出的解应用到机械产品中，满足产品设计的要求。

2.3有限元分析方法

有限元分析方法是随着计算机的发展而迅速发展起来的一种现代化设计计算方法，它首先是应用在连续力学领域的数值分析方法，随后随着计算机的快速发展而扩展到热、磁等连续性分析领域。有限元分析方法的原理是将要分析的产品划分为有限的、独立而又相互联结的部分，这些部分一般都是常见的形状，比如在有限元分析软件ANSYS中，被分析的产品如果是平面则最好划分为四边形，如果是立体则最好划分为六面体。划分好单元后设计人员需要确定所分析产品的各个变量，然后建立单元函数进行单元求解，最后联立单元方程求解。概括起来说有限元分析方法可以分为三个阶段：前处理阶段是建立有限元模型并进行网格划分；处理阶段是进行参数的确定和单元的计算；后处理阶段是提取分析结果，得出结论。

2.4反求工程设计

反求工程也称为逆向工程，它是以先进的产品为研究对象，通过现代设计方法进行研究分析，探索并掌握产品应用的先进技术，然后设计出同类的先进产品的一系列方法和技术的总称。我国是制造业大国而非制造业强国，要想达到制造业强国关键是人才和技术，外国有很多机械设计方法和技术领先于我们，但他们对我国采取封锁的政策。研究表明运用反求工程设计掌握先进产品的关键技术可以使设计人员的研究周期缩短百分a之四十以上，极大的提高了设计速度。可见研究反求工程设计对我国的技术发展有很重要的意义。一个先进成熟的产品，要在了解掌握原设计的基础上设计出同类有竞争性的新产品也是有一定的难度的，所以反求工程是一种先被动后主动的创造性活动，并非产品设计的逆过程。

3.结论

现代机械设计方法是对传统机械设计方法的完善和补充，它是一个主动性很强、设计周期短、耗费低的系统。现代机械设计方法无论在产品的设计还是产品的制造和报废回收都优于传统的机械设计方法。现代机械设计方法是将许多领域和学科的知识在实际的产品设计中得到了完美的融合，它不仅仅是一个人的单独设计，而是一个设计团队的所有设计人员都应该掌握并能在实际的设计过程中应用现代机械设计的方法，并且每个设计人员应该互相了解，这样才能设计出完美的产品。