新型機械設計方法淺析

曹仁濤

（蘭州交通大學機電工程學院，甘肅蘭州 730070）

機器的性能品質不但取決于零件制造品質和機器裝配品質，更取決于機械設計品質。傳統的常規機械設計方法有理論計算設計、經驗類比設計、模型實驗設計等，在復雜設計條件下往往受到局限，設計技術推陳出新勢在必行。

1 新型機械設計方法的基本特點

1）以自動化設計取代人工設計。充分利用先進的計算機硬件及軟件平臺，極力提高人機結合的設計系統的自動化水平，以提高產品的設計品質，這是新型機械設計方法的基本特征［1］。

2）以動態建模取代靜態模型。典型的如以機器結構動力學計算取代靜力學計算，以實時在線測試數據作為評價依據等。

3）以定量計算取代定性判斷。如以有限元計算非規則零件的尺寸和剛度，取代傳統設計的經驗類比法確定箱體各部分壁厚等。

4）以變量取代常量。如最優化設計中用隨機變量取代傳統設計方法中通常以經驗常量校核的粗略數據處理方法。

5）以優化設計取代可行性設計。用設計變量恰當地建立設計目標的數學模型，從眾多的可行性解決方案中求其最優解。

6）以并行設計取代串行設計。強調從設計階段就并行地綜合考慮產品整個生命周期中各方面的要求與相互關系，避免串行設計中可能發生的干涉與返工。

7）以微觀設計取代宏觀設計。如以斷裂力學理論處理零件材料本身微觀裂紋擴展引起的低應力脆斷現象，建立以損傷容限為設計判據的設計方法。

8）以系統工程法取代分部處理法［2］。將產品的整個設計工作作為一個系統，用系統工程的觀點分析劃分設計階段和組成單元，綜合處理它們的內在關系。

2 新型機械設計方法的種類

1）優化設計。機械優化設計是最優化技術在機械設計領域的移植和應用，其基本思想是根據機械設計的理論方法和標準規范等建立反映工程設計問題和符合數學規劃要求的數學模型，然后采用數學規劃方法和計算機數字處理技術自動找出設計問題的最優方案。不但可行，而且最優，是機械優化設計追求的目標，可行性方案的提出與建模是優化設計的基礎。常用優化處理方法有一維搜索法、線性優化法、導數優化法、非導數優化法等。常見優化軟件有 MATLAB，ANSYS 等［3］。

2）可靠性設計。可靠性是指產品在規定的條件和規定的時間內，完成規定功能的能力。可靠性設計是對系統和結構進行可靠性分析和預測，采用簡化系統和結構、裕度設計和可維修設計等措施以提高系統和結構可靠度的設計。它不但直接反映產品各組成部件的品質，而且還影響到整個產品品質性能的優劣。可靠性分為固有可靠性、使用可靠性和環境適應性。可靠性的度量指標一般有可靠度、無故障率、失效率三種。

3）并行設計。傳統的設計方法是按照設計、制造等過程串行進行，設計階段很少考慮設計以后的問題，這種設計方法使得產品設計與以后的制造、使用、維修等環節相互脫節。并行設計是在產品開始設計的時候，就考慮到產品從設計到使用過程中整個壽命周期的所有元素，產品的設計過程和工藝設計、加工制造和銷售等各個階段并行地進行，實行集成開發，力爭使所設計的產品具有較高的綜合性能。

4）模糊設計。機械設計領域普遍存在著模糊性現象，如產品性能的好與壞、使用壽命的長與短、可靠性的高與低等，都是一些模糊量。模糊設計是把模糊理論引入到設計領域中而形成的一種嶄新的設計方法。模糊設計不是建立在對系統進行精確的數學分析基礎上，而是根據模糊性的實際經驗確定設計參數［4］。模糊設計一般是與別的設計方法相結合，處理設計中的不確定性因素，使得設計方法更加合理、完善。

5）參數化設計。參數化設計分為兩個部分，即參數化圖元和參數化修改引擎。參數化設計中的圖元都是以構件的形式出現，這些構件之間的不同，是通過參數的調整反映出來的。參數化修改引擎提供的參數更改技術使用戶對機械設計做的任何改動都可以自動在其他相關聯的部分反映出來，使每一個機械零件都通過一個變更傳播引擎互相關聯。參數化設計可以大大提高模型的生成和修改的速度，在產品的系列設計、相似設計及專用CAD系統開發方面都具有較大的應用價值。

6）摩擦學設計。摩擦學是研究具有相對運動表面摩擦、磨損與潤滑理論的一門學科。摩擦學設計就是充分運用摩擦學知識，合理設計機械零部件，采用先進材料和工藝，正確選用潤滑方式和裝置，減小機械設備的摩擦損耗，降低失效時間延長產品壽命，提高設備的工作效率和運行可靠性［5］。盡管摩擦學問題普遍大量存在于所有機械設備中，但以往機械設計很少考慮摩擦學問題。摩擦學設計是繼運動學設計、強度設計之后又一重要的設計內容。

7）虛擬產品設計。是指在不生產實物產品的情況下，利用計算機技術在虛擬狀態下構思、設計、制造、測試和分析產品的設計方法，它建立在用計算機完成產品整個開發過程的基礎上。工程師完全是在計算機上建立產品模型，對模型進行分析，然后改進產品設計方案，用數字模型代替實物原型，進行分析、試驗、改進原有的設計［6］。這樣常常只需制作一次最終的實物原型，使新產品開發一次獲得成功。快速原型即RP技術是虛擬產品設計的主要技術手段，目前已發展到快速模具制造即RT技術。

8）智能設計。智能設計是指應用現代信息技術，采用計算機模擬人類的思維活動，提高計算機的智能水平，從而使計算機能夠更多、更好地承擔設計過程中各種復雜任務，成為設計人員的重要輔助工具。前些年智能設計僅僅停留在計算機輔助設計即CAD水平上，計算機的不斷發展而產生的基于知識庫的專家系統、以及具有自學習功能和聯想記憶功能的人工神經網絡技術得到迅速發展，推動智能設計邁上新臺階。

3 結語

近幾年來，隨著科學技術的進步尤其是計算機軟件技術的發展，基于計算機輔助設計即CAD技術的許多新型設計理念和方法不斷出現，并逐漸得到應用。與國外新型設計方法咄咄逼人的推廣形式相比較，機械設計在這方面節奏顯然慢了一些［7］。研究并應用新型機械設計方法已是我國機械設計工作者的當務之急。

［1］趙松年.現代設計方法學［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［2］濮良貴.機械設計［M］.北京:高等教育出版社，2011.

［3］孫靖民.機械優化設計［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［4］王國強.機械優化設計［M］.北京:機械工業出版社，2009.

［5］朱文堅.機械設計方法學［M］.廣州:華南理工大學出版社，2006.

［6］梅順齊.現代設計方法［M］.武漢:華中科技大學出版社，2009.

［7］王鳳岐.現代設計方法［M］.天津:天津大學出版社，2004.