現代設計在機械設計中的應用

摘 要：社會在發展，科技在進步，人們對產品性能和質量的高要求，都使機械設計在機械工程中更為關鍵和重要。將更多的現代技術融入到設計中，以新概念，多元化，高效率地優勢獲取更高的市場經濟效益。文章從新理念、數學知識、IT技術這三點介紹現代設計技術在機械設計中的應用進行介紹。

關鍵詞：現代設計技術；機械設計；計算機；綠色設計

1 基于新理念的設計技術

現如今環境問題已經是一個引起全球化的問題，現代工業發展斷然不能采取“先發展、后治理”的道路。將綠色節能、生態環保的新理念新思想貫徹到設計中是現代設計的一大突出特色。綠色產品設計要求關注產品全生命周期內各因素對生態環境的作用，從概念設計到產品出場再到報廢回收的全過程都盡可能地節約能源和資源，盡可能對生態環境不造成或者造成極少量危害。因此，綠色產品設計可定義為面向不損害產品質量、功能及其制作過程的，能與環境相容的設計，具有良好的經濟性能和環境性能，故形象地稱作“搖籃到搖籃”。

其特色主要體現在以下幾點：

（1）智能的數據庫。綠色產品設計中所用數據庫因其包含產品全生命周期中有關使用性能、環境效益、經濟效益的所有數據，數據庫龐大復雜。[1]智能數據庫有效地模擬人的推理分析、聯系想象和記憶原理來實現對繁雜數據的存儲、搜索和修改。

（2）優良的環境友好性。設計要求具體產品在選擇材料到生產、使用、廢棄、回收處理所有過程中都對環境無害或有微小危害。因此，生產原料、制造工藝都要保持清潔，以保證生產出的產品對使用者的身體健康安全以及使用者的周圍環境不造成任何傷害，在后續報廢回收處理中回收利用率高，少有廢棄污染物。所以選材時宜采用可降解、可回收、無毒、無污染的材料。

（3）極高的資源利用率。自然資源尤其是不可再生資源的開發和利用一直都是人們的關注點，資源的破壞、濫用和不合理利用都嚴重制約了經濟的持續發展。還要注重分析所選材料的使用對產品設計、工藝及制造所帶來的影響及其重復利用的價值。[2]

2 基于數學知識的設計技術

2.1 有限元設計

秦凱維奇（O.C.Zienkiewicz）教授在他的名著《有限元法》中給出的有限元法定義：把連續體看成是有限個部分（有限元）的集合體，其性態由有限個參數所規定，在求解離散成有限元的集合體時，其有限單元應滿足連續體所遵循的規則。

迅猛發展的計算機技術與基本的數學理論知識相結合，使得有限元分析技術成為了工程數值分析中極效的數值分析方法。有限元設計將整體劃分為離散的單元體后再根據微積分的數學原理求解。其關鍵在將無限化為有限，可通過改變有限單元體的數目來實現不同精度的改變，使其更加接近實際尺寸，常用于工程設計中復雜的非線性非穩態問題的求解和復雜的靜態動態受力分析。就國內引進的一些有限元分析軟件而言，并不需要使用者熟知其工作原理，使用便捷操作簡單易上手，如SUPERSAP、ADINA、PROE等等。

2.2 優化設計

優化設計作為一門新興的獨立工程學科，它以數學中的最優化理論和現代計算機技術為基礎，以尋找出約束條件下的最優答案為目的。根據已知的設計參數建立合適的數學模型，將設計標準和要求抽象為約束條件并建立與之相對應的函數，然后利用計算機軟件進行復雜的計算，并求解出最優值，確定最佳方案，如蟻群算法就是一種新型的模擬螞蟻覓食的有效的優化算法。

2.3 可靠性設計

可靠性設計旨在發現并消除產品的潛在缺陷和改善其薄弱環節，以保證產品滿足給定的可靠性指標。產品設計中所選材料的強度、剛度、相應零部件的尺寸、受載情況等為隨機變量，并利用概率統計相關數學原理得出相應參數，以提高其安全概率。可靠性設計作為一門運用數學理論與方法的新型設計方法，發展至今天，已經成為機械設計中的有力工具，其發揮的作用也越來越重要。

3 基于IT技術的設計技術

3.1 并行設計

傳統的機械設計是按順序進行的，故稱作串行設計，因其工作區間相互獨立且一個時間做一項工作，故給設計方法不同階段信息交流少，可操作性差，耗費大量時間資源，效率低。而并行設計則是各項工作同時進行，作區間相互交叉重疊，各設計階段的專家可通過先進的計算機網絡技術進行信息的多層反復交互，發現問題可以及時修改彌補。因其用空間資源換取了時間資源，從而加快了設計工作的速度，提高了設計工作的效率。并行設計要求設計者從一開始就要考慮產品全部生命周期中各環節因素的影響，爭取最終制造一次成功。因其設計過程中，銷售者和使用者都考慮進去，所以最終產品能更好滿足用戶的需求，從而提高了產品的可靠性、實用性和市場競爭力。對于并行設計可以形象的描述為“運籌于帷幄之中，決勝于千里之外”。

3.2 網絡協同技術

網絡協同設計是利高效的協同機制在支撐平面上，將分散的設計資源和設計工作流統一起來共同開發設計產品。針對網絡上訪問、傳輸、修改等問題，網絡技術的發展使分布式數據庫和大量的數據管理成為現實。在公共數據庫知識庫的支撐下，各階段設計人員可以無阻礙通信，在此協調機制下，多小組可并行協調的進行設計。

3.3 智能設計

所謂智能設計便是利用計算機技術模擬人的思維方式進行構思計劃，在復雜問題前可以靈活分析出更有效地解決方法。將設計與人工神經網絡技術和及其學習技術等技術的結合，不僅更好地滿足了設計要求而且更大程度地實現了機械設計的自動化。

4 總結

“讓中國制造遍布世界的每個地方。”這是中國制造的追求目標，為此先進的設計制造技術是必不可少的。為更好地滿足市場對高質量高性能產品得需求，設計工作者僅掌握傳統的機械設計技術是遠遠不夠的，更需要熟練運用各種現代設計技術并大膽嘗試勇于創新。

參考文獻：

[1]袁馳.農業運輸機械的綠色設計.濰坊學院學報，2009，06.

[2]董俊華.現代設計技術在機械設計中的應用.河南機電高等專科學校學報，2007，01.

作者簡介：李路幀（1996），女，山東濱州人，山東農業大學在讀本科生。