現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法研究及其創(chuàng)新

屈青珩 張莫凡 陳昊兵

摘 要：在現(xiàn)階段的機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)中，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用有效的縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本，受到了人們的重點(diǎn)關(guān)注。本文從現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的概述入手，簡(jiǎn)要分析了現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的常用方法，并就現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，期望能為日后研究現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)及其創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供一定的幫助。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)方法；創(chuàng)新；

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法已經(jīng)滿足不了機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展需要，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與與信息技術(shù)進(jìn)行了融合，提升了機(jī)械設(shè)計(jì)的質(zhì)量，創(chuàng)新了機(jī)械設(shè)計(jì)的工藝，有效的提高了工業(yè)的生產(chǎn)水平。故而對(duì)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)及其創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，對(duì)促進(jìn)我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展和推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有非常積極的意義。

一、現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)計(jì)，是機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中的第一步，對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品的性能有著重要的影響。現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)，是在傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上融合了信息技術(shù)、設(shè)計(jì)理論、思維科學(xué)等相關(guān)的理論方法，所形成的新型機(jī)械設(shè)計(jì)方法。這就使得相較于傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)，應(yīng)用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法生產(chǎn)制造出來(lái)的產(chǎn)品，具有更全面化、人性化的功能設(shè)計(jì)，會(huì)更符合人們的使用需求。

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：一是綠色環(huán)保，與傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)只一味的追求產(chǎn)品的低成本不同，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)更加注重產(chǎn)品性能與環(huán)境的平衡協(xié)調(diào)，并在設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)性的對(duì)產(chǎn)品的回收利用進(jìn)行了分析，能最大限度的節(jié)約能源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，更符合當(dāng)前經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。二是適應(yīng)市場(chǎng)的發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的主動(dòng)性更強(qiáng)，其會(huì)更容易適應(yīng)不斷變化的市場(chǎng)環(huán)境，更符合人們的實(shí)用需求。三是設(shè)計(jì)周期短，應(yīng)用傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)來(lái)設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，需要先確定好相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，再根據(jù)設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)出樣品，之后再對(duì)樣品進(jìn)行不斷的優(yōu)化分析，整個(gè)生產(chǎn)周期耗時(shí)較長(zhǎng)，還會(huì)花費(fèi)較多的人力、財(cái)力。現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)融合了多項(xiàng)的信息技術(shù)，其能在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行產(chǎn)品的仿真模擬設(shè)計(jì)，并設(shè)定相應(yīng)的程序進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，能有效的縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，同時(shí)降低產(chǎn)品的成本。

二、常用的現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法

（1）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）設(shè)計(jì)一種常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方法，其利用相關(guān)的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)如建模技術(shù)、工程分析技術(shù)等，有效的縮短機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。而且利用計(jì)算機(jī)的儲(chǔ)存信息，更方便對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較分析，能提高機(jī)械設(shè)計(jì)的效率，加快了機(jī)械產(chǎn)品的更新速度，從而提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

（2）系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法會(huì)對(duì)產(chǎn)品的每個(gè)組成要素進(jìn)行針對(duì)性的分析設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法重視的是單個(gè)組成要素的使用性能，有可能會(huì)出現(xiàn)組成要素之間的不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，影響機(jī)械產(chǎn)品的整體性能。現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)更注重尋求產(chǎn)品各個(gè)組成要素之間的聯(lián)系，其追求的是在保證各個(gè)組成要素獨(dú)立性的同時(shí)，使各個(gè)組成要素之間有層次的形成系統(tǒng)性的聯(lián)系，使得產(chǎn)品更加系統(tǒng)化、柔性化。另外，應(yīng)用系統(tǒng)化的分析設(shè)計(jì)方法，還可以將整個(gè)機(jī)械產(chǎn)品劃分為較為簡(jiǎn)單的多個(gè)子系統(tǒng)，之后對(duì)這些有一定關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)進(jìn)行分析，能有效的提升機(jī)械設(shè)計(jì)的效率。

（3）有限元分析設(shè)計(jì)

有限元分析設(shè)計(jì)（FEA）是一種通過(guò)將產(chǎn)品劃分成一定數(shù)量的相互獨(dú)立又彼此有聯(lián)系的單位元，并應(yīng)用近似于數(shù)學(xué)的計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行模擬的設(shè)計(jì)方法。在解決一些非線性的問(wèn)題、非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題、靜態(tài)和動(dòng)力分析等問(wèn)題時(shí)，這種分析設(shè)計(jì)方法較其他的設(shè)計(jì)方法，準(zhǔn)確性更高，能明顯的提升問(wèn)題的解決效率。而且，利用有限元分析設(shè)計(jì)方法計(jì)算機(jī)械產(chǎn)品零件的強(qiáng)度和剛度時(shí)，其能準(zhǔn)確的計(jì)算出零件上應(yīng)力的分布范圍和變形區(qū)域。

（4）反求工程設(shè)計(jì)

通常的機(jī)械設(shè)計(jì)都是從無(wú)到有的進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，而反求工程設(shè)計(jì)是一種對(duì)原有機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理、相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法。反求工程設(shè)計(jì)是一種逆向思維的設(shè)計(jì)方法，利用這種方法可以大幅度的縮短機(jī)械產(chǎn)品的研究周期，特別是在當(dāng)前我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)制造水平相對(duì)落后于國(guó)際頂尖水平，應(yīng)用反求工程設(shè)計(jì)能有效的促進(jìn)我國(guó)機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。

三、現(xiàn)代機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法

（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，利用相關(guān)數(shù)學(xué)理論和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，來(lái)尋求最優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。在優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用中，數(shù)學(xué)模型的建立是其重點(diǎn)，還需要應(yīng)用到最優(yōu)化、非線性分析等方法。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，設(shè)計(jì)人員能在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面的分析，能有效縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整個(gè)周期。而且通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，設(shè)計(jì)人員能夠獲得精確性更高的設(shè)計(jì)信息，從而提升設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量。在目前的機(jī)械設(shè)計(jì)中，優(yōu)化設(shè)計(jì)也經(jīng)常與其他設(shè)計(jì)方法結(jié)合，如優(yōu)化設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)結(jié)合。

（2）可靠性設(shè)計(jì)

可靠性設(shè)計(jì)是一種融合了多學(xué)科（數(shù)理統(tǒng)計(jì)、機(jī)械學(xué)、失效物力等）的設(shè)計(jì)方法。可靠性設(shè)計(jì)通過(guò)利用概率統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)方法將常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)中所涉及的應(yīng)力、可靠度、載荷、使用年限、強(qiáng)度等變量作為了隨機(jī)變量進(jìn)行分析，從而得出符合可靠性設(shè)計(jì)要求的相關(guān)參數(shù)和尺寸。

（3）并行設(shè)計(jì)

常規(guī)的機(jī)械設(shè)計(jì)多應(yīng)用串行工程的設(shè)計(jì)方法，這是一種環(huán)環(huán)相扣的設(shè)計(jì)方法，產(chǎn)品各個(gè)環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系緊密，必須是前一個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)完成后，才能進(jìn)行下一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，這就在無(wú)形中延長(zhǎng)了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，增加了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本。并行設(shè)計(jì)是一種集成、并行的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法，其利用工程數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)的相關(guān)技術(shù)，建立了一種協(xié)同化的設(shè)計(jì)模式，打破了各個(gè)結(jié)構(gòu)單元之間的界限，有效的降低了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)成本。

（4）變形設(shè)計(jì)

變形設(shè)計(jì)是一種通過(guò)分析原有機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、原理、性能等，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的方法。具體來(lái)說(shuō)，變形設(shè)計(jì)就是在原有機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、原理、性能不變的情況下，對(duì)產(chǎn)品的性能或者是參數(shù)進(jìn)行一定的調(diào)整，從而滿足人們使用需求的設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法分為縱系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)、橫系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)、跨系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)等類型，其中縱系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)是指在不改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、原理、性能，而只改變相關(guān)的零件參數(shù)和尺寸的設(shè)計(jì)；橫系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)是指在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對(duì)其性能進(jìn)行全新的改變；跨系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)是指對(duì)于參數(shù)不同的不同類型的機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（5）模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)是一種通過(guò)組合不同的功能模塊來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法，其中功能模塊的劃分需要先對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能、性能、規(guī)格的分析。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，應(yīng)用模塊化的設(shè)計(jì)方法不僅能有效的減少產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間，還能加快產(chǎn)品的更新速度，也方便了產(chǎn)品的維修。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)融合了多項(xiàng)的先進(jìn)信息科學(xué)技術(shù)，具有綠色環(huán)保、設(shè)計(jì)周期短、適應(yīng)市場(chǎng)的發(fā)展等特點(diǎn)。對(duì)現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法和機(jī)械設(shè)計(jì)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，可以發(fā)現(xiàn)其發(fā)展已較為完善。雖然其中的一些設(shè)計(jì)方法還不成熟，但相信隨著機(jī)械設(shè)計(jì)方法的開(kāi)發(fā)創(chuàng)新，其會(huì)更好的促進(jìn)我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展，同時(shí)推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的更快發(fā)展。

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