機械現(xiàn)代化設計理論與方法

1、- - 機械現(xiàn)代化設計理論與方法21 世紀機械制造業(yè)競爭的是國際化的、動態(tài)化的和多元化的，它面臨著新的機遇，同時又存在著極大的危機。 隨著社會的不斷發(fā)展， 市場對機械產(chǎn)品的質(zhì)量、結構、功能、性價比以及外形的多樣化和個性化提出了更高的要求，同時由于環(huán)境資源的制約， 要求市場上有更多資源節(jié)約型、 可持續(xù)發(fā)展的機械產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。因此，制造業(yè)的競爭焦點，實際上就是設計的競爭，目前進行機械現(xiàn)代化設計理論與方法的研究比以往任何時期都更加顯得十分重要。1 機械現(xiàn)代化設計理論與方法的發(fā)展進程機械設計理論與方法的發(fā)展經(jīng)歷了二個歷史階段。一是 17 世紀前的“直覺設計階段”和17 世紀后的“經(jīng)驗設計階段” 、 “

2、傳統(tǒng)設計階段”，通常人們把它們統(tǒng)稱為 “傳統(tǒng)設計階段”。傳統(tǒng)的機械設計是以經(jīng)驗為基礎，運用設計手冊、數(shù)學和力學公式進行設計，這種設計方法的特點是：設計水平低、成功率低、花費大、信息反饋周期長， 它已遠遠不能滿足產(chǎn)品的功能需求和市場需求，必將逐漸淡出歷史的舞臺。二是目前的現(xiàn)代設計階段。隨著社會的發(fā)展， 人們生活水平的不斷提高， 人類對機械產(chǎn)品提出了越來越高的要求，這就使得機械設計的理論和方法不斷向前推進。同時科學技術的不斷進步，也為現(xiàn)代機械設計的理論和方法提供了手段。而設計理論和方法的進步往往會帶動產(chǎn)品的革新，從而形成良性循環(huán)。目前國內(nèi)外設計科學形成了不同的流派， 主要有以下幾個主要流派： 一是

3、英、美、日的創(chuàng)造性設計學派。他們認為設計包含創(chuàng)造、分析和決策三要素。強調(diào)創(chuàng)新性方法研究，系統(tǒng)工程、價值分析、安全技術、人機工程，市場分析及cad技術等。二是德國、北歐機械設計方法學學派。 他們強調(diào)系統(tǒng)總體設計， 層次細、規(guī)范詳細。三是俄羅斯、 東歐的新設計法學派。 他們強調(diào)基礎， 提倡發(fā)散、變性、收驗三步設計程式。四是中國的設計學。他們強調(diào)綜合、系統(tǒng)和適用性相統(tǒng)一。機械現(xiàn)代化設計方法是基于現(xiàn)代機械設計理論形成，而現(xiàn)代機械設計理論是對現(xiàn)代機械產(chǎn)品原理的科學總結，是判斷產(chǎn)品能否滿足設計要求的依據(jù)。隨著科學技術的發(fā)展， 機械設計理論和方法也在不斷前進，因此現(xiàn)代設計理論和方法有種類較多，目前主要有下列

4、四種：(1) 現(xiàn)代設計方法學。包括并行設計、系統(tǒng)設計、功能設計、模塊化設計、模糊設計、價值工程、反求工程技術、質(zhì)量功能- - 配置、綠色設計、面向?qū)ο蟮脑O計、工業(yè)造型設計。(2) 計算機輔助設計。包括優(yōu)化設計、有限元法、智能計算機輔助設計、 工程數(shù)據(jù)庫、 虛擬設計和模擬仿真。(3) 可信性設計。 包括安全設計、 可靠性設計、 動態(tài)分析與設計疲勞可靠性設計、防斷裂設計、 減摩耐磨設計、 防腐蝕設計、 健壯設計、 耐環(huán)境設計、維修性設計、測試性設計、人機工程設計。(4) 設計試驗技術。包括環(huán)保性能試驗、仿真與虛擬試驗、可靠性試驗。2 我國機械現(xiàn)代化設計理論和方法的現(xiàn)狀及發(fā)展方向據(jù) 2010 年統(tǒng)計

5、，我國制造業(yè)的工業(yè)增加值已居世界第二位，這說明中國已經(jīng)成為世界制造大國，但遠不是世界制造強國。這是因為我國的機械產(chǎn)品不僅缺乏自主知識產(chǎn)權， 缺乏自主創(chuàng)新產(chǎn)品， 而且在產(chǎn)品的性能和質(zhì)量上與發(fā)達國家的差距較大。據(jù)韓國產(chǎn)業(yè)銀行最近發(fā)表的韓、中主要產(chǎn)業(yè)技術競爭力分析報告稱，我國的技術競爭力落后韓國38 年，中韓在汽車和一般機械的差距在四年以上。改革開放后，我國的機械設計水平雖然有較大的進步，但與發(fā)達的美、德、日等工業(yè)化強國相比， 仍然相當于他們六七十年代的水平。我國機械制造業(yè)的落后說明了我國在機械產(chǎn)品設計理論、方法和技術領域的落后， 這也說明了加快發(fā)展我國機械產(chǎn)品現(xiàn)代設計理論方法研究的重要性和緊迫性。

6、二十世紀八九十年代， 我國機械行業(yè)為了打造 “數(shù)字化”和“信息化”工廠，許多企業(yè)花巨資購買了世界高端的cad cam cae 軟件，如 autocad、pr0/e 、ug 、ansys 和 adams 等，并培訓了一大批機械設計人員。但很多企業(yè)在cad 應用的深度和廣度仍有很大局限性，他們僅僅是利用cad 進行工程繪圖，只實現(xiàn)了機械設計的“甩圖板”目的，而三維cad/cam/cae、仿真設計等應用卻很少。采用先進的cad 軟件進行工程繪圖或做產(chǎn)品結構優(yōu)化計算，確實能減輕設計人員的工作強度， 提高機械設計效率， 但機械設計不等于計算， 也不等于機械制圖加計算，它并不能從根本上解決中國目前機械設計

7、水平低下的問題。在機械產(chǎn)品生命全周期中，由于設計成本只占制造總成本的3% 左右，而設計階段決定了產(chǎn)品的結構、功能、質(zhì)量、成本、可制造性、可維修性等主要性能指標，所以設計階段決定了產(chǎn)品整個成本的70% 左右，制造階段及后續(xù)其他相關階段只決定約30% 的總成本。因此大力開展現(xiàn)代設計理論方法的研究，并把現(xiàn)代設計理論方法在我國制造業(yè)中推廣使用，對于提高我國機械制造業(yè)在世界市場上的競爭能力，- - 具有重要的意義。目前機械現(xiàn)代化設計理論與方法的發(fā)展趨勢是：在性能上向高精度、高效率、智能化的方向發(fā)展；在功能上向小型、輕型、多功能化方向發(fā)展；在層次上向集成化方向發(fā)展。 具體來講是： 設計對象由單機走向系統(tǒng)；

8、 設計要求由單目標走向多目標，產(chǎn)品設計周期縮短； 設計所涉及的領域由單一領域走向多個領域；產(chǎn)品設計由自由發(fā)展走向有計劃的發(fā)展；設計工作的人員從單人走向小組；設計的發(fā)展要適應科學技術的發(fā)展；綠色設計思想。3 現(xiàn)代機械設計方法理論的范疇和特點現(xiàn)代機械設計理論和方法是對傳統(tǒng)設計方法的繼承、創(chuàng)新和發(fā)展，它是將機械技術、信息技術、微電子技術、計算機技術、控制技術和管理科學等有機地加以綜合，形成的一門多學科、 多專業(yè)相互交融的系統(tǒng)設計科學。如果從系統(tǒng)的觀點分析，現(xiàn)代機械設計理論和方法又是一個由時間維、邏輯維、 方法維組成的三維系統(tǒng)。時間維反映了產(chǎn)品規(guī)劃、 方案設計、 技術設計和加工設計流程的時間順序；邏輯

9、維是指解決問題的邏輯步驟，現(xiàn)代機械設計采取先分析、再綜合、然后評價、最后決策的步驟； 方法維是指機械設計設計過程中的各種思維方法和工作方法?，F(xiàn)代機械設計采用各種先進的設計理論方法，使機械設計進入優(yōu)質(zhì)、 高效和創(chuàng)新的新時代。現(xiàn)代機械設計具有的范疇如下：(1) 信息論方法。如信息分析法，技術預測等。(2) 系統(tǒng)論法。如系統(tǒng)分析法， 人機工程等。 (3) 控制論法。如動態(tài)分析法等。(4) 優(yōu)化論法。它是現(xiàn)代設計法的目標。(5) 對應論方法。如相似設計、反求工程設計等。 (6) 智能論方法。如cad ，計算機輔助分析等，它是現(xiàn)代設計方法的核心。(7) 壽命論方法，如可靠性和價值工程等。(8) 離散論方

10、法。如有限元和邊界元方法。 (9) 模糊論方法。如模糊評價和決策等。(10) 突變論方法。如創(chuàng)造性設計等，它是現(xiàn)代設計方法的基礎。(11) 藝術論方法。如藝術造型等。傳統(tǒng)機械設計方法設計者是根據(jù)機械設計的任務和目標，以生產(chǎn)經(jīng)驗數(shù)據(jù)作為設計依據(jù)，運用一些基本的設計計算理論，采用模擬、類比、試湊等方法進行設計。由于試驗和測試條件差、技術水平低，整機的性能分析也難以深入，因此新產(chǎn)品的研發(fā)往往需要經(jīng)多次試驗和修改，從而造成產(chǎn)品設計時間長、耗費大、所謂滿意往往帶有很大的主觀性等問題。而現(xiàn)代機械設計理論與方法是在多學科- - （思維科學、信息科學、系統(tǒng)工程、計算機技術等學科）支持下，研究機械設計規(guī)律、設計

11、技術和工具、設計實施方法的工程技術科學，它具有下列特點：31 創(chuàng)新性創(chuàng)新是一個國家和民族的靈魂，是生存、發(fā)展壯大的前提。 現(xiàn)代機械設計依托的是先進設計理論和設計工具，它能使設計者的創(chuàng)造性思維能力得到充分發(fā)揮，使設計者靈活運用各種創(chuàng)造性的手法，開發(fā)出高質(zhì)量、低成本、服務優(yōu)且符合環(huán)保概念的產(chǎn)創(chuàng)新品。32 系統(tǒng)性現(xiàn)代機械設計注重用系統(tǒng)的觀點來看待設計問題它既考慮產(chǎn)品本身，還考慮對系統(tǒng)和環(huán)境的影響，即注重人機環(huán)境的大系統(tǒng)關系。33 動態(tài)性。傳統(tǒng)機械設計只考慮產(chǎn)品的的靜態(tài)特性，而現(xiàn)代機械設計需要同時考慮產(chǎn)品的靜態(tài)和動態(tài)特性，考慮產(chǎn)品與外部環(huán)境的物質(zhì)流、能量流和信息流的交換。34 前瞻性在產(chǎn)品設計初期，現(xiàn)

12、代機械設計不僅考慮產(chǎn)品生命周期的全過程和各個階段的性能要求， 同時還考慮系統(tǒng)和環(huán)境的影響。 這種具有前瞻性的設計可以讓人們及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的潛在缺陷， 將可能發(fā)生的機械故障減小到最低程度，它能保證自然生態(tài)資源的平衡， 實現(xiàn)人類的可持續(xù)發(fā)展。 例如，電動汽車的出現(xiàn)就是一個反映現(xiàn)代機械設計具有前瞻性的例證，在電動汽車設計過程中， 設計人員既考慮了有關電動汽車的技術問題， 又考慮了駕駛操作方便、 乘客安全舒適以及動力燃料供應、城市布局、道路發(fā)展規(guī)劃等社會問題。35 多學科理論和技術的交融性現(xiàn)代設計理論方法是一門新興的綜合性交叉學科，它交叉與融合了現(xiàn)代設計方法學、可靠性設計技術、有限元方法、計算機輔助設計

13、技術、工業(yè)造型設計等多種學科。例如，可靠性設計涉及產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、使用、管理、貯存、運輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)，它是將概率與統(tǒng)計理論、 失效物理和機械學等多種學科有機相結合起來的一門綜合性很強的科學。 由于現(xiàn)代機械設計理論方法具有多學科理論和技術的交融性，因此現(xiàn)代機械設計減小了傳統(tǒng)設計中經(jīng)驗設計的盲目性和隨意性，提高了設計的主動性、科學性和準確性。- - 36 并行化、自動化、計算機化傳統(tǒng)設計方式是由許多部門用串行工作方法參與設計，由于信息是串行的，采用人工檢索資料、手工計算和繪圖，因此易造成大量返工，且質(zhì)量難保證，設計過程漫長?，F(xiàn)代設計方法是新理論與計算機應用相結合的產(chǎn)物, 采用計算機化后可進行并行設計

14、， 可把人們的經(jīng)驗、 智慧和創(chuàng)造力與計算機高速運算的功能有機地結合起來。隨著計算機軟硬件的發(fā)展以及工程數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡技術的廣泛應用，機械設計數(shù)據(jù)的準確性、 穩(wěn)定性大大提高， 提高了工程技術人員的設計效率，設計手段也更加精確，設計方法更加現(xiàn)代化。4 械現(xiàn)代化設計原則4.1 功能滿足原則顧客要購買的不是產(chǎn)品本身而是產(chǎn)品的功能, 功能實際上是體現(xiàn)了顧客的某種需要。機械設計的目的是構造能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)定功能的機械產(chǎn)品。如果產(chǎn)品不具備要求的功能 , 設計就會失去價值。滿足功能是各類產(chǎn)品設計的首要原則。4.2 質(zhì)量保障原則質(zhì)量是產(chǎn)品的生命 , 保證質(zhì)量是產(chǎn)品設計的重要原則。 產(chǎn)品質(zhì)量主要由性能和可靠性決定 , 故

15、這類原則主要包括 : 性能指標、可靠性、強度原則、剛度原則、穩(wěn)定性、抗磨損性、抗腐蝕性、抗蠕變性、動態(tài)特性、平衡特性、熱特性等。4.3 工藝優(yōu)良原則現(xiàn)代機械設計 , 工藝為本。工藝優(yōu)良原則要求設計能夠并且容易通過生產(chǎn)過程實現(xiàn) , 它包括 : 可制造性、可裝配性、可測試性等。4.4 經(jīng)濟合理原則傳統(tǒng)的機械設計原材料消耗大, 設計周期長 , 反復多 , 浪費嚴重?，F(xiàn)代機械設計要求產(chǎn)品具有較低的開發(fā)成本、制造成本、使用成本和維護成本。4.5 可持續(xù)原則要求考慮產(chǎn)品投放市場后的表現(xiàn)行為, 包括環(huán)境友好性、 環(huán)境適應性、 人機友好性、可維護性、可安裝性、可拆卸性、可回收性等。5 機械現(xiàn)代化設計理論與方法

16、機械現(xiàn)代化設計理論與方法是以設計機械產(chǎn)品為目標的一個知識群的總稱, 有一個完善和發(fā)展的過程。 本文僅介紹幾種相對比較成熟、 應用較為廣泛的理論- - 與方法。5.1 系統(tǒng)化設計5.1.1 系統(tǒng)化設計的主要思想將設計看成是由若干個設計要素組成的一個系統(tǒng), 每個要素具有相對獨立性, 各個要素之間存在著有機聯(lián)系, 并具有層次性 , 所有的設計要素按照一定的模式結合后 , 即可實現(xiàn)系統(tǒng)所需完成的任務。機械系統(tǒng)就是由各個機械基本要素組成的 , 完成所需的動作或動作過程, 實現(xiàn)機械能的變化 , 代替人類勞動的系統(tǒng)。5.1.2 系統(tǒng)化設計的基本內(nèi)容（1）確定設計目標和要求。 根據(jù)客戶需求 , 確定設計參數(shù)

17、, 選定約束條件 , 編寫設計任務書和產(chǎn)品開發(fā)計劃。（2）原理方案設計。設計師充分發(fā)揮自己的專業(yè)知識、實踐經(jīng)驗和創(chuàng)新能力, 構思出能達到預期結果的原理方案。（3）結構方案設計。即確定零部件的形狀、尺寸、材料, 進行強度、剛度、可靠性等分析計算 , 畫出結構草圖。（4）總體設計。在原理方案和結構方案設計的基礎上, 全面考慮產(chǎn)品的總體布局、工藝造型、人機工程等因素, 畫出總裝圖。（5）施工設計。將總裝圖分解成零部件圖, 根據(jù)加工、裝配要求 , 標注公差、配合及技術要求 , 繪制出全部生產(chǎn)圖紙和說明書。5.1.3 系統(tǒng)化設計的一般步驟系統(tǒng)化設計的一般步驟如圖1 所示: 5.2 優(yōu)化設計52.1 優(yōu)化

18、設計的有關概念優(yōu)化設計是上世紀60 年代發(fā)展起來的一門新興學科, 它是最優(yōu)化技術和計算機技術在設計領域應用的結果。 所謂優(yōu)化就是對問題的尋優(yōu), 人們都希望所從事的工作能盡可能做好, 以期望得到一個最為滿意的目標。 優(yōu)化設計為機械設計提供了一種重要的科學設計方法, 在解決復雜設計問題時, 能從眾多的設計方案中找到盡可能完善、最適宜的設計方案。優(yōu)化設計主要包括兩部分內(nèi)容: 一是優(yōu)化設計的建模技術 ; 另一個是優(yōu)化設計問題的求解技術。 機械設計問題的優(yōu)- - 化, 可以表達為一組優(yōu)選的設計參數(shù), 在滿足一系列限制條件下, 使設計指標達到最優(yōu)。5.2.2 優(yōu)化設計的數(shù)學模型優(yōu)化設計的數(shù)學模型由設計變量

19、、 目標函數(shù)和設計約束三部分組成, 稱為優(yōu)化設計的三要素。設計變量 :tx），（n21xxx目標函數(shù)：minf(x)設計約束：npvxhvmuxu2, 1,0)(2, 10)(g，5.2.3 優(yōu)化設計的求解方法求解方法可分為準則法和數(shù)學規(guī)劃法兩大類。準則法就是根據(jù)力學或其他原則, 構造達到最優(yōu)的準則 , 如滿應力準則等。數(shù)學規(guī)劃法是從解極值問題的數(shù)學原理出發(fā) , 運用數(shù)學規(guī)劃的方法來求解最優(yōu)解, 如線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃等。5.2.4 優(yōu)化設計的步驟優(yōu)化設計的基本步驟如圖2 所示: - - 5.3 價值工程5.3.1 價值工程的有關概念價值工程是以提高實用價值為目的, 以功能分析為核心 , 以開

20、發(fā)集體智力資源為基礎 , 以科學分析方法為工具 , 用最少的成本支出達到最合適的產(chǎn)品功能的產(chǎn)品開發(fā)的科學方法。 其實質(zhì)是將技術與經(jīng)濟、 功能與成本、 企業(yè)利益與用戶要求結合起來進行定量分析的設計方法, 以達到提高產(chǎn)品使用價值的目的。 在價值工程中 , 產(chǎn)品價值是產(chǎn)品功能與產(chǎn)品成本的綜合反映, 三者之間的關系為v = f/c 式中: v 產(chǎn)品的價值 ; f產(chǎn)品的功能 ; c產(chǎn)品的壽命周期成本。5.3.2 價值工程的功能分析- - 顧客要購買的不是產(chǎn)品本身而是產(chǎn)品的功能, 功能實際上是體現(xiàn)了顧客的某種需要。足功能是各類產(chǎn)品設計的必要原則。功能分析是價值工程的核心, 包括功能定義和功能整理。 其目的

21、就是在滿足用戶基本功能的基礎上, 確保和增加產(chǎn)品的必要功能 , 剔除或減少不必要功能。（1）功能定義。功能定義是對價值工程對象及其組成部分的功能所作的明確表述。常采用“兩詞法”（即動賓詞組法 ) 來簡明扼要地表述。如車床產(chǎn)品的功能是“車削工件”。（2）功能整理。功能整理是對定義出的功能進行系統(tǒng)分析、整理, 明確功能之間的關系 , 分清功能類別 , 建立如圖 3 所示的功能系統(tǒng)圖。5.3.3 價值工程的工作程序價值工程的工作程序如表1 示: 5.4 反求工程5.4.1 反求工程的基本介紹反求工程 (reverse engineering,re),也稱逆向工程、反向工程, 是指用一定的測量手段對實

22、物或模型進行測量, 根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重構實物的cad模型的過程 , 是一個從樣品生成產(chǎn)品數(shù)字化信息模型, 并在此基礎上進行產(chǎn)品設計開發(fā)及生產(chǎn)的全過程。反求工程技術是測量技術、 數(shù)據(jù)處理技術、 圖形處理技術和加工技術相結合- - 的一門綜合性技術。 隨著計算機技術的飛速發(fā)展和上述單元技術逐漸成熟, 近年來在新產(chǎn)品設計開發(fā)中愈來愈多地被得到應用。因為在產(chǎn)品開發(fā)過程中需要以實物(樣件) 作為設計依據(jù)、參考模型或作為最終驗證依據(jù)時尤其需要應用該項技術。所以在汽車、摩托車等的外形覆蓋件和內(nèi)裝飾件的設計、家電產(chǎn)品外形設計、藝術品復制中對反求工程技術的應用需求尤為迫切。反求工程技術不同于一般常規(guī)的產(chǎn)品仿制, 采用反求技術開發(fā)的產(chǎn)品往往比較復雜 , 通常由一些復雜曲面構成 , 精度要求也比較高。 需要專業(yè)人員運用豐富的工程設計經(jīng)驗、知識和創(chuàng)造性思維, 對已有產(chǎn)品進行解剖、深化和再創(chuàng)造,