浅谈现代机械设计方法

徐伟

广东联合富士电梯有限公司

摘要：笔者主要从现代设计的组成，以及现代机械设计方法概述了本文主题，旨在与广大学者共同探讨学习。

关键词：现代机械理论；设计方法；创新

一、现代设计的组成

现代机械设计是对传统设计方法发展和继承的产物，以科学理论为基础，以计算机为工具，运用知识进行创新创造的方法。现代设计已经形成分析与综合、收敛与发散、对应于联想、分散与组合、换元与移植、正与反等一系列的思维法则，以及智暴法、635法、陈列法、戈顿发、输入与输出法等科学组织的多种思维方法。

1.现代设计方法

产品设计过程来看广义设计体系有产品规划、概念设计、技术设计、施工设计和服务设计。产品设计对象来看简单的普通零件，由机、电、磁、光、液、软件、仿生等物质、信息和能量的高度耦合的极限系统于产品的全部构成。

初步统计设计方法有50种左右，如：计算机辅助设计、概念设计、结构设计、优化设计、可靠性设计、标准化设计、可视化设计、虚拟设计、数字化设计、仿生设计、智能设计、摩擦学设计、TRIZ设计、三次设计、有限元方法及无网格法、CAX集成设计等。如广义质量的产品质量功能化设计、动态优化设计、智能控制系统设计和可视化设计的综合设计方法，基于QFD，TRIZ和三次设计的集成话设计方法等。

2.现代设计工具和平台

现代设计工具和平台是现代设计的重要组成部分，主要由硬件和软件两类，然而实际中是硬软件结合使用。现代设计的工具和平台主要有：CAX系统；DFX类；仿真系统类；数据库，知识库类。

二、现代机械设计方法

创新设计是机械设计领域中对专业知识和设计经验的一个综合，在设计过程中能够真正体现出机械产品的真实价值，所设计的产品一般都是由人的主观能动性和创造性思维共同促成，这也是形成新思维模式的一种方法。对机械设计进行创新时，首先要充分发挥人的主观意识和想象力，能够在机械设计的过程中，运用现代化的机械设计方法来对产品进行创新设计，

其设计模式也要选择现代化的科学思维方式来对设计理念进行分析，并且要求运用现代化的科学方法和工具来保证设计过程的完整性。在实际的机械设计过程中还要保证设计的创造性，尤其在对新产品进行设计时，要凸显创新意识。

现代机械设计的创新主要包括两方面的内容：第一，通过创新使已经成型的产品更加具有技术性和可靠性。第二，从其他方面挖掘创新设计点，通过创新设计出机械产品来满足人们日益增长的生产生活需求。这两方面的创新与创新思维模式紧密联系在一起，而且与科学技术手段和设计工具也存在紧密联系。

1.机械创新设计步骤

机械创新设计步骤有四步：第一步是研究机械产品的工作原理本质；第二步是对产品结构进行分析，对其类型进行综合；第三步是对机械产品的运动机理、尺度及参数进行优选；第四步是综合分析和调优。机械创新设计步骤的具体内容如图1，机械创新设计具体过程。

图1机械创新设计具体过程

2.机械创新设计分类

机械创新设计技术，除了基础的机械设计科学基础，还包括机械系统设计（MechanicalSystemDe-sign）、计算机辅助设计（ComputerAidedDesign）、可靠性设计（ＲeliabilityDesign）、有限元设计（Finiteele-mentdesign）、反求设计（ＲeverseDesign）、优化设计（Optimaldesign）、变形设计（VariantDesign）、并行设计（ConcurrentDesign）等。

（1）计算机辅助机械设计方法

随着计算机技术的不断发展，改变了机械设计的方式。计算机辅助设计（ComputerAidedDesign），人们通常将其简称为CAD，在机械设计领域具有重要的地位。计算机辅助设计在机械设计领域中的应用改变了传统的机械设计方法，提高了机械设计的效率和准确性。计算机辅助设计系统中包括两部分的内容。第一部分是硬件系统，这是计算机辅助系统能够运行的物质基础。第二部分是软件系统，软件系统又可以细分成系统软件、应用软件等具体的内容。应用计算机辅助设计系统进行机械设计的具体流程如下所述。首先，要建立数学模型。一些比较常见的机械都有固定的数学模型，不需要设计者再重新进行设计。其次，是进行程序框图设计。再次，是编写程序。主要是依靠上一步设计的程序框图进行程序编写。最后，是调试程序。只有当调式的结果和手工计算的结果完全相同时才可以将设计结果投入使用。

（2）有限元分析方法

随着科学技术水平的发展，相关的科研计算方法也更加完善和成熟，从而为现代机械设计提供了便利。例如，有限元分析法就是伴随计算机技术的发展而衍生出的一种新型设计计算方法，它最早出现于连续力学领域，服务于数值分析，后来因其在数值计算分析方面的便利性，又被广泛应用于热学领域和磁学领域，现在又被引入了机械设计领域。有限元分析法就是将分析对象拆分为若干个具有一定形状的单位元，这些单位元之间彼此分离却又存在联系，然后再确定分析对象各个变量并通过联立方程求解，最后再将结果进行整理分析的分析方法。例如，在使用有限元分析软件ANSYS时，首先根据对象的特征建立有限元模型，通常将平面分析对象看作四边形，立体分析对象则视为六面体，其次由设计人员确定单元参数，并计算单元函数，最后将结果收集起来，进行分析，从而得出结论。

（3）可靠性设计

这一设计也是当前机械设计中工程师们追求的主要目标。可靠性是衡量产品质量的重要指标。一般来说，可靠性设计与常规设计基本上都可以实现对应，常规的设计手段是凭借着多年的经验来进行设计，而可靠性设计则是在常规设计的基础上进行了延伸，更加系统地明确了科学分析与设计变量之间的关系。机械的可靠性设计融合了当前各个学科的知识点，并且将常规设计中的变量直接转变为随机变量，以分布规律为基准，运用相关的统计方法来对机械产品进行设计，从而满足可靠性的要求。

（4）优化设计

优化设计（optimizationdesign）是在数学规划理论和计算机的基础上，在相关约束下，寻求最优方案以满足设计目标的一种创新设计方法。优化设计运用计算机技术计算数学函数以求取最优，寻求最优的过程中融入了最优化方法、优化策略，分线性和非线性进行逐步逼近，最终求的最优设计。另外，优化设计还可以与模糊设计相结合，形成功能更加强大的模糊优化设计。我国的有些设计领域已经开始应用优化设计方法进行设计，但在机械设计行业仍然是一个发展、探索和创新的方向。

（5）变形设计

变形设计是在原机械产品基础上进行标准化、系列化的设计，以满足使用者的多种需求。对产品原理、功能和结构进行研究，进行功能扩展，设计横向的系列产品。另外，也可进行跨系列产品的设计，是产品具有更好的动力，这也是一种变形设计。归根结底是要设计出更加完美、完善的产品。

（6）并行设计

传统机械设计是串行设计方法，该方法的弊端是环环相扣，周期长，成本高。并行设计又叫同步工程、集成工程，顾名思义，并行设计是一种集成化的、系统化的设计方法，同样也是以工程数学和计算机为基础，打破传统的系统内部的机构、单元和过程，建立协同的模式进行设计，实现机械设计制造一体化，充分考虑质量、周期和成本的多重因素的一种设计方法。因此，并行设计是一种集成的设计方法。

（7）反求设计

反求设计是在已有产品的基础上进行分析和研究，从其功能原理和部件的设计关键技术中进行改进、创新或是探求新的设计和实现思路。反求设计方法目前是很多发达国家发展科学技术、开发新产品的研究设计方法之一。反求设计要解决的关键技术包括以下方面。

1）探索更实用的测试测量方法，研制更实用的设备，以提高测量精度和准度。

2）利用三维重构方法软件，提高设计计算精度，减小不必要误差。

3）融合工程数学、人工智能等，形成自己的一套设计还原技术，完成对原有设计的反求。

4）研究适合反求设计的产品模型技术，将配套产品建立模型，以便于原始参数的反求还原。

5）对产品设计精度进行功能分析，设计实现原有还原的软件工具。

目前，国内还有另外一种现代机械设计方法划分，具体如下。

①系统化设计，寻找完成设计的产品的组成要素和各要素之间的关系，将要素结合，从而完成设计，比如：元素设计法、图形结合建模法、矩阵设计法等。

②结构模块化设计方法，即将设计按照产品结构进行分解细化，分别进行设计，在早期规划阶段就可以将设计中可能存在的问题和矛盾及时发现，具有一定的预测能力和节约成本效果，能高效的协调解决设计过程中的问题，因此具有较高的设计效率和可靠性。

③基于产品特征的设计方法，利用计算机语言描述产品特征，采用专家经验，建立产品相关的知识库和推理机制，利用计算机进行辅助设计，实现产品的方案设计。一般有编码法、目录法、实例法。

④智能化设计方法，以力学理论知识为基础，借助于ANSYS、有限元等三维设计软件进行虚拟的智能的设计，然后用多媒体甚至是超媒体进行结构设计。总之，这些现代机械设计方法都是机械设计者的进行创新设计的好帮手，创新设计是机械人员不懈努力的方向。

结语：

总之，随着现代科学技术的不断发展，用户对机械产品设计的要求不断提高。传统的机械设计方法已经不能满足现代工业发展的需要。在这种背景下，现代机械设计应运而生。相比于传统的机械设计而言，现代机械设计的水平有了很大提高，采用的设计方法和设计手段愈加多样化。

参考文献

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