基于現代機械設計理論方法特點與研究進展的探討

蔡郭生，王篤雄

（揚州大學 機械學院，江蘇 揚州 225009）

基于現代機械設計理論方法特點與研究進展的探討

蔡郭生，王篤雄

（揚州大學 機械學院，江蘇 揚州 225009）

闡述了機械設計學科的發展歷史，現代機械設計理論方法的特點、范疇和內涵.分析了我國機械設計領域與發達工業國家存在的差距及現代機械設計理論方法的發展方向，提出了只有下功夫彌補現代機械設計理論的不足，才能使我國的機械設計水平整體提升的觀點.

機械設計理論；設計方法；發展趨勢

2l世紀機械制造業競爭的是國際化的、動態化的和多元化的，它面臨著新的機遇，同時又存在著極大的危機.隨著社會的不斷發展，市場對機械產品的質量、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，同時由于環境資源的制約，要求市場上有更多資源節約型、可持續發展的機械產品不斷涌現.因此，制造業的競爭焦點，實際上就是設計的競爭，目前進行現代機械設計理論方法的研究比以往任何時期都更加顯得十分重要.

1 機械現代設計理論及方法的發展進程

機械設計理論方法的發展經歷了二個歷史階段.一是17世紀前的“直覺設計階段”和17世紀后的“經驗設計階段”、“傳統設計階段”，通常人們把它們統稱為“傳統設計階段”.傳統的機械設計是以經驗為基礎，運用設計手冊、數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.二是目前的現代設計階段.

隨著社會的發展，人們生活水平的不斷提高，人類對機械產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品的革新，從而形成良性循環.

目前國內外設計科學形成了不同的流派，主要有以下幾個主要流派：一是英、美、日的創造性設計學派.他們認為設計包含創造、分析和決策三要素.強調創新性方法研究，系統工程、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.他們強調系統總體設計，層次細、規范詳細.三是俄羅斯、東歐的新設計法學派.他們強調基礎，提倡發散、變性、收驗三步設計程式.四是中國的設計學.他們強調綜合、系統和適用性相統一.

現代機械設計方法是基于現代機械設計理論形成，而現代機械設計理論是對現代機械產品原理的科學總結，是判斷產品能否滿足設計要求的依據.隨著科學技術的發展，機械設計理論和方法也在不斷前進，因此現代設計理論和方法有種類較多，目前主要有下列四種：(1)現代設計方法學.包括并行設計、系統設計、功能設計、模塊化設計、模糊設計、價值工程、反求工程技術、質量功能配置、綠色設計、面向對象的設計、工業造型設計.(2)計算機輔助設計.包括優化設計、有限元法、智能計算機輔助設計、工程數據庫、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.包括環保性能試驗、仿真與虛擬試驗、可靠性試驗[1].

2 現代機械設計方法理論的范疇和特點

現代機械設計理論和方法是對傳統設計方法的繼承、創新和發展，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、多專業相互交融的系統設計科學.如果從系統的觀點分析，現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.時間維反映了產品規劃、方案設計、技術設計和加工設計流程的時間順序；邏輯維是指解決問題的邏輯步驟，現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.現代機械設計采用各種先進的設計理論方法，使機械設計進入優質、高效和創新的新時代[2].

現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)系統論法.如系統分析法，人機工程等.(3)控制論法.如動態分析法等.(4)優化論法.它是現代設計法的目標.(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.如創造性設計等，它是現代設計方法的基礎.(11)藝術論方法.如藝術造型等[1].

傳統機械設計方法設計者是根據機械設計的任務和目標，以生產經驗數據作為設計依據，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，因此新產品的研發往往需要經多次試驗和修改，從而造成產品設計時間長、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、系統工程、計算機技術等學科）支持下，研究機械設計規律、設計技術和工具、設計實施方法的工程技術科學，它具有下列特點：

2.1 創新性.創新是一個國家和民族的靈魂，是生存、發展壯大的前提.現代機械設計依托的是先進設計理論和設計工具，它能使設計者的創造性思維能力得到充分發揮，使設計者靈活運用各種創造性的手法，開發出高質量、低成本、服務優且符合環保概念的產創新品.

2.2 系統性.現代機械設計注重用系統的觀點來看待設計問題它既考慮產品本身，還考慮對系統和環境的影響，即注重人－機－環境的大系統關系.

2.3 動態性.傳統機械設計只考慮產品的的靜態特性，而現代機械設計需要同時考慮產品的靜態和動態特性.

2.4 前瞻性.在產品設計初期，現代機械設計不僅考慮產品生命周期的全過程和各個階段的性能要求，同時還考慮系統和環境的影響.這種具有前瞻性的設計可以讓人們及早發現產品的潛在缺陷，將可能發生的機械故障減小到最低程度，它能保證自然生態資源的平衡，實現人類的可持續發展.例如，電動汽車的出現就是一個反映現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、道路發展規劃等社會問題.

2.5 多學科理論和技術的交融性.現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、計算機輔助設計技術、工業造型設計等多種學科.例如，可靠性設計涉及產品設計、生產、使用、管理、貯存、運輸等各個環節，它是將概率與統計理論、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，因此現代機械設計減小了傳統設計中經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.

2.6 并行化、自動化、計算機化.傳統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，且質量難保證，設計過程漫長.現代設計方法是新理論與計算機應用相結合的產物,采用計算機化后可進行并行設計，可把人們的經驗、智慧和創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展以及工程數據庫、網絡技術的廣泛應用，機械設計數據的準確性、穩定性大大提高，提高了工程技術人員的設計效率，設計手段也更加精確，設計方法更加現代化.

3 我國現代機械設計理論和方法的現狀及發展方向

據2010年統計，我國制造業的工業增加值已居世界第二位，這說明中國已經成為世界制造大國，但遠不是世界制造強國.這是因為我國的機械產品不僅缺乏自主知識產權，缺乏自主創新產品，而且在產品的性能和質量上與發達國家的差距較大[3].據韓國產業銀行最近發表的《韓、中主要產業技術競爭力分析》報告稱，我國的技術競爭力落后韓國3～8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，但與發達的美德日等工業化強國相比，仍然相當于他們六七十年代的水平.我國機械制造業的落后說明了我國在機械產品設計理論、方法和技術領域的落后，這也說明了加快發展我國機械產品現代設計理論方法研究的重要性和緊迫性.

二十世紀八九十年代，我國機械行業為了打造“數字化”和“信息化”工廠，許多企業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品結構優化計算，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水平低下的問題.在機械產品生命全周期中，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品的結構、功能、質量、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品整個成本的70%左右，制造階段及后續其他相關階段只決定約30%的總成本[4].因此大力開展現代設計理論方法的研究，并把現代設計理論方法在我國制造業中推廣使用，對于提高我國機械制造業在世界市場上的競爭能力，具有重要的意義.

目前現代機械設計理論方法的發展趨勢是：在性能上向高精度、高效率、智能化的方向發展；在功能上向小型、輕型、多功能化方向發展；在層次上向集成化方向發展.具體來講是：設計對象由單機走向系統；設計要求由單目標走向多目標，產品設計周期縮短；設計所涉及的領域由單一領域走向多個領域；產品設計由自由發展走向有計劃的發展；設計工作的人員從單人走向小組；設計的發展要適應科學技術的發展；綠色設計思想.

4 結論

（1）現代機械設計理論是對傳統機械設計理論的發展，是現代機械設計的基礎與核心.現代設計方法是基于現代機械設計理論形成的，現代機械設計方法僅僅是現代機械設計的手段和目的.

（2）機械產品的競爭實質上就是設計的競爭.深入地研究現代機械設計理論方法對機械設計水平的影響，對提高我國機械產品的創新能力和競爭力，為推動我國從制造大國走向制造強國是非常有益的.

〔1〕孫靖民.現代機械設計方法[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2003.8.

〔2〕王隆太.先進制造技術[M].北京：機械工業出版社，2003.18～19.

〔3〕溫詩鑄，黎明.機械學發展戰略研究[M].北京：清華大學出版社，2003.

〔4〕Simon S;Ram D S;Christophe B Design repositories:next-generation engineering design databases 2004.

TH122

A

1673-260X（2012）03-0094-02