现代机械设计方法

现代机械设计方法

现代机械设计机械设计（基础含义）机械设计（machinedesign），根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算并将其转化为具体的描述以作为制造依据的工作过程。机械设计是机械工程的重要组成部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能的最主要的因素。机械设计的努力目标是：在各种限定的条件(如材料、加工能力、理论知识和计算手段等)下设计出最好的机械，即做出优化设计。优化设计需要综合地考虑许多要求，一般有：最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠性、最低消耗和最少环境污染。这些要求常是互相矛盾的，而且它们之间的相对重要性因机械种类和用途的不同而异。设计者的任务是按具体情况权衡轻重，统筹兼顾，使设计的机械有最优的综合技术经济效果。过去，设计的优化主要依靠设计者的知识、经验和远见。随着机械工程基础理论和价值工程、系统分析等新学科的发展，制造和使用的技术经济数据资料的积累,以及计算机的推广应用,优化逐渐舍弃主观判断而依靠科学计算。各产业机械的设计，特别是整体和整系统的机械设计，须依附于各有关的产业技术而难于形成独立的学科。因此出现了农业机械设计、矿山机械设计、泵设计、压缩机设计、汽轮机设计、内燃机设计、机床设计等专业性的机械设计分支学科。现代设计是以产品为总目标的一系列种类繁多的现代设计法和技术的综合运用。生产技术的需要和先进设计手段的出现，必须促进设计领域的改革和发展，对于机械设计来说几乎是更新换代，传统的常规设计方法受到很大冲击，用科学的设计方法代替经验的、类比的设计方法已势在必行。缩短设计周期、提高设计质量、发展设计理论、改进设计技术及方法已成为当前机械设计的必然趋势。

现代设计是以产品为总目标的一系列种类繁多的现代设计法和技术的综合运用，生产技术的需要和先进设计手段的出现，必须促进设计领域的改革和发展，对于机械设计来说几乎是更新换代，传统的常规设计方法受到很大冲击，用科的设计方法代替经验的，类比的设计方法是势在必行。缩短设计周期，提高设计质量，发展设计理论，改进设计技术及方法已成为当前机械设计的必然趋势。

现代机械设计制造的理论范畴现代机械设计理论和方法是对传统设计方法的继承、创新和发展，它是将机械技术、信息技术、微电子技术、计算机技术、控制技术和管理科学等有机地加以综合，形成的一门多学科、多专业相互交融的系统设计科学。如果从系统的观点分析，现代机械设计理论和方法又是一个由时间维、逻辑维、方法维组成的三维系统。时间维反映了产品规划、方案设计、技术设计和加工设计流程的时间顺序；逻辑维是指解决问题的逻辑步骤，现代机械设计采取先分析、再综合、然后评价、最后决策的步骤；方法维是指机械设计设计过程中的各种思维方法和工作方法。现代机械设计采用各种先进的设计理论方法，使机械设计进入优质、高效和创新的新时代。现代机械设计具有的范畴如下：（1）信息论方法。如信息分析法，技术预测等。（2）系统论法。如系统分析法，人机工程等。（3）控制论法。如动态分析法等。（4）优化论法。它是现代设计法的目标。（5）对应论方法。如相似设计、反求工程设计等。（6）智能论方法。如CAD，计算机辅助分析等，它是现代设计方法的核心。（7）寿命论方法，如可靠性和价值工程等。（8）离散论方法。如有限元和边界元方法。（9）模糊论方法。如模糊评价和决策等。（10）突变论方法。如创造性设计等，它是现代设计方法的基础。（11）艺术论方法。如艺术造型等。

机械及装备制造业真正体现了一个国家的实力，在产业链上具有非常强的带动性。现代机械设计理论与方法的学习对于机械及装备制造业具有重要的意义，在科技不断发展和多学科广泛交叉作用中，其内涵与外延将进一步丰富和扩展。机械设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递系统、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法进行构思、分析和计算并将之转化为具体的描述，以作为制造依据的创造性工作过程。研究机械设计过程的理论、方法及实现手段等对工业、农业、国防、科技各个领域的理论探索及实践均具有重要意义。

现代机电产品的质量、性能和成本，在很大程度上是由设计阶段的工作决定的，设计实现产品标准化、系列化和通用化，能加速实现我国生产活动的高度机械化、电气化和自动化。设计水平与工业发展水平是相互影响的。设计先进的机器，可大大加速现代化建设的进程。另外，现代机械设计过程在本质上是一个创新过程，创新设计综合实践能力是尖端人才培养的“灵魂、动力”。作者长期主讲机械设计、机械系统动力学、数控技术、现代机械设计理论与方法等课程，在教学过程中，请教多位教学名师和专家，不断探索现代机械设计课程应处的地位、教授的目的和课程的体系。在多年教学经验总结和专家指导的基础上，对教案、主编的相关教材进行了体系变更、内容更新和改写，从而形成了这本《现代机械设计理论与方法》。现代设计方法概念：现今为工程项目或产品制造完成到实体化的全过程而制订的技术方案、图样与程序。英文为“moderndesignmethod”。它运用创新的设计手段，交叉地应用多种理论、方法和技术，使产品设计过程成为一种富于电脑化，自动化、虚拟化、智能化和最优化的创造活动，在决策、综合、迭代与寻优中高效率的、低成本的、高质量的完成产品设计。现代机械设计制造方法简介现代机械设计制造方法简介1．计算机辅助设计

经过长期努力，所有的现代设计方法几乎都离不开计算机的帮助。计算机辅助设计(CAD)是使设计者能以计算机为工具，对产品进行规划、分析、综合、模拟、评价、绘图、编写文件等设计活动的总称。设计者的想象力、创新能力、知识、经验和计算机高速运算、图形显示和处理能力有机结合，综合多学科的相关技术，进行产品描述与设计，大大提高了工作效率。近年来，不仅产品更新换代周期不断缩短，而且要求生产模式由单一品种大批量转向多品种小批量。市场竞争推动了计算机硬件本身及其外围设备和图形软件及与现代设计理论与方法相结合的各种应用软件的迅猛发展，使CAD得到日益普遍的应用。目前市场要求快速开发新机械产品，使CAD与计算机辅助制造(CAM)连接，形成CAD/CAM集成系统。目前的计算机集成制造(CIM)是CAD/CAM、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助工艺设计(CAPP)、计算机辅助检测(CAT)、数控技术(NC)、直接数控(DNC)，计算机数控(CNC)、成组技术(GT)、柔性制造系统(FMS)、物料资源规划(MRP)、管理信息系统(MIS)、自动化工厂(AF)等技术在更高水平上的集成。计算机集成制造系统(CIMS)则是以CAD／CAM为核心的、在CIM概念指导下建立的制造系统。随着因特网作为一种平台的兴起和以网络应用为基础的软件的飞速发展，CAD的发展将步入新阶段。2．价值工程

价值工程从产品的功能研究开始，对产品进行设计，或重新审查设计图样文件，剔除那些与用户要求的功能无关的元素，如机械中的材料、结构、零部件，代以创新的构思，设计出功能相同而成本更低的产品。

价值指的是事物的用途或积极作用。用户购买商品，最主要是购买该商品的功能，设计中经常遇到的是使用功能和美学功能。产品成本是产品的各项生产费用的总和。降低成本要了解产品费用的组成，估算产品的制造费用，研究产品产量与成本、销售量与利润之间的关系，进行盈亏分析。价值一功能／成本。对功能定量赋值的方法很多，如对某产品的主要技术性能从理想值到超差值分为11级，对应于10～0分，即为相对功能值。

价值工程设计的基本步骤是：了解设计对象，明确要求的功能，分析成本的组成，进行价值初评，制定改进方案，获得价值最高的创新产品。

3．并行工程

并行工程是集成地而不是分散地、并行地而不是顺序地设计新产品及其相关的各种过程（包括制造、后勤等）的系统方法。要求产品开发人员在设计伊始，就考虑产品整个生命周期中，从概念形成到产品报废处理的所有因素，充分利用企业内的一切资源，最大限度地满足市场和用户的需求。

并行工程的目的在于寻求新产品的易实现性、缩短上市周期和增强市场竞争能力。要求集中涉及产品寿命的所有部门的工程技术人员，组成并行设计组，共同设计制造产品，对产品的各种性能和制造过程进行计算机动态仿真，生成软样品或快速出样，进行分析评议，改进设计，取得最优结果，使投放市场的新产品一次成功。利用计算机的数据处理、信息集成和网络通信的能力，发挥并行设计组的集体力量，将新产品开发研究和生产准备等各种工程活动，尽可能并行交叉地进行。这对换代快、批量不大的产品，能显著缩短周期，提高质量。

4．优化设计及其发展

优化设计的目的是寻找所求解问题的最优答案。从客观方面来说，优化既是一种客观规律，也是一种社会发展规律；从主观方面来说，优化是人类有史以来的追求活动准则。现代意义上的优化实质上是计算机技术同数学规划论的综合。需要求解的问题往往包含许多限制性因素，优化过程就是用最优化理论与方法，通过计算机的迭代计算，‘寻找在限制性因素之下的最优参数值。

对机械工程来说，优化使机械设计的改进和优选速度大大提高。例如为提高机构性能的参数优化，为减轻重量或降低成本的机械结构优化，各种传动系统的参数优化和发动机机械系统的隔振与减振优化等。优化技术不仅用于产品成型以后的再优化设计过程中，而且已经渗透到产品的开发设计过程中，同时与可靠性设计、模糊设计、有限元法等其他设计方法有机结合，取得新的效果。现代机械设计方法的种类优化设计机械优化设计是最优化技术在机械设计领域的移植和应用，其基本思想是根据机械设计的理论方法和标准规范等建立反映工程设计问题和符合数学规划要求的数学模型，然后采用数学规划方法和计算机数字处理技术自动找出设计问题的最优方案。不但可行，而且最优，是机械优化设计追求的目标，可行性方案的提出与建模是优化设计的基础。常用优化处理方法有一维搜索法谶性优化法、导数优化法、非导数优化法等。常见优化软件有MATLAB、ANSYS等¨。可靠性设计可靠性是指产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性设计是对系统和结构进行可靠性分析和预测，采用简化系统和结构、裕度设计和可维修设计等措施以提高系统和结构可靠度的设计。它不但直接反映产品各组成部件的质量，而且还影响到整个产品质量性能的优劣。可靠性分为固有可靠性、使用可靠性和环境适应性。可靠性的度量指标一般有可靠度、无故障率、失效率三种。并行设计

传统的设计方法是按照设计、制造等过程串行进行，设计阶段很少考虑设计以后的问题，这种设计方法使得产品设计与以后的制造、使用、维修等环节相互脱节。并行设计是在产品开始设计的时候，就考虑到产品从设计到使用过程中整个寿命周期的所有元素，产品的设计过程和工艺设计、加工制造和销售等各个阶段并行地进行，实行集成开发，力争使所设计的产品具有较高的综合性能。模糊设计机械设计领域普遍存在着模糊性现象，如产品性能的好与坏、使用寿命的长与短、可靠性的高与低等，都是一些模糊量。模糊设计是把模糊理论引入到设计领域中而形成的一种崭新的设计方法。模糊设计不是建立在对系统进行精确的数学分析基础上，而是根据模糊性的实际经验确定设计参数J。模糊设计一般是与别的设计方法相结合，处理设计中的不确定性因素，使得设计方法更加合理、完善。参数化设计参数化设计分为两个部分，即参数化图元和参数化修改引擎。参数化设计中的图元都是以构件的形式出现，这些构件之间的不同，是通过参数的调整反映出来的。参数化修改引擎提供的参数更改技术使用户对机械设计做的任何改动都可以自动在其他相关联的部分反映出来，使每一个机械零件都通过一个变更传播引擎互相关联。参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计及专用CAD系统开发方面都具有较大的应用价值。摩擦学设计

摩擦学是研究具有相对运动表面摩擦、磨损与润滑理论的一门学科。摩擦学设计就是充分运用摩擦学知识，合理设计机械零部件，采用先进材料和工艺，正确选用润滑方式和装置，减小机械设备的摩擦损耗，降低失效时间延长产品寿命，提高设备的工作效率和运行可靠性。尽管摩擦学问题普遍大量存在于所有机械设备中，但以往机械设计很少考虑摩擦学问题。摩擦学设计是继运动学设计、强度设计之后又一重要的设计内容。智能设计智能设计是指应用现代信息技术，采用计算机模拟人类的思维活动，提高计算机的智能水平，从而使计算机能够更多、更好地承担设计过程中各种复杂任务，成为设计人员的重要辅助工具。前些年智能设计仅仅停留在计算机辅助设计即CAD水平上，计算机的不断发展而产生的基于知识库的专家系统、以及具有自学习功能和联想记忆功能的人工神经网络技术得到迅速发展，推动智能设计迈上新台

阶。现代机械设计方法的基本特点以自动化设计取代人工设计充分利用先进的计算机硬件及软件平台，极力提高人机结合的设计系统的自动化水平，以提高产品的设计质量，这是现代机械设计方法的基本特征。以动态建模取代静态模型典型的如以机器结构动力学计算取代静力学计算，以实时在线测试数据作为评价依据等。以定量计算取代定性判断如以有限元计算非规则零件的尺寸和刚度，取代传统设计的经验类比法确定箱体各部分壁厚等。以变量取代常量如最优化设计中用随机变量取代传统设计方法中通常以经验常量校核的粗略数据处理方法。以优化设计取代可行性设计用设计变量恰当地建立设计目标的数学模型，从众多的可行性解决方案中求其最优解。自从我国加入WTO以来，我国制造业也开始向国际化水准靠拢，市场竞争不断升级，市场对机械产品的质量、结构、功能、性价比以及外形的多样化和个性化提出了更高的要求，同时由于环境资源的制约，要求市场上有更多资源节约型、可持续发展的机械产品不断涌现。这代表我们在新的市场形态中面临着新的机遇，同时又存在着极大的危机。因此，提高我国制造业的生产水平，提高产品的质量，满足国际化、动态化、环保化的高性能高质量产品要求，成为时下我国制造业的一大重要任务。加强现代机械设计理论方法的研究比以往任何时期都更加显得十分重要。我国的机械发展趋势据2010年统计，我国制造业的工业增加值已居世界第二位，这说明中国已经成为世界制造大国，但远不是世界制造强国。这是因为我国的机械产品不仅缺乏自主知识产权，缺乏自主创新产品，而且在产品的性能和质量上与发达国家的差距较大。改革开放后，我国的机械设计水平虽然有较大的进步，但与发达的美德日等工业化强国相比，仍然相当于他们六七十年代的水平。我国机械制造业的落后说明了我国在机械产品设计理论、方法和技术领域的落后，这也说明了加快发展我国机械产品现代设计理论方法研究的重要性和紧迫性。二十世纪八九十年代，我国机械行业为了打造“数字化”和“信息化”工厂，许多企业花巨资购买了世界高端的CAD/CAM/CAE软件，如AUTOCAD、PR0/E、UG、ANSYS和ADAMS等，并培训了一大批机械设计人员。但很多企业在CAD应用的深度和广度仍有很大局限性，他们仅仅是利用CAD进行工程绘图，只实现了机械设计的“甩图板”目的，而三维CAD/CAM/CAE、仿真设计等应用却很少。采用先进的CAD软件进行工程绘图或做产品结构优化计算，确实能减轻设计人员的工作强度，提高机械设计效率，但机械设计不等于计算，也不等于机械制图加计算，它并不能从根本上解决中国目前机械设计水平低下的问题。在机械产品生命全周期中，由于设计成本只占制造总成本的3%左右，而设计阶段决定了产品的结构、功能、质量、成本、可制造性、可维修性等主要性能指标，所以设计阶段决定了产品整个成本的70%左右，制造阶段及后续其他相关阶段只决定约30%的总成本。因此大力开展现代设计理论方法的研究，并把现代设计理论方法在我国制造业中推广使用显得非常有必要。二十世纪八九十年代，我国机械行业为了打造“数字化”和“信息化”工厂，许多企业花巨资购买了世界高端的CAD/CAM/CAE软件，如AUTOCAD、PR0/E、UG、ANSYS和ADAMS等，并培训了一大批机械设计人员。但很多企业在CAD应用的深度和广度仍有很大局限性，他们仅仅是利用CAD进行工程绘图，只实现了机械设计的“甩图板”目的，而三维CAD/CAM/CAE、仿真设计等应用却很少。采用先进的CAD软件进行工程绘图或做产品结构优化计算，确实能减轻设计人员的工作强度，提高机械设计效率，但机械设计不等于计算，也不等于机械制图加计算，它并不能从根本上解决中国目前机械设计水平低下的问题。在机械产品生命全周期中，由于设计成本只占制造总成本的3%左右，而设计阶段决定了产品的结构、功能、质量、成本、可制造性、可维修性等主要性能指标，所以设计阶段决定了产品整个成本的70%左右，制造阶段及后续其他相关阶段只决定约30%的总成本。因此大力开展现代设计理论方法的研究，并把现代设计理论方法在我国制造业中推广使用显得非常有必要。现代机械设计制造理论的特点传统机械设计方法设计者是根据机械设计的任务和目标，以生产经验数据作为设计依据，运用一些基本的设计计算理论，采用模拟、类比、试凑等方法进行设计。由于试验和测试条件差、技术水平低，整机的性能分析也难以深入，因此新产品的研发往往需要经多次试验和修改，从而造成产品设计时间长、耗费大、所谓满意往往带有很大的主观性等问题。而现代机械设计理论与方法是在多学科（思维科学、信息科学、系统工程、计算机技术等学科）支持下，研究机械设计规律、设计技术和工具、设计实施方法的工程技术科学，它具有下列特点：

创新性。创新是一个国家和民族的灵魂，是生存、发展壮大的前提。现代机械设计依托的是先进设计理论和设计工具，它能使设计者的创造性思维能力得到充分发挥，使设计者灵活运用各种创造性的手法，开发出高质量、低成本、服务优且符合