邓灿（机械设计制造及其自动化六班）摘要：机械设计是机械工程的重要组成部分，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。
自古至今，新的设计理论和方法不断形成，最大程度地满足了社会和人们的需要。
本文阐述了机械设计理论与方法的历史变演、发展现状以及未来趋势，提出了继承与创新相结合的重要性。
关键词：机械设计理论方法发展邓灿（机械设计制造及其自动化六班）摘要：机械设计是机械工程的重要组成部分，机器的设计阶段是决定机器好坏的关键。
自古至今，新的设计理论和方法不断形成，最大程度地满足了社会和人们的需要。
本文阐述了机械设计理论与方法的历史变演、发展现状以及未来趋势，提出了继承与创新相结合的重要性。
关键词：机械设计理论方法发展0 前言为了满足机器的使用功能要求、经济性要求以及劳动保护和环境保护要求等，设计人员必须有一个科学的设计过程。
机械设计是对机械的工作原理、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人为制造依据的工作过程。
自机械学科开创以来，设计学领域就占据着非常重要的位置，在不同的阶段它都有一套完整的理论和方法，进过积累和创新，不断闪现出新的亮点，最大程度地满足社会和人们对产品的需求。
下面介绍了机械设计理论与方法的历史进程、研究现状，通过调研、分析和总结对未来的发展趋势做出了展望。
1 历史回顾机械设计是为生产机械所必须进行的技术决策活动，由于基础薄弱、积累的经验少等原因，这门学科的确立相对较晚。
按照机械界的说法，20世纪60年代以前的机械设计理论与方法称为传统机械设计，其理论与方法都是根据常规的思路和步骤，目前我们所使用的《机械原理》及《机械设计》等教材主要讲述的是常规设计技术，虽然比之现代设计技术它存在着明显的局限性，但是它是学习、应用发展现代设计技术的基础，它的经典性是每一个机械设计人员所不敢轻视和忽略的。
1.1传统机械设计的经典理论（1）理论基础机械设计需要观念指导，传统的设计方法能适应和满足当时人们的要求，则必然存在一套公认的理论。
这套理论的基础有两点：1）、静态解析和稳定性解析的观念；在传统设计理论形成时期，牛顿力学的思维方式总是将处于变动状态之中的事物，抽象为处于相对稳定状态(包括静态)之中来描述；再加之受当时的实验和模拟技术水平的限制，所以就把复杂状态的问题采取近似的、粗略的简化处理，以便进行实验模拟和数值处理。
2）、合格设计的观念传统的机械设计着重于实现机械本身预定的功能，最大程度地满足机器的工作能力，而对工艺和成本等考虑得较少。
整个设计往往是根据任务和目标，先做出第一个方案，甚至造出样机，然后通过评定与考核，进行修改，形成第二轮方案，如此反复，直到满意为止。
（2）概念体系针对这个理论基础，传统的设计论还建立了自己的经典概念，从而形成了静态解析的理论体系。
其概念的建立，大致有两种模式：1）将客观的变动状态抽象为稳定状态或静态，进而建立概念，如“载荷”的概念；2）对具有随机性的现象，略去其分散趋势的统计特征，仅只抓住集中趋势的统计特征来建立概念，如“应力”概念和“强度”的概念。
（3）设计准则为了保证所设计的机械零件能安全、可靠地工作，传统的机械设计具备其设计准则。
受传统的合格设计理念的影响、对效益理念的不理解、社会需求的狭隘等，传统的设计仅哏据机械或零件的失效分析结果，以防止产生各种可能的失效为目的，制定出计算机械或零件所应依据的计算准则。
一般来讲，大体有以下设计准则：1）强度准则（）2）刚度准则 ( y≦[y] )3）可靠性准则（R=N／No）4）振动稳定性准则（0.85f＞fp 或1.15f＜fp）5）寿命准则1.2 传统机械设计的经典方法传统机械设计以经验总结为基础，运用力学和数学形成的公式、图表、手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计，形成了一套传统的设计方法和完整的设计步骤。
其设计方法可概括地划分为以下几种：（1）理论设计根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计称为理论设计。
现以简单受拉杆件的强度设计为例来讨论理论设计的概念。
设计强度计算式为式中：F——作用于拉杆上的外载荷；A——拉杆横截面面积；拉杆材料的极限应力；S——设计安全系数。
可以利用上面公式直接求解杆件必须的横截面积，也可以按其它方法先初步设计杆件的横截面尺寸，然后用强度计算公式去校核。
（2）经验设计根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系式，或根据设计者个人的工作经验用类比的办法所进行的设计叫经验设计。
（3）模型试验设计下面以复杂应力为例进行分析：在工程实践中，很多受力构件的危险点都处于复杂应力状态。
要对其进行材料在复杂应力状态下的试验将会非常复杂，但是传统设计依据部分试验结果，推测材料在复杂受力状态下破坏的原因，在对材料的机械性能进行测试时，就采用材料的静态力学的单向拉伸试验，或由简单的对称循环疲劳试验，得到有关数据然后按照一定的强度理论进行折算，避开对真实复杂状况的直接模拟，代之以简单试验，使复杂问题得以解决。
传统机械设计理论和方法博大而精深，经过长期发展，它的理论完备，体系完整，实用性强，它与各种现代机械设计理论和方法相比，具有明显的经典性，因此，我们有必要继承它的理论精髓。
2 现状分析近些年来，传统的机械设计不断发展，注入新的内容和活力，使机械设计学科的面貌发生了翻天覆地的变化。
可以认为，各个领域科学技术的发展，都是现代机械设计发展的基础，这里既包含哲学、思维科学等自然人文科学，现代应用数学、物理学与应用化学等基础科学；也包括机械电子学、控制论、等工程领域；特别是电子计算机的广泛应用和现代信息科学的发展，造就了现代设计技术的理论和方法体系。
现代设计理论和方法使得设计过程产生质的飞跃，它将传统的、经验的、感性的、静态与手工式的设计跃变为必然的、科学的、理性的、动态的计算机化的现代设计，越来越满足现代社会和人们的要求。
2.1 现代机械设计的多维理念（1）理论基础关于现代机械设计思想，目前有三种观点：1)机械设计是通过理论计算构成设计主体；2)机械设计是创造出一部机器以满足其要求；3)机械设计是由设计分析和设计综合共同构成。
观点一重在分析，以逻辑推论为主要手段，观点二重在综合，以形象思维为主要手段，这两者不可偏废，因而观点三的机械设计思想是能更符合当今的客观实际的。
（2）设计准则1）功能满足原则。
产品设计的目的是构造能够实现规定功能的产品，满足功能是各类产品设计的必要原则。
2）质量保障原则。
这类原则主要包括性能指标、可靠性强度原则、刚度原则、稳定性、抗磨损性、抗腐蚀性、动态特性和热特性等。
3）工艺优良原则。
指设计能够且容易通过生产过程实现，它包括：可制造性、可装配性、可测试性。
4）经济合理原则。
要求产品具有较低的开发成本和使用费用。
5）社会使用原则。
考虑产品投放市场后的表现行为，包括：环境友好性、人机友好性、可维修性、安全性等。
2.2现代机械设计的多种方法目前，最具权威的《中国机械设计大典》第1卷“现代机械设计方法”选列了设计方法中的十个题目，它们是创新设计、生命周期设计、有限元设计、虚拟设计、优化设计、稳健设计、并行设计、智能设计、机电一体化设计和计算机辅助设计。
此外，现代机械设计方法领域又不断出现新名词，比如有“绿色设计”、“绿色创新设计”、“现代最优化方法”等等。
对此，我们从应用成熟度的角度，对现代设计方法进行分类，可以将它们分成相对应的两类：（1）比较成熟，应用正普及类：有有限元设计(有限元分析)、优化设计(最优化方法)、机电一体化设计或光机电一体化设计、计算机辅助设计(CAD)等。
下面以有限元设计和计算机辅助设计来阐述现代设计理论的先进性。
1）有限元设计有限元法是把一个连续体 (设计对象)离散化，即分解成有限小单元体 (如图1所示 )。
图1中，各单元体在节点处连接，并以节点位移为基本量，建立起各个节点的弹性力学平衡方程；然后再把它们综合起来，并与外加载荷及边界条件相联系，从而得到该物体各个单元体力学分量 (如应力、应变、位移、速度等)的数值解。
目前，它在工程结构分析中的具体应用包括：应力分析、结构优化设计、结构选型、结构改进、识别危险部位和疲劳寿命预测、动态设计分析。
此外它还可用于应力场、温度场、电磁场及流体等的有关研究。
2）计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)是从20世纪60年代发展起来的现代化设计方法，它以信息技术为基础，利用计算机软件和硬件进行产品的方案决策、初步设计、工程分析和工程设计。
随着发展，逐渐形成了产品分析、设计和制造一体化体系(CAD／CAE／CAM)。
近几年来，由于超大规模集成电路和 RISC技术的应用，使得三维造型和二维软件系统(CAD/UG)上升到更高的台阶，为 CAD技术在工程领域的应用提供了强有力的支撑。
（2）比较新颖，内容正发展类：有创新设计、生命周期设计、虚拟设计、稳健设计、并行设计、智能设计等、与传统设计相比，创新设计强调人在设计过程中的主导及创造性作用；稳健设计能提高设计质量，减少损失；虚拟设计技术为产品的创意、变更及工艺优化提供了虚拟的三维环境，帮助深化概念与萌发新意；并行设计或叫并行工程，目前还在继续发展，智能设计将人脑思维应用到机器设计中；模糊设计的发展形成了模糊可靠性设计、模糊优化设计、模糊可靠性优化设计等方法；可靠性设计正逐步取代传统的安全系数法，用来评估零部件的安全与寿命等等。
总之,在现代设计理论的指导下，涌现出了很多的现代设计方法，并不断运用到实际设计中，取得了丰硕的成果，使机械设计学的发展得到飞速的发展。
下面是几个运用现代机械设计方法的典型例子：谢友柏提出了创新设计过程的核心是知识获取过程的观点，针对现代设计对分布式资源环境依赖性问题，提出了建立在分布智力资源环境基础上的现代设计理论和方法。
谭建荣的功能定制设计提出了工程过渡状态、模糊状态、随机状态建模与数字样机集成的仿真设计技术，提出了分数维、整数维、高维相结合的混合维设计建模方法，有效提高了基于数字样机设计的可信度和可用度。
3 趋势展望就目前国内外的研究状况来看，产品的设计理论与方法正在向图 2所示的几个主导方向发展：1)按科学发展观指出的方向；2)面向产品总体质量方向；3)向更高层次(非线性，包括非稳态)方向；4)向更加复杂系统的方向；5)信息化方向；6)各个单项设计法的深化研究，是十分重要的，因为对它们的深入研究也是强化和深化综合设计法研究的基础。
1）科学发展观指导下的设计理论与方法科学发展观指导下的产品设计理论与方法应该遵循协调、稳定、持续和高速发展的基本原则，创新设计和绿色设计可以在较大范围内实现上述目标，这可使资源获得合理和有效的利用，对环境的污染降低到最小程度，能源的消耗达到最少，而且所取得的功效达到最高，这样，人类将与自然界始终处于协调与和谐发展的过程中。