收稿日期:2005203215作者简介:胡晓波(1977-　),男,陕西宝鸡人,大学教师,在读研究生,主要从事机械设计制造及自动化方面的教学科研工作。

文章编号:100522895(2005)0320004204机械设计技术的发展现状与趋势胡晓波 (郑州牧业工程高等专科学校食品工程系,河南郑州450011) 摘　要:综述了常规设计技术与现代设计技术的内涵、应用及它们之间的关系,阐述了机械设计技术的发展趋势。

同时指出发展机械工业,关键是开发、应用现代机械设计技术。

关　键　词:机械设计;常规技术;现代技术;发展趋势中图分类号:TH 12 文献标识码:A1　概　述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。

机械设计是机械工程的重要组成部分,是决定机械性能的最主要的因素[1]。

根据德国工程师协会文件VD I 2225的调查分析,产品设计成本约占产品成本的5%～7%,但却决定了产品制造成本的75%～80%左右[2]。

设计工作的质量,直接关系到机械产品的质量性能、研究周期和技术经济效益等。

常规设计技术是以经验总结为基础,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,是一种直觉设计、经验设计和静态设计,它目前已经远远不能满足产品的功能和市场需求。

现代设计技术是以电子计算机为手段,以网络为基础,建立在现代管理技术之上,运用工程设计的新理论和新方法,实现计算结果最优化,设计过程高效化和自动化的设计技术。

它是一种定量的、动态的和科学的设计技术[3]。

2　常规设计技术及应用[4]目前各大专院校所使用的《机械原理》及《机械设计》教材主要讲述的是常规设计技术,它是学习、应用、发展现代设计技术的基础。

2.1　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Ρ≤Ρli mS或FA ≤Ρli m S式中:F ——作用于拉杆上的外载荷;A ——拉杆横截面面积;Ρli m ——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。

由于实际情况复杂多变,若安全系数选择过大,则产品傻、大、粗。

若安全系数过小,则很难保证安全性。

2.2　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。

这对那些使用要求不大变动而结构形状已典型化的零件,是很有效的设计方法。

例如箱体、机架、传动零件的各结构要素等。

随着设计产品的技术系统越来越复杂,技术含量不断提高,产品更新发展速度加快,经验类比的设计方法已不能满足市场需要。

2.3　模型实验设计对于一些尺寸巨大而结构又很复杂的重要零件,尤其是一些重型整体机械零件,为了提高设计质量,可采用模型实验设计的方法。

即把初步设计的零、部件或机器做成小模型或小尺寸样机,经过实验的手段对其各方面的特性进行检验,根据实验结果对设计进行逐步的修改,从而达到完善。

这个设计方法费时、昂贵,因此一般用于特别重要的设计中。

3　现代设计技术及应用[5]随着科学技术的发展,特别是电子计算机的应用,出现了一些新的机械设计技术。

如用优化方法寻求最佳设计方案;用有限元法对强度、刚度、润滑、传热等问题进行数值计算;用可靠性设计精确评定机械元件的强度和寿命等。

这些新的技术得到了广泛的研究和应用。

3.1　优化设计OD(Op ti m al D esign)优化设计是建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上,通过计算机的数值计算,在一切可能的方案中寻求最优方案,使期望的指标达到最优的设计方法。

它可以成功地解决解析法等其他方法难以解决的复杂问题。

在机械工程领域中,根据机械设计理论、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计算技术自动找出设计问题的最优方案。

优化设计的基本思路为:首先根据设计要求确定设计变量X=[x1,x2,…,x n]T,即设计中必须最后确定的各个参数;从实际工程出发,根据设计变量所受的各种限制确定约束条件,主要包括不等式约束g u(X)= g u(x1,x2,…,x n)≥0(u=1,2,…,m)和等式约束h v (X)=h v(x1,x2,…,x n)=0(v=1,2,…,p<n);建立设计变量关系的数学表达式,即目标函数f(X)=f(x1, x2,…,x n)设计过程就是求目标函数的最小值f(X)→m in,最后应用一维搜索法、梯度法、牛顿法、共轭方向法、惩罚函数法等寻优方法确定设计变量的最优值。

优化设计技术虽然发展历史较短,但发展迅速,无论在机械产品中的机构设计、机械零部件设计,还是在各种专用机械设计和工艺设计方面都很快地得到应用。

随着最优设计数学模型的不断完善和数学力学理论、计算技术和计算机的不断发展,优化设计在机械工程中具有更广阔的发展前景。

3.2　有限元设计FED(F in ite E lem en t D esign)有限元分析技术是最重要的工程分析之一,是20世纪60年代发展起来的新的数值计算方法。

随着计算机技术的发展,有限元设计在各个工程领域中不断得到深入的应用。

有限元法的基本思想是将结构离散化,用有限个容易分析的单元来表示,单元之间通过有限个节点相互连接,然后根据变形协调条件综合求解。

由于单元的数目是有限的,节点的数目也是有限的,所以称为有限元法。

这种方法灵活性很大,只要改变单元的数目,就可以使解的精确度改变,得到与真实情况无限接近的解。

有限元法的基本理论要用到工程数学,力学等方面的知识。

它不仅能用于工程中复杂的非线性问题、非稳态问题的求解,而且还可用在工程设计中进行复杂结构的静态和动力分析。

对于一个应用工程师来说,他的目的是应用有限元法去求解各种工程问题,国内外已研制了许多成熟的大型有限元分析软件,如:SA P、AD I NA、AN SYS、I deas等。

这些软件使用极其方便,不需要对有限元法进行很深入的了解,便可应用这些软件求解实际工程问题。

有限元法在机械产品结构设计中的应用,使产品设计产生革命性的变化,理论设计代替了经验类比设计。

3.3　可靠性设计RD(R eliab ility D esign)可靠性设计是近几十年发展起来的一门新兴学科,从20世纪60年代以来逐渐进入机械工程领域。

零件的可靠性设计是指在规定的时间内,规定的条件下,完成规定功能的能力。

可靠性设计的主要特征是将常规设计方法中所涉及的设计变量如材料强度、疲劳寿命、尺寸、应力等,看成服从某种分布的随机变量。

然后根据产品的可靠性指标要求,用概率统计的方法得出零部件的主要结构参数和尺寸。

可靠性设计的基本思路为:将引起零件失效的因素统称为“应力”,用S表示,则S可表示为各种失效因素s i(i=1、2…、n)的函数:S=f(s1,s2,…,s n)。

将零件抵抗失效的因素称为“强度”,用R表示,则R可表示为各种影响强度的因素r i(i=1、2、…、n)的函数:R=g (r1,r2,…,r n)。

应力S和强度R都是随机变量,零件安全可靠与否,是以R大于S所发生的概率来表示的,即R(t)=P(R>S)≥[R]。

R(t)表示零件在运行中的安全概率,即可靠度,它是指零件在工作时间t内的一种能力。

[R]称为零件的许用可靠度,它表示零件在规定时间内和规定的条件下实现设计要求的一种能力,即许用安全概率。

当前各种机械产品竞争激烈,消费者选用商品时更关心可靠性、维修性、安全性。

一些专家认为,未来机械产品竞争的焦点是可靠性、维修性、可用性和安全性。

可靠性设计技术已逐步成为现代设计技术的一个重要组成部分。

4　现代设计技术与常规设计技术的关系[6]现代设计技术是常规设计技术的延伸与发展,是相关科学技术综合应用于设计领域的产物,它使常规设计技术发生了质的飞跃。

(1)产品结构分析的定量化　常规设计技术对复杂结构的零部件或整机只能进行定性或类比的估算。

现代设计技术引入了有限元及边界元方法,可实现对任何产品结构的定量化分析。

(2)产品工况分析的动态化　常规设计技术对产品的工作状况仅限于静态的计算和动态的估算。

而现代设计技术中的动态设计方法可以同时利用理论和测试数据建造与实际工况相符的数学模型,通过计算机进行分析计算,预测出产品的动态性能和改进效果。

(3)产品质量分析的可靠性化　常规设计技术中采用的安全系数法仅仅依靠经验,不能定量给出产品质量的可靠性预测。

而现代设计技术中的可靠性设计法,把零部件或整机的各种具有离散性的性能参数均视为随机变量,基于概率论建造模型并进行分析计算,从而定量的做出产品质量的可靠性预测。

(4)产品设计结果的最优化　常规设计技术通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计、校核,比较依赖设计者的经验和主观判断。

而现代设计技术中的优化设计法是根据产品的设计目标和性能要求构造数学模型,应用数学规划理论和数值计算方法,通过计算机求得最优化结果。

(5)产品设计过程的高效化和自动化　常规设计技术在设计过程中重复性高,而设计方案却不一定最优。

而现代设计技术在整个设计过程中均是“教会计算机,让计算机去完成。

”从而实现了设计过程的高效化和自动化,并且为实现制造的自动化做好了准备。

5　机械设计技术的发展趋势[7]随着科学技术的飞速发展,新技术不断涌现,产品的科技含量和性价比不断提高,世界范围内技术水平和经济实力的竞争日益激烈,企业要在不断变化的产品需求和激烈的市场竞争中立于不败之地,就要不断地改进设计理念,使用先进设计制造技术,提高产品质量,降低成本,提高生产率,生产出符合用户需求的高科技产品,这也是现代设计技术的发展方向。

具体来说现代设计技术的发展趋势主要有:(1)设计将从产品质量成本第一的竞争策略转向快速响应市场的竞争策略;(2)设计将从满足产品功能属性向同时满足生态与环境属性发展;(3)设计将从需求的同时面向制造和经营管理发展;(4)设计将从传统的串行向并行工作模式、协同工作方式发展;(5)设计将使人们从设计过程数字化中逐步确立主动地位,激发主动创造性。

顺应此趋势,目前主要研究和应用的现代设计技术有:设计方法学、优化设计、可靠性设计、有限元设计、动态设计、计算机辅助设计、工业产品造型设计、摩擦学设计、模型试验设计、创新设计、模块化设计、三次设计、反求工程设计、价值工程设计、智能工程设计、并行工程等。

6　结束语21世纪是“设计的世纪”(D esign Cen tu ry),这是著名华裔物理学家杨振宁博士和德国哲学家沃尔冈・韦尔施不约而同对人们的提醒。