机械设计技术的发展现状与趋势

摘 要：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。作为国民经济发展和现代化建设的基础性行业，机械设计行业创新发展的意义重大，现代机械设计应与最先进的科学技术和理念相结合，不断开拓创新，本文就对现代机械设计发展现状及发展趋势进行了简单的探讨。

关键词：机械设计；技术；发展现状；趋势

伴随着科技的不断进步，机械设备已经广泛应用于人们的生产活动中，如若机械设备质量不过关，必然会导致机械的工作性能不稳定，从而产生安全隐患。机械设计作为机械生产的首要步骤，决定着机械产品的质量和性能，设计工作的质量可以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。主要根据使用要求对机械的结构、工作原理、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和润滑方法、形状尺寸等进行构思并进行分析和计算，将其转化为具体的描述以人为制造依据的工作过程。

1.常规设计技术及应用

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

1.1 理论设计

理论设计是指根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计。下面以简单受拉杆件的强度设计为例来讨论理论设计的概念。杆件必须的横截面积可以利用公式直接求解，也可以按其它方法先初步设计杆件的横截面尺之后再用强度计算公式去校核。由于实际情况复杂多变，必须根据实际需要来选择合适的安全系数，才能保证安全性。

1.2 经验设计

经验设计是指根据设计者个人的工作经验用类比的办法，或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所进行的设计。经验设计常用于那些像机架、箱体、传动零件的各结构要素等结构形状己典型化而使用要求不大变动的零件。随着设计产品的技术系统越来越复杂，产品更新发展速度加快，技术含量不断提高，经验类比的设计方法已不能满足市场需要。

1.3 模型实验设计

模型实验设计适用于一些结构很复杂而尺寸又巨大的重要零件，尤其是一些重型整体机械零件，可以有效提高设计质量。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直至达到完善。由于这个设计方法昂贵、费时，因此一般用于特别重要的设计中。

2.现代设计技术及应用

2.1 优化设计

优化设计可以成功地解决解析法等其他方法难以解决的复杂问题，它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出一切可能的方案，并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。

2.2 有限元设计

有限元分析技术是20世纪60年代发展起来的新的数值计算方法，是最重要的工程分析之一，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并用有限个容易分析的单元来表示，通过有限个节点来连接各个单元，然后根据变形协调条件综合求解。由于节点的数目也是有限的，单元的数目是有限的，所以称为有限元法。这种方法只要改变单元的数目，灵活性很大，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解。

2.3 可靠性设计

可靠性设计从20世纪60年代以来逐渐进入机械工程领域，是近几十年发展起来的一门新兴学科。在规定的条件下，规定的时间内，完成规定功能的能力称为零件的可靠性设计。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是可靠性设计的主要特征。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。

3.现代设计技术与常规设计技术的关系

3.1 产品结构分析的定量化

常规设计技术只能对复杂结构的零部件或整机进行类比或定性的估算。现代设计技术引入了边界元及有限元方法，可实现对任何产品结构的定量化分析。

3.2 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动态的估算和静态的计算。而现代设计技术中的动态设计方法可以同时利用实际工况相符的数学模型与理论和测试数据建造，在通过计算机进行分析计算的基础上预测出产品的动态性能和改进效果。

3.3 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基于概率论建造模型并进行分析计算，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，从而定量的做出产品质量的可靠性预测。

3.4 产品设计结果的最优化

常规设计技术比较依赖设计者的经验和主观判断，主要通过近似系数、经验公式或类比等方法进行校核、设计。而现代设计技术中的优化设计法是根据产品的性能要求和设计目标构造数学模型，应用数值计算方法和数学规划理论，通过计算机求得最优化结果。

3.5 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虽然重复性高，但是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，从而为实现制造的自动化做好了准备，并且实现了设计过程的高效化和自动化。

4.现代设计技术与传统设计技术的关系及比较

现代设计技术是相关科学技术综介应用于设计领域的产物，是传统设计技术的延伸与发展，它使常规设计技术发生了质的飞跃。传统机械产品设计也称常规设计，是一种以低压控制和强度为中心的经验设计、安全系数设计、类比设计。而现代机电产品设计方法则在注重产品整体功能基础上，以现代设计方法和计算机技术为工具的一体化系统设计，强调创造性，这种设计小但可以大大提高设计的质量、精度和效率，而且可以将产品的经济性、适应性、可靠性统一起来，从而高效率、高水平地设计出市场欢迎、性能优良、效益显著的新型产品。

从常规设计方法到现代设计方法有以下转变：从静态分析道动态分析，从定性分析道定量分析，从安全性设计向优化设计，从手工计算向自动设计计算等转变。

5.机械设计技术的发展趋势

具体来说现代设计技术的发展趋势主要有：第一，设计中的快速响应市场的竞争策略将代替产品质量成本第一的竞争策略。第二，设计将从满足产品功能属性向同时满足环境与生态属性发展。第三，设计将从需求的同时面向经营管理和制造发展。第四，设计将从传统的串行向协同工作方式、并行工作模式发展。第五，设计将激发主动创造性，使人们从设计过程数字化中逐步确立主动地位。顺应此趋势，目前主要研究和应用的现代设计技术有：优化设计、设计方法学、可靠性设计、动态设计、计算机辅助设计、有限元设计、摩擦学设计、工业产品造型设计、模型试验设计、模块化设计、创新设计、三次设计、价值工程设计、智能工程设计、反求工程设计、并行工程等。

6.小结

我国当前正在进行社会主义现代化建设阶段，面对全球化竞争，机械工业行业迫切需要质量好、效率高、消耗低、价格便宜的机械产品，这也是当前机械设计技术发展的总目标。因此，广大工程技术人员应采用现代设计技术，不断更新设计思维，真正提高产品的市场竞争力和设计水平。

参考文献：

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