机械设计理论与研究

机械设计理论与研究

刘兵吉

深圳丰盛装备股份有限公司

摘要：现阶段，随着科技的快速发展，在很大程度上促进着现代机械设计水平的进步。现代机械设计理论作为现代机械设计工程的重要核心，在机械工程中发挥着至关重要的力量。但是，通过深入的研究分析我们发现，当前我国对于机械化设计的理论与方法方面的研究依然较为不足，这也就使得我们所制造出的产品质量仍有较大的上升空间。基于此，现代机械设计的理论与研究具有重要意义。

关键词：现代机械设计；发展；理论与研究

引言

机械优化设计是指最优化技术在机械设计领域的移植和应用，是以最低成本获得最高效益。其根据机械设计理论、方法与标准规范等建立能够正确反映实际工程设计的数学模型，利用数学手段和计算机计算技术，在众多的方法中快速找出最优方案。机械优化设计通过把机械问题转化为数学问题，加以计算机辅助设计，优选设计参数，在满足众多设计目的和约束条件的情况下，获得最令人满意、经济效益最高的方案。目前，机械优化设计已成为解决机械设计问题的有效方法。

一、现代机械设计的概念和地位

机械设计是指根据对机械产品的设计要求，应用当代先进技术成果，通过设计人员的创新思维，经过反复调查、分析、论证、判断做出决策，并采用适当的设计模型使之量化，最终将输入的物料（毛坯、半成品等）、能量（机械能、电能、热能等）或信号（测量值、数据、控制信号等）转化为功能完善、技术先进、经济合算、造型优美、深受用户欢迎的技术装置或机械的过程。

机械设计是生产机械产品的第一步，是决定机械产品性能的关键环节。据统计，机械产品的生产成本，70%由设计阶段决定。所以必须把好设计关。

二、现代机械设计发展趋势

随着科技的进步，设计水平发展很快。首先，机械设计的基础理论和各种专业产品设计机理的研究得到进一步加强；其次，关键零部件的设计研究得到加强。

2.1通过设计来完善产品的功能及原理

任何一种机器的更新换代都有三个途径：一是改革工作原理；二是通过改进工艺结构和材料，提高技术性能；是加强辅助功能，使其更适应使用者的心理。特别是第二步、第三步，目前发展迅猛，开发得比较成熟。

2.2通过设计提高产品质量

（1）基本性能方面。随着科技的进步，出现一系列的新工艺、新材料，如硬质合金材料的出现，使普通车刀在高速切削下的寿命大大提高。

（2）适应能力方面。机械设计除应满足产品的基本性能外，还要考虑工作情况发生变化时的产品适应能力。如采用齿轮传动的自行车代替链传动，更能适应在恶劣环境下的使用。

三、现代机械设计原则

机械设计应遵循以下原则：

1、实用性原则市场需求是设计动力的源泉。机械设计首先要满足所设计机械产品的基本功能和必要的辅助功能要求。

2、经济性原则所设计的产品应尽量降低成本，提高附加值，提高经济效益和市场竞争力。

3、安全性原则所设计的产品应在技术上采取必需的、可靠的安全防护措施，保证操作者、管理者的人身安全和机器的安全。

4、优化原则所设计的产品应达到当代科学技术先进水平，产品制造和使用达到最佳水平，多种原理方案和设计参数达到“最优解”。

5、可靠性原则所设计的产品应在规定的时间内完成规定的功能，即不发生失效。

四、现代机械设计理论与方法

设计理论是对产品原理和机理的科学总结，设计方法是使产品满足以及判断产品是否满足设计原则的依据。现代设计方法是基于设计理论形成的，因而更具科学性和逻辑性。

4.1利用现代计算机软硬件技术的设计方法

在产品开发初期借助于设计方法学，利用多媒体工具进行系统的开发。根据这一指导思想，利用数学系统理论，同时考虑系统工程理论产品设计技术和系统开发方法学，研制出适合于产品设计初期使用的多媒体开发系统软件。根据这一设计方法，往往把产品的整个开发过程概括为产品规划、开发和生产规划三个阶段，并且充分利用了现有的CAD尖端技术——虚拟现实技术。

（1）产品规划——构思产品。其任务是确定产品的外部特征，如色彩、形状、表面质量、人机工程等，并将最初的设想用CAD立体模型表示出来，建立能够体现整个产品外形的简装模型。

（2）开发——设计产品。该阶段主要根据系统合成原理，在立体模型上配置和集成解元素，把实现功能的关键性解元素配置到立体模型上之后，即可对产品的配置进行分析。产品配置分析是综合产品规划和开发结果的重要手段。

（3）生产规划——加工和装配产品。在这一阶段中运用CAD技术，用计算机图案显示解元素在相应位置的装配过程，即通过虚拟装配模型揭示造型和装配间的关系，由此发现难点和问题，并找出解决问题的方法。借助于现代计算机软硬件技术，通过三维图形软件、多媒体和超媒体技术以及虚拟现实技术进行设计。

五、积极开发发展绿色设计、制造

（1）绿色设计制造是现代设计制造的可持续发展模式。人们已经认识到环境与发展是密不可分的。要从根本上解决环境问题，必须转变发展模式和消费模式，即为资源型发展模式逐渐转变为技术型发展模式，依靠科技进步，节约资源和能源，提高效益，减少废物排放，实施清洁生产和文明消费，建立资源与环境相联系的新的发展模式。这是人类探索了几个世纪终于领悟到的发展观——可持续发展。

（2）发展绿色设计制造将为企业发展带来新的机遇。开发绿色设计制造是人类可持续发展战略的重要组成部分，是每个企业家必须考虑的企业行为，但是不少企业认为绿色制造投入大，见效慢，经济效益不如直接抓成本、抓产量、抓品种等见效快，因而无视对环境的污染，甚至宁愿被罚款，也不愿采取措施。

实际上，环境全面改善，一方面可改善员工的健康状况和提高工作安全性，减少不必要的开支；另一方面在绿色制造环境下工作的员工心情舒畅，有助于提高员工的主观能动性和工作效率，以创造出最大的利润，使企业具有更好社会形象，为企业增加无形资产。

（3）发展绿色制造将推动新一轮技术创新。在全球性竞争日趋激烈的背景下，利用高新技术和现代化管理来提高生产率，节约自然资源投入，以及节约劳动和各种形式的资本，是促进经济增长与发展的主要源泉。事实上，从产品设计到制造技术，从企业组织到营销策略的制定，一批绿色制造技术与概念已经在发展之中。

六、机械设计的现状与展望

目前，机械设计还仍处于半理论半经验的阶段。

随着现代科学技术的迅速发展，近30多年来机械设计发生了较大变化，设计理论更新颖，设计方法更科学、更完善，计算精密度更高，计算速度更快了。

从某种意义上说，机械设计是科学技术转化为生产力的过程，科学技术的发展又促进了机械设计技术和方法的现代化。机械优化设计给机械工程界带来了巨大经济效益，随着技术更新和产品竞争的加剧，优化设计的发展前景非常的广阔。但我们仍需关注的是，在优化技术水平得到了提高的同时，国内机械加工或工艺水平、加工手段和制造技术也应配套提升才行。

结束语

机械优化设计即是指从众多设计方案中需找最优方案的过程，一般包括建立数学模型、选择优化方法、分析计算结果选择出最优方案三个过程。根据不同的分类方式，机械优化设计的方法有很多，从传统角度，最常用到的有线性规则法中的序列线性规则法等等，由于现在各技术领域的发展以及工程问题对优化设计的需求，衍生了很多与传统方法原理完全不同的新兴方法，最常见到的有遗传算法、神经网络法等。纵观几十年来机械优化设计的发展历程，其发展是非常迅速且令人可喜的，虽然仍存在建模困难、优化方法选取等等方面的一些挑战，但是其前景仍旧是非常广阔的。研究机械优化设计的理论与方法无论是学术领域还是实际经济效益方面都具有研究意义。

参考文献

[1]刘惟信.机械最优化设计.清华大学出版社，2016.5.

[2]陈立.机械优化设计技术的发展现状及其新问题，2017.1.

[3]陈江义，等.机械结构优化设计的综述与展望.中国科技信息，2017.7.

[4]孙靖民.现代机械设计方法.哈尔滨工业大学出版社，2016.8.