大数据时代机械设计的发展趋势探究

大数据时代机械设计的发展趋势探究

曲长富

身份证号码： 37078619******6013 山东省青岛市 266000

摘要：伴随着社会经济的高速增长与大数据时代的到来，推动各个行业迅猛发展。信息技术的发展渗透使大数据日趋成熟，大数据能够为使用者提供更加精准和全面的数据资源，进而有效开展数据分析与数据利用。机械设计行业在大数据的支撑下将向着全新方向发展，特别是将提升设计的科学性与可靠性，逐步进入人工智能机械设计阶段。笔者结合相关理论及个人经验对大数据时代机械设计的发展趋势进行探究。

关键词：大数据；机械设计；人工智能；发展趋势

引言

人工智能是现代化科学技术发展衍生的重要信息产物，已经被广泛地运用在各行各业。机械制造业作为社会经济基础设施建设的重要物质基础，在信息化时代也受到更高的质量和水准要求，并且也需要与新型技术结合，才能更好地为社会群众生产生活提供服务。人工智能在信息化时代下的机械制造产业中发挥着重要的先导作用。

1立足整体，分析特征

人工智能是集现代化电子网络技术和思想领域的学科宗旨于一体的先进信息产物，它相较于以往传统的电子技术而言具有更为明显的时代优势，在运行速率和综合性能方面都有了质的跨越。人工智能的整体发展经历了一个由浅入深、层层递进的过程。它与各类型的电子产品和精细仪表器械相结合，发挥前所未有的生产和制造优势，已经在社会范围内掀起较大的潮流趋势和科技变革。人工智能正在从高端科技生产制造领域逐步地向着生活化和群众化的方向发展，逐渐地与社会基层建设相结合，这种转变也给人工智能带来了更为广泛的受众群体，也体现了信息技术运用的平民化。人工智能也必将成为日后社会基础经济建设和发展的主流趋向，它能为物质经济和文化思想带来更深层次的变革。

2与人工智能结合发展的机械设计

2.1专家系统

专家系统(ExpertSystem)实际上是一个计算机程序，是现在人工智能的一个主要应用。专家系统也被称为“基于知识的系统”，它是人类专家的智能助手，或者是无法接触专家的人的资源。专家系统使用推理从存储的信息中得出结论。这种人工智能应用的目的不是取代我们的人类专家，而是让他们的知识和经验更广泛地得到应用。专家系统由知识库、推理机和用户界面三部分组成。知识库在一个非常狭窄的领域中包含声明性(事实性)和程序性(使用规则)知识。推理引擎通过确定要访问哪些过程性知识以获得适当的声明性知识来运行系统，然后得出结论并决定何时找到适用的解决方案。利用专家系统进行机械设计具有一定的优势，比如一致性、可用性、不知疲倦等特性。

2.2生成式机械设计

生成式设计是模仿自然进化的一种自然进化的设计方式，设计者可以将设计目标、设计材料、制造工艺、成本控制等等条件录入系统，生成式设计程序可以根据相关数据给出多种方案，围绕不同方案的可行性与生成可能性进行分析，逐步测试各种方案是否适用于设计需求，在哪些环节可能存在问题。生成式机械设计具有非常显著的优点，首先它能够给出多种设计方案，人类可能需要长时间思考才能得到一个方案，而它则能够在短时间内给出大量方案，同时对方案进行论证;其次生成式设计能够进行复杂而精细的设计，特别是3D打印等制造技术的应用使得传统制造方式无法实现的方案能够顺利完成;最后生成式设计能够预先对约束条件进行区分，有效避免了不同条件间的冲突，设计师能够将注意力集中于创新设计领域。生成式设计保持了高速发展，Autodesk公司已经与美国宇航局展开合作，利用生成式设计方式进行航天器的设计。

2.3基于大数据技术的模块化机械设计

所谓的模块化设计是一种用具有标准接口的独立部件创建新的系统的设计方法。这使得设计可以定制、升级、修复和重用部件。在大数据技术时代，涌现了很多提供通用部件、标准部件的供应商，也有各种数模分享平台为大数据分析提供来源，甚至企业自己也可以建立自己的数据库。机器学习能够用来辨认形式，将数据分类。在对产品进行市场预测、功能分析的基础上，对一系列通用功能模块进行了划分和设计，从而实现过往机械设计经验的积累和借鉴利用。

2.4增材制造技术支持下的机械设计

传统机械制造主要采用去除材料的加工方式，很多复杂零部件的生产需要经过多个步骤加工完成，整体投入的成本较高，在设计环节不仅仅要考虑制造需要，同时也要考虑装配需要。增材制造通过连续添加层来完成零件的制造，这恰恰与传统零件加工方式相反，生产环节能够选择的方式更加多样，例如3D打印、连续融化材料层都是其中的典型代表。增材制造技术充分利用了现有材料进行零部件加工，大大减少了材料的浪费，又能够快速完成复杂部件加工，整个生产过程的成本相对较低。例如NASA利用3D打印完成的火箭燃料喷射机设计制造，整个喷射器只有两个部件构成，而传统制造方式下需要生产数百个零件。随着国家上关于增材制造研究的不断深入，该技术也得到了快速发展，机械设计由此变得更加灵活。

2.5基于数字孪生（DigitalTwin）应用发展的机械设计

数字孪生指的是集成了各种用途的物理资产(物理孪生)、流程、人员、位置、系统和设备的数字副本。利用产品模型、传感器等，它可以正确地映射实体产品在整个生命周期的各种实际数据。数字孪生将人工智能、机器学习和软件分析与空间网络图相结合，创建实时的数字仿真模型，随着物理模型的变化而不断更新和变化。数字孪生体不断地从多个来源学习和更新自己，以表示其接近实时的状态、工作条件或位置。　　基于数字孪生（Digitaltwin）驱动的机械设计不但能够进行概念设计，也能够进行详细设计和虚拟验证，将极大地缩短产品的设计周期。

3目前我国传统机械行业发展中存在的问题

3.1智能化程度不高

由于我国工业规模的限制，我国机械设计制造的相关企业总体上自动化程度不高，尤其是一些建国初期的老厂，导致这样的原因很多，其中最重要的就是我国的技术积累不够。另外，很多高精密的设备的核心技术仍掌握在欧美等发达国家手中，中国在这些方面缺乏相应的自主知识产权。因此，在机械设计制造方面，只有从国外进口相应的高科技设备才能提高自动化程度，这也是限制我国行业发展的重要因素。很多传统的工厂和小企业受到资金和技术的限制，不会考虑提高他们的自动化程度，因为采购先关的设备需要投入大量的资金，这些企业难以支付。

3.2产业规模小

我国的机械制造行业起步很晚，在几十年的发展过程中历经磨难。但是总体来说，我国机械制造行业取得了很大的发展，但是产业规模还是较小，很多企业都是一些小型的制造企业，只是针对某些行业，同时这些小企业的生产技术和生产能力非常落后，导致我国的机械加工产业链发展不平衡。在一些大型加工设备上也比较缺乏，同时这些设备欧美等国家禁止向我国出售，导致我国在大型机械设备制造上和国外的国家还存在着一定的差距。因此我国需要进行有针对性的改革，注重对于大型设备的研究以及人才培养，促进我国机械行业健康发展。

结语

综上所示，工程机械的智能化发展是未来机械行业发展的必然趋势，不仅能够有效提高机械产品和生产效率，还可以保障企业经济效益，对于机械产业规模化发展都是起着积极推动作用。

参考文献

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[2]邵剑平.人工智能在齿轮优化设计中的应用研究.机电产品开发与创新,2019(01).

[3]夏端武,薛小凤.智能制造技术在工业自动化中的应用研究.机械设计与制造,2019(2).

[4]杨晓敏.机械设计制造及其自动化的设计原则与意义.南方农机,2019(12).