新型机械设计方法浅析

曹仁涛

（兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州 730070）

机器的性能品质不但取决于零件制造品质和机器装配品质，更取决于机械设计品质。传统的常规机械设计方法有理论计算设计、经验类比设计、模型实验设计等，在复杂设计条件下往往受到局限，设计技术推陈出新势在必行。

1 新型机械设计方法的基本特点

1）以自动化设计取代人工设计。充分利用先进的计算机硬件及软件平台，极力提高人机结合的设计系统的自动化水平，以提高产品的设计品质，这是新型机械设计方法的基本特征［1］。

2）以动态建模取代静态模型。典型的如以机器结构动力学计算取代静力学计算，以实时在线测试数据作为评价依据等。

3）以定量计算取代定性判断。如以有限元计算非规则零件的尺寸和刚度，取代传统设计的经验类比法确定箱体各部分壁厚等。

4）以变量取代常量。如最优化设计中用随机变量取代传统设计方法中通常以经验常量校核的粗略数据处理方法。

5）以优化设计取代可行性设计。用设计变量恰当地建立设计目标的数学模型，从众多的可行性解决方案中求其最优解。

6）以并行设计取代串行设计。强调从设计阶段就并行地综合考虑产品整个生命周期中各方面的要求与相互关系，避免串行设计中可能发生的干涉与返工。

7）以微观设计取代宏观设计。如以断裂力学理论处理零件材料本身微观裂纹扩展引起的低应力脆断现象，建立以损伤容限为设计判据的设计方法。

8）以系统工程法取代分部处理法［2］。将产品的整个设计工作作为一个系统，用系统工程的观点分析划分设计阶段和组成单元，综合处理它们的内在关系。

2 新型机械设计方法的种类

1）优化设计。机械优化设计是最优化技术在机械设计领域的移植和应用，其基本思想是根据机械设计的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数字处理技术自动找出设计问题的最优方案。不但可行，而且最优，是机械优化设计追求的目标，可行性方案的提出与建模是优化设计的基础。常用优化处理方法有一维搜索法、线性优化法、导数优化法、非导数优化法等。常见优化软件有 MATLAB，ANSYS 等［3］。

2）可靠性设计。可靠性是指产品在规定的条件和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性设计是对系统和结构进行可靠性分析和预测，采用简化系统和结构、裕度设计和可维修设计等措施以提高系统和结构可靠度的设计。它不但直接反映产品各组成部件的品质，而且还影响到整个产品品质性能的优劣。可靠性分为固有可靠性、使用可靠性和环境适应性。可靠性的度量指标一般有可靠度、无故障率、失效率三种。

3）并行设计。传统的设计方法是按照设计、制造等过程串行进行，设计阶段很少考虑设计以后的问题，这种设计方法使得产品设计与以后的制造、使用、维修等环节相互脱节。并行设计是在产品开始设计的时候，就考虑到产品从设计到使用过程中整个寿命周期的所有元素，产品的设计过程和工艺设计、加工制造和销售等各个阶段并行地进行，实行集成开发，力争使所设计的产品具有较高的综合性能。

4）模糊设计。机械设计领域普遍存在着模糊性现象，如产品性能的好与坏、使用寿命的长与短、可靠性的高与低等，都是一些模糊量。模糊设计是把模糊理论引入到设计领域中而形成的一种崭新的设计方法。模糊设计不是建立在对系统进行精确的数学分析基础上，而是根据模糊性的实际经验确定设计参数［4］。模糊设计一般是与别的设计方法相结合，处理设计中的不确定性因素，使得设计方法更加合理、完善。

5）参数化设计。参数化设计分为两个部分，即参数化图元和参数化修改引擎。参数化设计中的图元都是以构件的形式出现，这些构件之间的不同，是通过参数的调整反映出来的。参数化修改引擎提供的参数更改技术使用户对机械设计做的任何改动都可以自动在其他相关联的部分反映出来，使每一个机械零件都通过一个变更传播引擎互相关联。参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计及专用CAD系统开发方面都具有较大的应用价值。

6）摩擦学设计。摩擦学是研究具有相对运动表面摩擦、磨损与润滑理论的一门学科。摩擦学设计就是充分运用摩擦学知识，合理设计机械零部件，采用先进材料和工艺，正确选用润滑方式和装置，减小机械设备的摩擦损耗，降低失效时间延长产品寿命，提高设备的工作效率和运行可靠性［5］。尽管摩擦学问题普遍大量存在于所有机械设备中，但以往机械设计很少考虑摩擦学问题。摩擦学设计是继运动学设计、强度设计之后又一重要的设计内容。

7）虚拟产品设计。是指在不生产实物产品的情况下，利用计算机技术在虚拟状态下构思、设计、制造、测试和分析产品的设计方法，它建立在用计算机完成产品整个开发过程的基础上。工程师完全是在计算机上建立产品模型，对模型进行分析，然后改进产品设计方案，用数字模型代替实物原型，进行分析、试验、改进原有的设计［6］。这样常常只需制作一次最终的实物原型，使新产品开发一次获得成功。快速原型即RP技术是虚拟产品设计的主要技术手段，目前已发展到快速模具制造即RT技术。

8）智能设计。智能设计是指应用现代信息技术，采用计算机模拟人类的思维活动，提高计算机的智能水平，从而使计算机能够更多、更好地承担设计过程中各种复杂任务，成为设计人员的重要辅助工具。前些年智能设计仅仅停留在计算机辅助设计即CAD水平上，计算机的不断发展而产生的基于知识库的专家系统、以及具有自学习功能和联想记忆功能的人工神经网络技术得到迅速发展，推动智能设计迈上新台阶。

3 结语

近几年来，随着科学技术的进步尤其是计算机软件技术的发展，基于计算机辅助设计即CAD技术的许多新型设计理念和方法不断出现，并逐渐得到应用。与国外新型设计方法咄咄逼人的推广形式相比较，机械设计在这方面节奏显然慢了一些［7］。研究并应用新型机械设计方法已是我国机械设计工作者的当务之急。

［1］赵松年.现代设计方法学［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［2］濮良贵.机械设计［M］.北京:高等教育出版社，2011.

［3］孙靖民.机械优化设计［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［4］王国强.机械优化设计［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［5］朱文坚.机械设计方法学［M］.广州:华南理工大学出版社，2006.

［6］梅顺齐.现代设计方法［M］.武汉:华中科技大学出版社，2009.

［7］王凤岐.现代设计方法［M］.天津:天津大学出版社，2004.