研析机械设计史

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摘 要 ：人类文明的进步与社会的发展离不开机械设计的发展,本文从机械设计的发展史入手,介绍了机械设计发展的四阶段,着重介绍了发展期与成熟期.

关 键 词 ：机械设计；发展历史；生产方式；近现代；机械化

前言

于人类的起源之中,工具的出现使得人类社会的发展不断加快,尤其是近现代.人类的出现伴随着工具的不断演化与发展,直到十八世纪工业革命以来才出了技术特征明显的专门为工业生产而运用的成体系的机械设计.于工业革命初期,英国人Smeaton J 对英国人Newcornen T 发明的各种功率蒸汽机以系统分析,整理出了相关的计算公式.Watt J就是基于其工作研发出来了新一代的蒸汽机.随后的机械设计虽然多有曲折,但是还是逐渐奠定了一定的技术经验与科学基础,体系不断完整.现在大规模机械化与自动化生产已经将个体手工劳动之生产方式所替代,尤其是电子计算机的高速发展使得生产的产品更加高质且成本低.从主要工业国家的发展历程来看,其主要分为四阶段.

1.第一阶段之摇篮期：设计公式下的经典设计

此阶段是从工业革命至第二次世界大战之间的时间,机械工业生产主要发生在欧美,其设计是依靠经典设计公式所进行的组合来进行.这期间力学的各个分支得到了发展,同时机械设计过程中积累了丰富经验,奠定了机械设计的试验、实验与理论研究奠定了坚实基础,并确立了最基本的观念与形成了基本体系.例如1893年美国人Lewis W发表了“齿形系数”之数据图表,虽然此后齿轮的制造方法与材料变化很大,但是该图标到现在依然可以使用,在现在的机械设计教学中占有重要地位.

2..第二阶段之成长期：经验下的实验设计

此阶段涵盖第二次世界大战以及1960年以前这段时间,主要地点为美国,属于机械工业在数量上扩大生产的阶段.此阶段下的机械设计,以模型试验和实机试验来获得相关数据进行设计.这个阶段的日本尤为惹人注目,因为其在五十年代屡屡从美国引入技术,在某种程度上可以说日本是欧美机械化的另一个翻本,也就是日本人所称的“模仿设计”阶段.第二次世界大战之后,世界经济开始复苏,经典设计之方法与理论不断完备使得机械工业的发展有了极大的提升.在机械设计之中,其主要囊括两大方面,即机能设计与强度设计.其中强度设计兼顾三个方面,即弹性设计、极限设计和疲劳设计.

3. 第三阶段之发展期：静态解析下的理论设计

此阶段为1960年到1980年这段时间,是机械设计从实验设计转至理论设计之发展阶段.上世纪六十年代以后,机械生产不但在数量上有了很大提升,而且出现的电子技术和液压技术等系列设计使得机械性能获得了很大提升并进一步改善了产品质量.在机械设计中,理论推导的方法替代了实验验证对机械性能进行确认.以前经典的设计方法无法解析的一些静态与动态问题,通过电子计算机技术获得了很好的解决.此阶段的日本还是以那些先进国家为机械设计上的榜样,依然进行着“类似设计”；七十年代伴随着全球性的石油危机,日本为了解决支付石油进口带来的外汇消耗问题,开始进行多领域的技术开发从而维护自己于国际市场中的出口竞争力.经过不断的努力,其在设计技术上进入到了先进国家之流,在“独立设计之路”上迈出了很大的一步,当然其也敏锐地在动态分析研究中有了长足的进展.新技术革命以高技术为核心,正是借助这一契机日本成为了能够与西欧和美国并驾齐驱的机械设计先进国家.此阶段电子计算机得到了广泛应用,让现代机械设计之方法理论得以发展,体系日益完善.人们不再满足于经典的近似粗略应力分析,对于精准分析有了更深的需求,如有限元法、边界元法和差分法等,而数值分析在分析结构强度和刚度以及润滑、传热和振动上有了很广发的应用.“合格设计”已经不再满足于人们,最优化设计成为了设计主流.经典刚度设计观点与设计计量的常量观点不再受到追捧,概率设计和可靠性设计应运而生.设计方法学的出现,将机械设计工作者从繁琐而粗略的经典设计方法中解放出来.经典断裂理论已经无法满足于人们的需求,机械零件设计之断裂力学方法兴起.

4. 第四阶段之成熟期：动态解析下的理论设计

八十年代以后,扩大生产不再那么盲目,产品质量有了很大的提升,成为了高质低成本的生产时代.机械生产向着高速、高效、轻量化、自动化和精密的方向快速发展,而产品结构更加复杂,因此这让机械设计有了更大的困难,要求也越高.与此同时,随着人们生活水平质的飞跃,机械的运转更加安全环保成为了一个重要课题.此时的日本在政策上采取了贸易立国的方式,并清醒地认识到了凭借廉价劳动力在国际市场竞争中是无法持续的,必须在全球范围内采取措施以适应高技术竞争,并为了国内生产技术的革新以进行大量的投资,在高度只是密集化产业上发力,并掌握了一定的高附加值加工技术,从而在生产率上有了较大提升.机械动态设计有了现代的设计方法,通过动力学建模获得相应的动态特性数学模型,有了很多成熟方法,如机械机能解析建模法、机械结构动力分析有限元建模法、传递矩阵建模法、试验模态分析建模法、试验模态分析建模法和机械结构动力学混合建模法.

我国建国初期机械设计非常落后,但是在1956年到1978年这段时间机械工业开始体系化,有了产品自行设计与系列设计的起步,然而同发达国家相比落后距离尚远.当然,我们也有达到世界先进水平的机械设计,如长征火箭系列和八十年代的北京正负电子对撞机等,但是依然没有摆脱“模仿设计”的阴影.从全国范围内来看,特别是对一些大中型企业,多处于第二阶段的“成长期”,当然还有很多小型企业是属于“摇篮期”的.需要注意的是,在我国高等学校的机械专业中,很多知识和课程严重滞后,无法摆脱传统的设计观念,严重掣肘了我国机械设计的发展.国家在机械设计上投入了越来越多的财力和无力,并大力引进相关人才,为我国机械设计的高速发展提供了契机.