现代机械设计技术与方法

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摘 要：机器的性能品质很大程度上取决于机械设计质量,现代机械设计的发展情况是机械制造工业发展的关键因素.本文对现代机械设计理念及技术应用进行了简要的探讨,并提出了现代机械设计方法的特点及其发展趋势.

关 键 词：现代技术机械设计系统化智能化

机械设计是机械工业中最为关键的环节,能否做好现代机械设计是机械制造工业发展的关键因素.现代机械设计的理念是把信息技术、计算机辅助技术、智能技术和机械工程技术相结合,通过建立数学模型进行优化,融合数学、物理学、电子信息学、化工学、人体心理学、测量学等学科知识,从形象思维开始,综合运行各种思维方式,经过逻辑推理和判断及相应的综合、分析与决策,产生设计创意,经过精确的数据分析和操作,反复操作循环,最终完成设计方案.

1.现代机械设计技术及其应用

1.1优化设计

优化设计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,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.它可以成功地解决解析法等其他方法难以解决的复杂问题.在机械工程领域中,根据机械设计理论、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计算技术自动找出设计问题的最优方案.

1.2有限元设计

有限元分析技术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,用有限个容易分析的单元来表示,单元之间通过有限个节点相互连接,然后根据变形协调条件综合求解.由于单元的数目是有限的,节点的数目也是有限的,所以称为有限元法.这种方法灵活性很大,只要改变单元的数目,就可以使解的精确度改变,得到与真实情况无限接近的解.有限元法的基本理论要用到工程数学,力学等方面的知识.它不仅能用于工程中复杂的非线性问题、非稳态问题的求解,而且还可用在工程设计中进行复杂结构的静态和动力分析.

1.3参数化设计

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.

1.4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.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.

2.现代机械设计方法及其发展分析

现代机械设计有其鲜明的特点,即不但要求设计对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、物流技术、各零部件的材料、形状、尺寸、润滑方法等进行构思、分析、计算,而且还需融通多门科学知识,如创造性工程、美学、仿生学、控制论、机械电子学、价值工程等,使设计出的产品在市场中具有竞争力.

2.1机械设计全面化、系统化

传统机械设计的对象仅仅局限于“机械部分”,只考虑如何实现对象本身的功能,通常包括几何结构设计,可加工性设计,安全性设计,可维护性设计,而现代机械设计则全面走向系统化.现代机械设计把机械作为综合能量流、物质流、信息流的机、电、磁、光、液与软件高度融合的整体系统,这些机械系统的综合与整体作用在不断延伸人类的体能和智能.具体而言,现代机械设计把总系统分解为若干个子系统,采用现代设计的各种理论和方法,协调各子系统的匹配,达到系统化的目标,它强调从市场调研、用户要求、产品规划、产品设计、工艺设计、制造过程、质量控制、成本核算、销售价格、包装运输、售后服务、维修保养、报废处理和回收再利用等,进行产品全寿命周期综合最优化的系统设计.此外,现代机械设计还综合考虑人的生理和心理特征,设计对象的功能,环境保护的要求以及能源、材料、制造等系统因素,使设计既符合人的要求,又能优化设计,还能保护和改善环境,并且符合可持续发展战略.

2.2智能化和自动化

现代机械设计以计算机为主要载体,组合配套接口技术、网络技术,开发计算机硬、软件系统,实现设计的集成化、可视化、协同化、自动化、智能化,实现数字化设计和设计过程管理.基于范例推理和约束满足的设计方法的广泛应用,促成了智能CAD技术的产生.将人工智能与CAD技术相结合,进一步高了CAD系统的创造力.具有一定智能的专家系统主要用于方案综合和设计评价,近年来还出现了适合机械设计多解性的模糊设计以及模糊评判方法.基于现代机械设计所具有的智能化、集成化特点,CAD技术只有与人工智能、专家系统等技术充分结合,才能实现本身的智能化,进而促进计算机系统间的集成.当前,计算机已成为通用的设计工具,可建立模型来描述机械产品的各种工况,通过智能化处理,为产品设计提供了高效的设计方案.先进制造技术特别强调计算机技术、信息技术、传感技术、自动化技术、新材料技术和现代系统管理技术在产品设计、制造和生产组织管理、销售及售后服务等方面的应用.它要不断吸收各种高新技术成果与传统制造技术相结合,使制造技术成为能驾驭生产过程的物质流、能量流和信息流的系统工程.

3.结语

现代设计方法在不断地发展、更新,永恒不变的主题是创新.在科技不断发展和多学科广泛交叉作用中,其内涵与外延将进一步丰富和扩展,系统化、科学化和计算机化的特点将进一步得到展现并走向结合,总的发展趋势是向科学化迈进.