机械设计理论与方法.doc

摘要

本文简要介绍了机械设计的发展历程，阐述了现代机械设计理论，主要设计方法及其研究现状，并展望了机械设计未来发展趋势，而且用实例展现了现代机械设计方法。
关键词：发展历程，设计理论，设计方法，研究现状，未来趋势
引言
设计是把各种先进科学技术成果转化为生产力的一种方法和手段，是人类征服自然改造世界的基本活动之一，是人们为满足一定的需求而进行的一种创造性活动的实践过程。就机械设计而言，它是从给定的合理的目标参数出发通过各种手段和方法创作出一个所需的优化的机器或机构的过程。机械设计理论和方法是随着人类无止休的需求及科学技术的进步而发展和成熟的。近几十年来电子技术、信息技术、计算机技术的突飞猛进让机械设计发生了翻天覆地的变化，出现了有限元分析、优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计等新方法，使设计质量和速度有很大提高。作为将来的机械工程师十分有必要了解机械设计理论和方法的发展历程、研究现状、未来发展趋势，熟悉和掌握现代机械设计方法，应用于实际。
一、发展历程
机械设计发展史可分为三个阶段，分别是：从古代社会到17世纪为机械设计起源和古代机械设计阶段，由17世纪至第二次世界大战结束为近代机械设计，“二战”后至今为现代设计阶段。每一个阶段在设计理论和方法方面都有明显的特色。
1.1古代机械设计
自古人们就想把双手从繁重的劳动中解放出来，因此可以说自人类诞生以来就开始设计制造机械。我国古代在这方面就有相当辉煌的成就。发明了如指南车、计鼓里车、纺织机械、水力机械、天文仪器等一大批精巧的机械。
指南车，又称司南车，是中国古代用来指示方向的一种机械装置。与指南针利用地磁效应不同，它是利用差速齿轮原理，根据车轮的转动，由车上木人指示方向。不论车子转向何方，木人的手始终指向南方，“车虽回运而手常指南”。

这一阶段的机械设计以直觉为主，技术由师傅传授，基本没有技术交流。受生产力发展限制，材料主要为木材（难怪“机械”两字偏旁都为“木”)，设计制造周期长。
1.2近代机械设计
西方文艺复兴运动的兴起，解放了思想，对自然科学的研究如火如荼，一批又一批科学家呕心沥血，孜孜不倦，进行基础科学研究，为机械设计理论与方法提供了工具和理论基础。
英国人牛顿提出了到运动三大定律，奠定了古典力学的基础；虎克建立了在一定范围内弹性体的应力 - 应变成正比的虎克定律；伯努力提出了梁弯曲的微分方程式，在古典力学的基础上建立和发展了近代机械设计的理论（也称常规机械设计理论），这些都为18世纪产业革命中机械工业的迅速发展提供了有力的技术理论支持。 1764年英国人瓦特发明了蒸气机，为纺织，采矿，冶炼，船舶，食品，铁路等工业提供了强大的动力，推动了多种行业对机械的需求，使机械工业得到迅速的发展，而机械化使生产力迅速提高，进入了工业革命时代。这一时期，对机械设计提出了很多的要求，各种机械的载荷，速度，尺寸大大提高，因此机械设计理论也在古典力学的基础上迅速发展。1854年德国机械设计集大成者劳莱克斯发表了著作《机械制造中的设计学》把过去溶在力学中的机械设计学独立出来，建立了以力学和制造为基础的新科学体系，由此放生了机构学，机械零件设计，成为机械设计中的基本的内容。在这一基础上，机械设计学得到了很快的发展。在疲劳强度，接触应力，断裂力学，高温蠕变，流体动力润滑，齿轮接触疲劳强度计算，弯曲疲劳强度计算，滚动轴承强度理论等方面都取得了大量的成果，机械设计的水平取得了很大的发展。机器的尺寸减少，速度增加，性能提高，机械设计的计算方法和数据积累也相应有了很大的发展。
机械设计基础内容在这一时期得到了全面研究，技术交流也多了起来，但很多情况复杂程度远远超过当时的科学水平，这时就只能靠经验了，这也是我们现在课本上出现各种各样系数的原因。
1.3现代机械设计
二战后人们痛定思痛着眼于和平建设，战争期间开发的各项技术转为民用。1946年世界上第一台计算机艾尼阿克诞生。此后，计算机技术发展便一发不可收拾，运算速度平均每十八个月翻一番。计算机具有运算速度快、数据处理准确、存储量大和具有逻辑判断功能的特点，现代机械设计依靠计算机，设计速度和质量有了质的飞跃。现代机械设计主要方法有：计算机辅助设计，优化设计，有限元分析，可靠性设计，反求设计。
二、研究现状
2.1计算机辅助设计（CAD，Computer Aided Design）
计算机辅助设计是使用计算机软件和硬件来辅助人们对产品或工程进行设计的方法和手段，包括设计、绘图、工程分析、信息提取和文档制作等设计活动。经过多年发展，现在cad 技术向标准化、集成化、智能化方向发展。一些标准的图形接口软件和图形功能相继推出，为cad 技术的推广、软件的移植和数据共享起了重要的促进作用；系统构造由过去的单一功能变成综合功能，出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的计算机集成制造系统；固化技术、网络技术、多处理机和并行处理技术在cad中的应用，极大地提高了cad系统的性能；人工智能和专家系统技术引入cad，出现了智能cad技术，使cad 系统的问题求解能力大为增强，设计过程更趋自动化。现在，cad 已在电子和电气、科学研究、机械设计 、软件开发、机器人、服装业、出版业、工厂自动化、土木建筑、地质、计算机艺术等各个领域得到广泛应用。
2.2优化设计（Optimal Design）
优化设计是指在一定约束条件下，求取目标函数最佳值的过程。现代优化设计一般借助计算机完成。
2.1.1优化步骤
（1）建立数学模型。（2）选择最优化算法。（3）程序设计。（4）制定目标要求。（5）计算机自动筛选最优设计方案等。通常采用的最优化算法是逐步逼近法，有线性规划和非线性规划。 　
2.1.2优化设计主要有如下方法：
（1）线性逼近法: 线性逼近法是将原非线性问题转化为一系列线性优化问题, 通过求解线性优化问题得到原问题的近似解；（2）遗传算法:遗传算法是一种基于生物自然选择与遗传机理的随机搜索算法；该法的主要优点是具有很强的通用优化能力, 它不需要导数信息, 也不需要设计空间或函数的连性条件, 其优化搜索具有隐性并行性, 可以多点同时在大空间中作快速搜索, 因此有可能获得全局最优解；（3）人工神经网络:模拟生物神经进行并行计算，效率高；（4）蚁群算法: 人工蚁群算法, 是受到人们对自然界中真实的蚂蚁群体行为的研究成果的启发, 而提出的一种基于种群的模拟进化算法, 属于随机搜索算法的一种。
2.3有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）
有限元分析法是一种将一个偏微分方程化为一个代数方组并利用计算机求解的方法，实质是用数学逼近方法对真实物理系统（几何形状、载荷及工况）进行模拟的方法，可以解决大部分连续介质和场的问题。目前主要应用于结构静力分析、结构动力学分析、热分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析等。
现在研究致力于：可视化的前置建模和后置数据处理功能；与CAD 软件的无缝集成；从单纯的结构力学计算发展到求解物理场问题；由求解线性工程问题发展到分析非线性问题。
2.4可靠性设计
机械可靠性设计是保证机械及其零部件满足给定的可靠性指标的一种机械设计方法。与传统的机械设计方法相比，它较真实是反应了载荷和强度的实际情况，减少了因“盲目”取安全系数而造成的资源浪费。
现在可靠性设计方法一般有：（1）预防故障设计；（2）简化设计；（3）降额设计和安全裕度设计；（4）人机工程设计；（5）概率设计法概率设计法是以应力一强度干涉理论著基础的，应力一强度干涉理论将应力和强度作为服从一定分布的随机变量处理；（6）权衡设计权衡设计是指在可靠性、维修性、安全性、功能重量、体积、成本等之间进行综合权衡，以求得最佳的结果；（7）模拟方法设计随着计算机技术的发展，模拟方法日趋完善，它不但可用于机械零件的可靠性定量设计，也可用于系统级的可靠性定量设计。当然，机械可靠性设计的方法绝不能离开传统的机械设计和其它的一些优化设计方法，如机械计算机辅助设计、有限元分析等。
2.5反求工程设计
反求工程类似于反向推理,属于逆向思维体系.它以社会方法学为指导,以现代设计理论,方法,技术为基础,运用各种专业人员的工程设计经验,知识和创新思维,对已有的产品进行解剖,分析,重构和再创造。在工程设计领域,它具有独特的内涵,可以说它是对设计的设计.
反求工程技术的研究对象多种多样,所包含的内容也比较多,主要可以分为以下三大类:（1）实物类:主要是指先进产品设备的实物本身；（2）软件类:包括先进产品设备的图样,程序,技术文件等;（3）影像类;包括先进产品设备的图片,照片或以影像形式出现的资料.
反求工程（逆向工程）一般可分为四个阶段（1）零件原形的数字化；（2）从测量数据中提取零件原形的几何特征；（3）零件原形CAD模型的重建；（4）重建CAD模型的检验与修正。
三、未来趋势
随着科学技术的飞速发展，新技术不断涌现，产品的科技含量和性价比不断提高，世界范围内技术水平和经济实力的竞争日益激烈，企业要在不断变化的产现代机械产品需求和激烈的市场竞争中立于不败之地，就要不断地改进设计理念，使用先进设计制造技术，提高产品质量，降低成本，提高生产率，生产出符合用户需求的机械产品，这也是现代机械设计技术的发展方向。
具体来说现代机械设计技术的发展趋势主要有：(1)机械设计将从产品质量成本第一的竞争策略转向快速响应市场的竞争策略；(2)机械设计将从满足产品功能属性向同时满足生态与环境属性发展；(3)机械设计将从需求的同时面向制造和经营管理发展；(4)设计将从传统的串行向并可实现对行工作模式、协同工作方式发展；(5)机械设计将使人们从设计过程数字化中逐步确立主动地位，激发主动创性。
四、现代机械设计方法应用实例
行星齿轮减速器设计
4.1优化设计
在行星齿轮减速器中, 太阳轮和全部行星轮的体积之和能影响和决定齿圈或整个机构的尺寸和体积,因此选择太阳轮a与行星轮c体积之和为优化目标函 ）设计变量

进行优化设计可得到各参数

a. 太阳轮b. 内齿圈c. 行星轮H. 行星架1. 输入轴2. 输出轴
4.2 CAD建模
根据优化设计提供的参数进行建模

4.3进行有限元分析

4.4先生产几台进行测试，符合要求再扩大生产
五、个人认识
就我而言，我十分喜欢机械，喜欢新奇的东西，每次看到网上先进有趣的机械，像德国的铺轨车，荷兰的铺路机，美国的机械狗，日本的智能机器人便心生感慨，多么精巧的机械，他们是怎么设计制造出来的！关键是人家有创意，设计理念超前，设计方法先进有效。我大三了，对现代机械设计理论与方法有了一定了解，但只是知道有那么些方法，它们神乎其神，有相关软件可以实现这些方法，却不曾真真正正地用过。看着人家的设计就像神一般的传说。我们现在学习CAD制图，制图也只是CAD技术的一部分。即便才疏学浅，只要肯下功夫，希望还是有的。我最着迷的是虚拟设计。先把模型建好，应用虚拟技术使人置身其中，对机械运转的每个细节都了如指掌，跟真实机器打交道一模一样。实现这种场景你只需戴上一副特殊的眼镜。
结论
计算机技术的腾飞，让机械设计理论的创新，让机械设计方法更上一层楼。现代机械设计方法多种多样，需熟悉联系，认清区别，灵活应用，高效高质地完成设计。

参考文献：
[1]孙靖民.现代机械设计方法.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003
[2]钟志华，周彦伟.现代设计方法.武汉：武汉理工大学出版社，2001
[3]陈屹，谢华.现代设计方法及其应用.北京：国防工业出版社，2004
[4]谢里阳.现代机械设计方法.北京：机械工业出版社，2010
[5]杨恩霞，李立全，刘明辉等.机械设计.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2008
[6]许国玉，罗阿妮，常艳艳.计算机绘图教程.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2011
[7]张幼军，玉荣.行星齿轮减速器的优化.设计设计与研究，2008-10
[8]谢江波，刘亚青，张鹏飞.有限元方法概述.设计与研究 ，2007-5
[9]John D. Hood /Easy autoCAD /New York : McGraw-Hill Book Company, c1988.
[10]Donald D. Voisinet./Mechanical design using cadd / New York : McGraw-Hill Book Company, c1989.