現(xiàn)代設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘 要：社會(huì)在發(fā)展，科技在進(jìn)步，人們對(duì)產(chǎn)品性能和質(zhì)量的高要求，都使機(jī)械設(shè)計(jì)在機(jī)械工程中更為關(guān)鍵和重要。將更多的現(xiàn)代技術(shù)融入到設(shè)計(jì)中，以新概念，多元化，高效率地優(yōu)勢(shì)獲取更高的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益。文章從新理念、數(shù)學(xué)知識(shí)、IT技術(shù)這三點(diǎn)介紹現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)；機(jī)械設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)；綠色設(shè)計(jì)

1 基于新理念的設(shè)計(jì)技術(shù)

現(xiàn)如今環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)是一個(gè)引起全球化的問(wèn)題，現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展斷然不能采取“先發(fā)展、后治理”的道路。將綠色節(jié)能、生態(tài)環(huán)保的新理念新思想貫徹到設(shè)計(jì)中是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的一大突出特色。綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求關(guān)注產(chǎn)品全生命周期內(nèi)各因素對(duì)生態(tài)環(huán)境的作用，從概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品出場(chǎng)再到報(bào)廢回收的全過(guò)程都盡可能地節(jié)約能源和資源，盡可能對(duì)生態(tài)環(huán)境不造成或者造成極少量危害。因此，綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)可定義為面向不損害產(chǎn)品質(zhì)量、功能及其制作過(guò)程的，能與環(huán)境相容的設(shè)計(jì)，具有良好的經(jīng)濟(jì)性能和環(huán)境性能，故形象地稱作“搖籃到搖籃”。

其特色主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）智能的數(shù)據(jù)庫(kù)。綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所用數(shù)據(jù)庫(kù)因其包含產(chǎn)品全生命周期中有關(guān)使用性能、環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益的所有數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)龐大復(fù)雜。[1]智能數(shù)據(jù)庫(kù)有效地模擬人的推理分析、聯(lián)系想象和記憶原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)繁雜數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、搜索和修改。

（2）優(yōu)良的環(huán)境友好性。設(shè)計(jì)要求具體產(chǎn)品在選擇材料到生產(chǎn)、使用、廢棄、回收處理所有過(guò)程中都對(duì)環(huán)境無(wú)害或有微小危害。因此，生產(chǎn)原料、制造工藝都要保持清潔，以保證生產(chǎn)出的產(chǎn)品對(duì)使用者的身體健康安全以及使用者的周圍環(huán)境不造成任何傷害，在后續(xù)報(bào)廢回收處理中回收利用率高，少有廢棄污染物。所以選材時(shí)宜采用可降解、可回收、無(wú)毒、無(wú)污染的材料。

（3）極高的資源利用率。自然資源尤其是不可再生資源的開(kāi)發(fā)和利用一直都是人們的關(guān)注點(diǎn)，資源的破壞、濫用和不合理利用都嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。還要注重分析所選材料的使用對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝及制造所帶來(lái)的影響及其重復(fù)利用的價(jià)值。[2]

2 基于數(shù)學(xué)知識(shí)的設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 有限元設(shè)計(jì)

秦凱維奇（O.C.Zienkiewicz）教授在他的名著《有限元法》中給出的有限元法定義：把連續(xù)體看成是有限個(gè)部分（有限元）的集合體，其性態(tài)由有限個(gè)參數(shù)所規(guī)定，在求解離散成有限元的集合體時(shí)，其有限單元應(yīng)滿足連續(xù)體所遵循的規(guī)則。

迅猛發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)與基本的數(shù)學(xué)理論知識(shí)相結(jié)合，使得有限元分析技術(shù)成為了工程數(shù)值分析中極效的數(shù)值分析方法。有限元設(shè)計(jì)將整體劃分為離散的單元體后再根據(jù)微積分的數(shù)學(xué)原理求解。其關(guān)鍵在將無(wú)限化為有限，可通過(guò)改變有限單元體的數(shù)目來(lái)實(shí)現(xiàn)不同精度的改變，使其更加接近實(shí)際尺寸，常用于工程設(shè)計(jì)中復(fù)雜的非線性非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題的求解和復(fù)雜的靜態(tài)動(dòng)態(tài)受力分析。就國(guó)內(nèi)引進(jìn)的一些有限元分析軟件而言，并不需要使用者熟知其工作原理，使用便捷操作簡(jiǎn)單易上手，如SUPERSAP、ADINA、PROE等等。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)作為一門新興的獨(dú)立工程學(xué)科，它以數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化理論和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，以尋找出約束條件下的最優(yōu)答案為目的。根據(jù)已知的設(shè)計(jì)參數(shù)建立合適的數(shù)學(xué)模型，將設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求抽象為約束條件并建立與之相對(duì)應(yīng)的函數(shù)，然后利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，并求解出最優(yōu)值，確定最佳方案，如蟻群算法就是一種新型的模擬螞蟻覓食的有效的優(yōu)化算法。

2.3 可靠性設(shè)計(jì)

可靠性設(shè)計(jì)旨在發(fā)現(xiàn)并消除產(chǎn)品的潛在缺陷和改善其薄弱環(huán)節(jié)，以保證產(chǎn)品滿足給定的可靠性指標(biāo)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所選材料的強(qiáng)度、剛度、相應(yīng)零部件的尺寸、受載情況等為隨機(jī)變量，并利用概率統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)學(xué)原理得出相應(yīng)參數(shù)，以提高其安全概率?？煽啃栽O(shè)計(jì)作為一門運(yùn)用數(shù)學(xué)理論與方法的新型設(shè)計(jì)方法，發(fā)展至今天，已經(jīng)成為機(jī)械設(shè)計(jì)中的有力工具，其發(fā)揮的作用也越來(lái)越重要。

3 基于IT技術(shù)的設(shè)計(jì)技術(shù)

3.1 并行設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)是按順序進(jìn)行的，故稱作串行設(shè)計(jì)，因其工作區(qū)間相互獨(dú)立且一個(gè)時(shí)間做一項(xiàng)工作，故給設(shè)計(jì)方法不同階段信息交流少，可操作性差，耗費(fèi)大量時(shí)間資源，效率低。而并行設(shè)計(jì)則是各項(xiàng)工作同時(shí)進(jìn)行，作區(qū)間相互交叉重疊，各設(shè)計(jì)階段的專家可通過(guò)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行信息的多層反復(fù)交互，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題可以及時(shí)修改彌補(bǔ)。因其用空間資源換取了時(shí)間資源，從而加快了設(shè)計(jì)工作的速度，提高了設(shè)計(jì)工作的效率。并行設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)者從一開(kāi)始就要考慮產(chǎn)品全部生命周期中各環(huán)節(jié)因素的影響，爭(zhēng)取最終制造一次成功。因其設(shè)計(jì)過(guò)程中，銷售者和使用者都考慮進(jìn)去，所以最終產(chǎn)品能更好滿足用戶的需求，從而提高了產(chǎn)品的可靠性、實(shí)用性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)于并行設(shè)計(jì)可以形象的描述為“運(yùn)籌于帷幄之中，決勝于千里之外”。

3.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)是利高效的協(xié)同機(jī)制在支撐平面上，將分散的設(shè)計(jì)資源和設(shè)計(jì)工作流統(tǒng)一起來(lái)共同開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)產(chǎn)品。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)上訪問(wèn)、傳輸、修改等問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使分布式數(shù)據(jù)庫(kù)和大量的數(shù)據(jù)管理成為現(xiàn)實(shí)。在公共數(shù)據(jù)庫(kù)知識(shí)庫(kù)的支撐下，各階段設(shè)計(jì)人員可以無(wú)阻礙通信，在此協(xié)調(diào)機(jī)制下，多小組可并行協(xié)調(diào)的進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3 智能設(shè)計(jì)

所謂智能設(shè)計(jì)便是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬人的思維方式進(jìn)行構(gòu)思計(jì)劃，在復(fù)雜問(wèn)題前可以靈活分析出更有效地解決方法。將設(shè)計(jì)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和及其學(xué)習(xí)技術(shù)等技術(shù)的結(jié)合，不僅更好地滿足了設(shè)計(jì)要求而且更大程度地實(shí)現(xiàn)了機(jī)械設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。

4 總結(jié)

“讓中國(guó)制造遍布世界的每個(gè)地方?！边@是中國(guó)制造的追求目標(biāo)，為此先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)是必不可少的。為更好地滿足市場(chǎng)對(duì)高質(zhì)量高性能產(chǎn)品得需求，設(shè)計(jì)工作者僅掌握傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，更需要熟練運(yùn)用各種現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)并大膽嘗試勇于創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁馳.農(nóng)業(yè)運(yùn)輸機(jī)械的綠色設(shè)計(jì).濰坊學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，06.

[2]董俊華.現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2007，01.

作者簡(jiǎn)介：李路幀（1996），女，山東濱州人，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀本科生。