淺談現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方向及發(fā)展

摘 要：要是把讀書比作人類精神文明進(jìn)步的階梯的話，那么機(jī)械毫無疑問就是人類物質(zhì)文化前進(jìn)的動(dòng)力。而機(jī)械設(shè)計(jì)則是機(jī)械進(jìn)步和發(fā)展的“地基”。本文就此話題開展探討，從而增進(jìn)人們對(duì)于現(xiàn)代機(jī)械制造的了解，更是再繼承和發(fā)展傳統(tǒng)設(shè)計(jì)上，又融入了許許多多的現(xiàn)代化科學(xué)理論和科學(xué)技術(shù)組合而成，是把設(shè)計(jì)的產(chǎn)品為目標(biāo)的知識(shí)群體總稱。從現(xiàn)在的角度來說的話，就是一門新興的綜合性、交叉性學(xué)科?，F(xiàn)代社會(huì)幾乎所有工程問題，特別是現(xiàn)代設(shè)計(jì)問題，都是與數(shù)學(xué)模型緊密聯(lián)系在一起的。建立科學(xué)合理的數(shù)學(xué)模型，就是解決現(xiàn)代設(shè)計(jì)問題的主要問題。

關(guān)鍵詞：數(shù)學(xué)建模;計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì);現(xiàn)代機(jī)械發(fā)展趨勢(shì);現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.016

1 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)以及對(duì)計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)建模輔助的技術(shù)應(yīng)用

近些年大大小小的國(guó)家，都在快速的發(fā)展機(jī)械制造的技術(shù)?，F(xiàn)在的機(jī)械制造已經(jīng)成為了測(cè)量一個(gè)國(guó)家工業(yè)的基礎(chǔ)，慢慢的就成為了國(guó)家之間工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的“武器”?，F(xiàn)在的機(jī)械制造技術(shù)在科技進(jìn)步新工藝、新材料，在同一時(shí)代一同出現(xiàn)，使得這一時(shí)代的設(shè)計(jì)優(yōu)化更加的多樣化，同時(shí)精細(xì)度也越來越高，所以，所以這個(gè)時(shí)代的工作者也不只是單單的設(shè)計(jì)目標(biāo)的功能，更多的是附帶的功能如如何更容易在工廠里工作、如何更好的與其他產(chǎn)品更好的兼容工作，另外更是要使得機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)后，其動(dòng)力的性能、運(yùn)動(dòng)的精度可以顯著的改善。現(xiàn)代的機(jī)械制造技術(shù)對(duì)比原先的傳統(tǒng)制造技術(shù)基礎(chǔ)上，更加完善了信息技術(shù)的了解、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的操控等，由是加入了集電子、機(jī)械材料、信息、與管理技術(shù)等技術(shù)于一體。近些年來得機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展，給機(jī)械設(shè)計(jì)工程帶來了很大的正面影響，對(duì)近一些年提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和縮短生產(chǎn)周期等方面都起到了正面的影響。但是要看到，目前機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)里面所采用的優(yōu)化算法與工程的實(shí)際設(shè)計(jì)要求還不相適應(yīng)，這就是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)面臨的新挑戰(zhàn)。

1.1 現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)的現(xiàn)狀及其特點(diǎn)

近些年來，先進(jìn)的制造技術(shù)不斷被我國(guó)采用，國(guó)外先進(jìn)技術(shù)也在積極引進(jìn)實(shí)施，復(fù)雜的機(jī)械也慢慢變多，也出現(xiàn)了很多需要優(yōu)化的工作，如更好的傳動(dòng)、更省的能源、更加簡(jiǎn)易的操控。現(xiàn)代的機(jī)械設(shè)計(jì)更加完善每個(gè)都具有“互動(dòng)性”，現(xiàn)在考慮的方向，不但要求設(shè)計(jì)者們對(duì)基礎(chǔ)有所了解及其深入了解以外，更多的是要融通更多的其他知識(shí)使得你的產(chǎn)品可以在市場(chǎng)上更有競(jìng)爭(zhēng)力可以滿足更多的市場(chǎng)需求，比如學(xué)習(xí)：工程、設(shè)計(jì)、材料使用、機(jī)械、經(jīng)濟(jì)等學(xué)說，從而設(shè)計(jì)出更加讓人們查覺到你產(chǎn)品的吸引力，從而開創(chuàng)出更大的市場(chǎng)。我們可以從中看出：“現(xiàn)代設(shè)計(jì)”是以市場(chǎng)需求為“指向標(biāo)”，以知識(shí)獲取為中心，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)思想，以方法為指導(dǎo)，把現(xiàn)代技術(shù)手段為工具，把產(chǎn)品生命期為對(duì)象設(shè)計(jì)而來得。

1.2 計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)方法及優(yōu)勢(shì)

機(jī)械設(shè)計(jì)分為兩類，狹義的機(jī)械設(shè)計(jì)和廣義的機(jī)械設(shè)計(jì)。狹義的機(jī)械設(shè)計(jì)緊緊指的是技術(shù)性的設(shè)計(jì)過程;廣義的機(jī)械設(shè)計(jì)指的是根據(jù)現(xiàn)有條件和使用要求，分析機(jī)械原理，構(gòu)思機(jī)械整體結(jié)構(gòu)和各個(gè)零部件的形狀尺寸，計(jì)算其中力和能量的傳遞方式，選擇適合型號(hào)的潤(rùn)滑方法，整合所有信息形成文字，說明制造機(jī)械的依據(jù)。機(jī)械設(shè)計(jì)的重要意義在于他是生產(chǎn)機(jī)器的前提，他對(duì)機(jī)械的性能起到?jīng)Q定性作用，通俗地說，機(jī)械設(shè)計(jì)在很大程度上決定了所生產(chǎn)出來的機(jī)器的質(zhì)量和機(jī)器的工作性能。這就帶來了很多方便。

可以提高工作效率從而使得產(chǎn)品更加具有市場(chǎng)吸引力，現(xiàn)代想要使得一個(gè)作品更加的高效就要學(xué)會(huì)使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，輔助設(shè)計(jì)時(shí)，可以盡可能的展現(xiàn)出它的全部特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)軟件，可做到自動(dòng)計(jì)算，可以做到降低設(shè)計(jì)的工作時(shí)間。使得設(shè)計(jì)更加方便甚至全民參與，多元從而更容易出現(xiàn)，新零件更加容易調(diào)試更加容易檢查故障處理，更加方便工作，同時(shí)也可以處理不同類別、不同產(chǎn)品里零件兼容里面的問題。

1.3 數(shù)學(xué)建模的由來和發(fā)展及實(shí)踐

機(jī)械設(shè)計(jì)在長(zhǎng)期的生產(chǎn)和實(shí)踐里，很早就已經(jīng)應(yīng)用數(shù)學(xué)的方法解決了許多的問題。如：求周長(zhǎng)其所圍面積最大問題和求定表面積所圍體積最大問題。這些問題都為后來的問題及解法做出重大貢獻(xiàn)，這些問題也是現(xiàn)代最優(yōu)問題的雛形。在這之前處理最優(yōu)化問題大部分都是采用以前的變分法和微分法。二戰(zhàn)以后人們就慢慢改變思路采用當(dāng)時(shí)的運(yùn)籌學(xué)，使得那些古典法無法解決的最優(yōu)化問題得到了改變，新的思路被人們漸漸挖掘而出。20世紀(jì)50年代后，發(fā)展數(shù)學(xué)的規(guī)劃理論為現(xiàn)代設(shè)計(jì)做好了理論的基礎(chǔ)的鋪墊。20世紀(jì)60年代后，這些方法也開始慢慢的應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)等各個(gè)領(lǐng)域，并得到了高度利用和發(fā)展。

設(shè)計(jì)的變量可能影響設(shè)計(jì)的結(jié)果、設(shè)計(jì)的質(zhì)量等一系列的可變參數(shù)，在機(jī)械優(yōu)化的設(shè)計(jì)里，設(shè)計(jì)變量就是圖紙里面各個(gè)參數(shù)也是這個(gè)圖紙最有價(jià)值也是最核心的內(nèi)容。在優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型里，設(shè)計(jì)的變量數(shù)量的選擇內(nèi)容越多，盡管可以酣暢淋漓的描述出問題來，但也使的建模的內(nèi)容變得愈加困難，導(dǎo)致難以得出一個(gè)正確的解;從另一面來想的話，設(shè)優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)的答案少，最佳設(shè)計(jì)結(jié)果雖然有的時(shí)難以得到，問題的正確答案變量少。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化思路與產(chǎn)品的創(chuàng)造和開發(fā)

現(xiàn)代社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力取決與產(chǎn)品質(zhì)量，而競(jìng)爭(zhēng)力取決于在于產(chǎn)品的性能和價(jià)格，雖跟資金自主有著關(guān)系，但是更多的是跟設(shè)計(jì)密切相關(guān)，從這個(gè)公司的設(shè)計(jì)水平可以看出這個(gè)公司的產(chǎn)品質(zhì)量及公司人員的能力?，F(xiàn)在的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力日益提高，設(shè)計(jì)周期更是被不斷縮減，現(xiàn)在的產(chǎn)品又要向著高速、高效、低消耗的方向發(fā)展，現(xiàn)在不只是要遵守以前的規(guī)則來做到初始規(guī)定的目標(biāo)，還要做到比初始設(shè)計(jì)更加完美把工作環(huán)境融入其中如：讓每個(gè)零件具有更高的兼容、讓其更容易融入工廠環(huán)境等方面得到更好的完善，總的來說不止要考慮到當(dāng)前的發(fā)展更要為以后的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展做出準(zhǔn)備。

優(yōu)化設(shè)計(jì)：是如何可以把設(shè)計(jì)里的問題轉(zhuǎn)化為適用于優(yōu)化計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，建立的數(shù)學(xué)模型里包括：采取適合的設(shè)計(jì)變量，建立優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)、約束條件。目標(biāo)函數(shù)就是設(shè)計(jì)問題所要求的最佳指標(biāo)與其設(shè)計(jì)變量之間的函數(shù)關(guān)系式，設(shè)計(jì)變量取得范圍和相互之間的關(guān)系也是約束條件的一種反映?，F(xiàn)在的機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)已在航天、航空和國(guó)防等，國(guó)家和民用企業(yè)中應(yīng)用。

3 現(xiàn)代機(jī)械的特點(diǎn)優(yōu)化

同傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，可以看出現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的具有的三個(gè)特點(diǎn)：（1）創(chuàng)建一個(gè)正確的可以反映實(shí)際工程設(shè)計(jì)問題的數(shù)學(xué)模型;（2）思想和策略來采用最優(yōu);（3）尋找最佳方案。如：從數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)開始進(jìn)行優(yōu)化。它引用了很多新的概念及術(shù)語(yǔ)。設(shè)計(jì)師們可以將機(jī)械設(shè)計(jì)的理念、思想、具體等根據(jù)要求構(gòu)造成數(shù)學(xué)模型，然后轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)問題，后利用應(yīng)用理論推理和驗(yàn)算快速?gòu)亩业阶顑?yōu)的解決途徑及問題答案所在。根據(jù)原本的機(jī)械設(shè)計(jì)加以修改讓后讓其與現(xiàn)代科技相結(jié)合，所開創(chuàng)了應(yīng)用新的有效的解決機(jī)械設(shè)計(jì)問題的途徑。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法就是被動(dòng)地分析產(chǎn)品的性能，而現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)則是主動(dòng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的參數(shù)，從整體的大局出發(fā)找尋最優(yōu)方案。優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般過程與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有所不同。它是以計(jì)算機(jī)自動(dòng)設(shè)計(jì)選優(yōu)為其基本特征的。借助于云傳遞的高速高效率，我們可以從大量的方案中挑選出最優(yōu)的方案?？梢詮闹刑舫鲆徊糠郑梢赃_(dá)到目的的方案或找出最優(yōu)指標(biāo)的理想方案，只有這樣才能使得機(jī)械產(chǎn)品給企業(yè)帶來極高的效益。

4 總結(jié)

現(xiàn)在的機(jī)械優(yōu)化，選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化方案是十分有必要的，因?yàn)?，每個(gè)問題都有很多不同的解決方案或方法，現(xiàn)在有很多的方案使得與產(chǎn)品本身的設(shè)計(jì)不大相關(guān)其實(shí)都可融入，作的更加完善，從而使得產(chǎn)品更加的完善甚至超越產(chǎn)品最初的創(chuàng)造。從總體來看：機(jī)械優(yōu)化已經(jīng)逐漸完善了，也代表著一門全新的科目的誕生。深使得現(xiàn)代機(jī)器優(yōu)化可以和現(xiàn)代學(xué)科融合從而做好理論的“地基”，這樣可以使得機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以從而達(dá)到質(zhì)量上的飛躍。近年來機(jī)械優(yōu)化的設(shè)計(jì)手段和方法都有著較大的突破，工作站計(jì)算能力的不斷加強(qiáng)和數(shù)學(xué)規(guī)劃理論的不斷發(fā)展都是其主要原因。同時(shí)，又因優(yōu)化設(shè)計(jì)思路的不斷開闊，基因遺傳學(xué)、仿生學(xué)理論和人工智能優(yōu)化等許多現(xiàn)代化設(shè)計(jì)理論的引入，進(jìn)一步促進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的更新與完善的速度。給機(jī)械工程界帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的是機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)的發(fā)展前景是非常廣闊的，因?yàn)樗殡S著技術(shù)的更新和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇。當(dāng)今的機(jī)械優(yōu)化正逐步發(fā)展向多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)，其充分利用到了科學(xué)技術(shù)和先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新研究成果。所以其研究必須與數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、力學(xué)理論、工程實(shí)踐等領(lǐng)域密切聯(lián)系起來，方能擁有更為廣闊的發(fā)展前景。

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作者簡(jiǎn)介：劉長(zhǎng)陽(yáng)（1982-），男，山東沂南人，本科，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。