现代机械设计的特点及设计手段的未来发展之我见

　哈尔滨职业技术学院学报 ２００７年第５期 Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

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一、现代机械工程设计的特点

机械设计是为实现某一使用功能，同时考虑其运动可能性、制造可能性、经济可能性，从而构思一种具有一定创新的机械产品的过程。

传统的机械设计过程：一是市场（用户）对产品的需求调查；二是工程设计问题的归纳定义；三是工程设计问题的综合；四是设计问题的分析和方案的优化；五是已有设计方案的反复评价修改；六是绘制工程图样和撰写设计文件。上述设计过程分别涉及以下各方面的工作和相关的技术人员：市场预测、科学思维方法学、相似理论和模型试验、价值工程、可靠性设计、测试与分析技术、类比设计和设计信息管理。传统的设计技术受低劣的设备条件和落后的技术方法所限，只能在保守的观念下，依据粗略的验算甚至估计，通过大量的简化和静止化假设完成机械工程设计，它必然使设计存在随意性，对个人的经验和习惯的依赖性极大，极难实现合理、准确和高效的设计。

现代设计技术充分利用了当今迅速发展起来的计算机技术、计算技术、应用数学和力学、电子学、测试和分析技术，使设计技术有可能从经验的、静止的和随意性很大的传统设计变为基于计算数据、知识工程或专家系统的、动态的现代设计。这需要充分收集、分析和检索必要的信息、快速的数值运算和方案寻优，因而必然大规模地使用ＣＡＤ技术和人工智能技术、数据库技术等。

现代设计虽然大体上继承了传统设计的原则和步骤、价值分析法则和指标、造型设计标准和观念、类比设计思想、

组合／分解方法等，但科技发展对设计技术的促进使之不可

能一成不变地沿袭旧有模式，而是几乎在产品设计全周期的各阶段，都应引入现代科技成果和工具，使用各学科的新发现、新观念。如在以机能设计为中心的问题定义和问题综合阶段，要使用创造心理学提出的“经验转换”、“侧向思维”等多种启发方式，引导自己和同伴的思维活动；在计算机技术、通讯技术、图形图象处理和传输技术基础上组建“计算机支持的协同工作”（ＣＳＣＷ，Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ＣｏｏｐｅｒａｔｉｏｎＷｏｒｋｉｎｇ）环境以综合集体的智慧；用系统工程的观点乃至大系统理论对问题进行分解简化或综合分析。而在随后的分析计算和优化设计阶段（或者总称详细设计阶段），应以弹性力学为基础，以有限元分析系统为工具进行机械结构的应力／应变分析和强度计算，以塑性力学、材料力学为基础，以有限元方法、计算机数字仿真和图形仿真技术为手段，进行针对材料屈曲和塑性破坏的极限设计；以振动理论、强化试验理论和安全寿命预测理论为基础，在计算机系统支持下完成针对疲劳损伤的疲劳设计。由此可见，现代设计技术的相关学科领域除上述传统设计过程中涉及的技术门类外，还融进了计算机仿真技术、随机振动与动态载荷分析、模块化设计、优化设计、计算机辅助设计、有限元分析、动态试验及其强化、计算机信息交换方法和标准等，其中，动态、优化和计算机化是其核心。

此外，产品市场的激烈竞争和用户对产品质量、价格和交货期的要求使提高产品质量、降低产品成本、缩短产品开发周期成为现代机械工程设计中越来越重要的目标，各种新

中图分类号：ＴＨ１２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—８９７０—（２００７）０５—０１１５—０２

［收稿日期］２００７－０４－０２

［作者简介］商昌桥（１９６４－），男，昌吉职业技术学院讲师。

现代机械设计的特点及设计手段的未来发展之我见

商昌桥

（昌吉职业技术学院，新疆昌吉８３１１００ ）

摘要：随着计算机软硬件性能和水平的持续提高，以及计算机技术对各行各业全面深入的渗透，各技术领域的思维、观念和方法都获得了不断地更新。这样一场全面的世界科技进步对机械设计领域也同样产生了深刻的革命性的影响。各种设计技术、计算技术、设计工具乃至新材料、新工艺在机械设计与制造中的应用，使机械工程设计过程中单调机械的工作大幅度持续减少，设计人员的创造性思维得到前所未有的解放。与此同时，传统的理论体系、方法体系也受到强烈的冲击。笔者在此讨论的主题是现代机械设计的特点及设计中最具活力的计算机辅助设计（ＣＡＤ）技术的发展趋势。

关键词：机械设计技术；计算机辅助设计；智能化；集成化

　哈尔滨职业技术学院学报 ２００７年第５期 Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ・１１６・

兴技术对机械产品的渗透改造和机械工程设计技术的革命也为此创造了条件，如机械加工中的电子束、等离子束、激光束切割和电磁成型等加工方法简化了机械加工流程，使“考虑制造的设计”（ＤＦＭ，Ｄｅｓｉｇｎ Ｆｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ）、“考虑装配的设计”（ＤＦＡ，Ｄｅｓｉｇｎ Ｆｏｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）成为可能；机械—电子—信息一体化技术提高了产品的智能化水平，使设计过程中的仿真、优化、检测的效率更高，甚至可以在设计工作的早期通过计算机仿真、虚拟实现技术预先分析产品的性能、估算其参数等；控制技术、计算机、通讯技术组成的设计信息体系使ＣＳＣＷ模式趋于实用化等等。

现代设计技术具有以下特点：一是智能化。大型复杂机械的设计必须完成“分析—分解—综合”的过程。其中包含了大量创造性思维过程和智能活动。二是经济性，市场的竞争、用户的选择使对产品的经济性要求越来越高。三是并行性。必须超前考虑后续过程，实现ＤＦＭ、ＤＦＡ，以压缩废品、库存的消耗，确保上述经济性。四是集成化。即树立人—机一体化、机—电一体化、硬件—软件一体化观念，综合多方面测试分析数据指导、评价设计，融多种现代科技成果和技术，特别是ＣＡＤ技术于机械产品之中。五是精确性。这是机械工程产品复杂度、综合性提高的必然结果，现代先进的计算技术、计算理论和计算分析工具的使用也使之得以迅速提高。六是动态性。不仅分析设计对象要从动态的观点出发，设计组织的合作协调也具有动态性，后者要求设计数据集成、设计系统无缝连接。

二、计算机辅助设计（ＣＡＤ）技术的发展动态

ＣＡＤ技术作为机械工程设计中最具活力的技术手段，从目前的情况来看，它主要应用于机械设计的以下诸方面：几何建模、工程分析（如结构分析中的应力／应变计算，动态特性、热传导特性分析等）、设计审查与评价（如公差分配审查、干涉检查、运动仿真等）、计算机辅助绘图、工程数据库的建立及其操作和工程设计信息的处理、检索和交换等。

然而，机械设计是一种反复改进、分析评价的创造过程。这一过程具有以下特征：一是创造性——针对市场需求或用户需求构思出具有一定创意的产品模型；二是多解性——建模中材料、用户对象、设计标准、经济指标等的差异均可导致迥然不同的设计结果；三是近似性——不论计算手段多么先进、设计工具多么强有力，也必须进行必要的简化近似。这些特性在机械设计过程中非常突出，但又没有确定的数学模型，也难以得出明确的解答，现有ＣＡＤ技术因此在其中尚无用武之地。由于具有上述特征的工作基本上集中在设计过程的早期，其中构思的优劣、设计目标选择的合理与否，对后续工作的影响不论在深度还是广度上都非常大。为了在机械工程设计的早期最大限度地将工程技术人员从繁琐无序的摸索尝试中解放出来，从而充分发挥人类卓越的创造力，同时综合运用人类多年积累的知识成果，发挥设计组织的集体智慧，必须将繁杂的数值计算、知识信息的传送处理和检索、简单而又众多的判断等工作尽可能地交给计算机完成。因此，ＣＡＤ技术必须向智能化、信息集成化、信息交换接口标准化和ＣＡＤ／ＣＡＭ一体化方向发展。可以预见，随着近年来人工智能、知识库数据库技术、信息集成与交换技术的飞速发展和信息交换标准的拟定、发展与完善，ＣＡＤ技术正在向智能化、信息集成化、信息交换接口标准化方向发展，它在机械设计过程中的应用也趋于向设计早期深入。

人工智能在ＣＡＤ技术的智能化中起着突出的作用，人工智能与ＣＡＤ技术相结合的一切研究，几乎都围绕着提高ＣＡＤ系统的创造力而展开。基于范例推理的设计，基于约束满足的设计等方法的广泛应用，导致了智能ＣＡＤ技术的产生和发展。其中具有一定智能的专家系统主要以两种形式存在，即用于方案综合和设计评价。近年来还出现了处理设计条件描述不充分问题的基于神经网络的设计方案推导系统，以及针对机械工程设计多解性的模糊设计、模糊评判方法。

信息集成通常是指ＭＩＳ（管理信息系统）、ＤＳＳ（决策支持系统）、ＣＩＭＳ（计算机集成制造系统）的数据共享及其完整性、安全性和一致性维护。但随着工程设计项目规模和设计队伍的扩大，设计周期的缩短，以及ＤＦＭ、ＤＦＡ模式的引入，关于设计系统内部信息共享的要求日益迫切。然而，实现这一目标的困难在于：设计中大量存在非结构化、非定长的多媒体信息，如工程图样、产品样品图象、关于用户调查及产品评价的录音等，对他们的有效管理必须借助于多媒体数据库。虽然目前用于商业和教育的多媒体数据库系统已进入实用阶段，但支持工程设计的多媒体工程数据库（ＥＤＢ）还有许多问题尚待研究。众所周知，多媒体信息数据量极大，而ＥＤＢ又往往是分布式的，并具有版本管理能力、长事务处理能力等多方面的要求。因此，为了减轻网络负载，必须解决Ｃｌｉｅｎｔ／Ｓｅｒｖｅｒ环境下智能化多库协同问题，多媒体信息传输、播放的同步问题等。

ＣＡＤ系统集成化的另一途径是信息交换接口的标准化。为此，已先后产生了ＩＧＥＳ、ＰＤＥＳ、ＳＴＥＰ等信息交换标准，目前它们还在进一步发展完善中。

三、机械工程计算机辅助设计（ＣＡＤ）技术的发展方向

通过以上分析，我们有理由认为：由于现代机械设计技术的智能化、集成化、并行性、动态性等特点，ＣＡＤ技术作为其中最具活力的组成部分，必须与人工智能、专家系统等技术相结合以逐步实现其本身的智能化，与多媒体工程数据库技术相结合以支持现代工程设计的综合性、并行性，遵循信息交换标准并采用信息交换标准化的成果，以保证ＣＡＤ系统的开放性，进而实现设计过程中各计算机支持系统间的集成。

［参考文献］

［１　］章一鸣．计算机辅助机械设计［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，１９９０．

［２］　路全胜．智能ＣＡＤ技术展望［Ｊ］．中国机械工程，１９９６，（６）．

［３］　龚汉生．产品开发设计的战略性原则［Ｊ］．机械设计，１９９６，（３）．

（责任编辑：刘 莉）