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解析新型機(jī)械設(shè)計(jì)方法論文
新型機(jī)械的設(shè)計(jì)一方面需要體現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)力的提高作用，體現(xiàn)在新的經(jīng)濟(jì)條件下新的生產(chǎn)形式或表現(xiàn);另一方面從生產(chǎn)者的個(gè)人利益而言，機(jī)械的設(shè)計(jì)與制造應(yīng)為其帶來(lái)可觀(guān)的收益，這是機(jī)械設(shè)計(jì)與制造的動(dòng)力之一。因此，新型機(jī)械的設(shè)計(jì)需要兩方面的動(dòng)力：一是社會(huì)的需求;二是個(gè)人利益的需求，但并非每一項(xiàng)新型機(jī)械的設(shè)計(jì)都能滿(mǎn)足社會(huì)的發(fā)展需求和個(gè)人的利益要求。因此，如何設(shè)計(jì)出符合時(shí)代要求，體現(xiàn)時(shí)代特征，并且能促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的機(jī)械是每一個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)者要著重解決的問(wèn)題，也是實(shí)現(xiàn)個(gè)人利益的根本。本文重點(diǎn)從系統(tǒng)化、動(dòng)態(tài)化、智能化等方面分析機(jī)械設(shè)計(jì)的方法，探討在新的條件下如何設(shè)計(jì)符合時(shí)代要求的新型機(jī)械。
1 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法
對(duì)于現(xiàn)代機(jī)械的設(shè)計(jì)而言，許多方法都是無(wú)法單獨(dú)存在的，或者說(shuō)在機(jī)械設(shè)計(jì)中單純運(yùn)用一種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)是不可取的，如利用仿真模擬設(shè)計(jì)、專(zhuān)家系統(tǒng)設(shè)計(jì)、CAD制圖設(shè)計(jì)等，但這些方法只是一種手段，一定程度上只能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)者在某一方面的需求。如仿真模擬設(shè)計(jì)雖然能為設(shè)計(jì)者提供一個(gè)比較真實(shí)的輪廓，并提供相關(guān)的數(shù)據(jù)，但仿真模擬無(wú)法做到把所有因素考慮其中。因此，需要綜合運(yùn)用多種方法，對(duì)機(jī)械的設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合考慮，實(shí)現(xiàn)技術(shù)、人和設(shè)備之間的互動(dòng)協(xié)調(diào)。具體而言：一方面，對(duì)機(jī)械進(jìn)行合適的分解，將一個(gè)整體合理的系統(tǒng)分解成相互有關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng);另一方面，將各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)，使得機(jī)械設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)達(dá)到最大限度的運(yùn)行和運(yùn)轉(zhuǎn)，使各部分功能的傳遞達(dá)到最大值。如德國(guó)的設(shè)計(jì)方法學(xué)就十分提倡系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法，其以“功能-原理-結(jié)構(gòu)”這樣的框架為模型，設(shè)計(jì)各種方案，然后進(jìn)行最優(yōu)選擇和調(diào)整，得到最好的設(shè)計(jì)方案。如美國(guó)的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)方法，其是在沒(méi)有其他知識(shí)技術(shù)和手段的前提下，通過(guò)創(chuàng)造性的方法，充分發(fā)揮想象，來(lái)完成新的設(shè)計(jì)和假象。與德國(guó)設(shè)計(jì)方法學(xué)不同的是，其更注重辯證思維和靈感、經(jīng)驗(yàn)和個(gè)人的知識(shí)體系。而具體哪一種方法更好，則是各有各的選擇，決定于個(gè)人的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)以及性格等各方面的因素。
另外，系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)不但可以用來(lái)解釋機(jī)械設(shè)計(jì)中各個(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)系，還可以用來(lái)解釋機(jī)械設(shè)計(jì)所考慮的各種變量和常量之間的關(guān)系。因?yàn)�，系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法意味著對(duì)內(nèi)部和外部多種因素的考慮和綜合�？偠灾到y(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法主要是考慮系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)因素，考慮各部分、各組織系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)和協(xié)同配合，最后對(duì)這些因素進(jìn)行整合和取舍，形成一個(gè)完整的整體。
2 動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)方法
任何機(jī)械的設(shè)計(jì)都需要考慮在動(dòng)態(tài)下其功能的運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，不能像傳統(tǒng)設(shè)計(jì)那般只有純粹的靜態(tài)分析，更不能只憑經(jīng)驗(yàn)系數(shù)或參數(shù)進(jìn)行修正，而是應(yīng)該在考慮載荷譜和材料強(qiáng)度等條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)。
可以充分運(yùn)用有限元法或者可靠性設(shè)計(jì)法等一系列的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)，動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)不僅可以從機(jī)械本身功能的角度來(lái)闡述，更重要的是，機(jī)械的設(shè)計(jì)和制造需要和這個(gè)動(dòng)態(tài)的、變化的、發(fā)展的社會(huì)相適應(yīng)，需要和社會(huì)的多樣化需求相適應(yīng)。因此，某種程度上來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)方法不僅是要實(shí)現(xiàn)機(jī)械在物理上的動(dòng)態(tài)，更重要的是要實(shí)現(xiàn)機(jī)械在社會(huì)需求層次和社會(huì)發(fā)展層次上的動(dòng)態(tài)。一種機(jī)械只有經(jīng)得起社會(huì)的考驗(yàn)，才能說(shuō)是科學(xué)合理的設(shè)計(jì)�；蛘哒f(shuō)，動(dòng)態(tài)化的設(shè)計(jì)方法主要是針對(duì)這個(gè)變化的社會(huì)和機(jī)械本身所要面對(duì)的動(dòng)能問(wèn)題而提出的一種設(shè)計(jì)方法，在其他領(lǐng)域也可以稱(chēng)之為可協(xié)調(diào)性。另外，從一定程度上來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)的意味著不確定的，意味著一種模糊性。簡(jiǎn)單而言，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的好壞與其使用的范圍相對(duì)稱(chēng)，而不能用一種普遍的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行衡量。如產(chǎn)品在性能、使用壽命、可靠性上都存在不同的界限，即存在模糊性現(xiàn)象。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，可以帶入一種模糊學(xué)理念，使用模糊的量而非精確的分析。這種模糊性主要是用來(lái)處理不確定性因素。這可以說(shuō)是一種動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)方法，也可以說(shuō)是一種模糊設(shè)計(jì)方法，這里把動(dòng)態(tài)理解成一種廣義上的含義，因此把模糊性設(shè)計(jì)方法看成是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法的一種特例。
3 優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)方法
在日常生活中，人們都會(huì)自覺(jué)或不自覺(jué)地對(duì)一些事情進(jìn)行最優(yōu)的選擇，通過(guò)各種因素的優(yōu)劣對(duì)比，形成一種利弊分析，從而做出最符合個(gè)人利益的抉擇，并且一般是符合個(gè)人的最大化利益。從這一角度出發(fā)，在機(jī)械設(shè)計(jì)中，同樣需要我們對(duì)機(jī)械的設(shè)計(jì)進(jìn)行最優(yōu)選擇。優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是優(yōu)化理論在機(jī)械領(lǐng)域的延伸，其基本的理念是根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的各種理論學(xué)說(shuō)和設(shè)計(jì)規(guī)則等標(biāo)準(zhǔn)來(lái)建立所需的數(shù)學(xué)模型。然后，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)劃和數(shù)字處理等技術(shù)來(lái)優(yōu)化所建模型，直至達(dá)到最優(yōu)的方案。當(dāng)然，優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提是有可優(yōu)化的方案，這代表不僅要有一些方案，而且必須是可行的，空談不可行的方案是沒(méi)有優(yōu)化意義的。具體而言，如線(xiàn)性?xún)?yōu)化和導(dǎo)數(shù)優(yōu)化方法。在某些方面來(lái)說(shuō)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法有一些相似，但最大的不同是系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法形成的合理可行方案可以是多個(gè)，而且一般要求必須有多個(gè)方案。但優(yōu)化設(shè)計(jì)方法形成的方案一般而言只有一個(gè)，即最優(yōu)方案。
優(yōu)化的目的是使設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)其最大的價(jià)值和最大的功效，但這其中蘊(yùn)含了不同的意義：一是可行，優(yōu)化設(shè)計(jì)需要在可行的方案上進(jìn)行，或者說(shuō)提出一個(gè)可行的可優(yōu)化的方案，這也是上一段的意義所在;二是優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果必須是可靠的，否則優(yōu)化設(shè)計(jì)方法沒(méi)有正確的意義�？煽啃缘脑O(shè)計(jì)是指機(jī)械在規(guī)定或給定的條件和時(shí)間內(nèi)，能完成所要求的工作任務(wù)。其是在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)結(jié)構(gòu)和子系統(tǒng)的組合和各自功效發(fā)揮進(jìn)行分析和調(diào)整。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是機(jī)械設(shè)計(jì)必須能達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)，就像大型客機(jī)的設(shè)計(jì)必須能載更多的乘客。這是設(shè)計(jì)的目的，如果不行，那就說(shuō)明設(shè)計(jì)不可靠。具體而言，如簡(jiǎn)化系統(tǒng)的方法、裕度設(shè)計(jì)和可維修設(shè)計(jì)。
4 智能化設(shè)計(jì)方法
“智能”這個(gè)詞是隨著信息時(shí)代和網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的發(fā)展而出現(xiàn)的，因此智能設(shè)計(jì)方法在一定程度上來(lái)說(shuō)，可以借指所有通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方法。其基本的要素是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)人類(lèi)思維活動(dòng)的模擬或設(shè)計(jì)。在這個(gè)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)承擔(dān)越來(lái)越多的復(fù)雜任務(wù)，如數(shù)字計(jì)算、三維展示等。并且，隨著時(shí)代的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)也在不斷向前，通過(guò)計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)空間越來(lái)越大，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)者或科學(xué)家更依賴(lài)計(jì)算機(jī)進(jìn)行一系列的設(shè)計(jì)活動(dòng)。如模擬技術(shù)的運(yùn)用可以使設(shè)計(jì)者在不生產(chǎn)實(shí)物的情況下，就能對(duì)產(chǎn)品性能、使用壽命和使用強(qiáng)度等進(jìn)行分析和估測(cè)，從而不斷對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，最終能夠快速制造最終產(chǎn)品，這是用數(shù)字模型取代實(shí)物模型的一大優(yōu)勢(shì)，也可以說(shuō)是新型機(jī)械設(shè)計(jì)方法中最為先進(jìn)和重要的方法。或者說(shuō)，智能化的設(shè)計(jì)方法在一定程度上代表了機(jī)械設(shè)計(jì)的未來(lái)走向和機(jī)械行業(yè)的發(fā)展方向。具體而言，如RT技術(shù)，即快速原型技術(shù)。另外，從社會(huì)的角度而言，智能不僅僅是通過(guò)電子信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的一次性設(shè)計(jì)，更重要的是，產(chǎn)品所具有的智能功能，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)所具有的智能特征，如飛機(jī)和汽車(chē)制造中的智能設(shè)計(jì)�？梢哉f(shuō)，隨著人類(lèi)的發(fā)展，人們對(duì)智能化的設(shè)計(jì)越來(lái)越期待，智能化的設(shè)計(jì)方法也越來(lái)越普及。
5 其他設(shè)計(jì)方法
除了上述的四種主要的設(shè)計(jì)方法以外，在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中，其實(shí)還有許多的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法，如并行設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法主要是改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的階段性設(shè)計(jì)問(wèn)題。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)之后的問(wèn)題很少考慮，也因此出現(xiàn)了設(shè)計(jì)和制造、制造和維修等方面的脫節(jié)。而并行設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法有點(diǎn)相似，需要將產(chǎn)品使用中的各種因素考慮進(jìn)去。將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的制造和使用結(jié)合起來(lái)考慮，形成集成開(kāi)發(fā)。但與系統(tǒng)性設(shè)計(jì)方法不同的是，這種方法更注重考慮縱向上的眾多因素，而系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)更多的是橫向的考慮。此外，還有摩擦學(xué)的設(shè)計(jì)方法，需要將摩擦學(xué)知識(shí)以及潤(rùn)滑學(xué)的知識(shí)結(jié)合起來(lái)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要目的也就是要盡可能地減少摩擦，增大效用。此外，還有諸如參數(shù)設(shè)計(jì)方法等。
6 結(jié)語(yǔ)
機(jī)械設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜而又龐大的工程，需要對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，需要將創(chuàng)新點(diǎn)和已有的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行重組和結(jié)合，需要考慮社會(huì)的不同需求，并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械的內(nèi)在機(jī)理。人類(lèi)自從有了系統(tǒng)的力學(xué)和機(jī)械學(xué)以后，各種設(shè)計(jì)理論的出現(xiàn)彌補(bǔ)了機(jī)械設(shè)計(jì)的真空地帶，使得傳統(tǒng)的盲目的設(shè)計(jì)正變得有計(jì)劃、有目的地進(jìn)行。同時(shí)，不同的設(shè)計(jì)者從不同的角度出發(fā)，運(yùn)用不同的學(xué)科知識(shí)，結(jié)合各自的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了不同的設(shè)計(jì)和設(shè)想。也正是因?yàn)槿绱�，需要我們進(jìn)一步學(xué)習(xí)不同的設(shè)計(jì)方法和不同的設(shè)計(jì)理論，不斷創(chuàng)新和改進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)的方法和流程，使新型機(jī)械的設(shè)計(jì)和制造成為可能。
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