机械设计方法的发展历程.docx

机械设计方法的发展历程 .摘要: 本文阐述了机械设计方法发展的几个阶段,将机械设计方法按机械设计思路展划分为五各阶段,其中并不都是按时间划分。阐述了机械设计在不同阶段的发展情况及主要成果,最后预测了一下未来机械设计方法的前景。关键词： 机械设计，方法，发展历程引言:机械在我们的生活中无处不在，可以说一部人类的发展史就是机械设计的发展史，不过机械实际的发展还是可以划分为几个阶段的。 第一阶段，个人经验阶段。这一时期主要是指机械设计的初期，还没有发展出机械设计的相关理论，主要是人们为了解决生产生活中的实际问题而发明的，这一时期的机械结构简单，完全靠设计者的经验，没有一定的理论方法，至多靠人们口耳相传获得经验，不过依然成果显著。典型的代表如春秋战国时期控制射击的弩。 第二阶段，实机或模型试验阶段。这一时期机械设计已经发展相对成熟，机械设计已经发展为一项比较重要的事业，但是机械设计还没有发展到理论公式设计的水平，不过人们已经总结出了一些机械的成品, 例如：天工开物记录了许多先进的工艺技术和科学创见。记载了许多机械性能及制造方法。内容涉及泥型铸釜、失蜡法铸造以及铸钱等铸造技术，还记述了提花机和其他纺织机械以及车船等各种交通工具的性能和规格等。这一时期的机械设计发展到了一个小顶峰,例如中国古代先贤们早就发明了”记里鼓车”,”地震仪”等结构复杂,功能强大的机械,在中国古代带的机械设计基本都属于这个阶段。虽然这一阶段机械设计的成果辉煌但是还不能称之为“现代机械设计”，因为在这一时期没有设计机械的理论和公式，也就是说在这一时期人们不能通过理论的计算与推导来设计机械，依然是通过经验，只不过是在这一阶段经验已经相当成熟，而且经验的传播变得很广泛。如天工开物就相当程度上促进了经验的传播。这一阶段的特点是发展出了比较经典的机械产品，但没有发展出机械设计的理论。第三阶段，以静态分析为主（简单建模）。这一时期机械设计由实验设计转为理论设计的阶段，20世纪60年代，随着机械生产数量的不断增加，对产品质量也随之提高，为了适应生产的需要出现了液压技术，电子技术等，这一时期在设计机械，性能确认是已经不再仅仅依靠试验，而是考理论推导，这大大加快了机械设计的速度， 也大大提高了机械设计的能力，由于有了设计的理论和方法，机械设计不再那么模糊，从这一阶段开始人类进入了机械设计的大发展时期.日本在这一时期的发展就是这样的,再上一个阶段,日本主要是引进模仿美国的机械,并且日本已经达到了世界先进行列,在70年代日本也走向了”独立设计”的道路,最终于欧美等国并驾齐驱。在这一阶段由于有了理论的指导，机械设计发展迅猛，力学的发展和在机械制造中的丰富经验，确立了许多基本概念，基本理论，一些已成体系，人们建立了各种的力学模型，校核杆件的拉伸强度不再需要制作一个样机来试验只需要用拉伸强度公式就可以计算。人们做了大量的基础工作。材料力学方面建立了拉伸，扭转，弯曲，剪切相关理论。如；1852-1870年间，德国人（A Wohler）在自己发明的试验机上做了大量的试验，对疲劳问题作了大量深入的研究，提出了疲劳曲线（S-N图），他的疲劳曲线沿用至今。又如，1893年，美国人Lewis，W制作的齿形系数表，虽然制造齿轮的材料，方法已经发生了天翻地覆地变化，但他的“齿形系数”表至今沿用，人们做的这些基础研究为机械设计的创新打下了基础。第四阶段，以静态分析为主（复杂建模）。这一阶段是机械设计成果非凡的时期，由于过去建立的力学模型简单，只能解决不太复杂的问题，已经不能适应当时的设计需要，利用实验已经成了过去。这是人们开始考虑如何建立更加复杂更加贴近实际的模型。这一阶段发展出了最优化设计，有限元法，可靠性设计，断裂力学，CAD等等，这些方法都是改进了以前的模型，使之更加接近实际，所得结果更加精确。最优化方法，也称运筹学方法，他最早是在60年代应用与机械设计，虽然历史较短，但发展迅速，有机械结构优化，结构参数优化等，这些方法使得我们在设计机械时不仅仅局限于实现功能，更要用最优的方法实现，在今天发展出了多个分支，实现了从功能设计，方案设计，技术设计，建模，结果评价等各个方面的优化，在保证质量，缩短研发周期方面发挥了重要作用。 最优化方法在今天依然有着巨大的发展空间，并且分出了多个分支；广义优化，广义优化不同于传统优化，传统优化旨在求出函数的极大值极小值，而广义优化旨在寻求具体解决问题的可行方案，问题的求解表达为一组决策规划及相应的优化域广义优化提高了优化的能力与适用性。智能优化，随着计算机的发展是智能优化变为了可能，计算机辅助设计方案智能优化，寻优策略的自动选择和优化的智能控制使得切结问题更加有效。模糊优化，它主要研究模糊线性规划模型，可能性线性规划模型和模糊非线性规划模型，这些方法已经在多个学科中得到了应用。有限元法，它是一种高效节能，常用的计算方法。在经典的设计方法中计算对象只限于一些小型问题，而利用有限元法，借助计算机可以解决大型问题，未知数可以成千上万，有限元法借助两个工具，在理论推导中采用了矩阵法，在计算中采用了计算机，它的基本思路是将零件分解成有限个小的力学单元，以每个小的单元为研究对象建立力学模型，再将小的单元组合成整体，以力的平衡和变形协调条件求解问题，这种方法吧复杂问题转化成了小的问题解决了以前不能解决的问题。可靠性设计，所谓可靠性设计，是指机械产品在规定的适用条件下，规定的时间内完成规定的功能的能力。机械功能不可靠会造成重大损失，很现实的例子，当今的空难，相当大的一部分是有于可靠性不高导致的，只有小不封是由于不可抗拒的力量造成的。又如在二战期间，美国由于飞行事故损失的飞机达2100架，必被击落的高1.5被。1986年年美国“挑战者”号航天飞机由于密封圈在低温下失效，造成航天飞机爆炸。“哥伦比亚”号航天飞机又因为隔热瓦故障，在返航经过大气层时燃烧，两架航天飞机个造成7名宇航员丧生和重大经济损失。更加现实的例子，今年哈尔滨阳明滩大桥由于XXX原因突然坍塌，可怜的司机们啊，唉，超载啦，超载啦。看出可靠性设计的重要性了吧。20世纪40年代奠定了可靠性设计的基础，新的理论不断涌现，矩阵法，响应面发，最大熵法，随机有限元法，和非概率分析法，内容涉及静强度设计，疲劳强度设计，有限寿命设计等。这些方法大大的提高了机械产品的性能，节约了成本，保护了我们的财产。机械产品与可靠性关系框图见图1. 图 1 机械产品与可靠性关系框图机械设计可靠性技术贯穿产品的设计，研发，制造，装配，调试，试验，使用，维修保养等各个环节，未知因素多，所以建立在概率统计理论基础上的可靠性设计是解决问题的简单方法，这样不仅可以解决传统方法无法解决的问题，还可以降低成本，提高产品质量。断裂力学，过去建立的拉伸，弯曲等模型虽然可以计算材料的内力，但从某种意义上说材料的内力并不是我们所关心的，我们关心的是材料什么时候会断裂和如何预防断裂，而通常情况下材料断裂使得应力又远远小于传统理论建立的力学模型所计算出的理论值，1983年，美国国家标准局公布：每年因断裂引起的损失占美国国民生产总值的4%，即1200亿美元，由于蠕变破坏使发电设备近10年损失3亿美元。这就要求我们建立一种更加适合工程应用的力学模型，于是断裂力学顺应历史潮流的出现里了，断裂力学属于新兴学科，机械年来蓬勃发展，它对传统的强度理论提出了挑战，在高强度材料的使用，构建大型化，全焊接结构的使用方面有着突出的作用，由于他还是一个新兴学科，各种基础理论还在发展期间百家争鸣，如，哈工大的王铎教授研究的断裂力学认为材料的断裂是由于内部的微裂纹扩展导致的，也建立了一些相关公式。由于不同材料的断裂有很大的差别所以尚无一种统一的理论。CAD，由于计算机的迅猛发展，计算机辅助设计也得到了迅速的发展，现在有了许多种软件，如：Auto CAD,Proe,UG,等等，他们各有所长，在各自擅长的领域发挥了重要的作用，Auto CAD在二维制图方面功能强大，Proe,UG等在三维建模方面功能强大，他们还可以将虚拟的零件装配成一个完整的机器，进行仿真运行，这样大大的减少了研发的成本与周期，是未来机械设计发展的主流。第五阶段，以动态分析为主。在速度不太高的机械中静态分析就可以胜任了，但在高速机械中由于各部件高速运转所产生的惯性力就不得不考虑了，由于运动所产生的动载荷甚至成了机器最大的载荷，我们把考虑机器运转时产生的动载荷的设计方法成为第五阶段。其实这一阶段基础理论并没有太多的创新，相关的力学基础理论早在牛顿时期就已经建立完成了，之所以把它单独划分为一个阶段主要是因为这是一个设计思路的转变，是一种概念的创新。现在许多软件也可以完成动力学仿真，如：adams，proe虚拟建模，组装，定义材料属性在进行动力学仿真，可以获得受力特征，运动特征等等，这样是我们建立模型的环境与我们真实生活的更加接近了，大大的提高了机械产品的性能。最后预测一下未来的机械设计发展方向，本人认为，机械设计历史悠久，已有千余年历史，发展较为完善，但设计思路上并没有革命性的创新，基本都是让各个构件有确定的相对运动，以实现功能，我认为，在这种思路下机械的设计的复杂程度会有一个上限，也就是在对机械性能要求太高的的情况下按照现在传统的思路设计机械会过于复杂，以至于无法进行，或是成本与产生的效益不成比例，所以我认为在未来机械设计的思路会发生革命性的变革，也就是如何驾驭没有确定相对运动的能力，让没有确定相对运动的机器产生我们想要的运动，恰似大自然缔造的一切，在一片混乱中井井有条。参考文献 1陈昌曙等.自然科学发展简史M.辽宁科学技术出版社，1984,2. 2张义民.机械可靠性设计的内涵与递进J.机械工程学报，2010，（46）：3-10. 3杨林宝.机械设计发展概述J.鄂州大学学报，1995，（1）：1-6.4何龄修.读南明史J.中国史研究，1998,(3):167-173.5赵炜.运筹学的理论与应用中国运筹学会第五届大会论文集