机械设计的学科前沿和动态发展.docx

机械设计及其理论的前沿和动态发展第一部分 机械设计发展概述 一、 机械设计学科形成历史专为工业生产所运用、具有明显的技术特征,而又形 成体系的机械设计, 在18世纪工业革命以后的一段时 间才被确立起来。 英国人斯密顿（Seaton,J）,对纽可门 (Newcomen,T),发明的各种功率的蒸汽机进行了系 统分析,写出许多实验报告,并整理出一套计算公式 ； 瓦特（Watt,J）,就是在他工作的基础上,先后于 1756年和1782年研制出新一代的蒸汽机。 机械设计经历了反复多次的失败,才逐步积累了技术 经验,奠定了科学的基础,形成完整的体系。 两百多年前的个体手工劳动的生产方式， 现在已由大规模的机械化、自动化生产所代替。 过去，产品的质量和性能，完全依赖于劳动者 个人的经验和手艺，而现在已经可以做到由电 子计算机对生产过程进行自动的适应性控制， 使得产品成量好、成本低。 人类在自己的生产活动中,不断地总结经验 和采用最新的科学技术来推动生产向前发展 同时，在发展生产的过程中，又不断向科学技 术提出新课题。这一切必然反映于机械设计发 展过程。二、 机械设计的形成阶段 第一阶段，设计公式进行的经典设计阶段。机械工业生产主要在欧美各国进行，设计主要是依据经典设计公式的组合进行。 力学各分支的发展，加上在机械制造中积累的丰富经验,为机械设计的实验、试验和理论研 究奠定了基础，确立了基本观念，形成了基 本体系，也做了不少基础性的工作。 第二阶段，以经验为主的实验设计，第二次世界大战中和战后(1940一1960 年) 。是机械工业在数量方面扩大生产的时代 ， 主要在美国。 这一阶段的机械设计，主要是通过实机或模型试验获得基本数据，然后以此进行设计。机械设计可分为机能设计和强度设计两大方面。以强度设计为例，它应兼顾三个方面内容: （1）以弹性力学为基础的弹性设计； （2）以屈曲等塑性破坏为对象的极限设计 ； （3）基于安全寿命预测、许用损伤限度等的疲 劳设计。第三阶段，以静态解析为主的理论设计，这个阶段(1960-1980年)是机械设计由实验设 计转入理论设计的发展阶段。1960年以后,在机械生产数量增加的同时，要 求提高产品质量，改进机械性能，出现了应用 液压技术、电子技术等系列设计。 第四阶段，以动态解析为主的理论设计，进入20世纪80年代，由于机械生产日益向高速、高效、精密、轻量化和自动化的方向发展, 产品结构日趋复杂，对机械的工作性能也要求越来越高。为使机械安全可靠地工作，其结构 系统必须具有良好的静、动特性。 另一方面，人们的环境保护意识增强，机械振 动和噪声损害操作者的身心健康，成为亟待解 决的社会问题。为此，由静态解析为主的设计 开始向动态解析转移，以满足机械静、动特性 和低振动、低噪声的要求。第二部分 现代机械设计技术 机械设计是机械工程的重要组成部分,是决定机 械性能的最主要的因素。现代设计技术主要包括：优良性能设计基础技术、竞争优势创建设计技术、全寿命周期设计技术、绿色产品设计技术等。一、优良性能设计基础技术。这是以提高机械产品综合性能为目的的设计技术，同时也是在传统性能设计基础上提出的，在对机械及其零件进行材料、结构和尺寸设计的前提下，运用摩擦学及断裂力学等一系列科 研成果，从个体设计到系统设计，并从深度和广度上拓展此项设计技术的内涵和外延。其内 容包括以下几种设计技术：1.可靠性设计和实验技术。2.防疲劳断裂设计技术。3. 系统动态设计技术 4. 摩擦学设计技术。5.防腐蚀设计技术。 6.状态监测补偿与控制技术。 二、 竞争优势创建设计技术，这是在市场经济体制下形成和发展起来的。 竞争机制和供求关系是市场经济的两大特点， 这就要求生产设计人员要用新观点、新原理和新功能来设计不断满足顾客需要的新产品，进而使企业在全球范围的激烈竞争中始终处于不败之地。该项内容包含以下几种设计技术：1.产品创新设计技术。2.降低成本设计技术。3.快速设计技术。4.仿真与虚拟设计技术。5.智能设计技术。6.广义优化设计。7.造型色彩设计技术。三、全寿命周期设计技术。这要求设计产品时不仅要考虑产品的功能和结构，而且要设计产品的全寿命周期，也就是要设计产品的规划、设计、制造、营销、运行、使用、维修保养，直到回收再用处置的全过程。这项内容具体由三种设计技术组成：1. 并行设计技术。2.面向制造的新技术。3.产品数据管理技术。四、绿色产品设计技术。这是对产品在其生命周期中，按符合环境保护、资源利用率最高、能源消耗最低的要求进行设计的技术。它包括以下几种技术： 1. 面向环境设计技术。2.面向能源设计技术。3. 面向材料设计技术。第三部分 计算机辅助设计技术计算机辅助设计（Computer Aided Design， 简称CAD）技术产生于19世纪50年代后期。 CAD技术作为杰出的工程技术成就，已广泛地 应用于工程设计的各个领域 。CAD技术研究热点有计算机辅助概念设计、计算机支持的协同设计、海量信息存储、管理及检索、设计法研究及其相关问题、支持创新设计等。 1，CAD软件包括：（1）Pro/Engineer ，美国参数技术公司（PTC）的产品。PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念， 开发出来的第三代机械CAD/CAE/CAM产品 Pro/Engineer软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制 造工作，即实现所谓的并行工程。（2）SolidWorks，美国SolidWorks公司于1995年11月研制开发的 SolidWorks是一套基于Windows平台的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的 三维零件实体造型、复杂装配和生成工程图。（3）AutoCAD ，美国Autodesk公司为微机开发的一个交互式二维工程绘图软件，AutoCAD是当今最流行的二维绘图软件，有强大的二维功能，如绘图、编辑、剖面线和图案绘制、 尺寸标注以及二次开发等功能，同时有部分三维功能。2、主要CAE软件包括：ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦 合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。 由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美 国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实 现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高 级CAE工具之一。 ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，分 析计算模块和后处理模块。分析计算模块包括 结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高 度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分 析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合 分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有 灵敏度分析及优化分析能力。第四部分 CAE技术的应用和发展趋势 1.趋势一：现代产品研发流程中，通常使用CAD建模，用CAE进行仿真。因此，许多人的眼里，CAE理所当然是CAD的后端技术了。恰恰相反，在先进研发流程中，CAE是CAD 的“先行”技术。在新产品设计周期里， CAD付诸实施之前，CAE已经行动了。CAD并不是贯穿整个研发周期的技术，CAE却是，它在产品研发全过程中影响着设计。仿真技术越早地被应用于设计流程，它产生的投资回报率也将越高。ANSYS公司有一经典之语切中要害：Never early to use CAE （CAE永不嫌早）。 2.趋势二：核心功能深入化，仿真环境 却逐步浮向使用者手边；核心技术在远离使用者，仿真结果却逼近真实世界。 现在，仿真功能从线性发展到非线性，从静态（稳态）到动态，隐式到显式，均质材料到复 合材料，确定性分析到非确定性（概率）分析，校核到优化，单学科仿真到多学科耦合但对仿真人员的要求却低了，主要原因是应用界 面越来越简单，越来越顺手。 3.趋势三：CAE技术涵盖了结构力学、流体力学、电磁学等诸多学科专业，而像火箭、飞机、船舶等复杂工业产品的设计对这几个学科专业都有强烈的耦合分析需求，多学科及多物理场耦合技术是保证仿真结果逼近真实世界的重要技术。 4.趋势四：产品仿真中的物理场仿真对高性能计算技术的要求最为迫切。当今，CAE软件的发展已经超越了计算机平台的概念，MPP群机系统、 SMP及其构成的星群系统 、甚至是局域网连接的工作站/PC机群的并行计算是现代CAE技术追求的新境界。CAE已经开始采用不同机型及操作系统的混合网络上的并行计算。更大规模的问题求解越来越成为人们追求的目标，真实的世界需要超过一亿自由度问题的求解方案，比如大型飞机整机气动的精确计算、整机详细结构模态分析、整机超大规模电大尺寸高频电磁计算等等。 5.趋势五：协同研发环境是根据现代企业研发活动的特点，整合研发相关的所有工具，形成一个基于网络的、分布式的企业级协同研发平台。该平台将设计模型管理、研发技术管理、 研发流程管理、多学科优化、多物理场仿真、 仿真数据管理及研发智力资产管理融于一身， 并充分利用企业分布式硬件资源和网格计算资源，支持企业的任何研发活动。第五部分 创造方法发展概述 一、社会思维与群体智慧。社会思维是指人作为社会整体对客观现实的认识，它是在整个社会时间、社会关系的基础上，无数个人思维和各种群体思维交互作用、 多元复合的观念体系。社会思维包括个人思维和群体思维。群体 思维是以若干思维个体组成的群体作为思维主 体形成系统的特有功能，从而产生单个个体所 不能达到的整体思维能力。 二、自主创新的时代特征。（一）以人为主、人机结合 。1，思维科学研究创新过程可以说是一项思维系统工程，是人认识客观世界的规律。2.信息时代以人为主的计算以人为中心的计算方法论的特点是：强调人机集成 （Human-Machine Integration）。以人为中心的 计算研究聚焦于人机集成的各个层面，强调系统观。3，（一），创新团队的社会性，作为最活跃的因素科学创新，在当代科学技术文明要求发达的背景下，它的主体是社会的人、人的群体、科学团队。（二），大成智慧工程。现代科学技术一方面不断分化，新学科层出不穷；另一方面不断综合，一大批交叉学科、