机械设计的学科前沿和动态发展

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1、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 （SeatonJ）,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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、 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

8、）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

9、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、

10、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 ea

11、rly 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

12、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

13、、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

14、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）0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 最活跃的因素一一科学创新，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、边缘学科蓬勃兴起，各门学科相互渗透、相互结合，科 学技术整体化的趋势日益增强。（三），从定性到定量的综合集成人类已 经进入21世纪，在科学技术与社会经济迅猛发展的条件下，人类面对 越来越复杂的客观世界。在东西方文化互补、融合的基础上提出的“现 代科学技术体系总体框架和“开放的复杂巨系统的科学思想，不论在 现代科学技术体系的内容方面，还是在科学方法（以人为主的人机系统） 的探索方面都取得了重大突破，正在推动着科学创造方法论的改变。