常规、现代和创新设计技术的异同及发展

[摘要]机械设计是机械工程的重要组成部分，设计水平的高低直接关系到产品的质量性能、研制周期和经济效益等。现代设计技术是常规设计技术的延伸与发展，是相关科学技术综合应用于设计领域的产物，它使常规设计技术发生了质的飞跃，创新性设计是指充分发挥设计者的创造力利用人类已有的相关科学技术知识进行创新构思设计出具有新颖性的创造性及实用性机械产品的一种实践活动。创新设计强调发挥创造性提出新方案提供新颖而且独特的设计。三大设计技术综述了常规设计技术、现代设计技术创新设计技术的内涵、应用及它们之间的异同，阐述了机械设计技术的发展趋势。同时指出发展机械工业。关键是开发、应用现代机械设计技术。

[关键词]机械设计；常规设计技术；现代设计技术；创新设计技术；发展

一． 引言

机械创新设计是根据使用要求对机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等进行构思、分析和计算，并将其转化为具体的描述以人为制造依据的工作过程。机械创新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。根据德国工程师协会文件VDl2225的调查分析，产品设计成本约占产品成本的5％～7％，但却决定了产品制造成本的75％～80％左右。设计工作的质量，直接关系到机械产品的质量性能、研究周期和技术经济效益等。

二． 常规设计技术

目前各大专院校所使用的《机械原理》及《机械设计》教材主要讲述的是常规设计技术。它是学习、应用、发展现代设计技术的基础。常规设计也称为传统设计，分为初步设计，技术设计，施工设计三个步骤。常规设计是指以成熟技术结构为基础，运用常规方法来进行的产品设计，它在工业生产中大量存在，并且是一种经常性的工作。常规设计的方法是依据力学和数学建立的理论公式和经验公式为先导，以实践经验为基础，运用图表和手册等技术资料，进行设计计算、绘图、编制设计说明的过程。常规设计方法强调以成熟的技术为基础，目前常规机械设计的方法仍然是机械工程中的主要设计方法。 2．1理论设计

根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计称为理论设计。现以简单受拉杆件的强度设计为例来讨论理论设计的概念。可以利用公式直接求解杆件必须的横截面积，也可以按其它方法先初步设计杆件的横截面尺寸，然后用强度计算公式去校核。由于实际情况复杂多变，若安全系数选择过大，则产品傻、大、粗。若安全系数过小，则很难保证安全性。 2．2经验设计

根据对某类零件已有的设计与使用实践而归纳出的经验关系式，或根据设计者个人的工作经验用类比的办法所进行的设计叫经验设计。这对那些使用要求不大变动而结构形状已典型化的零件，是很有效的设计方法。例如箱体、机架、传动零件的各结构要素等。随着设计产品的技术系统越来越复杂，技术含量不断提高，产品更新发展速度加快，经验类比的设计方法已不能满足市场需要。 2．3模型实验设计

对于一些尺寸巨大而结构又很复杂的重要零件，尤其是一些重型整体机械零件，为了提高设计质量，可采用模型实验设计的方法。即把初步设计的零、部件或机器做成小模型或小尺寸样机，经过实验的手段对其各方面的特性进行检验，根据实验结果对设计进行逐步的修改，从而达到完善。这个设计方法费时、昂贵，因此一般用于特别重要的设计中。

三． 现代设计技术及应用

现代设计方法强调以计算机为工具，以工程软件为基础，运用现代设计理念进行的机械设计。可靠性设计、优化设计、有限元设计、计算机辅助设计、虚拟设计等都是常用的现代设计方法。现代设计方法在强调运用计算机、工程设计与分析软件和现代设计理念的同时，其基本的设计内容是建立在常规设计的基础上。此外，步入现代设计阶段的另一个特点就是，对产品的设计已不是仅考虑产品本身，并且还要考虑对系统和环境的影响；不仅要考虑技术领域，还要考虑经济、社会效益；不仅考虑当前，还需考虑长远发展。

3．1优化设计

优化设计是建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上，通过计算机的数值计算，在一切可能的方案中寻求最优方案，使期望的指标达到最优的设计方法。它可以成功地解决解析法等其他方法难以解决的复杂问题。在机械工程领域中，根据机械设计理论、方法和标准、规范等建立反映工程设计问题和符合数学规划要求的数学模型，然后采用数学规划方法和计算机计算技术自动找出设计问题的最优方案。

3. 2有限元设计

有限元分析技术是最重要的工程分析之一，是20世纪60年代发展起来的新的数值计算方法。随着计算机技术的发展，有限元设计在各个工程领域中不断得到深入的应用。有限元法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。这种方法灵活性很大，只要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解。有限元法的基本理论要用到工程数学，力学等方面的知识。它不仅能用于工程中复杂的非线性问题、非稳态问题的求解，而且还可用在工程设计中进行复杂结构的静态和动力分析。 3．3可靠性设计

可靠性设计是近几十年发展起来的一门新兴学科，从20世纪60年代以来逐渐进入机械工程领域。零件的可靠性设计是指在规定的时间内，规定的条件下，完成规定功能的能力。可靠性设计的主要特征是将常规设计方法中所涉及的设计变量如材料强度、疲劳寿命、尺寸、应力等，看成服从某种分布的随机变量。然后根据产品的可靠性指标要求。用概率统计的方法得出零部件的主要结构参数和尺寸。

四． 创新设计技术

机械创新设计是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术知识，进行创新构思、设计出具有新颖性、创造性及实用性机械产品的一种实践活动。 创新设计的过程大都是从形象思维开始，然后经过逻辑推理和判断及相应的综合、分析与决策，而产生设计方案；然后进一步将设计具体化，即建立新的机构、结构和机械系统等模型；继之进行计算和技术细节的设计。机械创新设计技术是设计人员针对新的或预测的需求，从已知的、经过实践检验可行的理论和技术出发，充分发挥设计者的创造性思维，随之构思并设计出过去所没有的全新产品的技术。 4．1认知科学对创新设计本质的研究

认知心理学家通过研究总结出这样的结论，即创新设计的过程是：愿望一准备一处理一酝酿一得出暗示的线索一阐明解释验证。于是可以得出创造性思维具有主动性、目的性、预见性、求异性、发散性、独创性和突变性等特征。对于这些特征的研究和阐述，有助于我们对创新设计本质的认识。 4．2原理方案设计目录

PCDC文档是设计原理方案解的集合，根据设计方法学对设计本质和设计过程的阐述，以图文表格的方式进行有条理地组织，是建立智能系统知识库结构的依据。在设计方法学的指导下，PCDC智能系统通过对原理方案的优选、分解和组合可以产生新的原理方案，从而实现产品的创新设计。PCDC片段主要是由功能要求项、原理解项和评价项所组成，它既给出了原理方案解的详细描述，又给出了从功能要求向物理效应映射，并进一步向原理解映射的线索。PCDC片段是原理方案的设计实例，适合于采用基于实例的推理(Case

—based Reasoning，CBR)方法。CBR方法能够以实例(Case)的方式很好的表达PCDC片段，并以合理的组织模式建立实例库，最终建立起有效的推理和自学习策略。这样就可以组建成一个原理方案设计型的智能系统。此智能设计系统既能进行原理方案的一般求解，又能对原理方案进行合理修改、分解和组合，以产生新的原理方案，再对相应的原理方案进行细化，从而实现创薪设计。PCDC方法充分运用了设计方法学的成果，为智能创新系统提供了有效的知识背景，现已受到普遍的关注并开始从事该方法的研究。一 4. 3创新问题求解理论

TIPS是建立在对各工程领域大量专利的分析、综合，并整理出一般规律的基础上的。它认为所有工程系统都是按照相同的规律进行演化和发展的，创新问题可以看成是新的需求与不能满足要求的旧系万方数据。创新设计方法分为智力激励法，提问追溯法，联想类推法，返向探索法，系统分析法，组合创新发六种。

五．不同设计方法的实例分析

设计实例一：薯条加工机的设计 5.1.1 常规设计：

第一道工序：清洗：设计清洗机

第二道工序：削皮：设计削皮机 红薯固定，刀旋转，完成削皮的任务。 第三道工序：切片后再切条。

需要设计清洗、削皮、切条三套设备，由 于红薯形状和大小差异很大，控制削皮的厚度较难，导致浪费严重，生产率也低。 5.1.2 现代设计：

在设计思想没有改变时，通过计算机仿真、优化设计等，可减少削皮的损失、提高生产率，但仍然不理想。 5.1.3 创新设计：

清洗 → 粉碎 → 过滤去皮 → 挤压成型 → 油炸成产品

创新导致加工设备的改变

设计实例二：椰肉加工机的设计 5.2.1 常规设计：

椰子剖开 → 旋转 → 刀具切削 （结果不理想） 5.2.2 现代设计：

在设计思想没有改变时，通过计算机仿真、优化设计等，可减少椰肉的损失、提高生产率，但结果仍然不理想

5.2.3 创新设计： 注入溶剂，椰肉溶化成汁。

创造性思维改变了产品加工方法、由机械加工方法到化学方法生产

七． 结束语

常规设计方法是一切方法的基础,现代设计方法是在常规设计方法的基础上，提高设计效率、产品可靠性和质量的设计方法,创新设计的要素是强调创造性的设计思维，其结果具有巨大效益。世界各国都十分清楚美国人所提出的“为竞争的优势而设计”的口号的重要意义。当前，我国正在进行社会主义现代化建设，对于机械工业来说，面对全球化竞争，迫切需要质量好、效率高、消耗低、价格便宜的机械产品，这正是当前机械设计技术发展的总目标。因而，现代设计技术责无旁贷的担当起现代企业的设计任务。

参考文献：

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