1.1 现代机械设计概述

1.1.1 现代机械设计的概念

设计的英语为“Design”，来源于拉丁语的De-Signare，是“作-记号”的意思，因此，设计的最初含义是将符号、记号、图形等记下来的意思。随着社会的发展和技术的进步，设计的含义越来越广泛。关于设计，目前还没有一个统一的定义，一般可以认为，设计是根据市场需求，对技术系统、零部件、工艺方法等进行计划和决策的过程。在多数情况下，这个过程要反复进行。计划和决策要以基础科学、数学、工程科学等为基础，其目标是要对各种资源实现最佳的利用，使之最好地转变为人类需求的系统或器件。

现代机械设计是从市场的需求出发，根据使用要求，运用现代科技的最新技术、成果、方法和手段，通过构思、分析、计算和决策，确定机械产品的功能、原理方案、技术参数和结构等，并将其转化为具体的描述，以作为制造依据的这样一种技术实践活动过程。现代机械设计充分利用了当今迅速发展起来的计算机技术、计算技术、应用数学和力学、电子学、测试和分析技术，使设计技术有可能从经验的、静止的和随意性很大的传统设计变为基于计算数据、知识工程或专家系统的、动态的现代设计。

无论是传统还是现代机械设计，其目的都是要设计出一种能达到预定功能要求、性能好、成本低、价值优、能满足市场需求的机械产品。设计是机械产品生产的第一个步骤，设计师通过这一过程，最终要提供产品生产所需的全部资料，包括全部产品图纸、技术文件和计算机软件等，作为产品生产的依据。

机械设计在现代机械生产中占有重要地位，机械设计的成败往往成为产品在生产和销售中是否能够取得良好效果的决定条件。因此，为了发展我国机械工业并为其他行业提供先进的机械设备以支持其他工业的发展，提高我国机械设计的水平是一件非常重要的工作。

1.1.2 现代机械设计的特点、类型和流程

1.现代机械设计的特点

现代机械设计有两个含义：一个是现代的机械设计，另一个是现代机械的设计；前者反映现代机械设计的哲理、准则和方法，后者包含现代机械的组成、结构和设计。与传统的机械设计相比，现代机械设计有如下一些具体的特点。

（1）智能化。大型复杂机械的设计必须完成“分析→分解→综合”的过程，其中包含大量创造性思维过程和智能活动。

（2）经济性。产品市场的激烈竞争、用户的要求和选择，使得对产品的经济性要求越来越高。

（3）并行性。必须在设计的上游阶段超前考虑后续过程，如制造性、装配性、维护性等要求，实现“面向制造的设计”（Design For Manufacturability，DFM）、“面向装配的设计”（Design For Assembly，DFA），以压缩废品、库存的消耗，确保经济性。

（4）集成化。即树立人机一体化、机电一体化、硬件软件一体化观念，综合多方面测试分析数据指导、评价设计，融多种现代科技成果和技术，特别是融CAD技术于机械产品设计之中。

（5）精确性。这是机械工程产品复杂度、综合性提高的必然结果，现代先进的计算技术、计算理论和计算分析工具的使用，也使之得以迅速提高。

（6）动态性。分析设计对象不仅要从动态的观点出发，设计组织的合作协调也具有动态性，后者要求设计数据集成、设计系统无缝连接。

（7）自动化。大量采用计算机辅助设计技术，与人工智能、专家系统等技术相结合，将繁杂的数值计算、知识信息的传输处理和检索、简单而又众多的判断等工作尽可能地交给计算机完成，最大限度地将工程技术人员从烦琐的人工设计过程中解放出来，提高设计质量和设计效率。

2.现代机械设计的类型

根据技术需要和具体条件的不同，现代机械产品设计可以分为以下三种类型。

（1）开发性设计。在工作原理、结构等完全未知的情况下，应用成熟的科学技术或经过实验证明可行的新技术，设计未曾有过的新型机械。这是一种完全创新的设计，机械产品的工作原理和具体结构都是新的，如按市场要求开发达到世界水平的新产品，要求技术特色突出，成功后效益高，但风险也大。

（2）适应性设计。在工作原理及设计方案基本保持不变的前提下，对已有的机械产品作局部变更或在结构上进行一定的调整，增加一些附加的功能，以提高性能、降低制造成本或减少运行费用。

（3）变型设计。在产品的工作原理和功能结构都不变的情况下，为了适应更多的工艺条件或使用要求，改变原有产品的具体参数或结构，从而发展出不同于标准型的变型产品。

总体上来说，机械产品设计中的开发性设计目前还占少数，但是，随着市场竞争的日益激烈，人类个性化的需求快速发展，开发性设计将逐渐增加。作为一名设计人员，无论从事哪一类设计，都应该在创新上下工夫。创新是开发性设计、适应性设计和变型设计的灵魂，创新可以使设计焕然一新。设计的本质是创新，重视创新设计是增加机械产品竞争力的根本途径。

3.现代机械设计的过程

由于机器的种类繁多，性能差异巨大，所以机械设计并没有一个通用的固定顺序，需要根据具体情况进行。现代机械设计的一般程序如图1.1所示，说明如下。

（1）产品规划。产品开发是从社会需求开始的，在进行产品设计之前，进行市场调研、需求分析、可行性分析，根据使用要求和工作条件，确定产品的功能范围、设计指标及制约条件，明确设计需要解决的问题，最后给出详细的设计任务书（或要求明细表），作为以后设计、评价和决策的基本依据。

（2）概念设计。需求是以产品的功能来体现的，体现同一功能的产品可以有多种实现的工作原理。概念设计也就是原理方案设计，即在功能分析的基础上，利用各种物理原理，通过创新构思，搜索探求，优化筛选得出理想的设计方案。在设计阶段，原理方案设计占有重要位置，设计方案直接影响产品功能、性能指标、成本、质量，设计师应尽量运用他们的知识、经验、创新能力，对规划阶段的资料信息进行分析、整理，构想出满足功能要求的合理方案。

（3）详细设计。详细设计是将机械方案具体转化为机器及零部件的合理结构，也就是完成机械产品的总体设计、零部件设计的全部图纸和必要的技术文件。

总体设计是在概念设计的基础上全面考虑机器各部件的总体布置、运动配合、造型设计、包装运输、人-机-环境的合理关系，并画出总装配图。零、部件设计是将总装配图拆成部件图和零件图，标注技术条件及完成全部生产用图纸。最后，编制相关的设计说明书，使用说明书，工艺文件，标准件、外购件明细表等技术文件。

以上三个阶段既有顺序上的逻辑性，又有相互之间的重叠性。在这三个阶段中，概念设计日益引起人们的关注和重视。

1.1.3 现代机械设计方法

现代机械设计方法通常是相对传统的设计方法而言的。传统机械设计主要是建立在灵感和经验的基础上，思维带有很大的被动性，现代机械的组成、结构发生了明显区别于传统机械的变化，相应设计方法也发生重大变化。现代机械设计体现了更高层次的学科综合，该方法把产品设计当做系统工程对待，强调创造能力的开发，注重“综合→分析”的设计法，重视设计方案的选择，考虑对多种方案的评价，其思维方式是发散性思维。现代设计法是学科综合化、统一化在方法科学上的一次突破，是一门新兴的交叉学科，这一设计科学既是思维科学又是方法科学，广泛应用于各种产品的系统设计、结构设计、技术参数设计、艺术设计、开发与研制等方面。

相对传统的设计方法而言，现代设计方法力求运用现代数学、力学、微电子学及信息决策科学等方面的最新成果与手段，实现下列转化。

（1）以现代定量设计取代传统的定性设计。如以有限元法计算箱体的应力和变形从而确定其结构尺寸，取代经验类比法设计。

（2）以现代优化设计取代传统的可行性设计。即用相关的设计变量恰当地建立设计目标，并将设计要求转化为设计约束，建立优化数学模型，从众多的可行解（方案）中寻求最优解。

（3）以现代动态设计取代传统的静态设计。如以机器结构动力学计算取代传统的静力学计算，充分考虑到机械振动对机械结构的影响。

（4）以现代概率变量设计取代传统的常量设计。如可靠性设计中用随机变量取代传统设计方法中常量的处理方法。

（5）以现代并行设计取代传统串行设计。并行设计（Concurrent Design）是一种面向产品“全生命周期”的一体化设计过程，该方法在设计前期阶段就并行考虑其整个生命周期中可制造性、可装配性、可测试性、可维护性及可靠性等各方面的要求与相互关系，避免串行设计中可能发生的干涉与返工，从而缩短产品开发周期，降低开发成本，开发出质优、价廉、低能耗的产品。

（6）以现代微观设计取代传统宏观设计。如以断裂力学理论建立以损伤容限为设计判据的设计方法；润滑理论中的微-纳米摩擦学设计等。

（7）以现代系统工程法取代传统分步处理法。将产品或产品设计作为一个系统，用系统工程观点分析其组成单元或设计过程，综合最优地处理其内部单元间的关系及与外部环境间的关系。

（8）以现代自动化设计取代传统手工设计。现代自动化设计建立在计算机软硬件技术发展的基础上，力求利用先进的硬件（包括计算机、三维扫描仪、三坐标测量机、自动绘图机等）和软件（包括数据库、图形库、知识库、专家系统、评价决策系统及各种CAD支持系统），提高产品设计质量和设计效率，缩短产品开发周期，大力提高产品的自动化设计水平。

现代设计方法的内容主要包括：设计方法学、优化设计、可靠性设计、有限元法、并行设计、虚拟设计、智能设计、协同设计、计算机辅助设计、反求设计、分形设计、相似设计等。