机械设计的学机械动态设计最新发展概况科前沿与动态发展 机械设计的学科前沿和动态发展

机械设计及其理论的前沿和动态发展

第一部分是机械设计发展概述

机械设计学科的形成历史

专门用于工业生产的机械设计，技术特征明显，形成体系，是18世纪工业革命后才建立起来的。英国的史密斯(，J)对纽科门(，T)发明的各种功率的蒸汽机进行了系统的分析，写了很多实验报告，整理出了一套计算公式；瓦特(J)在他的工作基础上，于1756年和1782年研制出新一代蒸汽机。机械设计经历了多次失败，然后逐渐积累技术经验，奠定科学基础，形成完整体系。两百多年前的个体手工劳动的生产方式已经被大规模机械化、自动化生产所取代。过去，产品的质量和性能完全取决于工人的个人经验和技能，但现在可以通过电子计算机自动和自适应地控制生产过程，使产品产量好，成本低。人类在自己的生产活动中，不断总结经验，采用最新的科技推动生产。同时，在发展生产的过程中，他们不断向科学技术提出新的课题。这些都必须体现在机械设计的发展过程中。

机械设计的形成阶段

第一阶段是设计公式的经典设计阶段。机械行业主要产于欧美，设计主要基于经典设计公式的结合。力学各个分支的发展，加上在机械制造方面积累的丰富经验，为机械设计的实验、实验和理论研究奠定了基础，确立了基本概念，形成了基本体系，做了大量的基础工作。第二阶段，基于经验的实验设计，二战期间和之后(1940-1960)。这是一个机械工业在数量上扩大生产的时代，主要是在美国。在机械设计的这个阶段，通过实机或模型试验获得基础数据，然后进行设计。机械设计可分为功能设计和强度设计。以强度设计为例，要考虑三个方面：(1)基于弹性力学的弹性设计；(2)以屈曲等塑性破坏为对象的极限设计；(3)基于安全寿命预测和容许损伤极限的疲劳设计。

第三阶段是基于静态分析的理论设计。这个阶段(1960-1980)是机械设计从实验设计到理论设计的发展阶段。1960年后，随着机械生产数量的增加，要求提高产品质量和机械性能，出现了液压技术、电子技术等一系列设计。第四阶段，基于动态分析的理论设计，进入80年代。随着机械生产向高速、高效、精密、轻量化和自动化方向发展，产品结构越来越复杂，对机械的工作性能要求也越来越高。为了使机械安全可靠地工作，其结构系统必须具有良好的静态和动态特性。另一方面，人们的环保意识增强，机械振动和噪声损害操作人员的身心健康，已成为亟待解决的社会问题。因此，基于静态分析的设计开始转向动态分析，以满足机械静动态特性、低振动、低噪声的要求。第二部分是现代机械设计技术。机械设计是机械工程的重要组成部分，也是决定机械性能的最重要因素。现代设计技术主要包括：卓越性能设计基础技术、竞争优势创造设计技术、生命周期设计技术、绿色产品设计技术等。

1.卓越性能设计的基础技术。该设计技术旨在提高机械产品的综合性能，也是在传统性能设计的基础上提出的。在设计机械及其零部件的材料、结构和尺寸的前提下，应用摩擦学、断裂力学等一系列科学研究成果，从个体设计到系统设计，从深度和广度上拓展了这一设计技术的内涵和外延。其内容包括以下设计手法：1。可靠性设计和实验技术。2.抗疲劳断裂设计技术。3.系统动态设计技术4。摩擦学设计技术5.防腐设计技术。6.状态监测补偿与控制技术。二是在市场经济体制下形成和发展的竞争优势创造设计技术。竞争机制和供求关系是市场经济的两大特征，这就要求生产设计师以新的理念、新的原则、新的功能不断设计出满足客户需求的新产品，使企业在激烈的全球竞争中始终立于不败之地。内容包括以下设计技术：1。创新产品设计技术。2.降低成本的设计技术。3.快速设计技术。4.仿真和虚拟设计技术。5.智能设计技术。6.广义优化设计。7.造型色彩设计技术。

三、生命周期设计技术。这就要求不仅要考虑产品的功能和结构，还要设计产品的整个生命周期，即从产品的规划、设计、制造、营销、运行、使用、维护到回收和处置的全过程。该内容由三个设计技术组成：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。

第四，绿色产品设计技术。这是一种按照产品生命周期中环保、资源利用率最高、能耗最低的要求来设计产品的技术。它包括以下技术：1 .面向环境的设计技术。2.面向能源的设计技术。3.面向材料的设计技术。

第三部分是计算机辅助设计技术

计算机辅助设计(CAD)技术产生于20世纪50年代末。作为工程技术的杰出成就，计算机辅助设计技术已经广泛应用于工程设计的各个领域。CAD技术的研究热点包括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、管理和检索、设计方法研究及相关问题、支持创新设计等。1.CAD软件包括：(1)美国参数技术公司(PTC)的产品。PTC提出的单数据库、参数化、基于特征、全关联的概念，开发的第三代机械产品软件可以集成从设计到生产的全过程，使所有用户可以同时设计和制造同一个产品，即实现所谓的并行工程。(2)1995年11月，美国公司开发了一套基于Windows平台的全参数化特征建模软件，可以轻松实现复杂三维零件实体建模、复杂装配和生成

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：NeverearlytouseCAE（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-MachineIntegration）。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、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。

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