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机械设计发展现状研究
中国石油大学（北京）远程教育学院
毕业设计（论文）开题报告
机械设计发展现状研究
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2014年XX月XX日
机械设计发展现状研究
摘要
机械设计，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。
自七千年前出现的农具，到十七世纪的纺织航船，再到今天我们生活的各个方面，一句话我们的生活离不开机械设计。
分析研究机械设计的发展现状能够清楚了解我国现在的机械设计的水平，能够让我们知道我国现在所处于的阶段，通过和先进水平的对比，明白我们现在的不足，以后应该努力的方向。
这样才能弥补我们的短板，提高社会生产力，更好地创造社会价值，让人民更好地生活。
关键词：
机械设计；发展现状；分析
Abstract
machinedesign,Inaccordancewiththerequirementsofmechanicalworkprinciple,structure,modeofmotion,forceandenergytransmission,eachpartsofthematerialandshapesize,lubricationmethodsfordesign,analysisandcalculation,andturnitintoaspecificdescriptionoftheworkprocessofman-madebasis.Sinceseventhousandyearsagotofarmtools,textileshipinseventeenthCentury,andthentotodayallaspectsofourlife,wesaylifecannotdowithoutmechanicaldesign.Analysisofthedevelopmentstatusofmechanicaldesignresearchcanclearlyunderstandthepresentmechanicaldesignlevel,canletusknowourcountryisnowinthestage,comparingwiththeadvancedlevel,understandthatwehaveproblems,shouldbethedirectionof.Inordertomakeupfortheshortboardour,improvesocialproductivity,createabettersocialvalue,letpeopleliveabetterlife.
Keyword：
machinedesignDevelopmentsituationAnalysis
第一章前言
1.1机械设计概念
机械设计（machinedesign），根据用户的使用要求对专用机械的工作原理、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作为制造依据的工作过程［１］。
机械设计是机械工程的重要组成部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能的最主要的因素。
机械设计的努力目标是：
在各种限定的条件（如材料、加工能力、理论知识和计算手段等）下设计出最好的机械，即做出优化设计。
优化设计需要综合地考虑许多要求，一般有：
最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠性、最低消耗和最少环境污染。
这些要求常是互相矛盾的，而且它们之间的相对重要性因机械种类和用途的不同而异。
设计者的任务是按具体情况权衡轻重，统筹兼顾，使设计的机械有最优的综合技术经济效果。
过去，设计的优化主要依靠设计者的知识、经验和远见。
随着机械工程基础理论和价值工程、系统分析等新学科的发展，制造和使用的技术经济数据资料的积累,以及计算机的推广应用,优化逐渐舍弃主观判断而依靠科学计算。
机械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,服务于不同产业的不同机械，应用不同的工作原理，要求不同的功能和特性。
各产业机械的设计，特别是整体和整系统的机械设计，须依附于各有关的产业技术而难于形成独立的学科。
因此出现了农业机械设计、矿山机械设计、纺织机械设计、汽车设计、船舶设计、泵设计、压缩机设计、汽轮机设计、燃机设计、机床设计等专业性的机械设计分支学科。
但是，这许多专业设计又有许多共性技术，例如机构分析和综合、力与能的分析和计算、工程材料学、材料强度学、传动、润滑、密封，以及标准化、可靠性、工艺性、优化等。
此外，还有研究设计工作的在规律和设计的合理步骤和方法的新兴的设计方法学。
将机械设计的共性技术与理性化的设计方法学汇集成为一门独立的、综合性的机械设计学科是机械工程实践和教育工作者正在努力的工作［２］。
1.2机械设计发展历程
机械设计的发展史按时间来分，可分为三个阶段，分别是：
从古代社会到17世纪为机械设计起源和古代机械设计阶段，由17世纪至第二次世界大战结束为近代机械设计，第二次世界大战结束到现在为现代机械设计阶段。
以下就按此把机械设计发展史分三个阶段论述。
1.2.1第一阶段：
机械设计起源和古代机械设计
我国近代的考古发现了一些传说和记载，在余河姆渡，裴岗等遗址中都发现了七八千年以前制造相当精致的农具如石铲等。
我国古代经书中，对古代使用，制造机械的情况有许多记载。
《周易》“黄帝，尧，舜氏作，刳木为舟，服牛乘马，引以致远······”［３］。
可见，在4000多年前，我国古代已经发明了车，船，农具和许多生活用具。
在我国古代文献中随处可以看见机械产品和人民生活密切联系。
此外，我国古代在武器，纺织机械船舶等方面也有许多发明，到秦汉时期我国机械设计和制造已经达到相当高的技术水平，在当时世界上处于领先地位，在世界机械工程史上占有十分重要的地位。
在我国古代，机械发明，设计者与制造者是统一的。
有许多著名的人物，他们的成果代表了当时我国的机械的设计水平。
唐代的时候我国与许多国家开展了经济，文化和科学技术的交流，与东南亚，南亚，阿拉伯，非洲东海岸贸易频繁，对中国和世界其他的一些国家有很大影响。
由于贸易的发展，要求商品增加，从而改进生产设备，使机械设计有了很大的发展，造纸，纺织，农业，矿业，陶瓷，印染，兵器等都有了新的进展，机械设计水平也提高了一大步，宋代括的著作《梦溪笔谈》记载了当时的许多科学成就，反映了当时的科学水平。
在国外，这一时期以16世纪达芬奇的创造活动为顶点，由于作为机械设计的基础知识—力学尚未成熟，因此这一阶段设计最高水平就是达芬奇所构想的齿轮，螺旋，而中国的记里鼓车和秦代出现的齿轮传动则比达芬奇更早的达到这个水平。
世界其他的国家也有不少的机械成果，但这些设计多是凭设计者的经验完成的，缺乏必要的，要有一定精度的理论的计算。
1.2.2第二阶段：
近代机械设计
17世纪欧洲的航海，纺织，钟表等工业的兴起，提出了许多技术问题，1644年英国组成了“哲学学院”［４］，德国成立了实验研究会和柏林学会，1666年，法国，意大利也成立了研究机构。
在这些机构中工作的意大利人伽利略（1564——1642）发表了自由落体定律，惯性定律，抛物体运动，还进行过梁的弯曲试验；英国人牛顿提出了运动的三大定律，1688年，他提出了计算流体粘度的阻力公式，奠定了古典力学的基础；英国人虎克建立了在一定围弹性体的应力-应变成正比的虎克定律［５］；1705年伯努利提出了梁弯曲的微分方程式，在古典力学的基础上建立和发展了近代机械设计的理论（也称常规机械设计理论），为18世纪产业革命中机械工业的迅速发展提供了有力的技术理论支持；1764年英国人瓦特发明了蒸汽机，为纺织，采矿，冶炼，船舶，食品，铁路等工业提供了强大的动力，推动了多种行业对机械的需求，使机械工业得到迅速发展，而机械化使生产力迅速提高，进入了产业革命时代。
这一时期，对机械设计提出了很多的要求，各种机械的载荷，速度，尺寸都有很大的提高，因此机械设计理论也在古典力学的基础上迅速发展。
材料力学，弹性力学，流体力学，机械力学，疲劳力学，疲劳强度理论，实验应力分析方法等都取得了大量的成果，建立了自己的学科体系。
在1854年德国学者劳莱克斯发表了著作《机械制造中的设计学》，把过去融在力学中的机械设计独立出来，建立了以力学和制造为基础的新科学体系，由此放生了“机构学”,”机械零件设计”，成为机械设计中的基本容［６］。
在这一基础上，机械设计学得到了很快的发展。
在疲劳强度，接触应力，断裂力学，高温蠕变，流体动力润滑，齿轮接触疲劳强度计算，弯曲疲劳强度计算，滚动轴承强度理论等方面都取得大量的成果，新工艺，新材料的新结构的不断涌现，使机械设计的水平也取得了很大的发展。
机器的尺寸减少，速度增加，性能提高，机械设计的计算方法和数据积累也相应有了很大的发展，反映了时代的特色。
传统设计方法的特征：
自工业革命至计算机出现以前，随着力学和材料科学的发展，已经形成了机械的运动学，动力学和工作能力较为完整的分析与设计方法，这些方法即为传统设计方法。
在传统设计中，机械的设计方案，即机构的选型和传动系统的布局，主要依靠设计者的经验，并参考类似的机械设计经验，即通过类比分析的方法进行，因此存在以下不足：
简化，假定及经验公式较多，真正的理论分析欠缺，影响设计质量。
设计工作周期长，效率低，不能满足市场竞争激烈产品更新换代速度的加快的新形势。
设计方案依靠设计者的个人经验和水平，技术设计一班满足于获得一个可用的方案，而不是最佳方案。
综上所述，传统设计方法具有凭直觉设计，类比设计，经验设计，半经验设计等弊病。
1.2.3第三阶段：
现代机械设计
第二次世界大战之后，作为机械设计的理论基础的机械学继续以更加迅猛的速度发展，摩擦学，可靠分析，机械优化设计，有限元运算，尤其是计算机在机械设计中迅速推广，使机械设计的速度和质量都有了大幅的提高。
在机械中广泛运用计算机和自动化程度的提高，是现代设计具有明显的时代特色。
因此，机械设计在理论，容和方法方面于过去相比都有了划时代的发展。
而国际市场的激烈竞争，是现代机械设计的方法和发展的催化剂。
世界各国逐渐认识到产品市场竞争对各国经济发展的重要作用。
在产品竞争中，德国临于印有“MADEINUSA”的美国产品充斥德国市场，计划努力恢复德国产品的信誉，使”MADEINGERMANY”风靡世界，提出了“关键在于设计”的口号［７］。
日本虽然在某尖端了学研究方面走在了一些国家的后面，但是，在产品设计的方面发展很快，迅速摆脱了二次世界大战以前“东洋货不好”的印象，大量生产各国市场上需要的产品，取得了巨大的经济效益。
美国，英国也逐渐认识到产品设计的重要性，美国提出了“为竞争的优势而设计”口号，有人说“21世纪将是设计的世纪”，光有先进的还不一定能在商品竞争中取胜，必须通过先进的设计，是自己的产品丰富有竞争力，才能在商品竞争中取得优胜。
因此，机械产品设计在这一时期获得了空前的发展。
机械设计目前已经不适宜作为机械学的一个分支，而应该认为是与机械学并列的一门技术科学了。
第二章机械设计发展现状
2.1机械设计国发展现状
我国在现代机械设计方面起步较晚，中国机械工程学会于1983年5月才召开了“第一次机械设计方法学讨论会”，但经过了多年的努力，我国在现代设计方法的研究方面已经取得了可喜的成绩，现在的中国可以自豪地称为“世界的工厂”，“MADEINCHINA”已经是世界闻名了［８］。
虽然有了很大的进步，但是我国目前的整体机械设计水平还是有待于提高的，下面讨论我国现阶段使用较多的几种设计方式。
2.1.1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。
2.1.2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。
2.1.3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。
但是相对于世界上先进国家来说，我国的机械设计环境还是相当落后的，具体表现为：
（1）对客观设计过程研究，了解不够。
尚未很好地掌握设计中的客观规律。
（2）当前设计的优劣主要取缺于设计者的经验
（3）设计生产效率低。
（4）设计进度与质量不能很好控制。
（5）设计手段与方法有等改进。
（6）尚未形成能为大家接受的，能有效指导设计实践，较为系统的设计理论。
为了解决中国这一现状，中国的机械设计就必须科学化，这意味着要科学地阐述客观设计过程及其本质，分析与设计有关的领域及其单位，在些基础上，科学地安排设计过程，使用科学的方法和手段进行设计。
同时也要求设计人员不公有丰富的专业知识，而且要掌握先进的设计理论，设计方法及设计手段，科学地进行设计工作，这样才能及时得到符合要求的产品。
发展我国的机械设计科学研究，必须集中探讨机械设计各主要环节的正确工作方法和解决问题的途径，收集开发新产品的成功经验和例，积累大量的设计资料，了解世界有关行业的发展动向，致力于提高我国机械工业的水平，生产具有国际竞争力的机械产品。
相信我国学者们要总结过去设计经验并吸收外国先进的学术思想和科学技术的基础上，定能研究出一套适合我国的国情。
高效优质，经济地进行设计的规律和方法来为加速现代化建设做出应有的贡献。
2.2机械设计国外发展现状
随着计算机技术的发展，计算机在机械设计中得到了日益广泛的使用，并出现了许多高效率的设计、分析软件。
利用这些软件可以在设计阶段进行多方案的对比，可以对不同的包括大型的和很复杂的方案的结构强度、刚度和动力学特性进行精确的分析。
同时，还可以在计算机上构建虚拟样机，利用虚拟样机仿真对设计进行验证，从而实现在设计阶段充分地评估设计的可行性。
可以说，计算机技术在机械设计中的推广使用已经并正在改变机械设计的进程，它在提高设计质量和效率方面的优势是难以预估的。
广义地讲，在机器的制造过程中，随时都有可能出现由于工艺原因而修改设计的情况。
如需修改时，则应遵循一定的审批程序。
机器出厂后，应该有计划地进行跟踪调查；另外，用户在使用过程中也会给制造或设计部门反馈出现的问题。
设计部门根据这些信息，经过分析，也有可能对原设计进行修改，甚至改型。
这些工作，虽然广义上也属设计程序的组成部分，但是属于另一个层次的问题，本书不再讨论其具体的容。
但是作为设计工作者，应当有强烈的社会责任感，要把自己工作的视野延伸到制造、使用乃至报废利用的全过程中去，反复不断地改进设计，才能使机器的质量继续不断地提高，更好地满足生产及生活的需要。
现代社会机械广泛应用于生产，生活各个领域，已成为衡量一个国家技术水平和现代化程度的重要标志，随着机械设计基础理论的发展及新概念，新方法，新工艺的不断出现，机械设计也得到了迅猛的发展。
机械设计的最新进展，可概括为以下几方面：
（1）机械与几点进一步结合，机电一体化已成为当今机械产品发展的大趋势。
（2）机械设计的综合程度越来越高，与其他科学交叉程度越来越深入和广泛。
（3）机械设计手段和方法不断更新。
（4）设计理论不断完善与发展。
（5）机械设计的实验研究技术有很大的发展和提高，实验和理论相互促进。
主要体现在以下几个方面：
（1）机械体积从米级走向纳米级设计：
有用于宇宙的的空间机械，又有用于人体血管的的机械等等。
显然，他们有的是庞然大物，有的是微型机械，这就要求设计不同尺寸的零件。
（2）从单个零件到整机系统的设计：
现代机械日益走向高速的，重载，高精度，高效率和低噪音等方向发展，必然要从动系统偏重于零件，不见得静态单个的设计向多种零件的综合或以整机为对象的动态系统多个零件扩展的设计。
图2-1
图2-2
如上面两图所示，图一表示很多的零件个体，图二是由很多的零件组合而成的复合体，放在过去，这些零件需要制作出实体，然后组装在一起才能清楚了解实际的情况，这样的制作方式不仅浪费了大量的时间，还浪费很多的财力物力，最后如果不合格就永久的成为了废品。
而运用了现在先进的设计方法，摆脱了过去那种只有把模型制造出来才能了解具体情况的困境，节约了人力物力，大大提高了研发的是周期，大大提高了生产力。
设计用的工具改变：
改变图版等绘图工具，应用计算机软件技术直接在计算机上进行最优化的机械设计。
如下图所示：
图2-3
（4）设计—加工的一体化：
机电一体化的应用改变了传统的机械设计与机械加工的分离使零件的设计与加工几乎同时进行。
例如数控机床的应用，改变了传统的设计与加工的方法，它实现了机械以电子，强电与弱电，硬件与软件，控制与信息的多种技术的有机结合，按照计算机的指令来控制机床进行机械加工。
目前，应用软件较多的是CAD（计算机辅助设计），CAM（计算机辅助制造）。
图2-4
（5）对机械的人性化设计和等寿命设计：
在市场竞争日益激烈的市场环境下，不仅要求设计的机械产品质量好，使用限期安全可靠度高，而且，在视觉上给人以舒适的，使用的，富有时代气息和外观具有吸引力。
同时采用等寿命设计使产品质优价廉，以此来提高产品的市场竞争力。
现代机械设计中普遍使用的方法：
2.2.1专业现代
由机械设计和计算机专业人员共同开发的计算机软件，能够反映和描述机械产品在实际工况下的各种损伤、失效和破坏的机理，可以定量分析和计算机械零件和机械的动态行为，并形成固定的设计程序，这就是专业的现代设计方法，如：
振动分析和设计，摩擦学设计，热力学传热设计，强度、刚度设计，温度场分析等等。
这些软件都是在传统的设计方法基础上，应用计算机技术开发出来的。
例如：
用Pro/M软件分析机械装置的动态特性，用ANSYS软件分析应力都是这方面很好的例子，为准确判断装置的可靠性和选择设计参数奠定了基础。
2.2.2通用现代
为了满足机械产品性能的高要求，在机械设计中大量采用计算机技术进行辅助设计和系统分析，这就是通用的现代设计方法。
常见的方法包括优化、有限元、可靠性、仿真、专家系统、CAD等。
这些方法并不只是针对机械产品去研究，还有其自身的科学理论和方法。
1优化设计
机械优化设计是最优化技术在机械设计领域的移植和应用，其基本思想是根据机械设计的理论，方法和标准规等建立一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。
它是机械设计理论与优化数学、电子计算机相互结合而形成的一种现代设计方法。
2仿真与虚拟设计
计算机仿真技术是以计算机为工具“建立实际或联想的系统模型”并在不同条件下对模型进行动态运行实验的一门综合性技术。
而虚拟技术的本质是以计算机支持的仿真技术为前提，在产品设计阶段，实时地并行地模拟出产品开发全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造性、产品的可维护性和可拆卸性等，从而提高产品设计的一次成功率。
这种方法不但缩短产品开发周期，也实现了缩短产品开发与用户之间的距离。
3有限元设计
这种方法是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。
还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统［９］。
它不仅能用于工程中复杂的非线行问题、非稳态问题的求解，而且还可用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力分析，并能准确地计算形状复杂零件的应力分布和变形，成为复杂零件强度和刚度计算的有力分析工具。
4模糊设计
它是将模糊数学知识应用到机械设计中的一种设计方法。
机械设计中就存在大量的模糊信息。
如机械零部件设计中，零件的安全系数往往从保守观点出发，取较大值而不经济，但在其允许的围存在很大的模糊区间。
机械产品的开发在各阶段常会遇到各种模糊问题，虽然这些问题的特点、性质及对计策的要求不尽相同，但所采取的模糊分析方法是相似的。
它的最大特点是，可以将各因素对设计结果的影响进行全面定量地分析，得出综合的数量化指标，作为选择决断的依据。
第三章机械设计未来发展趋势
机械设计技术的发展趋势随着科学技术的飞速发展，新技术不断涌现，产品的科技含量和性价比不断提高，世界围技术水平和经济实力的竞争日益激烈，企业要在不断变化的产品需求和激烈的市场竞争中立于不败之地，就要不断地改进设计理念，使用先进设计制造技术，提高产品质量，降低成本，提高生产率，生产出符合用户需求的高科技产品，这也是现代设计技术的发展方向。
具体来说现代设计技术的发展趋势主要有：
设计将从产品质量成本第一的竞争策略转向快速响应市场的竞争策略；
（2）设计将从满足产品功能属性向同时满足生态与环境属性发展；
（3）设计将从需求的同时面向制造和经营管理发展；
（4）设计将从传统的串行向并行工作模式、协同工作方式发展；
（5）设计将使人们从设计过程数字化中逐步确立主动地位，激发主动创造性。
顺应此趋势，目前主要研究和应用的现代设计技术有：
设计方法学、优化设计、可靠性设计、有限元设计、动态设计、计算机辅助设计、工业产品造型设计、摩擦学设计、模型试验设计、创新设计、模块化设计、三次设计、反求工程设计、价值工程设计、智能工程设计、并行工程等。
结束语
21世纪是“设计的世纪”（DesignCentury），这是著名华裔物理学家振宁博士和德国哲学家沃尔冈韦尔施不约而同对人们的提醒［１０］。
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”（DesigningforCompetitiveAdvantage）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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