機械設(shè)計前沿課程報告

1、機械設(shè)計專業(yè)前沿課程報告摘要：本課程主要講述機械設(shè)計技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，其中涉及到機械發(fā)展概述，現(xiàn)代機械設(shè)計技術(shù)，計算機輔助設(shè)計技術(shù)，CAE技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展趨勢，創(chuàng)造方法發(fā)展概述以及TRIZ創(chuàng)新理論簡介。關(guān)鍵詞：機械設(shè)計，專業(yè)前沿，發(fā)展趨勢，機械設(shè)計技術(shù)，CAD應(yīng)用引言作為一名研究生，我們接觸到的機械設(shè)計方法和理論較本科時廣泛了不少，但是大部分的深度還是不夠的。我自認(rèn)為學(xué)到的知識在整個機械行業(yè)里面還是比較的淺顯的。關(guān)于機械設(shè)計理論與方法，我們所上的課和一些書籍上斷然是不可能講的非常細致、清楚，于是我查找了相關(guān)資料文獻，大致的了解了機械設(shè)計理論與方法的發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀和未來趨勢，對機械行業(yè)也

2、有了更深的認(rèn)識，在這篇文章里有比較系統(tǒng)的闡述。并查閱相關(guān)資料對CAD應(yīng)用進行了闡述。機械設(shè)計發(fā)展概述人類在自己的生產(chǎn)活動中,不斷地總結(jié)經(jīng)驗和采用最新的科學(xué)技術(shù)來推動生產(chǎn)向前發(fā)展；同時，在發(fā)展生產(chǎn)的過程中，又不斷向科學(xué)技術(shù)提出新課題。這一切必然反映于機械設(shè)計發(fā)展過程。機械設(shè)計是機械產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的一個重要組成部分，是機械生產(chǎn)的第一步，是決定機械性能的最主要因素，機械設(shè)計的過程實際上就是如何實現(xiàn)機械設(shè)計理論的過程。從黃帝的指南車，天工開物中記載的一個個靈巧的機械，到今天的火星探測車，無一不包含機械設(shè)計理論的成果。理論是工程現(xiàn)象不斷升華和總結(jié)的內(nèi)在規(guī)律和本質(zhì)。機械設(shè)計的形成大致有4個階段。第一階段，搖

3、籃期（設(shè)計公式進行的經(jīng)典設(shè)計階段），從工業(yè)革命開始到第二次世界大戰(zhàn)年以前的漫長時期。第二階段，成長期（以經(jīng)驗為主的實驗設(shè)計），第二次世界大戰(zhàn)中和戰(zhàn)后(1940一1960年)。是機械工業(yè)在數(shù)量方面擴大生產(chǎn)的時代，主要在美國。這一階段的機械設(shè)計，主要是通過實機或模型試驗獲得基本數(shù)據(jù)，然后以此進行設(shè)計。第三階段，發(fā)展期（以靜態(tài)解析為主的理論設(shè)計），這個階段(1960-1980年)是機械設(shè)計由實驗設(shè)計轉(zhuǎn)入理論設(shè)計的發(fā)展階段。第四階段，成熟期（以動態(tài)解析為主的理論設(shè)計），進入20世紀(jì)80年代，由于機械生產(chǎn)日益向高速、高效、精密、輕量化和自動化的方向發(fā)展,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，對機械的工作性能也要求越來越高。

4、為使機械安全可靠地工作，其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)必須具有良好的靜、動特性。改革開放以來,我國的機械設(shè)計有了大的發(fā)展,但仍是從國際上的第一階段到第三階段都兼而有之。特別指出的是，我國高等學(xué)校的機械專業(yè)所傳授的與機械設(shè)計相關(guān)的諸門課程，從設(shè)計的觀念到絕大部分的內(nèi)容，都還是經(jīng)典的，教學(xué)不僅沒有超前，卻嚴(yán)重地滯后了。一些現(xiàn)代設(shè)計的理論和方法不說是推廣應(yīng)用，就連學(xué)習(xí)和傳播都顯得十分艱難。今天，機械設(shè)計學(xué)已成為研究機械產(chǎn)品設(shè)計理論、設(shè)計方法和設(shè)計技術(shù)的一門學(xué)科。它以為發(fā)明創(chuàng)新機械提供正確有效理論和方法的機械學(xué)、為機械穩(wěn)定、安靜運轉(zhuǎn)提供設(shè)計計算方法的機械振動學(xué)，保證機械設(shè)備安全可靠地運行的機械結(jié)構(gòu)強度學(xué)，延長機器壽命、降

5、低能量消耗的摩擦學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)，探索設(shè)計過程本身的一般理論、方法和技術(shù)以及設(shè)計過程的科學(xué)進程和規(guī)律。隨著以微電子技術(shù)為代表的新技術(shù)革命浪潮，推動機械科學(xué)向新的境界發(fā)展，有如給它注入新的血液、新的動力?，F(xiàn)代機械設(shè)計的特征是，在單一技術(shù)內(nèi)容中滲加社會的和經(jīng)濟的因素，使得設(shè)計過程成為系統(tǒng)工程，由經(jīng)驗性和隨意性向科學(xué)化和模式化發(fā)展。強調(diào)理論分析計算和試驗分析的相互結(jié)合，強調(diào)系統(tǒng)全局的功能綜合，使設(shè)計在限定條件下實現(xiàn)最佳動能目標(biāo)；以實際工況為出發(fā)點，引人動力學(xué)、摩擦學(xué)和可靠性等新概念，發(fā)展各種模型的識別及建模技術(shù)，以數(shù)據(jù)庫為核心，以交互式圖形系統(tǒng)為手段，以工程分析計算為主體的一體化的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)（

6、CAD），高度的集成化、智能化和自動化。這也是我們學(xué)生應(yīng)該注意的一個地方。機械設(shè)計與制造的歷史表明，不論是新產(chǎn)品的設(shè)計或是老產(chǎn)品的改進設(shè)計 ，都是從形象思維開始，然后經(jīng)過邏輯推理和判斷以及相應(yīng)的綜合，分析與決策，產(chǎn)生設(shè)計方案，然后進一步將其設(shè)計具體化，產(chǎn)生機械模型，結(jié)構(gòu)模型和機械系統(tǒng)模型。它們是設(shè)計計算的起點，并進一步進入技術(shù)細節(jié)設(shè)計。應(yīng)用CAD技術(shù)的現(xiàn)代機械設(shè)計通過查閱文獻資料，我了解到了很多機械設(shè)計理論與方法在我們都很熟悉的機械裝備或產(chǎn)品上的具體應(yīng)用，其中我最感興趣的是CAD技術(shù)在現(xiàn)代機械設(shè)計方法中的應(yīng)用。以下我將介紹一下這個技術(shù)。CAD(Computer Aided Design)是計算

7、機輔助設(shè)計的英文縮寫，是利用計算機強大的圖形處理能力和數(shù)值計算能力，輔助工程技術(shù)人員進行工程或產(chǎn)品的設(shè)計與分析，達到理想的目的，并取得創(chuàng)新成果的一種技術(shù)。自1950年計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)誕生以來，已廣泛地應(yīng)用于機械、電子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等領(lǐng)域，產(chǎn)品的設(shè)計效率飛速地提高?，F(xiàn)已將計算機輔助制造技術(shù)（Computer Aided Manufacturing，CAM）和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)（Product Data Management，PDM）及計算機集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated manufacturing system，CIMS）集于一體。 產(chǎn)品設(shè)計是

8、決定產(chǎn)品命運的研究，也是最重要的環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的設(shè)計工作決定著產(chǎn)品75%的成本。目前，CAD系統(tǒng)已由最初的僅具數(shù)值計算和圖形處理功能的CAD系統(tǒng)發(fā)展成為結(jié)合人工智能技術(shù)的智能CAD系統(tǒng)（ICAD）(Intelligent CAD)。21世紀(jì)，ICAD技術(shù)將具備新的特征和發(fā)展方向，以提高新時代制造業(yè)對市場變化和小批量、多品種要求的迅速響應(yīng)能力。以智能CAD（ICAD）為代表的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)、智能活動是由設(shè)計專家系統(tǒng)完成。這種系統(tǒng)能夠模擬某一領(lǐng)域內(nèi)專家設(shè)計的過程，采用單一知識領(lǐng)域的符號推理技術(shù)，解決單一領(lǐng)域內(nèi)的特定問題。該系統(tǒng)把人工智能技術(shù)和優(yōu)化、有限元、計算機繪圖等技術(shù)結(jié)合起來，盡可能多地使計算機參與

9、方案決策、性能分析等常規(guī)設(shè)計過程，借助計算機的支持，設(shè)計效率有了大大地提高。 三維CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的優(yōu)點：（1）零件設(shè)計更加方便。使用三維CAD系統(tǒng),可以裝配環(huán)境中設(shè)計新零件,也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設(shè)計新零件,既方便又快捷,避免了單獨設(shè)計零件導(dǎo)致裝配的失敗。資源查找器中的零件回放還可以把零件造型的過程通過動畫演示出來,使人一目了然。（2） 裝配零件更加直觀。在裝配過程中,資源查找器中的裝配路徑查找器記錄了零件之間的裝配關(guān)系,若裝配不正確即予以顯示,另外,零件還可以隱藏,在隱藏了外部零件的時候,可清楚地看到內(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)。整個機器裝配模型完成后還能進行運動演示,對于有一定運動行程

10、要求的,可檢驗行程是否達到要求,及時對設(shè)計進行更改,避免了產(chǎn)品生產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)需要修改甚至報廢。（3）縮短了機械設(shè)計周期。采用三維CAD技術(shù),機械設(shè)計時間縮短了近1/3,大幅度地提高了設(shè)計和生產(chǎn)效率。在用三維CAD系統(tǒng)進行新機械的開發(fā)設(shè)計時,只需對其中部分零部件進行重新設(shè)計和制造,而大部分零部件的設(shè)計都將繼承以往的信息,使機械設(shè)計的效率提高了35倍。同時,三維CAD系統(tǒng)具有高度變型設(shè)計能力,能夠通過快速重構(gòu),得到一種全新的機械產(chǎn)品。（4）提高機械產(chǎn)品的技術(shù)含量和質(zhì)量。由于機械產(chǎn)品與信息技術(shù)相融合,同時采用CAD CIMS組織生產(chǎn),機械產(chǎn)品設(shè)計有了新發(fā)展。三維CAD技術(shù)采用先進的設(shè)計方法,如優(yōu)化、有

11、限元受力分析、產(chǎn)品的虛擬設(shè)計、運動方針和優(yōu)化設(shè)計等,保證了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。同時,大型企業(yè)數(shù)控加工手段完善,再采用CAD/CAPP/CAM進行機械零件加工,一致性很好,保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。 CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用：（1）零件與裝配圖的實體生成。零件的實體建模，CAD的三維建模方法有三種,即線框模型、表面模型和實體模型。在許多具有實體建模功能的CAD軟件中,都有一些基本體系。如在AutoCAD的三維實體造型模塊中,系統(tǒng)提供了六種基本體系,即立方體、球體、圓柱體、圓錐體、環(huán)狀體和楔形體。對簡單的零件,可通過對其進行結(jié)構(gòu)分析,將其分解成若干基本體,對基本體進行三維實體造型,之后再對其進行交、并、差

12、等布爾運算,便可得出零件的三維實體模型。對于有些復(fù)雜的零件,往往難以分解成若干個基本體,使組合或分解后產(chǎn)生的基本體過多,導(dǎo)致成型困難。所以,僅有基本體系還不能完全滿足機器零件三維實體造型的要求。為此,可在二維幾何元素構(gòu)造中先定義零件的截面輪廓,然后在三維實體造型中通過拉伸或旋轉(zhuǎn)得到新的“基本體”,進而通過交、并、差等得到所需要零件的三維實體造型。實體裝配圖的生成。在零件實體構(gòu)造完成后,利用機器運動分析過程中的資料,在運動的某一位置,按各零件所在的坐標(biāo)進行“裝配”,這一過程可用CAD軟件的三維編輯功能實現(xiàn)。（2）模具CAD/CAM的集成制造。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,制造行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)不斷提高,從

13、普通機床到數(shù)控機床和加工中心,從人工設(shè)計和制圖到CAD/CAM/CAE,制造業(yè)正向數(shù)字化和計算機化方向發(fā)展。同時,模具CAD/CAM技術(shù)、模具激光快速成型技術(shù)(RPM)等,幾乎覆蓋了整個現(xiàn)代制造技術(shù)。一個完整的CAD/CAM軟件系統(tǒng)是由多個功能模塊組成的。如三維繪圖、圖形編輯、曲面造型、仿真模擬、數(shù)控加工、有限元分析、動態(tài)顯示等。這些模塊應(yīng)以工程數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),進行統(tǒng)一管理,而實體造型是工程數(shù)據(jù)的主要來源之一。（3）機械CAE軟件的應(yīng)用。機械CAE系統(tǒng)的主要功能是:工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、強度設(shè)計評價與壽命預(yù)估、動力學(xué)/運動學(xué)仿真等。CAD技術(shù)在解決造型問題后,才能由CAE解決設(shè)計的合理性、

14、強度、剛度、壽命、材料、結(jié)構(gòu)合理性、運動特性、干涉、碰撞問題和動態(tài)特性等。 CAD前沿技術(shù)與發(fā)展趨勢：（1）圖形交互技術(shù)。CAD軟件是產(chǎn)品創(chuàng)新的工具,務(wù)求易學(xué)好用,得心應(yīng)手。一個友好的、智能化的工作環(huán)境可以開拓設(shè)計師的思路，解放大腦，讓他把精力集中到創(chuàng)造性的工作中。因此,智能化圖標(biāo)菜單、“拖放式”造型、動態(tài)導(dǎo)航器等一系列人性化的功能，為設(shè)計師提供了方便。此外，筆輸入法草圖識別、語言識別和特征手勢建模等新技術(shù)也正在研究之中。（2）智能CAD技術(shù)。CAD/CAM系統(tǒng)應(yīng)用逐步深入,逐漸提出智能化需求.設(shè)計是一個含有高度智能的人類創(chuàng)造性活動。智能CAD/CAM是發(fā)展的必然方向。智能設(shè)計在運用知識化、信

15、息化的基礎(chǔ)上，建立基于知識的設(shè)計倉庫,及時準(zhǔn)確地向設(shè)計師提供產(chǎn)品開發(fā)所需的知識和幫助,智能地支持設(shè)計人員，同時捕獲和理解設(shè)計人員意圖、自動檢測失誤，回答問題、提出建議方案等。并具有推理功能,使設(shè)計新手也能做出好的設(shè)計來,現(xiàn)代設(shè)計的核心是創(chuàng)新設(shè)計,人們正試圖把創(chuàng)新技法和人工智能技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到CAD技術(shù)中,用智能設(shè)計、智能制造系統(tǒng)去創(chuàng)造性指導(dǎo)解決新產(chǎn)品、新工程和新系統(tǒng)的設(shè)計制造,這樣才能使我們的產(chǎn)品、工程和系統(tǒng)有創(chuàng)造性。（3）虛擬現(xiàn)實技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在CAD中已開始應(yīng)用,設(shè)計人員在虛擬世界中創(chuàng)造新產(chǎn)品,可以從人機工程學(xué)角度檢查設(shè)計效果,可直接操作模擬對象,檢驗操作是否舒適、方便,及早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)

16、構(gòu)空間布局中的干涉和運動機構(gòu)的碰撞等問題,及早看到新產(chǎn)品的外形,從多方面評價所設(shè)計的產(chǎn)品.虛擬產(chǎn)品建模就是指建立產(chǎn)品虛擬原理或虛擬樣機的過程.虛擬制造用虛擬原型取代物理原型進行加工、測試、仿真和分析,以評價其性能,可制造性、可裝配性、可維護性和成本、外觀等,基于虛擬樣機的試驗仿真分析,可以在真實產(chǎn)品制造之前發(fā)現(xiàn)并解決問題,從而降低產(chǎn)品成本.虛擬制造、虛擬工廠、動態(tài)企業(yè)聯(lián)盟將成為CAD技術(shù)在電子商務(wù)時代繼續(xù)發(fā)展的一個重要方向.另外,隨著協(xié)同技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、概念設(shè)計面向產(chǎn)品的整個生命周期設(shè)計理論和技術(shù)的成熟和發(fā)展,利用基于網(wǎng)絡(luò)的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技術(shù),實現(xiàn)真正的全數(shù)字化設(shè)計和制造,已成為機械設(shè)計制造業(yè)的發(fā)展趨勢。 機械行業(yè)是國民經(jīng)濟的一大支柱產(chǎn)業(yè)，重要性不可言喻。不斷發(fā)展機械設(shè)計的理論和方法是很有必要的，掌握機械設(shè)計理論與方法是我們機械行業(yè)的人所必須的能力。幾十年來 ,我國機械設(shè)計的發(fā)展經(jīng)歷了一個曲折的過程，已由設(shè)計和制造一般的產(chǎn)品逐步發(fā)展到高水平的產(chǎn)品,有的產(chǎn)品的設(shè)計已達到世界先進水平。要確立我國機械工業(yè)在國際上的地位，我們必須要加強對機械設(shè)計方法和設(shè)計思想的研究。因此，我們學(xué)生也必