机械设计发展历程

哈尔滨工程大学

题目: 机械设计发展历程

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1 机械设计发展历程.................................................错误！未定义书签。

1.1机械设计发展的三个阶段 (3)

1.2机械设计起源和古代机械设计 (3)

1.3现代机械设计 (3)

2 我国机械设计研究现状 (4)

2.1概述 (4)

2.2常规设计技术及应用 (5)

2.2.1理论设计 (5)

2.2.2经验设计 (5)

2.2.3模型实验设计 (5)

2.3现代设计技术及应用 (5)

2.3.1优化设计 (5)

2.3.2可靠性设计 (5)

2.4现代设计技术与常规设计技术的 (6)

2.5 机械设计技术的发展趋势 (6)

概述：

设计一词的英语为Design,它源于拉丁语Designar,由De(记下）与Signare(符号，记号，图形等）两词组成。因此，“设计"的最初含义是将符号，记号，图形之类高下来的意思。随着生产的发展和科技的进步，设计的内涵不断向深度和广度发展，设计的含义愈来愈深刻和愈来愈先进。设计是人类改造自然的基本的活动之一，设计是复杂的思维过程，设计过程蕴含着创新和发明的机会。

主要内容：

1 机械设计发展的三个阶段

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直到现在为现代设计阶段。如果按其内容来分，可分为：直觉设计阶段，经验设计阶段和理论设计阶段。两种划分是一一对应的，是从不同角度来划分机械设计的发展史。每一个阶段在设计理论，方法和制造工艺方面都有明显的特色。下面就按时间来划分，把机械设计发展史划分为三个阶段来论述。

1.1 机械设计起源和古代机械设计

我国近代的考古发现证明了一些传说和记载。在浙江余姚河姆渡，河南郑裴李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，对于古代使用，制造机械的情况有许多记载。《周易》“系辞下”中有“黄帝，尧，舜氏作，刳木为舟，剡木为楫，剡楫之力以济不通”，“服牛乘马，引以致远”，“断木为杵，掘地为舀”。由此可见，在4000多年以前，我国古代已经发明了车，船，农具和许多生活用具。在《周易》第47卦“困”的卦辞中有“困于金车”，金车指用铜装饰起来的豪华马车。清代学者章诚说“六经皆史”，在我国古代文献中随处可以见机械产品与人民生活密切的联系，在我国春秋战国时代的著作《道德经》中有“三十辐共一毂，像日月也”的说法，而在秦陵发掘出来的二号铜车马，车融会贯通就有30个车辐。虽然据统计，当时的车每个车轮用30个轮辐，但是对轮辐的数目已经有了一定的规则。此外，我国古代在武器，纺织机械，农具，船舶等方面也有许多发明，到秦汉时期（公元前221至公元220年）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选地位，在世界机械工程史上占有十分重要的位置。

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。唐代的时侯我国与许多国家开展了经济，文华和科学技术的交流，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

它的一些国家有很大的影响。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，宋代沈括的著作《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。

世界其它的国家也有不少机械的成果。但这些设计多是凭设计者的经验完成的缺乏必要的，有一定精度的理论的计算。

1.2 近代机械设计

17世纪欧洲的航海，纺织，钟表等工业的兴起，提出了许多技术部题，1644年英国组成了“哲学学院”，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里略（1564~1642）发表了自由落体定律，惯性定律，抛物体运动，还进行过梁的弯曲实验；英国人牛顿提出了到家动的三大定律，1688年，他提出了计算流体黏度阻力的公式，奠定了古典力学的基础；英国人虎克建立了在一定范围内弹性体的应力- 应变成正比的虎克定律；1705年伯努力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气机，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的发展，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》把过去溶在力学中的机械设计学独立出来，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的内容。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了大量的成果，新工艺，新材科的，新结构的不断涌现没什么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。

1.3 现代机械设计

第二次世界大战以后，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，可靠性分析，机械优化设计，有限元计算，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，使现代的具有明显的特色。因此，机械设计在理论，内容和方法方面与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“MADE IN USA”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“MADE IN GERMANY”风靡世界，提出了“关键在于设计”（Der Engpass

ist die Knostrution)的口号。日本虽然在某尖端科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”(Designing for Compentitive Advance)的口号，有人说“21世纪将是设计的世纪”。因些，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宜作为机械学的一个分支，而应该认为是与机械学并立的一门技术科学了。

现代机械设计方法的特征是，它具有自己的学科体系和专门的内容。其核心技术有3个方面：

（1）以产品的“功能”作为机械计的核心目标。美国麦尔斯提出了“顾客购买的不是产品的本身，而是产品所具有的功能”，明解地说明了“功能”是产品的本质和灵魂。

这一原理的提出大大地解放了设计师的思想，为了实现某一功能，可以采用各种不同的原理和结构。我们可以从近年来的计时装置，文件复制设备，通讯方法等方面的飞速发展看出，设计师的聪明才智得到了空前的发挥，多方面的满足了社会的需要。

（2）“人机学”的形成和发展。机械的工作往往与人是不可分的，如汽车，飞机有些操纵的信号要靠人输入。必须考虑操纵者的反映速度和能力限制，还必须考虑操纵者和乘客的传舒适性。如有一些武器设计者已经考虑使用者中，虽然磊部分是作右手方便的，但是习惯于用左手的（称为左利手或左撇子）也占有一定的百分率。虽然许多产品已经向自动化发展，许多民用产品对使用者的拔术要求日益降低（俗称“傻瓜化”）。

但是机械产品竞毕竟是为了人类设计的。考虑“人机学”是提高产品的竞争能力的重要方面。实际上“傻瓜化”就是当前处理人机问题的一个重要的途径。

（3）建立系统的“工业设计”学科体系。工业设计是设计者使产品在外观，色彩，形状，尺寸比例等方面的合理设计，使产品与人，环境更协调，以得到更好的使用效果与况争力。

2、我国机械设计研究现状

摘要：综述了常规设计技术与现代设计技术的内涵、应用及它们之间的关系，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；常规技术；现代技术；发展趋势

2、1概述：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。机械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。

2、2常规设计技术及应用

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。

2.2.1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。

2.2.2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。

2.2.3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。

2.3现代设计技术及应用

2.3.1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F团@init正1团errd)esi耐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。

2.3.2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。

2.4现代设计技术与常规设计技术的

(1)产品结构分析的定量化常规设计技术对复杂结构的零部件或整机只能进行

定性或类比的估算。现代设计技术引入了有限元及边界元方法，可实现对任何产品结构的定量化分析。

(2)产品工况分析的动态化常规设计技术对产品的工作状况仅限于静态的计

算和动态的估算。而现代设计技术中的动态设计方法可以同时利用理论和测试数据建造与实际工况相符的数学模型。通过计算机进行分析计算，预测出产品的动态性能和改进效果。

(3)产品质量分析的可靠性化常规设计技术中采的安全系数法仅仅依靠经验，

不能定量给出产品质量的可靠性预测。而现代设计技术中的可靠性设计法，把零部件或整机的各种具有离散性的性能参数均视为随机变量，基于概率论建造模型并进行分析计算，从而定量的做出产品质量的可靠性预测。

(4)产品设计结果的最优化常规设计技术通过经验公式、近似系数或类比等方

法进行设计、校核，比较依赖设计者的经验和主观判断。而现代设计技术中的优化设计法是根据产品的设计目标和性能要求构造数学模型，应用数学规划理论和数值计算方法，通过计算机求得最优化结果。

(5)产品设计过程的高效化和自动化

常规设计技术在设计过程中重复性高，而设计方案却不一定最优。而现代设计技术在整个设计过程中均是“教会计算机，让计算机去完成。”从而实现了设计过程的高效化和自动化，并且为实现制造的自动化做好了准备。

2.5 机械设计技术的发展趋势

具体来说现代设计技术的发展趋势主要有：(1)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。