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五、约束条件

机械零件的设计具有众多的约束条件，设计准则就是设计所应该满足的约束条件。

1、技术性能准则

技术性能包括产品功能、制造和运行状况在内的一切性能，既指静态性能，也指动态性能。例如，产品所能传递的功率、效率、使用寿命、强度、刚度、抗摩擦、磨损性能、振动稳定性、热特性等。

技术性能准则是指相关的技术性能必须达到规定的要求。例如振动会产生额外的动载荷和变应力，尤其是当其频率接近机械系统或零件的固有频率时，将发生共振现象，这时振幅将急剧增大，有可能导至零件甚至整个系统的迅速损坏。振动性稳定准则就是限制机械系统或零件的相关振动参数，如固有频率、振幅、噪声等在规定的允许范围之内。又如机器工作时的发热可能会导致热应力、热应变，甚至会造成热损坏。热特性准则就是限制各种相关的热参数(如热应力、热应变、温升等)在规定范围内。

2、标准化准则

与机械产品设计有关的主要标准大致有：

1）概念标准化：设计过程中所涉及的名词术语、符号、计量单位等应符合标准；

2）实物形态标准化：零部件、原材料、设备及能源等的结构形式、尺寸、性能等，都应按统一的规定选用。

3）方法标准化：操作方法、测量方法、试验方法等都应按相应规定实施。

标准化准则就是在设计的全过程中的所有行为，都要满足上述标准化的要求。现已发布的与机械零件设计有关的标准，从运用范围上来讲，可以分为国家标准、行业标准和企业标准三个等级。从使用强制性来说，可分为必须执行的和推荐使用的两种。

3、可靠性准则

可靠性：产品或零部件在规定的使用条件下，在预期的寿命内能完成规定功能的概率。可靠性准则就是指所设计的产品、部件或零件应能满足规定的可靠性要求。关注机械公众号机械工程文萃了解更多。

4、安全性准则

机器的安全性包括：

1）零件安全性：指在规定外载荷和规定时间内零件不发生如断裂、过度变形、过度磨损和不丧失稳定性等等。

2）整机安全性：指机器保证在规定条件下不出故障，能正常实现总功能的要求。

3）工作安全性：指对操作人员的保护，保证人身安全和身心健康等等。

4）环境安全性：指对机器周围的环境和人不造成污染和危害。

六、设计方法学

设计方法学的目的是将设计思维上升为理性过程，从而使设计能循一定的逻辑进行，使更多的设计人员能作出好的设计。它大致包括以下一些内容：

1、将设计的阶段分得很细，使每一阶段成为有章可循和有理可据的思维活动。

2、将成功的或良好的设计储存起来,建立设计资料库,以供以后设计时参考或采用。

3、在设计工作中引进价值工程的概念和方法，对设计中的矛盾进行功能与成本的权衡,以获得良好的使用效果。

4、在设计中采用摩擦学、振动学、断裂力学、有限元法、可靠性设计、优化设计、系统工程、人类工程学等新兴学科的知识，提高设计的科学性，减少盲目性。

5、将设计工作范围扩大，向前延伸到市场预测，向后延伸到售后服务。

6、运用计算机辅助设计以减少设计劳动量、提高设计速度和设计质量。

七、展望

将来机械设计学必将渗透到半导体制造、生物工程、纳米技术和机器人等行业中去，在对社会发展做出贡献的同时，不断完善自己，使理论进一步创新。

1、进一步实现系统性。

即从系统观点入手，把机械产品看作一个系统或整体，依赖计算机技术，实现人、机、环境和相互协调。具体来说，是把总系统分解为若干个子系统，采用各种现代设计理论和方法，追求系统优化为目标协调各子系统的设计和匹配。

2、深化智能化设计。

随着科技的进步和发展，设计要越来越多地考虑智能的因素。大量设计内容都可通过建立模型，来描述机械产品的各种工况行为，对模型求解可预测产品的性能、设计的合理性和最优性。例如，各类车辆性能评价的智能决策系统，齿轮箱设计专家系统，故障诊断系统等已应用在新车的开发设计中。

3、更加注重绿色思想。

绿色设计技术是对产品在其生命周期中，按符合环境保护、资源利用率最高、能源消耗最低的要求进行设计的技术。要求设计者从全周期考虑产品的环境属性和基本属性，在设计时始终立足于人的身心健康、环境保护等，同时要求所设计的产品具有可回收利用性，对环境的损害最小。

八、现代设计方法

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、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，方法和标准规范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。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，但在其允许的范围内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。

编后说明：本文原文来源网络，在原文的基础上增加了讲评的内容，见蓝色字体部分。为保持原文的完整性，分三篇连续分享。无论你从事机械设计多少年，建议反复阅读此文，“不忘设计的初心，牢记设计的使命”。相信你每读一次，都会有不同的认识和收获，意味着你每一次的进步。

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