现代设计理论方法在机械系统设计中的应用 摘要：近年来，随着科技和经济全球化的发展，机械技术与各个学科交叉、融合，制造业不断发展，并朝着高速、轻量化、虚拟化的方向发展，用户对产品的需求越来越个性化、多样化。此外，现代设计理论方法是应用科学的理念和方法创造出性能先进、结构合理的产品，并将静态、经验、手工的方法转化为科学、动态、计算机化的方法。现代设计理论方法是一门新的综合性、交叉性学科。本文阐述了现代设计理论方法的概述，分析了常用现代设计理论方法，并探讨了机械系统动态设计。 关键词：现代设计理论方法；机械系统设计；应用 现代设计理论方法改变了各个行业的发展形式，将现代设计理论方法应用到机械设计中，是许多机械企业所采用的一种机械设计形式。同时，采用现代设计理论方法对机械进行设计，可以缩短设计周期，保证机械设计的标准化，提高其性能，并延长使用寿命。因此，有必要将现代设计理论方法应用于机械设计中。 一、现代设计理论方法概述 1、现代设计理论方法涵盖了自然学、经济学、社会学等诸多领域，是科学发展和社会进步的结晶[1]。在当今高科技飞速发展的时代，设计显得越来越重要，对于机械设计师来说，掌握新的设计理念、采用新的设计工具、应用新的设计理论方法和技术具有十分重要的意义。因此，设计师应将现代设计理论方法融入到设计中，以保证机械设计的良好性能和质量。 2、现代设计理论方法的特点。现代设计理论方法是智慧与多种学科的结合，即机械设计理论与方法，可以概括为科学化、数字化、信息化、智能化和一体化。 二、常用现代设计理论方法 随着设计领域信息化水平的不断提升，现代设计理论方法呈现出多样化、成熟化的发展趋势[2]。 1、计算机技术。目前，计算机技术几乎融入了人们生产生活的各个方面，并在计算机技术的深化过程中，衍生出大量的技术，使人们生产生活的信息化、智能化、机械化水平显著提高[3]。将计算机技术应用于机械设计的过程中，可以使设计过程中时间限制突破传统的串行设计方法，使它可以并行设计，能有效的缩短机械的设计时间，使企业在认识到市场需求的前提下，抓住发展机遇。 2、人机工程设计技术。人机工程设计技术应用在机械系统的设计过程中[4]，能提高设计人员对保护操作人员身心安全的重视程度，指导设计人员在设计的过程中，有意识的结合操作人员的身心特点进行设计数据的优化和自动化技术的应用，不仅可以提高其使用安全性，并在提高其运行效率方面也有积极作用，图1 为人机工程设计技术应用过程截图。AMS-7000混响室设计就充分考虑了RF工程师的工作范围半径，屏蔽门的大小、高度、开启方向、被测物的位置等等涉及方便操作人员使用的因素。 图 1 三、机械系统动态设计 在机械工业领域，系统的动态设计技术内涵主要体现在：建立一个可靠的数字类型，借助计算机技术，使用先进的科学计算方法，基于实验数据，全面分析和研究机械系统在预期作用下各类负载与周围介质、力和运动、结构变形和内部应力和稳定性之间的关系；根据高速结构参数，保证机械系统在实际工作运行中，具有良好的动态性能和良好的工作条件[5]。 1、1、建立机械系统动态优化设计的数学模型。1）在对机械系统建模时，建模方法通常包括以下几方面的内容：①确定描述系统的数学方程，即系统是时变、恒定、线性的；②模型阶的确定；非线性的等；③估计模型的参数；④模型的合成。常用的方法有：有限元法、传递矩阵法、混合建模法、试验模态法和人工神经网络理论建模。2）数学模型形式机械系统的动态设计建模精度依赖于设计人员的理论水平和实际经验。一般而言，很难建立与实际系统特性完全一致的数学模型。通常，机械系统的动态特性可用以下微分方程来描述： 其中：[M]，[C]和[K]是系统质量、阻尼和刚度矩阵；{P（t）}是激振力向量； ， 为初始条件， 为响应向量，它与设计变量有很大关系。系统动态优化设计问题可以概括为：在满足约束的条件下，寻求最优解决方案的设计变量，使目标函数达到最小值，数学模型可以表示为： 其中：x作为设计变量， 为目标函数；g（x）≤O，（x）=0为约束条件。从上式可看出系统的动态设计问题具有以下特点：①目标函数和约束条件是一个函数的微分方程组，每次优化迭代需要解决系统动力学微分方程，因此计算量很大；②对于包括非线性因素的机械系统，因为其响应特性的复杂性，在优化的过程中，即使优化方法收敛，也可能是由于系统振动响应的原因很难得到最好的结果；③对于具体问题，有时是不容易写出目标函数和约束条件方程，并要将建立模型与求解模型综合考虑。NISSAN项目便综合应用了HFSS天线电磁仿真设计软件模拟建模和SOLIDWORKS机械结构建造模型相结合的方式，经过模型优化取得了良好的经济效益并节省了工期和制作成本。 2、机械系统性能预测。运用机械振动理论、计算机技术、测试分析技术、关联理论、性理论、可靠性理论、概率论与数理统计、优化设计等学科进行性能预测。 四、机械系统动态优化设计 在得到反映实际机械系统动态特性的数学模型后，进行系统结构动态修正或动态优化设计。机械系统动态优化设计的数学模型可用函数关系来描述。 1、目标函数。在优化设计中，首先确定合适的设计目标，并使用数学方程描述设计目标y和影响设计目标的设计参数 之间的关系，此目标函数可表示为：y = F（ ）式中： 作为一组设计参数（变量）。 2、设计变量。设计变量通常是独立的参数，是优化设计过程中的优化参数。可用一个列矩阵来表示： 设计变量越多，设计 自由度越大，实现更好的优化目标就越容易。然而，随着设计变量的增加，优化设计的难度也随之增加。因此，一般情况下，设计变量的数量应尽量减少，只将那些影响目标函数的参数列为设计变量。 3、约束条件。在设计过程中，设计变量不是无限的，某些性能也受到限制。约束函数可表示为[6]：等式约束： 不等式约束： 在确定目标函数、设计变量和约束函数后，可以得到优化设计的模型： 。 五、结语 总之，现代设计理论方法具有科学性、先进性、可靠性等诸多优点，因此将现代设计理论方法应用于机械系统设计具有重要的意义。同时，将现代设计理论方法应用于机械设计中，能提高机械的使用效率，延长机械的使用寿命，促进机械的合理化设计。 参考文献： [1]钟志华.试论现代设计理论方法概述[M].理工大学出版社，2017. [2]张鄂.常用现代设计理论方法分析[M]．科学出版社，2017. [3]傅文祖.计算机技术在机械系统设计过程中的应用[J].科技信息，2016. 本文来源：https://www.wddqw.com/doc/9fcd20b450ea551810a6f524ccbff121dc36c5dc.html