1、迎接机械设计技术挑战的若干思考 汪久根 （浙江大学机械工程 学 系， 杭州 310027） 摘要： 工程技术 是 把科学原理转变为改造世界的动力 ， 机械设计课程讲授机械 产品设计 的技术基础。 本文从 新材料、信息科技、智能科学和生态环境 四个方面，讨论了目前机械设计面临的挑战。 前瞻的预测机械设计的发展方向，可以促进机械设计教学的改革；同时预测不是既成事实，也带有不确定性和风险，需要更多人的讨论与批评，使得 未来的发展 方向更清晰更准确些。 关键词： 机械 设计 课程教学 挑战 对策讨论 1、 引 言 “ 作为生产力的一个要素，工程 技术把科学原理转变为改造世界的动力，是科学发现和产业发展
2、联系的桥梁，是产业革命、经济发展与社会进步的强大杠杆。 ” 人类社会已经经历了三次工业革命。 18 世纪的机械工业革命产生了纺织工业、 机械制造业、铁路运输业和煤炭工业等；第二次工业革命中崛起了电力工业、化工工业、冶金工业和汽车工业等；第三次工业革命催生了电子工业、计算机工业、 空间工业、 合成材料工业和原子能工业等 1 。 机械设计作为机械工程的技术基础在不断的更新与发展， 机械设计课程内容与教学方式也随着新科技的发展而 不断进化，机械设计教学的基本要求就是使得学生获取 机械产品设计的 知识、拓展 设计 能力、提高素质和开启智慧。 人们设计、制造 、检测 和销售产品是为了获取利润，在向用户提
3、供使用价值的同时获得自己劳动应该得到的利润。劳动创造价值， 机械 产品的设计最终目的就是提供使用价值， 同时获得 劳动报酬。因此，价值功能原理结构的产品设计思路认为，在设计产品的初期，设计者思考的不仅 仅 是产品应具有的功能，也必然考虑产品的市场销售能得到多少利润。 在创新氛围日益 浓 厚的 21 世纪，创新教育与创新实践是各国教育界特别重视的。 面对生命科学与技术 为核心的 21 世纪，机械设计课程 面临 新的挑战。在新的世纪，机械设计教学不应“渴而穿井，斗而铸锥。” 而是应该 未雨绸缪、 积极面对新的挑战。 本文拟从当前科技发展，讨论机械设计课程面临的挑战。 2、 机械设计的基础 17 世
4、纪和 18 世纪初叶是钟表时代， 18 世纪末叶和 19 世纪是蒸汽机时代。 机构学的发展，出现了曲柄滑块原理的内燃机、汽轮机和水轮机等，实现了将柴油和汽油的化学能转化为机械能、原煤的化学能经热能转化为机械能、水的动能和势能转化为电能或机械能。 这 些 技术发展进程中，诞生了机械设计课程。 机械设计包括机械原理、机械零件和 机械系统设计三个部分内容。机械原理讨论机构的设计、运动分析和动力学分析。机械零件部分讨论机械零件的强度、刚度、振动稳定性和耐磨性等设计方法，并且介绍机械的结构设计。机械系统设计部分讨论机械系统的动平衡、速度波动调节以及系统方案 优化 设计等。机械产品的创新设计以上述三部分内
5、容为基础，对产品设计进行改进或革新。 2.1 机械原理 机构的设计与分析是机械原理的核心内容。常用的机构有：连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、蜗杆结构、摩擦轮机构、棘轮机构、槽轮机构等 2 。机构的 演变或创新方法有：机构的组合、机构的演绎、机构的逆向设计以及新原理的应用等。 机构 组合是常用的设计方法，通过不同类型机构组合或者同类型机构的组合，得到实现运动轨迹的新 组合机构 。 机构的演绎是通过改变机构的运动副、构件几何设计、机构的变结构等方法，获得新的机构设计。机构的逆向设计，常用主动构件和输出构件互换、增加或减少自由度数即原动件数，来获得新的机构设计方案。机构的运动分析和动力学分析，常用计算
6、机辅助设计的方法来分析， 以 获得运动轨迹、2 加速度和跃度的变化曲线。机构的创新设计是机械产品创新的基本内容，也是 对 产品在 较大程度上的革新。 2.2 机械零件 机械零件分为通用零件和专用零件。机械零件部分介绍的是各类通用零部件，包括连接零件、传动零件、轴系零部件以及弹簧、机架和导轨等。连接零件有螺纹连接、销、键和花键、过盈连接、胶接、焊接和铆接等。传动部分有带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动、摩擦轮传动等。轴系部分有轴承和轴的设计，其中轴承有滑动轴承、滚动轴承、空气轴承、电磁轴承和静电轴承等 2 。 机械零件的设计是针对零件的失效形式来进行的。首先由实践确定机械零件的失效形式 ，然后选
7、择零件的材料和表面处理技术，以抵抗其失效形式；再依据相应的设计理论提出设计准则和设计公式，最后是设计零件的所有结构尺寸。另一方面，机械 零件是物化的产品，其结构设计和制造工艺性设计也是关键方面。 机械零件的创新设计方法有变结构的设计、组合设计以及采用新原理的设计等。 2.3 机械系统设计 机械产品越来越复杂，组成机械产品的零件个数越来越多。机械 系统的传统设计内容有动平衡、速度波动调节和分系统之间的匹配等。 机械 子 系统的设计，包括动力系统、传动系统、执行系统、控制系统和辅助系统的设计。 在计算技术发展后，针 对系统层面 出现了 系统优化设计、系统可靠性设计和系统摩擦学设计 35 ， 并且
8、在产品设计中得到应用和推广。 随着生态设计、全寿命周期设计、维修设计和自动化设计的发展，基于系统分析和计算仿真的设计软件包日益增多。经典的设计内容都可以由软件包来完成， 然而 对于新材料的机械零部件设计及其系统设计， 仍需要理论和实验的应用基础研究，以获得设计准则和相应的设计方法。 3、 机械设计面临的挑战 我国的 机械 工程高等教育是从 20 世纪初开始的，落后于欧洲的第一次产业革命 200 余年。因此，我国的 机械 工程科学与技术距世界先进水平有差距是有其历史原因的。在改革开 放 后，国家的载人航天、高速铁路和青藏铁路等重大工程的建设推动了机械、电气、信息和材料等学科技术的 进步 ，同时也
9、促进了不同学科的技术整合，以新的系统产品提供给消费者 。然而，我国的工程教育历史较短，仍有待借鉴国外先进的工程教育经验和教育方法。 目前，机械设计教学与产品设计面临的挑战有创新的能力培养、系统性的思维观、新的 科学 原理带来的挑战等 6 。 3.1 新材料带来的挑战 人类的发展史从某种意义上说 也是人类利用和制造材料的历史。随着人们对 石头、 铜及其合金、铁及其合金、半导体材料的制造和使用，人类 社会经历了石器时代、青铜 时代、铁器时代和半导体时代。在上个世纪 末 ，智能材料的发展就非常迅速，例如压电材料、磁致伸缩材料、光敏材料等 ；机敏材料正得到更多的应用 。 在量子力学基础上出现的新智能材
10、料，将为机械产品设计提供更广阔的空间。作为机械产品设计工程师，要时刻关注智能材料的进展及其制备技术。 纳米材料作为一种介观尺度的材料，已在纳米润滑添加剂方面得到工程应用。 另一方面，材料的成本与市场供应也是产品设计阶段 需要 考虑的内容。 新材料的发展与研制，为机械产品设计提供了更多的设计选择，也同时使得以前不可实现的产品功能得以实现。生物材料及其仿生技术是新材料的发展方向之一，设计师应关注这一方面的新进展、新技术和制造过程，在较短时间内 将其应用 于产品设计，为人们的安全、生活舒适和健康提供新的产品。 3.2 信息科技带来的挑战 从信息论和控制论的诞生，人们就进入了信息社会。计算技术的软件、
11、硬件和系统技术，作为 20世纪的标志性进展，以此为阶梯，人们开始了信息社会的生产与生活。信息技术使得地球变成了地球村，各地信息及时传递与互享 共用，改变 着 人们 的 生活方式、生产方式和思维习惯等。毫无疑问，我们已经生活在信息社会里，信息技术对机械系统中的控制单元 设计 进行了彻底的变革 。 产品的设计涉及功能、结构、外部界面、用户界面和成本五个方面。 产品的创新设计方法很多，例如 前苏联学者 G. S. Altshuller 提出了创新问题解决方法。 无人车间、无人制造工厂不 再 是人们的向往，而是 已经 成为现实。 信息技术已经提供了虚拟战场、 3D 虚拟电影、虚拟产品模型、虚拟产品装配
12、等一3 系列产品和相关技术。 机械制造的核心，机床已经是计算机控制的可编程设备，机械制造过程也已 经是柔性的可变制造系统 生产 线。 可以预见，信息技术不仅会为人们的生活提供手机和无线网络等，也将提供虚拟的生活体验，例如虚拟的蹦极、虚拟侏罗纪公园等。信息科技对机械设计和机械制造的变革不会比电气化革命带来的少，而是更加深刻、更加深远。机械设计工程师要学习新的信息科学与信息技术， 用 其革新机械产品的设计、机械制造过程和管理过程。 3.3 智能科学带来的挑战 21 世纪是生命科学与技术的时代，生命的基本特征就是智能与生长。智能科学的发展与信息科学密切相关，也可以说是以信息科技为基础的。简单智能产品
13、，例如冰箱、空调 等，已成为商用产品， 而且新的更高智能程度 产品在日新月异的发展之中。基于信息技术的智能交通系统、公园导游系统、空中管制系统等产品也已具雏形，随着信息处理的高度智能化发展，这些信息管理系统也需不断的升级。 1956 年到 1961 年可以说是 AI 研究的形成时期，卡内基梅隆大学、麻省理工学院和 IBM 公司开始了 AI 的早期研究。 1961 年到 20 世纪 80 年代是 AI 成长期， 80 年代是其快速发展期， 80 年代后人工智能技术步入实用化成熟期 7 。取得了国际象棋、口语识别、机器视角和 专家系统等研究成果。 仿生 生命的自生长 现象 ， 出现了 自修复耐磨涂
14、层技术、自愈合皮肤型的水泥 技术 等。生物体的智能和生长将是人类在今后长期研究的核心问题，对其的清楚认识必将带来新一代智能产品，从而造福人类，提高人类的生活生产水平。 3.4 生态环境 带来的挑战 随着生产的规模扩大，对自然资源的消耗日益严重， 伴随 出现的环境污染也日益 突出 。在今天的生产发展阶段，保护自然生态环境的压力更加突出。为了保护人类的生活环境，必须从产品设计、产品制造到产品回收循环利用的全周期，考虑产品的环境绿色性 8 。 产品供应链的全球化、网络化与节能设计，是新世纪 机械 产品设计需要考虑的新问题。 机械产品的设计阶段就很大程度上决定了产品的环境友好性。 从材料选择来说，应采
15、用 材料 种类更少的设计方案；从计算参数设计来看，应提高功能参数与质量之比，更大程度发挥材料的性能；从结构设计来说，应尽可能的循环利用报废机器的零件，或者通过最低成本的再制造，然后循环利用零部件；在功能设计来说，应尽可能发挥产品的设计构思，提供更多、更便捷、更低成本的功能实现方案。如此等等，在整个产品设计阶段贯彻生态设计的理念，为保护 自然环境和最大效能利用资源 作 出努力。 4、 小结 机械 产品创新 设计必需解决新发展的挑战，新材料、信息技术、智能科学与生态环境等带来将是长期面临的新问题。 机械设计的发展是个动态的吐故纳新过程， 只要我们睁开眼睛、敞开胸怀，以前期的机械机构设计、 结构设计
16、、 强度和刚度设计、可靠性设计、优化设计和摩擦学设计等知识为基础，必将在新的世纪中创造出更多更好的新产品。 参考文献 1 Naverio R M. Design education in BrazilJ. Design Studies,2008,29:304312. 2 陈秀宁，顾大强 . 机械设计 M. 杭州：浙江大学出版社， 2009. 3 冯 贝塔朗菲著 . 一般系统论基础、发展和应用 M. 林康义，魏宏森等 ， 译 .见：影响世界的著名文献自然科学卷，北京：新华出版社， 1997. 4 Czichos H. The principles of system analysis and t
17、heir application to tribologyJ. ASLE Transactions, 1974,17(4):300306. 5 Xie Y B. On the systems engineering of tribo-systemsJ. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 1996,9(2):8999. 6 Saunders M N, Seepersad C C, Hltt-Otto K. The characteristics of innovative mechanical productsJ. Journal of Mec
18、hanical Design,2011,133:021009-19. 7 阮晓钢 . 神经计算科学 M. 北京：国防工业出版社， 2006. 8 Ramani K, Ramanujan D, Zhao F. et al. Integrated sustainable life cycle design: a reviewJ. Journal of Mechanical Design,2010,132:091004-1/15. 4 作者简介：汪久根，浙江大学机械 工程学 系教授 、博士生导师 联系地址：杭州市浙大路 38 号浙江大学机械系，邮编： 310027， 电话： 13857146979， Email: me_
