设计技术在机电开发中的运用探讨范文

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与生产实践紧密结合的工程设计的历史源远流长，近几十年来，社会急剧的进步和人类对物质和精神生活不断增长的需求，促进了现代设计方法的发展。同时，科学技术的发展，特别是微电子技术的飞速发展，为现代设计方法的广泛应用提供了可能性。它是现代设计理论与现代科学技术成果相结合的产物。广泛采用和推广成熟的现代设计方法以加快我国机电产品更新换代、赶超世界先进水平是当务之急。

1传统设计方法及产品开发模式的主要缺点

传统的设计方法是以经验总结为基础，运用力学和数学而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。传统设计方法及产品开发模式不能在产品的开发设计阶段就对其生命周期全过程中的各种因素考虑周全，致使在产品设计甚至制造出来后才发现各式各样的毛病，以至于不得不去修改产品的最初设计，从而延长了开发周期，增加了成本，最终丧失了商机。为此，应建立一套适合我国国情，支持产品开发与生产全过程的数字化、并行化、智能化、集成化的现代设计方法与系统，有效地组织多学科的产品开发队伍，充分利用各种计算机辅助工具，并有效地考虑产品开发与生产的全过程，从而缩短产品开发周期，降低成本，提高质量，生产出满足用户需要的产品，使企业在市场竞争中立于不败之地。

2现代设计方法的特点

2.1现代设计方法的研究内容

（1）计算机辅助设计（ComputerAidedDesign），简称CAD。计算机辅助设计使设计人员从图板中解放出来，绘图速度快、质量高、便于修改。它与有限元法和优化设计方法相结合，可预测和优化产品的性能，同时又是计算机辅助制造和计算机集成制造系统的前提和基础。近年来计算机辅助设计系统的硬件和软件都有飞速的发展，在软件方面，参数化绘图、三维实体造型和特征造型等技术尤其引人注目。

（2）优化设计（OptimalDesign）。优化设计跳出了传统的安全设计的思想，是把最优化数学原理应用于工程设计问题。它用于解决两类问题：一类是从大量方案中选出可行的最优者；另一类是为已确定的设计方案选定可行的最优参数。进行工程设计时，首先需将工程问题按优化设计所规定的格式建立数学模型，然后选用合适的优化计算方法在计算机上对数学模型进行寻优求解，得到工程设计问题的最优设计方案。近些年来，优化设计还和可靠性设计、模糊设计等其他一些设计方法结合起来，形成了可靠性优化设计、模糊优化设计等一些新的优化设计方法。

（3）可靠性设计（ReliabilityDesign）。可靠性设计是以概率论和数理统计为理论基础，以失效分析、失效预测及各种可靠性试验为依据，以保证产品的可靠性为目标的现代设计方法。为保证产品达到可靠性的要求，首先要计算出各种元件、零部件的可靠度，在此基础上预测出产品的可靠度，然后采取各种措施改进原设计，做到经济合理。

（4）有限元法（FiniteElementMothed）。有限元法是以计算机为工具的一种现代数值计算方法。它不仅能用于工程中复杂的非线性、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。应用有限元法可以预测复杂结构的强度和刚度，同时，这种方法还可以扩展到电学、流体力学和热力学等中去。

（5）反求工程设计（ReverseEngineeringDesign）。反求工程设计是通过实物或技术资料对已有的先进产品进行分析、解剖、试验，了解其材料、组成、结构、性能、功能，掌握其工艺原理和工作机理，以进行消化仿制、改进或发展、创造新产品的一种方法和技术。

（6）价值分析（ValueAnalysis）。价值分析是以产品功能分析为核心，以开发创造性为基础，以科学分析为工具，寻求功能与成本的最佳比例以获得最优价值的一种设计方法。

2.2现代设计方法的发展趋势

现代设计方法是以设计产品为目标的一个总的知识群体的统称。在当今世界，由于科学技术的飞速发展，使新的领域不断开辟，新技术不断涌现，促进了经济的高速发展。同时，也使企业间的竞争日益激烈，而且这种竞争已成为世界范围内技术水平、经济实力的全面竞争。人们随着对客观世界的认识深化和生活水平的提高，对产品的要求也愈来愈高。所有这些使人们对设计的要求发展到了一个新的阶段，具体表现为以下几个方面：

①设计对象由单机走向系统；

②设计要求由单目标走向多目标；

③设计所涉及的领域由单一领域走向多个领域；

④承担设计工作的人员从单人走向小组；

⑤产品更新速度加快，使设计周期缩短；

⑥产品设计由自由发展走向有计划的发展；

⑦设计的发展要适应科学技术的发展，特别是适应计算机技术的发展。

因此，为了满足人们的需求，现代产品的设计不仅要依赖于自然科学技术，而且还要受到社会科学和社会因素的支配与影响。这就是说，现代产品的设计，除了要求考虑技术方面的因素外，它还要求设计者应将“产品—人—环境—社会”视为一个完整的系统。设计时，必须从系统角度来全面考虑各方面的问题。既要考虑产品本身，还要考虑对系统和环境的影响；不仅要考虑技术领域，还要考虑经济、社会效益；不但考虑当前，还需考虑长远发展。

例如汽车设计，不仅要考虑汽车本身的技术问题，还要考虑使用者的安全、舒适、操作方便等；另外，还需考虑汽车的燃料供应、车辆存放、环境污染、道路发展以及国家能源政策、资源条件、道路建设、城市规划等政策及社会条件限制等问题。因此现代产品设计已要求设计者把自然科学、社会科学、人类工程学，以及各种艺术、实际经验和聪明才智融合在一起，用于设计中。因此，现代设计方法将会是各学科群之间的相互交叉渗透，愈益频繁的一门综合性学科，涉及的内容十分广泛，而且随着科学技术的飞速发展，必将还会有许多新的设计方法不断涌现。

3现代设计方法在机电产品开发中的应用

3.1现代机电产品的发展趋势

随着相关学科的发展，与传统的机电产品相比，现代机电产品发展总的趋势呈现为：

①正向着智能化方向发展；

②正向着小型化、轻量化方向发展；

③正向着综合化方向发展；

④正向着可靠性方向发展。

传统的机电产品正日益为现代机电产品所替代，单纯的机械产品和电子产品应用的领域将会越来越少，直至退出历史的舞台。

3.2现代设计方法与机电产品设计相结合在市场发展越来越成熟的今天，现代机电产品所涉及的学科和工业门类众多，用传统的设计方法很难达到设计的要求。因此，对现代的机电产品来说，其设计思想和设计方法都将会有一些全新的内容。本文把现代化设计方法与机电产品的设计相结合，着重介绍了可靠性设计在机电产品设计方面的应用。

机电产品的可靠性设计可定义为：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性设计是以概率论为数学基础，从统计学的角度去观察偶然事件，并从偶然事件中找出某些必然发生的规律，而这些规律一般反映了在随机变量与随机变量发生的可能性（概率）之间的关系。

用来描述这种关系的模型很多，如正态分布模型、指数分布模型和威布尔分布模型等。可靠性常用的数值标准有：可靠度（Reliability）、失效率（Failure）、平均寿命（MeanLife）。

机电系统的可靠度不仅与组成系统单元（机械单元、电气单元或混合单元）的可靠性有关，还与组成该系统各单元间的组合方式和相互匹配有关。

通常机电产品的可靠性设计包括以下几个方面的内容：

①明确机电产品机械部件和电气部件的设计制造要求。

②系统可靠性建模。系统常用的可靠性建模方式有：串联系统建模、并联系统建模、混联系统建模、r/n表决系统建模和储备系统建模。可通过这些数学模型并采用适当的算法来计算出机电系统的可靠性。

③可靠性预测。预测单元（机械单元、电气单元或混合单元）的可靠性，首先要确定单元的基本失效率，它们是在一定的环境条件下得出的设计时可以从相关的手册、资料中查得。然后根据公式来确定各单元的应用失效率。对于不同的机电系统，其可靠性预测的方法也不同，常用的有元器件统计法、数学模型法和故障树分析法等。在串、并联模型的基础上，可以对复杂系统的可靠性进行预测，有等效功能图法和布尔真值表法。

④可靠度分配。目的是提高产品设计质量、节约产品设计制造费用和时间。分配的原则根据机电产品各单元技术水平、复杂程度、重要程度以及相关费用等条件来决定，总得来说都是为了获取系统最高的可靠性。实际上，一个复杂系统的可靠性设计往往需要经过多次预测、分配、再预测、再分配的反复过程才能完成，以力求达到对于那些容易实现高可靠度的零部件提出高的要求；而对于不易实现高可靠度的零部件降低其可靠度要求，最终达到使整个系统既满足可靠性设计要求，又使研制时间、成本、重量或体积等最优。

总之，对于任何一个机电产品，要考核其某一技术性能指标，如强度、刚度、稳定性、寿命等，都可以应用专业理论知识结合可靠性设计方法解决工程实际问题。我国机电产品的可靠性设计工作已在普及推广中，相继颁布了一批机电产品的可靠性指标。在发电设备、仪表和汽车行业，可靠性技术研究与应用已获成效。随着可靠性基础工作的开展和可靠性数据的不断积累，我国机电产品可靠性设计必将得到更为广泛的应用与发展。

4结论

从目前的发展趋势看，市场竞争将会愈来愈激烈，而且市场竞争将是国际化的、动态化的和多元化的。国民经济各部门迫切需要质量好、效率高、消耗低、价格便宜的先进的机电产品。而产品设计是决定产品性能、质量、水平和经济效益的重要环节。现代设计方法是以电子计算机为手段，运用工程设计的新理论和新方法，使计算结果达到最优化，使设计过程实现高效化和自动化。因此，运用现代设计方法可以适应市场剧烈竞争的需要，提高设计质量和缩短设计周期。