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與生產實踐緊密結合的工程設計的歷史源遠流長，近幾十年來，社會急劇的進步和人類對物質和精神生活不斷增長的需求，促進了現代設計方法的發展。同時，科學技術的發展，特別是微電子技術的飛速發展，為現代設計方法的廣泛應用提供了可能性。它是現代設計理論與現代科學技術成果相結合的產物。廣泛采用和推廣成熟的現代設計方法以加快我國機電產品更新換代、趕超世界先進水平是當務之急。

1傳統設計方法及產品開發模式的主要缺點

傳統的設計方法是以經驗總結為基礎，運用力學和數學而形成的經驗、公式、圖表、設計手冊等作為設計的依據，通過經驗公式、近似系數或類比等方法進行設計。傳統設計方法及產品開發模式不能在產品的開發設計階段就對其生命周期全過程中的各種因素考慮周全，致使在產品設計甚至制造出來后才發現各式各樣的毛病，以至于不得不去修改產品的最初設計，從而延長了開發周期，增加了成本，最終喪失了商機。為此，應建立一套適合我國國情，支持產品開發與生產全過程的數字化、并行化、智能化、集成化的現代設計方法與系統，有效地組織多學科的產品開發隊伍，充分利用各種計算機輔助工具，并有效地考慮產品開發與生產的全過程，從而縮短產品開發周期，降低成本，提高質量，生產出滿足用戶需要的產品，使企業在市場競爭中立于不敗之地。

2現代設計方法的特點

2.1現代設計方法的研究內容

（1）計算機輔助設計（ComputerAidedDesign），簡稱CAD。計算機輔助設計使設計人員從圖板中解放出來，繪圖速度快、質量高、便于修改。它與有限元法和優化設計方法相結合，可預測和優化產品的性能，同時又是計算機輔助制造和計算機集成制造系統的前提和基礎。近年來計算機輔助設計系統的硬件和軟件都有飛速的發展，在軟件方面，參數化繪圖、三維實體造型和特征造型等技術尤其引人注目。

（2）優化設計（OptimalDesign）。優化設計跳出了傳統的安全設計的思想，是把最優化數學原理應用于工程設計問題。它用于解決兩類問題：一類是從大量方案中選出可行的最優者；另一類是為已確定的設計方案選定可行的最優參數。進行工程設計時，首先需將工程問題按優化設計所規定的格式建立數學模型，然后選用合適的優化計算方法在計算機上對數學模型進行尋優求解，得到工程設計問題的最優設計方案。近些年來，優化設計還和可靠性設計、模糊設計等其他一些設計方法結合起來，形成了可靠性優化設計、模糊優化設計等一些新的優化設計方法。

（3）可靠性設計（ReliabilityDesign）。可靠性設計是以概率論和數理統計為理論基礎，以失效分析、失效預測及各種可靠性試驗為依據，以保證產品的可靠性為目標的現代設計方法。為保證產品達到可靠性的要求，首先要計算出各種元件、零部件的可靠度，在此基礎上預測出產品的可靠度，然后采取各種措施改進原設計，做到經濟合理。

（4）有限元法（FiniteElementMothed）。有限元法是以計算機為工具的一種現代數值計算方法。它不僅能用于工程中復雜的非線性、非穩態問題的求解，而且還可用于工程設計中進行復雜結構的靜態和動力分析，并能準確地計算形狀復雜零件的應力分布和變形，成為復雜零件強度和剛度計算的有力分析工具。應用有限元法可以預測復雜結構的強度和剛度，同時，這種方法還可以擴展到電學、流體力學和熱力學等中去。

（5）反求工程設計（ReverseEngineeringDesign）。反求工程設計是通過實物或技術資料對已有的先進產品進行分析、解剖、試驗，了解其材料、組成、結構、性能、功能，掌握其工藝原理和工作機理，以進行消化仿制、改進或發展、創造新產品的一種方法和技術。

（6）價值分析（ValueAnalysis）。價值分析是以產品功能分析為核心，以開發創造性為基礎，以科學分析為工具，尋求功能與成本的最佳比例以獲得最優價值的一種設計方法。

2.2現代設計方法的發展趨勢

現代設計方法是以設計產品為目標的一個總的知識群體的統稱。在當今世界，由于科學技術的飛速發展，使新的領域不斷開辟，新技術不斷涌現，促進了經濟的高速發展。同時，也使企業間的競爭日益激烈，而且這種競爭已成為世界范圍內技術水平、經濟實力的全面競爭。人們隨著對客觀世界的認識深化和生活水平的提高，對產品的要求也愈來愈高。所有這些使人們對設計的要求發展到了一個新的階段，具體表現為以下幾個方面：

①設計對象由單機走向系統；

②設計要求由單目標走向多目標；

③設計所涉及的領域由單一領域走向多個領域；

④承擔設計工作的人員從單人走向小組；

⑤產品更新速度加快，使設計周期縮短；

⑥產品設計由自由發展走向有計劃的發展；

⑦設計的發展要適應科學技術的發展，特別是適應計算機技術的發展。

因此，為了滿足人們的需求，現代產品的設計不僅要依賴于自然科學技術，而且還要受到社會科學和社會因素的支配與影響。這就是說，現代產品的設計，除了要求考慮技術方面的因素外，它還要求設計者應將“產品—人—環境—社會”視為一個完整的系統。設計時，必須從系統角度來全面考慮各方面的問題。既要考慮產品本身，還要考慮對系統和環境的影響；不僅要考慮技術領域，還要考慮經濟、社會效益；不但考慮當前，還需考慮長遠發展。

例如汽車設計，不僅要考慮汽車本身的技術問題，還要考慮使用者的安全、舒適、操作方便等；另外，還需考慮汽車的燃料供應、車輛存放、環境污染、道路發展以及國家能源政策、資源條件、道路建設、城市規劃等政策及社會條件限制等問題。因此現代產品設計已要求設計者把自然科學、社會科學、人類工程學，以及各種藝術、實際經驗和聰明才智融合在一起，用于設計中。因此，現代設計方法將會是各學科群之間的相互交叉滲透，愈益頻繁的一門綜合性學科，涉及的內容十分廣泛，而且隨著科學技術的飛速發展，必將還會有許多新的設計方法不斷涌現。

3現代設計方法在機電產品開發中的應用

3.1現代機電產品的發展趨勢

隨著相關學科的發展，與傳統的機電產品相比，現代機電產品發展總的趨勢呈現為：

①正向著智能化方向發展；

②正向著小型化、輕量化方向發展；

③正向著綜合化方向發展；

④正向著可靠性方向發展。

傳統的機電產品正日益為現代機電產品所替代，單純的機械產品和電子產品應用的領域將會越來越少，直至退出歷史的舞臺。

3.2現代設計方法與機電產品設計相結合在市場發展越來越成熟的今天，現代機電產品所涉及的學科和工業門類眾多，用傳統的設計方法很難達到設計的要求。因此，對現代的機電產品來說，其設計思想和設計方法都將會有一些全新的內容。本文把現代化設計方法與機電產品的設計相結合，著重介紹了可靠性設計在機電產品設計方面的應用。

機電產品的可靠性設計可定義為：產品在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的能力。可靠性設計是以概率論為數學基礎，從統計學的角度去觀察偶然事件，并從偶然事件中找出某些必然發生的規律，而這些規律一般反映了在隨機變量與隨機變量發生的可能性（概率）之間的關系。

用來描述這種關系的模型很多，如正態分布模型、指數分布模型和威布爾分布模型等。可靠性常用的數值標準有：可靠度（Reliability）、失效率（Failure）、平均壽命（MeanLife）。

機電系統的可靠度不僅與組成系統單元（機械單元、電氣單元或混合單元）的可靠性有關，還與組成該系統各單元間的組合方式和相互匹配有關。

通常機電產品的可靠性設計包括以下幾個方面的內容：

①明確機電產品機械部件和電氣部件的設計制造要求。

②系統可靠性建模。系統常用的可靠性建模方式有：串聯系統建模、并聯系統建模、混聯系統建模、r/n表決系統建模和儲備系統建模。可通過這些數學模型并采用適當的算法來計算出機電系統的可靠性。

③可靠性預測。預測單元（機械單元、電氣單元或混合單元）的可靠性，首先要確定單元的基本失效率，它們是在一定的環境條件下得出的設計時可以從相關的手冊、資料中查得。然后根據公式來確定各單元的應用失效率。對于不同的機電系統，其可靠性預測的方法也不同，常用的有元器件統計法、數學模型法和故障樹分析法等。在串、并聯模型的基礎上，可以對復雜系統的可靠性進行預測，有等效功能圖法和布爾真值表法。

④可靠度分配。目的是提高產品設計質量、節約產品設計制造費用和時間。分配的原則根據機電產品各單元技術水平、復雜程度、重要程度以及相關費用等條件來決定，總得來說都是為了獲取系統最高的可靠性。實際上，一個復雜系統的可靠性設計往往需要經過多次預測、分配、再預測、再分配的反復過程才能完成，以力求達到對于那些容易實現高可靠度的零部件提出高的要求；而對于不易實現高可靠度的零部件降低其可靠度要求，最終達到使整個系統既滿足可靠性設計要求，又使研制時間、成本、重量或體積等最優。

總之，對于任何一個機電產品，要考核其某一技術性能指標，如強度、剛度、穩定性、壽命等，都可以應用專業理論知識結合可靠性設計方法解決工程實際問題。我國機電產品的可靠性設計工作已在普及推廣中，相繼頒布了一批機電產品的可靠性指標。在發電設備、儀表和汽車行業，可靠性技術研究與應用已獲成效。隨著可靠性基礎工作的開展和可靠性數據的不斷積累，我國機電產品可靠性設計必將得到更為廣泛的應用與發展。

4結論

從目前的發展趨勢看，市場競爭將會愈來愈激烈，而且市場競爭將是國際化的、動態化的和多元化的。國民經濟各部門迫切需要質量好、效率高、消耗低、價格便宜的先進的機電產品。而產品設計是決定產品性能、質量、水平和經濟效益的重要環節。現代設計方法是以電子計算機為手段，運用工程設計的新理論和新方法，使計算結果達到最優化，使設計過程實現高效化和自動化。因此，運用現代設計方法可以適應市場劇烈競爭的需要，提高設計質量和縮短設計周期。