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1、东华大学机械工程学院 毛立民 2010年4月机械设计技术的发展现状与趋势专业前沿—机械设计篇内容第一部分机械设计发展概述第二部分现代机械设计技术第三部分计算机辅助设计技术第四部分CAE技术的应用和发展趋势第五部分创造方法发展概述第六部分TRIZ创新理论简介第一部分机械设计发展概述一、机械设计学科形成历史专为工业生产所运用、具有明显的技术特征,而又形成体系的机械设计,在18世纪工业革命以后的一段时间才被确立起来。英国人斯密顿（Seaton,J）,对纽可门(Newcomen,T),发明的各种功率的蒸汽机进行了系统分析,写出许多实验报告,并整理出一套计算公式；瓦特（Watt,J）,就是在他工作的基
2、础上,先后于1756年和1782年研制出新一代的蒸汽机。机械设计经历了反复多次的失败,才逐步积累了技术经验,奠定了科学的基础,形成完整的体系。两百多年前的个体手工劳动的生产方式，现在已由大规模的机械化、自动化生产所代替。过去，产品的质量和性能，完全依赖于劳动者个人的经验和手艺，而现在已经可以做到由电子计算机对生产过程进行自动的适应性控制，使得产品成量好、成本低。人类在自己的生产活动中,不断地总结经验和’采用最新的科学技术来推动生产向前发展同时，在发展生产的过程中，又不断向科学技术提出新课题。这一切必然反映于机械设计发展过程。二、机械设计的形成阶段第一阶段，摇篮期设计公式进行的经典设计阶段。工
3、业革命起到第二次世界大战年以前的漫长时期。机械工业生产主要在欧美各国进行，设计主要是依据经典设计公式的组合进行。力学各分支的发展，加上在机械制造中积累的丰富经验,为机械设计的实验、试验和理论研究奠定了基础，确立了基本观念，形成了基本体系，也做了不少基础性的工作。1852-1870年间,德国人韦勒(A,Wohle)在由他发明的试验机上进行了许多重复变应力下的疲劳试验，对疲劳向题进行系统研究，提出疲劳曲线图(S-N图)和疲劳极限概念。（疲劳试验机的基本原理和S-N图至今还在沿用）1893年由美国人刘易斯(Lewia,W)发表的计算齿轮齿根弯曲疲劳强度时所使用的“齿形系数”的数据图表，自首次发表以
4、来，至今仍被沿用。仍是机械设计教学的主要内容。第二阶段，成长期以经验为主的实验设计第二次世界大战中和战后(1940一1960年)。是机械工业在数量方面扩大生产的时代，主要在美国。这一阶段的机械设计，主要是通过实机或模型试验获得基本数据，然后以此进行设计。战后世界经济的复苏和发展，经典设计的理论和方法在这个阶段得以完备,极大地适应和促进了当时机械工业的发展。另一方面,在工业发达国象,各种现代机械设计的理论也在孕育之中。机械设计可分为机能设计和强度设计两大方面。以强度设计为例，它应兼顾三个方面内容:（1）以弹性力学为基础的弹性设计；（2）以屈曲等塑性破坏为对象的极限设计；（3）基于安全寿命预测、
5、许用损伤限度等的疲劳设计。对于结构复杂的零件或机器,在经典设计范围内，无法用解析法求出其上各点应力值的。因此，人们就应用模型---相似性原理或样机试验设计来完成这一任务。这就是设计和制造出原型零件或机器的模型，在其上加载，进行应力和应变的测量，来判断原型的强度和刚度以及结构的合理性。用作试验的模型应与原型是相似的。从强度设计来说，这些相似的准则是:（1）力学相似；（2）与强度有关的物理量（如材料的弹性模量E和G，泊松比μ、重度γ等）的相似；（3）边界条件相同等其中力学相似又包括几何相似、运动相似和动力相似。第三阶段，发展期以静态解析为主的理论设计这个阶段(1960-1980年)是机械设计由实
6、验设计转入理论设计的发展阶段。1960年以后,在机械生产数量增加的同时，要求提高产品质量，改进机械性能，出现了应用液压技术、电子技术等系列设计。在进行机械设计时，机械性能的确认，不再是实验验证，而是应用理论推导的方法完成。由于运用了电子计算机技术，经典设计方法不能解析的静态和动态问题变得清楚明确了。这一阶段，日本的发展，20世纪60年代还是以先进国家的机械为样板，进行了“类似设计”。进入70年代以后，发生了世界范围的石油危急，日本在广泛的领域内进行技术开发，以维持和提高在国际市场上的出口竞争能力。这样，通过努力他们的设计技术已达到先进国家的水平，开始向“独立设计”迈进，同时也开始了动态分析最
7、尖端的研究。促成自70年代末以来在国际范围内的一场以高技术为中心的新的科技革命,从而使日本与美国、西欧等国并驾齐驱。这个阶段由于电子计算机的广泛应用，使各种现代机械设计的理论和方法得到发展，并日臻完善，形成体系。（1）人们不满足经典近似粗略的应力分析，而提出有限元法、差分法和边界元法的精确分析，对复杂结构的强度、刚度、润滑、振动、传热等问题进行数值计算。过去在进行经典设计时，由于受到计算手段的限制，计算对象只
