墻紙是一種設(shè)計(jì)。你可能正在穿著“設(shè)計(jì)者”設(shè)計(jì)的衣服。汽車的外觀是被“設(shè)計(jì)”出來(lái)的。很明顯，設(shè)計(jì)一詞涵蓋的意義十分范圍廣泛。在上面的例子中，設(shè)計(jì)主要是指設(shè)計(jì)一個(gè)物件的外觀。以汽車為例，它的很多方面都涉及到設(shè)計(jì)。比如它的機(jī)械內(nèi)部構(gòu)件（發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、懸掛結(jié)構(gòu)等）都需要設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)機(jī)械時(shí)，工程師或許比藝術(shù)家更能表現(xiàn)出某種程度上的藝術(shù)性。

 

 

2什么是機(jī)械設(shè)計(jì)？

 

 

機(jī)械設(shè)計(jì)是研究如何創(chuàng)造機(jī)械，以使其安全、可靠地工作等的內(nèi)容。機(jī)械的定義是：一個(gè)組裝的零件系統(tǒng)，可以以預(yù)定和受控的方式傳遞運(yùn)動(dòng)和能量。或更簡(jiǎn)單地說(shuō)：一個(gè)控制力和運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。

 

一臺(tái)機(jī)器的基本功能是做有用功，機(jī)器或多或少都會(huì)涉及到能量的傳遞。在這里，我們最關(guān)注的是力和運(yùn)動(dòng)，當(dāng)能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式時(shí)，機(jī)器就產(chǎn)生了運(yùn)動(dòng)和力。工程師的任務(wù)是分析和計(jì)算這些運(yùn)動(dòng)、力和能量的變化，以確定機(jī)器中的各個(gè)相關(guān)零部件的尺寸、形狀和所需要的材料。這是機(jī)械設(shè)計(jì)的本質(zhì)。

 

當(dāng)一個(gè)設(shè)計(jì)者需要設(shè)計(jì)機(jī)器的一個(gè)零件時(shí)，首先必須明白：任何一個(gè)零件的功能和性能都依賴于機(jī)器中的其它許多相關(guān)零件。因此，這里我們是要設(shè)計(jì)整機(jī)，而不是簡(jiǎn)單地設(shè)計(jì)單獨(dú)每一個(gè)零件。為此，我們必須利用靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)（應(yīng)力分析）和材料特性等。

 

 

3機(jī)械設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是什么？

 

 

機(jī)械設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是確定部件（機(jī)器零件）的尺寸和形狀，并選擇適合的材料與制造工藝，從而使得設(shè)計(jì)出來(lái)的機(jī)器可以完成預(yù)定的功能而不發(fā)生失效。這就要求設(shè)計(jì)人員能夠計(jì)算和預(yù)測(cè)每個(gè)零件的失效形式和條件，然后通過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)防它失效。這就需要對(duì)每一零件進(jìn)行應(yīng)力和變形分析。由于應(yīng)力是外載荷和慣性力的函數(shù)，也是零件幾何形狀的函數(shù)，所以計(jì)算應(yīng)力和變形前，必須先進(jìn)行力分析、力矩分析、扭矩分析，以及系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析。

 

如果一部待設(shè)計(jì)的機(jī)械中沒(méi)有運(yùn)動(dòng)零件，它的設(shè)計(jì)任務(wù)將變得簡(jiǎn)單多了，因?yàn)檫@時(shí)只需要進(jìn)行靜力分析。但是，如果一部機(jī)器沒(méi)有運(yùn)動(dòng)零件，它就不是機(jī)械（因?yàn)椴环仙厦鏅C(jī)械的定義）；它實(shí)際上是一個(gè)結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，結(jié)構(gòu)也需要設(shè)計(jì)以防止失效。事實(shí)上，大型外部結(jié)構(gòu)（如橋梁、建筑等）也承受著風(fēng)、地震、交通等引起的動(dòng)載荷，所以它們的設(shè)計(jì)也必須考慮這些工況條件。如果機(jī)械運(yùn)動(dòng)的非常緩慢，且加速度可以忽略不計(jì)，那么對(duì)它進(jìn)行靜力學(xué)分析就可以了。但是，如果機(jī)械有明顯的加速度，就必須進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，這時(shí)加速的零件將是“自己質(zhì)量的受害者”。

 

在靜態(tài)結(jié)構(gòu)中，如建筑物的地板，是設(shè)計(jì)用來(lái)支承重量的，可以通過(guò)添加適當(dāng)?shù)姆稚⒉牧辖Y(jié)構(gòu)件來(lái)增加結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。雖然這將添加物較重（增加了“死”的重量），但是如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，地板可能承載比以前更多的“活”的重量（有效載荷）而不會(huì)失效。但對(duì)一個(gè)動(dòng)態(tài)機(jī)械來(lái)說(shuō)，增加運(yùn)動(dòng)零件的重量（質(zhì)量）可能會(huì)產(chǎn)生相反的效果，即降低機(jī)械的安全系數(shù)、允許速度或有效承載能力。這是因?yàn)楫a(chǎn)生應(yīng)力的載荷是來(lái)自于零件的慣性力，我們可以用牛頓第二定律，F(xiàn)=ma，來(lái)估算它的大小。由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)零件的加速度取決于它的運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)和運(yùn)行速度，增加運(yùn)動(dòng)零件的質(zhì)量會(huì)增加這些零件所受的慣性力，否則就要降低它們的運(yùn)行速度來(lái)避免增加慣性力。即使人們可以通過(guò)增加質(zhì)量來(lái)增加零件的強(qiáng)度，但是這種增加可能會(huì)因慣性力的增加而大打折扣，甚至被抵消。

 

綜上所述，我們?cè)跈C(jī)械設(shè)計(jì)的初始階段會(huì)面臨兩難選擇。通常，在確定零件尺寸大小之前，機(jī)械的運(yùn)動(dòng)過(guò)程已經(jīng)確定。外界作用在機(jī)械上的載荷被稱為外載。請(qǐng)注意在某些情況下，機(jī)械上的外載有可能將很難預(yù)測(cè)，例如，運(yùn)動(dòng)的汽車上的外載。當(dāng)設(shè)計(jì)者不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)機(jī)械所受的外載（如坑洞，硬轉(zhuǎn)彎等）時(shí)，從為設(shè)計(jì)目的而做的實(shí)際測(cè)試中收集到的對(duì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可以提供一些信息。

 

另外，運(yùn)動(dòng)加速度已知，但運(yùn)動(dòng)零件質(zhì)量未知，則產(chǎn)生的慣性力也是有待于確定。這時(shí)需要通過(guò)迭代獲取，即不斷重復(fù)，或返回到以前的狀態(tài)。為此，我們需要設(shè)計(jì)一些試驗(yàn)，利用試驗(yàn)裝置的質(zhì)量特性（如質(zhì)量、重心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）進(jìn)行動(dòng)態(tài)受力分析，以確定作用在零件上的力、力矩和轉(zhuǎn)矩，然后利用試驗(yàn)裝置的橫截面的幾何形狀，計(jì)算出應(yīng)力。通常，準(zhǔn)確確定機(jī)械上所有載荷是設(shè)計(jì)過(guò)程中最困難的事。如果載荷已知，便可以通過(guò)計(jì)算得到應(yīng)力。

 

最可能的是，在第一次試驗(yàn)中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，我們的設(shè)計(jì)材料不能承受當(dāng)前的應(yīng)力水平。那么為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)可行的設(shè)計(jì)，我們必須改變形狀，尺寸，材料，制造工藝，或其他因素，重新設(shè)計(jì)零件（這就是迭代）。通常，沒(méi)有經(jīng)過(guò)幾次迭代設(shè)計(jì)過(guò)程是很難取得成功的。需要注意，一個(gè)零件的質(zhì)量改變還會(huì)影響到作用在與它相連的其他零件上的力，從而導(dǎo)致其他零件也需要重新設(shè)計(jì)。這是就是相關(guān)零件的設(shè)計(jì)。

 

設(shè)計(jì)可以令人同時(shí)感到有趣和沮喪。一般的設(shè)計(jì)問(wèn)題方法并不固定，其中很多內(nèi)容需要具有創(chuàng)造性，這自然會(huì)導(dǎo)致有多個(gè)解決方案。就如大家可以看到有很不同品牌和型號(hào)的新汽車可供選擇。顯然它們差別很大，但你肯定會(huì)有哪些車好、哪些車差的自己的看法。此外，不同設(shè)計(jì)，最終的目標(biāo)也不盡相同。一個(gè)四輪驅(qū)動(dòng)車的設(shè)計(jì)與一個(gè)兩座位跑車設(shè)計(jì)的目標(biāo)會(huì)有所不同（盡管其他的車的例子也許包括這兩者的特點(diǎn)）。

 

對(duì)初學(xué)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)很重要的是要開(kāi)拓視野。不要試圖以尋找“正確答案”的不正確方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，許多問(wèn)題并沒(méi)有所謂的“正確答案”。相反，要大膽！嘗試一些顛覆性的設(shè)計(jì)。然后，通過(guò)分析進(jìn)行測(cè)試該設(shè)計(jì)。如果發(fā)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)不適合，也不要失望；因?yàn)橥ㄟ^(guò)它，你已經(jīng)了解了你以前不了解的問(wèn)題。失敗是成功之母！我們可以從錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)中學(xué)到很多東西，可以使下一個(gè)設(shè)計(jì)方案更好。這就是為什么說(shuō)迭代對(duì)成功設(shè)計(jì)十分重要的原因。

 

計(jì)算機(jī)是現(xiàn)代工程問(wèn)題求解的必備工具。通過(guò)使用計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件，可以更快、更準(zhǔn)確和合理解決設(shè)計(jì)問(wèn)題。然而，結(jié)果是建立工程模型和使用的數(shù)據(jù)都具有良好質(zhì)量的基礎(chǔ)上的。因此，如果設(shè)計(jì)者對(duì)模型和CAE工具沒(méi)有深入了解，沒(méi)有這方面的開(kāi)發(fā)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，他不能依賴計(jì)算機(jī)給出的解答。