1.4 机械设计的方法

1.4.1 机械传统设计的方法

一般来说，机械设计的方法可分为传统设计方法和现代设计方法，其中传统设计方法有以下3种。

1.理论设计

根据长期研究与实践总结出来的传统设计理论和实验数据所进行的设计，称为理论设计。理论设计的计算过程又分为设计计算和校核计算。前者是指按照已知的载荷情况及零件的材料特性等，运用一定的理论公式设计零件尺寸和形状的计算过程，如齿轮强度的设计计算；后者是指先根据类比法、实验法及其他方法等初步定出零件的尺寸和形状，然后再用理论公式进行精确校核的计算过程，如转轴强度的校核计算。由于理论设计可得到比较精确而可靠的结果，故重要的零部件通常采用这种设计方法。

2.经验设计

根据经验公式或设计者本人的经验用类比法所进行的设计，称为经验设计。对一些次要零件，如受力不大的螺钉、螺栓等；或者对于一些理论上不够成熟或虽有理论但没有必要用复杂、高级的理论设计的零部件，如机架、箱体等，通常采用经验设计方法。

3.模型实验设计

把初步设计的零部件或机器制成小模型或小尺寸样机，经过实验手段对其各方面的特性进行检验，再根据实验结果对原设计进行逐步的修改，从而获得尽可能完善的设计结果，这样的设计过程称为模型实验设计。一些尺寸巨大、结构复杂而又十分重要的零部件，如飞机的机身、新型舰船的船体等，需采用这种设计方法。

1.4.2 机械现代设计方法简介

机械现代设计方法是伴随着现代科学技术的发展、社会的进步、生产力的高速增长而产生的。在设计中吸收了当代各种先进的科学方法，逐渐形成了一门多元性的新兴交叉科学体系。与传统设计相比，它具有创造性、探究性、优化性、综合性等特点，它的形成使机械设计领域产生了突破性的变革。目前机械现代设计方法较多，下面就较常用的方法加以简要介绍。

1.优化设计方法

优化设计是指根据最优化原理，建立数学模型，采用最优化数学方法，以人机配合方式或自动搜索方式，在计算机上应用计算程序进行半自动或自动设计，选出工程设计中最佳设计方案的一种现代设计方法。近些年来，优化设计还与可靠性设计、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。

2.计算机辅助设计

计算机辅助设计简称CAD，它是利用计算机运算快速准确、存储量大、逻辑判断功能强等特点进行设计信息处理，并通过人机对话形式完成机械产品设计工作的一种设计方法。一个完备的CAD系统，由科学计算、图形系统和数据库三方面组成。它与计算机辅助制造(CAM)相结合可形成CAD/CAM系统。

3.机械可靠性设计

机械可靠性设计是将概率论、数理统计、失效物理和机械学相结合而形成的一种设计方法。其主要特点是将传统设计方法中视为单值而实际上具有多值性的设计变量 (如载荷、应力、寿命等)看成服从某种分布规律的随机变量，用概率统计方法设计出符合机械产品可靠性指标要求的零部件和整机的主要参数和结构尺寸。

4.机械系统设计

机械系统设计是应用系统的观点进行机械产品设计的一种方法。一般传统设计只注重机械内部系统设计，且以改善零部件的特性为重点，对于各零部件之间、内部与外部系统之间的相互作用和影响考虑较少。机械系统设计则是遵循系统的观点，研究内、外系统和各子系统之间的相互关系，通过各子系统的协调工作，取长补短地来实现整个系统最佳的总功能。

5.机械动态设计

机械动态设计是根据机械产品的动载工况，以及对该产品提出的动态性能要求与设计准则，按动力学方法进行分析计算、优化与试验，并反复进行的一种设计方法。该方法的基本思路是：把机械产品看成是一个内部情况不明的黑箱，通过外部观察，根据其功能对黑箱与周围不同的信息联系进行分析，求出机械产品的动态特性参数，然后进一步寻求它们的机理和结构。

6.有限单元法

有限单元法是指将连续的介质 (如零件、结构等)看作由在有限个节点处连接起来的有限个小块 (称为元素)所组成，然后对每个元素，通过取定的插值函数，将其内部每一点的位移 (或应力)用元素节点的位移 (或应力)来表示。再根据介质整体的协调关系，建立包括所有节点的这些未知量的联立方程组，最后用计算机求解该联立方程组，以获得所需的解答。当元素足够“小”时，可以得到十分精确的解答。

以上简介了目前几种常用的设计方法，除此以外，还会遇到其他的一些现代设计方法，例如，机械并行设计、机械模糊设计、价值分析设计、模块化设计和人机学设计等。随着科学技术的发展和社会的不断进步，新的现代设计方法将不断涌现。