墻紙是一種設(shè)計。你可能正在穿著“設(shè)計者”設(shè)計的衣服。汽車的外觀是被“設(shè)計”出來的。很明顯，設(shè)計一詞涵蓋的意義十分范圍廣泛。在上面的例子中，設(shè)計主要是指設(shè)計一個物件的外觀。以汽車為例，它的很多方面都涉及到設(shè)計。比如它的機械內(nèi)部構(gòu)件（發(fā)動機、制動器、懸掛結(jié)構(gòu)等）都需要設(shè)計。在設(shè)計機械時，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。

 

 

2什么是機械設(shè)計？

 

 

機械設(shè)計是研究如何創(chuàng)造機械，以使其安全、可靠地工作等的內(nèi)容。機械的定義是：一個組裝的零件系統(tǒng)，可以以預(yù)定和受控的方式傳遞運動和能量。或更簡單地說：一個控制力和運動的系統(tǒng)。

 

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

 

當(dāng)一個設(shè)計者需要設(shè)計機器的一個零件時，首先必須明白：任何一個零件的功能和性能都依賴于機器中的其它許多相關(guān)零件。因此，這里我們是要設(shè)計整機，而不是簡單地設(shè)計單獨每一個零件。為此，我們必須利用靜力學(xué)、動力學(xué)、材料力學(xué)（應(yīng)力分析）和材料特性等。

 

 

3機械設(shè)計的最終目標(biāo)是什么？

 

 

機械設(shè)計的最終目標(biāo)是確定部件（機器零件）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)計出來的機器可以完成預(yù)定的功能而不發(fā)生失效。這就要求設(shè)計人員能夠計算和預(yù)測每個零件的失效形式和條件，然后通過設(shè)計預(yù)防它失效。這就需要對每一零件進(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)的動力學(xué)分析。

 

如果一部待設(shè)計的機械中沒有運動零件，它的設(shè)計任務(wù)將變得簡單多了，因為這時只需要進(jìn)行靜力分析。但是，如果一部機器沒有運動零件，它就不是機械（因為不符合上面機械的定義）；它實際上是一個結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，結(jié)構(gòu)也需要設(shè)計以防止失效。事實上，大型外部結(jié)構(gòu)（如橋梁、建筑等）也承受著風(fēng)、地震、交通等引起的動載荷，所以它們的設(shè)計也必須考慮這些工況條件。如果機械運動的非常緩慢，且加速度可以忽略不計，那么對它進(jìn)行靜力學(xué)分析就可以了。但是，如果機械有明顯的加速度，就必須進(jìn)行動力學(xué)分析，這時加速的零件將是“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)計用來支承重量的，可以通過添加適當(dāng)?shù)姆稚⒉牧辖Y(jié)構(gòu)件來增加結(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）而不會失效。但對一個動態(tài)機械來說，增加運動零件的重量（質(zhì)量）可能會產(chǎn)生相反的效果，即降低機械的安全系數(shù)、允許速度或有效承載能力。這是因為產(chǎn)生應(yīng)力的載荷是來自于零件的慣性力，我們可以用牛頓第二定律，F(xiàn)=ma，來估算它的大小。由于機械運動零件的加速度取決于它的運動學(xué)設(shè)計和運行速度，增加運動零件的質(zhì)量會增加這些零件所受的慣性力，否則就要降低它們的運行速度來避免增加慣性力。即使人們可以通過增加質(zhì)量來增加零件的強度，但是這種增加可能會因慣性力的增加而大打折扣，甚至被抵消。

 

綜上所述，我們在機械設(shè)計的初始階段會面臨兩難選擇。通常，在確定零件尺寸大小之前，機械的運動過程已經(jīng)確定。外界作用在機械上的載荷被稱為外載。請注意在某些情況下，機械上的外載有可能將很難預(yù)測，例如，運動的汽車上的外載。當(dāng)設(shè)計者不能準(zhǔn)確預(yù)測機械所受的外載（如坑洞，硬轉(zhuǎn)彎等）時，從為設(shè)計目的而做的實際測試中收集到的對經(jīng)驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析可以提供一些信息。

 

另外，運動加速度已知，但運動零件質(zhì)量未知，則產(chǎn)生的慣性力也是有待于確定。這時需要通過迭代獲取，即不斷重復(fù)，或返回到以前的狀態(tài)。為此，我們需要設(shè)計一些試驗，利用試驗裝置的質(zhì)量特性（如質(zhì)量、重心位置和轉(zhuǎn)動慣量）進(jìn)行動態(tài)受力分析，以確定作用在零件上的力、力矩和轉(zhuǎn)矩，然后利用試驗裝置的橫截面的幾何形狀，計算出應(yīng)力。通常，準(zhǔn)確確定機械上所有載荷是設(shè)計過程中最困難的事。如果載荷已知，便可以通過計算得到應(yīng)力。

 

最可能的是，在第一次試驗中，我們會發(fā)現(xiàn)，我們的設(shè)計材料不能承受當(dāng)前的應(yīng)力水平。那么為了實現(xiàn)一個可行的設(shè)計，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)計零件（這就是迭代）。通常，沒有經(jīng)過幾次迭代設(shè)計過程是很難取得成功的。需要注意，一個零件的質(zhì)量改變還會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。這是就是相關(guān)零件的設(shè)計。

 

設(shè)計可以令人同時感到有趣和沮喪。一般的設(shè)計問題方法并不固定，其中很多內(nèi)容需要具有創(chuàng)造性，這自然會導(dǎo)致有多個解決方案。就如大家可以看到有很不同品牌和型號的新汽車可供選擇。顯然它們差別很大，但你肯定會有哪些車好、哪些車差的自己的看法。此外，不同設(shè)計，最終的目標(biāo)也不盡相同。一個四輪驅(qū)動車的設(shè)計與一個兩座位跑車設(shè)計的目標(biāo)會有所不同（盡管其他的車的例子也許包括這兩者的特點）。

 

對初學(xué)設(shè)計者來說很重要的是要開拓視野。不要試圖以尋找“正確答案”的不正確方法進(jìn)行設(shè)計，許多問題并沒有所謂的“正確答案”。相反，要大膽！嘗試一些顛覆性的設(shè)計。然后，通過分析進(jìn)行測試該設(shè)計。如果發(fā)現(xiàn)這一設(shè)計不適合，也不要失望；因為通過它，你已經(jīng)了解了你以前不了解的問題。失敗是成功之母！我們可以從錯誤的設(shè)計中學(xué)到很多東西，可以使下一個設(shè)計方案更好。這就是為什么說迭代對成功設(shè)計十分重要的原因。

 

計算機是現(xiàn)代工程問題求解的必備工具。通過使用計算機輔助工程（CAE）軟件，可以更快、更準(zhǔn)確和合理解決設(shè)計問題。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)計者對模型和CAE工具沒有深入了解，沒有這方面的開發(fā)和實踐經(jīng)驗，他不能依賴計算機給出的解答。