王天福

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機(jī)械設(shè)計發(fā)展史

王天福

設(shè)計必須科學(xué)化，這意味著要科學(xué)地闡述客觀設(shè)計過程及其本質(zhì)，分析與設(shè)計有關(guān)的領(lǐng)域及其單位，在些基礎(chǔ)上，科學(xué)地安排設(shè)計過程，使用科學(xué)的方法和手段進(jìn)行設(shè)計。同時也要求設(shè)計人員不光有豐富的專業(yè)知識，而且也要掌握先進(jìn)的設(shè)計理論，設(shè)計方法及設(shè)計手段，科學(xué)地進(jìn)行設(shè)計工作，這樣才能及時得到符合要求的產(chǎn)品。

一、前言

“設(shè)計"的最初含義是將符號、記號、圖形之類記下來的意思。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，設(shè)計的內(nèi)涵不斷向深度和廣度發(fā)展，設(shè)計的含義越來越深刻和越來越先進(jìn)。設(shè)計是人類改造自然的基本的活動之一，設(shè)計是復(fù)雜的思維過程，設(shè)計過程蘊含著創(chuàng)新和發(fā)明的機(jī)會。設(shè)計的目的是將預(yù)定的目標(biāo)，經(jīng)過一系列的規(guī)劃與分析決策產(chǎn)生一定的信息形成設(shè)計，并通過制造，使設(shè)計成為產(chǎn)品，造福人類。

（一）機(jī)械設(shè)計發(fā)展的三個階段

機(jī)械設(shè)計的發(fā)展史按時間來分，可分為三個階段，分別是：從古代社會到17世紀(jì)為機(jī)械設(shè)計起源和古代機(jī)械設(shè)計階段，由17世紀(jì)至第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束為近代機(jī)械設(shè)計，第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束直到現(xiàn)在為現(xiàn)代設(shè)計階段。如果按其內(nèi)容來分，可分為：直覺設(shè)計階段，經(jīng)驗設(shè)計階段和理論設(shè)計階段。兩種劃分是一一對應(yīng)的，是從不同角度來劃分機(jī)械設(shè)計的發(fā)展史。每一個階段在設(shè)計理論，方法和制造工藝方面都有明顯的特色。下面就按時間來劃分，把機(jī)械設(shè)計發(fā)展史劃分為三個階段來論述。

（二）機(jī)械設(shè)計起源和古代機(jī)械設(shè)計

在我國古代，機(jī)械發(fā)明、設(shè)計者與制造者是統(tǒng)一的。有許多著名的人物，他們的成果代表了當(dāng)時我國的機(jī)械的設(shè)計水平。唐代的時侯我國與許多國家開展了經(jīng)濟(jì)、文化和科學(xué)技術(shù)的交流，與東南亞、南亞、阿拉伯、非洲東海岸貿(mào)易頻繁，對中國和世界其它的一些國家有很大的影響。由于貿(mào)易的發(fā)展，要求商品增加，從而改進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備，使機(jī)械設(shè)計有了很大的發(fā)展，造紙、紡織、農(nóng)業(yè)、礦業(yè)、陶瓷、印染、兵器等有新的進(jìn)展，機(jī)械設(shè)計水平也提高了一大步，宋代沈括的著作《夢溪筆談》記載了當(dāng)時的許多科學(xué)成就，反映了當(dāng)時的科學(xué)水平。

（三）近代機(jī)械設(shè)計

17世紀(jì)歐洲的航海、紡織、鐘表等工業(yè)的興起，提出了許多技術(shù)部題，1644年英國組成了“哲學(xué)學(xué)院”，德國成立了實驗研究會和柏林學(xué)會，1666年，法國、意大利也成立了研究機(jī)構(gòu)。在這些機(jī)構(gòu)中工作的意大利人伽利略（1564--1642）發(fā)表了自由落體定律、慣性定律、拋物體運動，還進(jìn)行過梁的彎曲實驗；英國人牛頓提出了運動的三大定律，1688年，他提出了計算流體粘度的阻力的公式，奠定了古典力學(xué)的基礎(chǔ)；英國人虎克建立了在一定范圍內(nèi)彈性體的應(yīng)力 - 應(yīng)變成正比的胡克定律；1705年伯努利提出了梁彎曲的微分方程式，在古典力學(xué)的基礎(chǔ)上建立和發(fā)展了近代機(jī)械設(shè)計的理論，為18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命中機(jī)械工業(yè)的迅速發(fā)展提供了有力的技術(shù)理論支持； 1764年英國人瓦特發(fā)明了蒸氣機(jī)，為紡織、采礦、冶煉、船舶、食品、鐵路等工業(yè)提供了強(qiáng)大的動力，推動了多種行業(yè)對機(jī)械的需求，使機(jī)械工業(yè)得到迅速的發(fā)展，而機(jī)械化使生產(chǎn)力迅速提高，進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)革命時代。這一時期，對機(jī)械設(shè)計提出了很多的要求，各種機(jī)械的載荷、速度、尺寸都有很大的提高，因此機(jī)械設(shè)計理論也在古典力學(xué)的基礎(chǔ)上迅速發(fā)展。材料力學(xué)、彈性力學(xué)、流體力學(xué)、機(jī)械力學(xué)、疲勞力學(xué)、疲勞強(qiáng)度理論、實驗應(yīng)力分析方法等都取得了大量的成果，建立了自己的學(xué)科體系。

（四）現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計

第二次世界大戰(zhàn)以后，作為機(jī)械設(shè)計的理論基礎(chǔ)的機(jī)械學(xué)繼續(xù)以更加迅猛的速度發(fā)展，摩擦學(xué)，可靠性分析，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計，有限元計算，尤其是計算機(jī)在機(jī)械設(shè)計中迅速推廣，使機(jī)械設(shè)計的速度和質(zhì)量都有大幅度的提高世界各國逐漸認(rèn)識到產(chǎn)品市場競爭對各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要作用。機(jī)械設(shè)計目前已經(jīng)不宜作為機(jī)械學(xué)的一個分支，而應(yīng)該認(rèn)為是與機(jī)械學(xué)并立的一門技術(shù)科學(xué)了。現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方法具有自己的學(xué)科體系和專門的內(nèi)容。核心技術(shù)有3個方面：①以產(chǎn)品的“功能”作為機(jī)械計的核心目標(biāo)。美國麥爾斯提出了“顧客購買的不是產(chǎn)品的本身，而是產(chǎn)品所具有的功能”，明解地說明了“功能”是產(chǎn)品的本質(zhì)和靈魂。這一原理的提出大大地解放了設(shè)計師的思想，為了實現(xiàn)某一功能，可以采用各種不同的原理和結(jié)構(gòu)。我們可以從近年來的計時裝置、文件復(fù)制設(shè)備、通訊方法等方面的飛速發(fā)展看出，設(shè)計師的聰明才智得到了空前的發(fā)揮，多方面的滿足了社會的需要。②“人機(jī)學(xué)”的形成和發(fā)展。機(jī)械的工作往往與人是不可分割的，如汽車、飛機(jī)有些操縱的信號要靠人輸入。必須考慮操縱者的反映速度和能力限制，還必須考慮操縱者和乘客的傳舒適性。雖然許多產(chǎn)品已經(jīng)向自動化發(fā)展，許多民用產(chǎn)品對使用者的拔術(shù)要求日益降低。但是機(jī)械產(chǎn)品競畢竟是為了人類設(shè)計的?？紤]“人機(jī)學(xué)”是提高產(chǎn)品的競爭能力的重要方面。③建立系統(tǒng)的“工業(yè)設(shè)計”學(xué)科體系。工業(yè)設(shè)計是設(shè)計者使產(chǎn)品在外觀、色彩、形狀、尺寸比例等方面的合理設(shè)計，使產(chǎn)品與人、環(huán)境更協(xié)調(diào)，以得到更好的使用效果與況爭力。

二、機(jī)械設(shè)計的未來發(fā)展趨勢

現(xiàn)代社會機(jī)械廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)，生活各個領(lǐng)域，已成為衡量一個國家技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。隨著機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)理論的發(fā)展及新概念、新方法、新工藝的不斷出現(xiàn)，機(jī)械設(shè)計也得到了迅猛的發(fā)展。主要體現(xiàn)在以下幾個方面。（1）機(jī)械體積從米級向微米級設(shè)計（2）從單個零件到整機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計（3）設(shè)計用的工具的改變（4）設(shè)計--加工的一體化（5）對機(jī)械的人性化設(shè)計和等壽命設(shè)計

三、我國機(jī)械設(shè)計現(xiàn)狀

我國在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計方面起步較晚，中國機(jī)械工程學(xué)會于1983年5月才召開了“第一次機(jī)械設(shè)計方法學(xué)討論會”，但經(jīng)過了多年的努力，我國在現(xiàn)代設(shè)計方法的研究方面已經(jīng)取得了可喜的成績，現(xiàn)在的中國可以自豪地稱為“世界的工廠”，“MADE IN CHINA”已經(jīng)是世界聞名了。但是相對于世界上先進(jìn)的國家來說，我國的機(jī)械設(shè)計還是相當(dāng)?shù)穆浜蟮?，具體表現(xiàn)為：（1）對客觀設(shè)計過程研究，了解不夠，尚未很好地掌握設(shè)計中的客觀規(guī)律。（2）當(dāng)前設(shè)計的優(yōu)劣主要取缺于設(shè)計者的經(jīng)驗。（3）設(shè)計生產(chǎn)效率低。（4）設(shè)計進(jìn)度與質(zhì)量不能很好控制。（5）設(shè)計手段與方法有待改進(jìn)。（6）尚未形成能為大家接受的，能有效指導(dǎo)設(shè)計實踐，較為系統(tǒng)的設(shè)計理論。

面對這一形勢。唯一的回答就是：設(shè)計必須科學(xué)化，這意味著要科學(xué)地闡述客觀設(shè)計過程及其本質(zhì)，分析與設(shè)計有關(guān)的領(lǐng)域及其單位，在些基礎(chǔ)上，科學(xué)地安排設(shè)計過程，使用科學(xué)的方法和手段進(jìn)行設(shè)計。同時也要求設(shè)計人員不光有豐富的專業(yè)知識，而且也要掌握先進(jìn)的設(shè)計理論，設(shè)計方法及設(shè)計手段，科學(xué)地進(jìn)行設(shè)計工作，這樣才能及時得到符合要求的產(chǎn)品。發(fā)展我國的機(jī)械設(shè)計科學(xué)研究，必須集中探討機(jī)械設(shè)計各主要環(huán)節(jié)的正確工作方法和解決問題的途徑，收集開發(fā)新產(chǎn)品的成功經(jīng)驗和范例，積累大量的設(shè)計資料，了解世界有關(guān)行業(yè)的發(fā)展動向，致力于提高我國機(jī)械工業(yè)的水平，生產(chǎn)具有國際競爭力的機(jī)械產(chǎn)品。相信我國學(xué)者們要總結(jié)過去設(shè)計經(jīng)驗并吸收外國先進(jìn)的學(xué)術(shù)思想和科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上，定能研究出一套適合我國的國情。高效優(yōu)質(zhì)，經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行設(shè)計的規(guī)律和方法來為加速現(xiàn)代化建設(shè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。