时间：2023-09-18 17:33:20
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇机械设计的基本原理，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词：机械设计；节能原理；实际应用
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.11.073
1 机械设计概述
所谓的机械设计就是对所有部件和整体的配合进行设计的过程，整个过程都要遵循机械应用的原则，大到整个机械设备的配合及运行，小到每个工作零件的选材、大小及等，都要你按照其运行的基本原理进行构思设计。对不同用途的机械，要利用不同的原理进行相应功能的设计。
2 现代的机械生产模式
（1）能适应市场批量生产的要求。现在的市场对机械产品的需求量很大，相应的生产周期也在不断减小。这对传统生产模式是一种挑战，因此，机械生产的方式以及观念都发生了很大变化。目前，生产企业都使用了自动化控制技术，再加上多媒体技术的辅助，为企业带来了极大的益处。（2）引进全新的技术，完善现在的生产模式。目前，单一的生产技术已跟不上市场的脚步，必须要将多个领域的技术综合起来，以很好地适应社会。在机械制造行业，传统模式以人工操作的方式为主，这样不仅生产速度慢，而且容易出现差错，导致产品质量较差，此外，对能源的浪费也很严重。
当下的生产模式中，加工车间的安全也是一个重要问题，工人一旦操作失误，不仅会危及人身安全，而且会影响产品质量，导致整个生产过程面临误工，耽误整体产品的生产效率。
3 机械设计的节能基本原理
所谓机械设计节能的基本原理就是对设备的动能输出以及势能和其消耗的无用功进行整理，并进行函数分析，总结出该如何进行设备的节能设计。
（1）动能方面的节能分析。在传统设计中，工程师一般都考虑动能变化对输出功率的影响，调节改善设备的波动、使用周期及加工精度，很少改善其给系统带来的影响。因此，笔者主要在这一点上进行研究改善。传统机械设备的动能并没有完全开发出来，这主要是因为在加工过程中，动能没有及时进行回收并转化。本着节能原则，调节系统的动能变化范围，尽可能地缩小范围。
（2）在输出力方面的节能分析。不同工作要求的机械设备在工作过程中的输出力是不同的，即使是相同的机械设备在不同过程要求下输出的力也不完全相同。因此，要在节能方面进行改善。
导致机械设备在工作过程中输出力偏高的因素主要是在很短时间内，力的变化波动比较大，在函数中表现为周期函数。只要把输出力的波动变化范围缩小，变化越小，节能的效果也就越好。
（3）降低无用功，节省能源。无论何种机械设备，都不可避免地会有摩擦以及其他阻力，这些阻力都或多或少地产生无用功。这些都和设备在设计过程中采用的零件精度以及方式有很大关系。这些无用功都对设备的使用效率产生极大阻碍。因此，在设计时，要充分考虑节能因素，最大限度地减小无用功，提升设备的使用率。
（4）节能原理的分析总结。节能的方法主要就是在动能、输出力以及减小无用功等方面对设备进行改进。简单地说，就是工程师在设计的过程中，把系统的一些参数变化维持在一个尽可能小的范围内，就可以极大地节省能源。但这点实现起来极为不易，是所有工程师长期奋战的目标。
4 机械设计节能原理的实际应用
由于机械设计节能的基本原理主要涉及质点以及动能定理，因此，由质点组成的对象都可以利用，其适用范围宽泛。
4.1 该节能原理在升降机械力的应用
升降机械在实际工作中消耗的功率较大，产生的无用功也较大，因此，要在节能方面进行改善。改进前，要先研究消耗的原因，大部分功率的消耗都发生在设备提升以及下放物体的过程中。一般来说，在设计升降机械前，一定要标准化，结合电梯的设计原理，加入机械设计的节能原理。在升降机械设计中的应用升降机械与其他机械相比，消耗功率的主要特征是货物和人的重量（有势力）在提升或下降的匀速运动过程中均要消耗功率。工程实践证明，以相同的速度提升质量相等的重物，按照电梯标准计算设计的曳引驱动机构所消耗的功率比传统卷扬驱动机构要小得多。若按“系统势能为常量或在最小范围内变化”设计升降机械或电梯，可得平衡升降机和平衡电梯设计方案。在平衡升降机中，若用Q（t）表示提升物体的质量，用P表示自重不变的配重，用r1表示升降货物卷筒的半径，r2表示升降配重卷筒的半径，若要平衡升降机的系统势能为常量，则必须满足式Q（t）r1=Pr2（公式1），虽然Q（t）为变量，但可采用自动变速机构改变传动比，可实现系统势能为常量。在平衡电梯中，若用Q（t）表示轿厢和水箱自重以及随人数变化载质量，P（t）表示配重和水箱自重（变量），曳引轮与导向轮半径相等用r表示。平衡电梯在工作时，当进入轿厢人的质量为q1，轿厢下水箱里将有p1重的水进入配重下水箱。电梯空载时，Q（t）=QP（t）=P，电梯工作时Q（t）=Q+q1-p1，P（t）=P+p1，将其代入式（公式1），则可求得轿厢下水箱里水进入配重下水箱的质量。
可以看出由轿厢水箱进入配重水箱水的质量只是人质量的1/2。现对卷扬驱动机构、曳引驱动机构和平衡升降机或平衡电梯所需要的电机功率进行对比，可以看出平衡升降机或平衡电梯显然要比曳引驱动机构要小。同时还可以发现，卷扬驱动机构系统势能在最大范围内变化，曳引驱动机构系统势能在较小范围内变化，平衡升降机或平衡电梯的系统势能为常量或在最小范围变化。由此可知，当系统势能为常量时，该机构节能效果最为明显。
4.2 在加工型设备中的应用
加工型机械设备在实际生活中较为常见，其在加工过程中消耗的能源也最大，因此，该类设备的节能尤其重要。以牛头刨床为例，该设备主要由一个质量很大的主轴来操作其稳定运行，要想实现节能，就要降低输入的功率，结合机械原理，再增添一个该装置，设备的功率变为原先的2倍，以提升功率，节省能源。
4.3 该节能原理在大压路机上的应用
大型压路机的轮子表面并没有严格按照周期函数来表现，其变化范围较大。这在无形中阻碍了节能设计。因此，要想真正实现节能，就要把冲击轮的势能在重心处于最低处时的变化缩小在一个最小区间，区间越小，节能效果越好。
【关键词】机械设计 新型理论 汽车工程 研究应用
一、有关机械设计理论的概括及研究方向
（一）机械设计理论的基本概括
机械设计及理论是机械工程一级学科所属的二级学科，是研究机械科学中具有共性的基础理论和设计方法的学科，是对机械进行功能分析与综合并定量描述与控制机械性能的基础技术学科，也是定位机械工程中的各项细致工作流程及程序的归纳总结的简单理论介绍。它主要研究各种机械、机构以及其零件的工作原理、现代传动与控制技术、运动和动力学性能、摩擦物理学、关系力学、机械创新与设计等有关课题。机械学科与仿生学、信息学、生物学、电子学等许多学科相互渗透，从而促进了机械设计与理论学科的新发展。机械设计这个学科的特色与优势，它是以复合材料构件设计与制造、计算机辅助工程、轻工自动机械设计及理论研究为目标，将计算机辅助设计与现在检测技术应用于机械以及产品的设计过程中。具有工程设计和管理的综合素质极其丰厚的专业知识，适合从事工程技术，科研等工作。我国近年来在机械设计研究上取得了骄人的成绩。
（二）机械设计理论的主要研究方向
现如今，随着科技的快速发展，机械设计理论也逐渐的完善、增多起来，特别是更好地扩大了机械设计理论在各方面上的研究，主要有以下几个研究方向：现代设计理论与方法：机械创新设计与方法、机械系统动态设计与仿真、优化设计、新型传动理论设计、机器人机构及其控制与仿真技术、数学机械化在机械中的运用；机械创新设计与检测技术：机械创新设计与检测技术主要用于研究机械创新设计与有限元计算分析，机械振动与噪声测试与分析，计算机辅助设计与制造、图像处理技术；轻工自动机械设计及理论：主要研究的领域是轻工自动机械现代设计理论，轻工自动机械先进传动技术，新型传动机构研究与开发、轻工机械动力传动的节能与环保、轻工业机器人开发与应用研究、机器人新机型、仿生机械研究等；仿生机械学：仿生原理与技术；驱动与控制技术、机械运动与控制。
二、机械设计理论在汽车工程上的研究
随着工业革命的发展，人类历史上出现了第一辆汽车，近些年来，又随着汽车工业的迅速发展，汽车变成了“改变世界的机器”，它不仅仅改变了人们的生活方式，方便了人们的出行，还在一定程度上有效的提高了人们的生活质量和生活水平。虽然，在过去的几十年里汽车行业的发展有了很大的进步，可是，目前的科学技术水平依然还是有限的，对于汽车的研究在各方面还需要更进一步的提高。新型机械设计理论以及一些基本原理在汽车工程方面有着很大的研究方向，并且对其有着一定的推动作用。
（一）机械理论在汽车工程技术上的研究
汽车工业的发展代表着一个国家制造业的发展，它直接决定了该国家制造业的发展水平。在某种程度上，它不仅仅是最广泛的一种工业，还是最新技术的最大载体之一，例如，有些航空、航天领域的高新技术只有通过汽车工程工业才能够更好的转化为较为规模型的产业，这就决定了新型机械设计理论及基本原理在汽车工程、工业上有着很大的促进作用。近些年来，对于汽车工程技术的研究有着越来越高的标准，这就迫使研究工作者更全面的运用机械设计理论为汽车工业的发展做好准备。
（二）机械设计理论在汽车工程实际操作方向上的研究
在实际生活当中，对于汽车工程的研究离不开技术方面上的研究，更离不开实际操作方向上的研究，这些实际操作上的研究与机械设计的基本理论有着密不可分的关系，甚至有些实际操作，例如对汽车的噪声、振动等等有着很强的密切性，并且对于这些问题的解决有着很好的作用效果。
三、新型机械设计理论在汽车工程上的应用
（一）机械设计理论在汽车工程噪声、振动上的应用
在评价汽车舒适性中有一项十分重要的指标，那就是NVH分析，它直接关系到了汽车产品的市场形象。NVH不仅有助于对振动频率进行匹配，用于消除振动过程中出现的耦合现象，还有利于改善产品的振动特性，从而大大降低汽车的噪声及振动。利用NVH分析可以预先得到新开发车型性能指标，还能对设计以及制造等各个环节进行更好的优化和完善，该分析不仅从设计成本上，还是从开发周期上考虑，都为设计新型车型提供了很好的保障。
（二）机械设计理论在汽车结构强度与模态分析及结构优化上的应用
车身是车的主要总成，因此车身必须有很好的强度来保证车的寿命，以足够的静刚度来保证车的装备与使用要求。在机械创新设计与检测技术中机械创有限元分析的方法能够有效地满足上述车身的设计，其主要应用体现在：一是在汽车设计中对结构件、主要机械零件的强度、刚度和稳定性进行分析：二是在汽车结构分析中通常采用有限元法来进行各构件的模态分析，同时在计算机上可以清晰地观看各构件的振动模态，这就为结构的动态设计提供了方便。因此有限元分析的方法在汽车结构上的应用从而提高了车身设计水平。
四、结语
机械设计的基本原理以及设计理论有着很好的应用前景，特别是在汽车工程方面上发挥着良好的效果，不仅仅体现在对于汽车工程技术和实际操作上的研究，还体现在了对于汽车工程、设计上的具体应用，这些对于汽车工程的发展有着极大的推动作用。
参考文献：
[1]温文源.客车车身结构的有限元分析及优化设计研究[D]. 2011年
[2]陈吉清.承载式车身结构的强度刚度及模态的有限元分析[J].2010年
摘 要：函数互换性是应用于现代机械加工中新型技术加工形式，函数互换性可以实现机械加工的灵活性发展，结合函数互换性的基本原理，对函数互换性在现代机械设计领域的应用进行探究，促进现代机械加工技术逐步拓展与发展，实施整体机械加工生产效率得到提升。
关键词：函数互换性；机械设计应用；分析
随着现代经济发展水平的逐步提升，社会机械加工技术也逐步实现拓展性发展，函数互换性是应用数学函数中，函数自变量和因变量之间相互运动，到达提升机械加工效率的作用。一方面，函数互换性可以提升机械的自自我运转频率，节约加工零件，推升另加加工的效率和速度，另一方面，函数互换性在现代机械加工中的应用，可以进一步拓展现代机械加工的精准性，进一步优化现代整体机械加工的质量。
一、函数互换性原理概述
函数互换性是基于函数中基本要素，自变量与因变量之间的关系，在某种特殊的环境中，可以相互转换。函数互换性的基本应用原理是，将自变量与因变量在保障函数关系式成立的前提下，实现函数的因素对调，到达对函数自身的检验。函数互换性的原理研究，以现代加工机械设计为例进行分析，机械进行零件加工中，往往依据程序进行系统内部零件加工[1]，由于机械长期处于同一方向运动，机械做功中将产生零件加工的误差，造成零件加工的整体准确性大大降低，摩擦力在做功中也会产生阻力，是机械的工作效率降低，而函数互换性在现代机械设计的应用，可以在零件加工的机械运动状态下保持机械函数下自变量和因变量之间的数据平衡，逐步实现现代函数运动作用的得到的机械运动效率提升。函数互换性额实现主要可以分为：函数关系式确定，函数比的衡量、函数公差的应用以及函数互调性的数据检验几部分[2]。结合现代整体函数结构，对函数互换性的实现进行分析。
二、函数互换性在现代机械设计的应用优势
函数互换性是基于数学函数设计的基本原理，对函数互换性的实施原理进行分析，在现代机械设计中的应用，能够满足现代机械加工运作效率提高的作用，实现机械运作的整体运行效率发挥机械加工精准性特点，减小机械在运动中的无用功的比重，提升机械的运行速率；另一方面，机械运动的速率能够减小系统运行误差，提升机械运作的工艺[3]，稳定机械运作的比重，实现零件制造中，质量函数发挥的作用，促进现机械运作的工艺精准性，从而充分发挥机械运作在机械加工中的作用；函数互换性的设计原理，为现代机械设计的原理提供了更加精确的运动理论自持，打破了传统机械设计中单方向的机械工作设计原理，大大提升了机械运作的灵活性，在现代机械设计中具有重要的作用。
三、函数互换性在机械设计中的应用探究
函数互换性基于数据函数自变量和银白能量之间的关系，进行某一平衡状态下，函数数据之间能够互相转换，提升函数的综合应用率，本文对函数互换性在机械设计中的应用的探究，主要从函数互换性的实现基本步骤进行分析。
（一）函数关系式确定
函数互换性在机械设计中的实现，必须满足函数兑换的数据具有一定的函数关系，因此，确定函数关系式，是实现函数互换性的首要因素。现代机械的设计，往往采用电能转换为机械能的形式进行机械做功，依旧零件加工的系统程序，应用电能与做功相互转换的作用，达到机械的运行。在此基础上，将零件加工的做功看作是自变量[4]，将机械的整体做功量看作是因变量。那么，机械运作的函数关系式可以表述为：机械运动产生的总体功与机械零件加工做功是因变量和自变量的关系。当自变量机械运动做工的比重增加，因变量的有用功也会增加。
（二）函数比的衡量
现代机械设计中自变量和因变量之间的关系，进行机械设计时，进一步确定函数互换性实现的函数衡量比，所谓函数比即机械有用功做功的环数旋转数值与函数关系式之间的数值之比，当函数中自变量和因变量进行互调时，函数比的衡量值越大，函数互换性的做功比率就越大，机械零件加工中的有用功的调节作用越强。例如：某机械设计时，将函数互换性作为一种机械自动调节的形式，在机械设计中[5]，将机械的自变量和因变量的函数互换性比的最低值设置为F，机械在实际零件加工应用中，当自变量和因变量达到F值时，机械运动的机械能就会发生能量的相互转换，从而实现改变机械内部运行结构原理，对机械运行的做功效率进行自我调节作用，发挥现代函数互换性在机械做功中的调节作用。
（三）函数公差的应用
函数公差是指函数互换性实施后，机械做功运动数值变化与原来的函数进行函数的自我对比，函数公差在现代机械设计中的作用，是用于机械设计人员机械设计的做功进行数据检验和进一步调节的重要依据，函数公差的计算通常依据机械实行函数互调性的前，进行液压系统做功运算，与实施函数互调性后液压系统做功计算的差值。函数公差的应用，可以实现对机械函数运行的实际数据进行综合性对比，提高现代函数互调性在函数中应用发展的作用，为发挥机械加工中零件加工的最佳精确化[6]，减小零件加工的误区具有重要的作用，同时也正是由于函数公差的存在，实现了现代机械设计中函数互调性的应用效果性得到明显提升，促进我国现代机械加工零件设计结构逐步优化发展。
（四）函数互调性的数据检验
函数互换性在现代机械设计中的应用，具有函数应用检验的作用。依据函数关系式，在机械设计中进行自变量和因变量的设定，机械运动在实际中应用，达到机械内部设定的机械运行加工设计阶段，机械实现内部函数自变量与因变量之间的自动化转换，函数互调性进行函数公差计算中，将保障关系式自动平衡的中间数据直接带入到机械液压系统运行的结构中，实现对机械内部发生函数互调性的数据进行检验，如果函数互调性的中间值符合函数运行的数据，机械运动的频率数据波稳定，否则，机械做功的数据监测波将发生较大的数据变动，由此可见，在机械设计中应用函数互调性是提升机械工作效率的重要保障。
四、结论
函数互换性善于把握函数自变量与因变量在某种做工状态下，可以相互转换，提升机械运作的整体效率，优化现代机械的基本运行结构，发挥函数互换性在机械设计中有用功与无用功相互转换的作用，提升机械\作的速率，增加有用功的比重，为现代机械在生产生活中的应用，提供更完善的机械做功保障。
参考文献：
[1]陈亭希，张彦博.函数互换性及其在机械设计中的应用[J].工具技术，2007，07：71-73.
[2]高刚毅.数字化设计技术及其在机械设计中的应用分析[J].山东工业技术，2016，12：142.
[3]陈永亮，徐燕申，徐千理，侯亮.变量化分析的原理及其在机械产品快速设计中的应用[J].机械设计，2002，03：6-8+0.
[4]程林.基于规则和统计的名词句法分析研究及其在机械产品设计中的应用[D].西安电子科技大学，2013.
[5]荣云.自然语言理解篇章中地点词汇的分析研究及其在机械产品智能设计中的应用[D].西安电子科技大学，2013.
[6]董树杰.领域自然语言理解篇章模型研究及其在机械产品设计需求分析中的应用[D].西安电子科技大学，2007.
关键词：蚁群算法；遗传算法；元胞原理；四杆机构
中图分类号：tg316 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）3-0048-02
随着科学技术和工业水平的不断提高，目前在机械优化设计的要求也越来越高，原来传统的图解法、解析法等设计方法已不能完全满足现在的要求。虽然后来也出现了比如蚁群算法这样的优秀设计方法，但是其自身也存在停滞现象、收敛速度慢等问题，不能很有效的进行机械结构的优化设计。于是基于蚁群算法、遗传算法、元胞原理可提出两种优秀的设计方法：遗传蚁群算法、元胞蚁群算法。这两种设计方法可以有效的克服基本蚁群算法的缺点，改进设计效果，使机械设计变得更加优化。下面我们将分别根据不同的条件，然后运用遗传蚁群算法和元胞蚁群算法进行平面四杆机构再现轨迹的优化进行设计，使机械的优化设计问题得到不同程度的解决。
1 蚁群算法
1.1 蚁群算法基本原理
蚁群算法是由Marco Dorigo于1992年在他的博士论文中提出的一种用来寻找最优优路径的概率型算法。蚁群算法的基本原理和模型来源于蚂蚁在找食物时选择路线的过程。我们都知道自然界的蚂蚁即使在没有任何外界导向信息的情况下，蚂蚁也总是能找到从巢穴到食物的最短路线。Marco Dorigo等人发现，自然界蚂蚁寻找到从巢穴到食物的最短路线，是通过一种正反馈效应实现的。具体表现为：单个的蚂蚁每次会在自己行走的路线下留下一种挥发性的分泌物，我们称其为信息激素。这样就使最优路径上的激素浓度越来越大，而其它路径上的激素浓度会随着蚂蚁的不断运动而逐渐减少，最终使最优路径被找出。
1.2 蚁群算法基本模型及其实现
根据Dorigo等人提出的关于蚁群算法的基本观点，我们可以将蚁群算法的基本实现过程和原理描述以下几个步骤：
①搜索结果不满足预期效果时，蚂蚁继续寻找另一条路线；②搜索过程中非最优路径上的信息激素浓度减少，最优路径上的信息激素增加；③信息激素浓度等根据搜索结果进行实时更新；④搜索到最终结果。但是通过实践发现这种基本蚁群算法原理在求解结果的过程中会出现搜索速度慢等缺点。因此如若将蚁群算法与遗传算法、元胞模型等原理相结合，就出现了遗传蚁群算法、元胞蚁群算法，这些复合的算法就可以有效的克服简单蚁群算法的缺点。
2 遗传蚁群算法
2.1 遗传蚁群算法原理
在上述蚂蚁的转移概率的定义式中，信息启发式因子？鄣和期望值启发式因子？茁，以及信息量残留系数？籽都可以进行用数学方法进行计算分析，因此，如果将？鄣、？茁和？籽这三个因素看成代表蚂蚁搜索求解过程中典型的3段代码，并将？鄣、？茁、？籽编码为实数。然后通过遗传算法中的遗传算子进行变异处理，这样就可以在原有的算法结果的基础上进行优化。这样就把基本的蚁群算法与遗传算法中的遗传变异效应相结合起来。这样遗传蚁群算法原理就产生了。
2.2 遗传蚁群算法模型及其实现（以平面四杆机构优化设计为例）
4 结 语
蚁群算法是模拟自然界蚂蚁的觅食行为的一种模型方法，虽然在机构的优化设计中有一定的优势，但是其自身也存在一些问题，故将蚁群算法和遗传算法、元胞模型进行综合运用，克服了原有基本蚁群算法的缺点。为机构的优化设计提供了更为简便、优秀的设计方法，并且可以根据实际情况的已知条件选择恰当的设计方法。这样我们在实际的设计中可以根据自身的情况选择遗传蚁群算法或者元胞蚁群算法，这为我们的设计提供了较大的选择空间。
参考文献：
[1] 刘国光.基于改进蚁群算法的四杆机构优化设计[J].农业机械学报，2006，37（1）：149-151.
关键词：仿生学；产品机械设计；应用
0 引言
产品设计是一门涉及工业设计、数学、物理等多学科交叉的学科门类，它要求设计师加强对工业技术与文化艺术的理解、各类学科的美学设计思想的综合、充分运用现有产品各类特质的能力。产品设计从市场需求出发，通过设计师综合分析归纳，同时经工程师工艺分析和反馈，反复从结构、外形与材料、功能等各方面进行优化的过程。
而仿生设计作为人类向大自然学习的途径，是当前科学界和人文界创新求知的重要方法，人类通过发掘了解自然界各类动植物的结构与生存方式，将研究发现运用到产品设计中，从而实现产品更好的服务人类，并和大自然和谐共存的新型设计理念。
产品设计在运用仿生学设计理念的前提下，要在产品中融合理工科和人文各类学科，通过将自然界生物体的形态、结构、材料和功能等各类要素融入产品设计的思路中，这使得产品设计既提升了艺术品位又满足了用户需求。
随着机械设计方法的更新，其他领域的新技术和新理念也不断向机械领域扩展，而仿生学设计的应用也为产品机械设计提供新的发展空间，本文将着重分析仿生学在产品机械设计中的应用。
1 产品机械仿生设计的理念与内容
机械仿生设计是指工程师在利用现有工程技术的前提下，运用发散性思维，结合仿生设计的理念和方式，设计出创新性的机械产品与结构材料的过程。这和以往的机械设计方法一样，都是基于机械设计的基本理论和方法，但是其又具有独特的创新性，是一种新型设计方法。
1.1 机械结构仿生设计
作为机械仿生设计的关键部分，机械结构仿生设计则需充分理解掌握自然界生物体的结构形式与相应功能原理，并对其结构和功能进行仿生设计而为人类使用。自然界的生物经过无数个岁月的进化，已充分发展形成了各种具有高度复杂的结构形式和功能形态。这些结构形式和功能形态作为机械仿生设计的源泉，提供了各类可供参考的结构形式。例如蜂巢的结构，其截面为六边形，总体为柱体，这种结构通过综合力学分析证明，能够在提高结构的同时而减少材料的使用。该结构已应用到特种飞行器件的结构设计中，在实践中得到了充分的证明。还有例如现已广泛用于包装的复合纸板，花炮架构等，这种机械结构的设计既能满足轴向抗压强度，又能减少材料的使用及重量的减轻，更能起到吸收噪音等辅助作用。
1.2 机械运动机构仿生设计
作为机械仿生设计的关键组成部分，运动机构仿生设计是在全面了解动植物运动的特点和原理的前提下，对运动的基本结构、运动的控制方式、运动功能的实现及运动的各个细节进行全面的模仿。在当前机构仿生设计中应用比较广泛和有成效的是现代机器人仿生设计和路面机械设计这两个领域。
伴随着工程技术的不断发展与人民对于现代生活方式的需求，机器人已不再仅仅局限于服务工厂，在人类的日常生活中已逐渐普及使用。比如在教育等方向的应用，多功能仿生手指的设计是经过复合材料做成的通过气动方式驱动的机构设计，在关键技术参数上，如应力、刚度要求、弹性收缩比率等都与自然界生物体的肌肉相近，我们可以通过机械加工成特殊壳结构从而使其具有良好的运动特性。
在路面机械方面，有关课题组利用牛耕地的基本原理，创造性的建立了“半浮式理论”，该设计的原理是通过改变传统农机驱动装置的承重与驱动的双重功能，从而独创性的设计出新型步行轮机构，使其广泛应用于松软土地等软性地基的工业状况。通过这一仿生设计的原理还指导了很多驱动力大、运动阻力小的新型机构。
1.3 机械材料仿生设计
机械仿生设计主要通过研究生物组织的结构、构成原理和材料的联系，获得所需要的启示并指导材料的设计、制造与加工，最终达到所需要的材料特性，从而满足机械的性能需求。生物复合材料的结构、原理等是现代新型复合材料研究的蓝本，对天然生物材料的表面功能、形成原理进行研究分析，发展出了具有仿生特性的特种工程材料，它代替了现有的金属材料与高分子材料，达到改善产品机械使用性能的目的。
1.4 机械运动控制仿生设计
在产品机械设计领域，机电液一体化及机械人工智能控制是现代机械系统整体运行性能的基本保证。智能控制仿生设计是现代仿生设计中的一个关键研究点，智能控制仿生设计的发展在一定程度上制约了仿生机器人领域的进步。过去的一段时间里，对于规定形状等规范化的对象进行作业的机器人有了快速的进步，而针对各种形态的动植物的工农业机器人也广受欢迎。在各个国家的竞争中，欧美等老牌产品机械设计强国始终保持在世界前列，这些国家目前对于仿生机器人的性能要求有了新的提升，不仅仅满足于路面识别，行走定位，还包括准确识别目标形态，智能纠正控制自身位置，并能实现记忆作业从而达到最大程度的智能化。
2 产品机械仿生设计发展前景（小结）
相对传统的产品机械设计方法，机械仿生设计作为一种新型的设计方法，短期内已经从集合多门学科逐步发展形成更深更广的产品设计理念。随着科技的不断发展，目前还需进一步研究与总结产品机械仿生设计的系统理论，同时必须有效地结合计算机发展技术进行仿生的辅助设计，并在机械控制系统和仿生设计集成方面需更进一步。产品机械仿生设计是未来产品设计的一个方向，它符合未来科技发展趋势，它是产品机械设计理念的一次跨越性的进步，它为产品设计的多元化发展提供了新的可能，它的发展与进步使得产品设计的道路越走越宽。
参考文献：
工业设计学科具有以下特点:一是学科知识的综合性。工业设计常被人们片面地认为就是做外形设计,并把它与重复机械的劳动、冰冷的机器、脏兮兮的油污、嘈杂的环境等联系在一起。然而工业设计不仅仅是设计工业产品,同时还是一项解决“人-机-环境”之间问题,综合性极强、技术与艺术相结合的学科,它涉及物理、化学、机械、生物学、美学、市场学、人体工程学、社会学、甚至是心理学等学科领域。二是学科知识具有很强的实践性和应用性。工业设计就是通过不断设计与创造,为人们的生活提供更为合理的生存方式。它能够让生活变得更加方便、自然、人性化、个性化。三是学科具有很强的时代性。不同的时代具有不同的要求,现而今对工业设计的要求就是绿色环保设计,健康节能设计等要求。
2机械设计制造技术的发展现状
机械设计和制造技术是机械工程的重要组成部分,是决定机械性能的最主要因素。①随着科技的发展,特别是电子计算机技术的发展和应用,出现了一些新的机械设计制造方法,例如建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上,通过计算机的数值计算,在一切可能的方案中寻求最优方案,使期望的指标达到最优的优化设计方法;基于结构离散化,用有限个容易分析的相互连接的单元节点,根据变形协调条件综合求解的有限元设计方法;在规定时间内、规定条件下,完成规定功能能力可靠性设计方法;以虚拟现实VR(virtualreality)技术和仿真技术为基础发展起来的模拟产品设计、制造、测试、营销全过程,并对技术数据和性能指标做出预测和评价虚拟制造技术;以及现在流行的智能制造、纳米制造、绿色制造个性制造等技术。这些新的设计制造技术不断的推进世界经济的发展,并得到了广泛的研究和应用。
3工业设计与机械设计制造技术的关系
3.1机械设计制造技术在工业设计中的重要作用
工业设计是一门涉及科学技术、艺术领域知识的综合性学科。科学技术是工业设计的先决条件,产品的生产必须严格符合科学技术的要求,任何违背客观规律的设计,都是难以实现的。很多工业设计功能齐全,外形美观,深受人们喜欢,遗憾的是违背设计制造的客观规律,在结构,力学,制造等方面无法实现。所以机械设计制造技术就是工业设计中的关键科学技术,工业设计者都应该在掌握机械工程基础知识的基础上进行工业设计,在保证产品不违背客观规律和基本原理上,利用工业设计者的专业优势,从色彩,结构,外形等方面精雕细琢,使之更容易被用户接受。
3.2工业设计在机械设计制造技术中的重要作用
工业设计在机械设计制造技术中的重要作用,主要体现在人机工程学方面。人机工程学的理念是:一切产品围绕“人”,以服务人为根本,所以一切设计理念必须从人的自身中去获取,综合了这些因素才能做出基本判断。人机工程学的特点是不但要研究人、机、环境三个要素,还要将消费者或使用者和设计的产品,以及将人与产品作为一个系统来共同深入来研究,不单纯着眼于个别要素的优良与否。可以毫不夸张地说,在现代社会中,凡是成功的机器产品,都缺少不了人机工程学的设计理念。
3.3工业设计和机械设计制造技术结合应用发展趋势
机械设计制造技术和工业设计各有特点,二者有机结合则能够为企业带来更好的经济效益,提高企业综合竞争力。现在我国很多企业,特别是中小企业,由于受到财力、时间等因素的限制,其工业产品设计方法和制造技术仍然比较落后,政府在工业设计方面的投入和激励措施不够,使得工业设计发展困难重重。所以应该充分利用行政手段对市场经济调节能力通过政府干预使工业设计向节能、环保、绿色方向发展,积极促进我国工业设计和机械设计制造技术的联合发展。财力上支持中小企业开发机械设计制造技术和工业设计结合的发展策略,实现传统机械设计和工业设计理念转变。大力发展机械设计制造技术和工业设计综合性人才的高度教育,建立相应的研发中心,实现高层次人才的培养。
关键词：机械工程；机械设计能力；培养模式；典型案例
机械制造业不仅是现代工业发展建设的发动机，更是国民经济的支柱产业。近年来随着科技的进步，“中国制造2025”正推进制造业由传统制造向现代制造与智能制造进行转型与发展。“科技强国，人才兴国”，为适应产业的飞速发展与转型的需求，社会对具有较强机械工程实践与创新能力的高素质应用型高级专业人才需求量增大。因此，在高校机械专业人才培养中，亟须强化工程实践能力与现代机械设计能力的培养[1]。为提高机械专业人才培养质量，各高校在人才培养体系、核心课程的教学内容与教学方法等方面都进行了大量的有益探索[2-3]。但目前，相关教改研究主要集中在教学内容与教学方法的改进与优化以及实践教学改革研究等方面[4]，而对深度融合多课程、多环节的全过程专业能力培养的研究较少。为提高毕业生的现代机械设计能力，开展基于典型案例的多课程、多环节、深度融合的培养模式研究，符合机械专业工程教育专业认证的大潮流，具有重要的意义和推广价值。
一、现状及问题
地方院校主要为区域经济建设和社会发展服务，承担着为行业技术进步培养卓越工程人才的责任。然而，一直以来部分地方院校沿袭高水平院校机械专业人才的培养模式，未根据自身实际情况修改导致所培养的人才与社会需求错位，社会急需能胜任现代机械制造行业发展的研发、设计工作的专业技术人才。此外，地方院校学科专业硬件建设的投入较小，先进仪器设备与实训平台的台套数少，实践教学环节较为薄弱。我国已广泛开展工程教育认证工作，基于工程认证以成果为导向的教育理念，学生毕业能力是人才培养的核心任务，而现代机械设计能力是机械设计制造及其自动化毕业生的核心能力。由于机械设计类课程多、教学内容比较抽象、理论深奥且比较枯燥，学生多有畏难、厌学情绪，教师授课比较困难，导致学生机械设计知识掌握不扎实、机械设计软件应用不熟练、机械创新设计与综合设计能力较弱等现象，学生的专业能力与机械工程实际需要存在一定的脱节，不能满足机械制造业发展的人才培养需求，人才培养效果还需继续改善。本文以哈尔滨商业大学的机械专业为例，该专业已开展工程教育认证工作，根据培养方案要求毕业生须具备包括机械产品设计能力、机械零件制造能力、机电系统控制能力、特色食品包装机械研发能力的机械工程综合应用能力，其中最基本、最核心的是机械产品设计能力，专业能力形成体系如图1所示。针对培养目标，培养方案中不仅设置了“机械原理”“机械设计”“机械系统设计”等理论课程，也安排了机械设计课程设计、专业综合课程设计、专业生产实习、CAD/CAE实训及毕业设计等实践教学环节，形成了比较完整、规范的现代机械设计能力培养体系（如图2所示）。通过这些教学环节的训练，机械专业的毕业生能比较熟练地掌握现代机械设计方法及手段。但是，由于各门课程、各个实践环节的缺乏交流协商机制，都按各自的思路与模式开展教学，没有形成一个统一、有机的全过程培养体系，导致出现部分基础薄弱的学生工程软件应用不熟练、机械创新设计与综合设计能力较弱等现象，毕业生的现代机械产品设计能力还有待提高。
二、培养模式改革的具体方案与措施
在工程教育背景下，哈尔滨商业大学机械设计制造及其自动化专业优化人才培养途径，研究建立了基于典型案例的深度融合的多课程、多环节的现代机械设计能力全过程人才培养模式。
（一）完善机械设计能力全过程培养体系
为实现符合工程教育专业认证的毕业生专业能力培养要求，机械专业修订了人才培养方案和课程教学大纲，并整合、优化工程案例，通过齿轮传动及减速器设计的典型案例，将现代机械设计的能力培养贯穿课程教学、生产实习与课程设计、毕业设计等人才培养的全过程，全面夯实学生的机械设计能力，提高毕业生的工程素养与工作适应性。基于学科认知规律，从机械专业的初步认识机械→简单机械产品设计→现代机械设计方法设计→机械产品综合设计→复杂机械产品设计→复杂产业机械设计及研发→实际工程应用的人才培养规律，综合分析机械专业的师资队伍、硬件条件以及历史传承，建立机械专业基于典型案例的现代机械设计能力全过程培养体系，如图3所示。
（二）充实机械设计能力培养的教学内容
以齿轮传动及减速器设计为案例，将机械原理、机械设计、机制工艺等核心课程与课程设计、实训、生产实习、毕业设计等实践环节深度融合，经过多轮从理论到实际、从实际到理论的循环培养过程，逐步培养学生运用专业知识去分析、解决机械工程问题的能力。形成规范、完整的机械设计能力培养体系，解决了机械设计类课程追求理论体系完整、忽视工程实践的弊端。1.第三学期。“机械原理”课程教师可通过学生感兴趣的汽车及变速箱动画，使他们了解汽车变速箱的工作原理及齿轮传动原理，增加其对传动机构有感性认识，激发学生的学习热情，同时，着重讲解齿轮传动的工作原理及轮系设计，解决由于课程理论深奥且比较枯燥的难题。2.第四学期。首先，可通过“金工实习”让学生近距离观察CA6140车床主轴箱，使其对齿轮传动有更深入的认识和理解。其次，教师可通过“机械设计”课程教学，重点讲述齿轮传动设计、齿轮校核等内容。最后，通过齿轮减速器课程设计，让学生深入理解齿轮传动设计过程及设计要点，使他们初步了解机械产品设计的基本过程。3.第五学期。教师可通过“机械CAD/CAE/CAM技术”课程，让学生掌握三维设计软件Solidworks、二维平面设计软件AutoCAD的使用，建立轴、齿轮、箱体等典型零件的三维模型，了解ANSYS、COSMOS等先进机械设计软件的应用；通过机械CAD/CAE实训，建立圆柱齿轮减速器三维模型，完成齿轮减速器的装配图及典型零件图，使学生真正理解如何运用先进工具完成机械产品的设计。4.第六学期。可通过大型机械制造企业生产实习，让学生理解齿轮、齿轮轴等典型零件的加工工艺；通过“机械制造工艺学”课程，重点理解齿轮加工工艺、设计计算以及尺寸链等内容；通过齿轮加工工艺及夹具设计，使学生深入理解机械产品、机械零件的设计及加工，形成机械产品设计过程中要综合考虑机械零件加工的良好工程设计习惯。5.第七学期。通过“机械系统设计”课程教学，重点讲述有级变速传动的设计；通过车床主轴变速箱课程设计，让学生能进行复杂机械系统整体布局、传动系统设计、操纵机构设计等，形成复杂机械产品设计的初步能力。6.第八学期。通过毕业设计，让学生运用Solidworks等工程软件完成一个比较复杂的机械产品设计，形成复杂机械产品设计能力。通过6个学期全过程机械产品设计能力的培养，可使学生具备熟练运用机械专业知识和专业技能的能力，能够运用自然科学和工程科学的基本原理，去表述与分析复杂机械工程问题，提出解决方案，完成比较复杂的机械产品的设计与开发，提升专业能力和工程素养。
（三）改革教学方法，提升教学效果
为提升教学效果，教师要全过程贯彻案例式教学方法，并形成自己的课堂教学、实践教学及课外科技活动相结合的立体化教学思路。1.采用案例驱动教学方法，提高学生的工程设计能力。通过齿轮传动及减速器设计的典型案例，全过程贯彻齿轮传动及减速器的工作原理、设计理论及工程实践，逐步培养学生运用专业知识去分析、解决机械工程问题的能力，夯实学生的现代机械设计能力，提升学生的工程素养和工作适应性。2.采用系统论方法，完善机械设计能力培养体系与课程内容。采用系统论方法，将机械设计类各门课程、各个实践环节各自为政开展教学的现状，通过齿轮传动及减速器设计的案例教学，形成一个统一、有机的机械设计能力全过程培养体系，提升学生的工程素养和工作适应性。3.采用重点论方法，提升学生对机械产品设计的理解。教师要全过程地重点讲解齿轮传动及减速器的设计、加工、材料选用、总体设计以及三维建模等，通过课堂讨论及习题课，让学生举一反三，充分调动其学习积极性，促进其对课程内容的消化和理解。4.采用理论联系实际的方法，将教改、科研成果及学科前沿融入教学。教师可采用理论联系实际的方法，将教改、科研成果、学科前沿和高新技术信息有机地融入教学过程，不断补充、更新教学内容，深化学生对机械理论知识的理解和掌握，锻炼其实际动手能力，并向其传授更多、更新、更先进的知识，激发学生的兴趣。5.结合实践教学与课外科技活动方法，提升教学效果。教师可结合生产实习、课程设计与课外科技活动，通过现场实物教学法，提升学生对机械的感性认识，激发他们主动学习的积极性，提升教学效果。
三、结论
本文在对机械制造业发展现状及需求的大量调研基础上，分析地方商科院校的现实困境及现状，并以哈尔滨商业大学机械专业为例，建立了基于典型案例的现代机械设计能力的全过程培养体系。通过齿轮传动及减速器设计的典型案例，将现代机械设计能力的培养贯穿课程教学、实践教学等人才培养全过程，全面夯实机械专业毕业生的机械设计能力，提高毕业生的工程素养与工作适应性。通过对机械专业培养模式的改革，将会使培养出的机械专业人才更符合国家发展战略以及产业转型需要。通过该项目的研究，也可为其他地方院校在进行机械专业培养模式的教育改革与实践中提供有效的经验借鉴与参考。
参考文献：
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[3]娄燕.专业认证驱动下的机械专业工程实践能力探讨[J].当代教育实践与教学研究,2019(21).
【关键词】机械创新；设计；思维
在科技、经济飞速发展的新时代，创新是一个民族不断向上的灵魂，是一个国家繁荣发展的不竭动力。而创新对于每个行业来说都是寻找生机和希望的必备条件。目前，大多数的机械设计公司都大力提倡员工采用新理念、新视角、新原理设计出产品，使自身企业更具竞争力。因此，如何强化机械设计创新、开发更广泛的设计思维具有十分重要的意义。
1.机械创新设计和制造
一般情况下，创新设计先后经过抽象思维、逻辑思维、全面分析和最后决策四个环节。抽象思维主要是是通过设计人员充分发挥创新思维和智慧，提出新颖的有可能实施的想法，是创新设计必备过程。有了抽象思维过后再将想法具体化，考察其逻辑性和可行性，结合有关的科学理论知识、原理进行进一步的新颖的、可行的、具体化的机械设计。而全面分析则包含了创新设计过程中所涉及的所有可能性，综合考虑技术的可行性、成本与性价比，最后设计出新的可以满足人们生活和生产需要的机器或者其他产品。
1.1机械创新设计过程
机械创新设计的目的在于改善机械本身的功能、性能或者以更低的经济成本制造满足生产生活需求的机械。目前，我国技术专家认可的机械创新设计过程一般可分为四个部分，一是根据具体需求确定机械设计的基本原理，二是机械结构的优化和改进，三是机械尺寸设计和参数优化，四是机械运动性能及动力参数优化。机械创新设计与普通的机械设计并没有实质性的差异，主要的区别在于机械创新性设计注重发挥人的主观能动性和创新能力的突破，在充分的调动人的积极性的同时创造出更加符合使用者需求的机械工具。
1.2机械创新设计的特点
机械创新设计主要包括四个特点：一是多学科知识交叉运用，互相融合，互相渗透；二是机械创新设计中，数字并非主要思考因素，而是应该充分结合过往经验和相关的理论知识，合理判断和提出可行的新的设计方案；三是机械创新设计不仅需要理论知识和经验，同时也十分注重灵感、想象力、创造力的作用，因此应该最大程度发挥四者的作用；四是凡是设计创造类等实践活动都需要不断重复、尝试，从中吸取经验，多级选择最佳方案。在机械创新设计过程中，只有完全领略和充分展现以上四个特点，才能做出优秀的创新设计。
2.机械创新设计思维
机械创新设计思维对于机械创新设计来说意义重大，只有通过不断的改革创新和开拓进取，勇于突破现有的固定模式和局限，采取新的方法、体制、设计才能使自身在飞速发展的时代中保持领先，走在时代的前沿。
2.1机械创新设计思维的涵义
创新设计思维就是指在原有的科学理论知识、原理以及过往的设计和经验中设想出新颖的、更能满足审美或者实用需求的设计方案。而对于机械设计人员来说，创新无疑是自身最核心的竞争力，通过提高产品的性能、降低产品的成本以及缩短生产时间来提高机械设计的性价比。在机械创新设计过程中，首先应该有创造性思维，在前人的基础上提出更加优化的观念，并将这些优化的观念付诸实践，从而创造出新的不一样的机械设计。创造性思维具有多维多向性的特点，强调联想、灵感和感觉，并不是依靠固定的逻辑思维推理出来的，而是激发于机械创新设计人员的大脑。
2.2机械创造性思维的三大特征
2.2.1自由性
机械创造性思维最大的特征在于自由，创新是自由的，思想是自由的。机械创新设计人员可以在结合有关客观科学理论的基础上完全自由凭借自己的想象、灵感、直觉设计出新的机械，而不必有太多的思想束缚。在当今变化赶不上计划的经济时代，思维的自由符合现代社会发展的需要。而在机械设计工作中，要不断地有新的进步的成果，就必须突破原有的事物，消除固定思维的束缚，自由地翱翔在创新设计的天空中，只有不断突破和创新才能设计出更令人满意的成果。
2.2.2多向性
每个人的思维方式都不一样，具有多向性的特点。而在机械创造性思维中，同样具有多向性的特点，设计人员可以从不同角度去观察和判断问题，并且设想出完全不同视角的方案。设计的美妙恰巧在于它的多样性和多向性，没有固定的设想方向，任意一个方向都可以是设计者们延伸的目标。多向性思维与创造力是相辅相成、密不可分的，一个机械产品的设计过程中一定有过多向性的设想，从中择优进行实践得出最后产品。因此，多向性思维是机械设计中十分重要的一点。
2.2.3独创性
独创性即设计出跟别人不一样的产品，提出不一样的理念，突破原有的固定模式，创造出新颖的进步的成果。独创性是机械创新设计的目标，创新的目的在于独创，拥有别人没有的想法和成果。因此，在机械创新设计过程中，要学会从新的切入点思考问题，掌握不同的设计方法，敢于向原有的观点提出新的看法，从而设计出具有独创性、新颖的机械产品，更好满足生活和生产的需求。
综上所述，在机械创新设计的路途上还有很长一段路要走，在创新设计的过程中对于机械创造的创新思维非常重要，在遵行已有的设计基础上，需要更长远更有想象力的思维去推动机械创新设计的发展。 [科]
【参考文献】
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一、创新教改思路,优化教学内容
在技工类课程学时压缩的情况下,必须对教学内容进行改革,注重学生职业技能培养,要针对生产一线的需求来优化教学内容,达到“够用、实用”的目标。《机械设计基础》课程要在讲授基础知识、基本原理的基础上,加大实例分析,注重知识在实际中的应用,同时,把机械设计的新概念、新理论、新方法引入教学之中,以拓宽知识面,增加信息量。
在具体教学过程中,应对课程教学内容进行了优化整合。删除常用零件有关设计计算的内容,如螺栓强度计算、齿轮强度计算等,有些公式的推导和一些结论也不做详细的理论分析,公式会用、结论记住就行。例如,在平面连杆机构这一部分内容中,重点讲授平面连杆机构的概念、类型、特点及类型的判断,同时,列举实例,如以电风扇、推土机、挖掘机等为例,分析这些类型机构的运用,但对用图解法、解析法设计机构不做重点讲授;在轴承内容中,把轴承装置设计内容作为重点,要求学生重点掌握轴承的安装、配合、紧固、调节、和密封等实践性很强的技术问题,结合用车床主轴支承为实例进行分析,使学生掌握了轴承的组合结构、轴承的调整及轴承的精度对机床主轴传动的影响。教学内容要有增有减,有详有略。
二、改革教学方法,提高教学质量
围绕技工类教育的目标,针对学生的特点,《机械设计基础》课程的教学方法必须有助于提高学生的创新能力和综合素质,这是目前《机械设计基础》教学改革的重要任务。必须改革过去以教师为主的教学方式,实现教与学的有机互动,要以学生为主体,让学生带着问题学,教师带着问题教。探索“精讲多练、加强自学、分析讨论”相结合的启发式教学模式。精讲主要是对基本概念、基本理论和基本方法的精讲,要求语言表达准确、通俗易懂,力求使知识容易理解、掌握和记忆。自学是指在课堂上留给学生一定的自学时间,让他们自己提出问题,教师再给予指导。课堂中讨论内容是多样化的,是引导学生从概念、性质、结构、原理与实践等多方面剖析问题。课后还要多练,在每章节安排相应的实践练习内容,如在讲授链传动之后,让学生以自行车、摩托车为例,测量中心距、计数链轮齿数和链节数,观察运动的平稳性,了解链条及链轮的结构与材料、接头方式、方法及张紧方法等。让学生调研其他机械设备中链传动的应用实例,加强对学生创新能力的培养,为他们日后走向工作岗位奠定了一定的理论基础与实践技能。在整个教学过程中,教师一定要组织安排好每一个环节,充分发挥学生的积极性和主观能动性,从而提高教学质量。
三、增强直观教学,激发学习兴趣
计算机多媒体教学具有直观、形象、信息量大及方便快捷的特点。我们在讲解平面连杆机构时,采用了CAI课件教学,使学生能形象地、感性地认识各类型机构,并掌握其工作原理和特点,同时,还要演示一些制造企业中各种机械的常用机构,这样,使学生仿佛走进了生产实践中,拉近了课堂与生产实践的距离,增强了理论联系实际的效果,让学生认识到所学的知识并不是抽象的。同时,学校要组织学生到学校实训基地进行现场教学,使学生不仅可以看到实物,而且还可以动手亲自操作。针对许多学生想象不出轴毂连接的结构形式,看不清楚联轴器、离合器的结构图,难以理解其工作原理的现象,我们组织学生到学校实训基地进行现场观察,亲手拆装,有了问题就地解决,通过这种手段,将枯燥乏味的内容变得生动有趣。
四、注重实践教学,强化职业技能
《机械设计基础》课实践教学是技工类学生职业技能培训的重要环节,实践的内容应贯穿于整个教学过程中,有的在课内,有的在课外。在课程结束后要组织安排一次大型的拆装实践活动。一般是以拆装CA6140车床为例,让学生从机器的设计、运动路线的传递、部件的结构及功能的实现、零件的选材及加工、连接、装配、调整、和电器线路布置等方面进行了解与观察,帮助学生在机器设计总体思路方面建立比较完整的体系,从而全面、系统地掌握和巩固所学知识,提高综合运用知识来分析和解决实际问题的能力。
加大工厂实习的力度是提高学生动手能力、缩短社会适应期的有效途径。实践证明:实习前要有明确的主题,实习的内容也要比较具体,并且便于考核量化;要有严格的实习纪律,按照工厂的纪律来严格要求学生;加大教师对实习的监督力度,做好学生实习期的档案记录;充分调动工厂师傅的积极性,促使他们真正为学生传授实践经验与技能。
五、加强教学研究,提升教师素质
没有高素质的教师,就谈不上培养高素质的学生。教学是一门科学,又是一门艺术,高超的教学能力首先体现在教师的身上。教师参与教学研究,是教师自身专业素质提高的过程,也是促进教师专业素质提高的有效手段和途径。
关键词：有限元 机械工程 应用 前言
有限元方法诞生于20世纪中叶，随着计算机技术和计算方法的发展，已成为计算力学和计算工程领域里最为有效的计算方法。许多工程分析问题，如固体力学中的位移场和应力场分析、电磁学中的电磁场分析、振动特性分析、热学中的温度场分析、流体力学的流场分析等，都可归结为在给定边界条件下求解其控制方程的问题。有限元技术的出现为机械工程结构的设计、制造提供了强有力的工具，它可以解决许多以往手工计算根本无法解决的问题，为企业带来巨大的经济效益和社会效益。在现代机械工业中要设计生产出性能优越、可靠的机械产品，不应用计算及进行辅助设计分析是根本无法实现的，因此目前各生产设计部门都非常重视在设计制造过程中采用先进的计算机技术。 有限元法简介
有限元法最早是人们在研究固体力学的时候应运而生的，早在七八十年前，就有一些美国人在结构矩阵的分析方面有了一些研究发现，随后就有人研究出了钢架位移的方法，并将其推广应用到了弹性力学平面的分析当中，也就是把一些连续的整体划分为矩形和三角形，再将这些小的单元中的位移函数用近似的方法表达出来。后来，随着科学技术的不断发展，计算机的水平也有了很大的提高，有限元法也就相应的发展起来了，因为有限元法在产品的设计和研发的过程中起到了相当大的作用，所以有限元软件越来越受到相关专业人士的喜爱，而其在机械设计中的应用也是非常广泛的。
3.有限元法在机械工程中的应用
近年来，国内外许多学者对机械零部件的有限元分析进行了大量的研究，归纳起来主要是以下几个方面：
（1）静力学分析。当作用在结构上的载荷不随时间变化或随时间的变化十分缓慢，应进行静力学分析。这是对机械结构受力后的应力、应变和变形的分析，是有限元法在机械工程中最基本、最常用的分析类型。
（2）动力学分析。机械零部件在工作时不仅受到静载荷作用，当外界有与其固有频率相近的激励时，还会引起共振，严重破坏结构从而引起失效。故零部件在结构设计时，对复杂结构，在满足静态刚度要求条件下，要检验动态刚度。
（3）热应力分析。这类分析用于研究结构的工作温度不等于安装温度时或工作时结构内部存在温度分布时，结构内部的温度应力。
（4）接触分析。接触分析用于分析两个结构物发生接触时的接触面状态、法向力等。由于机械结构中结构与结构间力的传递均是通过接触来实现的，所以有限元法在机械结构中的应用很多都是接触分析。这是一种非线性分析，以前受计算能力的制约，接触分析应用的较少。
（5）屈曲分析。这是一种几何非线性分析，用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状，例如压杆稳定性问题。
5.有限元法的设计过程
5.1 模型简化
将模型中的一些对整体的分析结果不会产生影响的部分去掉，例如，产品结构中的倒角、圆角等，因为有这些因素存在会影响单元格划分的质量，以及增加大量的运算量，使结果计算时不易收敛。本例中，我们以一个由内衬套，外衬套和天然橡胶构成的橡胶衬套为例，分析其在径向受载时，橡胶的形变状况，内衬套固定，在径向没有孔的方向加载荷，载荷大小为5 000 N，加载速度为5 mm/min。
5.2定义材料特性
给构成模型的各部分以材料参数，如对于各向同性材料我们只需定义其杨氏模量，泊松比就可以了（这类材料一般为金属材料）;对于非线形变化的材料需将材料的拉伸或压缩的应力应变曲线输入到计算机，然后通过拟合得到相关的系数再赋予模型的不同部分。
5.3 载荷状况（工况）定义
至边界条件定义完成后，模型的基本的受力，位移及材料都已经定义完成了，接下来需要定义工况（load case），主要目的是选择前面已经定义好的边界条件，载荷条件等，还需定义收敛的方法。例如全牛顿-拉弗森法等一些极限收敛的准则。本例中采用的是修正的牛顿-拉弗森法.总的运算时间为0.6秒，叠加次数30步。
5.4 作业定义
将已经定义好的工况选择到作业中，对于更复杂的模型，可能还需要定义初始载荷等。本例中没有初始载荷的定义，在作业定义中还需选择分析操作的类型和分析结果。本例中输出的结果为应力，柯西应力以及等效的柯西应力等，分析类型为平面应变分析。
5.5 单元类型定义
定义完作业后需要进行单元类型定义，因为在该软件中，不同类型的结构对应着不同类型的单元类型及输出结果。本例采用了单元类型为80的用于平面应变分析的四边形单元。
6.有限元技术发展趋势
有限元法最初应用在求解结构的平面问题，发展至今已由二维问题扩展到三维问题、板壳问题，由单一物理场的求解扩展到多物理场的耦合，由静力学问题扩展到动力学问题、稳定性问题，由结构力学扩展到流体力学、电磁学、传热学等学科，由线性问题扩展到非线性问题，由弹性材料扩展到弹塑性、塑性、黏弹性、黏塑性和复合材料，从航空技术领域扩展到航天、土木建筑、机械制造、水利工程、造船、电子技术及原子能等，其应用的深度广度都得到了极大的拓展。有限元法的发展过程是与计算机技术的发展紧密相联的。只有计机技术高度发展以后，有限元法才得到广泛的应用。一个复杂的问题的求解，过去用小型机花费几天才能得到结果，现在用PC机几个小时就能完成同样的工作。商业有限元软件也由只能在大中型计算机上使用，转入到多数都能在PC平台上运行。可以预期，随着计算机技术的进一步发展，有限元法的应用还将进一步扩大，并将成为工程技术中更重要、更有力的数值计算工具。
7.结束语
有限元的应用大大提高了企业的设计效率，优化了设计方案，缩短了产品的开发周期。越来越多的企业和技术人员意识到CAE技术是一种巨大是生产力。可以预见，不久的将来，有限元法的应用，必将更加普及，将会有更大的突破必将推动了科技进步和社会发展，并且会取得巨大的经济效益。
参考文献：
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关键词 机械设计；课堂教学；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2013）33-0104-02
机械设计是机械类各专业的主干课程之一，是学生今后从事各项技术工作的重要基础，也是培养学生机械创新能力的核心课程。通过本课程的学习，学生应该具备运用本课程的基本理论与基本设计方法，独立完成简单传动装置和简单机械的设计能力。因此，为了增强这门课的教学效果，改变以往的课堂教学模式，对本门课程内容进行分析和重构，提出一些课堂教学改革的做法。
1 教学过程设计
机械设计课程主要研究常用、通用机械零部件的设计，但每类零部件都是相对独立的，前后章节联系不大，比如第5章是螺纹连接，第6章是键、花键、无键连接和销连接，第7章是铆接、焊接等，知识内容各不相同且不衔接，学生开始学习此门课时会感到零碎，而难以入门。
通过研究本门课每章节的内容特点，发现基本上每个零部件的学习过程都会研究该零件的主要失效形式，并对零件进行受力分析和强度计算，以及确定出零件的关键尺寸或选择出零件尺寸。 因此，为了让学生有效地掌握所学的内容和理论知识，在教学设计时，笔者以“失效形式——受力分析——强度计算——结构设计”作为贯穿整个教学过程的主线，突出重点，使学生对所学内容心中有数。无论学习哪种零部件的设计，若以此主线为纲，就便于入门、便于掌握。
2 多样化教学方法的应用
机械设计内容比较繁杂，信息分散，计算公式比较多，特别是对一些重要概念、理论，仅用PPT和黑板结合方式进行讲解，学生会觉得枯燥，注意力不易集中，导致对理论不理解。而且由于学生不是来自于工业生产第一线，没有一定的工业技术背景，对零件的结构、材料、强度要求等方面缺乏感性认识。
因此在讲解过程中适当加入演示法，使理论与实际联系起来。比如：在讲解螺栓强度计算时，结合螺栓事故现场的视频，可吸引学生的注意力，提高学习兴趣，使学生意识到螺栓强度计算的重要性；在讲疲劳破坏时，引入1998年德国列车事故的视频，直观地加深学生对循环应力作用下零件会出现疲劳断裂这种失效形式的理解，由感性认识上升为理论知识，对该知识点的印象深刻；在讲解带传动的打滑时，通过Flash演示打滑的特性，增加学生的感性认识。通过这些教学手段，使深奥的理论知识得到简化、直观，使学生获得最真切的感性和理性认识，能够比较牢固地掌握一些基本理论和概念。
3 课内任务学习
教师在课堂上以讲授为主，长时间满堂灌时，学生的注意力下降，思想不易集中，理解能力也随之降低。导致学生在学习新理论时，思维速度滞后于教师传递信息的速度，来不及仔细、深入思索，处于听不太懂、记不太清的被动状态。
因此，可以在课内以适当的时间，由教师主讲变为与学生互动的方式，使学生对接受的信息进行一次由浅入深的再加工，对错过的信息进行重新认识，这样更有利于优化教学效果。比如在讲授完相关知识点后，可利用适当的课堂时间与学生进行互动，如通过“螺纹联接的类型和应用”任务，使学生具备常用螺纹连接的选用能力；通过“轴的应用与结构设计”任务，使学生具备轴结构设计和轴与轴上零件装配的能力；通过“齿轮的参数与尺寸计算”任务，使学生具备认识齿轮各部分和进行齿轮结构尺寸计算的能力；等等。通过这些课内小任务，可将每次课的教学内容重点和难点突显出来，使学生更容易把握所学知识的核心内容，目标明确，达到可以看得见的学习效果。
4 小组项目教学法
该教学方法的学习模式是由教师确立项目内容，全班分为多个学习小组，共同完成此任务。比如，本门课大部分内容讲解完后，教师可布置多个设计项目，如进行X-Y送料装置结构设计等小型的设计任务，学生自行分成4～5人的小组，每小组根据任务要求，对项目进行分析并确定出设计方案。然后，对设计进行介绍和原理说明，并由其他小组对设计进行讨论和分析，确定其设计的可靠性和可行性。因此，小组项目教学法具有实用性和综合性，可将以前学习的内容，即各类零部件的应用场所、设计、使用要求等进行融合，对本门课的离散性、零碎性的特点进行弥补，使学生能充分体会机械设计的乐趣，了解机械设计过程。
在小组项目教学过程中采取启发式教学，学生是主体，教师以指导为辅，起到把握项目大方向和启发学生的创新性思维的作用，在教师的指导下，学生具体完成机械结构方案的设计、零件类型选择、结构设计等。通过项目设计的完成，可充分调动学生的自主性和合作性，为后期的机械设计课程设计及毕业设计打下基础。
5 结论
采用上述的教学方法和教学形式，针对本门课对两届本科生进行了课堂教学模式改革，得到以下收获。
1）本课程内容比较繁杂，知识点分散，在学生开始学这门课时，先梳理好学习本门课程的主线。在讲解不同章节时，学生根据此主线学习不同的知识内容，觉得比较容易入门，对本课程的学习内容更加明确，而且也不易被本门课信息分散的特点所干扰。
关键词：机械设计； 现代设计方法；优化设计；磨具设计，计算机辅助设计
随着生产力的不断发展和科学技术的不断进步，特别是在计算机技术和电子信息技术应用和发展的前提下，在常规机械设计的基础上，现代机械设计方法发展得更科学、更完善。现代机械设计方法依据现代机械设计思想与当代机械理论的基本原理，运用电子信息技术工程、计算机技术工程、管理科学工程与知识工程等知识，融合CAD、CAE、机电一体化设计、数值分析、可靠性设计、动态仿真、有限元仿真、虚拟设计和优化设计等先进的技术与方法，从而形成现代机械设计方法的理论与体系。
磨具产品的设计不仅要考虑其制造过程和产品的使用周期，还要考虑在保证使用性能和使用寿命的前提下，最大程度的降低设计成本，从而给企业带来好的经济收益和成长竞争机制
1 磨具行业背景
近年来，国内磨具企业通过引进国外磨具行业先进的新技术、新工艺与新产品，取得了飞速的发展。特别是在钢铁、数控、汽车制造和船舶等领域积极进行新技术的引进和研发，大大地提升了产品的质量和性能。同时，“高、精、专、自动化”等先进加工工艺的应用，要求磨具产品有更高的质量水准。当然，由于我国磨具制造产业起步晚，品种比较少，在产品质量和加工工艺水平方面与国外先进磨具企业相比存在比较大的差距：比如，高端产品依赖进口；低端产品产能过剩，积压，从而产生货款拖欠与价格战等问题；自主产品和名牌产品较少。因此，磨具制造企业如何利用先进的现代机械设计方法与理论来解决这些个问题是关键。
2现代机械设计方法介绍
现代设计方法概念：现今为工程项目或产品制造完成到实体化的全过程而制订的技术方案、图样与程序。英文为“Modern Design Method”。它运用创新的设计手段，交叉地应用多种理论、方法和技术，使产品设计过程成为一种富于电脑化，自动化、虚拟化、智能化和最优化的创造活动，在决策、综合、迭代与寻优中高效率的、低成本的、高质量的完成产品设计。现代机械设计方法主要有：
1） 发展比较成熟，普及范围较广泛的有有限元设计、机电一体化设计、计算机辅助设计、最优化设计等；
2） 概念提出较新，正蓬勃发展的有创新设计、生命周期设计、虚拟设计、稳健设计、并行设计、智能设计等.
磨具企业要在市场中立于不败之地，就需要更多的应用现代设计的先进技术和方法，来研发产品、开拓市场，保证产品质量和提高经济效益。
3 现代设计方法在磨具行业的应用
（1）优化设计方法的应用：中原工学院的梁宝岩，杨本勇，为了改善树脂磨具的强度、硬度和耐磨等性能，用优化设计方法，通过向酚醛树脂中添加价格低廉的玻璃纤维来代替高价格且不易工业化规模生产的氧化物填料，改善了树脂磨具的力学性能和使用寿命的同时，也降低了成本[1]。
（2）创新设计方法的应用：广东小太阳砂磨材料有限公司的梁文聪，利用创新设计方法，通过实验发明了涂附磨具的防静电涂层配方，用5个实施例来说明此发明具备材料成本低、制作简便、能有效的杜绝涂附磨具在磨削过程中的静电效应，提高了磨削质量和效率[2]。
（3）有限元设计方法的应用：为了解决加工深窄槽磨具的难题，太原理工的宫晓琴，吕明，王典国等人用有限元模态分析，用得到的磨具的振动频率，研究出一种新的加工方法。磨具在这个频率下工作时，振动和变形量最小，磨具不易损坏，延长了寿命[3]。南京航空航天大学的左敦稳、卢文壮、赵宇飞、孙玉利等人借助ANSYS 软件仿真了热传导的过程，得出冰冻磨具在工作时融化的原因不是磨削热，而是空气的热对流的结论[4]。
（4）其他方法的应用：华勇、李亚平等人采用CAD与数学模型，得到了陶瓷磨具配方的经验公式；河南工业大学的宋冬冬，利用BP神经网络超强的处理非线性函数能力，通过相关的实验，得到了结合剂、湿润剂、粘结剂含量和硬度的对应关系[5]。
4 应用前景
磨具企业要适应国际标准形式，缩短磨具配方的开发时间，必须很好的应用现代的设计方法。
（a） 磨具粒度的检验一直以来存在人为的因素而影响结果准确性。利用二次开发的CAD软件，设计了磨具粒度检测和处理数据一体化系统，使得数据的记录与处理更稳定、更方便。
（b） 粘合剂的配比直接影响磨具的性能和使用寿命，利用计算机来建立繁多的结合剂配方数据库，可以很方便的进行配方运算，提高了生产效率。
（c） 利用数学模型，通过可靠性设计方法和优化设计方法，可以精确合理的选择磨具参数特性，改善磨削效果。
（d） 磨具产品设计过程中，利用有限元分析方法，经验类比设计方法被取代，较灵活地解决了复杂的工程计算分析问题。
（e） 利用虚拟设计方法，模拟磨具磨削的过程，直观的了解复杂的磨削规律，有效的分析磨削是对表面产生的多因素影响。
5 结论
现代工农业的进步，国民经济和人民生活水平的提高与磨具行业的发展有着丝丝缕缕的联系。“现代设计方法”作为一种新的技术领域和一门新的学科，应用那是相当的广泛。在磨具产品的设计与开发过程中，有效的利用上述现代的设计方法，可以很好的降低成本，同时具备优越的性能与使用寿命，使产品更具市场优越性和竞争力，企业也就获得更好的经济利益。现代机械设计理论在磨具行业配方的应用中，前景远大。
参考文献：
[1] 梁宝岩，杨本勇 玻璃纤维增强树脂磨具符合材料的制备及性能研究[J] 中原工学院学报 2013年10月
[2] 梁文聪 涂附磨具的防静电涂层配方[J] 中国新技术新产品 2013 NO. 10 （上）
[3]王典国，等.电镀CBN磨具的基体设计[J].机械管理开发，2008，3
