2.1.1 机械设计发展的基本历程

机械设计的思想和方法一方面不断地影响着人类的生活与生产，推动社会进步；另一方面又受社会发展的反作用，不断变化和更新。为了反映设计思想和方法随社会发展的变化，人们通常用“传统设计”和“现代设计”这两个术语，如图2-1所示。“传统设计”和“现代设计”都只是相对的概念，人们把当前认为先进的那部分系统称为现代的，而其余的都称为传统的，若干年后目前的现代部分又被新发展的东西所取代，成为传统的。当前，随着电子计算机及相关技术的发展和广泛应用，极大推动了 CAD（Computer Aided Design）及CAE（Computer Aided Engineering）技术的发展及应用，并在此基础上形成了有限元分析和并行设计技术等。

传统设计是以经验总结为基础，运用长期设计实践和理论计算而形成的经验、公式、图表等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。传统设计首先凭借设计者直觉或间接的经验，通过类比分析或经验公式来确定方案，由于方案在很大程度上取决于设计人员的个人经验，因此难以获得最优方案。由于分析计算受人工计算条件的限制，只能用静态、近似的方法，参考数据偏重于经验的概括和总结，因而造成设计结果的近似性较大，有时不符合客观实际。总之，传统设计方法是一种以静态分析、近似计算、经验设计、手工劳动为特征的设计方法。

随着设计理论的发展及科学技术的进步，特别是计算机技术的高速发展，使设计过程产生了质的飞跃。现代设计方法实质上是科学方法论在设计中的应用，是以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。现代设计方法的特征主要表现在以下两个方面。

1．以计算机技术为核心

以计算机技术为核心的现代设计过程首先推动了设计手段从“手工”向“自动”的转变。传统设计以图板、直尺、铅笔等作为工具，效率低、人工强度大。CAD 技术的出现和发展，甩掉图板的“无纸设计”成为现代设计的主流，显著提高了设计效率。

在产品表示方式上实现了从“二维”向“三维”的转变。传统设计利用二维投影图表示产品结构，这种二维表示，数据单一，数据量少，不便于产品的进一步分析和制造。随着 CAD 技术的发展，三维图形得到越来越广泛的应用。这种表示不仅包括反映产品形状和尺寸的几何信息，还可以包括分析、加工、材料、特性等数据，存在于计算机内的产品模型可直接进入CAPP系统进行工艺规划和NC编程，进而加工代码可直接传入NC机床、加工中心进行加工。产品模型加强了设计与制造两个环节的连接，提高了产品开发的效率，从而可直接用于分析和制造，实现设计与制造一体化。

2．以设计理论为指导

现代设计方法是基于理论形成的方法，利用这种方法指导设计可减小经验设计的盲目性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准确性。因此，现代设计是以理论指导为主、经验为辅的一种设计。在设计理论和方法上，高性能的计算机硬件和先进的软件技术的发展推动了有限元分析、优化设计、模态分析、并行设计、虚拟设计、计算机仿真等设计方法的发展和应用。

自20世纪60年代以来，设计方法的研究引起了工业发达国家的重视，加大了在人力、物力上的投入，使得其工业产品的设计方法及手段得到迅速发展，特别是德国、英国、美国及日本等国家已形成了各自的研究体系和风格。

德国在发现由于产品质量下降导致竞争能力减弱后，意识到问题出于设计过程，随即在1963年到1964年间举行了“薄弱环节在于设计”的研讨会，制定了一批有关设计工作的指导性文件，着重研究设计的进程、步骤和规律，进行系统化的逻辑分析，并将成熟的设计模式、解法等编成规范和资料供设计人员参考。

英国自1963年开始提出工程设计思想后，广泛开展了设计竞赛，加强在设计过程中的创造性开发、技术可行性、可靠性、价值分析及计算机在设计中的应用等方面的研究。

美国是创造性设计的首倡者，在CAD方面做出了较大贡献。1985年9月由美国机械工程师协会组织、国家科学基金会发起召开了“设计理论和方法研究的目标和优先项目”研讨会。会后成立了“设计、制造和计算机一体化”工程分会，制定了一项设计理论和方法的研究计划。

日本由于受到美国提出的CAD及实现设计自动化可能性的冲击，自20世纪60年代以来，开始进行有关 CAD 和设计方法的研究，目前日本在产品开发中的更新速度已受到全世界的关注。

我国现代设计方法的研究开始于20世纪80年代前后，目前的发展距世界先进水平尚有一段距离，随着经济和科学技术的发展，必将步入一个高速发展阶段。