“中国制造 2025”大背景下机械设计的新发展论文

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　　摘要 ：制造业是国民经济的主体， 随着“中国制造 2025”的提出， 我国开始走向制造强国之路， 而日益提升的综合国力， 也逐渐 提高了对制造业的要求 。为了实现机械制造工业的转型升级， 机械设计领域对传统的突破和创新就显得格为重要 。结合“中国制 造 2025”深入分析机械制造业发展现状， 剖析了提高机械设计创新能力本质要求的两个要素， 即设计方法的高效化和设计产品的 服务化改变， 并提出了绿色发展的重点要求， 指明了信息化与智能化的机械设计未来方向， 最后进行总结并加以展望。

　　Abstract: Manufacturing industry is the main body of national economy, with the proposal of "Made in China 2025", China begins to move towards the road of manufacturing power, and the increasing comprehensive national strength has also gradually increased the requirements for the manufacturing industry. In order to realize the transformation and upgrading of the machinery manufacturing industry, the breakthrough and innovation to the tradition in the field of mechanical design is very important . In combination with“Made in China 2025”, the development status of the machinery manufacturing industry is analyzed in depth, and two essential elements to improve the innovation capability of mechanical design are analyzed, namely, the efficiency of design methods and the service change of design products . The key requirements of green development are put forward, and the future direction of information and intelligent mechanical design is pointed out . Finally, the summary and prospect are made.

　　Key words: machinery; manufacturing; design; made in China 2025

　　0 引言

　　作为国民经济的主体， 机械制造业在我国经济建设 的发展之中举足轻重， 各种轻工业 、手工业 、甚至服务 业， 都依赖机械制造业为基础来提供运行动力 。机械设 计作为机械工业制造业中最基础的技术部分， 其发展将 直接影响到机械制造业整体的质量水平[ 1] 。新中国成立 尤其是改革开放以来， 我国制造业持续快速发展， 工业 化和现代化进程大大加快[2] 。如今， 全球新一轮科技革 命和产业变革实现了新的突破， 随着新一代技术与机械 制造业的不断融合， 挑战与机遇也随之到来[3] 。近些年， 德国的“工业 4.0”开启了新一轮工业革新时代， 智能工 厂 、智能生产和绿色生产制造等技术为制造业的更新换 代提供了基础支撑 。为了尽快实现转型升级和跨越发展 的目标， 我国也提出了“中国制造 2025”这一实施制造 强国战略的行动纲领 。为了力争实现我国制造业中机械 制造工业的创新发展， 先进的机械设计理论和技术的支 撑就显得格为重要[4] 。在“中国制造 2025”这一大背景下， 通过一系列改革升级， 比如机械设计方法和产品设计的创新， 绿色生产材料和技术的应用， 信息化和智能 化的嵌入发展， 通过对以往的不足加以改进， 对未来的 发展加以深造， 从“中国制造”的高生产高速度出发， 走向高质量高效率， 最后形成“中国创造”的高品牌。

　　1 提高创新能力是本质要求

　　“中国制造 2025”中战略任务和重点的第一条就是 要提高国家制造业创新能力， 从而加快实现制造业的转 型升级 。与此同时， 对于机械设备或产品而言， 初始阶 段在机械设计方面的创新就是面临的第一道挑战 。在机 械设计方法和设计产品的方面， 传统的设计思维已经不 能满足如今高质量的发展要求， 为此现阶段对其的突破 创新尤为重要。

　　1.1 机械设计方法的创新

　　从 17 世纪开始直到 20 世纪中后期， 传统机械设计阶 段往往建立于人的直观感觉和前人总结的相关经验之上， 在设计中依赖于大量现成的公式和设计手册[5] 。长期以 往， 传统的机械设计方法设计成本高 、效率低， 设计周 期长且得不到及时有效的反馈， 因此具有一定的局限性[6] 。从 20 世纪后期直到现阶段， 为了有效地解决上述 问题， 人们开始对以往陈旧的设计模式优化完善， 进入 现代设计阶段[7]。

　　现代设计阶段要求对设计方法的整体效率和完善程 度做一个提高， 当面对复杂结构问题时可以快速找到最 优的设计路径 。结合计算机辅助设计 ( CAD ) 的机械设 计方法是计算机技术发展带给机械设计领域的创新， 通 过建立数学模型 、设计程序框图和程序编制调试， CAD 系统以其强大的计算和绘图功能大大延伸了设计人员的 能力[8] 。 同时， 随着计算机技术的发展， 以形状优化 、 尺寸优化和拓扑优化为代表的传统机械设计优化方法也 逐渐突破瓶颈 、实现创新 。 比如， 当面对形状优化无法 高效率处理大尺寸复杂结构的求解时， 将整体-局部技 术与形状优化设计相结合， 通过双循环优化分析将大量 的计算步骤框置于局部模型中， 就实现了求解精度和效 率的统一[9]; 当面对经典的数学优化方法需要人为确定 各种参数 、计算繁琐时， 通过模仿生物生长行为的一种 基于相对应力的仿生优化法能将各种机械形状按照应力 分布的目标由计算机确定， 且不需要人为确定参考应力， 同样既保证了精度又提高了优化设计效率[ 10] 。传统的机 械设计方法旨在将设计对象分成许多单独的模块并组织 单独研究， 虽然针对性高但是整体成效受到影响[ 11] 。然 而， 对于现代机械设计而言， 很多设计和优化方法是无 法单独存在进行的， 单纯的仿真模拟无法兼顾到所有的 因素， 因此往往需要从整体系统化的角度来考虑[ 12] 。基 于系统化的机械设计方法根据设计目标具体特点， 应用 其各部分功能分布来实现整个设计对象上的层次划分， 各个子系统综合协调， 整体和部分之间有机统一， 最终 能使机械设计的整体结构达到最优[ 13]。

　　1.2 机械设计产品的创新

　　随着科学技术的发展， 对机械产品的质量和功能 要求也日益提升[ 14] 。传统的机械产品设计以实现预期 功能为目标， 而如今现代机械产品还要求具备经济效 益 、生态效益和安全可靠等设计原则[ 15] 。 因此， 机械 产品的创新设计受到人们在物质和精神方面越来越多 的重视[ 16] 。机械产品的创新设计过程可分为提出新概 念 、设计新方案 、开发新产品 3 大步骤， 结合新的机 械设计方法并对现有的产品功能进行增强和拓展， 从 而可逐步实现当前制造业由传统的单纯生产向产品服 务化的转变[ 17] 。

　　产品服务化是从设计方面就考虑到客户需求， 是未 来生产者重点的发展创新方向， 为此在产品设计方面就 应与以往不同 。在方案设计阶段， 产品创新可分为变异 功能结构 、发明新型机构解和组合机构 3 个层次， 即通 过从设计初期分解形成不同功能结构到选用不同结构组合形成不同方案[ 18] 。针对分功能选择技术物理效应并对 各基本技术物理效应进行组合， 从而可实现多个技术物 理效应系统和设计原理方案的创新[ 19] 。在产品功能分解 方面， 通过功能分析系统技术 、功能方法树和“功能- 行为-结构”分解法， 可实现从功能需求获取到功能结 构创新设计的过渡[20] 。 同时， 在实际应用中， 将人工智 能技术代入到产品设计中实现面向人机协同的创新产品 设计， 并且由于其具有增强用户体验 、遵循普适化与自 然性 、智能化和可移动化原则， 以及充分运用可拓模型 3 方面优势， 人机协同逐渐成为了产品设计中需要考虑 的重要因素[21] 。 同理， 将产品创新设计与其他学科技术 如摩擦学设计相结合， 充分利用摩擦学的学科交叉性、 工程先导性和潜在经济性， 在表面质量设计 、塑性加工 和黏弹性体接触等问题中， 对于各类机械产品能量消耗 的降低和使用寿命的提升都提供了创新性的帮助[22]。

　　2 绿色发展是重中之重

　　近年来， 生态污染已成为全球一项令人瞩目的热点， 在传统生产制造中排放的各种工业垃圾是其重要污染源 之一[23] 。除此以外， 各种资源不合理利用带来的浪费也 是当下应解决的问题 。为确保人类生存与社会 、环境和 经济方面的可持续发展， 制造业的自身发展将有助于应 对此挑战， 如可再生能源 、绿色建筑等的出现， 使得工 业价值的创造逐渐面向可持续性[24-25] 。 因此， 全面推行 绿色制造， 加快节能环保技术的开发应用， 构建绿色生 产体系， 走生态文明的发展道路已是重中之重[26]。

　　作为综合考虑资源消耗和环境影响的现代化制造模式， 绿色制造的根本目标就是“制造度”和“绿色度” 的协调优化， 即保持经济效益和生态效益的平衡[27] 。类 比普通制造业， 绿色制造工程建立在绿色设计的基础上 。 绿色设计即在设计初始通过选用合理的原材料 、工艺或 结构， 将环境影响因素和污染预防措施计入产品设计之 中， 以环境性能作为产品设计目标和出发点， 力求达到 资源能源利用率最高且环境影响最小[28] 。 比如， 对一种数控车床的主轴进行综合设计， 以能耗 、最大应力 、最 大变形和一阶自然频率为优化目标， 优化后主轴质量降 低且提高了静态和动态性能， 优化结构参数既满足主轴 的工作要求又降低了整体机床能耗[29] 。 同样， 对传统普 通液压机采用结构设计时， 通过拓扑优化选材和形状优 化机身， 可提高机体密封质量， 减少噪声和工作液对环 境的污染， 在原有液压主缸的位置设置一停止器装置， 还可消除传统普通液压机中由于液体压缩问题带来的动 力系统冷却装置的大量能量损耗[30-31]。

　　绿色设计是当代的一种全新设计理念， 在机械设计 中将绿色设计与产品生产结合起来， 能够更好地实现绿 色发展的目标 。减量化 、循环再生和可降解等新型绿色材料生产， 精确成形 、干式切削 、快速原型制造等绿色工艺生产， 都将是未来重点的研究方向[32-33]。

　　3 信息化与智能化是大势所趋

　　进入现代设计阶段以来， 信息技术的蓬勃发展给各行各业都带来了曙光[34] 。传统的以手工作业为主的机械设计制造技术已不适应当前的发展要求， 在此基础上的信息 、智能化发展是当前和未来机械设计制造行业的必 然趋势[35-36] 。因此，“中国制造 2025”中提出将新一代信 息技术与制造技术融合发展， 把智能制造作为其主攻方 向， 描绘了一幅美好的发展蓝图。

　　机械设计的信息智能化首先体现在设计模型构造的 数字化 。传统设计中是在电子版模型基础上进行人工搭 建， 技术工艺复杂且难以减小数据误差[37] 。而今一种集成计算机 、模型理论 、科学计算的建模仿真技术能实现三维模型的虚拟化再现， 建模的同时实现力学 、动力学、运动学 、流体力学等结构模拟， 提前实现制造工艺和机械加工过程仿真， 设计人员可以直观地观察到不断变化的物理特性 、刀具切削轨迹 、材料变形 、应力场 、温度场 、振动等参数[38] 。 比如， 在设计一种穿孔晶格负压型紧凑纺丝弧形吸槽时， 通过对弧形吸槽中纤维链的力学分析建立模型， 计算冷凝过程中插入的额外扭转， 分析 仿真结果发现晶格裙板和纤维链的负压和摩擦因数对弧 形槽中链的附加扭曲有显著影响， 可提出并验证了此弧形 冷凝槽中链的附加扭曲的理论模型， 即完成设计优化[39]。

　　机械设计的信息智能化发展离不开设计系统的转型升级 。 比如， 液压机系统传统中采用 PLC 控制， 但是无法实现快速地响应和处理， 而通过采用伺服电机进行驱动并接入网络， 加入一种基于嵌入式 ARM 平台的工业监控软件和下位机监控系统， 就能实现液压机控制系统的智能化升级， 且在实用性和经济性方面都得到了大大提升[40] 。 同理， 一种基于案例推理 ( CBR ) 和规则推( RBR ) 的汽车机械设计智能系统， 通过构建知识案例库和辅助信息库， 以推理过程完成汽车机械内各关键部件的结构设计与参数设计， 从而降低了知识匹配工作量，提高了设计效率[41] 。总之， 机械设计的发展在制造信息 化和推进智能制造工程建设中发挥着不可替代的作用。

　　4 结束语

　　2013 年德国提出“工业 4.0 ”， 从此全球开启了新一 轮的工业技术革新[42] 。随着经济和工业的发展， 我国也 提出了具有中国特色的“中国制造 2025”， 并为我国机 械制造业的发展指明了前进方向[43] 。在机械设计和产品的创新支持下， 制造业结合绿色材料和绿色生产技术，促进生产信息智能模式运行， 力求实现互联化 、数据化、创新化和转型化 。我国的制造正在逐渐融入国际制造业的发展大趋势中， 相信通过生产服务化和产品客户化的转变， 会形成更高效的可持续发展模式。相信， 只要相关设计人员们勇于抓住机遇 、迎接挑战， 在机械设计领域里添砖加瓦， 开拓广阔道路， 很快就能加快推进制造业的创新发展， 实现我国从制造大国向制造强国的伟大转变。

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