机械设计专业前沿课程报告

摘要：本课程主要讲述机械设计技术的发展现状与趋势，其中涉及到机械发展概述，现代机械设计技术，计算机辅助设计技术，CAE技术的应用和发展趋势，创造方法发展概述以及TRIZ创新理论简介。

关键词：机械设计，专业前沿，发展趋势，机械设计技术，CAD应用

引言

作为一名研究生，我们接触到的机械设计方法和理论较本科时广泛了不少，但是大部分的深度还是不够的。我自认为学到的知识在整个机械行业里面还是比较的浅显的。关于机械设计理论与方法，我们所上的课和一些书籍上断然是不可能讲的非常细致、清楚，于是我查找了相关资料文献，大致的了解了机械设计理论与方法的发展历程、研究现状和未来趋势，对机械行业也有了更深的认识，在这篇文章里有比较系统的阐述。并查阅相关资料对CAD应用进行了阐述。 机械设计发展概述

人类在自己的生产活动中,不断地总结经验和采用最新的科学技术来推动生产向前发展；同时，在发展生产的过程中，又不断向科学技术提出新课题。这一切必然反映于机械设计发展过程。机械设计是机械产品开发设计的一个重要组成部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能的最主要因素，机械设计的过程实际上就是如何实现机械设计理论的过程。从黄帝的指南车，天工开物中记载的一个个灵巧的机械，到今天的火星探测车，无一不包含机械设计理论的成果。理论是工程现象不断升华和总结的内在规律和本质。

机械设计的形成大致有4个阶段。第一阶段，摇篮期（设计公式进行的经典设计阶段），从工业革命开始到第二次世界大战年以前的漫长时期。第二阶段，成长期（以经验为主的实验设计），第二次世界大战中和战后(1940一19xx年)。是机械工业在数量方面扩大生产的时代，主要在美国。这一阶段的机械设计，主要是通过实机或模型试验获得基本数据，然后以此进行设计。第三阶段，发展期（以静态解析为主的理论设计），这个阶段(1960-19xx年)是机械设计由实验设计转入理论设计的发展阶段。第四阶段，成熟期（以动态解析为主的理论设计），进入20世纪xx年代，由于机械生产日益向高速、高效、精密、轻量化和自动化的方向发展,产品结构日趋复杂，对机械的工作性能也要求越来越高。为使机械

安全可靠地工作，其结构系统必须具有良好的静、动特性。

改革开放以来,我国的机械设计有了大的发展,但仍是从国际上的第一阶段到第三阶段都兼而有之。特别指出的是，我国高等学校的机械专业所传授的与机械设计相关的诸门课程，从设计的观念到绝大部分的内容，都还是经典的，教学不仅没有超前，却严重地滞后了。一些现代设计的理论和方法不说是推广应用，就连学习和传播都显得十分艰难。

今天，机械设计学已成为研究机械产品设计理论、设计方法和设计技术的一门学科。它以为发明创新机械提供正确有效理论和方法的机械学、为机械稳定、安静运转提供设计计算方法的机械振动学，保证机械设备安全可靠地运行的机械结构强度学，延长机器寿命、降低能量消耗的摩擦学等学科为基础，探索设计过程本身的一般理论、方法和技术以及设计过程的科学进程和规律。随着以微电子技术为代表的新技术革命浪潮，推动机械科学向新的境界发展，有如给它注入新的血液、新的动力。现代机械设计的特征是，在单一技术内容中渗加社会的和经济的因素，使得设计过程成为系统工程，由经验性和随意性向科学化和模式化发展。强调理论分析计算和试验分析的相互结合，强调系统全局的功能综合，使设计在限定条件下实现最佳动能目标；以实际工况为出发点，引人动力学、摩擦学和可靠性等新概念，发展各种模型的识别及建模技术，以数据库为核心，以交互式图形系统为手段，以工程分析计算为主体的一体化的计算机辅助设计系统（CAD），高度的集成化、智能化和自动化。这也是我们学生应该注意的一个地方。机械设计与制造的历史表明，不论是新产品的设计或是老产品的改进设计 ，都是从形象思维开始，然后经过逻辑推理和判断以及相应的综合，分析与决策，产生设计方案，然后进一步将其设计具体化，产生机械模型，结构模型和机械系统模型。它们是设计计算的起点，并进一步进入技术细节设计。

应用CAD技术的现代机械设计

通过查阅文献资料，我了解到了很多机械设计理论与方法在我们都很熟悉的机械装备或产品上的具体应用，其中我最感兴趣的是CAD技术在现代机械设计方法中的应用。以下我将介绍一下这个技术。

CAD(Computer Aided Design)是计算机辅助设计的英文缩写，是利用计算机强大的图形处理能力和数值计算能力，辅助工程技术人员进行工程或产品的设

计与分析，达到理想的目的，并取得创新成果的一种技术。自19xx年计算机辅助设计（CAD）技术诞生以来，已广泛地应用于机械、电子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等领域，产品的设计效率飞速地提高。现已将计算机辅助制造技术（Computer Aided Manufacturing，CAM）和产品数据管理技术（Product Data Management，PDM）及计算机集成制造系统（Computer Integrated manufacturing system，CIMS）集于一体。

产品设计是决定产品命运的研究，也是最重要的环节，产品的设计工作决定着产品75%的成本。目前，CAD系统已由最初的仅具数值计算和图形处理功能的CAD系统发展成为结合人工智能技术的智能CAD系统（ICAD）(Intelligent CAD)。21世纪，ICAD技术将具备新的特征和发展方向，以提高新时代制造业对市场变化和小批量、多品种要求的迅速响应能力。以智能CAD（ICAD）为代表的现代设计技术、智能活动是由设计专家系统完成。这种系统能够模拟某一领域内专家设计的过程，采用单一知识领域的符号推理技术，解决单一领域内的特定问题。该系统把人工智能技术和优化、有限元、计算机绘图等技术结合起来，尽可能多地使计算机参与方案决策、性能分析等常规设计过程，借助计算机的支持，设计效率有了大大地提高。

三维CAD技术在机械设计中的优点：（1）零件设计更加方便。使用三维CAD系统,可以装配环境中设计新零件,也可以利用相邻零件的位置及形状来设计新零件,既方便又快捷,避免了单独设计零件导致装配的失败。资源查找器中的零件回放还可以把零件造型的过程通过动画演示出来,使人一目了然。（2） 装配零件更加直观。在装配过程中,资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系,若装配不正确即予以显示,另外,零件还可以隐藏,在隐藏了外部零件的时候,可清楚地看到内部的装配结构。整个机器装配模型完成后还能进行运动演示,对于有一定运动行程要求的,可检验行程是否达到要求,及时对设计进行更改,避免了产品生产后才发现需要修改甚至报废。（3）缩短了机械设计周期。采用三维CAD技术,机械设计时间缩短了近1/3,大幅度地提高了设计和生产效率。在用三维CAD系统进行新机械的开发设计时,只需对其中部分零部件进行重新设计和制造,而大部分零部件的设计都将继承以往的信息,使机械设计的效率提高了3~5倍。同时,三维CAD系统具有高度变型设计能力,能够通过快速重构,得到一

种全新的机械产品。（4）提高机械产品的技术含量和质量。由于机械产品与信息技术相融合,同时采用CAD CIMS组织生产,机械产品设计有了新发展。三维CAD技术采用先进的设计方法,如优化、有限元受力分析、产品的虚拟设计、运动方针和优化设计等,保证了产品的设计质量。同时,大型企业数控加工手段完善,再采用CAD/CAPP/CAM进行机械零件加工,一致性很好,保证了产品的质量。

CAD技术在机械设计中的应用：（1）零件与装配图的实体生成。零件的实体建模，CAD的三维建模方法有三种,即线框模型、表面模型和实体模型。在许多具有实体建模功能的CAD软件中,都有一些基本体系。如在AutoCAD的三维实体造型模块中,系统提供了六种基本体系,即立方体、球体、圆柱体、圆锥体、环状体和楔形体。对简单的零件,可通过对其进行结构分析,将其分解成若干基本体,对基本体进行三维实体造型,之后再对其进行交、并、差等布尔运算,便可得出零件的三维实体模型。对于有些复杂的零件,往往难以分解成若干个基本体,使组合或分解后产生的基本体过多,导致成型困难。所以,仅有基本体系还不能完全满足机器零件三维实体造型的要求。为此,可在二维几何元素构造中先定义零件的截面轮廓,然后在三维实体造型中通过拉伸或旋转得到新的“基本体”,进而通过交、并、差等得到所需要零件的三维实体造型。实体装配图的生成。在零件实体构造完成后,利用机器运动分析过程中的资料,在运动的某一位置,按各零件所在的坐标进行“装配”,这一过程可用CAD软件的三维编辑功能实现。（2）模具CAD/CAM的集成制造。随着科学技术的不断发展,制造行业的生产技术不断提高,从普通机床到数控机床和加工中心,从人工设计和制图到CAD/CAM/CAE,制造业正向数字化和计算机化方向发展。同时,模具CAD/CAM技术、模具激光快速成型技术(RPM)等,几乎覆盖了整个现代制造技术。一个完整的CAD/CAM软件系统是由多个功能模块组成的。如三维绘图、图形编辑、曲面造型、仿真模拟、数控加工、有限元分析、动态显示等。这些模块应以工程数据库为基础,进行统一管理,而实体造型是工程数据的主要来源之一。（3）机械CAE软件的应用。机械CAE系统的主要功能是:工程数值分析、结构优化设计、强度设计评价与寿命预估、动力学/运动学仿真等。CAD技术在解决造型问题后,才能由CAE解决设计的合理性、强度、刚度、寿命、材料、结构合理性、运动特性、干涉、碰撞问题和动态特性等。

CAD前沿技术与发展趋势：（1）图形交互技术。CAD软件是产品创新的工

具,务求易学好用,得心应手。一个友好的、智能化的工作环境可以开拓设计师的思路，解放大脑，让他把精力集中到创造性的工作中。因此,智能化图标菜单、“拖放式”造型、动态导航器等一系列人性化的功能，为设计师提供了方便。此外，笔输入法草图识别、语言识别和特征手势建模等新技术也正在研究之中。（2）智能CAD技术。CAD/CAM系统应用逐步深入,逐渐提出智能化需求.设计是一个含有高度智能的人类创造性活动。智能CAD/CAM是发展的必然方向。智能设计在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库,及时准确地向设计师提供产品开发所需的知识和帮助,智能地支持设计人员，同时捕获和理解设计人员意图、自动检测失误，回答问题、提出建议方案等。并具有推理功能,使设计新手也能做出好的设计来,现代设计的核心是创新设计,人们正试图把创新技法和人工智能技术相结合应用到CAD技术中,用智能设计、智能制造系统去创造性指导解决新产品、新工程和新系统的设计制造,这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。（3）虚拟现实技术。虚拟现实技术在CAD中已开始应用,设计人员在虚拟世界中创造新产品,可以从人机工程学角度检查设计效果,可直接操作模拟对象,检验操作是否舒适、方便,及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题,及早看到新产品的外形,从多方面评价所设计的产品.虚拟产品建模就是指建立产品虚拟原理或虚拟样机的过程.虚拟制造用虚拟原型取代物理原型进行加工、测试、仿真和分析,以评价其性能,可制造性、可装配性、可维护性和成本、外观等,基于虚拟样机的试验仿真分析,可以在真实产品制造之前发现并解决问题,从而降低产品成本.虚拟制造、虚拟工厂、动态企业联盟将成为CAD技术在电子商务时代继续发展的一个重要方向.另外,随着协同技术、网络技术、概念设计面向产品的整个生命周期设计理论和技术的成熟和发展,利用基于网络的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技术,实现真正的全数字化设计和制造,已成为机械设计制造业的发展趋势。

机械行业是国民经济的一大支柱产业，重要性不可言喻。不断发展机械设计的理论和方法是很有必要的，掌握机械设计理论与方法是我们机械行业的人所必须的能力。几十年来 ,我国机械设计的发展经历了一个曲折的过程，已由设计和制造一般的产品逐步发展到高水平的产品,有的产品的设计已达到世界先进水平。要确立我国机械工业在国际上的地位，我们必须要加强对机械设计方法和设

计思想的研究。因此，我们学生也必须要更加努力，利用学习的丰富资源充实自己，将理论基础打扎实，实践与真知相结合。

参考文献

[1]黄森彬主编.机械设计基础.高等教育出版社.

[2]荣涵锐.新编机械设计CAD技术基础〔M〕.北京:机械工业出版社,20xx.

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[5]秦志峰,齐月静,胡仁喜,等.AutoCAD20xx机械设计及实例解析[M].北京:机械出版社，20xx.

第二篇：物理学前沿课程报告

物理学前沿课程报告 ——关于高功率激光薄膜元件的研究

陆梦蕾 1334132

本学期物理学前沿这门课共讲过光子人工微结构材料对电磁波的调控，X射线光学进展，特异材料与宏观量子效应，光伏能源材料与器件研究进展，理论物理发展前沿，X射线显微技术及其新进展，微磁学及其新发展，高损伤阈值薄膜元件研究，能源存储和转化的相关研究，听觉主观反应及声品质研究进展，海洋中声学环境对声传播的影响及声参数测量这几个主题，相比较而言，我对于高损伤阈值薄膜元件研究这一主题比较感兴趣，这一主题也与我的研究方向密切相关，以下就以这一主题为主发表一些自己的看法。

光学薄膜是高功率激光系统中的重要元件，也是所有元件中最薄弱的环节，它的多种功能促进了激光技术的发展，它的性能优劣很大程度上决定了激光输出的性能，而其损伤阈值更是限制了激光输出的强弱并危及激光系统的安全运行。因此，不断改进薄膜性能，提高薄膜的抗激光强度，发展新的薄膜技术，一直是国际薄膜界和激光界共同关心的问题。高功率激光所需的主要薄膜包括不同角度的高反射膜，增透膜，不同尺寸的偏振膜，不同光强比和偏振比的分光膜，不同谐波，不同要求的倍频膜以及各种各样的波长分离膜等，随着激光技术的发展，众多的新型薄膜元件，不断提出，例如，超短脉冲激光所需要的啁啾薄膜，脉冲压缩用的光栅薄膜，空间分布调整用的高斯反射膜，全固化技术用的多波长薄膜等等。对高功率激光来说，不论哪种薄膜都有共同的要求，理想的光学性能，极低的激光损耗和很高的破坏阈值。激光薄膜的研究，除了根据性能的需求进行的针对性的薄膜设计，制备和测试研究外，大多数研究工作都是围绕着这几个方面问题进行的。

近四十年来，光学薄膜的许多进展，都是与激光技术密切相关的，激光技术的不断发展和不断提高，给光学薄膜提出了更高更新的要求，正事这些持续增长的需求，给了光学薄膜持续发展的动力。四十多年前，高品质的激光腔，提出了超低损耗高反射膜的需求。由此，把光学薄膜的研究推向一个新阶段，不断提高的激光强度，使得薄膜和材料的激光损伤的研究一直延续到今天，而且还将继续下去。

激光既是信息载体又是能量载体，从信息角度，激光对薄膜提出了千变万化的光学要求，从能量角度出发，更多的是强调薄膜的抗激光强度。研究薄膜的激光破坏机理，在确保薄膜具有一定性能的基础上，不断提高薄膜的破坏阈值，一直是高功率激光薄膜的中心工作。在激光问世的初期，激光破坏的研究工作主要是针对光学材料和表面的，光学薄膜的激光损伤研究只有一些零星的工作。19xx年前后，美国的Turner教授针对红宝石激光对光学薄膜的破坏问题进行了专门的研究，首次提出了光学薄膜激光破坏的驻波场效应。在这以后，包括上海光机所在内的若干实验室都针对具体的需要，开展了实验研究工

作，并在七十年代前后，形成一个小高潮。主要工作有，前苏联的Kuzniezof研究了ZnS薄膜的结构对激光破坏的影响，美国的Brombergen分析了薄膜内不同类型的缺陷对薄膜破坏阈值的影响，上海光机所针对铷玻璃大能量激光对光学薄膜的破坏问题，研究了薄膜制备工艺，薄膜结构，薄膜应力对激光破坏的影响，实时研究了薄膜破坏的发展过程，计算分析了激光在薄膜中的驻波场分布，提出了激光保护膜的概念，采用保护膜技术使薄膜的破坏阈值得到明显提高。在此前后，美国的Apfel也就光学薄膜的驻波场结构和表面保护膜提出了自己的分析和设计。由于驻波场结构对薄膜的损耗和破坏有严重影响，在此以后，驻波场设计已发展为激光薄膜的重要设计方法。随着高功率激光的发展，光学材料，光学元件和光学薄膜的破坏问题，日益成为限制发展的瓶颈，为此，由A.J.Glass,A.H.Guenther等人发起，美国国家标准局主办，从19xx年开始在美国的波尔得举行激光对光学材料破坏的国际讨论会，分材料，表面，镜，薄膜，测量，基本机理等几个方面进行讨论。截至20xx年，已经进行了35届。受激光核聚变研究的推动，从八十年代开始，光学薄膜的激光破坏逐渐成为研究的重点。在此期间，有几个方面的进展，对高功率激光薄膜乃至光学薄膜都是很重要的。

在薄膜制备技术方面，磁控溅射技术，离子束溅射技术，离子镀技术，化学气象沉积技术以及溶胶-凝胶技术等，在光学薄膜中的广泛应用，特别是离子束溅射和溶胶-凝胶技术，它们不仅分别在超高性能激光反射膜，超窄带干涉滤光片和高功率激光减反射膜的制备中发挥了重要作用，而且将在其他高功率薄膜技术中发挥更大作用。在测试技术方面，各种表面测试技术，用于激光薄膜的组分，价态和杂质分析，Nomarski显微镜用来进行薄膜破坏表面的实时监测，原子力显微镜用于薄膜表面和损伤形貌的三维分析。特别是光热测量技术的应用，对高功率激光薄膜的性能的改进，起到重要的作用，它不仅可以监测到0.1ppm量级的微弱吸收，而且可以用其空间分辨特性对薄膜的热缺陷或损伤点成像，还可以对薄膜破坏的过程进行实时研究。为了规范薄膜破坏阈值的测量，19xx年，由美国劳伦兹-利弗莫尔实验室发起联合国际上八个单位分别用格子不同的方法，对巴尔蔡斯公司制备的光学薄膜的破坏阈值进行测量，通过分析，明确了数值离散的原因。到了九十年代，国际ISO质量标准论证体系出现。通过响应的ISO标准文件对1-on-1,S-on-1,N-on-1,R-on-1等几种破坏检测方式的测量设备，测量方法，测量过程，破坏标准以及阈值确定等都惊醒了规范，从而使不同单位给出的破坏阈值具有较好的可靠性和可比性。

几十年来，高功率激光薄膜的研究取得了很大进展，但是，这方面的研究工作还远远没有终结。随着激光技术的不断发展，随着全固化激光，超强，超快激光，各种类型的紫外，深紫外乃至X射线激光，以及应用于能源，加工，信息等各个领域的新型激光系统，激光技术的不断被提出，激光对光学薄膜的破坏，特别是紫外，深紫外激光薄膜，高平均功率，高峰值功率激光薄膜以及多功能复合，集成薄膜的破坏问题还将是激光薄膜研究的重点，未来的激光薄膜不但要不断适应激光技术的需求，而且要能动的推动激光技术的发展。

以上只是我对于高功率激光薄膜研究与发展概况的一些了解，希望能在以后的学习研究中对于这一方面有更深入的了解。