8/1/2012 Authors: Feng Gao, Weizhong Guo, Wei Chen
Volume: 134(8) – August, 2012
中国是一个有着5000年悠久历史的文明国度，在15世纪前其科技水平居于世界领先地位。设计在中国也有着悠久的历史，当时主要是依赖个人的经验和聪明智慧进行试凑设计。
设计是在工业进程中逐步发展起来的。1840～1949年间，以使用机器和机械动力生产为标志的中国近代工业的发展经过了曲折历程。1840年后，西方国家在中国设立工厂，以船舶修造业和丝茶等出口商品加工业为主，标志着中国近代工业之始。1861年后，清政府开始创建用机器生产的军用工业。1870年后，中国民用工业兴起，大都为与棉纺织业相关的官办或官督商办企业。1895～1919年，中国近代民族工业进入初步发展时期，以轻工业为主，商办企业和民族资本成为主体。20世纪30年代后，中国近代民族工业发展缓慢，停滞不前。
1949~1966年，中国近代工业大都被改造为国营企业，中国工业得到快速发展。1966~1976年，由于十年“文化大革命”的影响，中国工业发展几乎处于停顿状态。1976年后，中国实施改革开放政策，与世界各国展开全方位合作。最初，通过廉价劳动力和资源优势，吸引了境外众多企业来华设厂。通过合作合资，大大提升了中国企业的制造水平，同时也带动了低端产品的设计水平。但高端产品严重依赖发达国家的知识产权和设计技术，具有原创性和自主知识产权的产品较少，主要原因在于中国企业缺乏现代产品设计的理论、方法和技术。近十年来，国家大力推动企业走自主设计、自主创新之路，强调产品的自主知识产权，国家提出创建创新型国家战略目标，自主创新设计在中国的地位大大提升。经过30多来的持续发展，中国工业步入了发展的黄金时代，也带动了设计相关的教育和研究的大发展。
1895年、1896年，中国最早的两所现代意义上的大学分别在天津和上海建立。北洋大学堂（天津大学前身）设立了工程学、机器学，南洋公学（上海交通大学前身）设立了机械科。机械工程及设计在中国逐渐得到发展。此后，中国大学发展虽历经曲折却不断壮大。至2012年，全国共有普通高等学校2138所。普通高校中本科院校841所，高职（专科）院校1297所。全国共有培养研究生单位795个，其中高等学校479个，科研机构316个。现有在校大学生1700万左右。为加强工程应用研究水平，近年来开设了工程硕士、工程博士等学位课程，强调理论研究与工程实践的密切结合。
机械设计是制造企业活动的一个核心内容。企业开发新产品的最终目的是要通过市场需求的满足即产品销售来获取利润，达到企业再生产和发展壮大的目标。因此，企业产品开发的起点是通过市场需求调查、作出企业产品发展规划。产品开发过程包括设计和制造两个阶段。机械产品设计过程大致能划分为设计任务定义、方案设计、详细设计和改进设计四个步骤。
根据我们的理解，现代产品设计的核心竞争力在于机构、结构、驱动等最佳方案的获取，产品的创新体现在机构型的发明和设计上，机构设计是现代复杂装备创新和研发的核心内容，体现出人的智慧和灵感。产品机构设计的困难在于产品设计目标的多样性、型和产品性能的关系不明确、型设计的非数值性与定性特征、尺度设计的强耦合与定量特性、产品性能评价指标需要具有全局性和大小可比性。譬如，重型装备的机构学设计需要解决以下问题：（1）重载装备的工作机理即运动过程是什么？（2）怎样进行如承载空间、刚度分布、能耗、各向同/异性等性能评价？（3）构型及机构尺度同装备性能间的关系是什么？（4）如何解决机构尺度设计时出现的多目标优化权系数难以合理确定以及局部最优问题？（5）怎样减少机构在不同方向之间运动及力的耦合度，以降低重型装备的控制难度、提高工作精度？（6）如何从机构设计上避免重型装备因多电机冗余驱动时仅仅依靠控制同步易出现的机械干涉和过约束问题？
当前，计算机辅助产品设计软件和技术在国际上已经相当成熟，有众多的设计软件可供选择。目前的计算机软件功能强大，在机器设计的大部分阶段都有软件工具可用，包括机器结构几何的3维建模和渲染、结构有限元分析、机构运动学仿真与分析、机构动力学仿真与分析等，所有这些工作都可以归属于对所设计机器的性能分析和改进。虽然已有很多相关研究工作，但目前国际上还没有成熟的商用软件可以用来进行产品机构的综合而不是分析，特别是机构型的设计软件、机器尺度的设计软件，因为缺乏基本理论成果的支持，仍是当前计算机辅助设计软件和技术发展的空白点。近三十年来，中国在机构构型和尺度设计方面取得了有特色的研究成果，在国际上发表了大量论文，期待能对计算机辅助设计技术的进一步发展有所贡献。与此同时，中国学者在包括设计理论和方法、考虑不确定性的设计等基于优化的自动设计技术、全生命周期设计方法等现代设计研究的广泛领域开展了工作。
经过六十余年的艰苦奋斗，中国已建立起较为完备的工业体系，但先进与落后并存，缺少核心技术，缺少自主创新，很多都是低附加值的产品。当前，在国际化竞争日益加剧的大背景下，中国企业自主研发和创新的愿望变得更加强烈，对自主创新设计能力的渴求异常迫切。大企业普遍设立了产品研发中心，充实研发力量，加强产品创新能力，提升科技竞争力。企业借助高校等外部力量、提升自身源头创新能力的趋势日益明显，除了传统的解决问题的项目合作方式外，针对企业自身研究性的技术力量仍较薄弱、亟需改变的现状，校企合作出现了一些新模式，比如企业在高校设立冠名岗位，鼓励大学教师有针对性地开展基础研究工作；企业与高校联合设立研究机构、大学在企业设立研究分支机构和实验基地、企业在大学设立研究分支机构等，从更为基础的层面开展更为紧密的研究工作，强化校企间的科技合作，提升企业的原始创新能力。企业成为创新的主体、而大学是企业产品创新的重要源泉。这将是中国企业未来发展在相当长一段时间内的重要形式。
中国大学从事机械设计教学与研究的队伍庞大，教师有万人以上。在相当长一段时间，中国大学与企业分离、大学的教学与研究活动与企业需求相脱节，大学服务社会的潜力没有发挥。在大学强化服务社会和国家发展战略、企业强化自主创新的大背景下，中国大学正在有机会更深地介入到企业产品研发进程当中，发挥自身优势、通过产品研发中存在的共性基础问题的理论和应用性研究，在企业提升自主创新能力、获取自主知识产权的过程中发挥大学的积极作用，并已取得初步成果。譬如，通过大学力量的介入，从基本设计理论和方法研究入手，使企业拥有了用于大型锻件制造的锻造操作机、用于汽车钣金冲压的大型伺服压机、用于矿山装铲作业的大型挖掘机等高端装备的自主创新开发能力。
生存和发展是当今世界人类面临的共同话题。通过节能减排和新能源利用来应对能源、环境、气候变化等制约人类社会可持续发展的重大问题、重大挑战，已经成为世界各国的共识。我们需要思考在应对挑战、解决问题过程中，机械工程和设计如何能发挥更大作用？在对传统行业和装备的能耗、环保改造中，在对低能耗绿色制造装备的创造发明中，在对工业机器人和核电站救灾、油田井喷救灾、自然灾难救援等特种机器人的研发中，在对太阳能、风能、海洋能等可再生优质能源的采集和转换新装备的研发中，机械设计能否在装备新原理的提出、新方案的获得、高性能的保障、低能耗的运行等方面起到至关重要的作用？这些都是机械设计教育和研究应该关注的重要问题。
中国正在通过努力逐步实现从制造大国向制造强国的历史性转变。制造强国的重要标志是具有自主研发和获取自主知识产权的能力、为世界提供更多原创性设计的能力，很显然设计理论和方法的研究在其中扮演着至关重要的角色。中国学者愿意继续在这方面进行更为深入、更为广泛的理论和应用关键技术研究，通过在《机械设计》发表文章等方式，为世界的发展做出一份贡献。
高峰（上海交通大学教授）
郭为忠（上海交通大学教授）|
陈卫（美国西北大学教授，上海交通大学长江学者）
