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摘要：在机械工程设计过程中，材料的选择通常是在设计方案确定以后即零件结构确定后进行的。今后机械设计的一个方向是在设计初期同时考虑到结构的设计和材料的选择，将结构设计和材料选择进行综合考虑。本文介绍了在机械设计中注重材料选择以及应用的意义，探讨了机械工程材料优选方法的研究现状。
关键词：机械工程；材料；优选方法；意义；现状
中图分类号： TU741.1 文献标识码： A 文章编号：
随着社会的不断发展，对机械设计行业提出了更高的要求和挑战。机械设计行业对于促进经济发展和现代化的工业进程都有十分重要的意义，必须花大力气切实保障机械设计行业的稳步发展。机械设计中的材料选择和应用是整个设计工作中的重点，关系到产品的质量和行业的进步，因此，在具体的工作中，我们需要对机械设计中的材料选择和应用进行更加全面的考虑。不仅要保证选择的材料能够满足设计加工的需求，还要注意材料应用过程中的环保性和经济性。做好了这两方面的工作，可以为机械设计行业的稳步发展奠定良好基础。
一、在机械设计中注重材料选择以及应用的意义分析
目前随着我国经济的迅速发展,对于资源的需求正在迅速增加,其中很多应用于机械设计的很多材料都已被大量开采,也有一些已经变成了稀缺的资源,再加上我国人口众多很多资源尽管总量丰富但是人均却排在世界末尾。同时因为社会发展出现了争夺资源的现象,所以在机械设计中材料的选择以及应用空间就被进一步的压缩,在这种情况下我们就应该在机械设计的材料选择方面更为注重绿色环保以及经济性。充分的利用目前较为有限的资源来做好机械设计中材料选择与应用的工作,就是目前机械行业发展的一个重要环节,也是值得去探讨的关键点。
二、机械工程材料优选方法的研究现状
1、绿色工程材料的七点星形图评价与选择
考虑材料选择时的能源、资源与环境相关的影响因素，人们希望获得高性能的材料，又要求材料对生态环境的影响降到最低，这就要求在制造材料上的选择上符合绿色度要求。文献[4]根据综合影响工程材料的7 个绿色度要素，即材料供应属性、再生材料供应的比例、环境影响、能耗水平、使用寿命、再循环属性以及法规限制，提出了应用“七点星形图”来评价工程材料绿色度的思想方法。每种材料都对应着这样的七点星形图。这个七点星形图概括地反映了材料与自然资源、能源、环境和人类社会等的相互联系和影响，形成了材料绿色度评价的基本框架。评价方法是对每一个方面的影响因素进行人为的分级，确定A、B、C、D 四个等级。
把材料属性连接的交点作为原点，固定每一个影响因素的点的位置，把每一个影响因素线等分，向外发散的方向为A、D 的方向，使A、B、C、D 对应于相关属性线上的某一点，七个点构成材料绿色度评价多边形如图1 所示。不同的材料对应不同的绿色度评价多边形，多边形面积小者绿色度好。在考虑权重系数以后，评价工程材料绿色度的过程分成两步完成：
（1）确定全局影响指数Q ，如为0，则该材料不能被接受，如不为0，则进入下一步。
（2）计算七点评价多边形的当量面积，以该当量面积的大小作为材料绿色度的指标。应用七点星形图评价的思想方法，提出了在确定机械制造领域应用工程材料时的选择策略，给出了多影响因素下材料绿色度评价的方法，该方法可以作为绿色工程材料选择的依据或参考。
图1 绿色材料评价的七点星形图分析
2、根据构件失效抗力指标进行选材
失效抗力实质上就是指构件材料在服役工况条件下宏观、微观范畴抵抗变形、磨损和断裂的能力及与其他相关性能配合的能力，也是与材料实际承载能力有关的一些表征参量，即达到防止构件早期失效的能力。由于机械构件种类繁多、工作条件差别很大，对材料的性能及其相互配合要求也各有不同。因此对于机械构件最薄弱环节的实际有效性能即抵抗失效的能力的研究是重要的，由于材料的内因和服役条件的外因的影响，往往不一定与标准试样在特定条件下测得的数据相一致。除了测定材料的力学性能外，还必须根据模拟构件实际工况条件进行有关使用特性的研究工作。若离开构件服役条件及材料性能的要求来选材就缺乏明确的针对性。据此，有人曾对大断面锤锻模和机锻模、中小机锻模、热挤压模以及压铸模等所使用的四大类热作模具钢，进行了大量的失效分析、试验，确立了失效抗力评价体系，弄清各类模具实际抗力要求且结合数以万计的材料性能测试和模具寿命的考核结果，经综合分析试验结果得出了每类模具设计和选材时提出的具体指标要求，以确保模具的可靠性和使用寿命。在已知成形零件的类型、模具类型或模具失效形式的条件下，模具设计选材的步骤如下所述。
（1）确定成形零件用的工作机械，分析模具工作条件，确定模具类型和主要抗力要求。
（2）根据模具失效形式决定该模具的主要抗力指标，并选择性能测试结果能达到该项性能指标的钢种列为候选钢种，然后，再根据能满足其余指标的情况依次进行选材的筛选。
（3）依据模具类型及抗力指标要求，将能满足全部指标要求的钢种列为该类模具的推荐钢种，即能基本满足首项抗力指标要求，且其他各项指标也能基本接近的钢种，将其视为可用钢种。
（4）选材时，还需根据材料来源、生产管理方便，以及经济性等综合考虑抉择。
对过去没有使用过、新设计的模具可根据模具类型、服役条件以及所要求的主要性能，参照上列准则进行选择相应的模具钢种与热处理工艺。显然，这种采用失效抗力指标进行选材方法，对变革模具选材的传统习惯，使热模具选材向科学化、量值化转变开创了范例，奠定了基础。
3、人工神经网络在注射模具选材中的应用
注塑模具选材是设计者根据注塑制品的各项性能指标，在模具材料集合中寻找最适合的材料的过程。选材过程可以抽象成从注塑制品的性能指标到模具材料集合的一个映射。BP 神经网络是一个从输入到输出的高度非线性映射模型，它属于多层前馈网络，由输入层、隐含层和输出层构成。利用神经网络的学习和联想能力通过构建和训练一个相应的3 层BP 神经网络，建立和存储反映注射模具选材所需的全面和完整的选材知识，从而建立了一个基于人工神经网络的材料选择系统。图2 为BP算法的流程图。该选材系统对候选材料的各项指标
数据作了较系统的整理，吸收了大量的选材知识，在设计模具时可以避免大量地查阅手册方面的工作，对设计人员的选材经验要求较低。选材系统输出的材料选定度较好地反映了对材料的倾向程度，能够得出正确的材料选择方案。
4、模糊设计定量选材
传统的选材方法多属于推理判断性的定性分析方法，带有很大的主观随意性。遇到的问题通常是外延不分明的概念，比如所选材料的强度有较高、中等、较低之分。这些问题用常规的数学方法无法解决，将模糊数学方法用于工程材料选择的问题上，使得设计中所选用的材料更为科学合理。将模糊数学的理论知识、分析方法与人工智能基本理论相结合，应用模糊变化原理和最大隶属度原则对材料进行模糊综合评判，并借助于计算机完成机械工程材料的选择，从而使材料选择更为科学、更为简单。改变了多年来查阅手册和凭借设计者的经验进行材料选择的落后方法，通过实例验证，该方法具有選材速度快、准确性好等优点。运用模糊综合评判进行定量选材的方法、步骤如下：确定评价对象集→确立评价因素集→建立一级评判矩阵→建立权重集→进行一级模糊综合评判→二级模糊综合评判。
参考文献：
[1] 张天云,杨瑞成,吴明亮,余世杰.工程选材的模糊综合评判及其应用[J]. 兰州理工大学学报. 2007(01)
[2] 任煜,褚学宁,蔡莉霞,王滨,邓建国,陈运远,陈俊伟.基于模糊查询的工程材料数据库[J]. 机械工程材料. 2006(12)
关键词：机械工程；材料；优选方法；意义；现状
中图分类号： TU741.1 文献标识码： A 文章编号：
随着社会的不断发展，对机械设计行业提出了更高的要求和挑战。机械设计行业对于促进经济发展和现代化的工业进程都有十分重要的意义，必须花大力气切实保障机械设计行业的稳步发展。机械设计中的材料选择和应用是整个设计工作中的重点，关系到产品的质量和行业的进步，因此，在具体的工作中，我们需要对机械设计中的材料选择和应用进行更加全面的考虑。不仅要保证选择的材料能够满足设计加工的需求，还要注意材料应用过程中的环保性和经济性。做好了这两方面的工作，可以为机械设计行业的稳步发展奠定良好基础。
一、在机械设计中注重材料选择以及应用的意义分析
目前随着我国经济的迅速发展,对于资源的需求正在迅速增加,其中很多应用于机械设计的很多材料都已被大量开采,也有一些已经变成了稀缺的资源,再加上我国人口众多很多资源尽管总量丰富但是人均却排在世界末尾。同时因为社会发展出现了争夺资源的现象,所以在机械设计中材料的选择以及应用空间就被进一步的压缩,在这种情况下我们就应该在机械设计的材料选择方面更为注重绿色环保以及经济性。充分的利用目前较为有限的资源来做好机械设计中材料选择与应用的工作,就是目前机械行业发展的一个重要环节,也是值得去探讨的关键点。
二、机械工程材料优选方法的研究现状
1、绿色工程材料的七点星形图评价与选择
考虑材料选择时的能源、资源与环境相关的影响因素，人们希望获得高性能的材料，又要求材料对生态环境的影响降到最低，这就要求在制造材料上的选择上符合绿色度要求。文献[4]根据综合影响工程材料的7 个绿色度要素，即材料供应属性、再生材料供应的比例、环境影响、能耗水平、使用寿命、再循环属性以及法规限制，提出了应用“七点星形图”来评价工程材料绿色度的思想方法。每种材料都对应着这样的七点星形图。这个七点星形图概括地反映了材料与自然资源、能源、环境和人类社会等的相互联系和影响，形成了材料绿色度评价的基本框架。评价方法是对每一个方面的影响因素进行人为的分级，确定A、B、C、D 四个等级。
把材料属性连接的交点作为原点，固定每一个影响因素的点的位置，把每一个影响因素线等分，向外发散的方向为A、D 的方向，使A、B、C、D 对应于相关属性线上的某一点，七个点构成材料绿色度评价多边形如图1 所示。不同的材料对应不同的绿色度评价多边形，多边形面积小者绿色度好。在考虑权重系数以后，评价工程材料绿色度的过程分成两步完成：
（1）确定全局影响指数Q ，如为0，则该材料不能被接受，如不为0，则进入下一步。
（2）计算七点评价多边形的当量面积，以该当量面积的大小作为材料绿色度的指标。应用七点星形图评价的思想方法，提出了在确定机械制造领域应用工程材料时的选择策略，给出了多影响因素下材料绿色度评价的方法，该方法可以作为绿色工程材料选择的依据或参考。
图1 绿色材料评价的七点星形图分析
2、根据构件失效抗力指标进行选材
失效抗力实质上就是指构件材料在服役工况条件下宏观、微观范畴抵抗变形、磨损和断裂的能力及与其他相关性能配合的能力，也是与材料实际承载能力有关的一些表征参量，即达到防止构件早期失效的能力。由于机械构件种类繁多、工作条件差别很大，对材料的性能及其相互配合要求也各有不同。因此对于机械构件最薄弱环节的实际有效性能即抵抗失效的能力的研究是重要的，由于材料的内因和服役条件的外因的影响，往往不一定与标准试样在特定条件下测得的数据相一致。除了测定材料的力学性能外，还必须根据模拟构件实际工况条件进行有关使用特性的研究工作。若离开构件服役条件及材料性能的要求来选材就缺乏明确的针对性。据此，有人曾对大断面锤锻模和机锻模、中小机锻模、热挤压模以及压铸模等所使用的四大类热作模具钢，进行了大量的失效分析、试验，确立了失效抗力评价体系，弄清各类模具实际抗力要求且结合数以万计的材料性能测试和模具寿命的考核结果，经综合分析试验结果得出了每类模具设计和选材时提出的具体指标要求，以确保模具的可靠性和使用寿命。在已知成形零件的类型、模具类型或模具失效形式的条件下，模具设计选材的步骤如下所述。
（1）确定成形零件用的工作机械，分析模具工作条件，确定模具类型和主要抗力要求。
（2）根据模具失效形式决定该模具的主要抗力指标，并选择性能测试结果能达到该项性能指标的钢种列为候选钢种，然后，再根据能满足其余指标的情况依次进行选材的筛选。
（3）依据模具类型及抗力指标要求，将能满足全部指标要求的钢种列为该类模具的推荐钢种，即能基本满足首项抗力指标要求，且其他各项指标也能基本接近的钢种，将其视为可用钢种。
（4）选材时，还需根据材料来源、生产管理方便，以及经济性等综合考虑抉择。
对过去没有使用过、新设计的模具可根据模具类型、服役条件以及所要求的主要性能，参照上列准则进行选择相应的模具钢种与热处理工艺。显然，这种采用失效抗力指标进行选材方法，对变革模具选材的传统习惯，使热模具选材向科学化、量值化转变开创了范例，奠定了基础。
3、人工神经网络在注射模具选材中的应用
注塑模具选材是设计者根据注塑制品的各项性能指标，在模具材料集合中寻找最适合的材料的过程。选材过程可以抽象成从注塑制品的性能指标到模具材料集合的一个映射。BP 神经网络是一个从输入到输出的高度非线性映射模型，它属于多层前馈网络，由输入层、隐含层和输出层构成。利用神经网络的学习和联想能力通过构建和训练一个相应的3 层BP 神经网络，建立和存储反映注射模具选材所需的全面和完整的选材知识，从而建立了一个基于人工神经网络的材料选择系统。图2 为BP算法的流程图。该选材系统对候选材料的各项指标
数据作了较系统的整理，吸收了大量的选材知识，在设计模具时可以避免大量地查阅手册方面的工作，对设计人员的选材经验要求较低。选材系统输出的材料选定度较好地反映了对材料的倾向程度，能够得出正确的材料选择方案。
4、模糊设计定量选材
传统的选材方法多属于推理判断性的定性分析方法，带有很大的主观随意性。遇到的问题通常是外延不分明的概念，比如所选材料的强度有较高、中等、较低之分。这些问题用常规的数学方法无法解决，将模糊数学方法用于工程材料选择的问题上，使得设计中所选用的材料更为科学合理。将模糊数学的理论知识、分析方法与人工智能基本理论相结合，应用模糊变化原理和最大隶属度原则对材料进行模糊综合评判，并借助于计算机完成机械工程材料的选择，从而使材料选择更为科学、更为简单。改变了多年来查阅手册和凭借设计者的经验进行材料选择的落后方法，通过实例验证，该方法具有選材速度快、准确性好等优点。运用模糊综合评判进行定量选材的方法、步骤如下：确定评价对象集→确立评价因素集→建立一级评判矩阵→建立权重集→进行一级模糊综合评判→二级模糊综合评判。
参考文献：
[1] 张天云,杨瑞成,吴明亮,余世杰.工程选材的模糊综合评判及其应用[J]. 兰州理工大学学报. 2007(01)
[2] 任煜,褚学宁,蔡莉霞,王滨,邓建国,陈运远,陈俊伟.基于模糊查询的工程材料数据库[J]. 机械工程材料. 2006(12)