現代設計方法ModernDesignMethod工學院廖慶喜姓名：

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0緒論本章主要內容設計的根本概念現代設計方法的分類及主要現代設計方法簡介學習現代設計方法的意義與任務本章重難點掌握設計的根本概念與內涵，了解傳統設計與現代設計的聯系與區別，了解傳統設計方法的主要缺陷，掌握現代設計方法的根本特點，了解現代設計方法的分類方法，對各種現代設計方法有一個初步的了解和認識，同時對學習現代設計方法的意義和任務應有明確的認識。英國前首相撒切爾夫人對工業設計有一句非常精辟的論斷:“對工業設計投入一分，可以產生一千分的回報〞；美國工業設計協會做過調查，美國工業設計平均每投入一美元，其銷售收入為二千五百美元；工業設計的創新，必然會給產品帶來豐厚的利潤.0.1設計的根本概念0.1.1設計的概念與內涵設計有廣義和狹義兩種概念。〔1〕設計廣義概念：設計是將人類的理想變為現實的活動。〔2〕設計狹義概念設計是指完成滿足一定客觀需求的技術系統的活動。該技術系統包括圖紙、軟件程序、其它技術文檔等。

設計的內容、要求、理論和手段不斷更新，設計的內涵和外延也在不斷擴大設計不再僅僅是考慮構成產品的物質條件和能夠滿足的功能需求，而是綜合了經濟、社會、環境、人機工程學、人的心理、文化層次等多種因素的系統設計從設計內容上看，設計貫穿了產品從孕育到消亡的整個生命周期，涵蓋了需求獲取、概念設計、技術設計、詳細設計、工藝設計、營銷設計及回收設計等設計活動，并把實驗、研究、設計、制造、安裝、使用、維修作為一個整體來進行規劃〔3〕設計的概念定義一：從給出的合理目標參數出發，通過各種方法和手段創造出一個所需的優化系統或結構的過程。定義二：〔國際工業設計學會，InternationalCouncilSocietiesofIndustrialDesign):設計是一種創造性活動，它的目的在于決定產品性能、過程、效勞及整個生命周期等各個方面的品質，以獲得一種使生產者和消費者都能滿意的整體。定義三：設計是為了滿足人類與社會的要求，將預定的目標通過人們的創造性思維，經過一系列規劃、分析和決策，產生載有相應的文字、數據、圖形等信息的技術文件的過程。世界上獨一無二的鋼結構設計——“鳥巢〞0.1.2現代設計方法產生的背景〔以機械產品為例〕1.設計理論和實踐的變化2.產品功能要求的變化3.產品制造技術的變化4.機械行業在經營模式上發生的根本性變化

1.設計理論和實踐的變化過去，在理論上主要以力學為根底，在實踐上主要以經驗作為根底現在，作為根底的理論遠不止力學，還有系統論、控制論、信息論、傳感理論、信號處理理論、電子學、計算機等等，作為實踐的根底遠不止經驗，而且還涉及各有關的學科，同時，自身也在形成自己的學科體系——制造理論、工藝理論。〔1〕設計對象由單機走向系統；〔2〕設計要求由單目標走向多目標；〔3〕設計所涉及的領域由單一領域走向多個領域；〔4〕承擔設計工作的人員從單人走向小組；〔5〕產品更新速度加快，設計周期縮短；〔6〕產品設計由自由開展走向有方案的開展；〔7〕設計的開展要適應科學技術的開展，特別是適應計算機技術的開展。2.產品功能要求的變化洗衣機功能的變化歷程3.產品制造技術的變化機械制造技術正在徹底改造，廣泛采用各種高新技術，特別是微電子技術與電子計算機技術，從數控化走向柔性化、集成化、智能化，成為現代科技前沿熱點之一。4.機械行業在經營模式上發生的根本性變化

從以產品為主的管理開展到以面向市場信息為主的管理。用建立在市場信息根底上的管理來實現企業與客戶之間的相互溝通。過去主要是注重產品的質量，在方案經濟時代，企業不擔憂產品的銷路，因而企業的管理主要集中在產量、產品的質量上；現在，企業在重視產品質量的同時，時刻關注市場信息——生產市場需要的產品。這些變化的產生，促使人們不得不開始新的思考、新的認識。現代設計方法這門課程就是這些變化的結果，它是符合現代市場經濟規律、符合知識經濟時代開展需要的學科。0.1.3傳統設計與現代設計1.傳統設計人類的設計活動經歷了直覺設計階段、經驗設計階段、半理論半經驗設計階段，即所謂的傳統設計階段。機械產品傳統設計過程產品規劃〔明確設計任務〕原理方案設計設計任務書任務書分析確定設計參數同類機械的調研和資料分析總體結構方案擬定方案論證結構設計、繪圖編寫技術文件結束條件協商更改設計調整技術設計施工設計1〕傳統設計過程分析傳統設計的每一個環節都是依靠設計者采用人工方式完成的。首先憑借設計者直接的或間接的經驗，通過類比分析或經驗公式來確定方案，方案的擬定在很大程度上取決于設計人員的個人經驗。分析計算受人工計算條件的限制，只能用靜態的、近似的方法，參考數據偏重于經驗的概括和總結，往往忽略了一些難解或非主要的因素，設計結果近似性大。在信息處理、知識的存儲和重復使用方面，還沒有一個理想而有效的方法，解算和繪圖也多用手工完成，不僅影響設計速度和設計質量的提高，也難以得到精確和優化的效果。中國第一顆原子彈的設計完全是依靠手工完成的2〕傳統設計的缺陷和局限性設計方案的擬定在很大程度上取決于設計者的個人經驗，即使同時擬定了有限的幾個方案，也難以獲得最優方案分析計算過程中，受人工計算條件的限制，只能采用靜態或近似的方法而難以按動態的方法精確計算，計算結果未能完全反映零部件的真正工作狀態，影響了設計質量設計工作周期長，效率低，本錢高總之，傳統設計方法是一種靜態分析、近似計算、經驗設計、手工勞動為特征的設計方法。隨著現代科技的開展、生產技術的需要和市場的劇烈競爭以及先進設計手段的出現，傳統設計方法難以滿足當今時代的要求，從而迫使人們不斷研究和開展新的設計方法和技術。2.現代設計〔1〕現代設計方法的概念現代設計是過去長期的傳統設計活動的延伸和開展，是傳統設計的深入、豐富和完善。隨著設計實踐經驗的積累、設計理論的開展以及科學技術的進步，特別是計算機技術的高速開展，設計過程產生了質的飛躍。為區別過去常用的傳統設計理論方法、人們把這些新興理論和方法稱為現代設計方法。現代設計方法〔定義一〕：以滿足產品的質量、性能、時間、本錢、價格等綜合效益最優為目的，以計算機輔助設計技術為主體，以知識為依托，以多種科學技術方法為手段，研究、改進、創造產品活動過程所用到的技術群體總稱。現代設計方法〔定義二〕：以市場需求為驅動、以知識獲取為中心、以現代設計思想、方法和現代技術手段為工具，考慮產品的整個生命周期和人、機、環境相容性等因素的設計。〔2〕現代設計方法的范疇現代設計理論與方法主要包括：優化設計、可靠性設計、設計方法學、計算機輔助設計、動態設計、有限元法、工業藝術造型設計、人機工程、并行工程、價值工程、反求工程設計、模塊化設計、相似性設計、虛擬設計、疲勞設計、三次設計、摩擦學設計、綠色設計等。〔3〕現代設計方法的根本特點程式性創造性系統性最優化綜合性計算機化〔4〕現代設計原那么設計原那么是對設計行為的約束。現代設計原那么是傳統設計原那么的擴充和完善。1.功能滿足原那么2.質量保障原那么3.工藝優良原那么4.經濟合理原那么5.社會使用原那么設計的系統或結構要具備所需的全部功能。功能滿足原那么產品質量主要由性能和可靠性決定，因此，這類原那么包括多方面的要求：性能指標、可靠性、強度、剛度、穩定性、抗磨損性、抗腐蝕性、抗蠕變性、動態特性、平衡特性、熱特性、磁特性……質量保障原那么設計能夠且容易通過生產過程實現。包括：1〕可制造性2〕可裝配性3〕可測試性工藝優良原那么要求產品具有較低的開發本錢和使用費用。經濟合理原那么考慮產品投放市場后的表現行為。包括：1〕環境友好性2〕環境適應性3〕人機友好性4〕可維修性社會使用原那么5〕平安性6〕可安裝性7〕可拆卸性8〕可回收性設計任務書任務書分析確定設計條件運用系統工程和創造性方法進行總體方案構思繪制總圖、零部件圖編制技術文件結束條件協商修改設計方案用價值分析、優選法等進行方案的論證技術設計與分析最優？綜合分析程序庫〔系統工程分析程序、優化程序、可靠性分析程序等〕設計資料庫〔各種技術、標準、標準、產品目錄、用戶記錄等〕圖庫〔根本幾何圖、標準零部件圖〕設計程序庫〔零部件設計程序、有限元、邊界元分析程序〕用戶要求與市場信息否是現代設計過程0.2主要現代設計方法簡介主要現代設計方法簡介

優化設計計算機輔助設計

可靠性設計創新設計概念設計動態設計智能設計虛擬設計可視化設計網絡設計并行設計數字化設計疲勞設計摩擦設計有限元法綠色設計價值工程相似設計……1.優化設計〔OptimalDesign〕優化設計亦稱為最優化設計，是以數學規劃理論為根底，以電子計算機為輔助工具，將設計問題按規定的格式建立數學模型，并選擇適宜的優化算法，選擇或編制計算機程序，然后通過計算機求解獲得最優設計方案。優化設計包括全生命周期優化設計、廣義優化設計、集成優化與綜合優化。全生命周期優化設計：在產品的生命周期內對產品進行優化設計，是一種綜合優化方法，具有重要的實際意義。廣義優化設計：包括各種優化方法在內的產品的優化設計，如以數學規劃為根底的優化方法、通過專家系統進行優化的方法、通過對獲取的信息進行綜合分析的優化方法等。集成優化與綜合優化：對產品的整個系統、產品的全部結構、產品的生產和使用的全部過程〔包括產品的全生命周期〕、產品的全部功能和性能的優化等。2.計算機輔助設計〔ComputerAidedDesign，CAD〕計算機輔助設計是設計人員借助計算機進行設計的方法。其特點是將人的創造能力和計算機的高速運算能力，巨大存儲能力和邏輯判斷能力很好地結合起來，可以極大地提高設計質量，減輕設計人員的勞動，縮短設計周期，降低產品本錢，為開發新產品和新工藝創造了有利條件。3.有限元法〔FiniteElementMethod，FEM〕有限元法是用有限個單元將連續體離散化，通過對有限個單元作分片插值求解各種力學、物理問題的一種數值方法。目前，有限元法被廣泛應用于求解線性和非線性問題，并建立了各種有限元模型，如協調、不協調、混合、雜交、擬協調元等。4.可靠性設計〔ReliabilityDesign〕可靠性設計就是事先考慮可靠性的一種設計方法。可靠性表示系統、設備、元器件的功能在規定條件和規定時間內的穩定程度的特性，是衡量產品質量的一個重要指標。可靠性設計是近年來開展起來并推廣應用的一門現代設計理論和方法，以提高產品可靠性為目的，以概率論與數理統計理論為根底，綜合運用數學、物理、工程力學、人機工程學、系統工程學等方面的知識來研究機械工程的最正確設計問題。5.創新設計〔CreationDesign〕創新設計提倡的是設計的創造性，一旦設計工作者提出的新原理是合理可行的，就可以從根本上改變產品的結構，進而提高產品質量、降低生產本錢、縮短生產周期、改善產品對環境的影響等。創新包括原始創新、集成創新和引進消化吸收后再創新。但是產品設計的創新性應該具有科學性，創新者除了要掌握有關根底理論與知識外，還要掌握科學的方法。6.概念設計〔ConceptualDesign〕概念設計是產品設計過程的關鍵環節，是根據產品生命周期各個階段的要求，進行產品的功能創造、功能分解和功能集成；要對滿足工作原理要求的結構進行求解，對實現功能結構的工作原理方案進行構思和系統化設計。概念設計是運用發散思維和創新思想整合梳理的過程，是一個研究和求解能實現功能要求和滿足各種技術、經濟指標的各種方案并最終確定最優方案的過程。7.動態設計〔DynamicDesign〕動態設計強調產品在動態過程中的特性，目前尚處于初級階段，許多深層次動態設計問題正處于研究過程中。目前多數旋轉機械事故是在強非線性、強耦合、非穩態的條件下發生的，從而促使動態設計從一般的動態設計向更深層次的方向開展，即向非穩態〔慢變、參變、時滯等〕、非線性、不確定、強耦合、高維、多參數的研究方向開展。8.智能設計〔IntelligentDesign〕智能設計有兩層含義，一是用智能方法進行設計，二是使設計的對象智能化。通常所講的智能設計是對產品的性能參數及其工作過程進行智能控制和優化，使產品具有優良的工作性能，進而給產品帶來經濟效益和社會效益。9.虛擬設計〔VirtualDesign〕采用虛擬設計技術對產品進行模擬，使用者可以直接從外觀上或功能上比較全面地了解產品的情況，很多情況下，甚至可以通過虛擬技術代替真實情況，從而大大降低產品研究與開發的本錢。載人航天工程中廣泛使用虛擬人技術0.2.2現代機械設計理論與方法的開展趨勢就目前國內外的研究狀況來看，現代機械產品的設計理論與方法正在向以下幾個主導方向開展：〔1〕在科學開展觀和自主創新思想指導下的設計理論與方法〔2〕面向產品質量、本錢或壽命的設計理論與方法〔3〕加快設計速度及實施設計智能化的設計理論與方法〔4〕面向復