現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

1、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)摘要：本文論述了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的主要內(nèi)容和主要特點(diǎn) .隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和人們對(duì)產(chǎn)品要求的提高 ,現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法變得越來越重要 ,而且將會(huì)是各學(xué)科群之間相互交叉滲透的一門綜合性學(xué)科。【關(guān)鍵詞】： 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 設(shè)計(jì) 產(chǎn)品引言科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品功能要求的日益增多，復(fù)雜性增加，壽命期縮短，更新?lián)Q代速度加快。由于國(guó)際化市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)和用戶對(duì)產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、價(jià)格、供貨期、售后服務(wù)等要求越來越高，以及高新技術(shù)的飛速發(fā)展，以信息科學(xué)與微電子技術(shù)為代表的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)制造業(yè)的滲透、改造和更新，使傳統(tǒng)的制造技術(shù)演變成為一門涵蓋從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、管理、銷售到回收再生的全過

2、程，跨多個(gè)學(xué)科且高度復(fù)雜化、集 成化的先進(jìn)制造技術(shù)。柔性自動(dòng)化，智能化，并行工程，虛擬制造，精密、微細(xì)加工等，是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)的主體技術(shù)之一，也是先進(jìn)制造技術(shù)的核心與靈魂，必將伴隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的進(jìn)步，制造業(yè)生產(chǎn)模式的變革，競(jìng)爭(zhēng)與合作的全球化，人們對(duì)生態(tài)環(huán) 境、資源的關(guān)切和對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)多樣化等方面的要求，而發(fā)生著深刻的變化。一、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的主要內(nèi)容 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用而在設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展起來的一門新興的多元交叉學(xué)科。以滿足市場(chǎng)產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、時(shí)間、成本、價(jià)格綜合效益最優(yōu)為目的,以計(jì)算機(jī)輔助

3、設(shè)計(jì)技術(shù)為主體,以知識(shí)為依托,以多種科學(xué)方法及技術(shù)為手段,研究、改進(jìn)、創(chuàng)造產(chǎn)品和工藝等活動(dòng)過程所用到的技術(shù)和知識(shí)群體的總稱?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法有:并行設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、智能優(yōu)化設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)、人機(jī)學(xué)設(shè)計(jì)、摩擦學(xué)設(shè)計(jì)、反求設(shè)計(jì)、疲勞設(shè)計(jì)（一） 并行設(shè)計(jì)并行設(shè)計(jì)是一種對(duì)產(chǎn)品及其相關(guān)過程(包括設(shè)計(jì)制造過程和相關(guān)的支持過程)進(jìn)行并行和集成設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化工作模式。強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品開發(fā)人員一開始就考慮產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到消亡的整個(gè)生命周期里的所有相關(guān)因素的影響，把一切可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤、矛盾和沖突盡可能及早地發(fā)現(xiàn)和解決，以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量

4、。并行設(shè)計(jì)作為現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論及方法的范疇，目前已形成的并行設(shè)計(jì)方法基本上可以分為兩大類:(l)基于人員協(xié)同和集成的并行化。就是把組成與產(chǎn)品方面有關(guān)的，針對(duì)給定設(shè)計(jì)任務(wù)的專門的、綜合性的設(shè)計(jì)團(tuán)體(企業(yè))協(xié)同起來。(2)基于信息、知識(shí)協(xié)同和集成的并行化。該方法基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，各零部件的設(shè)計(jì)人員通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行可制造性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可裝配性等內(nèi)容的分析及時(shí)的反饋信息，并按要求修改各零部件的設(shè)計(jì)模型，直至整個(gè)機(jī)電產(chǎn)品完成為止?？梢圆捎妹嫦蛑圃?DFM)和面向裝配(DFA)的設(shè)計(jì)方法，涉及CAX技術(shù)、產(chǎn)品信息集成(PDM)技術(shù)以及與人員協(xié)同集成有關(guān)的信息技術(shù)。 （二）虛擬

5、設(shè)計(jì)在達(dá)到產(chǎn)品并行的目的以后，為了使產(chǎn)品一次設(shè)計(jì)成功，減少反復(fù)，往往會(huì)采用仿真技術(shù)，而對(duì)機(jī)電產(chǎn)品模型的建立和仿真又屬于是虛擬設(shè)計(jì)的范疇。所謂的虛擬制造(也叫擬實(shí)制造)指的是利用仿真技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)實(shí)制造活動(dòng)中的人、物、信息及制造過程進(jìn)行全面的仿真，發(fā)現(xiàn)制造過程中可能出現(xiàn)的問題，在真實(shí)制造以前，解決這些問題，以縮減產(chǎn)品上市的時(shí)間，降低產(chǎn)品開發(fā)、制造成本，并提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。虛擬設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品加工制造之前，建立產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)模型，并能對(duì)其進(jìn)行修改和評(píng)審，以滿足不同客戶的要求。它不僅繼承了傳統(tǒng)CAD設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)也具備了仿真技術(shù)可視化的特點(diǎn)，更能支持協(xié)同工作和并行設(shè)計(jì)，從而縮短了產(chǎn)

6、品開發(fā)周期并通過各先進(jìn)技術(shù)的利用和補(bǔ)充，使產(chǎn)品保持技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)。（三）綠色設(shè)計(jì)綠色設(shè)計(jì)是指以環(huán)境資源保護(hù)為核心概念的設(shè)計(jì)過程，其基本思想就是在設(shè)計(jì)階段就將環(huán)境因素和預(yù)防污染的措施納人產(chǎn)品設(shè)計(jì)之中，將環(huán)境性能作為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)和出發(fā)點(diǎn)，力求使產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的影響為最小產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容:(l)產(chǎn)品材料的選擇和管理。產(chǎn)品的材料不僅要滿足傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的使用和性能要求，也包括對(duì)環(huán)境約束準(zhǔn)則的考慮。(2)產(chǎn)品可拆卸性和可回收性設(shè)計(jì)?？刹鹦缎栽O(shè)計(jì)是將廢棄淘汰產(chǎn)品的連接按照需要和回收目標(biāo)拆開而將零部件相互分離，及用利于產(chǎn)品拆卸的連接方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的連接方式;可回收性設(shè)計(jì)則是將產(chǎn)品中的可重用零部件及材料按照

7、其性質(zhì)進(jìn)行分類，以便實(shí)現(xiàn)零部件重用或材料循環(huán)的一種設(shè)計(jì)思想和方法。(3)綠色產(chǎn)品成本分析和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。對(duì)產(chǎn)品的成本分析不僅包括了產(chǎn)品原始成本的分析，還包括產(chǎn)品環(huán)境成本的分析，以便設(shè)計(jì)出更綠色、成本更低的產(chǎn)品。而產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)包括與產(chǎn)品壽命周期中環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等有關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及各類評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。(4)產(chǎn)品的綠色包裝設(shè)計(jì)。除了設(shè)計(jì)出能滿足客戶要求和喜愛的產(chǎn)品造型和樣式之外，還要充分考慮包裝對(duì)環(huán)境的影響因素。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本流程為：市場(chǎng)調(diào)研-草圖構(gòu)思-方案設(shè)計(jì)。（四）可靠性設(shè)計(jì)機(jī)電產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)可定義為:產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。可靠性設(shè)計(jì)是以概率論為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，從統(tǒng)

8、計(jì)學(xué)的角度去觀察偶然事件，并從偶然事件中找出其某些必然發(fā)生的規(guī)律，而這些規(guī)律一般反映了在隨機(jī)變量與隨機(jī)變量發(fā)生的可能性(概率)之間的關(guān)系。用來描述這種關(guān)系的模型很多，如正態(tài)分布模型、指數(shù)分布模和威爾分布模型?？煽啃猿Ｓ玫臄?shù)值標(biāo)準(zhǔn)有:可靠度(Reliability)、失效率(FailureRate)平均壽命(MeanUfe)。機(jī)電系統(tǒng)的可靠性不僅與組成系統(tǒng)單元(機(jī)械單元、電氣單元或混合單元)的可靠性有關(guān)，還與組成該系統(tǒng)各單元間的組合方式和相互匹配有關(guān)。通常機(jī)電產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:(l)明確機(jī)電產(chǎn)品中機(jī)械部件和電氣部件的設(shè)計(jì)制造要求。(2)系統(tǒng)可靠性建模。系統(tǒng)常用的可靠性建模方

9、式有:串聯(lián)系統(tǒng)建模、并聯(lián)系統(tǒng)建模、混聯(lián)系統(tǒng)建模、k/n系統(tǒng)建模和儲(chǔ)備系統(tǒng)建模?？赏ㄟ^這些數(shù)學(xué)模型并采適當(dāng)?shù)乃惴▉碛?jì)算出機(jī)電系統(tǒng)的可靠性。(3)可靠性可預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)單元(機(jī)械單元、電氣單元或混合單元)的可靠性，首先要確定單元的基本失效率，它們是在一定的環(huán)境條件下得出的，設(shè)計(jì)時(shí)可以從相關(guān)的手冊(cè)、資料中查得。然后根據(jù)公式入=k入b來確定各單元的應(yīng)用失效率，k為修正系數(shù)，可由專門的資料中查得。對(duì)于不同的機(jī)電系統(tǒng)，其可靠性預(yù)測(cè)的方法也不同，常用的有元器件統(tǒng)計(jì)法、數(shù)學(xué)模型法和故障樹分析法等方法。(4)可靠性的分配。根據(jù)機(jī)電產(chǎn)品各單元技術(shù)水平、復(fù)雜程度、重要程度以及相關(guān)費(fèi)用等條件來決定，總的來說都是為了獲取系

10、統(tǒng)最高的可靠性。現(xiàn)在常用的分配方法有等分發(fā)、再分發(fā)、Agree分配法和相對(duì)失效法和相對(duì)概率法。（五）智能優(yōu)化設(shè)計(jì)隨著與機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù)不斷的發(fā)展，以及機(jī)電一體化技術(shù)的廣泛使用，我們面臨的將是越來越復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)。解決復(fù)雜系統(tǒng)的出路在于使用智能優(yōu)化的設(shè)計(jì)手段。智能優(yōu)化設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的局限，它更強(qiáng)調(diào)人工智能在優(yōu)化設(shè)計(jì)中的作用。智能優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)該以計(jì)算機(jī)為實(shí)現(xiàn)手段，與控制論、信息論、決策論相結(jié)合，使現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品具有自學(xué)習(xí)、自組織、自適應(yīng)的能力，其創(chuàng)造性在于借助三維圖形，智能化軟件和多媒體工具等對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。而實(shí)現(xiàn)的手段有:(l)模糊設(shè)計(jì)。模糊設(shè)計(jì)是以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)，它首先通過對(duì)設(shè)

11、計(jì)對(duì)象的各項(xiàng)性能指標(biāo)建立滿足某些模糊集合的隸屬度函數(shù)，并按其重要性乘以不同的加權(quán)引子，然后按一定的算法得到綜合模糊集合的隸屬函數(shù)，再通過優(yōu)化策略，把模糊問題向非模糊化轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)尋優(yōu)的過程?，F(xiàn)在機(jī)電產(chǎn)品中涉及到模糊理論的場(chǎng)合很多，如模糊冰箱、模糊洗衣機(jī)、模糊微波爐，它們正悄然地改變著人們的生活方式。(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿人類大腦結(jié)構(gòu)、功能的信息處理智能系統(tǒng)，一般由多輸人單輸出非線性單元組成神經(jīng)元，各神經(jīng)元按一定的模式連接，并構(gòu)成各種連接模型。它通過反復(fù)的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)以及自身的適應(yīng)能力來完成對(duì)復(fù)雜信息的處理，使輸出達(dá)到最優(yōu)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的重要特征就是具有很強(qiáng)的自適應(yīng)、自組織、自學(xué)

12、習(xí)的能力和強(qiáng)容錯(cuò)性。為實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品智能化的功能，還有一個(gè)途徑就是利用專家系統(tǒng)的框架。通過提取人類成熟的操作經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，以知識(shí)庫(kù)為核心，配以特征知識(shí)處理，并采用不同的匹配法則和推理機(jī)制，構(gòu)成完整的最優(yōu)決策系統(tǒng)。. （六）計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（機(jī)械CAD）技術(shù)，是在一定的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)上，對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)械零、部件，輸入要達(dá)到的技術(shù)參數(shù)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度，剛度，穩(wěn)定性校核，然后輸出標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械圖紙，簡(jiǎn)化了大量人工計(jì)算及繪圖，效率比人工提高幾十倍甚至更多。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的過程,首先進(jìn)行功能設(shè)計(jì),選擇合適的科學(xué)原理或構(gòu)造原理,然后進(jìn)行產(chǎn)品總圖的初步設(shè)計(jì)、產(chǎn)品選型和外型的初步設(shè)計(jì);從總圖派生出

13、零件,對(duì)零件的造型、尺寸、色彩等進(jìn)行設(shè)計(jì),對(duì)零件進(jìn)行有限元分析,使其結(jié)構(gòu)及尺寸與應(yīng)力狀態(tài)相適應(yīng);對(duì)零件進(jìn)行加工模擬,對(duì)其性能做出評(píng)價(jià)、分析和優(yōu)化,最終完成零件的工作圖;在計(jì)算機(jī)上制定零件制造工藝,在相應(yīng)的設(shè)備上制造出零件。如各種建模軟件， solidworks proE AutoCAD等現(xiàn)代CAD系統(tǒng)的功能包括: (1)設(shè)計(jì)組件重用(Reuse of design components) (2)簡(jiǎn)易的設(shè)計(jì)修改和版本控制功能(Ease of design modification and versioning) (3)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)組件的自動(dòng)產(chǎn)生(Automatic generation of st

14、andard components of the design) (4)設(shè)計(jì)是否滿足要求和實(shí)際規(guī)則的檢驗(yàn)(Validation/verification of designs against specifications and design rules) (5)無需建立物理原型的設(shè)計(jì)模擬(Simulation of designs without building a physical prototype) (6)裝配件(一堆零件或者其它裝配件)的自動(dòng)設(shè)計(jì) (7)工程文檔的輸出，例如制造圖紙，材料明細(xì)表(Bill of Materials) (8)設(shè)計(jì)到生產(chǎn)設(shè)備的直接輸出 (9)到快速原型或

15、快速制造工業(yè)原型的機(jī)器的直接輸出（七）動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法是在計(jì)算參數(shù)難以準(zhǔn)確確定、設(shè)計(jì)理論和方法帶有經(jīng)驗(yàn)性和類比性時(shí)，根據(jù)施工中反饋的信息和監(jiān)控資料完善設(shè)計(jì)，是一種客觀求實(shí)、準(zhǔn)確安全的設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)主要是依據(jù)靜態(tài)條件下強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)要求和材料選擇來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)則以系統(tǒng)論，控制論為依據(jù)，在一定的位移，速度，力和力矩的干擾下對(duì)影響整機(jī)性能非常重要的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)（包括響應(yīng)速度、跟蹤精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性等）進(jìn)行設(shè)計(jì)。 對(duì)初步設(shè)計(jì)產(chǎn)品(或需要進(jìn)行改進(jìn)的產(chǎn)品)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模和動(dòng)態(tài)特性分析，根據(jù)工程實(shí)際要求，給出所要求的動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)目標(biāo)，按結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)“逆問題”分析法求解結(jié)構(gòu)

16、參數(shù)，從而得到一個(gè)具有良好動(dòng)靜態(tài)特性的產(chǎn)品，即不僅具有良好的工作工藝指標(biāo)，而且機(jī)械設(shè)備本身還能夠安全、可靠地工作，并滿足相應(yīng)的工作壽命要求。機(jī)械動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的理論與方法主要包括以下四個(gè)方面：動(dòng)力學(xué)建模、動(dòng)態(tài)特性、計(jì)算實(shí)物試驗(yàn)、模型試驗(yàn)與試驗(yàn)建模、機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力修改（八）模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)主要是以功能化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分解現(xiàn)有的產(chǎn)品，在分解中考慮到各個(gè)要素的可行性，從而在早期就預(yù)測(cè)到設(shè)計(jì)中可能會(huì)出現(xiàn)的矛盾，提高設(shè)計(jì)的可行性和可靠性，降低產(chǎn)品的成本。（九）計(jì)算仿真設(shè)計(jì)根據(jù)工程機(jī)械不同的作業(yè)功能，在計(jì)算機(jī)上模擬各種作業(yè)過程，以分析和確定各種狀態(tài)下的作業(yè)參數(shù)，研究工程機(jī)械各系統(tǒng)主要部件的結(jié)構(gòu)合理性，

17、借助數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)等方法預(yù)估工程機(jī)械的作業(yè)效果，從而可大大減少設(shè)計(jì)上的失誤，避免或減少走彎路。（十）人機(jī)學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)用人體測(cè)量學(xué)、人體力學(xué)、勞動(dòng)生理學(xué)、勞動(dòng)心理學(xué)等學(xué)科的研究方法，對(duì)人體結(jié)構(gòu)特征和機(jī)能特征進(jìn)行研究，提供人體各部分的尺寸、重量、體表面積、比重、重心以及人體各部分在活動(dòng)時(shí)的相互關(guān)系和可及范圍等人體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)；還提供人體各部分的出力范圍、以及動(dòng)作時(shí)的習(xí)慣等人體機(jī)能特征參數(shù)，分析人的視覺、聽覺、觸覺以及膚覺等感覺器官的機(jī)能特性；分析人在各種勞動(dòng)時(shí)的生理變化、能量消耗、疲勞機(jī)理以及人對(duì)各種勞動(dòng)負(fù)荷的適應(yīng)能力；探討人在工作中影響心理狀態(tài)的因素以及心理因素對(duì)工作效率的影響等.所謂人性化產(chǎn)品，就是包含

18、人機(jī)工程的的產(chǎn)品，只要是“人”所使用的產(chǎn)品，都應(yīng)在人機(jī)工程上加以考慮，產(chǎn)品的造型與人機(jī)工程無疑是結(jié)合在一起的。在現(xiàn)行的上機(jī)條件下，筆直坐立時(shí)，操作員常常是手臂向前懸空著來操作鍵盤和鼠標(biāo)的。手臂的懸空形成了肩頸部的靜態(tài)疲勞，放棄維持直坐姿勢(shì)而塌腰駝背，或者是把手腕摩擦桌面。（十一）摩擦學(xué)設(shè)計(jì)摩擦學(xué)是研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用表面間的摩擦、潤(rùn)滑和磨損，以及三者間相互關(guān)系的理論與應(yīng)用的一門邊緣摩擦學(xué)系統(tǒng)過程研究學(xué)科。以減小摩擦為目的的設(shè)計(jì)，即為摩擦學(xué)設(shè)計(jì)。世界上使用的能源大約有1/31/2消耗于摩擦。如果能夠盡力減少無用的摩擦消耗，便可大量節(jié)省能源。另外，機(jī)械產(chǎn)品的易損零件大部分是由于磨損超過限度而報(bào)廢和更

19、換的，如果能控制和減少磨損，則既減少設(shè)備維修次數(shù)和費(fèi)用，又能節(jié)省制造零件及其所需材料的費(fèi)用。人類對(duì)摩擦現(xiàn)象早有認(rèn)識(shí)，并能用來為自己服務(wù)，如史前人類 的鉆木取火。詩(shī)經(jīng)·邶風(fēng)·泉水中有“載脂載宣，還車言邁”的詩(shī)句，表明中國(guó)在春秋時(shí)期已應(yīng)用動(dòng)物脂肪來潤(rùn)滑車軸。摩擦學(xué)研究的對(duì)象很廣泛，在機(jī)械工程中主要包括動(dòng)、靜摩擦，如滑動(dòng)軸承、齒輪傳動(dòng)、螺紋聯(lián)接、電氣觸頭和磁帶錄音頭等；零件表面受工作介質(zhì)摩擦或碰撞、沖擊，如犁鏵和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪等；機(jī)械制造工藝的摩擦學(xué)問題，如金屬成形加工、切削加工和超精加工等；彈性體摩擦，如汽車輪胎與路面的摩擦、彈性密封的動(dòng)力滲漏等；特殊工況條件下的摩擦學(xué)問題，如宇宙

20、探索中遇到的高真空、低溫和離子輻射等，深海作業(yè)的高壓、腐蝕、潤(rùn)滑劑稀釋和防漏密封等。此外，還有生物中的摩擦學(xué)問題，如研究海豚皮膚結(jié)構(gòu)以改進(jìn)艦只設(shè)計(jì)，研究人體關(guān)節(jié)潤(rùn)滑機(jī)理以診治風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎，研究人造心臟瓣膜的耐磨壽命以謀求最佳的人工心臟設(shè)計(jì)方案等。地質(zhì)學(xué)方面的摩擦學(xué)問題有地殼移動(dòng)、火山爆發(fā)和地震，以及山、海，斷層形成等。在音樂和體育以及人們?nèi)粘Ｉ钪幸泊嬖诖罅康哪Σ翆W(xué)問題。（十三）疲勞設(shè)計(jì)疲勞 材料、零件和構(gòu)件在循環(huán)加載下，在某點(diǎn)或某些點(diǎn)產(chǎn)生局部的永久性損傷，并在一定循環(huán)次數(shù)后形成裂紋、或使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展直到完全斷裂的現(xiàn)象。發(fā)展趨勢(shì) 飛機(jī)、船舶、汽車、動(dòng)力機(jī)械、工程機(jī)械 、冶金、石油等機(jī)械以及鐵

21、路橋梁等的主要零件和構(gòu)件，大多在循環(huán)變化的載荷下工作，疲勞是其主要的失效形式。因此，疲勞理論和疲勞試驗(yàn)對(duì)于設(shè)計(jì)各類承受循環(huán)載荷的機(jī)械和結(jié)構(gòu)，成為重要的研究?jī)?nèi)容。疲勞有限壽命設(shè)計(jì)中進(jìn)行壽命估算，必須了解材料的疲勞性能，以此作為理論計(jì)算的依據(jù) 。由于疲勞壽命的長(zhǎng)短取決于所承受的循環(huán)載荷大小，為此還必須編制出供理論分析和全尺寸疲勞試驗(yàn)用的載荷譜，再根據(jù)與各種疲勞相適應(yīng)的損傷模型估算出疲勞壽命。疲勞理論的工程應(yīng)用，經(jīng)歷了從無限壽命設(shè)計(jì)到有限壽命設(shè)計(jì)，有限壽命設(shè)計(jì)尚處于完善階段。發(fā)展趨勢(shì)是：宏觀與微觀結(jié)合，探討從位錯(cuò)、滑移、微裂紋、短裂紋、長(zhǎng)裂紋到斷裂的疲勞全過程 ，尋求壽命估算各階段統(tǒng)一的物理-力學(xué)模

22、型 。研究不同環(huán)境下的疲勞及其壽命估算方法。概率統(tǒng)計(jì)方法在疲勞中的應(yīng)用，如隨機(jī)載荷下的可靠性分析方法，以及耐久性設(shè)計(jì)等。（十四）反求設(shè)計(jì)反求設(shè)計(jì)（也稱逆向設(shè)計(jì)），是指設(shè)計(jì)師對(duì)產(chǎn)品實(shí)物樣件表面進(jìn)行數(shù)字化處理(數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理)，并利用可實(shí)現(xiàn)逆向三維造型設(shè)計(jì)的軟件來重新構(gòu)造實(shí)物的CAD模型(曲面模型重構(gòu))，并進(jìn)一步用CAD/CAECAM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分析、再設(shè)計(jì)、數(shù)控編程、數(shù)控加工的過程。逆向設(shè)計(jì)的流程示意：產(chǎn)品樣件 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理CAD/CAE/CAM系統(tǒng) 模型重構(gòu) 制造系統(tǒng) 新產(chǎn)品。（十五）無障礙設(shè)計(jì)（barrierfreedesign）這個(gè)概念名稱始見于1974年，是聯(lián)合國(guó)組織提出的設(shè)計(jì)新主

23、張。無障礙設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)，一切有關(guān)人類衣食住行的公共空間環(huán)境以及各類建筑設(shè)施、設(shè)備的規(guī)劃設(shè)計(jì)，都必須充分考慮具有不同程度生理傷殘缺陷者和正常活動(dòng)能力衰退者（如殘疾人、老年人）群眾的使用需求，配備能夠應(yīng)答、滿足這些需求的服務(wù)功能與裝置，營(yíng)造一個(gè)充滿愛與關(guān)懷、切實(shí)保障人類安全、方便、舒適的現(xiàn)代生活環(huán)境。無障礙設(shè)計(jì)首先在都市建筑、交通、公共環(huán)境設(shè)施設(shè)備以及指示系統(tǒng)中得以體現(xiàn)，例如步行道上為盲人鋪設(shè)的走道、觸覺指示地圖，為乘坐輪椅者專設(shè)的衛(wèi)生間、公用電話、兼有視聽雙重操作向?qū)У你y行自助存取款機(jī)等，進(jìn)而擴(kuò)展到工作、生活、娛樂中使用的各種器具。（十六）共用性設(shè)計(jì)UD(Universa

24、l Design)是指，在商業(yè)利潤(rùn)的前提下河現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)條件下，產(chǎn)品（廣義的，包括器具環(huán)境系統(tǒng)和過程等）的設(shè)計(jì)盡可能使不同能力的使用者（例如殘疾人老年人等），在不同的外界條件下能夠安全舒適地使用的一種設(shè)計(jì)過程。二、現(xiàn)代設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)程式性：要求設(shè)計(jì)者從產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)到試驗(yàn)、試制進(jìn)行全面考慮，按步驟有計(jì)劃地進(jìn)行設(shè)計(jì)。創(chuàng)造性：突出人的創(chuàng)造性，發(fā)揮集體智慧，力求探尋更多突破性方案，開發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品系統(tǒng)性：強(qiáng)調(diào)用系統(tǒng)工程處理技術(shù)系統(tǒng)問題。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)分析各部分的有機(jī)關(guān)系，尋求多目標(biāo)兼顧、系統(tǒng)整體最優(yōu)。同時(shí)考慮技術(shù)系統(tǒng)與外界的聯(lián)系，即人機(jī)環(huán)境的大系統(tǒng)關(guān)系。綜合性：現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是建立在

25、系統(tǒng)工程、創(chuàng)造工程基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用信息論、優(yōu)化論、相似論、模糊論、可靠性理論等自然科學(xué)理論和價(jià)值工程、決策論、預(yù)測(cè)論等社會(huì)科學(xué)理論、同時(shí)采用集合、矩陣、圖論等數(shù)學(xué)工具和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，總結(jié)設(shè)計(jì)規(guī)律，提供多種解決設(shè)計(jì)問題的科學(xué)途徑。計(jì)算機(jī)化：將計(jì)算機(jī)全面地引入設(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)者和計(jì)算機(jī)的密切配合，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和速度。計(jì)算機(jī)不僅用于設(shè)計(jì)計(jì)算和繪圖，同時(shí)在信息貯存、評(píng)價(jià)決策、動(dòng)態(tài)模擬、人工智能等方面將發(fā)揮更大作用。三、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法研究的發(fā)展趨勢(shì)由于國(guó)際化市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)和用戶對(duì)產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、價(jià)格、供貨期、售后服務(wù)等要求越來越高，以及高新技術(shù)的飛速發(fā)展，以信息科學(xué)與微電子技術(shù)為代表

26、的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)制造業(yè)的滲透、改造和更新，使傳統(tǒng)的制造技術(shù)演變成為一門涵蓋從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、管理、銷售到回收再生的全過程，跨多個(gè)學(xué)科且高度復(fù)雜化、集 成化的先進(jìn)制造技術(shù)。柔性自動(dòng)化，智能化，并行工程，虛擬制造，精密、微細(xì)加工等，是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)的主體技術(shù)之一，也是先進(jìn)制造技術(shù)的核心與靈魂，必將伴隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的進(jìn)步，制造業(yè)生產(chǎn)模式的變革，競(jìng)爭(zhēng)與合作的全球化，人們對(duì)生態(tài)環(huán) 境、資源的關(guān)切和對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)多樣化等方面的要求，而發(fā)生著深刻的變化。展望現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，大致有以下幾方面：    

27、 1設(shè)計(jì)過程的數(shù)字化，不僅要完善工程對(duì)象中確定性變量的數(shù)學(xué)描述和數(shù)學(xué)建模，而且更要研究非確定性變量，包括隨機(jī)變量、隨機(jī)過程、模糊變量（人的智能、經(jīng)驗(yàn)、創(chuàng)造力、語言及政治、經(jīng)濟(jì)、人文等社會(huì)科學(xué)因素）等的數(shù)學(xué)描述和數(shù)學(xué)建模。     2設(shè)計(jì)過程的自動(dòng)化和智能化研究。健全、研究、發(fā)展各種類型的數(shù)據(jù)庫(kù)、方法庫(kù)和知識(shí)庫(kù)，及自動(dòng)編程、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)等高級(jí)商品化軟件的研制，如研究設(shè)計(jì)知識(shí)、數(shù)據(jù)、信息的獲取與處理技術(shù)、智能CAD人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的模型和應(yīng)用軟件等。     3動(dòng)態(tài)多變量?jī)?yōu)化和工程不確定模型優(yōu)化（模糊優(yōu)化）、不可

28、微模型優(yōu)化及多目標(biāo)優(yōu)化等優(yōu)化方法與程序的研究，并進(jìn)一步發(fā)展到廣義工程大系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。     4網(wǎng)絡(luò)化并行設(shè)計(jì)及協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)、方法及軟件的研究。     5虛擬設(shè)計(jì)和仿真虛擬試驗(yàn)及快速成形技術(shù)的深入研究，是一種以計(jì)算機(jī)仿真為基礎(chǔ)，集計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、智能技術(shù)、并行工程、人機(jī)工程、材料、成形工藝、光電傳感技術(shù)和多媒體技術(shù)為一體的綜合學(xué)科研究。     6大力普及、推廣與發(fā)展CAD技術(shù)的應(yīng)用研究，其重點(diǎn)是研制開發(fā)功能強(qiáng)的商品化軟件。   

29、0; 7面向集成制造和分布式經(jīng)營(yíng)管理的設(shè)計(jì)方法、人員組織及規(guī)劃的研究。據(jù)參考文獻(xiàn)11介紹，企業(yè)的成功中只有20%來自技術(shù)方面，不低于80%依賴于如何 組織和設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程。這也是美國(guó)、日本大公司成功的一條經(jīng)營(yíng)之道。如，近年來出現(xiàn)的并行工程（Concurrent EngineeringCE）、精益生產(chǎn)（Lean ProductionLP）、靈捷制造（Agile ManufacturingAM）、準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)（JustinTime）、質(zhì)量功能配置（Quality Function DeploymentQFD）等生產(chǎn)管理中的設(shè)計(jì)技術(shù)，應(yīng)依據(jù)國(guó)情和市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化研究將這些技術(shù)貫徹到生產(chǎn)過程中。 &

30、#160;   8微型機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論及設(shè)計(jì)方法和技術(shù)的研究，如智能計(jì)算、納米技術(shù)、微型機(jī)器人系統(tǒng)及微型機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。     9面向生態(tài)環(huán)境的綠色設(shè)計(jì)理論與方法的研究，如綠色產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、清潔化生產(chǎn)過程的設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的可回收性設(shè)計(jì)等。     10注重基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)理論及共性設(shè)計(jì)技術(shù)的深層次研究。基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)技術(shù)，如動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、疲勞設(shè)計(jì)、防斷裂設(shè)計(jì)、減摩和耐磨設(shè)計(jì)、防腐蝕性設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、傳動(dòng)技術(shù)、彈塑性理論等，是許多現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的知識(shí)源泉和數(shù)學(xué)建模的理論基礎(chǔ)。美國(guó)的基礎(chǔ)研究是當(dāng)今世界領(lǐng)先的，制造技術(shù)也處于世界領(lǐng)先地位，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)技術(shù) 研究成果為制造業(yè)提供了豐富的元知識(shí)和領(lǐng)域知識(shí)，這是美國(guó)推出一代又一代產(chǎn)品參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的支柱。美國(guó)把制造業(yè)和產(chǎn)品向國(guó)外推銷時(shí)，供給的是企業(yè)的產(chǎn)品制造部分，而其研究開發(fā)的知識(shí)源則牢牢控制在國(guó)內(nèi)。例如，人們熟知的美國(guó)格利森公司對(duì)準(zhǔn)雙曲線齒輪的設(shè)計(jì)制造技術(shù)是一個(gè)看不見的“黑箱”（根據(jù)工況，算出機(jī) 床調(diào)整參數(shù)，從而加工出齒輪），盡管人們漸漸掌握了格利森加工機(jī)床的內(nèi)部構(gòu)造，但格利森公司對(duì)“黑箱”采取了非公開政策，因而至今他們對(duì)準(zhǔn)雙曲線齒輪的設(shè) 計(jì)制造技術(shù)仍然處于世界絕對(duì)領(lǐng)先地位。設(shè)計(jì)中的共性技術(shù)與方法，如數(shù)學(xué)描述、建模、仿真和優(yōu)化及試驗(yàn)方法