現(xiàn)代設(shè)計方法緒論匯編資料

1、現(xiàn) 代 設(shè) 計方 法Modern Design Method機電(jdin)工程學院 共五十頁 緒 論共五十頁本章主要內(nèi)容 設(shè)計的基本概念 現(xiàn)代(xindi)設(shè)計方法的分類及主要現(xiàn)代(xindi)設(shè)計方法簡介 學習現(xiàn)代設(shè)計方法的意義與任務(wù)共五十頁本章重難點 掌握設(shè)計的基本概念與內(nèi)涵(nihn)，了解傳統(tǒng)設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計的聯(lián)系與區(qū)別，了解傳統(tǒng)設(shè)計方法的主要缺陷，掌握現(xiàn)代設(shè)計方法的基本特點，了解現(xiàn)代設(shè)計方法的分類方法，對各種現(xiàn)代設(shè)計方法有一個初步的了解和認識，同時對學習現(xiàn)代設(shè)計方法的意義和任務(wù)應(yīng)有明確的認識。共五十頁 英國前首相撒切爾夫人對工業(yè)設(shè)計(shj)有一句非常精辟的論斷:“對工業(yè)設(shè)計投入一分

2、，可以產(chǎn)生一千分的回報”； 美國工業(yè)設(shè)計協(xié)會做過調(diào)查，美國工業(yè)設(shè)計平均每投入一美元，其銷售收入為二千五百美元；工業(yè)設(shè)計的創(chuàng)新，必然會給產(chǎn)品帶來豐厚(fnghu)的利潤.共五十頁0.1 設(shè)計的基本概念0.1.1 設(shè)計的概念與內(nèi)涵 設(shè)計有廣義和狹義兩種概念。 （1）設(shè)計廣義概念：設(shè)計是將人類的理想變?yōu)楝F(xiàn)實的活動。 （2）設(shè)計狹義概念 設(shè)計是指完成滿足一定(ydng)客觀需求的技術(shù)系統(tǒng)的活動。該技術(shù)系統(tǒng)包括圖紙、軟件程序、其它技術(shù)文檔等。共五十頁 設(shè)計的內(nèi)容、要求、理論和手段不斷更新，設(shè)計的內(nèi)涵(nihn)和外延也在不斷擴大 設(shè)計不再僅僅是考慮構(gòu)成產(chǎn)品的物質(zhì)條件和能夠滿足的功能需求，而是綜合了經(jīng)濟、

3、社會、環(huán)境、人機工程學、人的心理、文化層次等多種因素的系統(tǒng)設(shè)計 從設(shè)計內(nèi)容上看，設(shè)計貫穿了產(chǎn)品從孕育到消亡的整個生命周期，涵蓋了需求獲取、概念設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、詳細設(shè)計、工藝設(shè)計、營銷設(shè)計及回收設(shè)計等設(shè)計活動，并把實驗、研究、設(shè)計、制造、安裝、使用、維修作為一個整體來進行規(guī)劃共五十頁（3）設(shè)計(shj)的概念定義一：從給出的合理目標參數(shù)出發(fā)，通過各種方法和手段創(chuàng)造出一個(y )所需的優(yōu)化系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)的過程。定義二：（國際工業(yè)設(shè)計學會，International Council Societies of Industrial Design):設(shè)計是一種創(chuàng)造性活動，它的目的在于決定產(chǎn)品性能、過程、服務(wù)

4、及整個生命周期等各個方面的品質(zhì)，以獲得一種使生產(chǎn)者和消費者都能滿意的整體。共五十頁定義三：設(shè)計是為了(wi le)滿足人類與社會的要求，將預(yù)定的目標通過人們的創(chuàng)造性思維，經(jīng)過一系列規(guī)劃、分析和決策，產(chǎn)生載有相應(yīng)的文字、數(shù)據(jù)、圖形等信息的技術(shù)文件的過程。世界上獨一無二(d y w r)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計“鳥巢 ”共五十頁0.1.2 現(xiàn)代(xindi)設(shè)計方法產(chǎn)生的背景（以機械產(chǎn)品為例）1.設(shè)計理論和實踐的變化 2.產(chǎn)品功能要求的變化 3.產(chǎn)品制造技術(shù)的變化 4.機械行業(yè)在經(jīng)營模式(msh)上發(fā)生的根本性變化 共五十頁1.設(shè)計理論(lln)和實踐的變化過去，在理論上主要以力學為基礎(chǔ)，在實踐上主要以經(jīng)驗作

5、為基礎(chǔ)現(xiàn)在，作為基礎(chǔ)的理論遠不止力學，還有系統(tǒng)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，作為實踐的基礎(chǔ)遠不止經(jīng)驗，而且還涉及各有關(guān)的學科，同時(tngsh)，自身也在形成自己的學科體系制造理論、工藝理論。 共五十頁（1）設(shè)計對象由單機走向系統(tǒng)；（2）設(shè)計要求由單目標走向多目標；（3）設(shè)計所涉及的領(lǐng)域由單一領(lǐng)域走向多個領(lǐng)域；（4）承擔設(shè)計工作的人員(rnyun)從單人走向小組；（5）產(chǎn)品更新速度加快，設(shè)計周期縮短；（6）產(chǎn)品設(shè)計由自由發(fā)展走向有計劃的發(fā)展；（7）設(shè)計的發(fā)展要適應(yīng)科學技術(shù)的發(fā)展，特別是適應(yīng)計算機技術(shù)的發(fā)展。2.產(chǎn)品功能要求(yoqi)的變化共五十頁洗衣機功能(

6、gngnng)的變化歷程共五十頁3.產(chǎn)品(chnpn)制造技術(shù)的變化 機械制造技術(shù)正在徹底改造(gizo)，廣泛采用各種高新技術(shù)，特別是微電子技術(shù)與電子計算機技術(shù)，從數(shù)控化走向柔性化、集成化、智能化，成為現(xiàn)代科技前沿熱點之一。共五十頁4.機械行業(yè)在經(jīng)營模式(msh)上發(fā)生的根本性變化 從以產(chǎn)品為主的管理發(fā)展到以面向市場信息為主的管理。用建立在市場信息基礎(chǔ)上的管理來實現(xiàn)企業(yè)與客戶之間的相互溝通。過去主要是注重產(chǎn)品的質(zhì)量，在計劃經(jīng)濟時代，企業(yè)不擔心產(chǎn)品的銷路，因而企業(yè)的管理主要集中在產(chǎn)量、產(chǎn)品的質(zhì)量上；現(xiàn)在，企業(yè)在重視產(chǎn)品質(zhì)量的同時，時刻(shk)關(guān)注市場信息生產(chǎn)市場需要的產(chǎn)品。共五十頁 這些變化

7、的產(chǎn)生，促使人們不得不開始新的思考、新的認識?，F(xiàn)代設(shè)計方法這門課程就是這些變化的結(jié)果，它是符合現(xiàn)代市場經(jīng)濟規(guī)律、符合知識經(jīng)濟時代發(fā)展需要(xyo)的學科。共五十頁0.1.3 傳統(tǒng)設(shè)計(shj)與現(xiàn)代設(shè)計(shj)1. 傳統(tǒng)設(shè)計 人類的設(shè)計活動經(jīng)歷了直覺設(shè)計階段、經(jīng)驗設(shè)計階段、半理論半經(jīng)驗設(shè)計階段，即所謂(suwi)的傳統(tǒng)設(shè)計階段。共五十頁機械產(chǎn)品(chnpn)傳統(tǒng)設(shè)計過程產(chǎn)品規(guī)劃（明確設(shè)計(shj)任務(wù)）原理方案設(shè)計設(shè)計任務(wù)書任務(wù)書分析確定設(shè)計參數(shù)同類機械的調(diào)研和資料分析總體結(jié)構(gòu)方案擬定方案論證結(jié)構(gòu)設(shè)計、繪圖編寫技術(shù)文件結(jié)束條件協(xié)商更改設(shè)計調(diào)整技術(shù)設(shè)計施工設(shè)計共五十頁1）傳統(tǒng)設(shè)計過程分析傳統(tǒng)設(shè)

8、計的每一個環(huán)節(jié)都是依靠設(shè)計者采用人工方式完成的。首先憑借設(shè)計者直接的或間接的經(jīng)驗，通過類比分析或經(jīng)驗公式來確定方案，方案的擬定(ndng)在很大程度上取決于設(shè)計人員的個人經(jīng)驗。分析計算受人工計算條件的限制，只能用靜態(tài)的、近似的方法，參考數(shù)據(jù)偏重于經(jīng)驗的概括和總結(jié)，往往忽略了一些難解或非主要的因素，設(shè)計結(jié)果近似性大。共五十頁在信息處理、知識的存儲(cn ch)和重復(fù)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(shè)計速度和設(shè)計質(zhì)量的提高，也難以得到精確和優(yōu)化的效果。中國第一顆原子彈的設(shè)計完全(wnqun)是依靠手工完成的共五十頁2）傳統(tǒng)設(shè)計的缺陷和局限性設(shè)計方案的擬定在很

9、大程度上取決于設(shè)計者的個人經(jīng)驗(jngyn)，即使同時擬定了有限的幾個方案，也難以獲得最優(yōu)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(tài)或近似的方法而難以按動態(tài)的方法精確計算，計算結(jié)果未能完全反映零部件的真正工作狀態(tài)，影響了設(shè)計質(zhì)量共五十頁設(shè)計工作周期長，效率低，成本高 總之，傳統(tǒng)設(shè)計方法是一種靜態(tài)分析、近似計算、經(jīng)驗設(shè)計、手工勞動為特征的設(shè)計方法。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展、生產(chǎn)技術(shù)的需要和市場的激烈競爭以及先進設(shè)計手段的出現(xiàn)，傳統(tǒng)設(shè)計方法難以滿足當今時代的要求，從而迫使人們(rn men)不斷研究和發(fā)展新的設(shè)計方法和技術(shù)。共五十頁2. 現(xiàn)代設(shè)計（1）現(xiàn)代設(shè)計方法的概念 現(xiàn)代設(shè)計是過去長期的

10、傳統(tǒng)設(shè)計活動的延伸和發(fā)展(fzhn)，是傳統(tǒng)設(shè)計的深入、豐富和完善。隨著設(shè)計實踐經(jīng)驗的積累、設(shè)計理論的發(fā)展(fzhn)以及科學技術(shù)的進步，特別是計算機技術(shù)的高速發(fā)展(fzhn)，設(shè)計過程產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。為區(qū)別過去常用的傳統(tǒng)設(shè)計理論方法、人們把這些新興理論和方法稱為現(xiàn)代設(shè)計方法。共五十頁現(xiàn)代設(shè)計方法（定義一）： 以滿足產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、時間、成本、價格等綜合效益最優(yōu)為目的，以計算機輔助設(shè)計技術(shù)為主體，以知識為依托，以多種科學技術(shù)方法為手段，研究、改進、創(chuàng)造產(chǎn)品活動過程所用到的技術(shù)群體總稱(zn chn)?，F(xiàn)代設(shè)計方法（定義二）：以市場需求為驅(qū)動、以知識獲取為中心、以現(xiàn)代設(shè)計思想、方法和現(xiàn)代技術(shù)手

11、段為工具，考慮產(chǎn)品的整個生命周期和人、機、環(huán)境相容性等因素的設(shè)計。共五十頁（2）現(xiàn)代設(shè)計方法的范疇 現(xiàn)代設(shè)計理論與方法主要包括：優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、設(shè)計方法學、計算機輔助設(shè)計、動態(tài)設(shè)計、有限元法、工業(yè)藝術(shù)造型設(shè)計、人機工程、并行工程、價值工程、反求工程設(shè)計、模塊化設(shè)計、相似性設(shè)計、虛擬設(shè)計、疲勞(plo)設(shè)計、三次設(shè)計、摩擦學設(shè)計、綠色設(shè)計等。共五十頁（3）現(xiàn)代設(shè)計方法的基本(jbn)特點程式(chngsh)性創(chuàng)造性系統(tǒng)性最優(yōu)化綜合性計算機化共五十頁（4）現(xiàn)代設(shè)計(shj)原則 設(shè)計原則(yunz)是對設(shè)計行為的約束?，F(xiàn)代設(shè)計原則(yunz)是傳統(tǒng)設(shè)計原則(yunz)的擴充和完善。1.功能滿

12、足原則 2.質(zhì)量保障原則 3.工藝優(yōu)良原則 4.經(jīng)濟合理原則 5.社會使用原則 共五十頁 設(shè)計(shj)的系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)要具備所需的全部功能。 功能滿足(mnz)原則共五十頁 產(chǎn)品質(zhì)量主要由性能和可靠性決定，因此，這類原則包括多方面的要求： 性能指標、可靠性、強度、剛度、穩(wěn)定性、抗磨損性、抗腐蝕性、抗蠕變性、動態(tài)特性(txng)、平衡特性(txng)、熱特性(txng)、磁特性(txng)質(zhì)量保障(bozhng)原則共五十頁 設(shè)計能夠且容易通過生產(chǎn)過程實現(xiàn)。包括(boku)：1）可制造性2）可裝配性3）可測試性工藝優(yōu)良(yuling)原則共五十頁 要求(yoqi)產(chǎn)品具有較低的開發(fā)成本和使用費用。

13、經(jīng)濟(jngj)合理原則共五十頁 考慮產(chǎn)品投放市場后的表現(xiàn)(bioxin)行為。包括： 1）環(huán)境友好性 2）環(huán)境適應(yīng)性 3）人機友好性 4）可維修性社會(shhu)使用原則5）安全性6）可安裝性7）可拆卸性8）可回收性共五十頁設(shè)計(shj)任務(wù)書任務(wù)書分析(fnx)確定設(shè)計條件運用系統(tǒng)工程和創(chuàng)造性方法進行總體方案構(gòu)思繪制總圖、零部件圖編制技術(shù)文件結(jié)束條件協(xié)商修改設(shè)計方案用價值分析、優(yōu)選法等進行方案的論證技術(shù)設(shè)計與分析最優(yōu)？綜合分析程序庫（系統(tǒng)工程分析程序、優(yōu)化程序、可靠性分析程序等）設(shè)計資料庫（各種技術(shù)、標準、規(guī)范、產(chǎn)品目錄、用戶記錄等）圖庫（基本幾何圖、標準零部件圖）設(shè)計程序庫（零部件設(shè)計程

14、序、有限元、邊界元分析程序）用戶要求與市場信息否是現(xiàn)代設(shè)計過程共五十頁0.2 主要現(xiàn)代設(shè)計(shj)方法簡介0.2.1主要現(xiàn)代設(shè)計方法簡介 優(yōu)化設(shè)計(shj)計算機輔助設(shè)計 可靠性設(shè)計創(chuàng)新設(shè)計概念設(shè)計動態(tài)設(shè)計智能設(shè)計虛擬設(shè)計可視化設(shè)計網(wǎng)絡(luò)設(shè)計并行設(shè)計數(shù)字化設(shè)計疲勞設(shè)計摩擦設(shè)計有限元法綠色設(shè)計價值工程相似設(shè)計共五十頁1. 優(yōu)化設(shè)計（Optimal Design） 優(yōu)化設(shè)計亦稱為最優(yōu)化設(shè)計，是以數(shù)學規(guī)劃理論為基礎(chǔ)，以電子計算機為輔助工具，將設(shè)計問題按規(guī)定的格式(g shi)建立數(shù)學模型，并選擇合適的優(yōu)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(yōu)設(shè)計方案。 優(yōu)化設(shè)計包括全生命周期優(yōu)化設(shè)計

15、、廣義優(yōu)化設(shè)計、集成優(yōu)化與綜合優(yōu)化。共五十頁全生命周期優(yōu)化設(shè)計：在產(chǎn)品的生命周期內(nèi)對產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)計，是一種綜合優(yōu)化方法(fngf)，具有重要的實際意義。廣義優(yōu)化設(shè)計：包括各種優(yōu)化方法在內(nèi)的產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計，如以數(shù)學規(guī)劃為基礎(chǔ)的優(yōu)化方法、通過專家系統(tǒng)進行優(yōu)化的方法、通過對獲取的信息進行綜合分析的優(yōu)化方法等。集成優(yōu)化與綜合優(yōu)化：對產(chǎn)品的整個系統(tǒng)、產(chǎn)品的全部結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用的全部過程（包括產(chǎn)品的全生命周期）、產(chǎn)品的全部功能和性能的優(yōu)化等。共五十頁2. 計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD） 計算機輔助設(shè)計是設(shè)計人員借助計算機進行設(shè)計的方法。其特點是將人的創(chuàng)造能力(

16、nngl)和計算機的高速運算能力(nngl)，巨大存儲能力(nngl)和邏輯判斷能力(nngl)很好地結(jié)合起來，可以極大地提高設(shè)計質(zhì)量，減輕設(shè)計人員的勞動，縮短設(shè)計周期，降低產(chǎn)品成本，為開發(fā)新產(chǎn)品和新工藝創(chuàng)造了有利條件。共五十頁3. 有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM） 有限元法是用有限個單元將連續(xù)體離散化，通過對有限個單元作分片插值求解各種力學(l xu)、物理問題的一種數(shù)值方法。目前，有限元法被廣泛應(yīng)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(xié)調(diào)、不協(xié)調(diào)、混合、雜交、擬協(xié)調(diào)元等。共五十頁4. 可靠性設(shè)計（Reliability Design） 可靠性設(shè)計

17、就是事先考慮可靠性的一種設(shè)計方法?？煽啃员硎?biosh)系統(tǒng)、設(shè)備、元器件的功能在規(guī)定條件和規(guī)定時間內(nèi)的穩(wěn)定程度的特性，是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一個重要指標。 可靠性設(shè)計是近年來發(fā)展起來并推廣應(yīng)用的一門現(xiàn)代設(shè)計理論和方法，以提高產(chǎn)品可靠性為目的，以概率論與數(shù)理統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)，綜合運用數(shù)學、物理、工程力學、人機工程學、系統(tǒng)工程學等方面的知識來研究機械工程的最佳設(shè)計問題。共五十頁5. 創(chuàng)新設(shè)計（Creation Design） 創(chuàng)新設(shè)計提倡的是設(shè)計的創(chuàng)造性，一旦設(shè)計工作者提出的新原理是合理可行的，就可以(ky)從根本上改變產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，進而提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期、改善產(chǎn)品對環(huán)境的影響等。

18、 創(chuàng)新包括原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進消化吸收后再創(chuàng)新。但是產(chǎn)品設(shè)計的創(chuàng)新性應(yīng)該具有科學性，創(chuàng)新者除了要掌握有關(guān)基礎(chǔ)理論與知識外，還要掌握科學的方法。共五十頁6. 概念設(shè)計（Conceptual Design） 概念設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是根據(jù)產(chǎn)品生命周期各個階段的要求，進行產(chǎn)品的功能創(chuàng)造、功能分解和功能集成；要對滿足工作原理要求的結(jié)構(gòu)進行求解，對實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的工作原理方案進行構(gòu)思和系統(tǒng)化設(shè)計。 概念設(shè)計是運用(ynyng)發(fā)散思維和創(chuàng)新思想整合梳理的過程，是一個研究和求解能實現(xiàn)功能要求和滿足各種技術(shù)、經(jīng)濟指標的各種方案并最終確定最優(yōu)方案的過程。共五十頁7. 動態(tài)設(shè)計（Dynamic De

19、sign） 動態(tài)設(shè)計強調(diào)產(chǎn)品在動態(tài)過程中的特性，目前尚處于初級階段，許多深層次動態(tài)設(shè)計問題正處于研究過程中。 目前多數(shù)旋轉(zhuǎn)機械事故是在強非線性、強耦合、非穩(wěn)態(tài)的條件下發(fā)生的，從而促使(csh)動態(tài)設(shè)計從一般的動態(tài)設(shè)計向更深層次的方向發(fā)展，即向非穩(wěn)態(tài)（慢變、參變、時滯等）、非線性、不確定、強耦合、高維、多參數(shù)的研究方向發(fā)展。共五十頁8. 智能設(shè)計（Intelligent Design） 智能設(shè)計有兩層含義，一是用智能方法進行設(shè)計，二是使設(shè)計的對象智能化。 通常所講的智能設(shè)計是對產(chǎn)品的性能參數(shù)及其工作過程(guchng)進行智能控制和優(yōu)化，使產(chǎn)品具有優(yōu)良的工作性能，進而給產(chǎn)品帶來經(jīng)濟效益和社會效益

20、。共五十頁9. 虛擬設(shè)計（Virtual Design） 采用虛擬設(shè)計技術(shù)對產(chǎn)品進行模擬，使用者可以直接從外觀上或功能上比較全面(qunmin)地了解產(chǎn)品的情況，很多情況下，甚至可以通過虛擬技術(shù)代替真實情況，從而大大降低產(chǎn)品研究與開發(fā)的成本。載人航天工程(gngchng)中廣泛使用虛擬人技術(shù)共五十頁0.2.2 現(xiàn)代機械設(shè)計理論與方法的發(fā)展趨勢 就目前國內(nèi)外的研究狀況來看，現(xiàn)代機械產(chǎn)品的設(shè)計理論與方法正在向以下幾個主導(dǎo)方向發(fā)展：（1）在科學發(fā)展觀和自主創(chuàng)新思想指導(dǎo)下的設(shè)計理論與方法（2）面向產(chǎn)品質(zhì)量、成本或壽命的設(shè)計理論與方法（3）加快設(shè)計速度及實施設(shè)計智能化的設(shè)計理論與方法（4）面向復(fù)雜系統(tǒng)和

21、高難度問題（非線性、非穩(wěn)態(tài)、高維、強耦合、不穩(wěn)定(wndng)、多變量等）的設(shè)計理論與方法；（5）面向產(chǎn)品廣義質(zhì)量的綜合設(shè)計理論與方法。共五十頁0.3 學習現(xiàn)代設(shè)計方法的意義與任務(wù)1. 學習現(xiàn)代設(shè)計方法的意義（1）產(chǎn)品設(shè)計是決定產(chǎn)品性能、質(zhì)量、水平和經(jīng)濟效益的重要一環(huán)。產(chǎn)品的競爭能力，在很大程度上取決于產(chǎn)品的設(shè)計。為此，在產(chǎn)品設(shè)計中就必須大力推廣目前在國際上已經(jīng)(y jing)廣泛應(yīng)用并取得顯著效果的先進設(shè)計方法，以提高我國的設(shè)計水平，縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期并提高產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，作為21世紀的設(shè)計工程師，學習和掌握現(xiàn)代設(shè)計方法及技術(shù)具有特別重要的意義。共五十頁（2）設(shè)計人員是新產(chǎn)品的重要創(chuàng)造者，