現(xiàn)代設計方法學課件

1、現(xiàn)代設計技術(shù)概述提要1 現(xiàn)代設計技術(shù)的內(nèi)涵及其體系 2 現(xiàn)代設計技術(shù)的特點3 現(xiàn)代設計的發(fā)展趨勢展望1.1.1設計方法的發(fā)展史 1.1.2各國在設計方法研究方面的情況1.1.3設計的類型1.1.4現(xiàn)代設計技術(shù)的內(nèi)涵1.1.5 現(xiàn)代設計技術(shù)的體系1 現(xiàn)代設計技術(shù)的內(nèi)涵及其體系 1.1設計方法的發(fā)展史 設計是把各種先進科學技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的一種手段和方法就機械系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)范疇而言，它是從給定的合理的目標參數(shù)出發(fā)，通過各種手段和方法創(chuàng)造出一個所需的優(yōu)化系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)的過程1）17世紀前的“直覺設計階段”: 憑直觀感覺來設計制作工具和機械，往往帶有一定的盲目性2）17世紀后的“經(jīng)驗設計階段”任何設計都是

2、開發(fā)和創(chuàng)造新的系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的過程依靠個人的才能和經(jīng)驗，運用一些基本設計計算理論，借助類比、模擬和試湊等方法進行設計 3）半理論半經(jīng)驗設計階段傳統(tǒng)的設計階段用紙、鉛筆或二維繪圖軟件建造實驗環(huán)境，用傳感器測量載荷、變形和運動狀態(tài)設計繪圖制造實物樣機實物樣機實驗產(chǎn)品定型生產(chǎn)制造實物零件并裝配發(fā)現(xiàn)問題、重新修改設計傳統(tǒng)機械產(chǎn)品設計方法產(chǎn)品概念設計三維結(jié)構(gòu)設計運動學、動力學仿真分析有限元分析、尺寸、結(jié)構(gòu)優(yōu)化虛擬樣機驗證產(chǎn)品中的運動機構(gòu)原理是否正確驗證產(chǎn)品是否有強剛度振動等問題運動學問題動力學問題現(xiàn)代機械產(chǎn)品設計方法1.2各國在設計方法研究方面的情況1963年至1964年間舉行了全國性“薄弱環(huán)節(jié)在于設計的討

3、論會”，制訂了一批有關(guān)設計工作的指導性文件廣泛開展了設計競賽，加強了在設計過程中的創(chuàng)造性開發(fā)、技術(shù)可行性、可靠性、價值分析等方面的研究相應在高等學校中開設了設計方法和CAD等專題的課題1963年提出工程設計思想舉辦了有關(guān)產(chǎn)品系統(tǒng)規(guī)劃、創(chuàng)造設計與發(fā)展、CAD等許多專題的培訓班與討論會德國:英國:其它國家 如前蘇聯(lián)、東歐及北歐，也都開展了設計理論和方法的研究工作自1980年以來，也進行了一些工作“六五”期間，國家科技攻關(guān)中的優(yōu)化設計、CAD、工業(yè)藝術(shù)造型設計、模塊化設計等已取得實用性成果，并在一部分科技人員中間進行了現(xiàn)代設計方法的培訓。我國通過派留學生到國外進修學習和請國外專家來講學，組織各種類型

4、的講習班，培訓班、開展國內(nèi)外學術(shù)交流1.3設計的類型1）開發(fā)性設計運用成熟的科學技術(shù)，從工作原理和結(jié)構(gòu)上設計過去沒有的新型產(chǎn)品首創(chuàng)性、完全創(chuàng)新性在原理、方案基本保持不變的前提下，對產(chǎn)品作局部的變更設計，使之更能滿足用戶的需求 2）適應性設計3）變型設計在功能和工作原理不變的情況下，變更現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)配置、布置方式和尺寸，使之適應多方面的使用要求 如：內(nèi)燃機增設節(jié)油器以節(jié)約燃料、增設增壓器以提高輸出的功率1.4現(xiàn)代設計技術(shù)的內(nèi)涵以滿足市場產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、時間、成本/價格綜合效益最優(yōu)為目的，以計算機輔助設計技術(shù)為主體，以知識為依托，以多種科學方法及技術(shù)為手段，研究、改進、創(chuàng)造產(chǎn)品活動過程所用到的

5、技術(shù)群體的總稱。 當今科技，有一個非常明顯的發(fā)展趨勢:科學技術(shù)的重心正在由材料（物質(zhì)）和能量轉(zhuǎn)向信息 現(xiàn)代設計技術(shù)與其它科學技術(shù)一樣，其內(nèi)涵與外延是變化的、動態(tài)的 1.5 現(xiàn)代設計技術(shù)的體系CAD -Computer Aided Design （計算機輔助設計）的定義： 1973年國際信息聯(lián)合會：CAD是將人和機器混編在解題作業(yè)中的一種技術(shù)，從而使人和機器的最好特性聯(lián)系起來。 20世紀80年代初，第二屆國際CAD會議：CAD是一個系統(tǒng)的概念，包括計算、圖形、信息自動交換、分析和文件處理五個方面 1984年國際設計及綜合討論會：CAD不僅是設計手段，而且是一種新的設計方法和思維CAD概念的產(chǎn)生和

6、發(fā)展 20世紀60年代初，美國麻省理工學院開發(fā)了名為Sketchpad的計算機交互圖形處理系統(tǒng)，形成了CAD的最初概念：科學計算、繪圖 20世紀70年代中期，CAD開始進入實用階段，主要技術(shù)特點是二維、三維線框造型，只能表達基本的幾何信息。不能有效表達幾何數(shù)據(jù)的拓撲關(guān)系，價格昂貴現(xiàn)代CAD：使用計算機系統(tǒng)進行設計的全過程，包括資料檢索、方案構(gòu)思、零件造型、工程分析、工程制圖、文檔匯編 20世紀70年代后期，CAD進入發(fā)展時期。飛機和汽車制造中的大量自由曲面問題促進了CAD的自由曲面造型技術(shù)發(fā)展。曲面造型系統(tǒng)為人類帶來了第一次CAD技術(shù)革命。 20世紀80年代初，CAD實現(xiàn)了實體造型技術(shù)，能夠精

7、確表達零件的屬性（如質(zhì)量、質(zhì)心、慣性矩等）。稱之為CAD發(fā)展史上第二次革命。 20世紀80年代中期，CAD實現(xiàn)了參數(shù)化實體造型技術(shù)，其特點是：基于特征、全尺寸約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動設計修改等。參數(shù)化技術(shù)的應用主導了CAD發(fā)展史上的第三次技術(shù)革命。 20世紀90年代初期，由于參數(shù)化技術(shù)存在許多不足，提出了比參數(shù)化更為先進的實體造型技術(shù)-變量化技術(shù)。CAD技術(shù)發(fā)展的第四次技術(shù)革命。典型的CAD/CAE軟件簡介 1）CATIA(Computer Aided Three-dimensional Interface Application) 由法國達索飛機公司與IBM合作開發(fā)的CAD/CAE/CAM

8、軟件系統(tǒng)，主要用于機械制造、工程設計、電子行業(yè)。主要特點是具有很強的三維復雜曲面造型和加工編程能力。2）Solidworks美國Solidworks公司產(chǎn)品，具有高級曲面造型、大型裝配能力。3）Solidedge美國EDS公司產(chǎn)品。4）Autocad美國Autodesk公司產(chǎn)品。著名的二維設計軟件。5）CAXA北航海爾軟件公司產(chǎn)品。國產(chǎn)二維、三維設計軟件計算機輔助設計與制造（CAD/CAM）產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM)計算機輔助工藝規(guī)程設計（CAPP）柔性制造系統(tǒng)（FMS）計算機數(shù)控技術(shù)（CNC）管理信息系統(tǒng)（MIS）計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS） 與CAD相關(guān)的概念（3）支撐技術(shù) 現(xiàn)代設計方法學涉

9、及的內(nèi)容很廣，如并行設計、系統(tǒng)設計、功能設計、模塊化設計、價值工程、質(zhì)量功能配制、反求工程、綠色設計、模糊設計、面向?qū)ο蟮脑O計、工業(yè)造型設計等 可信性設計技術(shù)主要指可靠性與安全性設計、動態(tài)分析與設計、防斷裂設計、疲勞設計、耐腐蝕設計、減摩和耐磨損設計、健壯設計(賦予產(chǎn)品或過程健壯性、高性能和低成本的設計)、耐環(huán)境設計、維修性設計、人機工程設計等 設計試驗技術(shù)不僅指通常的產(chǎn)品性能試驗，還應包括可靠性試驗、環(huán)保性能試驗與控制，以及運用計算機技術(shù)的數(shù)字仿真試驗和虛擬試驗等 現(xiàn)代設計方法學按照方法論分如系統(tǒng)分析法、人機工程以及面向產(chǎn)品生命周期中各個階段（如設計、制造、使用、回收處理等）的設計。3）控制

10、論方法：4）優(yōu)化論方法(Optimal design)：1)信息論方法：如信息分析法、技術(shù)預測法等它是現(xiàn)代設計方法的前提它是現(xiàn)代設計方法的目標2)系統(tǒng)論方法：如動態(tài)分析法如相似設計、反求工程設計等5）對應論方法：如計算機輔助設計(CAD)、CAE、并行工程、虛擬設計、人工智能（主要是專家系統(tǒng)）等6）智能化方法：如可靠性設計、價值工程和穩(wěn)健性設計等如有限元法和邊界元方法如模糊評價和決策等7）壽命論方法：8）離散論方法：9）模糊論方法：它是現(xiàn)代設計方法的核心10）突變論方法：11）藝術(shù)論方法1.2 現(xiàn)代設計技術(shù)的特點設計理論與方法的延伸、思維的變化及設計范疇的擴展設計理論與方法的延伸體現(xiàn)在設計原理

11、、方法、思維、哲理等方面的創(chuàng)新 如創(chuàng)造性設計等它是現(xiàn)代設計方法的基礎如藝術(shù)造型等2多種設計技術(shù)、理論與方法的交叉與綜合設計范疇在不斷擴大 傳統(tǒng)的設計通常只限于方案設計、技術(shù)設計 現(xiàn)代設計內(nèi)容與邊界：產(chǎn)品規(guī)劃、制造過程的工藝、檢驗、試驗、包裝、運輸直至營銷、市場策劃、產(chǎn)品運行、維護使用到報廢回收全過程全生命周期各個環(huán)節(jié)的設計 計算機技術(shù)與信息科學對機械產(chǎn)品的滲透、改造與應用 現(xiàn)代的機械產(chǎn)品正朝著機電一體化，物質(zhì)、能量、信息一體化，集成化，模塊化方向發(fā)展 3設計手段的精確化、計算機化、自動化與虛擬化傳統(tǒng)設計中:安全系數(shù)和一系列的載荷系數(shù)、應力系數(shù)及其它影響系數(shù)等加以考慮，這往往使計算的結(jié)果誤差較大

12、現(xiàn)代設計技術(shù)可以采用概率設計（可靠性設計）描述載荷應力、環(huán)境條件等隨機因素的分布規(guī)律，通過有限元法、動態(tài)分析、疲勞設計、防斷裂設計、健壯設計、耐環(huán)境設計等分析工具和建模手段，準確模擬系統(tǒng)的真實情況 （1）精確化（2）計算機化 工程設計的計算機軟件，且已商品化 發(fā)展到優(yōu)化設計、并行設計、三維特征建模、設計過程管理、面向制造與面向裝配的設計制造一體化，形成了CAD、計算機輔助工藝規(guī)程（Computer Aided Process PlanningCAPP）、計算機輔助制造（Computer Aided ManufacturingCAM）的集成化、網(wǎng)格化計算機輔助分析計算和輔助繪圖逐步向設計智能化、

13、模擬仿真和虛擬設計、國際互聯(lián)網(wǎng)絡條件下進行計算機輔助設計過渡（3）自動化 設計自動化軟件主要包括三個方面： 主模型，它是中央數(shù)據(jù)庫，為設計提供各種數(shù)據(jù)信息基于知識的應用軟件產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM：幾何精度、材質(zhì)、各種設計參數(shù)、零部件的聯(lián)系、相關(guān)性、有限元結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)，以及質(zhì)量控制和營銷數(shù)據(jù)等 控制著文檔及設計的建立、修改、檢查和批準，并組織、跟蹤和控制信息的存?。?）虛擬化 以虛擬現(xiàn)實的系統(tǒng)軟件在計算機上實現(xiàn)仿真、實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的三維建模，包括幾何建模，運動建模、物理建模、對象特性建模及模型切分等，使設計者能在虛擬的設計環(huán)境下看到設計內(nèi)容 4并行化、最優(yōu)化和智能化的設計過程5面向產(chǎn)品壽命周期全過程的

14、可信性設計可信性設計主要包括：可靠性設計，安全性設計、防斷裂設計、疲勞設計、防腐蝕性設計、減摩和耐磨損設計、動態(tài)分析與設計、健壯設計、耐環(huán)境設計、維修性設計和維修保障設計、人機工程設計等等 6多種設計試驗技術(shù)的綜合運用物理模型試驗、動態(tài)試驗、可靠性試驗、產(chǎn)品環(huán)保性能試驗與控制等物理模型試驗通常以樣機進行臺架試驗或現(xiàn)場的工業(yè)性試驗，以驗證產(chǎn)品的性能 動態(tài)試驗運用電液伺服技術(shù)、計算機控制技術(shù)等現(xiàn)代試驗手段在試驗中再現(xiàn)實測的隨機載荷譜，對產(chǎn)品進行動態(tài)性能試驗 可靠性試驗是為了提高產(chǎn)品的可靠性、評價和驗證產(chǎn)品的可靠性而進行的關(guān)于產(chǎn)品失效及影響的各種試驗，并用概率與數(shù)理統(tǒng)計方法對試驗數(shù)據(jù)進行處理，從而得

15、到或增長產(chǎn)品的可靠性指標 1.3 現(xiàn)代設計技術(shù)的發(fā)展趨勢展望1）設計過程的數(shù)字化產(chǎn)品環(huán)保性能試驗與控制:以檢測、控制產(chǎn)品的污染（如噪聲、振動、廢氣、廢水的排放量、光輻射等），達到保護生態(tài)環(huán)境、人機和諧的一種試驗、控制技術(shù) 現(xiàn)代設計技術(shù)定義: 是以傳統(tǒng)設計理論與方法為基礎， 以計算機廣泛應用為標志， 具有信息時代特征的一種設計技術(shù) 要完善工程對象中確定性變量的數(shù)學描述和數(shù)學建模要研究非確定性變量，包括隨機變量、隨機過程、模糊變量（人的智能、經(jīng)驗、創(chuàng)造力、語言及政治、經(jīng)濟、人文等社會科學因素）等的數(shù)學描述和數(shù)學建模2）設計過程的自動化和智能化研究 3）動態(tài)多變量優(yōu)化和工程不確定模型優(yōu)化（模糊優(yōu)化）

16、、不可微模型優(yōu)化及多目標優(yōu)化等優(yōu)化方法與程序的研究，并進一步發(fā)展到廣義工程大系統(tǒng)的優(yōu)化設計的研究4）網(wǎng)絡化并行設計及協(xié)同設計技術(shù)、方法及軟件的研究5）虛擬設計和仿真虛擬試驗及快速成形技術(shù)的深入研究6）大力普及、推廣與發(fā)展CAD技術(shù)的應用研究，其重點是研制開發(fā)功能強的商品化軟件以計算機仿真為基礎，集計算機圖形學、智能技術(shù)、并行工程、人機工程、材料、成形工藝、光電傳感技術(shù)和多媒體技術(shù)為一體的綜合學科研究CAD技術(shù)的發(fā)展主要圍繞在標準化、開放化、集成化、智能化四方面 除了CAD支撐軟件逐步實現(xiàn)ISO標準和工業(yè)標準外，還需要面向應用的標準構(gòu)件（零部件庫）標準化 CAD系統(tǒng)目前廣泛建立在開放式操作系統(tǒng)窗

17、口9598NT和UNIX平臺上，在Java LINUX平臺上也有CAD產(chǎn)品，此外CAD系統(tǒng)都為最終用戶提供二次開發(fā)環(huán)境，甚至這類環(huán)境可開發(fā)其內(nèi)核源碼，使用戶可定制自已的CAD系統(tǒng) 開放化其一是廣義CAD功能CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP經(jīng)過多種集成形式成為企業(yè)一體化解決方案，推動企業(yè)信息化進程集成化其三是CAD基于網(wǎng)絡計算環(huán)境實現(xiàn)異地、異構(gòu)系統(tǒng)在企業(yè)間的集成其二是將CAD技術(shù)能采用的算法，甚至功能模塊或系統(tǒng)，做成專用芯片，以提高CAD系統(tǒng)的效率目前創(chuàng)新設計能力（CAD）與現(xiàn)代企業(yè)管理能力（ERP、PDM）的集成，已成為企業(yè)信息化的重點智能化 智能CAD不僅僅是簡單地將現(xiàn)有的智能技術(shù)與CAD技術(shù)相結(jié)合，更要深入研究人類設計的思維模型，并用信息技術(shù)來表達和模擬它 CAD技術(shù)研究開發(fā)熱點1計算機輔助概念設計 分為兩大類：即自動生成方案和交互生成方案 2計算機支持的協(xié)同設計 用于支持設計群體成員交流設計思想、討論設計結(jié)果、發(fā)現(xiàn)成員間接口的矛盾和沖突，及時地加以協(xié)調(diào)和解決，減少以至避免設計的反復，從而進一步提高設計工作的效率和質(zhì)量 主要面臨如下三大問題：（2）異構(gòu)平臺 （3）人人交互 3、海量信息存儲、管理和檢索 4、設計法研究及其相關(guān)問題 5、支持設計創(chuàng)新 6、新技術(shù)在CAD中的應用如虛擬現(xiàn)實與CAD集成、計算機安全 （1）群體成員間多媒體信息傳輸