現(xiàn)代設(shè)計方法緒論

現(xiàn)代設(shè)計方法ModernDesignMethod工學(xué)院廖慶喜姓名：

廖慶喜單位：

工學(xué)院聯(lián)系方式：87282121(O)

0緒論本章主要內(nèi)容設(shè)計的根本概念現(xiàn)代設(shè)計方法的分類及主要現(xiàn)代設(shè)計方法簡介學(xué)習(xí)現(xiàn)代設(shè)計方法的意義與任務(wù)本章重難點掌握設(shè)計的根本概念與內(nèi)涵，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)計方法的根本特點，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(rèn)識，同時對學(xué)習(xí)現(xiàn)代設(shè)計方法的意義和任務(wù)應(yīng)有明確的認(rèn)識。英國前首相撒切爾夫人對工業(yè)設(shè)計有一句非常精辟的論斷:“對工業(yè)設(shè)計投入一分，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)品帶來豐厚的利潤.0.1設(shè)計的根本概念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?！?〕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?！?〕設(shè)計狹義概念設(shè)計是指完成滿足一定客觀需求的技術(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。

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、社會、環(huán)境、人機工程學(xué)、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〔3〕設(shè)計的概念定義一：從給出的合理目標(biāo)參數(shù)出發(fā)，通過各種方法和手段創(chuàng)造出一個所需的優(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(xué)會，InternationalCouncilSocietiesofIndustrialDesign):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、效勞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。定義三：設(shè)計是為了滿足人類與社會的要求，將預(yù)定的目標(biāo)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。世界上獨一無二的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計——“鳥巢〞0.1.2現(xiàn)代設(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)營模式上發(fā)生的根本性變化

1.設(shè)計理論和實踐的變化過去，在理論上主要以力學(xué)為根底，在實踐上主要以經(jīng)驗作為根底現(xiàn)在，作為根底的理論遠不止力學(xué)，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(xué)、計算機等等，作為實踐的根底遠不止經(jīng)驗，而且還涉及各有關(guān)的學(xué)科，同時，自身也在形成自己的學(xué)科體系——制造理論、工藝?yán)碚??！?〕設(shè)計對象由單機走向系統(tǒng)；〔2〕設(shè)計要求由單目標(biāo)走向多目標(biāo)；〔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(dān)設(shè)計工作的人員從單人走向小組；〔5〕產(chǎn)品更新速度加快，設(shè)計周期縮短；〔6〕產(chǎn)品設(shè)計由自由開展走向有方案的開展；〔7〕設(shè)計的開展要適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的開展，特別是適應(yīng)計算機技術(shù)的開展。2.產(chǎn)品功能要求的變化洗衣機功能的變化歷程3.產(chǎn)品制造技術(shù)的變化機械制造技術(shù)正在徹底改造，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?zé)狳c之一。4.機械行業(yè)在經(jīng)營模式上發(fā)生的根本性變化

從以產(chǎn)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(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，在方案經(jīng)濟時代，企業(yè)不擔(dān)憂產(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，時刻關(guān)注市場信息——生產(chǎn)市場需要的產(chǎn)品。這些變化的產(chǎn)生，促使人們不得不開始新的思考、新的認(rèn)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)濟時代開展需要的學(xué)科。0.1.3傳統(tǒng)設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計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，即所謂的傳統(tǒng)設(shè)計階段。機械產(chǎn)品傳統(tǒng)設(shè)計過程產(chǎn)品規(guī)劃〔明確設(shè)計任務(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1〕傳統(tǒng)設(shè)計過程分析傳統(tǒng)設(shè)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。在信息處理、知識的存儲和重復(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)計完全是依靠手工完成的2〕傳統(tǒng)設(shè)計的缺陷和局限性設(shè)計方案的擬定在很大程度上取決于設(shè)計者的個人經(jīng)驗，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)量設(shè)計工作周期長，效率低，本錢高總之，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)代科技的開展、生產(chǎn)技術(shù)的需要和市場的劇烈競爭以及先進設(shè)計手段的出現(xiàn)，傳統(tǒng)設(shè)計方法難以滿足當(dāng)今時代的要求，從而迫使人們不斷研究和開展新的設(shè)計方法和技術(shù)。2.現(xiàn)代設(shè)計〔1〕現(xiàn)代設(shè)計方法的概念現(xiàn)代設(shè)計是過去長期的傳統(tǒng)設(shè)計活動的延伸和開展，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)計理論的開展以及科學(xué)技術(shù)的進步，特別是計算機技術(shù)的高速開展，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。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、本錢、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(xué)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?，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?！?〕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(xué)、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、疲勞設(shè)計、三次設(shè)計、摩擦學(xué)設(shè)計、綠色設(shè)計等。〔3〕現(xiàn)代設(shè)計方法的根本特點程式性創(chuàng)造性系統(tǒng)性最優(yōu)化綜合性計算機化〔4〕現(xiàn)代設(shè)計原那么設(shè)計原那么是對設(shè)計行為的約束?，F(xiàn)代設(shè)計原那么是傳統(tǒng)設(shè)計原那么的擴充和完善。1.功能滿足原那么2.質(zhì)量保障原那么3.工藝優(yōu)良原那么4.經(jīng)濟合理原那么5.社會使用原那么設(shè)計的系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)要具備所需的全部功能。功能滿足原那么產(chǎn)品質(zhì)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(biāo)、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、平衡特性、熱特性、磁特性……質(zhì)量保障原那么設(shè)計能夠且容易通過生產(chǎn)過程實現(xiàn)。包括：1〕可制造性2〕可裝配性3〕可測試性工藝優(yōu)良原那么要求產(chǎn)品具有較低的開發(fā)本錢和使用費用。經(jīng)濟合理原那么考慮產(chǎn)品投放市場后的表現(xiàn)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(shè)計任務(wù)書任務(wù)書分析確定設(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(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品目錄、用戶記錄等〕圖庫〔根本幾何圖、標(biāo)準(zhǔn)零部件圖〕設(shè)計程序庫〔零部件設(shè)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(xiàn)代設(shè)計過程0.2主要現(xiàn)代設(shè)計方法簡介主要現(xiàn)代設(shè)計方法簡介

優(yōu)化設(shè)計計算機輔助設(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……1.優(yōu)化設(shè)計〔OptimalDesign〕優(yōu)化設(shè)計亦稱為最優(yōu)化設(shè)計，是以數(shù)學(xué)規(guī)劃理論為根底，以電子計算機為輔助工具，將設(shè)計問題按規(guī)定的格式建立數(shù)學(xué)模型，并選擇適宜的優(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、廣義優(yōu)化設(shè)計、集成優(yōu)化與綜合優(yōu)化。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，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(xué)規(guī)劃為根底的優(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。2.計算機輔助設(shè)計〔ComputerAidedDesign，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(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)品本錢，為開發(fā)新產(chǎn)品和新工藝創(chuàng)造了有利條件。3.有限元法〔FiniteElementMethod，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(xué)、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。4.可靠性設(shè)計〔ReliabilityDesign〕可靠性設(shè)計就是事先考慮可靠性的一種設(shè)計方法。可靠性表示系統(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(biāo)。可靠性設(shè)計是近年來開展起來并推廣應(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)計理論為根底，綜合運用數(shù)學(xué)、物理、工程力學(xué)、人機工程學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)等方面的知識來研究機械工程的最正確設(shè)計問題。5.創(chuàng)新設(shè)計〔CreationDesign〕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)本錢、縮短生產(chǎn)周期、改善產(chǎn)品對環(huán)境的影響等。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(xué)性，創(chuàng)新者除了要掌握有關(guān)根底理論與知識外，還要掌握科學(xué)的方法。6.概念設(shè)計〔ConceptualDesign〕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(biāo)的各種方案并最終確定最優(yōu)方案的過程。7.動態(tài)設(shè)計〔DynamicDesign〕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，從而促使動態(tài)設(shè)計從一般的動態(tài)設(shè)計向更深層次的方向開展，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)的研究方向開展。8.智能設(shè)計〔IntelligentDesign〕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。9.虛擬設(shè)計〔VirtualDesign〕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)的本錢。載人航天工程中廣泛使用虛擬人技術(shù)0.2.2現(xiàn)代機械設(shè)計理論與方法的開展趨勢就目前國內(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)方向開展：〔1〕在科學(xué)開展觀和自主創(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、本錢或壽命的設(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)