《機械設計基礎 》課件第17章

第17章現(xiàn)代設計技術17.1概述

17.2設計方法學

17.3產品創(chuàng)新設計

17.4反求工程設計

17.5虛擬設計

17.6綠色設計

17.7現(xiàn)代設計技術的發(fā)展趨勢思考與練習題

17.1.1現(xiàn)代設計技術的內涵與特點

所謂設計，是將用戶的需求經過設計者的創(chuàng)造性思維、規(guī)劃和決策，最終形成可應用于制造的各種信息。工程設計包括產品規(guī)劃、方案設計、總體設計、施工設計、工藝設計等內容。工程設計的結果對產品的功能、質量、價格甚至交貨期都有著極其重要的影響。17.1概述現(xiàn)代設計技術是指以滿足產品的質量、性能、成本/價格綜合效益最優(yōu)化為目的，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(chuàng)造產品活動過程中所用到的技術群體的總稱?，F(xiàn)代設計技術是多學科交叉融合的產物，是傳統(tǒng)設計技術的繼承、延伸和發(fā)展，并且正向集成化、智能化、并行化、網絡化、虛擬化、微型化和生態(tài)化方向發(fā)展，逐步成為相對獨立、平臺共享的智力產業(yè)?，F(xiàn)代設計技術具有以下特點。

1．社會性與環(huán)保性

在現(xiàn)代工程設計開發(fā)新產品的整個過程中，設計的范疇在不斷擴大。傳統(tǒng)的工程設計只局限于產品本身的設計，由專業(yè)技術人員指導設計，設計與制造過程中較為注重產品的技術性、經濟性，而很少考慮產品的社會性問題。而現(xiàn)代工程設計則是將產品的設計過程進行拓展，向前擴展到用戶需求分析、產品規(guī)劃等；向后擴展到加工工藝設計，使產品規(guī)劃、設計、加工工藝設計等環(huán)節(jié)形成一個有機整體。同時在設計過程中還應考慮到運輸、銷售、回收以及質量等因素，將產品從概念形成到報廢處理的全生命周期中的所有問題，都以面向社會、面向市場為指導思想進行全方位考慮。此外，現(xiàn)代設計強調用戶參與設計過程，只有這樣形成的產品才能準確反映用戶的要求，取得用戶的最大滿意。同時重視環(huán)保的設計也必將成為工程設計的一個主要發(fā)展趨勢。產品的環(huán)保設計要求設計出綠色產品，要求生產產品、使用產品過程中的各種污染都要盡可能少，使其對人體和環(huán)境的危害降低到最低程度。

2．設計并行化與設計、制造一體化

傳統(tǒng)的產品開發(fā)過程一般采用的是串行工作方式，各項設計工作環(huán)節(jié)都按一定順序逐步完成。這種開發(fā)模式的弊端在于：除了在設計后期或制造階段發(fā)現(xiàn)問題時再提出產品修改意見外，設計、生產的各階段不存在經常性的信息交流，開發(fā)人員按要求完成本職工作后將設計結果交給下一個設計環(huán)節(jié)，當本環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時才將問題轉給上面的環(huán)節(jié)。在現(xiàn)代設計工程設計中強調設計和制造的一體化和并行化，強調從產品的設計信息到制造信息的順暢傳遞和快速“短”反饋，要求設計和制造各環(huán)節(jié)采用統(tǒng)一的數(shù)據模型，并依靠網絡技術在各部門之間形成數(shù)據信息資源共享，從而減少設計制造過程中各環(huán)節(jié)之間的制約、修改和反復，使企業(yè)降低設計、試制等成本，縮短研發(fā)周期，率先占領市場。另外，隨著產品高科技含量的日益增大，單靠一家工廠在一個地點進行產品設計開發(fā)的模式已越來越來不能滿足現(xiàn)代產品開發(fā)的要求。只有集中不同地點、不同行業(yè)的專家，按并行化設計思想共同參與產品的設計開發(fā)，強強聯(lián)合，優(yōu)勢互補，才能獲得最大的效益。

3．計算機化與智能化

現(xiàn)代設計過程中計算機技術被廣泛應用于優(yōu)化設計、并行設計、三維建模、設計過程管理、設計制造一體化、仿真和虛擬制造等環(huán)節(jié)，特別是在網絡和數(shù)據庫技術方面。在現(xiàn)代工程設計中，還可以借助人工智能專家系統(tǒng)技術，由計算機模仿人的智能活動，設計出高智能化的產品。

4．動態(tài)化和最優(yōu)化

傳統(tǒng)設計以靜態(tài)少變量分析為主，將載荷、應力等因素集中處理，設計產品所采用的安全系數(shù)與實際工況相差較遠?，F(xiàn)代設計技術在靜態(tài)分析基礎上，考慮載荷譜、負載率等隨機變量，通過計算機進行動態(tài)多變量優(yōu)化處理，尋求最優(yōu)化的解決方案和設計參數(shù)。同時還考慮載荷和應力的分布特性，利用有限元等功能強大的分析工具，準確模擬系統(tǒng)的真實工作情況，以得到符合實際情況的最佳解。現(xiàn)代工程設計還經常根據概率論和統(tǒng)計學的方法，針對載荷、應力等因素的離散性，用多種設計方法進行可靠性設計。

5．系統(tǒng)性與綜合性

傳統(tǒng)設計一般采用經驗類比的設計方法，而現(xiàn)代工程設計采用較多的是邏輯的系統(tǒng)的設計方法。如以“功能—原理—結構”框架為模型的橫向變異和縱向綜合，用計算機構造多種方案，評價出其中的最優(yōu)方案?，F(xiàn)代工程設計是建立在系統(tǒng)工程、創(chuàng)造工程的基礎之上，綜合運用信息論、優(yōu)化論、相似論、模糊論、可靠性理論等自然科學理論，以及價值工程、決策論、預測論等社會科學理論，同時采用集合、矩陣、圖論等數(shù)學工具和電子計算機技術，綜合設計規(guī)律，提供多種解決設計問題的科學途徑。

6．宜人性

傳統(tǒng)設計往往過于強調產品的物質功能，而忽視或不能全面考慮產品的精神功能。主要是通過訓練用戶來適應機器的要求?，F(xiàn)代工程設計則強調產品內在質量的實用性、外觀質量的美觀性、藝術性、宜人性。在優(yōu)先保證產品物質功能的前提下，能為用戶提供新穎舒暢、愉快、興奮等精神功能。并從人的生理和心理特點出發(fā)，通過功能分析、界面安排和系統(tǒng)綜合，考慮滿足“人—機—環(huán)境”等的協(xié)調關系，設計出更加符合用戶個性化需求的產品。

7．質量控制

產品設計是產品制造的前一個環(huán)節(jié)，據相關資料統(tǒng)計，在產品質量事故中，約有50%是由于不良設計所造成的。所以，現(xiàn)代工程設計特別重視設計階段的質量控制活動。17.1.2現(xiàn)代設計技術的體系

現(xiàn)代設計技術內容廣泛，分支學科繁多，其主要由基礎技術、主體技術、支撐技術和應用技術四個層次構成。

(1)基礎技術。主要是指傳統(tǒng)的設計理論與方法，特別是運動學、靜力學與動力學、材料力學、結構力學、熱力學、電磁學、工程數(shù)學的基本原理與方法等方面。它不僅為現(xiàn)代設計技術提供了堅實的理論基礎，也是現(xiàn)代設計技術發(fā)展的源泉。

(2)主體技術?，F(xiàn)代設計技術與計算機技術的發(fā)展息息相關、相輔相成。沒有計算機科學與計算機輔助技術(如計算機輔助設計、智能CAD、優(yōu)化設計、有限元分析程序、模擬仿真、虛擬設計和工程數(shù)據庫等)，便沒有現(xiàn)代設計技術；另一方面，沒有其他現(xiàn)代化設計技術的多種理論與方法，計算機的應用也會大大受到限制，因為計算機技術需要運用優(yōu)化設計、可靠性設計、模糊設計等理論構造的數(shù)學模型，來編制“智力”。因此，計算機輔助設計技術正以它對數(shù)值計算和對信息的獨特處理能力，成為現(xiàn)代設計技術群體的主干。

(3)支撐技術。無論是對設計對象的描述，還是對設計信息的處理、加工、推理、映射及驗證，都離不開設計方法學、產品的可信性設計技術及設計試驗技術所提供的多種理論、方法及手段的支撐。其中，現(xiàn)代設計方法學涉及的內容很廣，如并行設計、系統(tǒng)設計、功能設計、模塊設計、價值工程、質量工程、質量功能配置、反求工程、綠色設計、模糊設計、面向對象的設計、工業(yè)造型設計等?？尚判栽O計技術可以看作廣義可靠性設計技術內容的擴展，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、耐腐蝕性設計、減摩和耐摩損設計、耐環(huán)境設計、維修性設計、人機工程設計等。設計試驗技術不僅指通常的產品性能試驗，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的數(shù)字仿真試驗和虛擬試驗等。因此，設計方法學、可信性設計技術及試驗設計技術所包含的種種內容，可視為現(xiàn)代設計技術群的支撐技術。

(4)應用技術。是針對以實用為目的解決各類具體產品設計領域的技術。如機床、汽車、工程機械、精密機械的現(xiàn)代設計內容，是現(xiàn)代設計技術派生的豐富多彩的具體技術群。

設計方法學是以系統(tǒng)論的觀點研究產品的設計程序、設計規(guī)律和設計中的思維與工作方法的一門綜合性科學。系統(tǒng)工程、創(chuàng)造工程、價值工程、優(yōu)化理論、相似理論、決策學和預測學等是它的理論基礎。設計方法學研究的目的在于總結設計的規(guī)律性，啟發(fā)、指導設計人員創(chuàng)造性的設計工作。17.2設計方法學17.2.1工程設計的內容

工程設計一般包括產品規(guī)劃、原理方案設計、技術設計和施工設計四項內容。在傳統(tǒng)設計過程中，這四項內容是分階段按順序進行的。在并行設計過程中，這四項內容則是重疊、交叉進行的。

1.產品規(guī)劃

產品規(guī)劃的任務是對待開發(fā)產品的用戶需求進行需求分析、市場調研與預測、可行性分析，確定設計參數(shù)和制約條件，最終得出詳細的設計任務書。

2.方案設計

方案設計是產品設計的一項重要內容，它將決定產品的性能與成本，關系到產品的技術水平及市場競爭力，實質上就是產品的功能原理設計。它是設計方法學研究的重點，利用系列化設計法在功能分析的基礎上通過創(chuàng)新構思，優(yōu)化篩選，求取較理想的功能原理方案，列表給出原理參數(shù)，并作出產品的功能原理方案圖。

3.技術設計

技術設計是把新產品的最優(yōu)原理方案具體化。技術設計過程中，首先進行總體設計，按照“人—機—環(huán)境—社會”的合理要求，對產品各部件的位置、運動、控制等進行總體布局。然后進行結構和造型設計。結構設計的內容包括零件材料的選擇、機械結構的確定、零件幾何尺寸和配合尺寸的確定、配合公差的確定、加工工藝性能要求的確定等。機構設計時要進行尺寸參數(shù)和工藝參數(shù)的優(yōu)化，公差的配合和分析，可靠性設計，還要考慮產品的性能、加工、裝配等因素。盡可能節(jié)省材料，降低制造難度。造型設計包括美感、宜人性設計等。在技術設計的最后階段還要進行模型試驗。模型試驗的目的是檢驗產品功能及零部件的強度、剛度、回轉精度、振動、噪聲等方面的性能，并在此基礎上提出改進建議。模型試驗可以采用實物試驗的方式，也可采用模擬試驗和仿真試驗等方式。目前階段，快速原型技術和計算機建模及仿真技術將是模型試驗時采用的關鍵技術。17.2.2功能分析法

功能是指產品技術系統(tǒng)的用途或所具有的特定工作能力，也就是產品技術系統(tǒng)所具有的轉化能量、物質和信息的特性。

功能分析法是在產品設計過程中尋求功能原理實現(xiàn)方案的主要方法。這種方法首先是將系統(tǒng)復雜的總功能通過分析轉化為簡單的子功能單元，再求出每個子功能單元相應的可行方案，然后進行組合，從而得到系統(tǒng)的多種總方案，再對得到的方案進行分析、比較、評價和選擇，最后得到最佳功能原理方案。功能分析法的設計步驟和各階段應用的主要方法見圖17-1。

圖17-1功能分析法

1.總功能分析

總功能分析的目的是研究確定待求產品的功能。為了避免思路受到限制，分析產品的總功能時常采用“黑箱法”。這是根據產品的輸入和輸出關系來研究實現(xiàn)產品功能的一種方法。一般地說，當設計人員接到一項新產品的設計任務時，待設計的產品是什么樣子是不清楚的，因此將待求產品的設計系統(tǒng)看作是一個具有未知數(shù)內容的“黑箱”。該黑箱的輸入和輸出可從設計任務書中找到。黑箱的輸入一般有三種形式，即物質流M、能量流E和信息流S。這些輸入流經產品設計系統(tǒng)處理后，傳遞、轉換為系統(tǒng)的輸出流M′、E′、S′。分析比較黑箱的輸入和輸出的能量流、物質流和信息流，其性質或狀態(tài)上的差別和關系就反映了所需設計產品的總功能。因此，可以從輸入和輸出的差別和關系的比較中找出實現(xiàn)功能的原理方案，從而揭開黑箱，使之成為“白箱”，確定產品的結構。圖17-2所示為一般黑箱示意圖。圖中方框內部為待設計的技術系統(tǒng)(即產品)，方框即為系統(tǒng)邊界，通過系統(tǒng)的輸入和輸出，使系統(tǒng)和環(huán)境連接起來。

圖17-2黑箱示意圖

2.功能分解

一般工程系統(tǒng)都比較復雜，難以直接求得滿足總功能的系統(tǒng)解決方案。因此可按系統(tǒng)分解的原則進行功能分解，再通過比較簡單的功能單元進行求解。

總功能可分解為：功能—二級分功能—…—功能單元，可以用樹狀的功能關系圖來表達。圖17-3所示為行走式挖掘機械的功能樹。

圖17-3行走式挖掘機械功能樹

3.求解功能單元

功能單元分析法中的功能單元一般分為：

(1)物理功能單元。它主要反映系統(tǒng)中能量、物質、信息變化的基本物理作用。常用的基本物理功能單元有功能轉換類、功能縮放類、功能連接類、功能傳導及離合類、功能存放類等。

(2)邏輯功能單元。它有“與”、“或”、“非”三種基本關系，主要用于功能的邏輯運算和控制。

(3)數(shù)學功能單元。它有加減、乘除、乘方開方、積分微分等四類。

功能單元的求解方法有兩種：一種是參考有關資料或利用創(chuàng)造性方法開闊思路去探尋解法，另一種是利用解法目錄來求解，即把能實現(xiàn)某種功能的各種原理和結構綜合在一起形成一種表格或分類資料。圖17-4所示為物理功能中的物料運送解法目錄。建立各種類型功能單元的解法目錄既便于設計人員作參考，也有利于存入計算機進行計算機輔助設計。

圖17-4物料運送解法

圖17-4物料運送解法

4．求系統(tǒng)原理解

將各功能單元解進行合理組合，就可以得到系統(tǒng)的多個原理解。

對功能單元的解進行組合時常采用形態(tài)綜合法，即將系統(tǒng)的功能單元列作為縱坐標，各功能單元的相應解列作為橫坐標，構成如表17-1所示的形態(tài)學矩陣。從每項功能單元中取出一種解進行有機組合，即得到系統(tǒng)的一個原理解。如果有m個功能單元，第i個功能單元有n個功能單元解，則可能的原理解個數(shù)為

Ⅳ＝n1×n2×…×ni×…×nm

表17-1系統(tǒng)解的形態(tài)學矩陣例如，我們列出如表17-2所示的行走式挖掘機的形態(tài)學矩陣后，則系統(tǒng)原理解的可能方案數(shù)為

Ⅳ＝6×5×4×4×4＝1920

如：A1＋B4＋C3＋D2＋E1為電動履帶式挖掘機；A5＋B5＋C2＋D4＋E2為液壓輪胎式挖掘機；A5＋B5＋C3＋D4＋E4為液壓履帶式鏟掘機。

表17-2行走式挖掘機的形態(tài)學矩陣5．求最優(yōu)原理方案

在眾多方案中要選出最優(yōu)或最滿意的原理方案，一般需經過方案比較，由粗到細，由定性到定量進行優(yōu)選。首先需進行粗篩選，將與設計要求不符或各功能單元解不相容的方案去除。例如行走式挖掘機，若動力源為電動機，則與液力耦合器、氣墊、液壓缸傳動等功能單元解不相容，不能組成可實現(xiàn)的原理方案，必須去除。然后定性選擇幾個比較滿意的方案，再對篩選出的方案進行定量評價，最后選出符合設計要求的最佳方案。

功能分析法的優(yōu)點是設計步驟明確，規(guī)律性強，有利于采用計算機進行設計，有利于提高設計質量和效率。

現(xiàn)代企業(yè)在激烈的市場競爭中能否生存和發(fā)展，主要取決于它所生產的產品能否得到市場的認可，而產品能否得到認可的重要因素之一就是該產品是否具有創(chuàng)新特性，其技術水平能否在同類產品中占有優(yōu)勢。因此，技術創(chuàng)新是企業(yè)保持旺盛生命力的根本保證。在改造老產品和開發(fā)新產品的過程中，信息收集及創(chuàng)新定位是創(chuàng)新的首位工作，而創(chuàng)新的主體則是人。人的素質以及發(fā)揮的程度決定了創(chuàng)新的速度和質量。在產品創(chuàng)新階段，要采取激勵機制，增強設計人員的市場意識，發(fā)揮其創(chuàng)造性。17.3產品創(chuàng)新設計為了實現(xiàn)產品的創(chuàng)新設計，需要提出新的設計方案，探求不同于常規(guī)設計的新解法，這就要求學生在設計過程中考慮背景的影響，這種影響應體現(xiàn)在設計中。背景影響包括企業(yè)和組織的背景，引入包括社會的、政治的、經濟的、文化的因素。同時要求學生掌握一些產品創(chuàng)新設計的基本原理和方法。17.3.1常規(guī)設計與創(chuàng)新設計

工程設計按其性質可以分為常規(guī)設計與創(chuàng)新設計。常規(guī)設計就是以成熟技術結構為基礎，運用常規(guī)方法進行的產品設計。常規(guī)設計在工業(yè)中大量存在，并且是一種經常性工作。而為了滿足市場需要，提高產品的競爭力，就需要在產品的設計過程中采用新興的技術手段、技術原理和非常規(guī)設計方法，即就是所謂的創(chuàng)新設計。創(chuàng)新設計的目的就在于創(chuàng)造有社會價值的、新穎而獨特的產品。17.3.2創(chuàng)新設計的特征與一般過程

創(chuàng)新設計作為人類特有的能動性表現(xiàn)，具有以下幾個特征：

(1)人為目的性。在創(chuàng)新設計中，其主體是具有主觀能動性的人，并且設計本身是一種有目的的活動。

(2)新穎獨特性。創(chuàng)新設計不是單純的重復和模仿，而是在自己、前人或他人已獲得的結果基礎上的新擴展，新開拓。它所追求的是新穎、獨特和非重復性的結果。

(3)社會價值性。創(chuàng)新設計必須體現(xiàn)出一定的價值。創(chuàng)新成果的價值可以是多方面的，包括學術價值、經濟價值、美學價值等等，并且這些價值對社會進步都具有積極意義。

(4)探索性。創(chuàng)新設計通常是在理論知識、技術手段、設計制造方法等不甚充分的條件下進行的設計活動，具有一定的探索性。創(chuàng)新設計的一般過程可分為以下幾個階段：

(1)準備階段。這個階段包括提出問題，明確創(chuàng)新目標，搜集資料，進行科學分析。

(2)醞釀階段。這個階段主要通過思考與試驗，對問題做各種試探性解決，尋找滿足設計目的要求的技術原理，對各種可能的設計方案進行構思和嘗試驗證。常常需要對這些設計方案加以變換、分解、組合。如果原有的技術原理不能解決問題，還必須通過實驗、試驗和理論分析探索新的原理，或將已有的科學理論開發(fā)成新的技術原理。一般來說，這個階段持續(xù)的時間相對較長。

(3)明朗階段。經過長期的醞釀、潛伏的或不同尋常的觀念和辦法，有時使問題的解決一下子豁然開朗，這種現(xiàn)象叫做“頓悟”。創(chuàng)新設計工作中“頓悟”的出現(xiàn)往往是受到偶然因素的啟發(fā)而產生的，有時則是以靈感的形式閃現(xiàn)出來的。

(4)驗證階段。此階段主要是對各種新想法進行檢驗和證明，并完善創(chuàng)新成果。上述四個階段是創(chuàng)造過程的一般進程。美國“新產品和過程發(fā)展組織與管理協(xié)會”的顧問G．F先生提出，發(fā)明創(chuàng)造過程可歸納為以下七個步驟：

(1)意念：發(fā)明創(chuàng)造始于意念。

(2)概念報告：包括意念之間的聯(lián)系及制約關系和把意念轉變成實際方案的途徑。

(3)可行模型：是對概念是否可以實現(xiàn)進行研究的一個必要步驟。

(4)工程模型：展示概念能否實現(xiàn)其功能的一個重要步驟。

(5)可見模型：從工程模型演變成可見模型的一個階段。

(6)樣品模型：它不是由發(fā)明創(chuàng)造者在試驗室制造的，而是由車間制造的。

(7)小批量生產：在生產線上將創(chuàng)造發(fā)明以小批量生產的形式來實現(xiàn)。17.3.3創(chuàng)新思維

人們碰到問題時，有時候不是依靠已掌握的知識經驗去解決，而是將在外界的啟發(fā)下，將頭腦中的各種信息重新綜合集成，然后加以解決，這種思維是與常規(guī)思維特征不同的創(chuàng)新思維。創(chuàng)新思維是多種成對的辯證思維類型的綜合，它的實質表現(xiàn)為“選擇”、“突破”、“重新建構”這三者關系的對應與統(tǒng)一。所謂選擇，就是尋找資料、調研、充分地思索，讓各方面的問題都得到充分表露，從中去粗取精，去偽存真。法國科學家H．彭加勒認為：“所謂發(fā)明，實際上就是鑒別，簡單地說，也就是選擇?！彼?，選擇是創(chuàng)新思維得以展開的第一要素，也是創(chuàng)新思維各個環(huán)節(jié)上的制約因素。選題、選材、選方案等均屬于此。在創(chuàng)新思維進程中，決不能盲目選擇，而應有意識選擇。問題的突破往往表現(xiàn)為從“邏輯的中斷”到“思想上的飛躍”。飛躍階段思想豁然開朗，從而孕育出一些新觀點、新理論和新方案。選擇、突破是重新建構的基礎，因為創(chuàng)造性的新成果、新理論、新思想并不包括在現(xiàn)在已有的知識體系之中。所以，創(chuàng)新思維的最關鍵之點是善于進行“重新建構”，有效而及時地抓住問題的本質，筑起新的思維支架。創(chuàng)新思維是整個創(chuàng)造活動中體現(xiàn)出來的思維方式。把握創(chuàng)新思維的關鍵是認識并能綜合運用不同思維類型的特點、功能與作用。下面介紹幾種思維類型。

1．形象思維和抽象思維

形象思維屬于非邏輯思維，是運用已感知過的事物的映像進行分析、綜合、抽象、概括的過程。它以直觀形象作為再思維的目標及基礎，使用反映同類事物一般外部特征的形象。形象思維在每個人的思維活動和人類所有的實踐活動中均廣泛存在，因而具有普遍性。許多科學的發(fā)明創(chuàng)造，往往是在對具體的形象進行觀察、思維時受到某種啟發(fā)而產生的，這種思維有時還會取得抽象思維難以取得的效果。抽象思維亦稱邏輯思維。它是以抽象的概念和推論為形式的思維方式，是認識過程中用反映事物共同屬性和本質屬性的概念作為基本思維形式，在概念的基礎上進行判斷、推理，反映現(xiàn)實的一種思維方式。它使認識由感性上升到理性。在創(chuàng)造活動中，形象思維和抽象思維相互聯(lián)系、互相滲透。例如，法拉第通過對磁鐵周圍呈有規(guī)律曲線分布的鐵屑的分布現(xiàn)象的觀察，經過分析、綜合、抽象、概括之后，得出“磁力線”的概念。在此之后，他又通過“概念—判斷—推理”的過程，論證了電荷和磁極周圍的空間存滿了向各個方向散發(fā)出去的“磁力線”，從而進一步提出了“場”的概念。法拉第的“磁力線”和“場”的概念是他對電磁理論的最重要貢獻。這一貢獻是抽象思維與形象思維對立統(tǒng)一的產物。

2．發(fā)散思維和收斂思維

發(fā)散思維。根據所遇到問題時，根據問題提供的信息，沿著非常規(guī)方向、正向、逆向、全方位思維和多角度尋求可能的解答。發(fā)散思維是創(chuàng)造思維的一種主要形式。它在技術創(chuàng)新和產品開發(fā)中具有特別重要的意義。在技術原理的開發(fā)方面，運用發(fā)散思維可以從多側面、多角度、多領域、多場合對同一技術原理的應用途徑進行設想。著名創(chuàng)造學家吉爾福特說：“正是在發(fā)散思維中，我們看到了創(chuàng)造性思維的最明顯的標志?！笔諗克季S指把來自多方面的知識信息指向同一問題，通過分析綜合、邏輯推理后引出答案。在設想的實現(xiàn)階段，這種思維形式常占主導地位。發(fā)散思維與收斂思維相輔相成，通過多次發(fā)散、收斂的循環(huán)后，一般能找到較好的創(chuàng)新方案。

3．直覺思維和靈感思維

直覺是人類一種獨特的“智慧視力”，是能動地了解事物的思維閃念。直覺思維能以少量的本質性現(xiàn)象為媒介，直接把握事物的本質規(guī)律。它也是一種不加論證的判斷力，是思想的自由創(chuàng)造。

靈感是人們借助直覺啟示而對問題得到突如其來的領悟或理解的一種思維形式。它是一個突然閃現(xiàn)、瞬間即逝的短暫思維過程，是一種把隱藏在潛意識中的事物信息，在需要解決某一問題時，以適當?shù)男问酵蝗槐憩F(xiàn)出來的創(chuàng)造能力。它是創(chuàng)造性思維的最重要的形式之一。直覺思維與靈感思維的基礎是人們已經獲得的知識和經驗，并且常在思想高度集中、苦思冥想時產生出來，它的結果常常非常新穎，并且具有突發(fā)性。愛因斯坦說：“我相信直覺和靈感”。他的關于狹義相對論的著名論文，便是在抓住意識到同時性的相對性這一“靈感的閃光”后很快完成的。17.3.4創(chuàng)新技法

創(chuàng)新設計不僅要依賴創(chuàng)新思維，同時還要掌握并正確地應用創(chuàng)新方法和技巧。

創(chuàng)新技法是以創(chuàng)新理論，尤其是創(chuàng)新思維規(guī)律為基礎，通過對廣泛的創(chuàng)新活動的實踐經驗進行概括，總結、提煉而得出來的創(chuàng)造發(fā)明的一些原理、技巧和方法。目前常用的創(chuàng)新技法有以下幾種。

1．智暴法

智暴法是一種集體創(chuàng)新智力激勵法。它是針對一個需設計的問題，召集5~10人在一起討論，要求與會者敞開思想，暢所欲言，充分發(fā)表意見，提出創(chuàng)新見解，提出解決設計問題的方案。智暴法的中心思想是激發(fā)每個人的直覺、靈感、想象力，讓大家在和睦、融洽的氣氛中自由思考，不論什么想法都可以原原本本講出來，最后集中多人的智慧在這眾多的見解中綜合出幾種較好的設計方案。這種方法適合求解產品設計的原理、方案。

2．“6－5－3”法

這是一種書面集智法，此活動一般有6人參加，參加者圍繞活動主題每人寫下3個解并作提綱式的注解，然后傳給鄰座，后者讀后再提出3個進一步解或作補充。因此每個參加者的建議都將經過5個人的補充或組合發(fā)展，所以稱為“6－5－3”法。這種方法的優(yōu)點是消除了項目主持人的主觀影響，使設計問題得到系統(tǒng)的補充或開發(fā)。缺點是因為不夠自由活潑，在一定程度上影響了參加者的積極思維。

3．提問追溯法

該法針對老產品的改造，系統(tǒng)地提出各種問題，通過提問發(fā)現(xiàn)原產品設計、制造、營銷等環(huán)節(jié)中的不足之處，找出需要和應該改進之處，獲得解決問題的辦法和設想，從而開發(fā)出新產品。這種方法主要有5W2H法、奧斯本設問法等。

(1)5W2H法：針對需要解決的問題，提出以下的疑問，從中啟發(fā)創(chuàng)新構思。這幾個方面的疑問，用英文表示時，其首字母為W或H，故稱為5W2H法。以新產品的設計為例提出以下問題：

·Why——為什么要設計該產品?采用何種總體部局?……

·What——該產品有何功能?有哪些方法可實現(xiàn)這種設計?哪些地方需要創(chuàng)新?……

·Who——該產品用戶是誰?誰來設計?……

·When——什么時候完成該設計?各設計階段時間如何劃分?……

·Where——該產品用于何處?在何地生產?……

·Howtodo——怎樣設計?何種結構?什么材料?形態(tài)如何?……

·Howmuch——生產多少?費用多少?……

(2)奧斯本設問法：為了擴展思路，奧斯本建議設計者應從不同角度進行發(fā)問。他把這些角度歸納成幾個方面，并列成一張目錄表，此表可針對不同目的設置問題，如針對研制新產品，可從以下角度設置問題：

·轉化——該產品能否稍作改動，或不改動而實現(xiàn)其他用途?

·引申——能否從該產品中派生出其它產品，或用其他產品模仿該產品?

·變動——能否對該產品進行某些改造，如運動形式、結構、造型、工藝等?

·放大——該產品放大(加厚、變長……)后如何?

·縮小——該產品縮小(變薄、縮短……)后如何?

·顛倒——能否反正(上下、前后……)顛倒使用?

·替代——能否用其他產品替代該產品，或部分替代該產品?如更換材料、工藝……

·重組——零部件能否互換?

·組合——現(xiàn)有的幾個產品能否組合成一個新的產品?如何組合(整體、零部件、功能、材料、原理……)?

通過這9個方面的層層發(fā)問，就可以得到許多新的設計方案，從中優(yōu)選就可開發(fā)出新產品。

4．類比法

類比法是利用相似原理進行移植，模擬比較，類比聯(lián)想的一種創(chuàng)新技法。采用類比法能夠擴展人腦固有的思維，使之建立更多的創(chuàng)新設想。例如：從人們手的動作、功能中可以得到啟發(fā)，機械手就是模仿人的手臂彎曲和手的功能；挖掘機就是模仿人使用鐵鍬的動作而設計的：“協(xié)和”飛機的外形設計，就是對鷹的外形的仿生。類比法目前主要采用以下4種方式：

(1)直接類比。尋找與所研究的問題有類似之處的其他事物，進行類比，從中獲得啟發(fā)，找到問題答案或產生新思路。直接類比的典型方式是功能模擬和仿生。

(2)象征類比。用能抽象反映問題的詞(或簡練詞組)來類比問題，表達所探討問題的關鍵，通過類比啟發(fā)創(chuàng)新設想的產生。如要設計一種開罐頭的新工具，就可以選一個“開”字，先拋開罐頭問題，從“開”這個詞的概念出發(fā)，看看“開”有幾種方法，如打開、撬開、剝開、撕開、擰開、揭開、破開等等，然后再回頭來尋求這些開法對設計開罐頭有什么啟發(fā)。

(3)擬人類比。是指創(chuàng)新者把自身與問題的要素等同起來，設身處地的想象：如果我是某個技術對象，我會有什么感覺?我采取什么行動?用這種方法可以激發(fā)創(chuàng)造熱情，促發(fā)新設想。

(4)幻想類比。運用在現(xiàn)實中難以存在或根本不存在的幻想中的事物、現(xiàn)象作類比，以探求新觀念、新解法。

5.組合創(chuàng)新法

組合創(chuàng)新法是按照一定的技術需要，將兩個或兩個以上的技術因素通過巧妙的組合，去獲得具有統(tǒng)一整體功能的新技術產物的過程。這里的“技術因素”是廣義的，它既包括相對獨立的技術原理、技術手段、工藝方法，也包括材料、形態(tài)、動力形式、控制方式等表征技術性能的條件因素。組合方法的類型很多，常用的有以下幾類：

(1)性能組合。對已有產品的各種性能進行分析，將若干產品的優(yōu)良性能結合起來，使之形成一種全新的產品(或技術手段)。

(2)原理組合。原理組合是指將兩種或兩種以上的技術原理有機結合起來，組成一種新的復合技術或技術系統(tǒng)。例如，把噴氣推進原理同燃氣輪機技術相結合發(fā)明噴氣式發(fā)動機。

(3)功能組合。功能組合是將具有不同功能的技術手段或產品組合在一起，使之形成一個技術性能更優(yōu)或具有多功能的技術實體的方法。例如，將收音機和錄音機組合在一起，成為“收錄機”，它兼具二者功能，且更方便、實用。

(4)結構重組。結構重組是一種改變原有技術系統(tǒng)中的各結構要素相互聯(lián)接方式后獲得新的性能或功能的組合方法。例如，螺旋槳飛機一般的結構是機首裝螺旋槳，機尾裝穩(wěn)定翼。但美國卡里格卡圖則根據空氣浮力和氣動原理，將飛機螺旋槳放于機尾，而把穩(wěn)定翼放在機頭，重組后的新型飛機具有尖端懸浮系統(tǒng)和更合理的流線型機體等特點。

(5)模塊組合。模塊組合亦稱組合設計或模塊化設計。該法把產品看成若干模塊(標準、通用零部件)的有機組合，只要按照一定的機器工作原理選擇不同的模塊或不同的方式加以組合，就可獲得多種有價值的設計方案。這種方法適用于產品的系列開發(fā)。

技術引進是促進民族經濟高速增長的戰(zhàn)略措施。要取得最佳技術和經濟效益，必須對引進技術進行深入研究、消化和創(chuàng)新，開發(fā)出先進產品，形成自己的技術體系。

17.4反求工程設計反求工程(ReverseEngineering)技術是針對消化、吸收先進技術的一系列分析方法和應用技術的組合。它以先進的產品設備的實物、軟件或影像作為研究對象，應用現(xiàn)代設計理論方法、生產工程學、材料學和有關專業(yè)知識進行系統(tǒng)深入地分析和研究，探索掌握其關鍵技術，進而開發(fā)出同類的先進產品。反求工程技術包括設計反求技術、工藝反求技術、管理反求技術等各方面。

反求工程技術也被用來研究競爭對手的產品特點，吸收其優(yōu)點并加以改進，生產出超過他們的更好產品。它是目前贏得市場競爭的重要手段之一。17.4.1反求工程技術的研究內容

1.探索產品設計的指導思想

不同的設計單位及設計者對于不同產品的設計指導思想都不盡相同。如體現(xiàn)在注重功能齊全、注重成本、注重模塊化設計、注重特定使用對象等等。設計的指導思想不同，就會得出不同的設計方案。探索產品設計的指導思想是分析了解整個產品設計的前提。

2．原理方案的分析

各種產品都是針對一定的使用要求設計的，功能是各種能完成使用要求的抽象描述。功能分析是產品設計的核心問題，不同功能的產品可以得出不同的原來方案，也可以用同一種原理來實現(xiàn)。而同一功能的產品亦可以用不同的原理方案來實現(xiàn)。產品的功能可以分為使用功能和美學功能，使用功能一般實現(xiàn)能量、物料和信號的轉換。如發(fā)電機的功能是實現(xiàn)“機械能—電能”的能量轉換，各種機床的功能是實現(xiàn)物料形態(tài)的改變，而收錄機的功能主要是實現(xiàn)“聲音信息—電磁信息—聲音信息”信號的轉換等?？梢愿鶕辞髮ο蟮墓δ茌d體，探求其功能，通過反求對象的功能理解，在設計時才有可能得到更完美合理的原理方案。

3.結構分析

零部件的結構是功能原理的具體體現(xiàn)，與加工使用及生產成本有密切關系。分析反求對象的結構特點要從零件的功能、性能、成本和安全可靠性等方面著手進行考慮。

4.精度分析

精度分析是反求工程中的主要問題，精度是衡量反求對象性能的重要指標。是評價反求設計質量的主要參數(shù)之一。在反求設計中應合理地進行精度分析和精度設計，否則反求設計的產品的質量永遠無法達到原設計要求的質量。

5.材料分析

根據零件的功能及工藝特點分析確定零件的材料和熱處理方式。一般情況下可采用外觀比較、硬度測定、重量測定、化學分析、光譜分析、金相檢驗等多種方法對材料的物理性能、化學成分、熱處理及表面情況進行全面鑒定。

6.工作性能分析

針對產品的工作特點及其主要性能進行試驗測定、反復計算和深入的分析，對產品的運動特性，力學特性進行靜態(tài)、動態(tài)的全面分析。

7.造型設計分析

對產品的外形構型、色彩設計等進行分析。用尺度與比例、均衡與穩(wěn)定、統(tǒng)一與變化等美學原則分析造型特點，從迎合顧客心理需要，提高商品價值的角度分析構型及色彩設計的優(yōu)點和不足之處。

8.工藝分析

許多引進設備的關鍵技術除設計先進外，主要是先進的制造和裝配工藝。因而對加工工藝、裝配工藝的分析，對加工精度的反求而得到的這些工藝訣竅，將彌補新設計的缺陷和不足之處。

9.使用和維修分析

分析國外先進產品在良好的使用性能方面采取了哪些措施？研究當產品發(fā)生故障時它的可維修性如何？

10.包裝技術分析

在反求過程中，研究產品的包裝、防潮、防霉、防銹、防腐、防塵等方面的技術與思路，如包裝材料的成分、材料的回收等。17.4.2反求工程的設計程序

反求工程的設計程序是首先對產品進行反求分析，針對反求對象的不同形式——實物、軟件或影像，可采用不同的手段和方法。實物如機器設備的反求，可用實測手段獲得所需參數(shù)和性能、材料和尺寸等。軟件如圖樣可直接分析了解產品和各部件的尺寸、結構和材料，但掌握使用性能和工藝，則要通過試制和試驗。影像可用透視法與解析法求出主要尺寸間的大小相對關系，用機器與人或已知參考物對比，求出幾個絕對尺寸，推算其他尺寸。材料和工藝等都需要通過試制和試驗才能解決。在以上分析的基礎上，才能進行不同類型的反求設計。根據反求設計內容的不同可將反求設計分為下列幾種類型。

(1)反求測繪仿制——對產品的原設計進行透徹分析、實物測量，完全模仿原產品進行制造，不進行創(chuàng)新設計。

(2)變參數(shù)反求設計——在原有產品原理方案及結構方案基礎上，僅改變尺寸和性能參數(shù)以滿足不同工作需要。如以進口的升降機為基型進行系列設計，形成升力范圍、尺寸性能不同的系列產品，以擴大它的應用范圍。

(3)適應型反求設計——在原有產品的原理方案基礎上，改變部分參數(shù)、結構或零部件，克服原有產品的缺點或適應新的使用要求。例如在多速賽車基礎上加上自適應變速系統(tǒng)。

(4)開發(fā)型反求設計——針對反求對象的功能，提出新的原理方案，完成從方案設計、技術設計到施工設計的全過程。這是一種比較徹底的反求創(chuàng)新設計法。17.4.3實物反求設計法

1.實物反求設計法的特點

實物反求是以產品實物為依據，對有關產品的設計原理、結構、材料、工藝裝配、包裝使用等方面進行分析研究，研制開發(fā)出與原型產品相同或相似的新產品。它具有如下特點：

(1)具有直觀、形象的實物。

(2)對產品功能、性能、材料等均可進行直接試驗分析，求得詳細的設計參數(shù)。

(3)對機器設備能進行直接測繪，以求得尺寸參數(shù)。

(4)仿制產品起點高，步伐大，設計周期可大大縮短。

(5)引進的樣品就是新產品的檢驗標準，為新產品開發(fā)確定了明確的趕超目標。

實物反求雖形象、直觀，但引進產品時費用較大，因此要充分調研，確保引進項目的先進性與合理性。它的一般過程如圖17-5所示。

圖17-5實物反求設計流程2．實物反求的技術路線

實物反求工程的技術路線分為實物反求測量、數(shù)據格式轉換、數(shù)據處理與反求設計、數(shù)據傳輸與CNC系統(tǒng)的集成等四個過程，其步驟是：

(1)根據所設計的產品的形狀劃分相應的測量區(qū)域和路線。該工作非常重要，對準確還原被測形狀以及后續(xù)的CAD建模、CAD圖形的對稱性、光順性和易修改性等影響極大。

(2)完成測量面的精確測量，并進行數(shù)據的前處理，剔除粗大誤差和重復測量點的數(shù)據。外形數(shù)據的快速反求測量通?？捎萌愒O備：三坐標測量機、電子掃描系統(tǒng)、激光測量機。激光測量機具有測量速度快的優(yōu)點，但精度不夠高；電子掃描系統(tǒng)適用于形狀比較規(guī)則且精度不太高的零件；三坐標測量機可對曲面變化較大且不規(guī)則的曲面作高精度的測量。

(3)研究測量數(shù)據與反求工程軟件、CAD／CAM軟件的數(shù)據共享格式。

(4)對測量點數(shù)據進行編輯、過濾、求精和排序，整理雜亂的離散數(shù)據點，快速生產曲面模型。

(5)檢驗其整體的光順性和擬合精度，并按給定精度進行修改。

(6)將反求工程建立的曲面模型提供給CAD／CAM一體化軟件，完成外形修改、渲染效果設計與結構設計。

(7)數(shù)控加工編程及加工。

17.5.1虛擬設計的概念

虛擬設計是一種新興的多學科交叉技術，涉及多方面的學科與專業(yè)技術。它是以虛擬現(xiàn)實技術為基礎，以機械產品為對象的設計手段。借助這樣的設計手段，將設計人員從傳統(tǒng)的鍵盤和鼠標中解脫出來，使他們可以通過眾多的傳感器與多維的信息環(huán)境進行自然地交互，實現(xiàn)從定性及定量的綜合集成環(huán)境中得到感性和理性的認識，從而幫助深化概念和萌發(fā)新意。17.5虛擬設計虛擬設計技術充分地利用了模擬仿真技術，但它又不同于一般的模擬仿真技術，它具有虛擬現(xiàn)實的特征，如：自主性、交互性、沉浸感等。由于計算機輔助設汁技術發(fā)展得較早，人們已經積累了不少的經驗和數(shù)據，因此虛擬設計技術應充分地利用計算機輔助設計已獲得的這些寶貴財富。另外，虛擬設計系統(tǒng)比現(xiàn)行的CAD系統(tǒng)具有更強的人機交互能力，設計人員可以通過視覺、聽覺、觸覺及語音、手勢等，與設計的對象在虛擬的環(huán)境中進行自然地、直觀地交互。由此可見，這項技術使得計算機在產品的輔助設計方面向前推進了一步，使計算機輔助設計的工作范圍從規(guī)范性工作向創(chuàng)造性工作方向邁進了一大步。同時利用此項技術可以大大地減少實物模型和樣機制造，從而減少產品的開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。17.5.2虛擬設計系統(tǒng)的分類

虛擬設計系統(tǒng)按照配置的檔次可分為兩大類：一種是基于PC機的廉價設計系統(tǒng)；另一種是基于工作站的高檔產品開發(fā)設計系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)的工作原理基本相同。PC機系統(tǒng)的優(yōu)勢主要在于價格低廉，對小型虛擬設計系統(tǒng)的開發(fā)非常適宜，并且它的用戶廣泛，因此具有良好的市場前景。隨著PC機性能的迅速提高，越來越多的問題完全可以利用PC機解決，但是由于目前PC機的發(fā)展仍不夠完善，很難勝任大型復雜產品的虛擬設計，因此對于這些復雜產品的虛擬設計系統(tǒng)，高檔的工作站仍是不可取代的硬件平臺。虛擬設計系統(tǒng)按應用情況又可分為增強的可視化系統(tǒng)和基于虛擬現(xiàn)實的CAD系統(tǒng)。

(1)增強的可視化系統(tǒng)：利用現(xiàn)行的CAD系統(tǒng)進行建模，通過對數(shù)據格式進行適當?shù)霓D換輸出虛擬環(huán)境系統(tǒng)。在虛擬的環(huán)境中利用三維的交互設備(如頭盔式顯示器、數(shù)據手套等)在一個“虛擬”真實的環(huán)境中，設計人員對虛擬模型進行各個角度的觀察。目前投入使用的虛擬設計多采用增強的可視化系統(tǒng)，這主要是因為基于虛擬的建模系統(tǒng)還不夠完善，相比之下目前的CAD建模技術比較成熟，可以利用。

(2)基于虛擬現(xiàn)實的CAD系統(tǒng)：利用這樣的技術系統(tǒng)用戶可以在虛擬環(huán)境中進行設計活動。與純粹的可視化系統(tǒng)相反，這種系統(tǒng)不再使用傳統(tǒng)的二維交互手段進行建模，而直接進行三維設計。與增強的可視化系統(tǒng)相同，利用三維的輸入設備虛擬環(huán)境進行交互。此外，它也支持如語音識別、手勢及眼神跟蹤等。這種虛擬設計系統(tǒng)不需要進行系統(tǒng)培訓即可掌握，普通的設計人員略加熟悉便可利用這樣的系統(tǒng)進行產品設計。研究表明，這樣的虛擬設計系統(tǒng)比現(xiàn)行的CAD系統(tǒng)的設計效率至少要提高5~10倍。17.5.3虛擬設計在機械產品開發(fā)中的應用

人們對虛擬現(xiàn)實技術在機械產品設計方面的應用進行廣泛的探討研究后發(fā)現(xiàn)，這項技術對縮短產品開發(fā)周期，節(jié)省制造成本有著重要的意義。因此不少大公司爭先在它們的產品設計中采用了這項先進技術，如波音公司、通用汽車公司、奔馳公司、福特公司及英國航空公司等。通過實踐證明：虛擬設計在產品的概念設計、裝配設計、人機工程學等方面有著特別重要的意義。

1．虛擬概念設計

1996年美國Wisconsin-Madison大學研制出了一個虛擬概念設計系統(tǒng)COVIRDS(ConceptualVirtualDesignSystem)。概念設計是指對產品或零件進行最初的設計構思，它的目的是為了捕捉產品的基本形狀。概念設計是設計過程中的重要階段，因為一旦確定了產品的概念設計，產品成本的60％~70％已經從宏觀上確定。因此，在這個設計階段應考查多個設計方案，以便選出生產成本最低的設計方案。產品在這個設計階段，其形狀及精確尺寸尚未定死，設計人員有一定的變更權。現(xiàn)行的CAD系統(tǒng)要求設計人員在進行CAD建模時必須給出產品的具體形狀特性和精確尺寸。但有時在建模階段并不需要這些參數(shù)或設計者還根本沒有獲得這些參數(shù)，因而對設計造成一定的困難。而該大學研制的虛擬概念設計系統(tǒng)克服了CAD建模的這一缺點，它采用語音識別和手勢跟蹤系統(tǒng)，使用戶可以更直觀地與虛擬建模環(huán)境進行交互，完成快速的概念設計，節(jié)省了形狀的精確描繪和尺寸的定義時間。

2．虛擬裝配設計

虛擬設計在產品設計方面具有較大影響的另一個領域是裝配設計，盡管目前尚沒有商用虛擬裝配系統(tǒng)，但就其技術來說已經成熟，人們普遍認為這項技術對產品設計具有很重要的意義。例如，美國麥道飛機公司采用了沉浸式的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)以幫助新型號發(fā)動機的設計。這個虛擬設計系統(tǒng)首先用來研究發(fā)動機的拆裝過程，尤其是用來發(fā)現(xiàn)拆裝過程中發(fā)動機是否可能與其他零部件發(fā)生干涉。整個發(fā)動機的拆裝過程可以在虛擬環(huán)境中進行。若要進行拆卸，首先打開虛擬的發(fā)動機艙門，把拖車放到發(fā)動機的下面，然后用千斤頂把拖車頂?shù)揭欢ǖ母叨?。接下來使用虛擬工具把固定發(fā)動機的螺栓松開，再把發(fā)動機固定在拖車上，降低拖車，把發(fā)動機移出去進行維修或替換。安裝發(fā)動機的過程與拆卸類似，只是過程相反。當發(fā)動機從飛機上拆下以后，這個虛擬發(fā)動機的某些部件還可以再拆。利用虛擬設計系統(tǒng)，人們可以為特定的零件開發(fā)專用工具，檢查零件拆裝是否方便，零件安裝有無困難等等。

又如，羅爾斯·羅伊斯公司在設計飛機發(fā)動機時也采用虛擬環(huán)境。以前，該公司在制造發(fā)動機之前也是采用實物模型來發(fā)現(xiàn)發(fā)動機維修過程中的問題。雖然發(fā)動機的實物模型并不能工作，但它的結構必須與真正的發(fā)動機一樣，而且要更精確更結實。所以制造實物模型也不便宜。在1992年，羅爾斯·羅伊斯公司就開始依靠英國的先進機器人研究實驗室探索利用虛擬的計算機模型來代替實物模型的可能性。

3．虛擬人機工程學設計

從社會對商品的要求來看，以往的大批量生產已經難以滿足人們對商品規(guī)格多樣化日益增長的需求，取而代之的將是小批量多規(guī)格的生產。由于需要在同一生產線上裝配不同規(guī)格的產品，因此，對設計和制造技術的靈活性提出了很高的要求。虛擬設計系統(tǒng)將為解決這一難題提供很好的幫助。例如，在設計制造一種新型汽車時，人們自然會提出許許多多的要求。汽車外形要具備美觀條件，又必需滿足安全、人機工程學、維護以及裝配等方面的標準。設計還要受到生產、時間以及費用等互相制約條件的限制。在這種復雜的設計過程中，虛擬設計技術比傳統(tǒng)的CAD技術能更好地適應這些要求。上述的各種條件可以集成在設計過程中，并且可以減少用于驗證概念設計所需的模型個數(shù)。在設計過程的各個階段，可以不斷地利用仿真系統(tǒng)來驗證假設，這樣既可以減少費用和制造模型的時間，同時又可以滿足產品多樣化的要求。英國航空實驗室進行了一項用于概念驗證的項目。研究人員研制開發(fā)了一個虛擬人機工程學評價系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一個VPL生產的高分辨率HRXEyephone頭盔式顯示器(如圖17-6(a)所示)，一個DataGlove數(shù)據手套(如圖17-6(b)所示)，一個Convolvotron三維音響系統(tǒng)和一臺SGI工作站組成，另外系統(tǒng)還為用戶提供一個真實的轎車坐艙。設計人員采用CAD系統(tǒng)創(chuàng)建了一輛Rover400型轎車的駕駛室模型，經過一定的轉換后將此駕駛室模型引入這個虛擬人機工程學評價系統(tǒng)。借助這個系統(tǒng)，設計人員可以精確研究轎車內部的人機工程學參數(shù)，并且在必要時可以修改虛擬部件的位置，重新設計整個轎車的內部構造。利用這個虛擬設計環(huán)境，最終用戶也可以和設計人員一道參與設計，人們可以將車內的方向盤抓住并從轎車的右邊移到左邊，這樣有助于滿足不同用戶的特殊要求。

圖17-6頭盔式顯示器和數(shù)據手套

17.6.1綠色設計的概念及特點

傳統(tǒng)的產品設計理論與方法是以人為中心，以滿足人的需求和解決問題為出發(fā)點，而無視后續(xù)的產品生產及使用過程中的資源和能源的消耗，以及對生態(tài)環(huán)境的影響。綠色設計就是針對傳統(tǒng)設計的這種不足而提出的一種全新的設計概念。綠色設計通常也稱為生態(tài)設計、環(huán)境設計、生命周期設計或環(huán)境意識設計等。它是將防止污染、保護資源的戰(zhàn)略集成到生態(tài)學和經濟性能都能承受得起的產品開發(fā)中去的主動方法，因此受到學術界和工業(yè)界的普遍重視。17.6綠色設計綠色設計就是實現(xiàn)產品綠色要求的設計，它源于傳統(tǒng)設計，但又高于傳統(tǒng)設計，它包含產品從概念形成到生產制造、使用，乃至廢棄后的回收、重用及處理處置的各個階段，即涉及產品全生命周期，它是從可持續(xù)發(fā)展的高度審視產品的整個生命周期，強調在產品開發(fā)階段按照全生命周期的觀點進行系統(tǒng)的分析與評價，消除潛在的、對環(huán)境的負面影響，將“3R1D”(Reduce——減量化、Reuse——回收重用、Recycle——循環(huán)再生和Degradable——可降解)原則直接引入產品開發(fā)階段，并提倡無廢物設計。綠色設計的主要特點是：

1.拓展了產品生命周期

傳統(tǒng)產品生命包括從“產品制造到投入使用”的各個階段，而綠色設計將產品的生命周期延伸到了“產品使用結束后的回收重用及處理處置”。這種拓展了的生命周期便于在設計過程中從總體的角度理解和掌握與產品有關的環(huán)境問題及原材料的循環(huán)管理、重復利用、廢棄物的管理和堆放等，便于綠色設計的整體優(yōu)化。

2.綠色設計是并行閉環(huán)設計

傳統(tǒng)設計是串行開環(huán)設計過程，而綠色設計要求產品生命周期的各個階段必須被并行考慮，并建立有效的反饋機制，即實現(xiàn)各個階段的閉路循環(huán)。

3.綠色設計有利于保護環(huán)境和維護生態(tài)系統(tǒng)平衡

設計過程中分析和考慮產品環(huán)境需求是綠色設計區(qū)別于傳統(tǒng)設計的主要特征之一，因而綠色設計可從源頭上減少廢棄物的產生。

4.綠色設計是可以在不同層次上進行的動態(tài)設計過程

綠色設計可以在三個層次上進行，即治理技術與產品設計(如可回收再生設計)、清潔預防技術與產品設計，以及為價值而設計。目的在于提高產品的總價值，這種價值體系是人與環(huán)境的共同體。17.6.2綠色設計體系結構

綠色設計的體系結構如圖17-7所示，它把綠色設計劃分為4個部分，即產品結構設計、材料選擇、產品環(huán)境性能設計和產品資源性能設計。每一部分都從全生命周期的角度進行選擇，并通過相關環(huán)節(jié)(如評價等)相互聯(lián)系和進行信息交換。

圖17-7綠色設計的體系結構

1.綠色產品的描述與建模

綠色產品可以通過壽命周期分析方法(LCA)與并行工程的思想建立其設計模型。

2.綠色產品結構設計

綠色產品的結構除了滿足普通產品的基本要求外，主要考慮的是結構的易于拆卸與回