现代机械产品设计规划及可视优化设计方法研究

现代机械产品设计规划及可视优化设计方法研究作者：孙伟导师：闻邦椿教授2007年9月5日博士论文答辩0绪论产品的质量至关重要国家高度关注产品的质量工程建设国务院总理温家宝指出，产品质量关系人民群众切身利益，关系企业的生存和发展，关系国家的形象。明确今后一个时期质量工作的任务，就是要采取有力措施，努力提高我国产品质量总体水平，促进国民经济又好又快的发展。（2007年7月27日全国质量工作会议）产品设计对产品质量有着本质的和重要的影响产品总体性能及总成本的70%都由设计所决定，因此，有的专家说“产品设计是产品质量的灵魂”。闻邦椿教授所带领的课题组，经过长期努力，在国际国内首先提出面向产品广义质量的综合设计理论与方法新体系。1选题背景0绪论1选题背景产品人机安全性；产品系统可靠性产品结构紧凑性；产品环境无害性产品工效实用性；产品指标优越性产品操作宜人性；产品使用经济性基本功能：改变物质的几何、物理、化学或生理状态辅助功能：1、物质输送；2、物件夹装；3、运动输入；4、能量输入；5、指令输入；6、信息采集与处理。现代机械的广义质量：功能+综合性能Q质量（狭义的）：C价格：T生产周期：E环境：S售后服务适用的工作机构；适用的运行系统适用的产品结构；适用的工作参数适用的运动参数；适用的动力参数适用的动力参数；参数系统可调性结构与参数的适用性产品功能的主要特性人机安全性系统可靠性工作耐久性材质适用性结构紧凑性环境无害性造型艺术性设计经济性结构性能工效实用性运行平稳性指标优越性操作宜人性设备动力性状态测控性故障可诊性使用经济性结构工艺性机器规范性生产时间性容差合理性装卸可行性设备维修性报废回收性制造经济性工作性能工艺性能综合设计理论方法正是以全面提升产品的设计质量为最根本的目标。综合设计理论方法对产品质量的分析0绪论目前，对综合设计法总体框架的研究已经较为完善。出版专著闻邦椿,张国忠,柳洪义.面向产品广义质量的综合设计理论与方法[M].北京：科学出版社，2007为了便于更好的应用综合设计法，使相关企业或部门取得实际的经济效益和社会效益，在其理论框架下，一些具体的设计理念、技术和方法还有待进一步深入研究。本文主要进行综合设计法理论框架的产品设计规划及可视优化设计方法的研究，本文的研究是对综合设计法的进一步丰富和发展。2综合设计理论方法的研究现状0绪论产品设计的规划是指用于指导设计的各种文件、方案和报表。设计规划可以确保设计工作能够高效、高质量地被完成。目前，国内外关于产品设计规划的研究较少，尚未成为研究体系，且设计决策者及其他参与人员对此重视程度还远远不够。因此，有必要系统地研究产品设计规划。可视优化设计法是一种数字化设计方法，能在设计阶段实现预测、检验产品各种性能和优化设计方案、设计参数的功能。但是，目前学者们对可视优化设计的认识还不是很清楚，往往与虚拟设计相混淆，且对可视优化设计的研究不够全面。因此，研究可视优化设计法也是有着重要的意义。3研究产品设计规划和可视优化设计法的意义1综合设计法体系结构及应用策略研究2进行了产品设计规划具体方法研究，提出了3L/8D设计规划法3计算机辅助产品设计规划研究4可视优化设计法理论框架研究5可视优化设计平台构建策略与技术研究6可视优化设计法在并联机床设计中的应用0绪论本文主要研究内容1综合设计法体系结构及应用策略研究综合设计理论方法囊括了产品开发的各个环节，可以概括为：设计规划、功能优化设计、技术设计（动态优化设计、智能优化设计、可视优化设计）和设计质量检验四个部分。1.1综合设计法的理论体系明确综合设计理论法的理论体系是有效应用的前提1综合设计法体系结构及应用策略研究由产品设计规划，可以形成用于指导和管理产品设计的技术文档；通过功能优化设计，可以获得满足功能要求的、优化的初步设计方案；通过技术设计，可以获得具有结构性能、工作性能和工艺性能全面优化的产品；通过设计质量检验，进一步保证了产品的设计质量，且可以对产品设计做一个全面地总结，对产品设计做出了科学的评价。设计规划——设计过程的预演功能优化设计——概念设计技术设计——详细设计设计检验——设计评价设计环境设计思想设计目标设计内容设计方法设计过程问题分析设计检验形成用于指导设计的规划功能信息的获取功能分析功能的分解与组合实现功能的技术方案构思方案的评价与选择形成产品的总的初步设计方案动态优化设计动力学设计可靠性设计优化结构性能智能优化设计工作参数智能控制工作过程智能控制优化工作性能可视优化设计装配过程可视化工作过程可视化优化工艺性能形成零部件设计图纸、实体模型、分析报告、虚拟样机（或实物样机）等1综合设计法体系结构及应用策略研究设计平台是一个支持复杂信息环境下工程设计、应用开发、应用集成和系统运行的软件平台。设计平台对有效、快速实施相应的设计理念，提高产品的设计质量起到了重要的支撑作用。因此，按综合设计法的相关理论，创建综合设计法的设计集成平台应该是应用该方法的一个重要手段。1.2综合设计法的应用策略如何将综合设计理论法应用到实际的产品设计中去是一个非常值得研究的问题！！1综合设计法体系结构及应用策略研究从四个层次创建综合设计法集成设计平台可视化的用户操作界面设计规划系统功能优化设计系统动态优化设计系统智能优化设计系统可视优化设计系统设计质量评价系统设计平台支撑技术动力学智能控制CADCAE模糊评判数据库编程技术专家系统知识工程功能分析优化设计PDMWindows操作系统界面层应用层技术层环境层2现代机械产品3L/8D设计规划方法2.1设计规划的内涵字典上的含义:设计规划（DesignPlanning）就是要结合研发部门的内部、外部环境，在进行产品设计之前，围绕该产品规划其设计环境、设计思想、设计目标、设计内容、设计方法、设计过程、设计的潜在问题分析和设计质量评价等要素，形成机械产品设计规划报告，用于指导实际设计工作。可以把设计规划看成是对整个设计过程的一个预演(头脑预演）。设计规划是一个系统工程.“规划”一词的意思是确定任务的发展方向以及具体的执行过程。设计规划内涵:大到整个人类、一个国家，小到一个家庭、一个人都在不断进行着规划工作，可以说“规划决定着做事情的成败”。十一五规划，企业的发展规划等。2现代机械产品3L/8D设计规划方法2.2设计规划的重要性设计目标不明确或定位不合理；设计过程缺乏有效的管理与质量监控机制，导致设计质量低下；设计理论方法选用不得当，导致产品预期的功能与性能无法保证或产品缺乏创新。设计规划并不是一项可有可无的工作，而是一项非常重要的工作。设计规划可以使设计工作在高效、有序、高质的状态下被完成。确保设计出高质量的产品。可以避免:可以实现:从全局把握机械产品设计的本质；有效管理项目；确保设计可行性；提前预知并解决开发过程中有可能产生的矛盾和冲突；确保设计出高质量的产品。2现代机械产品3L/8D设计规划方法2.3设计规划的研究现状日本学者Mizuno和AkaoQFD设计法，从顾客需求对设计进行规划；美国的KevinN.Otto和KristinL.Wood在《产品设计》一书中，他们把设计规划工作称之为“模糊前段”，即在确定被开发的产品进入实施计划之前所做的工作；日本学者HidekiKobayashi从环保角度，在设计的早期阶段要进行产品的全生命周期进行规划；美国学者L.Cheng等针对不确定的设计环境（包括市场和技术），提出公式化的规划方法，利用该方法可使决策者面对几个冲突的目标，制定出合理的规划。国内外关于产品设计规划方面的研究还是集中于一个方面，尚未成为研究体系国外:国内:周勇建立了决策情势分析模型对围绕是否开发新产品进行了产品规划研究杨劲用模糊设计结构矩阵对设计过程进行规划；马力伟等从设计时间估计、开发计划制定和设计人员组织等方面进行了产品设计过程规划研究；刘天湖提出了面向设计任务的设计过程管理方法，对研发项目的任务进行了规划研究。2现代机械产品3L/8D设计规划方法2.43L/8D机械产品设计规划机械产品设计规划设计思想设计环境设计目标规划战略层确定待设计的产品设计内容设计过程设计方法规划业务层确定设计参与人员规划检验层设计质量评价确定设计风险及应对策略确定质量评价要素及方法设计问题分析确定设计指导思想确定产品竞争要素确定设计质量要求确定设计任务确定设计实现方法确定设计管理策略确定所需软硬件资源规划设计战略层DesignStratagemLayer包括：设计环境（DesignEnvironment）设计思想（DesignIdeas）设计目标（DesignObjective）做什么？怎么做？怎么检验？规划设计业务层DesignOperationLayer包括：设计内容（DesignContents）设计方法（DesignMethods）设计过程（DesignProcess）规划设计检验层DesignInspectionLayer包括：设计的潜在问题分析（DesignProblemAnalysis）设计质量评价(DesignQualityAssessment)2现代机械产品3L/8D设计规划方法2.5设计环境规划产品的设计活动必然要与所处的环境相联系。对设计环境的规划研究主要体现在两个工作内容，一是对产品设计的环境影响要素进行归纳和总结，二是提出合理的产品设计环境规划方法。政治环境经济环境研发队伍环境保护人文环境法律环境产品设计人际环境自然环境技术环境社会环境国际环境资源利用环境威胁环境机遇物质资源环境要素正因为设计环境的存在，使产品的设计面临两个可能，即环境威胁和环境机遇。设计者应努力避开环境威胁，而积极掌握环境机遇，从而使设计出的产品给企业带来经济效益，给社会带来社会效益。2现代机械产品3L/8D设计规划方法2.5设计环境规划（1）研发产品定位这里的定位包含两层含义，一是具体开发什么产品，二是要开发的产品在该类产品中档次定位（即高端、中端和低端的划分）。设计环境规划方法研发产品准确定位设计环境分析配置合理的设计环境市场关联要素分析技术关联要素分析市场调查数理统计决策论产品研发报告设计环境分析报告设计环境规划报告回避环境威胁策略掌握环境机遇策略产品生命周期竞争对手研发能力技术冲击性（2）设计环境分析以待研发的产品为核心，对照社会环境、自然环境、技术环境各要素进行分析，明确哪些环境要素是有利的（环境机遇），哪些环境要素是有害的（环境威胁）（3）配置合理的设计环境回避环境威胁策略研究和掌握环境机遇策略研究2现代机械产品3L/8D设计规划方法2.6设计思想规划（1）为具体的设计方法指引方向（2）推动产品创新想法决定生活，理念决定设计（1）绿色设计思想（2）协同设计思想（3）模块设计思想（4）创新设计思想（5）综合化与集成化设计思想决策者可以制定出自己所处团队的设计指导思想，这些思想是设计工作人员进行设计工作的行动指南。要注意随着时代的发展，逐步修正设计思想。设计思想的重要性几种有影响力的设计思想产品设计思想内部性态发挥主观能动作用外部性态考虑客观环境要求全局性态如采用综合设计法如采用绿色设计法如采用创新设计法考虑综合化集成化设计思想规划2现代机械产品3L/8D设计规划方法2.7设计目标规划设计目标（DesignObjective）是设计人员通过实际的设计工作最终要达到状态或水平的功能性描述。具有战略性、明确性和可度量性的特点。其中前两个因素对产品设计目标的制定有最直接的影响，称之为硬因素，而后两个是从宏观上影响着设计目标的制定，称之为软因素。影响制定设计目标的因素市场环境内部资源设计思想技术水平设计目标硬因素软因素2现代机械产品3L/8D设计规划方法2.7设计目标规划分三步进行设计目标规划市场环境内部资源设计思想技术水平基本功能辅助功能结构性能使用性能工艺性能使用质量研发成本研发周期环境保护售后服务以功能和性能为目标以QCTES五大要素为目标设计目标可行性论证设计目标影响因素分析设计目标规划内容2现代机械产品3L/8D设计规划方法2.8设计内容规划一般机械产品的设计内容设计内