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现代机械设计理论与方法陈时锦：sjchen@hit.edu.cn机械制造及其自动化系第一章概述课程教学的目的培养学生运用现代先进的设计理论和方法解决工程问题的能力。教学内容现代设计理论：重点内容为系统分析法及创造性思维。现代设计方法：重点内容为有限元分析、优化设计和反求工程设计。1.1传统设计与现代设计及其范畴一传统设计与现代设计1设计的起源和设计技术的传递1)手工艺人的设计及技术传递师傅——徒弟（实用的）2)传统设计技术的传递图纸、经验、类比（实验为基础的）3)现代设计理论体系的建立与发展仿真、理论分析（分析实验结合的）1.1传统设计与现代设计及其范畴一传统设计与现代设计2产品属性变化对设计的要求（传统产品与现代产品）1)产品的使用属性2)产品的社会属性3)产品的服务属性海尔是如何赚钱的？你把保险公司的产品放到哪里去了？3现代设计与传统设计的根本区别1)手工的、静态的、经验的设计，被动地分析产品的性能2)计算机化的、动态的、科学的设计，主动地设计产品的性能1.1传统设计与现代设计及其范畴二现代设计的范畴1信息论方法,如信息分析法、技术预测法等。它是现代设计方法的前提。2系统论方法,如系统分析法、人机工程以及面向产品生命周期的设计。3控制论方法,如动态分析法等。4优化论方法,它是现代设计方法的目标。5对应论方法,如相似设计、反求工程设计等。6智能论方法,如CAE、并行工程、人工智能等。是现代设计方法的核心。7寿命论方法,如可靠性设计、价值工程和稳健性设计等。8离散论方法,如有限元和边界元方法。9模糊论方法,如模糊评价和决策等。10突变论方法,如创造性设计等。它是现代设计方法的基础。11艺术论方法,如艺术造型等。1.2设计过程和设计技术简述设计方法的研究内容设计素质的培养做合格的设计人员设计步骤和程式组织和执行设计解决具体问题的方法和手段科学而娴熟的方法1.2设计过程和设计技术简述一机械设计过程简述1基本设计步骤1)调查研究2)方案设计3)工作图设计4)样机试制与鉴定2系统分析设计模式3创造性设计模式1.2设计过程和设计技术简述二设计技术知识维逻辑维时间维三机械结构设计第二章系统分析设计方法传统设计方法的缺陷孤立、静止地分析问题得到的结论具有片面性和局部性增加系统的实现难度和成本失败的案例分析：某大型企业的技术引进——XX压力机设计现代设计方法注重产品设计的全过程注重分析系统内部单元的相对关系从功能分析入手解决产品方案设计2.1技术系统的组成和处理对象系统的组成系统单元系统结构边界条件输入和输出的要素2.2系统分析设计方法系统分析设计的内容系统设计系统制造系统运行系统分析设计涉及到产品开发和运行的所有环节，甚至包括产品的售后服务和产品失效（报废）后处理，所以系统分析设计不是单纯的产品设计。2.2系统分析设计方法一设计过程剖析1产品规划重要度：极高。极少数人行为确定，受控度低，无补救措施。2方案设计重要度：高。少数人行为确定，受控范围小，补救困难。3技术设计重要度：中。较多人行为确定，受控范围大，较易补救。4施工设计重要度：低。受控度高，一般能及时发现，易补救。工程设计中，大多数人理解施工设计十分重要，其原因是施工设计是十分费时而细致的工作，而且多数人只能看到施工设计或只有看见施工设计的能力。2.2系统分析设计方法二产品规划明确所设计系统的目的、任务和要求撰写设计任务书目的：提供设计、评价和决策的依据2.2系统分析设计方法二产品规划1市场需求分析1)消费者对产品功能、性能、质量和数量等的具体要求2)现有类似产品的销售情况和销售趋势3)竞争对手在技术、经济方面的优缺点及发展趋向4)主要原料、配件和半成品的现状、价格及变化趋势等2.2系统分析设计方法二产品规划2可行性分析1)技术分析——系统实现的难点和创新点2)经济分析——成本、性能价格比分析3)社会分析——产品开发的经济效益和社会效益2.2系统分析设计方法二产品规划3可行性分析报告的内容1)产品开发的必要性、市场调查和预测情况2)有关产品的国内外水平及发展趋势3)从技术上预期能达到的水平4)需要解决的关键技术问题5)经济效益、社会效益的分析6)投资费用及时间进度计划7)现有条件下开发的可能性及准备采取的措施2.2系统分析设计方法二产品规划4设计要求的拟定1)产品功能和性能2)设计参数和相关的指标3)制造及使用等方面的限制条件2.2系统分析设计方法三方案设计1功能分析和原理方案拟定1)功能分析2)创造性设计3)分析——综合——评价2.2系统分析设计方法三方案设计2功能分析的目的1)启发创造性2)全面掌握对产品各方面的要求3)避免设计的盲目性4)全面考虑功能和成本的关系功能分析2.2系统分析设计方法三方案设计3功能的分类1)基本功能和辅助功能手机的功能分析2)必要功能和不必要功能短命的产品——金长城家用电脑的功能分析3)使用功能和外观功能二十年来服装的变化趋势或潮流2.2系统分析设计方法三方案设计4依据功能的设计1)参考有关资料、专利或产品求解2)利用各种创造性方法以开阔思想来探寻解法3)采用形态综合法或相关表和相关网法进行组合2.2系统分析设计方法三方案设计5功能分析设计法举例1)挖掘机的原理方案设计2.2系统分析设计方法三方案设计5功能分析设计法举例2)电子皮带秤的原理方案设计2.2系统分析设计方法四方案设计举例瓶盖整列装置的原理方案设计2.2系统分析设计方法四方案设计举例原理方案设计2.2系统分析设计方法四方案设计举例原理方案设计第三章创造性设计方法什么是创造建立新系统的过程狭义创造广义创造个体创造力创造性设计竞争力与创造性的关系典型企业特征Wintel——用新产品进行“抢劫”麦当劳和肯德基——为什么会亏损？3.1创造力和创造过程一培养创造力的条件创造力的培养1)丰富的知识和经验——知识和经验是创造的基础,是智慧的源泉。创造就是用已有的知识为前提去开拓新的知识。浅谈水变油——没有知识的创新只能是滑稽的创新浅谈海水变油——1升海水所蕴含的能量相当于300升汽油3.1创造力和创造过程一培养创造力的条件创造力的培养2)高度的创造精神——创造性思维能力并不是与知识量简单地成比例的,还需要有强烈的参与创造的意识和动力。少年牛顿莱特兄弟孙圣和教授与博士生培养3.1创造力和创造过程一培养创造力的条件创造力的培养3)健康的心理品质——要有不怕困难、刻意求新、百折不挠的坚强意志。爱迪生与诺贝尔墙头漫步的精神病人3.1创造力和创造过程一培养创造力的条件创造力的培养4)科学而娴熟的方法——必须掌握各种创造技法和其他的工程技术研究方法。冯康教授与有限元法3.1创造力和创造过程一培养创造力的条件创造力的培养5)严谨而科学的管理——创造需要引发和参与,也需要对其每个阶段或步骤进行严谨而科学的管理,这也是促进创造发明的实现的因素之一。浅谈神州飞船3.1创造力和创造过程一培养创造力的条件创造力的培养1)要克服思想僵化和片面性,树立辩证观点。2)要摆脱传统思想的束缚,不盲目相信权威等。3)要消除不健康的心理,如胆怯和自卑。4)要克服妄自尊大的排他意识,注意发挥群体的创造意识等。从过高空悬索看我们自身的心理弱点。从同学到上司。我看文化革命。3.1创造力和创造过程二创造发明过程分析准备阶段——提出问题、搜集材料、定向科学分析等。创造阶段——构思、顿悟和发现等。整理结果阶段——验证、评价和公布等。尺有所短，寸有所长——谈创造发明中的人才任用3.1创造力和创造过程二创造发明过程分析1意念什么是意念及意念的获取方法值得研究？值得改进？也许能实现？顾客需要的不是这个？顾客需要的也许是这个？下属对我的做法不满意？上级对我的工作不满意？同级觉得和我沟通困难？客户对我不满意？客户流失？3.1创造力和创造过程二创造发明过程分析2概念报告（广义的履历表、计划表）概念报告的内容概念报告的修正概念报告的作用3.1创造力和创造过程二创造发明过程分析3可行模型4工程模型5可见模型从可视化到虚拟制造6样品原型7小批生产3.2创造性思维创造性思维和创造技法是创造的核心常规思维的主要特点常规性——即习惯性、通常性单向性——即只向常规的习惯方向思考单一性——即只考虑一种方案、一种思路逻辑性——即通常的逻辑思维范畴等创造性思维的主要特点独特性——即与众不同多向发散性——即立体性思维、多答案非逻辑性——即出人意料连动性——即由此及彼性综合性——创造是多种思维方式的综合,在综合中创新3.2创造性思维一发散思维与收敛思维发散思维是一种让思路向多方向、多数量全面展开的立体型、辐射型的思维方式。收敛思维是指针对由发散思维所提出的各种方案,分别逐一地进行讨论,做出比较、评价和选择,将问题集中到使它获得解决的某一种或某几种方案上,并最终使问题获得解决的思维过程。发散思维和收敛思维都具有它们各自的特点,缺一不可。3.2创造性思维二想像想像是人脑在过去的感知的基础上对所感知的形象进行加工、改造，创建出新形象的过程。是对没有关联的事物经过重新组合、搭配,构成新的有联系的事物的思维过程。消极想像和积极想像再造想像、创造想像和憧憬3.2创造性思维三灵感人们在创造活动中,有时长期冥思苦想,找不出好的办法去解决问题,但在某种情况下却恍然大悟,问题迎刃而解。这种现象称为灵感。灵感具有突发性、目标性、独创性、随机性和瞬时性的特点,是创造性思维中作用巨大的一种思维形式,是创造活动中达到最高阶段出现的一种最富有创造性的心理状态。3.2创造性思维三灵感在长期积累的前提下偶然得之；在有意追求的过程中元意得之；在循常思维的基础上反常得之；在良好的精神状态下怡然得之；在和谐的环境中欣然得之。3.3创造技法一列举法希望列举法电冰箱的冷藏冷冻区域划分缺点列举法单放机的发明故事特性列举法专卖店与超市3.3创造技法二智爆法（集体联想方式）会议要求人员、计划解决的问题确定会议原则创新、聆听、赞赏实施程序气氛、主持人技巧3.3创造技法三提问追溯法5W1HWhen?Where?Who?What?Why?How?二维微位移工作台的工程图设计问题举例3.3创造技法三提问追溯法奥斯本检核表法1)可否将产品的形状、制造方法等加以改变?2)可否另作他用?3)有无其他更佳设想?4)改变一下如何?5)放大如何?6)缩小如何?7)用别的替代如何?8)反之如何?9)组合起来如何?3.3创造技法四反向探求和向前推演法反向探求法对现有的解决方案系统地加以否定或寻找其他的甚至相反的一面,找出新的解法或启发新的想法。向前推演法从一个最初的设想按一定方向逐步向前探索,寻找新的想法。3.3创造技法五联想类推法相似联想法河蚌育珠、牛黄抽象类比法喷气发动机与沙漠中的沙丘借用法、仿生法蜂窝结构3.3创造技法六组合法主体附加手机和收音机异类组合手表和U盘同类组合DVD和VCD分解组合前掠翼飞机单兵飞行器辐射组合——纳米技术坐标组合——北京某肉制品厂的起死回生3.3创造技法七功能分析法八同中求异与异中求同对于熟悉的事物把它看成是“陌生的”清华校训“自强不息，厚德载物”：出自《周易》：“天行健，君子以自强不息”、“地势坤，君子以厚德载物”。哈工大校训“规格严格，功夫到家”：航天人的精神被概括为：特别能吃苦，特别能战斗，特别能攻关，特别能奉献。对陌生的事物持“熟悉的”态度快速虎钳的设计案例第四章机械可靠性设计什么是可靠性可靠性能不能被量化可靠、不可靠；十分可靠、很不可靠；可靠度达到99.99%??可靠性与合格可靠性的代价数据的获取代价产品失效的代价4.1关于机械可靠性设计的几个问题一为什么要研究可靠性的问题由于市场竞争激烈,产品更新快,许多新元件、新材料、新工艺等未及成熟试验就被采用