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讲稿课程名称：现代设计方法ModernDesignMethod课型：选修课总学时：40学分数：2任课教师：ooooo授课对象：2006级华中农业大学工学院华中农业大学教学备课用纸第1页《现代设计方法》课程大纲第一章绪论（2h）第一节概述第二节现代设计方法的概念第三节现代设计方法的主要内容第四节现代设计方法的学习的目的与意义第二章优化设计（20h）第一节优化设计的基本概念与数学模型第二节优化设计的几何意义与终止准则第三节一维搜索方法第四节无约束优化方法第五节约束优化方法第六节多目标优化方法与离散变量优化问题第三章可靠性设计（8h）第一节可靠性设计概述第二节可靠性基本概念和理论第三节系统可靠性模型的建立、可靠性预计和分配第四节可靠性设计方法第四章有限元法（8h）第一节有限元法概述第二节有限元法的基本思想及其应用第三节有限元法求解实例第四节几种大型有限元分析系统简介第五章其他现代设计方法（2h）第一节可靠性设计第二节动态设计第三节人机工程学第四节其它方法简介本章小结华中农业大学教学备课用纸第2页第一章绪论第一节概述一、现代设计的概念设计：设计在通俗中说来是把各种先进技术成果转化为生产力的一种手段和方法。它是从给出的合理的目标参数出发，通过各种方法和手段创造出一个所需的优化系统或结构的过程。设计方法设计中的一般过程及解决具体设计问题的方法、手段。传统设计(TraditionalDesign)：人类的设计活动经历了直觉设计阶段、经验设计阶段、半理论半经验设计阶段，即所谓的传统设计阶段。现代设计(ModernDesign)：以市场需求为驱动、以知识获取为中心、以现代设计思想、方法和现代技术手段为工具，考虑产品的整个生命周期和人、机、环境相容性等因素的设计。二、现代设计方法的产生背景（以机械工业为例）：1)设计理论和实践的变化：过去，机械产品设计理论主要以力学为基础，在实践上主要以经验作为基础，现在，作为基础的理论远不止力学，还有系统论、控制论、信息论、传感理论、信号处理理论、电子学、计算机等等，作为实践的基础远不止经验，而且还涉及各有关的学科，同时，自身也在形成自己的学科体系——制造理论、工艺理论。2)产品功能要求的变化：过去机械产品功能单一化、造型简单化、实用化，新的产品在不同程度上都同微电子技术、微计算机技术相结合，取代、延伸、加强与扩大人脑的部分作用。机械产品的种类和品种正日新月异，老的正在脱胎换骨，新的不断问世，几乎“无所不包”、“无孔不入”。3)产品制造技术的变化：机械制造技术正在彻底改造，广泛采用各种高新技术，特别是微电子技术与电子计算机技术，从数控化走向柔性化、集成化、智能化，成为现代科技前沿热点之一。4)机械工程、机械工业的企业管理发生根本性的变化：从以产品为主的管理发展到以面向市场信息为主的管理，并依靠建立在市场信息基础上的管理来实现企业与客户之间的相互沟通。过去主要是注重产品的质量，企业的管理主要集中在产量、产品的质量上；现在，企业在关注产品质量的同时，更多的关注市场需求，“客户需要什么样的产品，就设计什么样的产品”。这些变化引起人们开始新的思考、新的认识，现代设计方法这门课程就是这些变化的结果，它是一门符合现代市场经济、知识经济时代发展需要的一门课程，作为工科的学生必须了解和掌握有关现代设计的思想和方法，通过这门课程的学习主要了解现代产品设计的主要方法，从思维观点发华中农业大学教学备课用纸第3页生质的变化，为今后的工作打下一定的基础。第二节现代设计方法的概念现代设计方法是以研究产品设计为对象的科学。它以电子计算机为手段，运用工程设计的新理论和新方法，使设计结果达到最优化，使设计过程实现高效化和自动化的设计方法。现代设计方法是传统设计方法的延伸与发展，是人们把相关科学技术综合应用于设计领域的产物，它使传统设计方法发生了质的变化。一、现代设计方法的特点现代设计方法与传统设计方法相比较，主要完成了以下几方面的转变：1．产品结构分析的定量化；（优化设计）传统设计方法设计产品时，通常是在调查分析的基础上，参照同类或近类产品通过估算、经验类比或简单试验确定设计方案，然后根据初始设计方案的设计参数对零部件各项性能要求进行计算，校核各项性能参数是否满足要求，如果不完全满足，则凭借设计者的经验或主观判断对有关参数进行修改和计算，直到满足要求为止，从而获得可行的设计方案。（可行的设计方案当然有多种）而现代设计方法中的优化设计法是先根据产品的设计目标和性能要求构造数学模型，然后应用数学规划理论或数值计算法，借助于计算机进行求解计算，从而获得具有最优技术经济效果的最优设计方案。如各种应用于优化设计的软件有MATLAB、SAS、SPSS等。2．产品工况分析的动态化；（有限元法）在产品结构分析中，传统的设计方法虽然能对结构简单的零部件，利用材料力学和弹性力学的计算公式作出近似的计算，但是对复杂结构的零部件或整机却只能进行定性或类比的估算。而现代设计方法在传统设计方法基础上引入了有限元方法，依靠计算机不但对结构简单的零部件能作出更为精确的计算，而且对结构复杂的零部件或整机也能进行较为精确的计算。（定量）3．产品质量分析的可靠性化；（可靠性设计）在产品的质量分析中，虽然传统设计方法能用安全系统法作出零部件不发生破坏（失效）的计算，但是当零部件的几何尺寸、工作应力、强度等参数具有较大的离散性时，因为这种方法未能考虑零部件的失效概率，所以即使安全系数大于1也可能发生失效。因此传统的设计方法的安全系数法不能定量的给出产品质量的可靠性预测。而现代设计方法中的可靠性设计法，根据实际情况，把零部件或整机的各种性能参数（具有离散性的参数）均视为随机变量，应用概率论建造数理统计模型并进行分析计算，这样可以定量作出华中农业大学教学备课用纸第4页零部件或整机的可靠性预测。目前，国家机械电子工业部规定，我国机电产品设计的原则是可靠性、经济性和适应性三性统筹，在新产品鉴定时必须要有可靠性设计资料和实验报告，否则不能通过鉴定。如今可靠性的观点和方法已经成为质量保证、安全性保证、产品责任预防等不可缺少的依据和手段。4．产品设计结果的最优化；（动态设计）在产品的工况分析中，由于传统设计方法受计算手段和测试条件的制约，对产品的工作状况仅限于静态的计算和动态的估算。而现代设计方法中的动态设计方法不仅可以根据动态力学理论建造数学模型，而且还可以同时利用理论和测试数据建造与实际工况符合的数学模型，然后利用计算机进行分析计算，预测出产品的动态性能和改进效果。如ADAMS软件、CVI软件（虚拟仪器）等。5．产品设计过程的高效化和自动化。（计算机辅助设计）传统设计方法的设计过程要消耗设计者大量的脑力和体力劳动，并且存在许多重复性的劳动，而最后确定的设计方案也只是一种可行的方案，并不是最优的方案。而现代设计方法的设计过程是以计算机为手段，利用计算机中的专家系统确定设计参数和方案，使用有限元法、可靠性设计法、动态设计法等对其进行分析计算，通过优化设计对设计方案和设计参数进行不断的修改和计算，以获得最优的设计参数，并利用计算机的输出设备得到最后的设计结果，从而实现设计过程的高效化和自动化。如果把设计的零部件和整机的制造信息用计算机编制成工艺规程软件，并输入到若干加工中心连成一体的柔性制造系统中，则可完成零部件的加工、部件和整机的装配，从而实现从产品设计到制造的自动化。二、现代设计原则设计原则是对设计行为的约束。受设计水平、观点、体制等限制，传统设计所考虑的原则，着眼于产品的功能和技术范畴。现代设计原则是传统设计原则的扩充和完善，可以归纳为以下几类：1．功能满足原则产品具备所要求的功能。举例：嫦娥工程“绕、回、落”三期工程中的第一期工程。2．质量保障原则产品质量主要由性能和可靠性决定，因此这类原则主要包括：华中农业大学教学备课用纸第5页性能指标、可靠性、强度原则、刚度原则、稳定性、抗磨损性、抗腐蚀性、抗蠕变性、动态特性、平衡特性（旋转产品）、热特性举例：美国航天飞机3．工艺优良原则指设计能够且容易通过生产过程实现，它包括：1）可制造性：指利用现有设备能够制造出满足精度等要求的零件，且制造成本低、效率高。2）可装配性：指零件能够装配成满足装配精度要求的部件和整机，且装配成本低、效率高。3）可测试性：指产品能够且容易通过适当方法进行有关测试，以评估设计、制造和装配的质量。举例：国家体育馆“鸟巢”为建造鸟巢，专门生产了高强度钢“Q460”，厚度达110mm。此前，我国从未生产过这种钢材，且国家标准中Q460钢的最大厚度也只有100mm。鸟巢用钢材共达11万多吨，其中外部钢结构用钢4.2万吨。鸟巢的钢结构全部采用无缝焊接，对焊接工人专门进行了3个月的培训。为鸟巢的验收，业内专家论证通过了《国家体育场永久钢管箱模板矩形混凝土跨层斜(扭)柱施工质量验收标准》、《国家体育场钢结构施工质量验收标准》、《国家体育场ETFE膜结构施工质量验收标准》和《国家体育场PTFE膜结构施工质量验收标准》等专项验收标准。首创了国内同类工程的验收标准。4．经济合理原则要求产品具有较低的开发成本和使用费用。举例：波音737和图154。图-154飞机存在着噪音大、耗油量高、单发飞行、维修航材不全等诸多弊端，用于客运存在风险。5．社会使用原则考虑产品投放市场后的表现行为，包括：1）环境友好性2）环境适应性3）人机友好性华中农业大学教学备课用纸第6页4）可维修性5）安全性6）可安装性7）可拆卸性8）可回收性第三节现代设计方法的主要内容现代设计方法是研究产品设计方法的综合类科学，它涉及的范围非常之广泛，它涉及的课程有：机械制图、机械基础、公差配合、机械原理、材料力学、理论力学、弹性力学、机械制造工艺学、高等数学、线性代数、概率论与数理统计、近代数学、计算机基础知识、计算机语言、数值分析、CAD与CAM、运筹学、系统工程、管理工程、试验涉及与数据处理、经济管理类课程等等，按照目前公认的基本含义，现代设计方法包括：系统分析方法、价值工程方法、技术经济预测方法、有限元法与边界元法、最优化设计法、可靠性设计法、动态设计法、绿色设计法、并行设计法、虚拟设计法、反求设计法、稳健设计方法、机电一体化设计法、外观设计法、计算机仿真与动态模拟方法、抗磨损设计法、抗疲劳设计法、防腐蚀设计法、现代测试与信号分析技术、理论与实验模态分析方法、故障诊断方法、模块化设计方法、相似设计和模型试验方法、功能分析设计方法、创造性分析方法、智能分析设计方法、离散分析设计方法、模糊分析设计方法、物元分析设计方法、网络分析设计方法、人工神经网络分析设计方法、工程遗传分析设计方法、下一代设计制造系统分析设计方法，共计33种实例：椅子的设计著名设计师普罗斯普曾断言：世界上具有良好功能的十全十美的椅子是没有的。象征皇家尊严的“龙椅”并不舒适。理想的椅子除了能坐，还有一系列的要求：1）坐下后，人的大腿与躯干所构成的角度不可小于105°；2）椅子的靠背应根据人的腰椎曲线设计，并以能托住腰部为好；3）椅子座面应向后倾斜，但倾斜角度如果过大，会使人难以站起来，一般与水平面成105°较合适；4）椅子前面的边缘应做成圆弧，以防其损伤人体；5）如果椅子靠背与垂直面的角度大于30°，椅子上方应增加靠垫，使头枕在上面得以休息；华中农业大学教学备课用纸第7页6）新产品的设计应考虑即使使用者改变姿势也不妨碍舒适感。从现代设计方法的角度，椅子的设计方法可以总结为：1）如何保证设计的椅子最省料、成本最低、结构尺寸合理，这是一个优化设计问题；2）如何保证椅子的耐久性，能够可靠地工作，这是一个可靠性设计问题；比如：椅子的支撑结构，最大的问题是保证人坐在椅子上能够抵抗多少次的疲劳破坏3）如何使设计的椅子满足人体舒适要求，这是一个人机工程学问题；4）如何保证设计的椅子外观、造型美观，容易被消费者接受，这是一个产品造型设计问题；5）如何保证椅子设计过程的计算更精确，这是一个有限元问题；6）如何保证椅子设计的效率，这是一个计算机辅助设计问题；7）如何使椅子报废后可以回收利用，这是一个绿色设计问题；诸如此类，