现代设计技术

现代设计技术王永强0引言现代设计技术是先进制造技术中的首要关键技术，它是现代科技发展和全球市场竞争的产物。产品设计是以社会需求为目标，在一定设计原则的约束下，利用设计方法和手段创造出产品结构的过程，如图l所示。市场竞争的需要和各种新方法、新技术、新工艺、新材料不断涌现，推动了设计方法和技术的进步，产品设计从传统的经验设计进入现代设计。1现代设计的内涵1.1现代设计的特征现代设计是传统设计的深入、丰富和完善，而非独立于传统设计的全新设计。虽然目前对现代设计尚无确切定义，但可从以下特征来理解。⑴以计算机技术为核心这是现代设计的主要特征。计算机技术的飞速发展对设计产生了巨大影响，表现为以下几方面：①设计手段的更新计算机技术推动了设计手段从“手工”向“自动”的转变。传统设计以图板、直尺、铅笔等作为工具，这种设计手段效率低、人工强度大。CAD技术的出现和发展，甩掉图板的“无纸设计”作为现代设计的主流，显著提高了设计效率。②产品表示的改变计算机技术推动了产品表示从“二维”向“三维”的转变。传统设计利用投影原理表示产品结构，这种二维表示的数据单一，数据量少，不便于产品的进一步分析和制造。随着CAD技术的发展，三维“产品模型(ProductModel)”越来越得到广泛应用。这种表示不仅包括反映产品形状和尺寸的几何信息，还可包括分析、加工、材料、特性等数据，从而可直接用于分析和制造。③设计方法的发展促进了一些新的设计方法的出现，高性能的计算机硬件和先进的软件技术是这些方法实施的保证。一些先进的设计方法如有限元分析、优化、模态分析等都涉及大量复杂计算，只有计算机技术的发展才能推动这些方法的进步和应用。新的设计方法如并行设计、虚拟设计、计算机仿真等。④工作方式的变化计算机技术促进了设计方式从“串行”到“并行”的变化。受设计手段限制，传统设计过程采用串行方式进行，即设计任务按时序从一个环节传入下一环节。随着数据库技术和网络技术的发展，并行设计正得到广泛应用。它要求设计小组(Team)同时地、并行地参与设计，并最大限度地交流信息，以缩短设计周期及有助于将各种新思想、新技术、新方法融入到产品设计中。⑤设计与制造一体化存在于计算机内的产品模型可直接进入CAPP系统进行工艺规划和NC编程，进而加工代码可直接传入NC机床、加工中心进行加工。产品模型加强了设计与制造两个环节的连接，提高了产品开发的效率。⑥管理水平的提高产品设计是一个复杂的系统工程，设计过程中涉及大量设计数据和设计行为的管理。数据库技术的发展改变了传统的手工管理模式，各种MIS、PDM系统的广泛应用大大提高了设计的管理水平，保证了设计过程的高效、协同和安全。⑦组织模式的开放网络技术的发展加快了数据通讯速度，缩短了企业之间的距离。传统的局限于企业内部的封闭设计正在变为不受行政隶属关系约束的、多企业共同参与的异地设计。为完成一种设计任务形成的虚拟企业或动态联盟将实现优势互补和资源共享，极大地提高设计效率和水平。⑵以设计理论为指导受科学技术发展水平的限制，传统设计是以生产经验为基础，以运用力学和数学形成的计算公式、经验公式、图表、手册等作为依据进行的。随着理论研究的深入，许多工程现象不断升华和总结为揭示事物内在规律和本质的理论，如摩擦学理论、模态分析理论、可靠性理论、疲劳理论、润滑理论等。现代设计方法是基于理论形成的方法，利用这种方法指导设计可减小经验设计的盲目性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准确性。因此，现代设计是以理论指导为主、经验为辅的一种设计。1.2现代设计的内涵通过对其特征的分析，可以认为：“现代设计”就是以满足应市产品的质量、性能、时间、成本／价格综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。既以市场需求为驱动，以知识获取为中心，以现代设计思想、方法为指导和现代技术手段为工具，考虑产品的整个生命周期和人、机、环境相容性因素的设计。1．现代设计作为一个研究领域，包含范围极其广泛。既包含指导设计进程及逻辑规律的设计方法学（属于思维方面），也包含能用来提高设计效率和设计质量的各种单项技术（如CAD技术、有限元分析、可靠性设计等），同时还包含有高产品市场竞争优势的技术（如商品化设计、工业造型技术、市场预测与分析技术等），贯穿其中很重要一点就是并行工程的应用：产品设计开始就要同时考虑制造、使用及全生命周期的各个因素，另外，对于一个任务，可以以网络技术为基础组织不同制造商（网上动态联盟）来共同完成。因此，2.现代设计只能综合理解为：计算机为工具，专业设计技术为基础，网络为效率，市场为导向的一种综合设计理念，其实现没有固定的模式。简单的说，现代设计的内涵就是以市场为驱动，以知识为依托，以知识获取为中心，以产品全生命周期为对象，人、机、环境相容的设计理念。2现代设计的技术体系现代设计技术的整个体系好比一棵大树，由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个层次组成。图22.1基础技术指传统的设计理论与方法，特别是运动学、静力学与动力学、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等方面。它不仅为现代设计技术提供了坚实的理论基础，也是现代设计技术发展的源泉。现代设计技术也可以说是在传统设计技术的基础上，以新的形式和更丰富的内涵发扬光大传统设计技术中的优秀内核与精华。图2现代设计技术体系与其他学的关系2.2主体技术现代设计技术的诞生和发展与计算机技术的发展息息相关、相辅相成。可以毫不夸张地说，没有计算机科学与计算机辅助技术(如计算机辅助设计、智能CAD(IntelligentCAD——ICAD)、优化设计、有限元分析程序、模拟仿真、虚拟设计和工程数据库等)，便没有现代设计技术；另一方面，没有其他现代设计技术的多种理论与方法，计算机技术的应用也会大大受到限制，因为运用优化设计、可靠性设计、模糊设计等理论构造的数学模型，来编制计算机应用程序，可以更广泛、更深入地模拟人的推理与思维，从而提高计算机的“智力”。而计算机辅助设计技术正是以它对数值计算和对信息与知识的独特处理能力，成为现代设计技术群体的主干。2.3支撑技术无论是设计对象的描述，设计信息的处理、加工、推理与映射及验证，都离不开设计方法学、产品的可信性设计技术及设计试验技术所提供的多种理论与方法及手段的支撑。设计方法学、可信性设计技术及试验设计技术所包含的种种内容，可视为现代设计技术群体的支撑技术。2.4应用技术应用技术是针对实用目的解决各类具体产品设计领域的技术。如机床、汽车、工程机械、精密机械的现代设计内容，可以看作是现代设计技术派生出来的丰富多彩的具体技术群。现代设计技术在各类产品设计领域的广泛应用，促进了产品质量与性能的提高。现代设计已扩展到产品规划、制造、营销、运行、回收等各个方面，除了必要的传统设计理论与方法的基础知识外，相关的学科与技术，尤其是制造工艺、自动化技术、系统管理技术、材料知识与经验及广泛的自然科学知识等也是十分必要的。值得一提的是，现代设计技术体系框架的划分只是相对的，而不是绝对的；主体技术、支撑技术、应用技术、基础技术之间并不存在截然的界限。主体技术所包含的计算机辅助设计的有关技术本身往往就是应用技术。在特定情况下，某些支撑技术也可以成为主体技术，例如变载荷及随机干涉下零件的疲劳设计和稳定性设计，这时疲劳设计、健壮设计就是相应情况下的主体技术。有些设计支撑技术本来就是由传统的强度、变形及失效理论“繁衍”出来的多种设计理论，如疲劳设计、防断裂设计、可靠性设计等，所以，这些设计支撑技术，也可看作基础技术。3现代设计原则设计原则是为设计产品应满足的条件，也是对设计行为的约束。受设计水平、观念、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，而设计的影响贯穿产品整个生命周期，所以设计原则必须面向生命周期内的各个阶段。现代设计原则是传统设计原则的扩充和完善，两者并无本质区别。可归纳为以下几类。3.1功能满足原则产品设计的目的是构造能够实现规定功能的产品。如果产品不具备要求的功能，设计就失去价值。因此满足功能是各类产品设计的必要原则。3.2质量保障原则保证质量是产品设计的重要原则。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：(1)性能指标。指产品的各类技术指标，如机床加工精度、传动系统运动精度，电视机分辨率等。先进的技术指标是实现高质量产品的前提。(2)可靠性。指产品在规定的条件和规定时间内完成规定功能的能力。产品只有可靠性能才有实用价值，因此性能的发挥依赖于可靠性。(3)强度原则。要求产品零件具有抵抗整体断裂、塑性变形和某些表面损伤的能力。(4)刚度原则。要求外载作用下产品变形在规定的弹性变形之内。(5)稳定性。指产品在外载作用下能够恢复其平衡的特性。(6)抗磨损性。要求零件在规定时间内材料的磨损量在规定值以内。(7)抗腐蚀性。要求产品在恶劣环境下不被周围介质侵蚀的特征。(8)抗蠕变性。要求高温环境工作的产品不发生蠕变或蠕变变形在规定值以内。(9)动态特性。指在动载荷作用下产品具有良好的抗振特性，以保证产品的平稳和低噪声运行。(10)平衡特性。指旋转产品具有良好的静平衡和动平衡特性。(11)热特性。保证产品具有要求的温度大小、温度分布和热流状态，以及热应力、热变形在规定值以内。3.3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进行有关测试，以评估设计、制造和装配。3.4经济合理原则要求产品具有较低的开发成本和使用费用。3.5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。保证产品产生尽可能少的废水、废气、噪声、射线等，符合环保法规，对生态环境破坏最小。环境友好性是可持续发展战略在设计中的重要体现。(2)环境适应性。适应使用环境的湿度、温度、载荷、震动等特殊条件。(3)人机友好性。满足使用者生理、心理等方面要求，使产品外形美观，色彩宜人，操作简单、方便、舒适。(4)可维修性。使产品能够且易于维修，维修的停机时间、费用、复杂性、人员要求和差错尽可能最小。(5)安全性。保证不对人的生命财产造成破坏。(6)可安装性。保证产品使用前安装容易、可靠，且安装费用最小。(7)可拆卸性。考虑产品的材料回收和零组件的重新使用。(8)可回收性。考虑产品报废及回收方式。上面分类介绍了各种原则，有些归类并不十分严格。设计时应根据产品特点选择部分原则，而在选择的原则中又分主要和次要原则。根据所选主要原则的不同，目前已形成许多针对性设计方法，如面向制造和装配的设计(DFMA)、面向环境的设计(DFE)；面向拆卸的设计(DFD)等。4现代设计理论、方法与技术设计理论是对产品原理和机理的科学总结。设计方法是使产品满足以及判断产品是否满足设计原则的依据。现代设计方法是基于设计理论形成的，因而更具科学性和逻辑性。但一些方法还有完善和发展的过程，所以现代设计方法还不能完全取代传统设计方法，一些行之有效的经验方法目前仍在广泛使用，它们仍是现代设计方法的重要组成。4.1现代设计法的内容与范畴现代设计方法实质上是科学方法论在设计中的应用。概括为十一论：突变论、信息论、智能论、系统论、优化论、对应论、功能论、控制论、离散论、模糊论、艺术论。这些论与广义设计(有目的的意识活动)直接有关，有的已形成单一学科，有的正在形成。①突变论方法突变创造是现代设计的基石。如创造性设计。主要应用于定性的方案决策、系统设计；②智能论方法发挥智能载体的潜力，是现代设计的核心。如10计算机辅助计算：仅借助计算机代替人的初级智能；20CAD：30CAE：40智能机器化方法：即指高级人工智能，如机器人、专家系统等。应用于能代替人的智力的一切场合。③信息论方法设计信息的分析是现代设计的依据。如：10预测技术法：用历史性趋向及参数，预