工程设计学-绪论.

工程设计学宁波大学机械工程与力学学院陈兴副教授660473(短号)[e-mail]宁波大学机械工程与力学学院主要教材及参考书王安麟,姜涛,等.现代设计方法[M].武汉：华中科学技术大学出版社,2010.孟宪颐.现代设计方法基础[M].北京：机械工业出版社,2009.张鄂.现代设计理论与方法[M].北京：科学出版社,2007.（德）G.帕尔,W.拜茨,张直明等(译).工程设计学[M].北京：机械工业出版社,1992.宁波大学机械工程与力学学院工程设计理论概述机械产品发展历史远古机械时期——简单工具的出现古代机械时期——功能、结构的多样化近现代机械时期——大型、复杂产品，覆盖到人类生活的方方面面宁波大学机械工程与力学学院工程设计理论概述工程设计理论的发展历史工业化之前——无设计理论产品的设计主要依靠技术的传承和经验的积累杰出的代表：达芬奇宁波大学机械工程与力学学院工程设计理论概述工程设计理论的发展历史工业化时期——设计理论的原始积累阶段莱登巴林及其学生：提出了若干重要的特征标志和基本原理；巴赫及里特勒：提出了材料和制造工艺与强度之间的关系；劳定：提出了机器零件中的力流的提示。宁波大学机械工程与力学学院工程设计理论概述工程设计理论的发展历史上世纪20年代至今——设计理论的形成及繁荣时期埃更斯：提出了首个现代意义上的设计方法学观点：一种分步的设计进程，各步骤之间力求达到相互联系，以不断检查和权衡优劣作为设计特征。韦格鲍尔：设计方法学的理论起点，提出将总任务分解为若干分任务(驱动任务和执行任务)，并对设计中的多种影响因素之间的相互关系作了描述。宁波大学机械工程与力学学院工程设计理论概述设计学理论形成中的重要贡献者凯塞林：提出了五个优先结构设计原理；曲赫纳：提出了四个设计基本要素；马托赛克：提出了设计中的四个重要影响因素；莱叶：建立了结构设计的基本设计原理和设计准则。宁波大学机械工程与力学学院什么是现代设计?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。工程设计理论概述现代机械设计方法就是研究设计过程中能够更加高效、高质量、快速地完成机械产品设计的方法。（以计算机为辅助工具）宁波大学机械工程与力学学院什么是现代设计?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。设计系统的概念及三维设计系统？什么叫设计系统？设计系统具有三维空间，是由时间维、逻辑维和方法维组成的三维系统。工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院现代设计方法与传统设计方法相比，有哪些特点？产品设计结果的最优化、产品结构分析的定量化、产品质量分析的可靠性化、产品工况分析的动态化、产品设计过程的高效化和自动化现代设计体系结构现代设计技术体系由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个层次组成。工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院工程设计理论概述系统技术的进程步骤(情况分析、问题分析)系统研究(目标设置、问题阐明)目标清单(供选用的解的开发)系统综合(供选解的特征和状态)系统分析(按目标清单对解评价)系统评价(最终有效的解的方案)系统决策(下一个系统阶段计划)系统实现计划宁波大学机械工程与力学学院工程设计理论概述系统技术的进程模型项目研究系统预研系统开发系统制造系统投入系统运行系统更换问题分析问题表述系统综合系统分析评价决策宁波大学机械工程与力学学院工程设计理论概述主流工程设计理论Pahl和Beitz的工程设计学理论(德国)NamP.Suh的公理化设计理论(AxiomaticDesign)(美国)Altshuler的发明问题解决理论(TRIZ)(苏联)Yoshikawa的通用设计理论(GDT)(日本)宁波大学机械工程与力学学院工程设计理论概述Pahl和Beitz的工程设计学理论阐明任务书，制定要求表任务确定要求表，转入方案设计开发原理解，识别本质问题，查明功能陈列作用原理和作用结构确定原理解，转入技术设计开发组合结构：初步结构设计，选定设计草案，评价，优选确定初步结构设计方案，转入最终的结构设计最终结构设计：排除弱点，检查差错，编写初步的零件表，制造和安装说明确定最终的技术设计，转入施工设计开发制造文件和使用文件：拟定制造文件，校验制造文件确定产品文件，转入制造解决信息：要求表的适应性调整提高价值，改进阐明任务方案设计技术设计施工设计制造的优化结构设计的优化原理的优化宁波大学机械工程与力学学院工程设计理论概述Suh的公理化设计理论(AxiomaticDesign)美国MIT的Suh提出的公理化设计理论，该理论认为设计过程是用户域－功能域－物理域－过程域的映射。在产品概念设计阶段，从功能需求到设计参数的转变过程中，功能与设计参数应满足独立性和最小信息两条公理。若这两条公理满足，原理解才是优化的解。宁波大学机械工程与力学学院工程设计理论概述Altshuler的发明问题解决理论(TRIZ)FSsSFs特定问题标准问题标准解特定解前苏联学者Altshuler及其领导的研究小组在分析世界各国250万件专利的基础上，提出了发明问题解决理论(TRIZ)。TRIZ理论以解决技术系统的冲突为目标，认为发明问题求解的过程是对问题不断描述、不断程式化的过程。TRIZ将技术系统冲突主要分为物理冲突和技术冲突。宁波大学机械工程与力学学院工程设计理论概述Yoshikawa的通用设计理论(GDT)日本学者Yoshikawa提出了通用设计理论（GDT），认为设计的本质是功能空间到属性空间的映射，并且指出这一映射过程是一项知识密集工程（KnowledgeIntensiveEngineering）。基于这一过程，实现复杂知识表达和推理的智能CAD（IntelligentCAD）成为当今CAD发展的重要方向。宁波大学机械工程与力学学院现代设计方法的基本内容计算机辅助设计工业造型设计有限元法虚拟设计价值工程模块化设计反求工程健壮设计优化设计可靠性设计绿色设计掌握基本概念工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院①优化设计传统设计设计--评定-再设计从多种方案中选取较好方案优化设计重视系统综合，在各种约束条件下用计算机求解在最短时间内寻求最佳设计方案工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院正方形铁板xaxmax{V}最优化问题的举例工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院关于最优化问题的解法，软件开发者开发出了各种最优化计算软件，供工程设计人员使用。但是，作为使用者必须了解各种最优化方法的特点，才能针对实际问题选择出合适的最优化方法解决问题。一项设计常常在一定的技术条件下，要求取得一个技术指标的最佳的设计方案，以期达到最佳的设计目标，如重量、成本、性能、承载能力等。工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院数学模型是实际设计问题的抽象,一个完整的数学模型包括:一个设计方案有n个设计变量）（nTnRXxxxX,,,21在满足),,2,1(0),,,()(21muxxxgXgnuu),,2,1(0),,,()(21npvxxxhXhnvv求目标函数),,,()(21nxxxFXF)(minXFnRX工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院[例]行星轮系的优化设计行星轮系机构简图1）目标函数和设计变量32212mm])2(4[19635.0)(CibZmXFCmbzxxxxX14321影响目标函数的独立参数均可作为设计变量，即目标函数可改写为])2(4[19635.0)(222123CixxxXF工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院017)(1小zXg010)(22xXg2）约束条件的建立①保证小齿轮不根切②限制齿宽最小值，得③限制模数最小值，得02)(33xXg④模数和齿宽之间要求mbm175017)(05)(235324xxXgxxXg工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院⑤保证各行星轮之间齿顶不相碰撞，应满足0)sin1)(2(21sin)(116CixCxXg0/1()(22327）大小小小zzTAxxzXgH0)(2238FFYTAxzxXg小小⑥满足接触强度要求，应有⑦满足轮齿弯曲强度要求，应有3）选用合适的优化方法求解，得5.453221mbzX工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院选用适当的优化方法和计算机程序将设计问题的物理模型转化为数学模型通过计算机求解得到最佳设计方案优化设计工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院CAD能够帮助我们完成机械设计中的图形设计（制图）及部分分析计算。（以计算机为工具）传统设计人工计算、绘图设计精度、稳定性和效率有限，修改不方便②计算机辅助设计(CAD)计算机辅助设计用计算机设计、计算、绘图。提高了设计精度、稳定性和效率，修改方便工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院常用的计算辅助设计软件有:AUTOCAD、PROE、UG和CATIA等。工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院CAD提供了产品设计所需的各种标准、规范、工艺参数等工程数据。工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院实际零件加工过程模拟CAD还具有设备工作过程模拟和零件加工过程模拟的功能。工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院③模块化设计以模块化设计理论为指导思想，以快速、提高可靠性和降低成本为主要目的，进行机械产品模块化设计。主要目标是用尽可能少的种类和数量的模块组成尽可能多的种类和规格的产品。专用部件若干标准的、系列的模块化部件各类模块化超精密加工机床根据武器研制和生产的需要解决几个关键技术十几种多台超精密机床模块化设计举例工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院超精密机床系列和型号的拟定；模块的划分；模块的组配；单元模块有限元力学分析；静刚度与动刚度；结构、运动学及功能模型。通用和专用模块的组合与集成；虚拟装配；关键部件工程化制造。系统测试；实验技术。整体技术方案模块化超精密机床导轨及工作台系统主轴系统环境控制系统导轨驱动系统微量进给系统床身系统位置检测系统控制系统其他系统工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院超精密机床模块化设计低成本、快速、高可靠性超精密机床模块化设计主轴模块导轨模块导轨驱动机构微量进给模块环境控制模块位置检测模块床身模块数控模块其他模块空气静压主轴液体静压主轴单坐标联动数控系统双坐标联动数控系统超精高速主轴空气静压导轨液体静压导轨滚珠丝杠直线电机驱动摩擦驱动机构压电陶瓷进给磁致伸缩进给振动控制系统温度控制系统双频激光干涉系统光栅测量系统卧式床身结构龙门立式结构电机刀架吸盘工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院超精密车床和铣床结构示意图地基主轴溜板刀架溜板主轴/工件刀具与工件相互作用导轨导轨隔振隔振主轴支撑刀架床身刀具地基床身立柱或横梁结构回转工作台支撑导轨溜板主轴支撑工件回转工作台主轴/刀具刀具与工件互相作用车床模块铣床模块宁波大学机械工程与力学学院通用模块与专用模块的有效集成技术超精密车床空气静压主轴（ZZⅠ）空气静压导轨（DGⅠ）卧式床身(CSⅠ)直线电机（QDⅡ）隔振系统(HJⅠ)温度控制系统（HJⅡ）双坐标联动数控系统（SKⅡ）双频激光干涉仪(WZⅠ)主轴驱动电机（QTⅠ）空气静压尾座压电陶瓷机构（WJⅡ）刀架（QTⅡ）超精密铣床液体静压主轴（ZZⅢ）液体静压导轨（DGⅢ）卧式床身(CSⅠ)滚珠丝杠（QDⅠ）隔振系统(HJⅠ)温度控制系统（HJⅡ）主轴驱动电机（QTⅠ）导轨驱动电机（QTⅠ）宁波大学机械工程与力学学院工程设计理论概述宁波大学机械工程与力学学院超精密车床；小型非球曲面磨床；超精密内表面磨床光学零件超精密复合加工机床；立式超精密镗床；卧式超精密镗床；超精密铣床；