1现代设计方法绪论

现代设计方法0绪论现代设计方法ModernDesignMethod吴义忠华中科技大学CAD中心现代设计方法本章主要内容设计的基本概念现代设计方法的分类及主要现代设计方法学习现代设计方法的意义与任务现代设计方法本章重点熟悉设计的基本概念与内涵，了解传统设计与现代设计的联系与区别，了解传统设计方法的主要缺陷，掌握现代设计方法的基本特点，了解现代设计方法的分类，对各种现代设计方法有一个初步的了解和认识，同时对学习现代设计方法的意义和任务应有明确的认识。现代设计方法英国前首相撒切尔夫人对产品设计有一句非常精辟的论断:“对产品设计投入一分，可以产生一千分的回报”；美国工业设计协会做过调查，美国产品设计平均每投入一美元，其销售收入为二千五百美元；三个例子：苹果产品；波音777；电动汽车产品设计的创新，必然会给产品带来丰厚的利润.现代设计方法0.1设计的基本概念0.1.1设计的概念与内涵？设计有广义和狭义两种概念。（1）设计广义概念：设计是将人类的理想变为现实的活动。（2）设计狭义概念设计是指完成满足一定客观需求的技术系统的活动。该技术系统包括图纸、软件程序、其它技术文档等。现代设计方法随着科技的发展，设计的内容、要求、理论和手段不断更新，设计的内涵和外延也在不断扩大。设计不再仅仅是考虑构成产品的物质条件和能够满足的功能需求，而是综合了经济、社会、环境、人机工程学、人的心理、文化层次等多种因素的系统设计。从设计内容上看，设计贯穿了产品从孕育到消亡的整个生命周期，涵盖了需求获取、概念设计、技术设计、详细设计、工艺设计、营销设计及回收设计等设计活动，并把实验、研究、设计、制造、安装、使用、维修作为一个整体来进行规划。现代设计方法（3）设计的概念定义一：从给出的合理目标参数出发，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。定义二：（国际工业设计学会，InternationalCouncilSocietiesofIndustrialDesign):设计是一种创造性活动，它的目的在于决定产品性能、过程、服务及整个生命周期等各个方面的品质，以获得一种使生产者和消费者都能满意的整体。现代设计方法定义三：设计是为了满足人类与社会的要求，将预定的目标通过人们的创造性思维，经过一系列规划、分析和决策，产生载有相应的文字、数据、图形等信息的技术文件的过程。世界上独一无二的钢结构设计——“鸟巢”现代设计方法0.1.2现代设计方法产生的背景（以机械产品为例）1.设计理论和实践的变化2.产品功能要求的变化3.产品制造技术的变化4.机械行业在经营模式上发生的根本性变化现代设计方法1.设计理论和实践的变化过去，在理论上主要以力学为基础，在实践上主要以经验作为基础现在，作为基础的理论远不只力学，还有系统论、控制论、信息论、传感理论、信号处理理论、电子学、计算机科学等等；作为实践的基础远不只经验，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——设计方法论、制造理论、工艺理论等。现代设计方法（1）设计对象由单机走向系统；（2）设计要求由单目标走向多目标；（3）设计所涉及的领域由单一领域走向多个领域；（4）承担设计工作的人员从单人走向小组；（5）产品更新速度加快，设计周期缩短；（6）产品设计由自由发展走向有计划的发展；（7）设计的发展要适应科学技术的发展，特别是适应计算机技术的发展。2.产品功能要求的变化现代设计方法洗衣机功能的变化历程现代设计方法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、网络化，成为现代科技前沿热点之一。现代设计方法4.机械行业在经营模式上发生的根本性变化从以产品为主的管理发展到以面向市场信息为主的管理。用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，在计划经济时代，企业不担心产品的销路，因而企业的管理主要集中在产量、产品的质量上；现在，企业在重视产品质量的同时，时刻关注市场信息——生产市场需要的产品。现代设计方法上述变化的产生，促使人们不得不开始新的思考、新的认识。现代设计方法这门课程就是这些变化的结果，它是符合现代市场经济规律、符合知识经济时代发展需要的学科。课程的意义“中国制造”“中国创造”现代设计方法现代设计方法0.1.3传统设计与现代设计1.传统设计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，统称为传统设计阶段。现代设计方法机械产品传统设计过程产品规划（明确设计任务）原理方案设计设计任务书任务书分析确定设计参数同类机械的调研和资料分析总体结构方案拟定方案论证结构设计、绘图编写技术文件结束条件协商更改设计调整技术设计施工设计现代设计方法1）传统设计过程分析传统设计的每一个环节都是依靠设计者采用人工方式完成的。首先凭借设计者直接的或间接的经验，通过类比分析或经验公式来确定方案，方案的拟定在很大程度上取决于设计人员的个人经验。分析计算受人工计算条件的限制，只能用静态的、近似的方法，参考数据偏重于经验的概括和总结，往往忽略了一些难解或非主要的因素，设计结果近似性大。现代设计方法在信息处理、知识的存储和重复使用方面，还没有一个理想而有效的方法，解算和绘图也多用手工完成，不仅影响设计速度和设计质量的提高，也难以得到精确和优化的效果。中国第一颗原子弹的设计完全是依靠传统手工设计完成的！现代设计方法2）传统设计的缺陷和局限性设计方案的拟定在很大程度上取决于设计者的个人经验，即使同时拟定了有限的几个方案，也难以获得最优方案分析计算过程中，受人工计算条件的限制，只能采用静态或近似的方法而难以按动态的方法精确计算，计算结果未能完全反映零部件的真正工作状态，影响了设计质量现代设计方法设计工作周期长，效率低，成本高总之，传统设计方法是一种静态分析、近似计算、经验设计、手工劳动为特征的设计方法。随着现代科技的发展、生产技术的需要和市场的激烈竞争以及先进设计手段的出现，传统设计方法难以满足当今时代的要求，从而迫使人们不断研究和发展新的设计方法和技术。现代设计方法2.现代设计（1）现代设计方法的概念现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，是传统设计的深入、丰富和完善。随着设计实践经验的积累、设计理论的发展以及科学技术的进步，特别是计算机技术的高速发展，设计过程产生了质的飞跃。为区别过去常用的传统设计理论方法、人们把这些新兴理论和方法称为现代设计方法。现代设计方法现代设计方法（定义一）：以满足产品的质量、性能、时间、成本、价格等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，以多种科学技术方法为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体总称。现代设计方法（定义二）：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。现代设计方法（2）现代设计方法的范畴现代设计理论与方法主要包括：优化设计、可靠性设计、设计方法学、计算机辅助设计、动态设计、有限元法、工业艺术造型设计、人机工程、并行工程、价值工程、反求工程设计、模块化设计、相似性设计、虚拟设计、疲劳设计、三次设计、摩擦学设计、绿色设计等。现代设计方法（3）现代设计方法的基本特点程式性创造性系统性最优化综合性计算机化现代设计方法（4）现代设计原则设计原则是对设计行为的约束。现代设计原则是传统设计原则的扩充和完善。1.功能满足原则2.质量保障原则3.工艺优良原则4.经济合理原则5.社会使用原则现代设计方法设计的系统或结构要具备所需的全部功能。功能满足原则现代设计方法产品质量主要由性能和可靠性决定，因此，这类原则包括多方面的要求：性能指标、可靠性、强度、刚度、稳定性、抗磨损性、抗腐蚀性、抗蠕变性、动态特性、平衡特性、热特性、磁特性……质量保障原则现代设计方法设计能够且容易通过生产过程实现。包括：1）可制造性2）可装配性3）可测试性工艺优良原则现代设计方法要求产品具有较低的开发成本和使用费用。经济合理原则现代设计方法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4）可维修性社会使用原则5）安全性6）可安装性7）可拆卸性8）可回收性现代设计方法设计任务书任务书分析确定设计条件运用系统工程和创造性方法进行总体方案构思绘制总图、零部件图编制技术文件结束条件协商修改设计方案用价值分析、优选法等进行方案的论证技术设计与分析最优？综合分析程序库（系统工程分析程序、优化程序、可靠性分析程序等）设计资料库（各种技术、标准、规范、产品目录、用户记录等）图库（基本几何图、标准零部件图）设计程序库（零部件设计程序、有限元、边界元分析程序）用户要求与市场信息否是现代设计过程现代设计方法0.2主要现代设计方法简介0.2.1主要现代设计方法简介优化设计计算机辅助设计可靠性设计创新设计概念设计动态设计智能设计虚拟设计可视化设计网络设计并行设计数字化设计疲劳设计摩擦设计有限元法绿色设计价值工程相似设计……现代设计方法1.优化设计（OptimalDesign）优化设计亦称为最优化设计，是以数学规划理论为基础，以计算机为辅助工具，将设计问题按规定的格式建立数学模型，并选择合适的优化算法，选择或编制计算机程序，然后通过计算机求解获得最优设计方案。优化设计包括全生命周期优化设计、广义优化设计、集成优化与综合优化。现代设计方法全生命周期优化设计：在产品的生命周期内对产品进行优化设计，是一种综合优化方法，具有重要的实际意义。广义优化设计：包括各种优化方法在内的产品的优化设计，如以数学规划为基础的优化方法、通过专家系统进行优化的方法、通过对获取的信息进行综合分析的优化方法等。集成优化与综合优化：对产品的整个系统、产品的全部结构、产品的生产和使用的全部过程（包括产品的全生命周期）、产品的全部功能和性能的优化等。现代设计方法2.有限元法（FiniteElementMethod，FEM）有限元法是用有限个单元将连续体离散化，通过对有限个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法。目前，有限元法被广泛应用于求解线性和非线性问题，并建立了各种有限元模型，如协调、不协调、混合、杂交、拟协调元等。现代设计方法3.动态设计（DynamicDesign）动态设计强调产品在动态过程中的特性，目前尚处于初级阶段，许多深层次动态设计问题正处于研究过程中。目前多数旋转机械事故是在强非线性、强耦合、非稳态的条件下发生的，从而促使动态设计从一般的动态设计向更深层次的方向发展，即向非稳态（慢变、参变、时滞等）、非线性、不确定、强耦合、高维、多参数的研究方向发展。现代设计方法4.可靠性设计（ReliabilityDesign）可靠性设计就是事先考虑可靠性的一种设计方法。可靠性表示系统、设备、元器件的功能在规定条件和规定时间内的稳定程度的特性，是衡量产品质量的一个重要指标。可靠性设计是近年来发展起来并推广应用的一门现代设计理论和方法，以提高产品可靠性为目的，以概率论与数理统计理论为基础，综合运用数学、物理、工程力学、人机工程学、系统工程学等方面的知识来研究机械工程的最佳设计问题。现代设计方法5.创新设计（CreationDesign）创新设计提倡的是设计的创造性，一旦设计工作者提出的新原理是合理可行的，就可以从根本上改变产品的结构，进而提高产品质量、降低生产成本、缩短生产周期、改善产品对环境的影响等。创新包括原始创新、集成创新和引进消化吸收后再创新。但是产品设计的创新性应该具有科学性，创新者除了要掌握有关基础理论与知识外，还要掌握科学的方法。现代设计方法6.概念设计（ConceptualDesign）概念设计是产品设计过程的关键环节，是根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品的功能创造、功能分解和功能集成；要对满足工作原理要求的结构进行求解，对实现功能结构的工作原理方案进行构思和系统化设计。概念设计是运用发散思维和创新思想整合梳理的