第2章 机械现代设计与创新设计

第2章机械现代设计与创新设计2.2创新设计2.1现代设计的概念2.1现代设计方法2.1.1现代设计的概念2.1.1.1设计人类在改造自然的历史长河中，一直都在不断地进行设计活动。设计是复杂的思维过程，设计过程蕴涵着创新和发明的机会。设计是根据客观的需求，提高人们的创造性思维，将指定的任务转化为满足该任务要求的技术系统的一种活动。设计不仅只是围绕产品图纸和有关文件进行的一系列工作，其目的是将预定的目标，经过一系列规划与分析决策，产生一定的信息（文字、数据、图形），形成设计。设计是把各种先进技术转化为生产力的一种手段，是先进生产力的代表，反映了社会的生产力水平。2.1.1.2传统设计与现代设计传统设计即常规设计，传统设计分为初步设计、技术设计、施工设计三个步骤。传统设计往往采用类比法、经验法、模仿法，它的思维方式是收敛式思维，多是利用设计手册中有关数据，采用较大安全系数，强调零部件计算。传统设计法的优点是比较简单，设计费用低廉。传统设计面向的问题偏重于技术。现代设计是将传统设计中的经验、类比法设计提高到逻辑的、理性的、系统的新设计方法，是在静态分析的基础上，进行动态多变量的最优化。现代设计既体现了更高层次的学科，又是方法科学。现代设计主要面向功能目标，将技术、经济和社会环境因素结合在一起统筹考虑，把设计作为系统工程对待，强调创造能力的开发，注重综合分析的设计，重视设计方案的选择，考虑对多种方案的评价，其思维方式是发散型的思维。现代设计是学科综合化、统一化在方法科学上的一次突破，它是一门新兴的交叉学科。现代设计与传统设计比较，有下列几个特征：（1）系统性。把设计对象看作一个系统，同时考虑系统与外界的联系，用系统工程概念进行分析和综合，通过功能分析、系统综合等方法，力求系统整体最优，使人机之间的功能相互协调。（2）创造性。现代设计强调创造能力开发和充分发挥人的创造性；重视原理方案的设计、开发和创新产品。只有创新才能有所发明。但是，今天的科学技术已经高度发展，创新往往是在已有技术基础上的综合。有的新产品是根据别人的研究实验结果而设计，有的是博采众长，加以巧妙地组合。（3）综合性。在设计过程中，综合考虑、分析市场需求、设计、生产、管理、使用、销售等各方面的因素；综合运用优化及系统工程、可靠性理论、价值工程、技术等学科的知识，探索多种解决设计问题的科学途径。（4）程式性。研究设计的一般进程，包括一般设计战略和用于设计各个具体部分的战术方法。要求设计者从产品规划、方案设计、技术设计、施工设计到实验、试制，按步骤有计划地进行设计。2.1.2现代设计方法的特点和范畴现代设计方法是现代广义设计和分析科学方法学的简称，现代设计方法实质上是科学方法论在设计中的应用。冠以“现代”二字是为了强调以引起重视，其实有些方法也并非是现代的。经分析，可归纳为下列具有普遍意义的方法：（1）信息论方法，如信息分析法，技术预测法等，它们是现代设计方法的前提。（2）系统论方法，如系统分析法，人机工程等。（3）控制论方法，如动态分析法等。（4）优化论方法，如优化设计等，它是现代设计法的目标。（5）对应论方法，如相似设计等。（6）智能论方法，如计算机辅助设计、计算机辅助计算等。（7）寿命论方法，如可靠性和价值工程等。（8）离散论方法，如有限元及边界元方法等。（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，它是现代设计法的基础。（11）艺术论方法，如艺术造型等。CAD等许多专题的培训班和讨论会，并在高校开设有关现代设计方法等专题课程。德国、瑞士的学者比较重视设计程序的研究：明确设计任务，对设计任务进行抽象化的功能分析和求解（设计目录），将开发新产品的内容要求转化为产品图纸。这种方法思路清晰。英国自1963年开始提出工程设计思想后，广泛开展设计竞赛，加强设计过程中的创造性开发和技术可行性、可靠性、价值分析方面的研究，从而改变了设计水平低的局面。日本自1960年以来开始有关现代设计方法的研究，提高设计人员素质，开展工程技术教育。现在日本在产品开发中的更新速度受到全世界的关注，其产品的竞争能力已给许多国家造成巨大威胁。美国的学者强调“创造性设计”，提倡设计中创造能力的开发，把设计活动分为创造—分析—决策三个步骤。在美国的设计工作中,产品设计图纸基本上由计算机绘制，设计者可以摆脱常规的技术工作，集中精力进行创造性设计。我国对现代设计方法的研究是从上世纪80年代开始的，通过派留学生到国外进修学习和请国外专家来讲学，组织各种类型的讲习班，培训班、开展国内外学术交流等，来推广和普及现代设计的基本知识。由于世界各国对设计方法的研究越来越重视，目前已成为一项国际性学术活动。有关国家组织了关于现代设计方法的国际会议，比如国际工程设计会议（ICED）就是其中之一。2.1.4现代设计方法简介2.1.4.1优化设计优化设计是现代设计方法的重要内容之一，它以数学规划为理论基础，以电子计算机为工具，在充分考虑各种设计约束的前提下，寻求满足某些预定目标的最优设计方案。优化设计建立在最优化数学理论和现代计算技术基础之上，其任务是应用计算机自动确定工程设计的最优方案。优化设计的关键是建立数学模型和选择优化方法。（1）优化设计的数学模型设计变量、目标函数和约束条件是优化设计数学模型的三个要素。①设计变量设计变量是一些相互独立的基本参数。基本参数是一些对该项设计性能指标好坏有影响的量。设计时，设计变量是待定的参数。若有n个设计变量，一般表示为：X=[x1,x2,….,xn]T②目标函数目标函数是设计变量的函数，即f(X)=f(x1,x2,….,xn)在设计过程中要求寻找出使目标函数取得极小值（或极大值）的设计方案。③约束条件约束条件是对设计变量的取值给予某些限制的数学关系式。约束条件可分为边界约束和性能约束两类。边界约束是考虑设计变量的取值范围，而性能约束是由某种性能设计要求推导出来的一种约束条件。此外，约束条件又可分为等式约束和不等式约束两类。工程中实际优化问题的数学模型可表示为：求X=[x1,x2,….,xn]T，使minf(X)=f(x1,x2,….,xn)XRns.t.gi(X)0(i=1,2,…,p)hj(X)=0(j=1,2,…,q)（2）优化方法优化设计数学模型建立后，必须应用优化方法进行求解，工程优化设计对数学模型的求解均用数值计算方法，其基本思想是搜索、迭代和逼近。即求解时，从某一初始点出发，利用函数在某一局部区域的性质和信息，确定每一迭代步骤的搜索方向和步长，去寻找新的迭代点，这样一步一步地重复数值计算，用改进后的新设计点替代老设计点，逐步改进目标函数，并最终逼近极值点。我国现已开发了先进的OPB优化方法程序库和常用机械零部件及机构优化设计程序库，为推广和普及优化设计创造了条件。2.1.4.2变型产品设计为了满足使用者的不同要求，可在原有产品基础上进行变型产品的开发，使零件标准化、部件通用化、产品系列化。变型产品系列包括：纵系列产品（其功能、原理、结构相同，而尺寸、性能参数不同),横系列产品（在基型产品基础上扩展功能的变型产品）和跨系列产品（具有相近动力参数的不同类型产品）。纵系列产品设计也称相似系列产品设计，是在基型产品的基础上利用相似理论求各扩展型产品的尺寸和参数。基型产品一般选在系列产品的中档，为常用型号。系列产品是指具有相同功能、相同结构方案，相同或相似加工工艺，且各产品相应的尺寸参数及性能指标具有一定级差（公比）的产品。在系列产品设计中，一般有两种造型原理：几何级数的几何相似产品系列和几何级数的半相似产品系列。相似系列产品设计的步骤依次是基型设计、确定相似类型、定各尺寸、参数级差（相似比），求各扩展型产品尺寸参数及确定全系列产品结构尺寸等。2.1.4.3价值工程设计设计的目标是在满足功能需求的前提下，提高产品的价值。价值是产品功能与成本的综合反映，即式中，V——产品的价值（实用价值）；F——产品具有的功能；C——实现该功能所耗费的成本。CFV=在第二次世界大战后，美国开展了关于价值分析和价值工程的研究，发现了顾客所需要的不是产品的本身而是其功能。把价值看作某一功能与实现此功能所需成本的比，考虑到提高产品价值，产品设计也就成为使用最低成本向用户提供必要功能的问题。如美国通用电气公司在开发产品时注意从功能分析着手，实现必要功能，去除多余功能和过剩功能，既满足了用户需要又降低了成本。该公司17年内在价值分析方面投入了80万美元的费用，却获得了2亿多美元的利润。50年代后期开始，价值工程在日本、德国及其他国家也得到了广泛的应用，并取得了良好的经济效益。日本佳能照相机公司运用价值工程方法，于1976年开发出35毫米的AE-1型照相机，这种照相机采用大规模的集成电路，能自动调节光圈和快门、自动卷片、连续摄影，性能大大超过了同类产品，而售价却低20%，投入市场后很受欢迎。通过上面的简介可以看出，现代设计方法具有系统化、优化、动态化和内在质量与外观质量统一等特征。当前设计领域正面临着“传统设计”向“现代设计”过渡，通过推广现代设计方法，开发大批构思新颖的新产品，提高我国机电产品的性能、质量和可靠性。2.2创新设计2.2.1引言江泽民总书记多次强调创新的重要性，他指出：创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力。一个没有创新能力的民族，难以屹立于世界民族之林。任何一项工作的活力和生计都来自于发展和创新。中华民族是富有创造性的民族，远在古代已有指南针、火药、印刷、造纸四大发明；此外还有记里鼓车、气象观测、地震预测等许多技术都处于世界领先地位。新中国成立后，我国科技工作者艰苦奋斗，取得了“两弹一星”、万吨水压机等科技成就，光纤之父高锟在20世纪60年代就提出用光纤传递信息的设想。创新是技术和经济发展的原动力，是国民经济发展的重要因素。当今世界各国之间在政治、军事和科学技术方面的剧烈竞争，实质上是人才的竞争，而人才竞争的关键是人才创造能力的竞争。创造强调新颖性和独特性，而创新是创造的某种实现。21世纪科技创新是社会和经济发展的主导力量。世界各国综合国力竞争的核心是知识创新、技术创新和高新技术产业化。加强技术创新、发展高科技、实现产业化是一项系统工程，对提高国民经济质量和效益，提高我国国际竞争力有决定性的意义。2.2.2创新设计设计是为了满足人类和社会需求而进行创造性思维的实践过程。随着社会的发展，人们的需求将有所变化，原来那些能满足需求的产品，经过一段时间后可能会变成不能满足客观需要，因此需要对产品改进设计，不断更新老产品，创造新产品，要求设计师的设计成果前所未有，具有新颖性和独创性。2.2.3创新设计的特点和类型1．创新设计的特点（1）独创性独创性体现为敢于提出与前人、众人不同的见解，敢于打破一般思维的常规惯例，寻找更合理的新原理、新机构、新功能、新材料，独创性能使设计方案标新立异，不断创新。比如，人工洗衣通常用手搓、脚踩、刷子刷、棒槌打、流水冲等方法去除衣物的污垢，为了代替人的洗衣动作，可在洗衣机滚筒内放置衣物和鹅卵石，滚筒回转时鹅卵石反复挤压衣物，达到去污的目的。搅拌式洗衣机和波轮式洗衣机属机械式洗衣机。真空洗衣机用真空泵将洗衣机缸内抽成真空状态。衣物和水在缸内转动时，水在衣物表面产生气泡，气泡破裂产生爆破力将衣物的污垢微粒弹开并抛向水面。超声波洗衣机利用超声波使衣物上的污垢分解而离开衣物。电磁洗衣机利用高频振荡使污垢与衣物分离。此外还有利用微型计算机与多种传感器控制的全自动洗衣机。从洗衣机的开发可以看出，设计人员发挥独创性，应用新技术，可开发出更多新产品。（2）实用性实用性体现在对市场的适应性和可生产型两方面。创新设计必须针对社会的需要，满足用户对产品的需求。20世纪70年代，科学家发现氟里昂会破坏高空臭氧层对紫外线的吸收，并影响到人类的生活。上海第一冷冻机厂抓住制冷设备中的这一关键问题，研制出溴化锂以代替原来大中型空调机上的氟里昂制冷设备，这一创新设计具有巨大的社会效益和经济效益。可生产性要求创新设计有较好的加工工艺性和装配工艺性，能以市场可接受