1、第二章 机械现代设计 与创新设计,2传统设计与现代设计,2-1 现代设计方法,一、现代设计的概念,1设计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。,传统设计又称常规设计，分为初步设计、技术设计、施工设计三个步骤。,现代设计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。,（1）系统性现代设计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，使人积之间的功能相互协调。,现代设计与传统设计比较，有下列几个特征：,（2）创造性现代设计强调创造能
2、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）综合性现代设计在设计过程中，综合考虑、分析市场需求、设计、生产、管理、使用、销售能各方面的因素；综合运用优化是系统工程、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）程式性现代设计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
3、行设计。,二、现代设计方法的特点和范畴,（1）信息论方法如信息分析法，技术预测法的，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。,现代设计方法是科学方法论在设计中的应用，可归纳为下列具有普遍意义的方法：,（3）控制论方法如动态分析法等。,（4）优化论方法如有优化设计等，它是现代设计法的目标化。,（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。,（9）模糊论方法如模糊评价和决策等。,（10）突变论方法创造性设计，它是现代设计的基础上。,（11）艺术论方法如
4、艺术造型等。,三、现代设计方法研究的概况,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压力和挑战。,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。,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。,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，推广和普及现代设计的基本知
5、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。,四、现代设计方法简介,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，寻求满足某些将预定目标的最优设计方案。,（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。,求X=x1,x2,.,xnT，使minf(X)=f(x1,x2,.,xn) XRns.t. gi(X)0 (i=1,2,p)hj(X)=0 (j=1,2,q),（2）
6、优化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。,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，使零件标准化化、部件通用化、产品系列化。变型产品系列包括：纵系列产品，横系列产品和跨系列产品。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
7、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的产品。,基型产品,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。中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，求各扩展型产品尺寸参数及确定全系列产品结构尺寸等。,系列产品造型原理,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实现该功能说和耗费的成本。,2-2 创新设计,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
8、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。,（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。,（3）突破性人们往往从考虑某类问题获得成功的思维模式中寻求解题方案，受到“思维定式”的约束。突破性敢于克服心理上的惯性，从思维定式的框框中解脱出来，善于从新的技术领域中接受有用的事物，提出新原理、创造新模式、贡献新方法，为工程技术问题打开新局面。,（4）多向性善于从多种不同角度考虑问题，是创新设计的重要特征。,（5）连动性创造性思维也是一种连动思维，它引导人们由已知探索未知，开阔思路。连动思维包括纵向、横向、逆向思维。纵向思维针对
9、某现象和问题进行纵深思考，探寻其本质而得到新的启示。横向思维通过某一现象联想到特点与它相似和相关的事物，从而发现新应用。逆向思维针对现象、问题和解法，分析其相反的方面，从另一角度探寻新的途径。,（6）突变型自觉思维、灵感思维是在创造性思维中对问题产生的一种突如其来的领悟和理解。在思维过程中突然闪现出一种新设想、新观念，从而使问题得到解决。如果阿基米德从洗澡时浴缸中水的溢出产生灵感而推出浮力定律。又如美国工程公司杜里埃研究如何使汽油和空气均匀混合以保证内燃机有效工作的问题，一天他看到妻子喷洒香水而受到启发，创造了发动机的汽化器。,2创新设计的类型,（1）开发设计在未知情况下，根据产品总功能和约束
10、条件，提出新原理、进行技术设计。,（2）变异设计在已有产品的基础上，针对产品的缺点和用户的要求，进行变型产品的开发，以适应市场需要。,（3）反求设计针对已有的新进展产品和样机，分析其关键技术，在消化、吸收、引进先进技术的基础上，利用移植、组合、改造等方法，设计创新产品。,四、创新设计方法,创新设计方法有很多种，下面简单介绍智力激励法、提问追溯法、联想类推法、返向探求法、系统分析法、组合创新发六种。,1智力激励法人的创造性思维特别是直觉思维在受激发情况下能得到较好地发挥。一批人集合在一起，针对某个问题进行讨论时，由于各人知识、经验不同，观察问题的角度和分析问题的方法各异，提出的各种主意能互相启发
11、，填补知识空隙，启发诱导出更多创造性思想，通过激励、智慧交流和集智达到创新的目的。,2提问追溯法提问追溯法是有针对性地、系统地提出问题，在回答问题过程中，便可能产生各种解决问题的设想，使设计所需要的信息更充分，解法更完善。提问追溯法有奥斯本体温法、阿诺尔特提问法、希望点列举法、缺点列举法。,3联想类推法通过由此及彼的联想和异中求同，同中求异的类比，寻求各种创新解法。利用联想进行发明创新是一种常用而且十分有效的办法。许多发明者都善于联想，许多发明创新也得益于联想的妙用。类比联想由一事物或现象联想到与其有类似特点的其他事物或现象，从而找出创新解法。,4返向探求法将人们通常思考问题的思路反转过来，从
12、背逆常规的途径探寻新的解法，因此返向探求法亦称逆向思维法。例如声音既是振动那么振动为什么不能复现原声呢？通过这样的反问，发明了留声机。,5系统分析法对于技术系统，根据其组成国有影响其性能的全部参量，系统地依次分析搜索，以探索更多和解决问题的途径。,6组合创新法组合创新法是将现有技术和产品通过功能、原理、结构等方面的组合变化形成新的技术思想的和新产品。组合法应用的技术单元一般是已经成熟和比较成熟的技术，不需要从头开始，因而可以最大限度地节约人力、物力和财力。组合创新的类型很多，常用的有性能组合、原理组合、功能组合、结构重组、模块组合等。,第二章习题 2-6 试举出三个用联想类推法和组合创新发进行产品设计的例子。 2-7 请与同宿舍的同学用智力激励法讨论一分、二分、五分、一角、五角、一元六种硬币的设计方案。 2-8 请与同宿舍的同学用创新设计方法讨论腰果取仁的设计方案,
