1、现 代 设 计方 法 Modern Design Method,机电工程学院,绪 论,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简介 学习现代设计方法的意义与任务,本章重难点掌握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方法，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。,英国前首相撒切尔夫人对工业设计有一句非常精辟的论断:“对工业设计投入一分，可以产生一千分的回报”；美国工业设计协会做过调查，美国工业设计平均每投入一美元，其销售收入为
2、二千五百美元；,工业设计的创新，必然会给产品带来丰厚的利润.,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。,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
3、、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,（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，International Council Societies of Industrial Design):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。,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
4、，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 ”,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,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止力学，还有系统论、控制论、信息论、传感理论、信号处理理论、电子学、计算机等等，作为实践的基础远不止经验，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制造理论、工艺理论。,（1）设计对象由单机走向系统； （2）设
5、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,洗衣机功能 的变化历程,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，成为现代科技前沿热点之一。,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
6、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。,这些变化的产生，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。,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，即所谓的传统设计阶段。,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,1）传统设计过程分
7、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。,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手工完成的,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
8、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,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。,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
9、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（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。,（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
10、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。,（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,（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,设计的系统或结构要具备所需的全部功能。,功能满足原则,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
11、、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,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,要求产品具有较低的开发成本和使用费用。,经济合理原则,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,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
12、,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,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,1. 优化设计（Optimal Design）优化设计亦称为
13、最优化设计，是以数学规划理论为基础，以电子计算机为辅助工具，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。,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
14、）、产品的全部功能和性能的优化等。,2. 计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）计算机辅助设计是设计人员借助计算机进行设计的方法。其特点是将人的创造能力和计算机的高速运算能力，巨大存储能力和逻辑判断能力很好地结合起来，可以极大地提高设计质量，减轻设计人员的劳动，缩短设计周期，降低产品成本，为开发新产品和新工艺创造了有利条件。,3. 有限元法（Finite Element Method，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，
15、如协调、不协调、混合、杂交、拟协调元等。,4. 可靠性设计（Reliability Design）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。,5. 创新设计（Creation Design）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
16、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。,6. 概念设计（Conceptual Design）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过程，是一个研究和求解能实现功能要求和满足各种技术、经济指标的各种方案并最终确定最优方案的
17、过程。,7. 动态设计（Dynamic Design）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。,8. 智能设计（Intelligent Design）智能设计有两层含义，一是用智能方法进行设计，二是使设计的对象智能化。通常所讲的智能设计是对产品的性能参数及其工作过程进行智能控制和优化，使产品具有优良的工作性能，进而给产品带来经济效益和社会
18、效益。,9. 虚拟设计（Virtual Design）采用虚拟设计技术对产品进行模拟，使用者可以直接从外观上或功能上比较全面地了解产品的情况，很多情况下，甚至可以通过虚拟技术代替真实情况，从而大大降低产品研究与开发的成本。,载人航天工程中广泛使用虚拟人技术,0.2.2 现代机械设计理论与方法的发展趋势就目前国内外的研究状况来看，现代机械产品的设计理论与方法正在向以下几个主导方向发展： （1）在科学发展观和自主创新思想指导下的设计理论与方法 （2）面向产品质量、成本或寿命的设计理论与方法 （3）加快设计速度及实施设计智能化的设计理论与方法 （4）面向复杂系统和高难度问题（非线性、非稳态、高维、强
19、耦合、不稳定、多变量等）的设计理论与方法； （5）面向产品广义质量的综合设计理论与方法。,0.3 学习现代设计方法的意义与任务 1. 学习现代设计方法的意义 （1）产品设计是决定产品性能、质量、水平和经济效益的重要一环。产品的竞争能力，在很大程度上取决于产品的设计。为此，在产品设计中就必须大力推广目前在国际上已经广泛应用并取得显著效果的先进设计方法，以提高我国的设计水平，缩短产品的设计周期并提高产品的质量。因此，作为21世纪的设计工程师，学习和掌握现代设计方法及技术具有特别重要的意义。,（2）设计人员是新产品的重要创造者，对产品的发展有重大影响。为了适应现代科学技术发展的要求和市场经济体制对设
20、计人才的需要，必须加强设计人员的创新能力和设计素质的培养，现代设计方法课程就是为此目的而开设的。通过这门课程的学习与研究，可以提高未来从事设计工作人员的设计水平，增强其设计创新能力。,2. 学习现代设计方法的任务 （1）了解现代设计方法的基本原理和主要内容，掌握各种设计方法的设计思想、设计步骤及相关软件应用，提高自身的设计素质，增强设计创新能力。 （2）充分掌握现代设计方法，并力求在未来产品设计实践的过程中，能够应用和不断地发展现代设计理论与方法，甚至发明和创造出新的设计方法和手段。,作 业,查阅相关资料，说明什么是现代设计？现代设计与传统设计相比有哪些优点？ （请根据相关资料及课堂讲授内容进行归纳总结，要求写成课程论文的形式，可以另拟题目，字数要求在1000字以上）,
