1、现代机械设计方法,教材：1.杜长龙.现代机械设计概论.中国矿业大学出版社2.王启广.现代设计理论.中国矿业大学出版社成绩：70%+30%, 学时：40参考书：1.张维刚.现代设计方法（英文版）.机械工业出版社2.钟志华.现代设计方法.武汉理工大学出版社3.孙靖民.现代机械设计方法. 哈尔滨工业大学出版社,第一章 绪论,1-1 现代设计的产生及内涵 一、现代设计的产生设计就其发展从早期的直觉设计阶段开始，经历了经验设计阶段、半理论半经验设计阶段，发展至目前的现代设计阶段。其中前三个设计阶段形成了所谓的传统设计。传统设计基本上是凭借直接或间接的经验，通过类比法来确定方案，然后以机械零件的强度和刚度
2、理论对确定的形状和尺寸进行必要的计算或验算，以满足限定的约束条件，并用手工完成工作图绘制。该设计方法的特点是静态的、经验的、手工式的。,1-1现代设计的产生及内涵,它不仅在方案构思上很大程度地取决于个人的经验，难以获得最佳结果，而且分析计算中使用了大量的近似方法，降低了设计质量，周期长，效率低。传统设计仅能实现可行的设计，不能实现最佳或最优化。,1-1现代设计的产生及内涵,现代商品经济的迅速发展，对于产品的性能和质量的要求日益提高，一方面， 工 程和产品的结构日趋复杂和精密，功能日 趋完备和通用；另一方面，工程和产品的更新周期日益缩短，工作可靠性要求日益提高。显然，上述传统的设计方法已完全不能
3、满足这一发展的需要。,经济全球化，市场竞争的激烈，人们需求的多样性及快速变化，需要企业的产品必须具有竞争优势才能生存，即要求快交货期、高质量、低成本、重视环境、优质服务，而要满足这些需要（TQCES)，靠传统的设计方法仍难以实现。,1-1现代设计的产生及内涵,1-1现代设计的产生及内涵,另外，随着电子、计算机、网络等技术的迅猛发展，以及信息时代的来临，人们以往的生活、工作和思维等方式都发生了巨大的改变 ，由此对设计方面产生了深远的影响。市场竞争的需要和各种新方法、新技术、新工艺、新材料的不断涌现，推动了设计方法和技术的进步，产品设计从传统的经验设计进入了现代设计。而各种现代设计方法诸如优化设计
4、、可靠性设计、有限元等的发展和应用，使工程领域的设计工作从形式到效果都发生了根本性的变化，产生了巨大的经济效益和社会效益。近些年发展起来的如创新设计、绿色设计、稳健设计等新的设计思想和设计方法，大大促进了国民经济的发展。,1-1现代设计的产生及内涵,综上所述，在“需求牵引、技术推动” 的背景下，现代设计应运而生。,1-1现代设计的产生及内涵,二、现代设计的内涵由于现代设计仍处于发展之中，目前尚无统一的定义。但综合已有的现代设计方法，都是在传统设计的基础上、面向市场、从不同的侧面为实现产品功能和竞争优势而提出的。换句话说，现代设计是面向市场、实现功能及产品优势的设计，且是在传统设计基础上，溶入新
5、思想、新理念而形成的新的设计方法，是动态的、科学的、计算机化的方法。当然，现代设计的称谓是一个相对的概念，今天是现代的，若干年之后将成为传统的，目前所说的现代设计方法主要是区别于传统的由手工完成的基于经验公式的类比设计和经验设计。,1-1现代设计的产生及内涵,现代设计从技术角度还可进一步理解为：它是以市场需求为驱动，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，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。,1.2 现代设计的特点及设计方法,1-2 现代设计的特点及设计方法一、现代设计的特点现代设计是以计算机技术为核心，以计算机辅助设计为手段，把经验的、类比的
6、设计观点变成逻辑的、推理的、系统的设计观点，采用动态的、多变量的、多方案的、扩散性的设计思维方式。其特点可概括如下九个方面：,1.2 现代设计的特点及设计方法,1. 设计范畴的扩展化传统的设计只限于产品设计，而现代设计则将产品设计向前扩展到产品规划，甚至用户需求分析；向后扩展到工艺设计，使产品规划、产品设计、工艺设计形成一个有机的整体。另外，设计范畴的扩展还体现在设计过程中要同时考虑制造、维修、价格、包装发运、回收、质量等因素。,1.2 现代设计的特点及设计方法,2. 设计手段的计算机化和拟实化传统的手工设计正在被计算机辅助设计所代替。计算机在设计中的应用已从早期的辅助分析计算和辅助绘图，发展
7、到现在的优化设计、并行设计、三维建模、设计制造一体化、仿真和虚拟制造等。在传统的设计过程中，产品和零件的外观只有在制造后才能看到。由于三维造型技术、仿真和虚拟制造技术以及快速原形技术的出现，使得人们在零件被制造之前就可以看到它的形状甚至摸到它，可以大大改进设计的效果。,1.2 现代设计的特点及设计方法,3. 设计过程的并行化和智能化并行设计是目前最热门的技术之一，它改变了传统设计的串行设计方法，将与产品有关的各种过程并行交叉进行，这样可以减少各种修改工作量，有利于加速设计进程，提高设计质量。又由于并行设计技术要求团队工作 精神，要求各方面的专家协同工作，有利于得到整体最优解。在传统的设计过程中
8、，一切创造性的设计都需要设计人员来完成。但现代设计中，却可以借助人工智能和专家系统技术，由计算机完成一部分原来必须由设计者进行的创造性工作。,1.2 现代设计的特点及设计方法,4. 分析手段的精确化传统设计中，认为载荷和应力是集中的，靠加大安全系数来提高可靠性。但在实际中，载荷和应力却往往是分布的，并且提高安全系数并不总能提高可靠性。现代设计则可考虑载荷和应力的分布特性，利用有限元等功能强大的分析工具，准确模拟系统的真实工作情况，得到符合实际情况的最佳解。现代设计还运用概率论和统计学方法进行产品的可靠性设计。,1.2 现代设计的特点及设计方法,5. 动态多变量的最佳化传统设计过程由于手段的限制
9、，一般只能进行静态分析。而现代设计方法却可考虑载荷谱、负载率等随机变量，进行动态多变量最佳化设计。6. 设计和制造一体化传统的设计与制造是分离的，从设计到制造要经过好几个过程，往往会造成信息的“误理解”，所需的时间也很长。现代设计则强调设计和制造过程的一体化和并行化，强调从设计信息到制造信息的顺畅传递和快速反馈，甚至要求设计和制造采用统一的数据模型。,1.2 现代设计的特点及设计方法,7. 产品全寿命周期最优化现代设计强调从市场调研、用户要求，到产品规划、产品设计、工艺设计、制造过程、质量控制、成本核算、销售价格、包装运输、售后服务、维护保养、报废处理、回收再利用等产品全寿命周期的综合最优化。
10、,1.2 现代设计的特点及设计方法,8. 产品的环保性和宜人性随着人们对环境问题的愈来愈重视，要求环境保护的呼声也愈来愈高，这就要求能设计出所谓的绿色产品，即要求产品运行过程中的各种污染尽可能少，对人体的危害减至最低限度。重视环保的设计已成为现代设计中的一个主要发展趋势。现代设计除强调产品的内在质量外，还特别强调产品的外观质量，如美观性、时代性和艺术性，使产品造型具有一定的艺术感染力，使用者有新颖、心情舒畅、愉快、兴奋等感觉，满足使用者的审美要求。,1.2 现代设计的特点及设计方法,9. 强调用户参与用户是产品最终消费者，仅仅靠市场调研的结果常常不能完全反映用户的需求。所以，现代设计强调用户参
11、与设计过程，这样设计出来的产品才能准确无误地反映用户的要求，取得用户的最大满意。以上每一特点都对应一种或一种以上的现代设计方法，由此可见现代设计方法的多样性。实际应用时，需要根据问题的侧重点采用某种方法进行设计。,1.2 现代设计的特点及设计方法,二、 现代设计方法现代设计方法是科学方法论在设计中的应用，是设计领域中发展起来的一门新兴的多元交叉学科。它融合了信息技术、计算机技术、知识工程和管理科学等领域的知识，因此，现代设计方法包含的内容十分广泛。已形成的现代设计方法达几十种之多。如有限元法、快速响应设计、智能设计、全寿命周期设计、虚拟设计、并行设计、面向制造的设计等。本课程重点介绍优化设计，
12、可靠性设计，创新设计、绿色设计、稳健性设计 。,1.2 现代设计的特点及设计方法,下面简要介绍几种较为实用的现代设计方法1、动态设计目的：按照机械动态特性的要求对机械设备或结构(图形)进行审核、修改或重新设计。方法：对满足传统工作性能要求的初步设计图样或实物进行动力学建模，按此模型得到机械的动态特性，然后对初步设计进行审核，或按给定的动态特性对原设计进行修改，或预测机械结构的改变引起的机械动态特性的变化。,1.2 现代设计的特点及设计方法,建模方法：理论建模和实验建模。前者按机械结构形状不同采用不同的技巧，如有限元法或传递矩阵法；后者是针对机械实物或模型进行模态实验、分析，建立模态模型。,1.
13、2 现代设计的特点及设计方法,2、反求工程设计反求工程次序首先是进行反求分析，针对反求对象的不同形式实物、软件或影象，采用不同的方法。实物反求，可用实测手段获得所需参数和性能、材料、尺寸等。软件如图样可直接分析产品和各部件的尺寸、结构和材料，但掌握使用性能和工艺，则要通过试制和试验。影象可用透视法与解析法求出主要尺寸间的大小相对关系，用机器与人或已知参照物对比，求出几个绝对尺寸，推算其它尺寸。材料和工艺等都需通过试制和试验才能解决。,1.2 现代设计的特点及设计方法,1.2 现代设计的特点及设计方法,3、工业产品造型设计用艺术手段按照美学法则对工业产品进行造型，使产品在保证使用功能的前提下，具
14、有美的、富有表现力的审美特性。造型设计三要素：使用功能 产品造型的出发点和产品赖以生存的主要因素，艺术形象 产品造型的主要成果，物质技术条件 产品功能和外观质量的物质基础 。,1.2 现代设计的特点及设计方法,造型设计遵循原则：体现高新科技水平的功能美，符合三化的规范美，体现先进加工技术的工艺美，表达各造型因素整体协调统一的和谐美，追求时代精神的新颖美，体现色光新成就的色彩美等。造型设计要有机地运用统一与变化、比例与尺度、均衡与稳定、节奏与韵律等美学法则，设计出物质功能与精神功能高度统一的创新产品。,1.2 现代设计的特点及设计方法,4、价值工程从产品功能研究开始，对产品进行设计，或重新审查设
15、计图样文件，剔除那些与用户要求的功能无关的材料、结构、零部件，代以更新的构思，设计出功能相同而成本更低的产品。价值指事物的用途或积极作用。产品成本是产品各项生产费用的总和。价值 = 功能 / 成本。价值工程设计的基本步骤：了解设计对象，明确要求的功能，分析成本的组成，进行价值初评，制定改进方案，获得价值最高的产品。,1.2 现代设计的特点及设计方法,5、模块化设计具有一定功能和特定结合要素的零、组/部件组成模块，模块组成不同功能的产品。,1.2 现代设计的特点及设计方法,6、相似设计(模化设计)广东国际大厦，1:70模型(有机玻璃)63层，200.18m(广东国际大酒店主楼)三峡工程风洞、水洞
16、试验,1.2 现代设计的特点及设计方法,1-3 现代设计原则设计原则是设计产品应满足要求的条件，也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）创新原则设计本身就是创造性思维活动，只有大胆创新才能有所发明、有所创造。只有创新的产品才具有竞争优势。,2)功能满足原则产品设计目的是构造能够实现规定功能的产品。,1.3 现代设计原则,(1)性能指标 指产品的各类技术指标，如机床加工精 度、传动系统运动精度，电视机分辨力等。(2)可靠性 指产品在规定的条件和规定时间内完成规定功能的能力。 (3)强度原则 要求产品零件具有抵抗整体断裂、塑性变形和某些表面损伤的能力。(4)刚度原则 要
17、求外载作用下产品变形在规定的弹性变形内。(5)稳定性 指产品在外载作用下能够恢复其平衡的特性。,3)质量保障原则产品质量主要由性能和可靠性决定。,1.3 现代设计原则,1.3 现代设计原则,(6)抗磨损性 要求零件在规定时间内材料的磨损 量在规 定值以内。 (7)抗腐蚀性 要求产品在恶劣环境下不被周围介质 侵蚀的特征。 (8)抗蠕变性 要求高温环境工作的产品不发生蠕变 或蠕变变形在规定值以内。 (9)动态特性 指在动载荷作用下产品具有良好的抗 振特性，以保证产品的平稳和低噪声运行。 (10)平衡特性 指旋转产品具有良好的静平衡和动 平衡特性。 (11)热特性 保证产品具有要求的温度大小、温度
18、分布和热流状态，以及热应力、热变形在规定值 以内。,1.3 现代设计原则,4)工艺优良原则指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,5)效益原则要求产品具有较低的开发成本和使用费用。,6)社会使用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；(5)安全性；(6)可安装性 ；(7)可拆卸性 ；(8)可回收性。,1.3 现代设计原则,7） 审核原则设计过程是一种设计信息加工、处理、分 析、判断决策、修改的过程。为减少设计失误、实现高效、优质、经济地设计，必须对每一设计程序的信息，随时进行审核，决不许有错误的信息流入下一道工序。实践证明，产品设计质量不好，其原因往往是审核不严造成的。因此，适时而严格地审核是确保设计质量的一项重要原则。上面分类介绍了各种原则，设计时应根据产品特点选择全部或部分原则，以实现产品的最佳性能和竞争优势。,
