1、,现代设计方法,华中科技大学国家CAD支撑软件工程技术研究中心黄正东,课时：48(32+16)教师：黄正东 email： 办公室：西楼B616室,主要目的,1帮助学生获得必要的现代设计方法基本知识，了解学科发展前沿，使学生了解现代设计和传统设计的联系和区别；2. 引导学生建立理解、认识、分析、优化复杂机电装备的基本思路和方法，形成科学的设计理念，掌握先进的设计方法；3. 使学生了解现代设计方法在实际机电工程项目中的应用，能对现代设计和生产实际的关系有较具体的认识，强调设计最优化思想和高速高精度分析思想。,主要内容, 现代设计方法总体概况 结构有限元分析 结构动态设计 优化设计 可靠性分析,学时
2、安排,32学时上课 （6-12周,14周） 星期一（7-8），东九楼D112；星期三（9-10），东九楼A10716学时上机实验（学习委员联系） 地点：东校区计算中心 时间：星期五，9、10、11、12周， 第58节 上机内容安排： 结构有限元分析 （4学时） 优化设计 （4学时） 动态设计 （4学时） 可靠性优化设计 （4学时） 上机使用的软件： Ansys Matlab 注意：上机时间安排 考试（70%）+上机实习（30%）,教材及参考书目,教材：现代设计方法实用教程，孙新民，等. 清华大学出版社，2009参考书目：现代设计方法及其应用，陈屹，谢华. 国防工业出版社，2004现代设计方法，
3、应锦春.机械工业出版社, 2002.现代设计方法概论，覃文洁，程颖. 北京理工大学出版社机械CAD/CAE应用技术基础，杜静，何玉林. 机械工业出版社现代机械设计方法，孙靖民. 哈尔滨工业大学出版社 ANSYS使用教程 Matlab使用教程,现代设计方法概论,本章目的：了解现代设计的概念、发展趋势了解现代设计理论的概况了解现代设计方法的范畴和特征了解常用现代设计方法,1设计对象及任务,1.1 设计对象：机械系统：由若干机械要素组成，并能完成特定功能的系统 称为机械系统。机械系统的组成： 动力子系统； 执行子系统； 传动子系统； 支承子系统； 控制子系统。,1设计对象及任务,1.1 设计对象：机
4、械系统：机械系统的组成：机械系统的特征： 目的性； 整体性； 相关性； 环境适应性。,1设计对象及任务,1.2 设计任务：基本要求： 功能要求； 性能要求； 可靠性； 工作效率； 适应性； 经济性； 寿命要求。设计类型：设计过程：,1设计对象及任务,1.2 设计任务：基本要求：设计类型： 开发性设计； 适应性设计； 变异设计。设计过程：,1设计对象及任务,1.2 设计任务：基本要求：设计类型：设计过程： 总体设计； 技术设计； 工作设计； 文档设计。,2现代设计的概念,2.1设计过程：一个将提供的物质资源转化为技术装置以满足客观需求的实践活动就是一个设计过程。一般来讲，设计过程大致由下列环节组
5、成： (1) 根据需求提出设计任务； (2) 调查研究、掌握信息； (3) 提出明确、详细的设计要求； (4) 方案构思、初评最佳设计方案： (5) 选择模型、确定参数； (6) 详细设计； (7) 制造加工； (8) 样机试验、设计评定； (9) 设计改进、生产使用。,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,2现代设计的概念,设计活动的特征： （1）所有的设计活动都受到时间和空间的限制，此即设计活动的时空性特征。 （2）所有的设计活动都是在特定的物质条件约束下进行的。 （3）所有的设计都是为满足某种要求，这称之为设计的需求性特征。 （4）创造性为设计的又一重要特征。只有
6、设计人员和设计成果具备创造性，才能满足人们不断更新的需求。 （5）设计活动的过程性特征。任何设计都不是一蹴而就的，而是一个时间过程。,2现代设计的概念,设计方法的发展历程： 1直观发展阶段； 2经验发展阶段（传统设计阶段）； 3理论设计阶段； 4现代设计阶段。,2现代设计的概念,现代机械及制造技术的发展趋势,极端制造,综合集成,信息化,绿色化,高效化,高速化,大型化,微型化,精密化,专用化,柔性化,综合化,集成化,模块化,自动化,智能化,数字化,网络化,绿色化,现代机械及制造技术的发展趋势：,2现代设计的概念,2.2 现代设计： 以市场需求为驱动，以复杂机电产品为对象，以知识获取为中心，以现代
7、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现代设计的概念,现代设计的一般过程：,2现代设计的概念,现代设计的特点：,（1）现代设计是多学科交叉融合的产物；（2）现代设计是传统设计技术的继承、发展和延伸。,现代设计的特征,2现代设计的概念,现代设计在产品开发过程中的地位,2现代设计的概念,产品设计是产品开发过程中最重要的环节之一，占据着极为重要的地位。降低产品的成本，是一个永恒的课题。产品的寿命周期成本（包括制造成本和使用成本），在产品设计过程中就已大体确定（产品成本的80%左右在设计阶段就已基本确定）。 产品全生命周期的成本在概念设计阶段即
8、有70被决定，到基本设计、详细设计结束时分别有85和95的成本业已被决定，而生产以后的阶段只决定5左右的成本 。,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,3现代设计理论与方法简介,3.
9、1 产品设计理论的研究内容,设计者,设计过程,设计目标,领域知识,可用资源,现代设计方法学学科体系,设计理论与方法：研究产品设计过程的基本规律。目的：力求产品的优化与创新,支持产品设计的环境与工具支持产品设计全过程的CAD系统（分析、优化设计、造型）支持产品并行设计的CAD系统支持产品异地协同设计的CAD系统支持产品设计过程管理的PDM系统其它,机构及其零部件设计,领域产品（飞机、汽车、机床）设计,领域设计理论和知识专业机械设计理论和知识，如： 汽车设计理论 机床设计理论 飞机设计理论等,现代设计方法论 优化设计 智能设计 并行设计 虚拟设计 仿生设计 可靠性设计 模块化设计 反求设计等,设计
10、过程的组织与管理 设计过程的组织与管理模式 设计过程的组织结构 设计过程建模 设计过程信息的传递与共享 异地设计过程的组织与管理等,整机设计,系列设计,基础设计理论和知识 弹塑性力学理论 摩擦、磨损和润滑理论 机械运动学和动力学理论 基础零部件设计理论与方法,相关学科,3现代设计理论与方法简介,3.2 著名设计理论 （1）TRIZ理论(前苏联：发明问题解决理论) （2）普适设计理论（德国：Pahl和Betiz） （3）公理化设计理论（美国：Suh） （4）三次设计方法和QFD设计法（日本：系统、参数和容差）,3现代设计理论与方法简介,3.3 代表性现代设计方法,现代设计方法,计算机辅助设计,多
11、领域物理建模,多体动力学建模,有限元分析,优化设计,可靠性设计,创新设计,智能设计,相似性设计,模块化设计,协同设计,模块化设计,相似性设计,并行设计,虚拟设计,。,优化设计（Optimal Design） 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。,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
12、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。,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，如协调、不协调、混合、杂交、拟协调元等。,动态设计（Dynamic Design） 动态设计强调产品在动态过
13、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。,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，
14、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。,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。,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
15、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过程。,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。,智能设计（Intelligent Des
16、ign） 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效益。,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,3.4 产品设计方法的特征,（1）数字化；（2）系统化；（3）最优化；（4）模型化；（5）自动化。,3现代设计理论与方法简介,4现代设计方法的研
17、究现状,欧洲：德国学者和工程技术人员比较注重研究设计的进程、步骤和规律，进行系统化的逻辑分析，并将成熟的设计模式、解法等编成规范和资料供设计人员参考。美国：美国比较注重分析创造性开发和计算机在设计中的应用。美国是创造性设计的首倡者，在CAD方面也做出了许多贡献。日本：日本主要是利用其国内电子技术和计算机方面的优势，在创造工程学、自动设计、价值工程方面做了不少工作。中国：近年来我国也已经广泛开展了对现代设计 方法的研究，成立了各种研究协会和组织，各方面研究取得了实用成果，出版了一批专著和论文，在各高校也已相继开设了此方面的课程。现在，现代设计理论和方法已开始在我国的各个方面推广应用。,现代设计方
18、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。,5、 学习现代设计方法的意义与任务6.1 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
19、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。,5.2 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？,本章结束,
