機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)與 (2)

1、第二章 機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)與創(chuàng)新設(shè)計(jì) 12傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)代設(shè)計(jì) 2-1 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 一、現(xiàn)代設(shè)計(jì)的概念1設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)是復(fù)雜的思維過(guò)程，設(shè)計(jì)過(guò)程蘊(yùn)涵著創(chuàng)新和發(fā)明的機(jī)會(huì)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)又稱常規(guī)設(shè)計(jì)，分為初步設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)三個(gè)步驟。 2現(xiàn)代設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)、類比法設(shè)計(jì)提高到邏輯的、理性的、系統(tǒng)的新設(shè)計(jì)方法，是在靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行動(dòng)態(tài)多變量的最優(yōu)化。3（1）系統(tǒng)性現(xiàn)代設(shè)計(jì)把設(shè)計(jì)對(duì)象看作一個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)考慮系統(tǒng)與外界的聯(lián)系，用系統(tǒng)工程概念進(jìn)行分析和綜合，通過(guò)功能分析、系統(tǒng)綜合等方法，力求系統(tǒng)整體最優(yōu)，使人積之間的功能相互協(xié)調(diào)。 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)比較，有下列幾個(gè)特征： 4（2）創(chuàng)造性現(xiàn)代設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)創(chuàng)造能

2、力開(kāi)發(fā)和充分發(fā)揮人的創(chuàng)造性；重視原理方案的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新產(chǎn)品。只有創(chuàng)新才能有所發(fā)明。但是，今天的科學(xué)技術(shù)已經(jīng)高度發(fā)展，創(chuàng)新往往是在已有技術(shù)基礎(chǔ)上的綜合。有的新產(chǎn)品是根據(jù)別人的研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果而設(shè)計(jì)，有的是博采眾長(zhǎng)，加以巧妙地組合。5（3）綜合性現(xiàn)代設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，綜合考慮、分析市場(chǎng)需求、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、使用、銷售能各方面的因素；綜合運(yùn)用優(yōu)化是系統(tǒng)工程、可靠性理論、價(jià)值工程、技術(shù)等學(xué)科的知識(shí)，探索多種解決設(shè)計(jì)問(wèn)題的科學(xué)途徑。6（4）程式性現(xiàn)代設(shè)計(jì)研究設(shè)計(jì)的一般進(jìn)程，包括一般設(shè)計(jì)戰(zhàn)略和用于設(shè)計(jì)各個(gè)具體部分的戰(zhàn)術(shù)方法。要求設(shè)計(jì)者從產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)、試制，按步驟有計(jì)劃地進(jìn)

3、行設(shè)計(jì)。 7二、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)和范疇 （1）信息論方法如信息分析法，技術(shù)預(yù)測(cè)法的，它們是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的前提。（2）系統(tǒng)論方法如系統(tǒng)分析法，人機(jī)工程等?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是科學(xué)方法論在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，可歸納為下列具有普遍意義的方法：8（3）控制論方法如動(dòng)態(tài)分析法等。（4）優(yōu)化論方法如有優(yōu)化設(shè)計(jì)等，它是現(xiàn)代設(shè)計(jì)法的目標(biāo)化。（5）對(duì)應(yīng)論方法如相似設(shè)計(jì)等。（6）智能論方法如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算等。（7）壽命論方法如可靠性和價(jià)值工程等。9（8）離散論方法如有限元及邊界元方法。（9）模糊論方法如模糊評(píng)價(jià)和決策等。（10）突變論方法創(chuàng)造性設(shè)計(jì)，它是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上。（11）藝術(shù)論方法如藝術(shù)造型等。10

4、三、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法研究的概況 日本自1960年以來(lái)開(kāi)始有關(guān)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的研究，提高設(shè)計(jì)人員素質(zhì)，開(kāi)展工程技術(shù)教育。現(xiàn)在日本在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的更新速度受到全世界的關(guān)注，其產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力已給許多國(guó)家造成巨大壓力和挑戰(zhàn)。11在美國(guó)的設(shè)計(jì)工作中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙基本上由計(jì)算機(jī)繪制，設(shè)計(jì)者可以擺脫常規(guī)的技術(shù)工作，集中精力進(jìn)行創(chuàng)造性設(shè)計(jì)。美國(guó)的學(xué)者強(qiáng)調(diào)“創(chuàng)造性設(shè)計(jì)”，提倡設(shè)計(jì)中創(chuàng)造能力的開(kāi)發(fā)，把設(shè)計(jì)活動(dòng)分為創(chuàng)造分析決策三個(gè)步驟。12我國(guó)對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的研究是從上世紀(jì)80年代開(kāi)始的，通過(guò)派留學(xué)生到國(guó)外進(jìn)修學(xué)習(xí)和請(qǐng)國(guó)外專家來(lái)講學(xué)，組織各種類型的講習(xí)班，培訓(xùn)班、開(kāi)展國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)交流等，推廣和普及現(xiàn)代設(shè)計(jì)的基本知識(shí)。由于世界

5、各國(guó)對(duì)設(shè)計(jì)方法的研究越來(lái)越重視，目前已成為一項(xiàng)國(guó)際性學(xué)術(shù)活動(dòng)。有關(guān)國(guó)家組織了關(guān)于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的國(guó)際會(huì)議，比如國(guó)際工程設(shè)計(jì)會(huì)議（ICED）就是其中之一。13四、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介1優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的重要內(nèi)容之一，它以數(shù)學(xué)規(guī)劃為理論基礎(chǔ)，以電子計(jì)算機(jī)為工具，在充分考慮各種設(shè)計(jì)約束的前提下，尋求滿足某些將預(yù)定目標(biāo)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。14（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件是優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的三個(gè)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)15（2）優(yōu)化方法其基本思

6、想是搜索、迭代和逼近。即求解時(shí)，從某一初始點(diǎn)出發(fā)，利用函數(shù)在某一局部區(qū)域的性質(zhì)和信息，確定每一迭代步驟的搜索方向和步長(zhǎng)，去尋找新的迭代點(diǎn)，這樣一步一步地重復(fù)數(shù)值計(jì)算，用改進(jìn)后的新設(shè)計(jì)點(diǎn)替代老設(shè)計(jì)點(diǎn)，逐步改進(jìn)目標(biāo)函數(shù)，并最終逼近極值點(diǎn)。 162變型產(chǎn)品設(shè)計(jì)為了滿足使用者的不同要求，可在原有產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行變型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，使零件標(biāo)準(zhǔn)化化、部件通用化、產(chǎn)品系列化。變型產(chǎn)品系列包括：縱系列產(chǎn)品，橫系列產(chǎn)品和跨系列產(chǎn)品?？v系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)也稱相似系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)，是在基型產(chǎn)品的基礎(chǔ)上利用相似理論求各擴(kuò)展型產(chǎn)品的尺寸和參數(shù)。17基型產(chǎn)品一般選在系列產(chǎn)品的中檔，為常用型號(hào)。系列產(chǎn)品是指具有相同功能、相同結(jié)構(gòu)方案，相同

7、或相似加工工藝，且各產(chǎn)品相應(yīng)的尺寸參數(shù)及性能指標(biāo)具有一定級(jí)差的產(chǎn)品?；彤a(chǎn)品18在系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，一般有兩種造型原理：幾何級(jí)數(shù)的幾何相似產(chǎn)品系列和幾何級(jí)數(shù)的半相似產(chǎn)品系列。中系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)的步驟依次是基型設(shè)計(jì)、確定相似類型、定各尺寸、參數(shù)級(jí)差，求各擴(kuò)展型產(chǎn)品尺寸參數(shù)及確定全系列產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸等。系列產(chǎn)品造型原理193價(jià)值工程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在滿足功能需求的前提下，提高產(chǎn)品的價(jià)值。價(jià)值是產(chǎn)品功能與成本的綜合反映，即式中，V產(chǎn)品的價(jià)值（實(shí)用價(jià)值）；F產(chǎn)品具有的功能；C實(shí)現(xiàn)該功能說(shuō)和耗費(fèi)的成本。 202-2創(chuàng)新設(shè)計(jì)1創(chuàng)新設(shè)計(jì)的特點(diǎn)（1）獨(dú)創(chuàng)性獨(dú)創(chuàng)性體現(xiàn)為敢于提出與前人、眾人不同的見(jiàn)解，敢于打破一般思維的

8、常規(guī)慣例，尋找更合理的新原理、新機(jī)構(gòu)、新功能、新材料，獨(dú)創(chuàng)性能使設(shè)計(jì)方案標(biāo)新立異，不斷創(chuàng)新。 （2）實(shí)用性實(shí)用性體現(xiàn)在對(duì)市場(chǎng)的適應(yīng)性和可生產(chǎn)型兩方面。21（3）突破性人們往往從考慮某類問(wèn)題獲得成功的思維模式中尋求解題方案，受到“思維定式”的約束。突破性敢于克服心理上的慣性，從思維定式的框框中解脫出來(lái)，善于從新的技術(shù)領(lǐng)域中接受有用的事物，提出新原理、創(chuàng)造新模式、貢獻(xiàn)新方法，為工程技術(shù)問(wèn)題打開(kāi)新局面。（4）多向性善于從多種不同角度考慮問(wèn)題，是創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要特征。 22（5）連動(dòng)性創(chuàng)造性思維也是一種連動(dòng)思維，它引導(dǎo)人們由已知探索未知，開(kāi)闊思路。連動(dòng)思維包括縱向、橫向、逆向思維?？v向思維針對(duì)某現(xiàn)象和問(wèn)

9、題進(jìn)行縱深思考，探尋其本質(zhì)而得到新的啟示。橫向思維通過(guò)某一現(xiàn)象聯(lián)想到特點(diǎn)與它相似和相關(guān)的事物，從而發(fā)現(xiàn)新應(yīng)用。逆向思維針對(duì)現(xiàn)象、問(wèn)題和解法，分析其相反的方面，從另一角度探尋新的途徑。23（6）突變型自覺(jué)思維、靈感思維是在創(chuàng)造性思維中對(duì)問(wèn)題產(chǎn)生的一種突如其來(lái)的領(lǐng)悟和理解。在思維過(guò)程中突然閃現(xiàn)出一種新設(shè)想、新觀念，從而使問(wèn)題得到解決。如果阿基米德從洗澡時(shí)浴缸中水的溢出產(chǎn)生靈感而推出浮力定律。又如美國(guó)工程公司杜里埃研究如何使汽油和空氣均勻混合以保證內(nèi)燃機(jī)有效工作的問(wèn)題，一天他看到妻子噴灑香水而受到啟發(fā)，創(chuàng)造了發(fā)動(dòng)機(jī)的汽化器。242創(chuàng)新設(shè)計(jì)的類型（1）開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)在未知情況下，根據(jù)產(chǎn)品總功能和約束條件，提

10、出新原理、進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)。（2）變異設(shè)計(jì)在已有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，針對(duì)產(chǎn)品的缺點(diǎn)和用戶的要求，進(jìn)行變型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，以適應(yīng)市場(chǎng)需要。25（3）反求設(shè)計(jì)針對(duì)已有的新進(jìn)展產(chǎn)品和樣機(jī)，分析其關(guān)鍵技術(shù)，在消化、吸收、引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用移植、組合、改造等方法，設(shè)計(jì)創(chuàng)新產(chǎn)品。 26四、創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法有很多種，下面簡(jiǎn)單介紹智力激勵(lì)法、提問(wèn)追溯法、聯(lián)想類推法、返向探求法、系統(tǒng)分析法、組合創(chuàng)新發(fā)六種。271智力激勵(lì)法人的創(chuàng)造性思維特別是直覺(jué)思維在受激發(fā)情況下能得到較好地發(fā)揮。一批人集合在一起，針對(duì)某個(gè)問(wèn)題進(jìn)行討論時(shí)，由于各人知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)不同，觀察問(wèn)題的角度和分析問(wèn)題的方法各異，提出的各種主意能互相啟發(fā)，填

11、補(bǔ)知識(shí)空隙，啟發(fā)誘導(dǎo)出更多創(chuàng)造性思想，通過(guò)激勵(lì)、智慧交流和集智達(dá)到創(chuàng)新的目的。 282提問(wèn)追溯法提問(wèn)追溯法是有針對(duì)性地、系統(tǒng)地提出問(wèn)題，在回答問(wèn)題過(guò)程中，便可能產(chǎn)生各種解決問(wèn)題的設(shè)想，使設(shè)計(jì)所需要的信息更充分，解法更完善。提問(wèn)追溯法有奧斯本體溫法、阿諾爾特提問(wèn)法、希望點(diǎn)列舉法、缺點(diǎn)列舉法。 293聯(lián)想類推法通過(guò)由此及彼的聯(lián)想和異中求同，同中求異的類比，尋求各種創(chuàng)新解法。利用聯(lián)想進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)新是一種常用而且十分有效的辦法。許多發(fā)明者都善于聯(lián)想，許多發(fā)明創(chuàng)新也得益于聯(lián)想的妙用。類比聯(lián)想由一事物或現(xiàn)象聯(lián)想到與其有類似特點(diǎn)的其他事物或現(xiàn)象，從而找出創(chuàng)新解法。 304返向探求法將人們通常思考問(wèn)題的思路反轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，從背逆常規(guī)的途徑探尋新的解法，因此返向探求法亦稱逆向思維法。例如聲音既是振動(dòng)那么振動(dòng)為什么不能復(fù)現(xiàn)原聲呢？通過(guò)這樣的反問(wèn)，發(fā)明了留聲機(jī)