現代設計方法基礎-1緒論

現代設計方法基礎山東理工大學交通與車輛學院焦學健一、從設計說起1、設計的概念設計是人類的一種重要創(chuàng)造活動，而且任何人類的創(chuàng)造活動必然包含設計。我們把根據功能要求，按步驟地、創(chuàng)造性地求解總體功能的各個解決方案的過程定義為設計。設計也是一種描述子功能和它們組裝成整體功能的過程。2、設計的重要性決定一個產品在市場上成功與否的產品總體特征和產品特性都是在設計中確定的。設計是產品形成過程中所有后續(xù)工作的出發(fā)點。設計的結果，即產品的幾何和技術特征是以工程圖樣、零件明細表、幾何模型等諸如此類形式的文檔表達并提供給后續(xù)部門。因此設計，亦即產品形態(tài)的確定在產品形成過程中占有核心的地位，同時作為信息源也具有特別重要的意義。3、設計對人的要求設計者要有理論知識，又要熟悉車間和加工設備。要充當科學認識與實際制造的調解人。對于工程師的培養(yǎng)來說，盡可能早地參與設計實踐具有重要意義。設計創(chuàng)造要求一系列的能力，如：想像能力，推理、聯想能力，邏輯思維能力，專心致志能力，良好的記憶，認真細致的工作態(tài)度，責任感，決斷力，堅韌不拔的毅力以及對美學的敏感性。設計創(chuàng)造性活動不僅是一種目標明確的智力活動，而且還要求創(chuàng)造力及直覺的靈感。4、設計過程的計劃對于開發(fā)技術產品來說，有計劃的行動在設計時可能是很有益的。設計過程可以通過設計方法學系統(tǒng)地、透明地、高效地形成。設計方法學把操作指南提供給技術系統(tǒng)的開發(fā)和設計者，其目的是為了系統(tǒng)地制定設計方案。它考慮了設計科學、心理學知識以及在應用中得到的經驗。有計劃的工作方式是通過把設計過程分解成一個接一個的順序段，即設計階段來實現的。5、設計過程的劃分（1）根據設計方法學的觀點，設計過程可以劃分為“規(guī)劃”、“方案設計”、“結構設計”、“施工設計”四個設計階段。各設計階段又可劃分為若干個設計步驟。這些階段和步驟的劃分意味著設計從抽象到具體；從定性到定量；從全局到局部；從系統(tǒng)的上層結構到下層結構。可將設計過程概括描述如圖所示。任務需求分析與可行性論證制定設計任務書構造設計模型確定功能結構確定設計方案結構草圖設計產品總體設計擬定制造使用說明后續(xù)的工作各步驟的一次或多次循環(huán)任務規(guī)劃階段方案設計階段結構設計階段施工設計階段（2）深入研究各個階段的主要任務，可將設計劃分為：(a)功能設計確定產品功能和結構之間的對應關系。(b)布局設計完成技術實體部分(零部件)的排列組合。(c)參數設計定義零部件的幾何形狀及尺寸參數。(d)公差設計制定形狀、位置及尺寸精度。可見，設計任務不同，設計變量亦不同。（3）針對整個設計過程中，各設計任務所占的比重又將設計劃分為如下設計類型：(a)新設計這是一種從無到有的開發(fā)性設計?；蛘邚母拍钤O計、功能設計開始，或者重新排列組合現有的、或新的零部件來達到設計目的。新設計需要創(chuàng)造性的思維。(b)適應性設計其特點是保持總體布局不變，修改個別零部件的功能或形狀以適應質和量方面的附加要求。(c)參數化設計其特點是功能、布局、零件的幾何拓撲關系均保持不變，僅改變零件的尺寸參數，產生系列化的設計結果。據統(tǒng)計，機械制造領域的設計工作有56%屬于適應性設計，20%屬于參數化設計，只有24%屬于新設計。某些標準化程度高的領域，參數化設計達到50%左右。由于適應性設計和參數化設計的比例很高，所以使設計方法及設計手段科學化、系統(tǒng)化、現代化，實現CAD是非常必要的。設計草圖方案設計階段設計思想方面，必須站在為使用者服務的基點上，能給人們帶來使用上的最大便利和精神上以美的享受，要認真貫徹“實用、經濟、美觀”的設計原則，要注意從實際條件出發(fā)，避免主觀片面性。設計方法方面，要做多方案的探討和比較。在開始構思時就要力求多種多樣的辦法，盡量探索一切可能性，力求思路開闊，而切忌從最初的構思開始就只有一個辦法。在眾多的方案中經過比較、分析、淘汰、歸納，方案越來越少，越來越精，并綜合和集中各方案的優(yōu)點，最后才發(fā)展成為成熟的好方案。方案定稿模型制作

產品模型能直觀地表現產品造型的空間關系和立體形象。模型的制作，是對設計圖紙的檢驗，更是對整個構思的檢驗。它可以補充圖紙在表達上的不足，便于暴露問題，發(fā)現問題，以便得到改進。模型制作的過程，是深化構思、完善造型設計的過程，是表達設計意圖的重要手段。色彩設計①確定色調通過對市場的調查，參照用戶的意見和要求，來確定機柜的基本色調，如暖色調或冷色調，明色調或暗色調等。②制作色板依據所確定的基本色調，制作若干個小色板。在這些小色板中進行配色，通過比較，最后選出幾個比較理想的色彩，制作比所畫機柜外形視圖略大一些的大色板。③進行配色用白紙畫出機柜的外形視圖，然后用美工刀或剪刀沿著視圖的外輪廓線將視圖挖切掉，形成與機拒外形相同的外形窗框配色時，將色板放在窗框的后面，逐個進行配色，找出較為理想的配色方案。制作樣機設計評價汽車設計產品設計程序6.設計類型與設計方法概述設計的類型:1）創(chuàng)新設計;2）適應性設計;3)變參數設計設計方法的發(fā)展:17世紀前的“直覺設計階段”；17世紀后的“經驗設計階段”及其后形成的“傳統(tǒng)設計階段”；現代設計階段現代設計與傳統(tǒng)設計的關系:

Ⅰ

繼承;Ⅱ

共存與突破

創(chuàng)新設計:

創(chuàng)新設計是在國內外尚無類似產品或結構，亦或設計原理、設計方案都未知，只根據產品、結構的總功能和約束條件，進行全新的創(chuàng)造。適應性設計

適應性設計是在總方案和原理不變的條件下，對已有產品、結構或性能進行局部的改進更新，以適應新的需求。

變參數設計:

變參數設計是在總體結構形式、工作原理不變的條件下，僅對結構的布置、參數或尺寸的大小加以改變，來提高性能。這在系列產品設計中常用。二、關于現代設計方法設計的思想和方法一方面不斷地影響著人類的生活與生產，推動社會進步，另一方面又受社會發(fā)展的反作用，不斷變化和更新。為了反映設計思想和方法隨社會發(fā)展的變化，人們通常用“傳統(tǒng)設計”和“現代設計”這兩個術語。CAD/CAE/CAM系統(tǒng)及可靠性設計、優(yōu)化設計的應用設計方法的發(fā)展如創(chuàng)新設計、虛擬設計、機電產品造型設計、可靠性設計、優(yōu)化設計、人機工程學設計、綠色設計、穩(wěn)健設計、并行設計、模糊設計、智能設計和反求設計等等?，F代設計方法的主要內容1、信息論方法—現代設計方法的前提，如信息分析法、技術預測法等。

2、系統(tǒng)論方法，如系統(tǒng)分析法、人機工程以及面向產品生命周期中各個階段的設計。

3、控制論方法，如動態(tài)分析法等。

4、優(yōu)化論方法—現代設計方法的目標。

5、對應論方法，如相似設計、反求工程設計等。

6、智能論方法—現代設計方法的核心，如CAD、CAE、并行工程、慮擬設計、人工智能等。

7、壽命論方法，如可靠性設計、價值工程和穩(wěn)定性設計等?，F代設計方法的主要內容8、離散論方法，如模糊評價和決策等。

9、突變論方法—現代設計方法的基礎，如創(chuàng)新性設計等。

10、藝術論方法，如藝術造型等。本課程重點討論的一些設計方法都是發(fā)展歷史較長、理論較成熟和應用較廣泛的現代設計方法，包括計算機輔助設計、產品造型設計、計算機輔助工程CAE、優(yōu)化設計、機械可靠性設計等五個方面?，F代設計方法簡介一、概述現代設計方法二十世紀六十年代以來，機械產品設計領域相繼出現了一系列新興的理論與方法。為區(qū)別于過去的傳統(tǒng)的方法，把這些稱為現代設計方法。一、現代設計方法概述現代設計是傳統(tǒng)設計的深入、豐富和完善?，F代設計：以市場需求為驅動，以現代設計思想、理論為指導，以知識獲取為中心，以現代技術手段為工具，考慮產品的全生命周期和人、機、環(huán)境相容性等因素的設計。借助計算機，應用精度較高的分析方法（如有限元方法等）進行分析計算，從大量的可行設計中尋找最優(yōu)的設計方案，實現用理論代替經驗設計，用精確計算代替近似計算，用優(yōu)化設計、綠色設計代替一般的安全壽命的可行性設計。其目的是為了提高設計的主動性、科學性和準確性。1、現代設計手段

(1)計算機輔助設計CAD

計算機繪圖

(2)計算機輔助幾何建模

實體或曲面模型圖

(3)工程分析與計算

CAE--有限元或動力學

(4)智能設計與專家系統(tǒng)

人工智能與神經網絡專家系統(tǒng)

提高決策判斷能力

(5)數據庫管理系統(tǒng)設計

設計數據的集合

2、現代設計特征(1)設計手段的更新

傳統(tǒng)圖板、圖紙電子文檔(2)產品表示

二維三維(3)設計方法的發(fā)展

有限元、優(yōu)化、模態(tài)、并行設計、虛擬設計、計算機仿真(4)工作方式

串行設計并行設計＜＜數據庫與網絡技術(5)設計制造一體化

CAPPNC(6)管理水平的提高MIS、PDM、ERP(7)組織模式的開放

內部封閉設計多企業(yè)異地設計優(yōu)勢互補、資源共享傳統(tǒng)設計：生產經驗、力學、數學公式靜態(tài)現代設計：摩擦學、模態(tài)、可靠性、疲勞動態(tài)3、現代設計原則(1)功能滿足

前提(2)質量保證

性能、可靠、強度、剛度、穩(wěn)定、動態(tài)特性等(3)工藝優(yōu)良可制造性、可裝配性、可測試性、

(4)經濟合理較低的開發(fā)成本和使用費用(5)社會使用（社會價值）

環(huán)境友好適應(綠色工程)、人機友好(以人為本)、可維修、安全性、可安裝性、可拆卸、可回收(6)管理水平的提高MIS、PDM、ERP(7)組織模式的開放

內部封閉設計多企業(yè)異地設計優(yōu)勢互補、資源共享傳統(tǒng)設計：生產經驗、力學、數學公式靜態(tài)現代設計：摩擦學、模態(tài)、可靠性、疲勞動態(tài)3、現代設計原則傳統(tǒng)方法現代方法經驗、類比邏輯、推理、系統(tǒng)靜態(tài)、少參數

動態(tài)、多變量、多方案當然,現代設計方法還不能完全取代傳統(tǒng)設計方法，一些行之有效的經驗方法目前仍在廣泛使用，它們仍是現代設計方法的重要組成。具有系統(tǒng)性、創(chuàng)造性、綜合性和程式性主要現代設計理論與方法

設計方法學優(yōu)化設計可靠性設計計算機輔助設計有限元法工業(yè)設計專家系統(tǒng)價值工程相似性設計動態(tài)設計人工智能模塊化設計摩擦學設計反求工程計算機輔助設計

1．概念以計算機為主要技術手段，來生成和運用各種數字信息和圖形信息進行工程或產品設計。在制造工業(yè)中CAD技術已經成為先進制造技術群中的一項主體關鍵技術。2．CAD技術的優(yōu)越性①能顯著提高設計效率提高結構設計和工程制圖的速度②有利于產品的標準化、系列化可利用存儲的信息及數據庫中的標準件。③設計與分析統(tǒng)一利用CAE軟件進行性能分析④設計與制造一體

CAD數據可生成數據代碼，用于數控機床加工。

設計方法學

1．概念用系統(tǒng)觀點，考慮自然科學、社會科學經濟學諸因素以獲得優(yōu)質，價廉新穎的產品，所應用的設計思想、設計規(guī)律及設計中的設計過程、設計方法和設計工具的總和。2．主要研究內容①設計規(guī)律。設計工作應符合客觀事物發(fā)展規(guī)律②設計思維規(guī)律。設計人員運用科學的創(chuàng)造性思維規(guī)律、方法和技術③設計過程。研究各設計階段的任務與特點尋找符合設計規(guī)律的設計方法。④設計步驟。研究解決問題的合理邏輯步驟。⑤設計類型。研究不同類型的設計特點及方法步驟。⑥設計信息庫。大量設計信息的表達存儲和使用。⑦設計工具。研究先進的高效的設計工具

工業(yè)設計

1．概念以工業(yè)產品為表現對象，在滿足工業(yè)屬性的前提下，用藝術手段創(chuàng)造出實用、美觀、經濟的產品。2．基本特征①批量性：有一定批量有工業(yè)屬性，不同于工藝品②創(chuàng)造性：區(qū)別于仿制，是一種創(chuàng)造活動③實用性：考慮產品的規(guī)定功能④藝術性：造型美是產品整體設計體現出來的全部美的綜合⑤舒適性：考慮操作的生理和心理因素⑥經濟性：應用價值工程學、設計物美價廉的產品⑦時代性：產品具有時尚性和流行性⑧社會性：考慮消費者的社會屬性和社會環(huán)境價值分析1．概念以功能分析為核心以開發(fā)創(chuàng)造性為基礎，以科學分析為工具，尋求功能與成本最佳比例，是產品獲得最大價值的一種現代管理技術。2．分析程序（過程）①確定價值分析對象②進行成本分析和功能價值估算③應用最新成果進行革新和創(chuàng)造提出新方案。④對新方案進行評價和決策。

專家系統(tǒng)1．概念在專家水平上工作的計算機程序系統(tǒng)。2．應用特點①具有該領域專家的豐富知識②具有該領域專家的專門知識和推理能力模塊化設計1．概念對一定范圍內的不同功能或相同功能不同性能，不同規(guī)格的產品進行功能分析的基礎上，劃分設計出一系列的功能模塊，通過模塊的不同選擇，可構成不同的產品。2．優(yōu)點：①減少產品的設計和制造時間