現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法-概論

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法華中科技大學(xué)國(guó)家CAD支撐軟件工程技術(shù)研究中心黃正東zdhuang@

課時(shí)：48(32+16)

教師：黃正東email：zdhuang@辦公室：西樓B616室主要目的1．幫助學(xué)生獲得必要的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法基本知識(shí)，了解學(xué)科發(fā)展前沿，使學(xué)生了解現(xiàn)代設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的聯(lián)系和區(qū)別；2.引導(dǎo)學(xué)生建立理解、認(rèn)識(shí)、分析、優(yōu)化復(fù)雜機(jī)電裝備的基本思路和方法，形成科學(xué)的設(shè)計(jì)理念，掌握先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法；3.使學(xué)生了解現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在實(shí)際機(jī)電工程項(xiàng)目中的應(yīng)用，能對(duì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)際的關(guān)系有較具體的認(rèn)識(shí)，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)最優(yōu)化思想和高速高精度分析思想。主要內(nèi)容現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法總體概況結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)可靠性分析學(xué)時(shí)安排32學(xué)時(shí)上課（6-12周,14周）星期一（7-8），東九樓D112；星期三（9-10），東九樓－A10716學(xué)時(shí)上機(jī)實(shí)驗(yàn)（學(xué)習(xí)委員聯(lián)系）

地點(diǎn)：東校區(qū)計(jì)算中心

時(shí)間：星期五，9、10、11、12周，第5－8節(jié)

上機(jī)內(nèi)容安排：結(jié)構(gòu)有限元分析（4學(xué)時(shí)）優(yōu)化設(shè)計(jì)（4學(xué)時(shí)）動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)（4學(xué)時(shí)）

可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)（4學(xué)時(shí)）

上機(jī)使用的軟件：

AnsysMatlab

注意：上機(jī)時(shí)間安排考試（70%）+上機(jī)實(shí)習(xí)（30%）教材及參考書(shū)目教材：《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)用教程》，孫新民，等.清華大學(xué)出版社，2009參考書(shū)目：《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用》，陳屹，謝華.國(guó)防工業(yè)出版社，2004《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》，應(yīng)錦春.機(jī)械工業(yè)出版社,2002.《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法概論》，覃文潔，程穎.北京理工大學(xué)出版社《機(jī)械CAD/CAE應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)》，杜靜，何玉林.機(jī)械工業(yè)出版社《現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法》，孫靖民.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社ANSYS使用教程

Matlab使用教程現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法概論本章目的：了解現(xiàn)代設(shè)計(jì)的概念、發(fā)展趨勢(shì)了解現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論的概況了解現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的范疇和特征了解常用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法1．設(shè)計(jì)對(duì)象及任務(wù)1.1設(shè)計(jì)對(duì)象：機(jī)械系統(tǒng)：由若干機(jī)械要素組成，并能完成特定功能的系統(tǒng)

稱(chēng)為機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)的組成：

動(dòng)力子系統(tǒng)；

執(zhí)行子系統(tǒng)；

傳動(dòng)子系統(tǒng)；

支承子系統(tǒng)；

控制子系統(tǒng)。

1．設(shè)計(jì)對(duì)象及任務(wù)1.1設(shè)計(jì)對(duì)象：機(jī)械系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)的組成：機(jī)械系統(tǒng)的特征：

目的性；

整體性；

相關(guān)性；

環(huán)境適應(yīng)性。

1．設(shè)計(jì)對(duì)象及任務(wù)1.2設(shè)計(jì)任務(wù)：基本要求：

功能要求；

性能要求；

可靠性；

工作效率；

適應(yīng)性；

經(jīng)濟(jì)性；

壽命要求。設(shè)計(jì)類(lèi)型：設(shè)計(jì)過(guò)程：

1．設(shè)計(jì)對(duì)象及任務(wù)1.2設(shè)計(jì)任務(wù)：基本要求：設(shè)計(jì)類(lèi)型：

開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)；

適應(yīng)性設(shè)計(jì)；

變異設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程：

1．設(shè)計(jì)對(duì)象及任務(wù)1.2設(shè)計(jì)任務(wù)：基本要求：設(shè)計(jì)類(lèi)型：設(shè)計(jì)過(guò)程：

總體設(shè)計(jì)；

技術(shù)設(shè)計(jì)；

工作設(shè)計(jì)；

文檔設(shè)計(jì)。

2．現(xiàn)代設(shè)計(jì)的概念2.1設(shè)計(jì)過(guò)程：一個(gè)將提供的物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化為技術(shù)裝置以滿(mǎn)足客觀(guān)需求的實(shí)踐活動(dòng)就是一個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。一般來(lái)講，設(shè)計(jì)過(guò)程大致由下列環(huán)節(jié)組成：

(1)根據(jù)需求提出設(shè)計(jì)任務(wù)；

(2)調(diào)查研究、掌握信息；

(3)提出明確、詳細(xì)的設(shè)計(jì)要求；

(4)方案構(gòu)思、初評(píng)最佳設(shè)計(jì)方案：

(5)選擇模型、確定參數(shù)；

(6)詳細(xì)設(shè)計(jì)；

(7)制造加工；

(8)樣機(jī)試驗(yàn)、設(shè)計(jì)評(píng)定；

(9)設(shè)計(jì)改進(jìn)、生產(chǎn)使用。

機(jī)械產(chǎn)品傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程產(chǎn)品規(guī)劃（明確設(shè)計(jì)任務(wù)）原理方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)任務(wù)書(shū)分析確定設(shè)計(jì)參數(shù)同類(lèi)機(jī)械的調(diào)研和資料分析總體結(jié)構(gòu)方案擬定方案論證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、繪圖編寫(xiě)技術(shù)文件結(jié)束條件協(xié)商更改設(shè)計(jì)調(diào)整技術(shù)設(shè)計(jì)施工設(shè)計(jì)2．現(xiàn)代設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)活動(dòng)的特征：

（1）所有的設(shè)計(jì)活動(dòng)都受到時(shí)間和空間的限制，此即設(shè)計(jì)活動(dòng)的時(shí)空性特征。

（2）所有的設(shè)計(jì)活動(dòng)都是在特定的物質(zhì)條件約束下進(jìn)行的。

（3）所有的設(shè)計(jì)都是為滿(mǎn)足某種要求，這稱(chēng)之為設(shè)計(jì)的需求性特征。

（4）創(chuàng)造性為設(shè)計(jì)的又一重要特征。只有設(shè)計(jì)人員和設(shè)計(jì)成果具備創(chuàng)造性，才能滿(mǎn)足人們不斷更新的需求。

（5）設(shè)計(jì)活動(dòng)的過(guò)程性特征。任何設(shè)計(jì)都不是一蹴而就的，而是一個(gè)時(shí)間過(guò)程。2．現(xiàn)代設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)方法的發(fā)展歷程：

1．直觀(guān)發(fā)展階段；

2．經(jīng)驗(yàn)發(fā)展階段（傳統(tǒng)設(shè)計(jì)階段）；3．理論設(shè)計(jì)階段；

4．現(xiàn)代設(shè)計(jì)階段。2．現(xiàn)代設(shè)計(jì)的概念現(xiàn)代機(jī)械及制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)極端制造綜合集成信息化綠色化高效化高速化大型化微型化精密化專(zhuān)用化柔性化綜合化集成化模塊化自動(dòng)化智能化數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化綠色化現(xiàn)代機(jī)械及制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)：2．現(xiàn)代設(shè)計(jì)的概念2.2現(xiàn)代設(shè)計(jì)：

以市場(chǎng)需求為驅(qū)動(dòng)，以復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品為對(duì)象，以知識(shí)獲取為中心，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)思想、方法和現(xiàn)代技術(shù)手段為工具，考慮產(chǎn)品的整個(gè)生命周期和人、機(jī)、環(huán)境相容性等因素的設(shè)計(jì)。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程設(shè)計(jì)需求分析可行性研究與分析設(shè)計(jì)建模與仿真設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)結(jié)果設(shè)計(jì)分析概念設(shè)計(jì)市場(chǎng)信息工藝規(guī)劃編程控制工裝夾具生產(chǎn)計(jì)劃物料需求運(yùn)輸制造包裝質(zhì)量檢驗(yàn)裝配營(yíng)銷(xiāo)數(shù)字化制造數(shù)字化設(shè)計(jì)數(shù)字化生產(chǎn)規(guī)劃2．現(xiàn)代設(shè)計(jì)的概念現(xiàn)代設(shè)計(jì)的一般過(guò)程：2．現(xiàn)代設(shè)計(jì)的概念現(xiàn)代設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：

（1）現(xiàn)代設(shè)計(jì)是多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物；（2）現(xiàn)代設(shè)計(jì)是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的繼承、發(fā)展和延伸。對(duì)比項(xiàng)目傳統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)代設(shè)計(jì)備注使用工具手工操作計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算方法近似計(jì)算數(shù)值計(jì)算設(shè)計(jì)形式串行設(shè)計(jì)并行設(shè)計(jì)知識(shí)運(yùn)用以經(jīng)驗(yàn)為主以知識(shí)為主局部或全局性從局部出發(fā)全局考慮特點(diǎn)精度差、效率低、成本高、周期長(zhǎng)精度高、效率高、成本低、周期短現(xiàn)代設(shè)計(jì)的特征2．現(xiàn)代設(shè)計(jì)的概念現(xiàn)代設(shè)計(jì)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的地位2．現(xiàn)代設(shè)計(jì)的概念產(chǎn)品設(shè)計(jì)是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)之一，占據(jù)著極為重要的地位。降低產(chǎn)品的成本，是一個(gè)永恒的課題。產(chǎn)品的壽命周期成本（包括制造成本和使用成本），在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中就已大體確定（產(chǎn)品成本的80%左右在設(shè)計(jì)階段就已基本確定）。

產(chǎn)品全生命周期的成本在概念設(shè)計(jì)階段即有70％被決定，到基本設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)束時(shí)分別有85％和95％的成本業(yè)已被決定，而生產(chǎn)以后的階段只決定5％左右的成本。設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)任務(wù)書(shū)分析確定設(shè)計(jì)條件運(yùn)用系統(tǒng)工程和創(chuàng)造性方法進(jìn)行總體方案構(gòu)思繪制總圖、零部件圖編制技術(shù)文件結(jié)束條件協(xié)商修改設(shè)計(jì)方案用價(jià)值分析、優(yōu)選法等進(jìn)行方案的論證技術(shù)設(shè)計(jì)與分析最優(yōu)？綜合分析程序庫(kù)（系統(tǒng)工程分析程序、優(yōu)化程序、可靠性分析程序等）設(shè)計(jì)資料庫(kù)（各種技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、產(chǎn)品目錄、用戶(hù)記錄等）圖庫(kù)（基本幾何圖、標(biāo)準(zhǔn)零部件圖）設(shè)計(jì)程序庫(kù)（零部件設(shè)計(jì)程序、有限元、邊界元分析程序）用戶(hù)要求與市場(chǎng)信息否是現(xiàn)代設(shè)計(jì)過(guò)程3．現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法簡(jiǎn)介3.1產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論的研究?jī)?nèi)容設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)過(guò)程設(shè)計(jì)目標(biāo)領(lǐng)域知識(shí)可用資源現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)學(xué)科體系設(shè)計(jì)理論與方法：研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的基本規(guī)律。目的：力求產(chǎn)品的優(yōu)化與創(chuàng)新支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)的環(huán)境與工具支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過(guò)程的CAD系統(tǒng)（分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、造型…）支持產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)的CAD系統(tǒng)支持產(chǎn)品異地協(xié)同設(shè)計(jì)的CAD系統(tǒng)支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程管理的PDM系統(tǒng)其它機(jī)構(gòu)及其零部件設(shè)計(jì)領(lǐng)域產(chǎn)品（飛機(jī)、汽車(chē)、機(jī)床…）設(shè)計(jì)領(lǐng)域設(shè)計(jì)理論和知識(shí)專(zhuān)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)理論和知識(shí)，如：

汽車(chē)設(shè)計(jì)理論

機(jī)床設(shè)計(jì)理論

飛機(jī)設(shè)計(jì)理論等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法論

優(yōu)化設(shè)計(jì)

智能設(shè)計(jì)

并行設(shè)計(jì)

虛擬設(shè)計(jì)

仿生設(shè)計(jì)

可靠性設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)

反求設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)過(guò)程的組織與管理

設(shè)計(jì)過(guò)程的組織與管理模式

設(shè)計(jì)過(guò)程的組織結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)過(guò)程建模

設(shè)計(jì)過(guò)程信息的傳遞與共享

異地設(shè)計(jì)過(guò)程的組織與管理等整機(jī)設(shè)計(jì)系列設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論和知識(shí)

彈塑性力學(xué)理論

摩擦、磨損和潤(rùn)滑理論

機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論

基礎(chǔ)零部件設(shè)計(jì)理論與方法相關(guān)學(xué)科3．現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法簡(jiǎn)介3.2著名設(shè)計(jì)理論

（1）TRIZ理論(前蘇聯(lián)：發(fā)明問(wèn)題解決理論)

（2）普適設(shè)計(jì)理論（德國(guó)：Pahl和Betiz）

（3）公理化設(shè)計(jì)理論（美國(guó)：Suh）

（4）三次設(shè)計(jì)方法和QFD設(shè)計(jì)法（日本：系統(tǒng)、參數(shù)和容差）

3．現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法簡(jiǎn)介3.3代表性現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)多領(lǐng)域物理建模多體動(dòng)力學(xué)建模有限元分析優(yōu)化設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)智能設(shè)計(jì)相似性設(shè)計(jì)模塊化設(shè)計(jì)協(xié)同設(shè)計(jì)模塊化設(shè)計(jì)相似性設(shè)計(jì)并行設(shè)計(jì)虛擬設(shè)計(jì)。。。優(yōu)化設(shè)計(jì)（OptimalDesign）優(yōu)化設(shè)計(jì)亦稱(chēng)為最優(yōu)化設(shè)計(jì)，是以數(shù)學(xué)規(guī)劃理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為輔助工具，將設(shè)計(jì)問(wèn)題按規(guī)定的格式建立數(shù)學(xué)模型，并選擇合適的優(yōu)化算法，選擇或編制計(jì)算機(jī)程序，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)求解獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

優(yōu)化設(shè)計(jì)包括全生命周期優(yōu)化設(shè)計(jì)、廣義優(yōu)化設(shè)計(jì)、集成優(yōu)化與綜合優(yōu)化。全生命周期優(yōu)化設(shè)計(jì)：在產(chǎn)品的生命周期內(nèi)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是一種綜合優(yōu)化方法，具有重要的實(shí)際意義。廣義優(yōu)化設(shè)計(jì)：包括各種優(yōu)化方法在內(nèi)的產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如以數(shù)學(xué)規(guī)劃為基礎(chǔ)的優(yōu)化方法、通過(guò)專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的方法、通過(guò)對(duì)獲取的信息進(jìn)行綜合分析的優(yōu)化方法等。集成優(yōu)化與綜合優(yōu)化：對(duì)產(chǎn)品的整個(gè)系統(tǒng)、產(chǎn)品的全部結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用的全部過(guò)程（包括產(chǎn)品的全生命周期）、產(chǎn)品的全部功能和性能的優(yōu)化等。有限元法（FiniteElementMethod，F(xiàn)EM）有限元法是用有限個(gè)單元將連續(xù)體離散化，通過(guò)對(duì)有限個(gè)單元作分片插值求解各種力學(xué)、物理問(wèn)題的一種數(shù)值方法。目前，有限元法被廣泛應(yīng)用于求解線(xiàn)性和非線(xiàn)性問(wèn)題，并建立了各種有限元模型，如協(xié)調(diào)、不協(xié)調(diào)、混合、雜交、擬協(xié)調(diào)元等。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)（DynamicDesign）

動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的特性，目前尚處于初級(jí)階段，許多深層次動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)問(wèn)題正處于研究過(guò)程中。目前多數(shù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械事故是在強(qiáng)非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合、非穩(wěn)態(tài)的條件下發(fā)生的，從而促使動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)從一般的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)向更深層次的方向發(fā)展，即向非穩(wěn)態(tài)（慢變、參變、時(shí)滯等）、非線(xiàn)性、不確定、強(qiáng)耦合、高維、多參數(shù)的研究方向發(fā)展?？煽啃栽O(shè)計(jì)（ReliabilityDesign）可靠性設(shè)計(jì)就是事先考慮可靠性的一種設(shè)計(jì)方法。可靠性表示系統(tǒng)、設(shè)備、元器件的功能在規(guī)定條件和規(guī)定時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定程度的特性，是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)?？煽啃栽O(shè)計(jì)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)并推廣應(yīng)用的一門(mén)現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法，以提高產(chǎn)品可靠性為目的，以概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、工程力學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)等方面的知識(shí)來(lái)研究機(jī)械工程的最佳