第1章 現(xiàn)設緒論

第1章緒論(現(xiàn)代設計理論與方法概論)ⅠIntroduction

*大連交通大學機械設計及其自動化教研中心1第1章緒論內容簡介

本章的主要內容：

現(xiàn)代設計理論與方法是隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展和計算機技術的廣泛應用而誕生的?，F(xiàn)已在國內外的各個設計領域和工業(yè)產品設計中得到廣泛的應用。

現(xiàn)代設計的概念及內涵

現(xiàn)代設計理論與方法的主要內容和特點

現(xiàn)代產品的設計類型及進程

學習現(xiàn)代設計方法課程的意義和任務*2大連交通大學機械設計及其自動化教研中心1.1現(xiàn)代設計1.1.1

設計及其內涵

設計是人類改造自然的基本活動之一。它與人類的生產活動及生活密切相關。人類在改造自然的歷史長河中，一直從事設汁活動。從某種意義上講，人類文明的歷史，就是不斷進行設計活動的歷史。

設計一詞有廣義和狹義兩種概念：●

廣義概念●

狹義概念是指對發(fā)展過程的安排，包括發(fā)展的方向、程序、細節(jié)及達到的目標。

廣義概念：狹義概念：是指將客觀需求轉化為滿足該需求的技術系統(tǒng)(或技術過程)的活動。目前，各種產品包括機、電產品的設計即屬此種。*3大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

隨著科學技術和生產力的不斷發(fā)展，設計和設計科學也在不斷向深度和廣度發(fā)展，其內容、要求、理論和手段等都在不斷更新。目前科技界對設計尚無統(tǒng)一的定義，但對設計的基本內涵都有共同的認識。

綜合來理解設計的含義，即為了滿足人類與社會的功能要求，將預定的目標通過人們創(chuàng)造性思維，經過一系列規(guī)劃、分析和決策，產生載有相應的文字、數(shù)據(jù)、圖形等信息的技術文件，以取得最滿意的社會與經濟效益，這就是設計。

然后或通過實踐轉化為某項工程，或通過制造，成為產品，而造福于人類。

產品設計過程從本質上說就是創(chuàng)造性的思維與活動過程，是將創(chuàng)新構思轉化為有競爭力的產品的過程。*4大連交通大學機械設計及其自動化教研中心從對設計含義的理解出發(fā)，

工業(yè)產品設計具有以下特征：●

需求特征●

創(chuàng)造性特征●

程序特征●

時代特征*5大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

（1）需求特征

產品設計的目的是滿足人類社會的需求，即設計始于需求，沒有需求就沒有設計。

（2）創(chuàng)造性特征時代的發(fā)展，使人們的需求、自然環(huán)境、社會環(huán)境都處于變化之中，從而要求設計者適應條件變化，不斷更新老產品，創(chuàng)造新產品。

人們從機車的發(fā)展歷史，即由蒸汽機車→內燃機車→電力機車→到今天的磁懸浮機車，可見設計活動的不斷創(chuàng)造發(fā)明的特征。

*6大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

（4）時代特征

設計活動受時代的物質條件、技術水平的限制，如設計方法、設計手段、材料、制造工藝等。所以，各種產品設計都具有時代的烙印。

認識了產品設計的特征，才能全面地、深刻地理解設計活動的本質，進而研究與設汁活動有關的各種問題，提高設計的質量和效率。

（3）程序特征

任何一種產品的設計都有一定的設計過程，它是指從明確設計任務到編制技術文件所進行的整個設計工作的流程。

設計過程一般可分為四個主要階段：產品規(guī)劃、原理方案設汁、技術設汁和施工設計。這種過程叫做設計程序。按設計程序進行工作，才能提高效率，保證產品的設計質量。

*7大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

從人類生產的進步過程來看，

設計進程經歷了如下四個階段：1.1.2

設計發(fā)展的基本階段

直覺設計階段

經驗設計階段

半理論半經驗設計價段

現(xiàn)代設計階段*8大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

（1）直覺設計階段

17世紀以前，人們從事的設計活動完全是靠人的直覺來進行的，這種設計為直覺設計，或稱自發(fā)設計。

設計者多為具有豐富經驗的手工藝人，他們之間沒有信息交流。這種全憑人的直觀感覺來設計制作工具的特點，設計方案存在于手工藝人頭腦中，無法記錄表達，產品也比較簡單。通常一項簡單產品的問世，周期很長，且一般無經驗可以借鑒，是一種自發(fā)設計。

（2）經驗設計階段

到了17世紀，隨著生產的發(fā)展，產品逐漸復雜起來，社會對產品的需求量也開始增大，單個手工藝人的經驗或其頭腦中的構思已難滿足這些要求，因而促使手工藝人必須聯(lián)合起來，互相協(xié)作，便逐漸出現(xiàn)了圖紙并開始利用圖紙進行設計。另在17世紀初，數(shù)學和力學得到了很大的發(fā)展并建立了密切聯(lián)系，使工程設計有了一定的理論指導。

*9大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

該階段如1670年就已經出現(xiàn)了有關大海船的圖紙，圖紙的出現(xiàn)既可使具有豐富經驗的手工藝人通過圖紙將其經驗或構思記錄下來，傳于他人，便于用圖紙對產品進行分析、改進和提高，推動設計工作向前發(fā)展；還可滿足更多的人同時參加同一產品的生產活動，滿足社會對產品的需求及生產率的要求。

利用圖紙進行設計，使人類設計活動由直覺設計階段進步到經驗設計階段，但是其設計過程仍是建立在經驗與技巧能力的積累之上。它雖然較直覺設計前進了一步，但周期冗長，質量也不易保證。

（3）半理論半經驗設計階段

20世紀初以來，隨著測試技術的發(fā)展，使取得系統(tǒng)或機器工作過程內在規(guī)律的數(shù)據(jù)有了可能，于是開始采用局部試驗、模擬試驗等作為設計過程的輔助手段。通過中間試驗取得較為可靠的數(shù)據(jù)，選擇合適的結構，從而縮短了試制周期，提高了設計的可靠性。這個階段成為半理論半經驗設計階段。*10大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

在該階段中，隨著科技的進步、實驗手段的加強，使設計水平得到進一步提高，共取得了如下進展：

（1）加強設計基礎理論和各種專業(yè)產品設計機理的研究，從而為設計提供了大量信息，如包含大量設計數(shù)據(jù)的圖表、圖冊和設計手冊等；

（2）加強關鍵零件的設計研究，大大提高了設計速度和成功率。

（3）加強了“三化”研究，即零件標準化、部件通用化、產品系列化的研究，后來又提出設計組合化，進一步提高了設計的速度、質量，降低了產品的成本。

本階段由于加強了設計理論和方法的研究，與經驗設計相比，大大減少了設計的盲目性，有效地提高了設計效率和質量，并降低了設計成本。

*11大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

（4）現(xiàn)代設計階段近40年來（即20世紀60年代以來），隨著科學技術的迅猛發(fā)展，特別是計算機技術的發(fā)展和普及、應用，為進行有關設計中的理論分析、數(shù)值計算和物理模擬等提供了極為有利的條件，使設計工作產生了革命性的突變，為設計工作提供了實現(xiàn)設計自動化的條件，從而使人類設計工作步入現(xiàn)代設計階段。此外，步入現(xiàn)代設計階段的另一個特點就是：

●

當代對產品的設計已不能僅僅考慮產品本身，還要考慮對系統(tǒng)和環(huán)境、人機工效的影響；●

不僅要考慮技術領域，還要考慮經濟、社會效益；●

不僅考慮當前，還需考慮長遠發(fā)展。*12大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

20世紀以來，由于科學和技術的發(fā)展與進步，對設計的基礎理論研究得到加強，隨著設計經驗的積累，以及設計和工藝的結合，已形成了一套半經驗半理論的設計方法。依據(jù)這套方法進行機電產品設計，稱為傳統(tǒng)設計。所謂“傳統(tǒng)”是指這套設計方法已沿用了很長時間，直到現(xiàn)在仍被廣泛地采用著。傳統(tǒng)設計又稱常規(guī)設計。1.1.3

現(xiàn)代設計與傳統(tǒng)設計

傳統(tǒng)設計是以經驗總結為基礎，運用力學和數(shù)學而形成的經驗、公式、圖表、設計手冊等作為設計的依據(jù)，通過經驗公式、近似系數(shù)或類比等方法進行設計。

限于歷史和科技發(fā)展的原因，傳統(tǒng)設計方法基本上是一種以靜態(tài)分析、近似計算、經驗設計、手工勞動為特征的設計方法。顯然，隨著現(xiàn)代科技術的飛速發(fā)展，生產技術的需要和市場的激烈競爭，以及先進設計手段的出現(xiàn)，這種傳統(tǒng)設計方法已難以滿足當今時代的要求，從而迫使設計領域不斷研究和發(fā)展新的設計方法和技術。

*13大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

現(xiàn)代設計是過去長期的傳統(tǒng)設計活動的延伸和發(fā)展，它繼承了傳統(tǒng)設計的精華，吸收了當代科技成果和計算機技術。與傳統(tǒng)設計相比，它則是一種以動態(tài)分析、精確計算、優(yōu)化設計和CAD為特征的設計方法。

現(xiàn)代設計方法與傳統(tǒng)設計方法相比，主要完成了以下幾方面的轉變：

產品結構分析的定量化；

產品工況分析的動態(tài)化；

產品質量分析的可靠性化；

產品設計結果的最優(yōu)化；

產品設計過程的高效化和自動化。

目前，我國設計領域正面臨著由傳統(tǒng)設計向現(xiàn)代設計過渡，廣大設計人員應盡快適應這一新的變化。通過推行現(xiàn)代設計理論和方法，盡快提高我國機電產品的性能、質量、可靠性和在市場的競爭能力。*14大連交通大學機械設計及其自動化教研中心1.2現(xiàn)代設計理論和方法的主要內容及特點

1.2.1

現(xiàn)代設計理論和方法的主要內容是基于現(xiàn)代設計理論形成的，因而更具科學性和邏輯性。實質上，現(xiàn)代設計理論和方法更是科學方法論在設計中的應用，也是設計領域中發(fā)展起來的一門新興的多元交叉學科。是使產品滿足設計要求以及判斷產品是否滿足設計原則的依據(jù)。

設計理論：是對產品設計原理和機理的科學總結。設計方法：現(xiàn)代設計方法：*15大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

從20世紀60年代末開始，

設計領域中相繼出現(xiàn)一系列新興理論與方法。為區(qū)別過去常用的傳統(tǒng)設計理論與方法，把這些新興理論與方法統(tǒng)稱為現(xiàn)代設計。

表1-1

列出了目前現(xiàn)代設計理論和方法的主要內容。不同于傳統(tǒng)設計方法，

在運用現(xiàn)代設計理論和方法進行產品及工程設計時，一般都以計算機作為分析、計算、綜合、決策的工具。*16大連交通大學機械設計及其自動化教研中心表1-1現(xiàn)代設計的主要理論和方法1.設計方法學2.優(yōu)化設計3.可靠性設計4.計算機輔助設計5.動態(tài)設計6.有限元法7.反求工程設計8.工業(yè)造型設計9.綠色設計10.模塊化設計11.相似設計12.虛擬設計13.疲勞設計14.智能工程15.價值工程16.并行設計17.三次設計18.人機工程19.健壯設計20.精度設計21.工程遺傳算法22.設計專家系統(tǒng)23.摩擦學設計24.人工神經元計算方法等*17大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

綜上所述，現(xiàn)代設計理論和方法的種類繁多，但并不是任何一件產品和一項工程的設計都需要采用全部設計方法，也不是每個產品零件或電子元件的設計均能采用上述每一種方法。由于不同的產品都有各自的特點，所以設計時常需綜合運用上述設計方法。

1.2.2

現(xiàn)代設計方法的特點

現(xiàn)代設計方法的基本特點如下：(1)程式性

(2)創(chuàng)造性(3)系統(tǒng)性(4)最優(yōu)性(5)綜合性(6)數(shù)字性（計算機化）*18大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

(1)程式性

研究設計的全過程。要求設計者從產品規(guī)劃、方案設計、技術設計、施工設計到試驗、試制進行全面考慮，按步驟有計劃地進行設計。

(2)創(chuàng)造性

突出人的創(chuàng)造性，發(fā)揮集體智慧，力求探尋更多突破性方案，開發(fā)創(chuàng)新產品。

(3)系統(tǒng)性

強調用系統(tǒng)工程處理技術系統(tǒng)問題。設計時應分析各部分的有機關系，力求系統(tǒng)整體最優(yōu)。同時考慮技術系統(tǒng)與外界的聯(lián)系，即人-機-環(huán)境的大系統(tǒng)關系。

(4)最優(yōu)性

設計的目的是得到功能全、性能好、成本低的價值最優(yōu)的產品。

設計中不僅考慮零部件參數(shù)、性能的最優(yōu)，更重要的是爭取產品的技術系統(tǒng)整體最優(yōu)。

*19大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

(5)綜合性

現(xiàn)代設計方法是建立在系統(tǒng)工程、創(chuàng)造工程基礎上，綜合運用信息論、優(yōu)化論、相似論、模糊論、可靠性理論等自然科學理論和價值工程、決策論、預測論等社會科學理論，同時采用集合、矩陣、圖論等數(shù)學工具和電子計算機技術，總結設計規(guī)律，提供多種解決設計問題的科學途徑。

(6)數(shù)字性（計算機化）

將計算機技術全面地引入設計過程。并運用程序庫、數(shù)據(jù)庫、知識庫、信息庫和網絡技術服務于設計，實現(xiàn)了設計過程數(shù)字性。通過設計者和計算機的密切配合，采用先進的設計方法，提高了設計質量和速度。

計算機不僅用于設計計算和繪圖，同時在信息貯存、評價決策、動態(tài)模擬、人工智能等方面將發(fā)揮更大作用。*20大連交通大學機械設計及其自動化教研中心1.3現(xiàn)代產品的設計類型及進程

1.3.1

現(xiàn)代產品的特點與設計要求

隨著科學和技術的飛速發(fā)展，現(xiàn)代產品的特點主要表現(xiàn)在廣泛采用現(xiàn)代新興技術，并對產品的功能、可靠性、效益提出更為嚴格的要求。當前許多高技術產品如激光測量裝置、航天飛機、核動力設備等大量誕生，無—不是采用現(xiàn)代新興技術的結果；而常規(guī)產品如機床、紡織機械、工程機械、電視機等電器也都大量采用了新技術，如數(shù)字控制、氣動紡紗、液壓技術、數(shù)字信號等。這些說明先進的科技成就正在源源不斷地通過設計改變著產品。

機械產品中日益普遍地采用微機作自動控制，發(fā)展為機械-電子-信息一體化技術及產品；如此等等。這些新興技術促使機械產品在功能上的大跨躍，成為現(xiàn)代產品最突出的特點。

*21大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

由于科學技術的飛速發(fā)展，使新的設計領域不斷開辟，如現(xiàn)時出現(xiàn)了芯片設計、基因設計、微型機械設計等新領域，同時新技術不斷涌現(xiàn)，又促進了經濟的高速發(fā)展。而這些又促使了企業(yè)間的競爭日益激烈，且這種競爭已成為世界范圍內技術水平、經濟實力的全面競爭。

此外，加之現(xiàn)代機械日益向大型化、高速化、精密化和高效化方向發(fā)展，所有這些又對工業(yè)產品與工程設計提出了新的要求，具體表現(xiàn)為以下幾個方面：

（1）設計對象由單機走向系統(tǒng)；

（2）設計要求由單目標走向多目標；

（3）設計所涉及的領域由單一領域走向多個領域；

（4）承擔設計工作的人員從單人走向小組；

（5）產品更新速度加快，使設計周期縮短；（6）產品設計由自由發(fā)展走向有計劃的發(fā)展；

（7）設計的發(fā)展要適應科學技術的發(fā)展，特別是適應計算機技術的發(fā)展。*22大連交通大學機械設計及其自動化教研中心1.3.2現(xiàn)代產品的設計類型及進程

產品設計是形成工業(yè)產品的第一道工序。要設計好一個現(xiàn)代產品，除需掌握現(xiàn)代科技和現(xiàn)代設計理論與方法外，還應了解產品設計過程的一般規(guī)律和設計程序。

為此，下面介紹如下三個問題：■

現(xiàn)代產品的設計類型■

現(xiàn)代產品設計的三個階段■

現(xiàn)代產品設計的進程*23大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

1.

現(xiàn)代產品的設計類型

現(xiàn)代產品設計按其創(chuàng)新程度可分為以下三種類型：

■

開發(fā)性設計

■適應性設計

■變形設計

（1）開發(fā)性設計

它是在全部功能或主要功能的實現(xiàn)原理和結構未知的情況下，運用成熟的科學技術成果所進行的新型工業(yè)產品的設計。針對新任務，應用可行的新技術，進行創(chuàng)新構思，提出新的功能原理方案，完成從產品規(guī)劃到施工設計。這是一種完全創(chuàng)新的設計。*24大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

（3）變形設計

在工作原理和功能都不變的情況下，變更現(xiàn)有產品的結構配置和尺寸，使之滿足不同的工作要求。例如不同壓力、流量的齒輪泵系列設計，以及22，24，26，28英寸不同尺寸規(guī)格的自行車設計等。

（2）適應性設計

在工作原理不變的情況下，只對產品作局部變更或增設部件，使產品能更廣泛的適應使用要求。例如在臥式銑床基礎上加設銑頭、磨頭或插削頭，以擴展銑床的加工范圍。*25大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

2.

現(xiàn)代產品設計的三個階段

任何一種產品的開發(fā)，都要面對市場競爭的考驗。要使產品受到市場的接受和歡迎，產品開發(fā)必須經歷如下三個重要階段：

功能原理設計

實用化設計

商品化設計*26大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

（1）功能原理設計

產品的功能原理設計就是針對產品的某一確定的功能要求，尋找一些實現(xiàn)該功能目標的解法原理。其實質就是進行產品原理方案的構思與擬定的過程。因此，設計時，必須從最新的自然科學原理及其技術效應出發(fā)，通過創(chuàng)新構思，優(yōu)化篩選，尋求最適宜于實現(xiàn)預定功能目標的原理方案。

功能原理設計通常是以簡圖或示意圖來進行方案構思的，因此，是一個形象思維與邏輯推理的過程，是實現(xiàn)創(chuàng)新和開發(fā)的關鍵階段，它的優(yōu)劣，是從本質的方面決定了產品設計的水平。

（2）實用化設計

實用化設計就是使原理方案構思轉化為具有實用水平的裝置。完成從總體設計、部件設計、零件設計到制造施工的全部技術資料。*27大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

（3）商品化設計

一個產品要成為商品，要保證產品在市場競爭中成功，必須具備一定的條件。商品化設計就是從技術、經濟、社會等各方面來提高產品的市場競爭能力。例如用價值優(yōu)化進行價值分析，提高產品性能，降低成本。如對產品進行造型設計，在保證功能和便于加工的前提下，設計出美觀大方的外型和協(xié)調悅目的色彩。*28大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

3.現(xiàn)代產品設計的進程

現(xiàn)代產品設計進程一般可分為如下四個階段：

產品規(guī)劃(決策)

原理方案設計

技術設計

施工設計*29大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

（1）產品規(guī)劃階段

該階段就是進行待開發(fā)產品的需求分析、市場預測、可行性分析，確定設計參數(shù)及制約條件，最后提出詳細的設計任務書(或設計要求表)，作為設計、評價和決策的依據(jù)。

產品規(guī)劃階段的最終目的是確定任務，并給出詳細的設計任務書（設計要求表）。

（2）原理方案設計階段

原理方案設計就是新產品的功能原理設計。它是在功能分析的基礎上通過創(chuàng)新構思，優(yōu)化篩選，求取較理想的功能原理方案，列表給出原理參數(shù)，并作出新產品的功能原理方案圖。

（3）技術設計階段

該階段是將新產品的最優(yōu)功能原理方案具體化為裝置及零部件的合理結構。*30大連交通大學機械設計及其自動化教研中心

技術設計階段的工作內容較廣：

●首先是總體設計；

●然后分別進行結構設計(材料、尺寸等)和造型設計(美感、宜人性等)，并評選出最優(yōu)結構方案和最優(yōu)造型方案。

●最后分別得出結構設計技術文件、總體裝置草圖、結構裝配草圖和造型設計技術文件、總體效果草圖、外觀構思模型等。

技術設計階段應提供出新產品的總裝圖、結構裝配圖和造型圖。

（４）施工設計階段

施工設計是把技術設計的結果變成施工的技術文件。

該階段就是完成零件工作圖、部件裝配圖、造型效果圖、設計說明書、工藝文件、使用說明書等有關技術文件。以上產品設計進程的四個階段，應盡可能地實現(xiàn)CAD/CAM一體化，從而提高設計效率，加快設計進度。并對各階段中的具體設計內容要在各種現(xiàn)代設計理論指導下，用不