现代设计方法的研究现状与开发变化趋势

1、现代设计方法的研究现状与发展趋势摘要：本文论述了现代设计方法的主要内容和主要特点.随着科学技术的飞速发展和人们对产品要求的提高 ,现代设计方法变得越来越重要,而且将会是各学科群之间相互交叉渗透的一门综合性学科。关键词】： 现代设计方法 设计 产品引言科学技术的飞速 发展 ，产品功能要求的日益增多， 复杂性增加，寿命期缩短，更新换代速度加快。 由于国际化市场的激烈竞争和用户对产品的功能、质量、价格、供货期、售后服务等要求越来越高， 以及高新技术的飞速发展， 以信息科学与微电子技术为代表的现代科学技术对制造业的渗透、 改造和更新， 使传统的制造技术演变成为一门涵盖从产品设计、制造、管理、销售到回收

2、再生的全过程，跨多个学科且高度复杂化、集成化的先进制造技术。柔性自动化，智能化，并行工程，虚拟制造，精密、微细加工等，是当今先进制造技术的发展趋势。 现代设计技术是现代制造技术的主体技术之一，也是先进制造技术的核心与灵魂，将伴随着先进制造技术的发展， 计算机和信息技术的进步， 制造业生产模式的变革， 竞争与合作的全球化，人们对生态环 境、资源的关切和对产品品质多样化等方面的要求，而发生着深刻的变化。、现代设计方法的主要内容现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的 ,

3、以计算机辅助设计技术为主体,以知识为依托 ,以多种科学方法及技术为手段 ,研究、改进、创造产品和工艺等活动过程所用到的技术和知识群体的总称。现代设计方法有 :并行设计、虚拟设计、绿色设计、可靠性设计、智能优化设计、计算机辅助设计、动态设计、模块化设计、计算机仿真设计、人机学设计、摩擦学设计、反求设 计、疲劳设计一) 并行设计并行设计是一种对产品及其相关过程( 包括设计制造过程和相关的支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模式。 强调产品开发人员一开始就考虑产品从概念设计到消亡的整 个生命周期里的所有相关因素的影响， 把一切可能产生的错误、 矛盾和冲突尽可能及早地发 现和解决， 以缩短产品开发

4、周期、降低产品成本、 提高产品质量。 并行设计作为现代设计理 论及方法的范畴，目前已形成的并行设计方法基本上可以分为两大类(l) 基于人员协同和集成的并行化。 就是把组成与产品方面有关的， 针对给定设计任务的 专门的、综合性的设计团体 (企业 )协同起来。经济性、 可靠性、可装配(2)基于信息、知识协同和集成的并行化。该方法基于计算机网络来实现，各零部件的设计人员通过计算机网络对机电产品进行设计，并进行可制造性、 性等内容的分析及时的反馈信息， 并按要求修改各零部件的设计模型， 直至整个机电产品完 成为止。 可以采用面向制造 (DFM) 和面向装配 (DFA) 的设计方法， 涉及 CAX 技术

5、、产品信息 集成 (PDM) 技术以及与人员协同集成有关的信息技术。二) 虚拟设计(也叫拟实在达到产品并行的目的以后， 为了使产品一次设计成功， 减少反复， 往往会采用仿真技 术，而对机电产品模型的建立和仿真又属于是虚拟设计的范畴。所谓的虚拟制造 制造 )指的是利用仿真技术、信息技术、计算机技术和现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真， 发现制造过程中可能出现的问题， 在真实制造以前， 解决这些问题， 以缩减产品上市的时间，降低产品开发、制造成本，并提高产品的市场竞争力。虚拟设计能实现在产品加工制造之前， 建立产品的功能、 结构模型， 并能对其进行修改和评审，以满足不同客户的要求

6、。它不仅继承了传统CAD 设计的优点也具备了仿真技术可视化的特点， 更能支持协同工作和并行设计， 从而缩短了产品开发周期并通过各先进技术的 利用和补充，使产品保持技术上的优势。三) 绿色设计绿色设计是指以环境资源保护为核心概念的设计过程，其基本思想就是在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳人产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小产品的绿色设计主要包括以下内容(I)产品材料的选择和管理。产品的材料不仅要满足传统设计的使用和性能要求,也包括对环境约束准则的考虑。(2)产品可拆卸性和可回收性设计。可拆卸性设计是将废弃淘汰产品的连接按照需要和回收目标拆开而将

7、零部件相互分离，及用利于产品拆卸的连接方式代替传统的连接方式;可回收性设计则是将产品中的可重用零部件及材料按照其性质进行分类，以便实现零部件重用或材料循环的一种设计思想和方法。(3)绿色产品成本分析和设计数据库的建立。对产品的成本分析不仅包括了产品原始成本的分析， 还包括产品环境成本的分析， 以便设计出更绿色、 成本更低的产品。而产品绿色设计数据库包括与产品寿命周期中环境、经济等有关的基础数据，以及各类评判标准。(4)产品的绿色包装设计。除了设计出能满足客户要求和喜爱的产品造型和样式之外，还要充分考虑包装对环境的影响因素。产品设计的基本流程为：市场调研 -草图构思 -方案设计。四)可靠性设计机

8、电产品的可靠性设计可定义为 :产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。 可靠性设计是以概率论为数学基础， 从统计学的角度去观察偶然事件， 并从偶然事件中找出其某些必然发生的规律， 而这些规律一般反映了在随机变量与随机变量发生的可能性(概率)之间的关系。用来描述这种关系的模型很多，如正态分布模型、指数分布模和威尔分布模型。可靠性常用的数值标准有 :可靠度 (ReIiabiIity) 、失效率 (FaiIureRate) 平均寿命(MeanUfe) 。机电系统的可靠性不仅与组成系统单元 (机械单元、电气单元或混合单元)的可靠性有关， 还与组成该系统各单元间的组合方式和相互匹配有关。通

9、常机电产品的可靠性设计包括以下几个方面的内容(I)明确机电产品中机械部件和电气部件的设计制造要求。(2)系统可靠性建模。系统常用的可靠性建模方式有:串联系统建模、并联系统建模、混联系统建模、 k/n 系统建模和储备系统建模。 可通过这些数学模型并采适当的算法来计算出机电系统的可靠性。(3)可靠性可预测。 预测单元 (机械单元、 电气单元或混合单元 )的可靠性， 首先要确定单元的基本失效率， 它们是在一定的环境条件下得出的， 设计时可以从相关的手册、 资料中查得。然后根据公式入 =k 入 b 来确定各单元的应用失效率， k 为修正系数，可由专门的资料中查得。对于不同的机电系统， 其可靠性预测的方

10、法也不同， 常用的有元器件统计法、 数学模型法和故障树分析法等方法。(4)可靠性的分配。根据机电产品各单元技术水平、复杂程度、重要程度以及相关费用等条件来决定，总的来说都是为了获取系统最高的可靠性。现在常用的分配方法有等分发、再分发、 Agree 分配法和相对失效法和相对概率法。五)智能优化设计随着与机电一体化相关技术不断的发展， 以及机电一体化技术的广泛使用，我们面临的将是越来越复杂的机电系统。 解决复杂系统的出路在于使用智能优化的设计手段。智能优化设计突破了传统的优化设计的局限， 它更强调人工智能在优化设计中的作用。智能优化设计应该以计算机为实现手段， 与控制论、 信息论、 决策论相结合，

11、 使现代机电产品具有自学习、自组织、 自适应的能力， 其创造性在于借助三维图形， 智能化软件和多媒体工具等对产品进行开发设计。而实现的手段有 :(l) 模糊设计。 模糊设计是以模糊数学为理论基础， 它首先通过对设计对象的各项性能指标建立满足某些模糊集合的隶属度函数，并按其重要性乘以不同的加权引子， 然后按一定的算法得到综合模糊集合的隶属函数， 再通过优化策略， 把模糊问题向非模糊化转化， 从而实现寻优的过程。 现在机电产品中涉及到模糊理论的场合很多，如模糊冰箱、 模糊洗衣机、模糊微波炉，它们正悄然地改变着人们的生活方式。(2)神经网络优化设计。神经网络是一种模仿人类大脑结构、功能的信息处理智能

12、系统，般由多输人单输出非线性单元组成神经元， 各神经元按一定的模式连接， 并构成各种连接模型。它通过反复的训练和学习以及自身的适应能力来完成对复杂信息的处理，使输出达到最优。 神经网络的重要特征就是具有很强的自适应、自组织、自学习的能力和强容错性。为实现机电产品智能化的功能， 还有一个途径就是利用专家系统的框架。 通过提取人类成熟的操作经验和知识， 以知识库为核心， 配以特征知识处理， 并采用不同的匹配法则和推理机制，构成完整的最优决策系统。六)计算机辅助设计机械计算机辅助设计(机械 CAD )技术，是在一定的计算机辅助设计平台上，对所设计的机械零、部件，输入要达到的技术参数，由计算机进行强度

13、，刚度，稳定性校核，然后输出标准的机械图纸，简化了大量人工计算及绘图，效率比人工提高几十倍甚至更多。计算机辅助设计的过程 ,首先进行功能设计 ,选择合适的科学原理或构造原理,然后进行产品总图的初步设计、 产品选型和外型的初步设计 ;从总图派生出零件 ,对零件的造型、 尺寸、色彩等进行设计 ,对零件进行有限元分析 ,使其结构及尺寸与应力状态相适应;对零件进行加;在计算机上制定零件制造工工模拟 ,对其性能做出评价、 分析和优化 ,最终完成零件的工作图艺,在相应的设备上制造出零件。如各种建模软件， solidworks proE AutoCAD现代 CAD 系统的功能包括 :(1) 设计组件重用 (

14、Reuse of design components)简易的设计修改和版本控制功能(Ease ofdesign modification andversioning)(3) 设 计 的 标 准 组 件 的 自 动 产 生 (Automaticgenerationof standardcomponents of the design)(4) 设计是否满足要求和实际规则的检验(Validation/verificationof designsagainst specifications and design rules)(5) 无需建立物理原型的设计模拟 (Simulation of design

15、s withoutbuilding aphysical prototype)(6)装配件 (一堆零件或者其它装配件)的自动设计(7)工程文档的输出，例如制造图纸，材料明细表 (Bill of Materials)(8)设计到生产设备的直接输出(9)到快速原型或快速制造工业原型的机器的直接输出七) 动态设计动态设计法是在计算参数难以准确确定、 设计理论和方法带有经验性和类比性时， 根据施工中反馈的信息和监控资料完善设计，是一种客观求实、准确安全的设计方法。传统的机械设计主要是依据静态条件下强度、刚度、稳定性及结构要求和材料选择来进行设计的，动态设计则以系统论，控制论为依据，在一定的位移，速度，力

16、和力矩的干扰下 对影响整机性能非常重要的战术指标 (包括响应速度、 跟踪精度和动态稳定性等) 进行设计。对初步设计产品 (或需要进行改进的产品 )进行机械结构或系统动力学建模和动态特性分析，根据工程实际要求，给出所要求的动态特性设计目标，按结构动力学“逆问题”分析即不仅具有良好的工作工艺指法求解结构参数， 从而得到一个具有良好动静态特性的产品，标，而且机械设备本身还能够安全、可靠地工作，并满足相应的工作寿命要求。机械动态设计的理论与方法主要包括以下四个方面：动力学建模、 动态特性、 计算实物试验、模型试验与试验建模、机械结构动力修改八）模块化设计结构模块化设计主要是以功能化的产品结构为基础，分

17、解现有的产品， 在分解中考虑到各个要素的可行性， 从而在早期就预测到设计中可能会出现的矛盾， 提高设计的可行性和可靠性， 降低产品的成本。九）计算仿真设计根据工程机械不同的作业功能， 在计算机上模拟各种作业过程， 以分析和确定各种状态 下的作业参数， 研究工程机械各系统主要部件的结构合理性， 借助数学实验等方法预估工程 机械的作业效果，从而可大大减少设计上的失误，避免或减少走弯路。对人体结构十）人机学设计应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法， 特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体 各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结

18、构特征参数；还提供人体各部分的出力范 围、以及动作时的习惯等人体机能特征参数， 分析人的视觉、 听觉、触觉以及肤觉等感觉器 官的机能特性； 分析人在各种劳动时的生理变化、 能量消耗、 疲劳机理以及人对各种劳动负 荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等所谓人性化产品，就是包含人机工程的的产品，只要是“人”所使用的产品，都应在人 机工程上加以考虑，产品的造型与人机工程无疑是结合在一起的。在现行的上机条件下， 笔直坐立时， 操作员常常是手臂向前悬空着来操作键盘和鼠标的。手臂的悬空形成了肩颈部的静态疲劳， 放弃维持直坐姿势而塌腰驼背， 或者是把手腕摩擦桌 面。十一

19、）摩擦学设计摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、 润滑和磨损， 以及三者间相互关系的理论 与应用的一门边缘摩擦学系统过程研究学科。以减小摩擦为目的的设计，即为摩擦学设计。世界上使用的能源大约有1/31/2消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。 另外， 机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更 换的， 如果能控制和减少磨损， 则既减少设备维修次数和费用， 又能节省制造零件及其所需的钻木取火。 诗材料的费用。人类对摩擦现象早有认识，并能用来为自己服务，如史前人类经邶风泉水中有“载脂载宣，还车言迈”的诗句，表明中国在春秋时期已应用动物脂肪齿轮来润滑车轴。摩擦学

20、研究的对象很广泛， 在机械工程中主要包括动、静摩擦，如滑动轴承、传动、螺纹联接、电气触头和磁带录音头等；零件表面受工作介质摩擦或碰撞、冲击，如犁 铧和水轮机转轮等； 机械制造工艺的摩擦学问题， 如金属成形加工、 切削加工和超精加工等； 弹性体摩擦， 如汽车轮胎与路面的摩擦、 弹性密封的动力渗漏等； 特殊工况条件下的摩擦学 问题，如宇宙探索中遇到的高真空、低温和离子辐射等，深海作业的高压、腐蚀、润滑剂稀 释和防漏密封等。此外， 还有生物中的摩擦学问题， 如研究海豚皮肤结构以改进舰只设计， 研究人体关节润滑机理以诊治风湿性关节炎， 研究人造心脏瓣膜的耐磨寿命以谋求最佳的人工心脏设 计方案等。地质学

21、方面的摩擦学问题有地壳移动、火山爆发和地震，以及山、海，断层形成 等。在音乐和体育以及人们日常生活中也存在大量的摩擦学问题。十三）疲劳设计疲劳 材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并 在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。发展趋势 飞机、船舶、汽车、动力机械、工程机械 、冶金、石油等机械以及成为重要的研究内容。铁路桥梁等的主要零件和构件，大多在循环变化的载荷下工作，疲劳是其主要的失效形式。因此，疲劳理论和疲劳试验对于设计各类承受循环载荷的机械和结构，疲劳有限寿命设计中进行寿命估算， 必须了解材料的疲劳性能， 以此作为理论计算的依据 。由于

22、疲劳寿命的长短取决于所承受的循环载荷大小，为此还必须编制出供理论分析和全尺寸疲劳理论的工疲劳试验用的载荷谱， 再根据与各种疲劳相适应的损伤模型估算出疲劳寿命。程应用， 经历了从无限寿命设计到有限寿命设计， 有限寿命设计尚处于完善阶段。 发展趋势 是：宏观与微观结合，探讨从位错、滑移、微裂纹、短裂纹、长裂纹到断裂的疲劳全过程 寻求寿命估算各阶段统一的物理 - 力学模型 。研究不同环境下的疲劳及其寿命估算方法。概率统计方法在疲劳中的应用，如随机载荷下的可靠性分析方法，以及耐久性设计等。十四）反求设计反求设计（也称逆向设计） ，是指设计师对产品实物样件表面进行数字化处理 （数据采集、CAD 模型 （

23、曲面模型数据处理 ），并利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物的重构 ），并进一步用 CAD/CAE CAM 系统实现分析、 再设计、 数控编程、 数控加工的过程。逆向设计的流程示意： 产品样件 7 数据采集 7 数据处理 CAD/CAE/CAM 系统7模型重构 7制造系统 7新产品。十五）无障碍设计（ barrierfreedesign ）这个概念名称始见于 1974 年，是联合国组织提出的设计新主张。无障碍设计强调在 科学技术高度发展的现代社会，一切有关人类衣食住行的公共空间环境以及各类建筑设施、 设备的规划设计， 都必须充分考虑具有不同程度生理伤残缺陷者和正常活动能力衰退者 残疾

24、人、老年人）群众的使用需求，配备能够应答、满足这些需求的服务功能与装置，营造 一个充满爱与关怀、切实保障人类安全、方便、舒适的现代生活环境。无障碍设计首先在都市建筑、交通、公共环境设施设备以及指示系统中得以体现，例 如步行道上为盲人铺设的走道、 触觉指示地图，为乘坐轮椅者专设的卫生间、公用电话、兼 有视听双重操作向导的银行自助存取款机等， 进而扩展到工作、 生活、娱乐中使用的各种器 具。十六） 共用性设计 UD（Universal Design） 是指， 在商业利润的前提下河现有生产技术条件下，产品（广义的，包括器具、环境、系统和过程等）的设计尽可能使不同能力的使 用者（例如残疾人、老年人等）

25、 ，在不同的外界条件下能够安全、舒适地使用的一种设计过 程。、现代设计设计方法的特点程式性：要求设计者从产品规划、方案设计、技术设计、施工设计到试验、试制进行 全面考虑，按步骤有计划地进行设计。创造性：突出人的创造性，发挥集体智慧，力求探寻更多突破性方案，开发创新产品系统性：强调用系统工程处理技术系统问题。设计时应分析各部分的有机关系，寻求 多目标兼顾、系统整体最优。同时考虑技术系统与外界的联系，即人机环境的大系统 关系。综合性：现代设计方法是建立在系统工程、创造工程基础上，综合运用信息论、优化 论、相似论、模糊论、可靠性理论等自然科学理论和价值工程、决策论、预测论等社会科学理论、同时采用集合

26、、矩阵、图论等数学工具和电子计算机技术，总结设计规律，提供多种 解决设计问题的科学途径。评价计算机化：将计算机全面地引入设计。通过设计者和计算机的密切配合，采用先进的 设计方法， 提高设计质量和速度。计算机不仅用于设计计算和绘图，同时在信息贮存、 决策、动态模拟、人工智能等方面将发挥更大作用。三、现代设计方法研究的发展趋势由于国际化市场的激烈竞争和用户对产品的功能、质量、 价格、供货期、 售后服务等要制造、管理、求越来越高， 以及高新技术的飞速发展， 以信息科学与微电子技术为代表的现代科学技术对 制造业的渗透、 改造和更新， 使传统的制造技术演变成为一门涵盖从产品设计、成化的先进制造技术。柔性

27、自动销售到回收再生的全过程，跨多个学科且高度复杂化、集化，智能化，并行工程，虚拟制造，精密、微细加工等，是当今先进制造技术的发展趋势。现代设计技术是现代制造技术的主体技术之一，也是先进制造技术的核心与灵魂，必将伴随着先进制造技术的发展， 计算机和信息技术的进步， 制造业生产模式的变革， 竞争与合作的 全球化，人们对生态环 境、资源的关切和对产品品质多样化等方面的要求，而发生着深刻 的变化。展望现代设计技术的发展趋势，大致有以下几方面：1设计过程的数字化，不仅要完善工程对象中确定性变量的数学描述和数学建模，而且更要研究非确定性变量，包括随机变量、随机过程、模糊变量（人的智能、经验、创造 力、语言

28、及政治、经济、人文等社会科学因素）等的数学描述和数学建模。2设计过程的自动化和智能化研究。健全、研究、发展各种类型的数据库、方法库和知识库，及自动编程、自学习、自适应等高级商品化软件的研制，如研究设计知识、数 据、信息的获取与处理技术、智能 CAD 人工神经网络专家系统的模型和应用软件等。3动态多变量优化和工程不确定模型优化（模糊优化）、不可微模型优化及多目标优化等优化方法与程序的研究，并进一步发展到广义工程大系统的优化设计的研究。4网络化并行设计及协同设计技术、方法及软件的研究。5虚拟设计和仿真虚拟试验及快速成形技术的深入研究，是一种以计算机仿真为基础，集计算机图形学、智能技术、并行工程、人

29、机工程、材料、成形工艺、光电传感技术 和多媒体技术为一体的综合学科研究。6大力普及、推广与发展 CAD 技术的应用研究，其重点是研制开发功能强的商品化软件。7面向集成制造和分布式经营管理的设计方法、人员组织及规划的研究。据参考文献 11 介绍， 企业的成功中只有 20% 来自技术方面， 不低于 80% 依赖于如何 组织和设计生产过程。这也是美国、日本大公司成功的一条经营之道。如，近年来出现的并行工程Concurrent EngineeringCE）、精益生产（Lean ProductionLP）、灵捷制造Agile ManufacturingFunction DeploymentAM 八准时生

30、产（Just in Time ）、质量功能配置（QualityQFD ）等生产管理中的设计技术，应依据国情和市场的动态变 化研究将这些技术贯彻到生产过程中。8微型机电系统的设计理论及设计方法和技术的研究，如智能计算、纳米技术、微型机器人系统及微型机械系统的设计计算。9面向生态环境的绿色设计理论与方法的研究，如绿色产品的设计、清洁化生产过程的设计、产品的可回收性设计等。10 注重基础性设计理论及共性设计技术的深层次研究。基础性设计技术，如动态设计、疲劳设计、防断裂设计、减摩和耐磨设计、防腐蚀性设计及运动学、动力学、传动技术、弹塑性理论等， 是许多现代设计技术的知识源泉和数学建模的理论基础。美国的

31、基础研究是当今世界领先的，制造技术也处于世界领先地位，设计基础技术研究成果为制造业提供了丰富的元知识和领域知识， 这是美国推出一代又一代产品参与市场竞争的支柱。美国把制造业和产品向国外推销时， 供给的是企业的产品制造部分， 而其研究开发的知识源则牢牢控制在国内。 例如，人们熟知的美国格利森公司对准双曲线齿轮的设计制造技术是一个看不见的“黑箱”（根据工况，算出机 床调整参数，从而加工出齿轮），尽管人们渐渐掌握了格利森加工机床的内部构造，但格利森公司对 “黑箱”采取了非公开政策， 因而至今他们对准双曲线齿轮的设 计制造技术仍然处于世界绝对领先地位。设计中的共性技术与方法，如数学描述、建模、仿真和优化及试验方法等，也是设计中的关键技术，它涉及到CAD 、可靠 性