现代设计理论与方法绪论

1、Kunming University of Science and TechnologyFaculty of Mechanical and Electrical Engineering现代设计理论与方法现代设计理论与方法机电学院机电学院 伞红军伞红军电话电话mail：Kunming University of Science and TechnologyFaculty of Mechanical and Electrical Engineering第一章第一章 绪论绪论明德任责 致知力行什么是什么是设计设计？什么是？什么是现代设计？现代设计？1.1.1 1.1.1 设

2、计的内涵设计的内涵 设计：在正式做某项工作之前，根据一定设计：在正式做某项工作之前，根据一定的目的和要求，预先制定方法、图样等。的目的和要求，预先制定方法、图样等。- 现代汉语词典现代汉语词典1.1 现代设计明德任责 致知力行 早期人类有关设计的经验性总早期人类有关设计的经验性总结，如中国古代的结，如中国古代的考工记考工记和古和古罗马老普林尼的罗马老普林尼的博物志博物志，都可，都可视作设计学作为一门理论的最初萌视作设计学作为一门理论的最初萌芽和起点。芽和起点。 而设计学成为一门独立的学科，而设计学成为一门独立的学科，并且被学者们作出思辨的归纳和理并且被学者们作出思辨的归纳和理论的阐述，则是论的

3、阐述，则是2020世纪以来的产物。世纪以来的产物。 设计作为人类生物性与社会性的生存方式，设计作为人类生物性与社会性的生存方式，其渊源是伴随其渊源是伴随“制造工具的人制造工具的人”的产生而产生的。的产生而产生的。 1.1.1 设计的内涵明德任责 致知力行 广义概念：对发展过程的安排，包括发广义概念：对发展过程的安排，包括发展的方向、程序、细节以及达到的目标。展的方向、程序、细节以及达到的目标。 狭义概念：将客观狭义概念：将客观需求转化为需求转化为满足该满足该需求的需求的技术系统技术系统的活动。的活动。 1.1.1 设计的内涵明德任责 致知力行u设计是为满足需求而进行的一种设计是为满足需求而进行

4、的一种创造创造性思维性思维活动的实践过程。活动的实践过程。u设计是一种优化过程，是在设计是一种优化过程，是在给定的条件给定的条件下，下，针对目标针对目标谋求最优解谋求最优解的过程。的过程。u设计是一种设计是一种创造性创造性活动，设计的核心是创造，活动，设计的核心是创造，没有没有创新创新就不叫设计。就不叫设计。相关概念相关概念u设计是通过分析、创造与综合，创造性的建设计是通过分析、创造与综合，创造性的建立满足特定功能要求的立满足特定功能要求的技术系统技术系统的活动过程。的活动过程。1.1.1 设计的内涵明德任责 致知力行1 1、需求特征。、需求特征。2 2、创造性特征。、创造性特征。3 3、程序

5、特征。、程序特征。 设计程序：产品规划、原理方案设计、设计程序：产品规划、原理方案设计、技术设计、施工设计。技术设计、施工设计。4 4、时代特征。、时代特征。1.1.2 工业产品设计的特征明德任责 致知力行1 1、直觉设计阶段、直觉设计阶段 凭直观感觉来设计制作工具和机械，往往凭直观感觉来设计制作工具和机械，往往带有一定的盲目性。带有一定的盲目性。 2 2、经验设计阶段、经验设计阶段 依靠个人的才能和经验，运用一些基本设依靠个人的才能和经验，运用一些基本设计计算理论，借助类比、模拟和试凑等设计计计算理论，借助类比、模拟和试凑等设计方法进行设计。方法进行设计。3 3、半理论半经验设计阶段、半理论

6、半经验设计阶段 加强了设计基础理论、各种专业机械产品加强了设计基础理论、各种专业机械产品设计机理以及关键零部件的设计研究，使设设计机理以及关键零部件的设计研究，使设计者能够充分利用数据、图表和手册等进行计者能够充分利用数据、图表和手册等进行设计，减少了设计的盲目性，增加合理性。设计，减少了设计的盲目性，增加合理性。1.1.3 设计发展的基本阶段明德任责 致知力行4 4、现代设计阶段、现代设计阶段 以市场需求为驱动，以现代设计思想、以市场需求为驱动，以现代设计思想、理论为指导，以知识获取为中心，以现代技理论为指导，以知识获取为中心，以现代技术手段为工具，考虑产品的全生命周期和人、术手段为工具，考

7、虑产品的全生命周期和人、机、环境相容性等因素的设计。机、环境相容性等因素的设计。1.1.3 设计发展的基本阶段明德任责 致知力行1 1、传统设计、传统设计 2020世纪以来，由于科学技术的不断发展，世纪以来，由于科学技术的不断发展，对设计对设计的的基础理论研究得到了加强，随着设基础理论研究得到了加强，随着设计经验的积累，计经验的积累，以及设计与工艺的以及设计与工艺的结合，已结合，已经形成了一套半经验半理论的设计方法。依经形成了一套半经验半理论的设计方法。依据这种方法进行的设计，据这种方法进行的设计，称为称为传统传统设计。设计。 传统设计以经验为基础，运用力学、数传统设计以经验为基础，运用力学、

8、数学等公式，图表等作为设计依据，通过经验学等公式，图表等作为设计依据，通过经验公式或类比的方式进行设计。公式或类比的方式进行设计。1.1.4 现代设计与传统设计明德任责 致知力行2 2、现代设计、现代设计 继承了传统设计的精华，吸取了当代科技继承了传统设计的精华，吸取了当代科技成果和计算机技术。成果和计算机技术。 与传统设计相比，主要完成了一下转变：与传统设计相比，主要完成了一下转变： 1 1）产品结构分析的定量化；）产品结构分析的定量化； 2 2）产品工况分析的动态化；）产品工况分析的动态化； 3 3）产品质量分析的可靠性化；）产品质量分析的可靠性化； 4 4）产品设计结果的最优化；）产品设

9、计结果的最优化； 5 5）产品设计过程的高效化和自动化。）产品设计过程的高效化和自动化。1.1.4 现代设计与传统设计明德任责 致知力行1.1.4 现代设计与传统设计 传统设计传统设计 现代设计现代设计 经验、类比经验、类比 逻辑逻辑 、推理、推理 、系统、系统 静态、少参数静态、少参数 动态、多变量动态、多变量 传统设计：生产经验、力学、数学公式传统设计：生产经验、力学、数学公式 静态静态现代设计：摩擦学、模态、可靠性、疲劳现代设计：摩擦学、模态、可靠性、疲劳 动态动态 当然当然, ,现代设计方法还不能完全取代传统设计现代设计方法还不能完全取代传统设计方法，一些行之有效的经验方法目前仍在广泛

10、方法，一些行之有效的经验方法目前仍在广泛使用，它们仍是现代设计方法的重要组成。使用，它们仍是现代设计方法的重要组成。明德任责 致知力行1.1.4 现代设计与传统设计明德任责 致知力行1.2.1 1.2.1 现代设计理论和方法现代设计理论和方法 设计理论是对产品设计原理与机理的设计理论是对产品设计原理与机理的科学总结。科学总结。 设计方法是使产品满足设计要求以及设计方法是使产品满足设计要求以及判断其是否满足要求的依据。判断其是否满足要求的依据。 1.2 现代设计理论和方法的主要内容和特点明德任责 致知力行 优化设计优化设计 可靠性设计可靠性设计 计算机辅助设计计算机辅助设计 有限元法有限元法 工

11、业造型设计工业造型设计 反求工程设计反求工程设计 绿色设计绿色设计 动态设计动态设计 系统化设计系统化设计 创造性设计创造性设计 摩擦学设计摩擦学设计 模块化设计模块化设计 虚拟设计虚拟设计 价值工程价值工程 人机工程人机工程1.2.2 现代设计的主要理论和方法明德任责 致知力行v优化优化设计设计 是是从多种方案中选择最佳方案的设计方法。从多种方案中选择最佳方案的设计方法。它以数学中的最优化理论为基础，以计算机为它以数学中的最优化理论为基础，以计算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立目标手段，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求最函数，在满足给定的各种约

12、束条件下，寻求最优的设计方案。优的设计方案。16明德任责 致知力行v可靠性设计可靠性设计 保证保证机械及其零部件满足给定的可靠性指标机械及其零部件满足给定的可靠性指标的一种机械设计方法。包括对产品的可靠性进的一种机械设计方法。包括对产品的可靠性进行预计、分配、技术设计、评定等工作。所谓行预计、分配、技术设计、评定等工作。所谓可靠性，则是指产品在规定的时间内和给定的可靠性，则是指产品在规定的时间内和给定的条件下，完成规定功能的能力。它不但直接反条件下，完成规定功能的能力。它不但直接反映产品各组成部件的质量，而且还影响到整个映产品各组成部件的质量，而且还影响到整个产品质量性能的优劣产品质量性能的优

13、劣。17明德任责 致知力行v计算机辅助设计计算机辅助设计 利用利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。简称设计工作。简称CAD。 在工程和产品设计中在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作储和制图等项工作。18明德任责 致知力行v有限元法有限元法 有限元法有限元法（finite element method）是一种高效能、常用的是一种高效能、常用的计算方法。这种方法将计算方法。这种方法将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设

14、的近似函数来分片的表示求解每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变来表达。从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度成离散的有限自由度问题。问题。19明德任责 致知力行v工业工业造型设计造型设计 工业工业造型设计最初产生于把美学应用于技术造型设计最初产生于把美学应用于技术领域这一实践之中，是技术与艺术相结合而产领域这一实践之中，是技术与艺术相结合而产生的一门边缘学科生的一门边缘学科。技术。

15、技术主要追求功能美，艺主要追求功能美，艺术主要追求形式美术主要追求形式美。20明德任责 致知力行v反反求工程求工程 反反求工程求工程(Reverse Engineering,RE),也称逆向工程、反向工程，是指用一定的测量也称逆向工程、反向工程，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过模型的过程，是一个从样品生成产品数字化信息模型，程，是一个从样品生成产品数字化信息模型，并在此基础上进行产品设计开发及生产的全过并在此基础上进行产品设计开发及生产的全过程。程。21明德任责

16、 致知力行v绿色绿色设计设计 绿色设计也绿色设计也称生态称生态设计设计、环境设计环境设计、环境环境意意识识设计。设计。在产品整个生命周期内，着重考虑产在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性品环境属性(可拆卸性，可回收性、可维护性可拆卸性，可回收性、可维护性、可重复利用性等、可重复利用性等)并将其作为设计目标，在并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的功满足环境目标要求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、质量等要求能、使用寿命、质量等要求。22明德任责 致知力行v动态设计动态设计 动态设计是指机械结构和机器系统的动态性动态设计是指机械结构和机器系统的动态性能在其图纸的设

17、计阶段就得充分考虑，整个设能在其图纸的设计阶段就得充分考虑，整个设计过程实质上是运用动态分析技术、借助计算计过程实质上是运用动态分析技术、借助计算机分析、计算机辅助设计和仿真来实现的。机分析、计算机辅助设计和仿真来实现的。23明德任责 致知力行v系统化设计系统化设计 系统化设计是把设计对象看作一个完整的技系统化设计是把设计对象看作一个完整的技术系统，然后用系统工程方法对系统各要素进术系统，然后用系统工程方法对系统各要素进行分析与综合，使系统内部协调一致，并使系行分析与综合，使系统内部协调一致，并使系统与环境相互协调，以获得整体最优化设计。统与环境相互协调，以获得整体最优化设计。24明德任责 致

18、知力行v摩擦学设计摩擦学设计 摩擦学设计以摩擦、磨损及润滑理论为基础摩擦学设计以摩擦、磨损及润滑理论为基础，从系统工程观点出发，通过系列计算与经验，从系统工程观点出发，通过系列计算与经验类比分析，预测并排除可能发生的故障，使机类比分析，预测并排除可能发生的故障，使机械设备在使用过程中达到尽可能小的摩擦、损械设备在使用过程中达到尽可能小的摩擦、损耗和经济的稳定磨损率。耗和经济的稳定磨损率。25明德任责 致知力行v模块化模块化设计设计 模块化模块化设计，简单地说就是程序的编写不是设计，简单地说就是程序的编写不是开始就逐条录入计算机语句和指令，而是首先开始就逐条录入计算机语句和指令，而是首先用主程序

19、、子程序、子过程等框架把软件的主用主程序、子程序、子过程等框架把软件的主要结构和流程描述出来，并定义和调试好各个要结构和流程描述出来，并定义和调试好各个框架之间的输入、输出链接关系框架之间的输入、输出链接关系。以。以功能块为功能块为单位进行程序设计，实现其求解算法的方法称单位进行程序设计，实现其求解算法的方法称为模块化。模块化的目的是为了降低程序复杂为模块化。模块化的目的是为了降低程序复杂度，使程序设计、调试和维护等操作简单化。度，使程序设计、调试和维护等操作简单化。26明德任责 致知力行v虚拟虚拟设计设计 虚拟虚拟设计技术是由多学科先进知识形成的综设计技术是由多学科先进知识形成的综合系统技术

20、，其本质是以计算机支持的仿真技合系统技术，其本质是以计算机支持的仿真技术为前提，在产品设计阶段，实时地并行地模术为前提，在产品设计阶段，实时地并行地模拟出产品开发全过程及其对产品设计的影响，拟出产品开发全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造性、产品的可维护性和可拆卸性等，从而提高性、产品的可维护性和可拆卸性等，从而提高产品设计的一次成功率产品设计的一次成功率。27明德任责 致知力行v价值工程价值工程 价值工程价值工程是通过对产品功能的分析，正确处是通过对产品功能的分析，正确处理功能与成本之间的关系来节约资源、降低产理功能与成

21、本之间的关系来节约资源、降低产品成本的一种有效方法。不论是新产品设计，品成本的一种有效方法。不论是新产品设计，还是老产品改进都离不开技术和经济的组合，还是老产品改进都离不开技术和经济的组合，价值工程正是抓住了这一关键，在使产品的功价值工程正是抓住了这一关键，在使产品的功能达到最佳状态下，使产品的结构更合理，从能达到最佳状态下，使产品的结构更合理，从而提高企业经济效益。而提高企业经济效益。28明德任责 致知力行v人人机工机工程程 人人机工程学是一门多学科的交叉学科，研究机工程学是一门多学科的交叉学科，研究的核心问题是不同的作业中人、机器及环境三的核心问题是不同的作业中人、机器及环境三者间的协调，

22、研究方法和评价手段涉及心理学者间的协调，研究方法和评价手段涉及心理学、生理学、医学、人体测量学、美学和工程技、生理学、医学、人体测量学、美学和工程技术的多个领域，研究的目的则是通过各学科知术的多个领域，研究的目的则是通过各学科知识的应用，来指导工作器具、工作方式和工作识的应用，来指导工作器具、工作方式和工作环境的设计和改造，使得作业在效率、安全、环境的设计和改造，使得作业在效率、安全、健康、舒适等几个方面的特性得以提高。健康、舒适等几个方面的特性得以提高。29明德任责 致知力行1 1、程式性、程式性 现代设计研究设计的一般进程，包括一般设计现代设计研究设计的一般进程，包括一般设计战略和用于设计

23、各个具体部分的战术方法。要求设战略和用于设计各个具体部分的战术方法。要求设计者从计者从，按步骤有计划地进行设计。按步骤有计划地进行设计。 2 2、创造性、创造性 现代设计强调创造能力开发和充分发挥人的现代设计强调创造能力开发和充分发挥人的创造性；重视原理方案的设计、开发和创新产品。创造性；重视原理方案的设计、开发和创新产品。只有创新才能有所发明。只有创新才能有所发明。 1.2.3 现代设计方法的特点明德任责 致知力行3 3、系统性、系统性 现代设计把设计对象看作现代设计把设计对象看作一个系统一个系统，同时考，同时考虑系统与外界的联系，用虑系统与外界的联系，用系统工程系统工程概念进行分析概念进行

24、分析和综合，通过功能分析、系统综合等方法，力求和综合，通过功能分析、系统综合等方法，力求系统整体最优，使系统整体最优，使人机之间人机之间的功能相互协调。的功能相互协调。 4 4、最优性、最优性 设计的目的是得到功能全、性能好、成本低设计的目的是得到功能全、性能好、成本低的最优产品。的最优产品。 1.2.3 现代设计方法的特点明德任责 致知力行5 5、综合性、综合性现代设计在设计过程中，综合考虑、分析现代设计在设计过程中，综合考虑、分析市场需求、设计、生产、管理、使用、销售各方市场需求、设计、生产、管理、使用、销售各方面的因素；综合运用面的因素；综合运用优化论、系统工程优化论、系统工程、可靠性、可靠性理论、价值工程、技术等学科的知识，探索多种理论、价值工程、技术等学科的知识，探索多种解决设计问题的科学途径。解决设计问题的科学途径。6 6、数字性、数字性将计算机技术全面的引入。将计算机技术全