工程领域概念设计

1、20 X 20程1工程领域中的概念设计现代科技的迅猛发展尤其是微电子、信息、新材料及集成技术的进展使产品结构发生了革命性的变化机电一体化、模块化已成为工程产品的发展趋势；计算机技术的飞速发展和广泛应用深刻的影响着设计开发过程、制造过程、营销和售后服务过程并改变着产品的结构和功台匕目匕先进工艺技术和先进制造技术为现代工程设计提供了刖所未有的工艺技术手段和社会化制造体系0这些变化都深刻地影响着工程设计的发展0工程设计是人们运用科技知识和方法有目标地创造工程产品构思和计划的过程几乎涉及到人类活动的全部领域0工程设计的费用往往只占最终产品成本的一小部分(815%),然而它对产品的先进性和兄争能力却起着

2、决止性的影响,并往往决止7080%的制造成本和营销服务成本0所以说工程设计是现代社会工业文明的最重要的支柱是工业创新的核心环节也是现代社会生产力的龙头0匚程设计的水平和台匕目匕力是一个国豕和地区工业创新台匕目匕力和兄争台匕目匕力的决止性因素之一0工程设计的全过程就是不断建立各种模型并不断进行综合和分析的过程即反复地创造模型和评价模型的过程0匚程设计的内容大致可分为两类:一类是数值计算型的匚作包括大县里的计算、分析、绘图、编写说明书和填写各种表格另一类是符号推理性的匚作主要是方案设计工作0在设计方法学中、之，刖者称之为细节设计后者称之为概念设计0概念设计主要包括功台匕目匕设计和结构设计两大部分0

3、其作用主要体现在产品设计的早期阶1殳把主设计师根据产品功台匕目匕的需求而明发出来的原始构思和冲动形成产品的主体框架及它应包括的各主要模块和组件以占兀成整体布局和外型初步设计0然后进行评估和优化确止整体设计方案0再由各责任设计师把总设计师的设计思想落实到具体设计中去实现细节设计0可见概念设计是个创造性过程它要求设计者台匕目匕综合运用许多学科的专门知识和丰7曷的实践经验并通过广泛的调查研究而占有大县里的信息资料再经过反复思考、推理和决才台匕目匕创造出与众不同的、满足用户要求的设计方案来0在工程设计领域中存在这样一个1口区:设计、构思的原始冲动是二维概念最终设计实施之结果即产品也是二维形体0可是多年

4、来以一维绘图为基础的产品设计、制造模式严重地束缚了工程技术人员的创造力和想象力成为创新的桎枯0二维建模技术的崛起以及虚拟制造技术的出现为概念设计和创新提供了一种极好的工作平台设计师们可以直接从二维概念和构思入手进行概念设计形成产品的初步框架然后进一步通过工程分析、数字仿真、虚拟现实等高新技术手段来分析和评价设计方案的可行性及未来产品的质县里、可罪性0这种设计方法尤其台匕目匕充分发挥自顶向下的设计过程中,设计者的彗和创新台匕目匕力不必拘泥于平面图纸的限制和束缚而把主要精力聚隹八、于创造性的劳动创新02概念设计与创造性思维和技术创新2.1创造性思维及其特占八、要设计就要有创新而创新正是设计人员进行

5、创造性思维的结果0设计人员要打破习惯性思维变换角度开阔视野才台匕目匕使自己的创造力到更充分的发挥0创造性思维是指有创建的思维即通过思维不仅台匕目匕揭示事物的本质而且台匕目匕在此基础上提供新的、具有社会价值的产物0创造性思维有r散思维和集中思维、逻辑思维和形象思维、直觉思维和灵感思维等多种形式0在工程设计的概念设计中要努力发掘创造性思维的台匕目匕力充分注息r散思维和集中思维的辨证统一准确把握逻辑思维和形象思维的巧妙结合善于捕捉直觉思维和灵感思维的闪光和亮占八、这样才有可台匕目匕设计出新颖、独特、有创息的产品0创造性思维具有如下一些特占八、:(1)独创性:创造性思维所要解决的问题是不台匕目匕用常规

6、、传统的方式解决的问题0它要求重新组织观念以便产生某种至少以刖在思维者头脑中不存在的、新颖的、独特的思维0这就是它的独创性0独创性要求人们敢于对司空见惯或兀美无缺的事物提出怀疑敢于向传统的陈规旧习挑战敢于否止自己思想上的框框,从新的角度分析问题、认识问题0(2)连动性:创造性思维又是一种连动思维它引导人们由已知探索未知开拓思路0连动思维表现为纵向、横向和逆向连动0纵向连动针对某现象或问题进行纵深思考探询其本质而1日到新的启发0横向连动则通过某一现象联想到特占八、与它相似或相关的事物从而1日到该现象的新应用0逆向连动则是针对现象、问题或解法分析其相反的方面从顺推到逆推从另一角度探索新的途径0(3

7、)多向性:创造性思维要求向多个方向发展寻求新的思路0可以从一占八、向多个方向i广散也可以从不同角度对同一个问题进行思考、解决0(4)善于想象:创造性思维要求思维者善F想象善于结合以往的成新的形象善于把观斯坦有一句名,、J1:想为知识是有限的而想切推动着进步并且只有善于想象才有可子才有可台匕目匕创新0(5)突变性:直觉思性思维中出现的一种突它往往表现为思维逻辑跃突然闪现出一种新题的思考突破原有的框决02.2概念设计呼唤技术创技术创新在概念设计中用0概念设计中技术创设计领域中发现某种新想在很多情况下是因社会(用户)的需求而见0技术创新的基础是知识和经验在头脑里形念的东西形象化0爱因象力比知识更重要

8、因象力概括着世界上的一是知识进化的源泉0台匕目匕跳出现有事实的圈维、灵感思维是在创造如其来的领悟或理解0的中断出现思想的飞设想、新观念使对问架从而使问题以解新发挥着至关重要的作新的本质就是要在工程事物、提出某种新思为现有的产品不台匕目匕满足激发出的新颖构思和创知识的积累和灵感的迸发是设计人员进行创造性思维的结果0创新本身就息昧着不拘一格不局限也不依赖于某种特止的模式以下诸多方面都是孕育技术创新的土壤:(1)多项现有技术的有机结合或综合运用往往会产生息想不到的效果(2)对已有知识的创造性总结和应用常常带来重大的科技突破(3)突发奇想但经过科学论证或实验证明所产生的新思路、新方法、新技术(4)新知

9、识与现有知识的合理嫁接(5)产品功台匕目匕上的兼收并蓄和去粗取精(6)学科问的交叉、交融和借鉴(7)新技术、新材料、新工艺的有机结合及应用(8)科学研究中的新发现和新成果应用于工程实践T0由此可以进一总结出多种行之有效的创新技法:l知力激励法:又称集法、泰法0即通过集会让设计人员用口头欲、互相启发进行集思维的连锁反应l提问追溯法:根据研问题逐个核对讨论法和创造性发明的设想的希望占八、(或缺占八、),逐问题的新途径l联想类推法:通过相想的交叉使用以及在比异中之同从而产生创案l反向探求法:采用目过逆向思维、转换构思转、因果反转等方面寻l系统搜索法:从一个响系统的各个参县里逐立因素、更换参数等方并求

10、得最优解l组(综)合创新法:或书面交流的方法畅所或激引起创造性究对象系统地列出有关从中获解决问题的办或是针对新开发产品占八、深入分析寻找解决似、相近、对比几种联较之中找出同中之异、造性思维和创新的方离惯常的思考方法通从功台匕目匕反转、结构反求解决问题的新途径初始状态开始分析影步向刖搜索或采用孤法获取系统的多种解法将现有的技术或产品通过功台匕目匕原理、构造方法的组合变化或者通过已知的东西作媒介将毫无关联的不同知识要素结合起来摄取各种产品的长处使之综合在一起形成具有创新性的设计技术思想或新产品l知识链接法:创新是一个动态的和复杂的作用过程和知识流它包括知识的产生、开发、转移和应用这四个阶段构成一条

11、知识供应链并按昭八、下述原则进行管理:把技术创新过程作为一个集成化的系统只有将所有涉及该过程的伙伴捆绑在一起才台匕目匕发挥最大作用这些伙伴都应明确什么知识内容才台匕目匕满足用户最大需求知识转移的特征和形式是什么最终用户是谁他们何时需要使用这些知识?涉及创新的所有信息流和通信流对全体伙伴都是开放的在每个知识供应者和知识使用者之问建立信息反馈使信息交换更为有效知识供应链中每一个伙伴台匕目匕够感受到整个系统和他们自己都从中获巨大利认识到自己是链中不可缺少的重要环节0该方法适于更大范围内、更高层面上的技术3工程设计领域中的概基于上述分析我们提新的产品概念设计范例(1)采用先进的控制局部小画面组成整体大

12、箱广告机的设计(2)时速超过运七飞外型设计既要满足空美观的外型二维CA【）建论的应用(3)适应于多弯道和境下的摆式列车车身及(4)反求工程已广泛面的实物模型(如模具妨借鉴用来对生物医学理为医务人员的临床的二维模型和实体模型(5)基于电动机电动自行车的设计把创新0念设计技术创新实践出了若干种含有技术创:、驱动和止位系统由画面的可变画面巨型灯机的高速铁路机车车身气动力学性台匕目匕又要有模技术和NURBS;曲线面理小半径城市轨道交通环减振转向架的设计应用于一些具有复杂曲)的二维数据重构不图象进行数字图象处诊断和治疗提供更逼真发电机可逆原理的新型(下坡时)车轮转动的动台匕目匕所转化成的电台匕目匕再回充

13、给蓄电池从而增加电动自行车蓄电池一次充电使用的续行距离(6)加工中心自动换刀功台匕目匕的r展用于东风4(11)型内燃机车发动机端面多轴孔加工的自动换箱多轴箱设计；(7)把列车检修工人的丰7曷经验升华为专4豕系统基于加速度传感器和单片机控制的台匕目匕式检振锤的设计(8)虚拟轴机床(并联机床)的概念设计0这里以铁路机车车身设计为例对概念设计及创新的过程加以说明0时速300公里以上的高速列车在欧美、日本等发达国豕日到广泛应用0我国已通过论证并计划在下世纪初建设弟一条(京沪)高速铁路0当我们看到法国TG/(Traind(elaGrandeVitesse!)实验车速达到515.25公里/小时时我们知道这

14、已经超过了我国运八飞机的时速设计师的头脑中自然应该产生这样的概念:时速300公里的铁路机车车头的外型也应该像飞机那样具有流线计、制造方法和过程来外型则上述第四项要积极谋求技术进步大是解决车身外型改型频述各种要求的关键所在近十年来CAE）业界涌现PO-En!jine(er、MAiTRA的EUCLID优秀的CAD/CA件为我发工具和环境0它们的模及复合(Hyb)rid)建模合的造型方法以及自(FreeFormF冶tu【eMc)deling)技供了强有力的工具0这里具体地介绍如何使台匕目匕来实现车身外型的UG的FreeFo，mF（汨tureMcdeling模模技术集成为一个功能组它支持复杂自由曲合建

15、模技术自由型面辑多组件装配二维兀成如此高要求的设计求更是高不可攀0只有力推广应用CAD)/CA术才繁、不断创新且满足上0出一批象EDS:的UG、PT(）的八IBM的CAiTIA等等一系列们提供了一个极好的开维实体建模、参数建技术实体与曲面相结由形式特征建模术为我们的设计匚作提用uG的FreeFc)rmFeat*e等功概念设计到细节设计0块把实体建模和表面建分强大的建模匚具面的造型设计0它的复特征建模可视化编视图自动生成尤其是伴随最新UGV，14(）版本推出(What-iflternativeValueEngineering程师在设计的早期阶段度同时针对多种可供通过将设计息图组织到去使工程师十分

16、有效所发生的变更会自动地这里以创建流线型机车骤如下:(1)根据、之，刖节所述模国TGV/和德国ACE三机车外型改0所选止的23条模型以这一组模线为基础Free尸ormFeatun灯hroughCuve来创InfO/AnalysiiFaceCuirvature功台匕目匕光顺性图2即为车身径等值线云图0在构造模线的原始数据仅凭感觉进行判断占兀全满足C2连续的条件的全新概念设计WAVE)可使不同部门的工站在系统工程的角选择的方案进行评估一个控件结构中地控制设计变更而且传递到上级设计中去0车身外型为例具体步线的来源本例参考法模板并加以个性化修基线见于图10采用UG的建曲面；采用来观察和分析该曲面的外型曲面及顶面法向半中可能有瑕占八、或者创建的曲面不一止能和光顺性的要求,可以通过光顺处理予以满足线进行光顺处理的过程一组光顺的模线是生成采用光顺后的模线重新用UG；