现代设计方法-绪论

现代设计方法教材：《现代设计方法》梅顺齐华中科技大学出版社2009《优化设计》何忠保吉林大学出版社2005参考书：《现代设计方法》王安麟华中科技大学出版社2010《最优化理论与算法》陈宝林清华大学出版社2005《常用算法程序集》徐士良清华大学出版社2004课程目的：

起到为有关专业课提供现代设计方法手段的作用教学基本要求：

1.了解常用的现代设计方法的基本原理及用途。

2.在优化设计方面受到一定的训炼，掌握必要的软件应用技术；培养解决专业设计研究的能力，为学习专业课准备技术基础。

第一章概论一、设计的概念设计有两种概念：(1)广义：为了达到某一特定目的，从构思到建立一个切实可行的实施方案，并用明确的手段表示出来的系列行为。(2)狭义：将客观需求转化为满足该需求的技术系统的图纸及技术文档的活动。国际工业设计学会：设计是一种创造性活动，它的目的在于决定产品的包括性能、过程、服务及整个生命周期各个方面的品质，以获得一种使生产者和消费者都能满意的整体。

第一节现代设计于光远：设计＝设想+计算重要性010203040506070设计生产准备与加工原材料与外购件的采购管理和销售对成本的影响所需的工时成本发展阶段直觉设计→经验设计→半理论半经验设计→现代设计17世纪20世纪初20世纪60年代

1)直觉设计阶段从自然现象中直接得到启示，或凭人的直观感觉来设计制作工具。2)经验设计阶段有经验的人将自己的经验或构思用图纸表达出来，然后根据图纸组织生产。3)半理论半经验设计阶段

以理论计算和长期设计实践形成的经验、公式、图标、设计手册等作为设计依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。4)现代设计阶段

设计工作实现设计自动化和精密计算。同时，对产品的设计不仅考虑产品本身，还要考虑对系统和环境的影响；不仅考虑技术领域，还要考虑社会、经济等因素；不仅考虑当前，还要考虑长远发展。现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，是随着设计实践经验的积累，由个别到一般、具体到抽象、感性到理性，逐步归纳、演绎、综合而发展起来的。

二、现代设计的概念现代设计的内涵：以满足产品的质量、性能、时间、成本／价格综合效益最优为目的，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、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。1、设计方法学2、优化设计3、可靠性设计4、有限元法5、动态设计6、计算机辅助设计7、人工神经元算法8、工程遗传算法9、智能工程10、价值工程11、工业产品艺术造型设计12、人机工程13、并行工程14、模块化设计15、相似性设计16、摩擦学设计17、三次设计18、反求设计19、健壮设计20、精度设计21、绿色设计22、疲劳设计23、虚拟设计24、设计专家系统表1-1现代设计理论与方法三、现代设计的特点系统性：现代设计方法是逻辑的、系统的设计方法。传统设计方法是经验的、类比的设计方法。社会性：现代设计开发新产品的整个过程，从产品的概念形成到报废处理的全寿命周期中的所有问题，都要以面向社会、面向市场为指导思想全面考虑解决。传统设计是由专业技术主管指导设计，设计过程中注意技术性，设计试制后进行经济分析、成本核算，很少考虑社会问题。创造性：现代设计强调激励创造冲动，突出创新意识。传统设计强调经验类比、直接主观的决策。最优化：现代设计重视综合集成，在性能、技术、经济、制造工艺、使用、环境等各种约束条件下，和广泛的学科领域之间，通过计算机以高效率综合集成最新科技成果，寻求最优方案和参数。传统设计属于自然优化，难以对多变量系统在广泛的影响因素下进行定量优化。动态化：现代设计在静态分析的基础上，考虑载荷谱、负载率等随机变量，进行动态多变量最优化。传统设计以静态分析和少变量为主，将载荷、应力等因素作集中处理，由此考虑安全系数，与实际工况相差较远。宜人性：现代设计强调产品内在质量的实用性、外观质量的美观性、艺术性、时代性、在保证产品物质功能的前提下，要求对用户产生新颖舒畅等精神功能。传统设计强调产品的物质功能，忽视或不能全面考虑精神功能。智能化：现代设计在已认识的人的思维规律基础上，以计算机为主模仿人的智能活动，能够设计出高度智能化的产品。传统设计在局部上自发地运用了某些仿生规律，但很难达到高度智能化的要求。

CA化：现代设计广泛使用计算机使设计、计算、绘图、制造、改进一体化，大大提高设计精度、稳定性和效率，修改也极为方便。传统设计是人工计算绘图。传统现代第二节机械产品设计定义：由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动、物质流和能量流在内的动力学任务的、机械和电子部件相互联系的伺服系统。一、现代机械表1-2各个发展阶段的机械产品的典型组成部分表1-3新产品开发的五个阶段发展阶段特点负责单位工程方法传统技术推动某种新技术的应用，推动新功能产品的形成设计部门串行工程方法(信息处理间断，数据生成重复)需求拉动市场的某种需求，促进新功能产品的出现设计部门推拉结合技术推动与需求拉动相结合设计部门现代功能和过程集合开发新产品同时考虑功能、制造、成本、周期等，由计算机网络下的包括设计、工艺、计划、制造和装配部门的生产系统共同开发并行设计组并行工程方法(信息处理集成化，数据集中一次生成)系统集成和网络开发新产品由生产系统和社会系统共同完成。并行设计组(扩大)并行工程方法，精简机构、模糊分工，并行工作二、新产品开发三、机械产品设计根据机械产品设计任务不同，分为三种类型：开发性设计：应用可行的新技术，创新构思，设计工作原理和功能结构创新的产品，或赶超先进水平，或适应政策要求，或避开市场热点开发有特色的冷门产品。效益高、风险大。适应性设计：工作原理方案保持不变，变更局部或增设部件，加强辅助功能。变型设计：工作原理和功能结构不变，变更现有产品结构配置和尺寸，改进材料工艺。1、任务：针对某一确定的功能要求，寻求一些物理效应，并借助于某些作用原理来求得一些实现该功能目标的解法原理2、重点：创新构思，思维发散，多解评优，简图示意3、特点：

(1)以新的物理效应代替旧的物理效应，使机器的工作原理发生根本变化(2)开发人员有新概念、新构思，引入新技术、新材料、新工艺(3)机器的品质发生质的变化4、工作要点：

(1)明确所要设计任务的功能目标；

(2)调查分析已有的解法原理；(3)创新构思，寻求更合理的解法；(4)初步预想实用化的可能性；(5)认真进行原理性试验（一）功能原理设计对于最典型的开发性设计，机械产品设计分三个阶段：（二）实用性设计1、任务：使原理构思转化为具有实用水平的机器。完成从整体设计、部件设计、零件设计到制造施工的全部技术资料。2、重点：性价比，结构设计3、特点：工作具体精细，既先进又符合国情，经济合理、易造便修4、工作要点:(1)总体设计定工艺方案，定基本常数，定传动机构简图，作工作循环图。满足技术、经济、文化要求。

(2)结构设计结构方案应当可靠、明确、简单。①等强度原理；②合理力流原理；③变形协调原理；④力平衡原理；⑤任务分配原理；⑥自补偿、自增强、自平衡、自保护原理；⑦稳定性原理。

(3)执行件设计①可靠性设计；②动态设计；③抗磨损设计；④人机学设计；⑤热变形设计；⑥抗疲劳设计。（三）商品化设计1、任务：要保证产品在技术上和在市场竞争中都取得成功2、重点：产品功能原理的新颖性，产品技术性能的先进性，对市场要求的适应性。

3、特点：

(1)销售策略：市场调查，广告宣传，售后服务

(2)经营策略：提高产品质量，增加技术储备，树立企业信誉

(3)设计策略：性能的适用性变化，艺术造型、价值分析4、工作要点：

(1)性能的改变：①适应不同条件②开发新功能③增添附加功能

(2)产品性能尺寸系列化，零部件标准化，非标零部件通用化，零部件设计模块化

(3)工业产品艺术造型，以先进的科技功能为基础，设计美观适用的外型和布局，满足精神功能要求

(4)价值分析研究如何以最低寿命周期费用可靠地实现必要的功能，其目标是提高产品的价值四、机械产品设计的一般过程1、产品规划阶段2、原理方案设计阶段3、技术设计阶段4、施工设计阶段

产品规划阶段

产品规划、明确设计任务就是决策开发新产品，为新技术系统设定技术过程和边界，是一项创造性的工作。要在集约信息、调研预测的基础上，识别社会的真正需求，进行可行性分析，提出可行性报告和合理的设计要求及设计参数项目表。原理方案设计阶段是指新产品的功能原理设计。用系统化设计法将确定了的新产品总功能按层次分解为分功能直到功能元。用形态学矩阵来组合按不同方法求得的各功能元的多个解，得到技术系统的多个功能原理解。经过必要的原理试验，通过评价决策，寻求其中的最优解即新产品的最优原理方案，列表给出原理参数，并作出新产品的功能原理方案图。技术设计阶段

技术设计是把新产品的最优原理方案具体化。首先是总体设计，按照人——机——环境——社会的合理要求，对产品各部分的位置、运动、控制等进行总体布局。然后分为同时进行的实用化设计和商品化设计两条设计路线，分别经过结构设计和造型设计得到若干个结构方案和外观方案。分别经过试验和评价，得到最优结构方案和最优造型方案。最后分别得出结构设计技术条件、总体布置草图、结构装配草图和造型设计技术条件、总体效果草图、外观构思模型。施工设计阶段

施工设计是把技术设计的结果变成施工的技术文件。一般来说，要完成零件工作图、部件装配图、造型效果图、设计和使用说明书、设计和工艺文件等。

阶段步骤方法主要指导理论产品规划设计方法预测技术设计方法学技术预测理论市场学信息学表1-4机械产品设计一般进程信息集约可行性报告、设计要求项目表产品设计任务预测调研可行性分析明确任务要求阶段步骤方法主要指导理论原理方案设计系统化设计法创造技法评价决策方法系统工程学形态学创造学思维心理学决策论模糊数学总功能分析原理参数表、方案原理图功能分解功能载体组合功能原理方案(多个)功能元求解原理试验评价决策最优原理方案阶段步骤方法主要指导理论技术设计价值设计优化设计可靠性设计宜人性设计产品造型设计系列化设计机械性能设计工艺性设计自动化设计价值工程学最优化方法、工程遗传算法可靠性理论与实验人机工程学工业美学模块化设计、相似理论有限元法、动态设计、摩擦学设计、高等机构学机械设计的工艺基础控制理论、智能工程、人工神经元计算方法、专家系统结构方案(多个)结构价值分析试验模型试验总体设计结构设计造型设计造型价值分析外观方案(多个)评价决策评价决策最优结构方案最优造型方案最优技术设计方案总体布置图、装配草图、技术文件总体效果图、外观效果模型阶段步骤方法主要指导理论施工设计各种制造、装配、造型、装饰、检验等方法各种工艺学批量生产计算机辅助制造销售反馈控制法零件工作图外观件加工工艺、面饰工艺规程部件装配图效果图、检验标准技术文件造型工艺文件试制修改批量生产技术服务用户访问第三节部分现代设计方法简介可靠性设计：对系统和结构进行可靠性分析和预测，采用简化系统和结构、余度设计和可维修设计等措施以提高系统和结构可靠度的设计。特点：对于机械设计，①认为作用在零部件上的载荷和材料性能等都不是定值，而是随机变量，具有明显的离散性质，在数学上必须用分布函数来描述；②由于载荷和材料性能等都是随机变量，所以必须用概率统计的方法求解；③认为所设计的任何产品都存在一定的失效可能性，并且可以定量地回答产品在工作中的可靠程度，从而弥补了常规设计法的不足。

1、可靠性设计(Reliabilitydesign)概念：是一个把复杂性结构看成由若干通过节点相连的单元技术。基本思想：将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点联结，单元内部点的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。单元划分越细，计算结果就越精确。基本步骤：连续体离散化→单元分析→整体分析→确定约束条件→解方程组→结果分析与讨论FEM软件：Abaqus、Ansys、Marc等2、有限元法(Finiteelementmethod)概念：将数学规划理论、机械振动理论和数值计算方法结合起来，以计算机为工具，对产品的动态性能进行优化的方法。机械动态设计：按照机械动态特性的要求对机械设备或图形进行审核、修改或重新设计。3、动态设计(Dynamicdesign)CAD概念：是指设计者以计算机为工具，用各自的专业知识对产品进行规划、分析计算、综合、模拟、评价、绘图和编写技术文件等设计活动的总称。功能：几何造型，工程计算分析，模拟与试验，自动绘图特点：提高设计工作效率，缩短设计周期，加快产品的更新换代；提高设计质量；图纸输出格式统一，质量高，修改方便；减轻设计人员的劳动强度；有利于产品的标准化、系列化、通用化；有利于计算机辅助制造的发展。4、计算机辅助设计

(ComputerAidedDesign)

计算机辅助软件：UG、ADAMAS、SolidEdge、Catia、ProE等波音777飞机5、人工神经元算法(Artificialneuralnetworks)神经神经网络学习系统传入信号刺激样本神经中枢感受器输入部脑/脊髓/神经元胞体训练部（多参数模型、函数）运动神经元输出部信号传出效应器实际输出神经与网络学习系统的比较概念：借鉴人脑的结构和特点，通过大量简单计算单元(神经元)互连组成的大规模并行分布式信息处理和非线性动力学系统。原理：输入部接收外来的输入样本X，由训练部进行网络的权系数W调整，然后由输出部输出结果。特点：连续时间非线性动力学、网络的全局作用、大规模并行分布处理及高度的鲁棒性和学习联想能力，同时它又有一般非线性动力系统的共性。两个阶段：学习和计算

BP网络结构图中板断面平均温度概念：是基于生物界的自然选择与遗传机理的一种搜索算法，综合了适者生存和遗传信息的结构性和随机性交换的生物进化特点，使最满足目标的决策获得最大的生存可能。特点：遗传算法的一次迭代，相当于生物进化中的一代遗传，产生一组最大生成可能的新的人工物种。虽然具有一定的随机性，但是充分利用历经的信息来确定新的更好的搜索点。优点：应用广泛、非线性性、适应性、并行性组成：编码、适应度函数、遗传算子(选择、交叉和变异)、运行参数6、工程遗传算法(Geneticalgorithm)概念：复杂和简单系统、知识的描述、定性和定量的分析和决策、人机交互系统、知识的自动化处理与使用。原则：开放性；透明性；继承性；集成性。

7、智能工程(Intelligenceengineering)名称内容智能工程人工智能目的性利用具有智能的计算机去解决实际问题计算机智能化(模拟人的智能)学科之间联系应用导向的工程学科相互促进理论研究导向的学科相互发展研究内容知识的自动化处理及应用研究人类各种智能活动，判断、图像识别、规划，设计等研究方法计算机集成方法，力求近似于人类智能解决问题智能活动过程的机理，注重其普遍适应性概念：从产品的功能研究开始，对产品进行设计，或重新审查设计图样文件，剔除那些与用户要求的功能无关的材料、结构、零部件，代以更新的构思，设计出功能相同而成本更低的产品。

价值=功能/成本设计步骤：了解设计对象，明确要求的功能，分析成本的组成，进行价值初评，制定改进方案，获得价值最高的新产品。一般可先做技术评价，再分别做经济评价和社会评价，最后做综合评价。定量的评价方法：加权评分法、比较价值法、环比评分法、强制评分法、几何平均值评分法等。8、价值工程(Valueengineering)定义：用艺术手段按照美学法则对工业产品进行造型工作，使产品在保证使用功能的前提下，具有美的、富于表现力的审美特性。造型设计的三要素：使用功能、艺术形象、物质技术条件。应遵循的原则有：体现高新科技水平的功能美、符合三化的规范美、显示新型材质的肌理美、体现先进加工手段的工艺美、表达各造型因素整体调和统一的和谐美、追求时代精神的新颖美、体现色光新成就的色彩美。

造型设计要有机的运用统一与变化、比例与尺度、均衡与稳定、节奏与韵律等美学法则。9、工业产品艺术造型设计(Visualdesign)10、人机工程(Man-machineengineering)研究目的：就是设计一切器物都要考虑人们生活、工作的安全、舒适、高效。定义：从系统论的观点研究“人－机系统”中人、机之间的交互作用，研究人的生理和心理特征，合理分配人与机器的功能，正确设计人、机界面，使人、机相互协调，发挥最大的潜力。研究内容：研究封闭的“人－机系统”的每个环节的特性及信息的传递：主要感受器感受信息的范围(视野)、能力(视力)、差别(视差)；分析器感知、解释和处理信息的速度、时间、变化规律；执行器产生力的过程和范围，作出反应的速度和准确度；机器的控制器和显示器这个人－机界面如何设计，才能显示和控制在空间、位置、运动、人的习惯模式上相互协调，适合人的生理和心理特征，提高传递信息的准确度和速度，符合思维逻辑，创造良好的工作条件。人机合理分工的原则：机宜人、人适机。设计中应把笨重、快速、单调、规律性强、高阶运算及在严酷和危险条件下的工作分配给机器；而将指令程序的编制、机器的监护维修、故障排除和处理意外事故等工作安排人去承担。11、并行工程(Concurrentengineering)传统的产品开发模式是串行的：产品设计→工艺设计→计划调度→生产制造。设计工程师与制造工程师之间互相不了解，互相不交往，中间有如隔了一堵墙，效率低下。

并行工程能改变企业组织结构和工作方法，促进人们之间的相互理解，激励积极性，提高协同作战的能力，塑造良好的企业文化氛围，形成和谐的“社会－技术”系统。定义：对产品及其相关过程进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。要求：产品开发人员在开始设计时，要考虑产品整个生命周期中，从概念形成到报废处理的所有因素，充分利用企业内的一切资源，最大限度地满足市场和用户的需求。功能：利用计算机的数据处理、信息集成和网络通信的能力，发挥并行设计组的集体力量，将新产品开发研究和生产准备等各种工程活动，尽可能并行交叉地进行。这对换代快、批量不大的产品，能显著缩短周期、提高质量、降低成本。12、模块化设计(Modulardesign)概念：将系统根据功能分解为若干模块，通过模块的不同组合，得到不同品种，不同规格的产品。目的：降低程序的复杂度，使程序设计、调试和维护等操作简单化。特点：可以满足日益增多的多品种、多规格的要求。便于发展变型产品，更新换代，缩短设计和制造周期，降低成本，便于维修，产品性能稳定可靠；但对结合部位和形体设计有特殊要求。13、相似性设计(Similaritydesign)相似方法：把个别现象的研究结果推广到所有相似现象上去的方法。相似理论是现象模拟和研究相似现象的基础。概念：相似理论在产品系列化中的应用关键：找出相似系统各尺寸参数的相似比。方法：可用相似准则、方程分析、量纲分析列出相似比方程，求出相似比。先设计基型产品，确定产品系列是几何相似还是半相似，选择计算级差，求得扩展型产品的参数尺寸，确定系列产品的结构尺寸。14、摩擦学设计(Tribo-systemsdesign)摩擦学：研究相对运动表面的科学及有关的应用技术。由于摩擦损耗占世界能源总消耗量的1/3~1/2，在一般机械中磨损失效的零件约占全部报废零件的4/5，为节约能源、提高设备可靠性、发展高速机械和生产过程自动化，摩擦学发展迅速。概念：是机械构件的运动学设计、强度设计之后的重要设计组成部分，以摩擦、磨损及润滑理论为基础，以系统工程的观点，通过一系列分析计算和经验类比，合理设计机械零部件，采用先进材料和工艺，正确选择润滑方式和装置，预测并排除可能发生的故障，减少机械设备的摩擦损耗，达到经济的稳定摩擦率，提高设备的工作效率和运行可靠性。主要研究内容：1、摩擦与磨损机理

研究相对运动表面之间的物理化学作用和表面性能的变化，控制和预测磨损过程。2、润滑理论研究流体动、静压润滑、弹性流体动压润滑、边界润滑等理论3、新型耐摩减摩材料与表面处理工艺如陶瓷材料代替金属或作表面涂层；表面强化、表面润滑、表面复合处理等4、新型润滑材料

如高水基液压介质和润滑剂5、测试技术采用放射性同位素分析仪、红外线分析仪、振动与噪声监测仪等进行监测、诊断和早期识别。

15、三次设计(Threetimedesign)日本质量管理学家田口玄一在20世纪60年代提出一种设计方法：把新产品、新工艺设计分为三个阶段，称为三次设计法。系统设计：根据市场调查，规划产品功能，确定产品基本结构及组成该产品的各种零部件的参数，提出初始设计方案。系统设计主要依靠专业技术人员的专业知识进行。(基础)参数设计：在初始设计方案的基础上，运用正交试验设计方法对各零部件参数进行优化组合，完成最优设计方案。使产品的技术特性合理，稳定性好，抗干扰能力强，成本低廉。(核心)容差设计：在最优设计方案的基础上，进一步分析导致产品技术特性波动的原因，找出关键零部件，确定合适的容差，进而确定定差，并求得质量和成本的最佳平衡。(补充)16、反求工程设计(Inverseengineeringdesign)概念：反求工程是针对消化吸收先进技术的系列分析方法和应用技术的组合。内容：包括设计反求、工艺反求、管理反求等。方法：以先进产品的实物、软件(图样、程序、技术文件等)或影象(图片、照片等)作为研究对象，应用现代设计的理论方法，生产工程学、材料学和有关专业知识，进行系统地分析研究，探索掌握其关键技术，进而开发出同类产品。“求”－→“改”－→“创”实物反求设计的一般进程如下：1、准备工作：广泛了解国际国内同类产品的结构、性能参数、产品系列的技术水平、生产水平、管理水平和发展趋势，以确定是否具备引进条件。进行反求工程设计的项目分析、产品水平、市场预测、用户要求、发展前景、经济效益。写出可行性报告。2、功能分析：对实物进行功能分析，找出相应的功能载体和工作原理。3、实物性能测试：项目有整机性能、运转性能、动态特性、寿命、可靠性等。测试时结合实际测试与理论计算。4、实物分解：分解工作必须保证能恢复原机。不可拆连接一般不分解，尽量不解剖或少解剖。5、测绘零件：完成零件工作图，部件装配图和机器总装图软件反求工程设计的一般进程是：1、准备工作与实物反求设计相似。2、反求原理方案分析引进的软件资料，探求其成品的工作可靠性和能否达到技术要求。原理方案的科学性、技术经济方面的可行性、生产率的合理性与先进性、使用维护的宜人性、零部件加工与装配的工艺性、外观造型的艺术性等。3、反求结构方案分析资料，探求其结构要素的新颖性，新材料、新工艺的特点，先进技术的应用，如何创造性地满足结构设计原理。影象反求设计的一般进程是：1、准备工作与实物反求设计相似。2、确定基本尺寸根据影像形成原理分析确定影像中能反映的各种尺寸。影像多数为透视图，在掌握透视变换和透视投影的基础上，根据影像资料作出透视图，从而初定产品的外形尺寸、部件尺寸和一切能观察到的尺寸和外部特征。3、功能原理分析根据外部尺寸和结构特征，分析产品的功能原理、总体布局、性能参数、传动