现代设计方法基础-1绪论

现代设计方法基础山东理工大学交通与车辆学院焦学健一、从设计说起1、设计的概念设计是人类的一种重要创造活动，而且任何人类的创造活动必然包含设计。我们把根据功能要求，按步骤地、创造性地求解总体功能的各个解决方案的过程定义为设计。设计也是一种描述子功能和它们组装成整体功能的过程。2、设计的重要性决定一个产品在市场上成功与否的产品总体特征和产品特性都是在设计中确定的。设计是产品形成过程中所有后续工作的出发点。设计的结果，即产品的几何和技术特征是以工程图样、零件明细表、几何模型等诸如此类形式的文档表达并提供给后续部门。因此设计，亦即产品形态的确定在产品形成过程中占有核心的地位，同时作为信息源也具有特别重要的意义。3、设计对人的要求设计者要有理论知识，又要熟悉车间和加工设备。要充当科学认识与实际制造的调解人。对于工程师的培养来说，尽可能早地参与设计实践具有重要意义。设计创造要求一系列的能力，如：想像能力，推理、联想能力，逻辑思维能力，专心致志能力，良好的记忆，认真细致的工作态度，责任感，决断力，坚韧不拔的毅力以及对美学的敏感性。设计创造性活动不仅是一种目标明确的智力活动，而且还要求创造力及直觉的灵感。4、设计过程的计划对于开发技术产品来说，有计划的行动在设计时可能是很有益的。设计过程可以通过设计方法学系统地、透明地、高效地形成。设计方法学把操作指南提供给技术系统的开发和设计者，其目的是为了系统地制定设计方案。它考虑了设计科学、心理学知识以及在应用中得到的经验。有计划的工作方式是通过把设计过程分解成一个接一个的顺序段，即设计阶段来实现的。5、设计过程的划分（1）根据设计方法学的观点，设计过程可以划分为“规划”、“方案设计”、“结构设计”、“施工设计”四个设计阶段。各设计阶段又可划分为若干个设计步骤。这些阶段和步骤的划分意味着设计从抽象到具体；从定性到定量；从全局到局部；从系统的上层结构到下层结构。可将设计过程概括描述如图所示。任务需求分析与可行性论证制定设计任务书构造设计模型确定功能结构确定设计方案结构草图设计产品总体设计拟定制造使用说明后续的工作各步骤的一次或多次循环任务规划阶段方案设计阶段结构设计阶段施工设计阶段（2）深入研究各个阶段的主要任务，可将设计划分为：(a)功能设计确定产品功能和结构之间的对应关系。(b)布局设计完成技术实体部分(零部件)的排列组合。(c)参数设计定义零部件的几何形状及尺寸参数。(d)公差设计制定形状、位置及尺寸精度。可见，设计任务不同，设计变量亦不同。（3）针对整个设计过程中，各设计任务所占的比重又将设计划分为如下设计类型：(a)新设计这是一种从无到有的开发性设计。或者从概念设计、功能设计开始，或者重新排列组合现有的、或新的零部件来达到设计目的。新设计需要创造性的思维。(b)适应性设计其特点是保持总体布局不变，修改个别零部件的功能或形状以适应质和量方面的附加要求。(c)参数化设计其特点是功能、布局、零件的几何拓扑关系均保持不变，仅改变零件的尺寸参数，产生系列化的设计结果。据统计，机械制造领域的设计工作有56%属于适应性设计，20%属于参数化设计，只有24%属于新设计。某些标准化程度高的领域，参数化设计达到50%左右。由于适应性设计和参数化设计的比例很高，所以使设计方法及设计手段科学化、系统化、现代化，实现CAD是非常必要的。设计草图方案设计阶段设计思想方面，必须站在为使用者服务的基点上，能给人们带来使用上的最大便利和精神上以美的享受，要认真贯彻“实用、经济、美观”的设计原则，要注意从实际条件出发，避免主观片面性。设计方法方面，要做多方案的探讨和比较。在开始构思时就要力求多种多样的办法，尽量探索一切可能性，力求思路开阔，而切忌从最初的构思开始就只有一个办法。在众多的方案中经过比较、分析、淘汰、归纳，方案越来越少，越来越精，并综合和集中各方案的优点，最后才发展成为成熟的好方案。方案定稿模型制作

产品模型能直观地表现产品造型的空间关系和立体形象。模型的制作，是对设计图纸的检验，更是对整个构思的检验。它可以补充图纸在表达上的不足，便于暴露问题，发现问题，以便得到改进。模型制作的过程，是深化构思、完善造型设计的过程，是表达设计意图的重要手段。色彩设计①确定色调通过对市场的调查，参照用户的意见和要求，来确定机柜的基本色调，如暖色调或冷色调，明色调或暗色调等。②制作色板依据所确定的基本色调，制作若干个小色板。在这些小色板中进行配色，通过比较，最后选出几个比较理想的色彩，制作比所画机柜外形视图略大一些的大色板。③进行配色用白纸画出机柜的外形视图，然后用美工刀或剪刀沿着视图的外轮廓线将视图挖切掉，形成与机拒外形相同的外形窗框配色时，将色板放在窗框的后面，逐个进行配色，找出较为理想的配色方案。制作样机设计评价汽车设计产品设计程序6.设计类型与设计方法概述设计的类型:1）创新设计;2）适应性设计;3)变参数设计设计方法的发展:17世纪前的“直觉设计阶段”；17世纪后的“经验设计阶段”及其后形成的“传统设计阶段”；现代设计阶段现代设计与传统设计的关系:

Ⅰ

继承;Ⅱ

共存与突破

创新设计:

创新设计是在国内外尚无类似产品或结构，亦或设计原理、设计方案都未知，只根据产品、结构的总功能和约束条件，进行全新的创造。适应性设计

适应性设计是在总方案和原理不变的条件下，对已有产品、结构或性能进行局部的改进更新，以适应新的需求。

变参数设计:

变参数设计是在总体结构形式、工作原理不变的条件下，仅对结构的布置、参数或尺寸的大小加以改变，来提高性能。这在系列产品设计中常用。二、关于现代设计方法设计的思想和方法一方面不断地影响着人类的生活与生产，推动社会进步，另一方面又受社会发展的反作用，不断变化和更新。为了反映设计思想和方法随社会发展的变化，人们通常用“传统设计”和“现代设计”这两个术语。CAD/CAE/CAM系统及可靠性设计、优化设计的应用设计方法的发展如创新设计、虚拟设计、机电产品造型设计、可靠性设计、优化设计、人机工程学设计、绿色设计、稳健设计、并行设计、模糊设计、智能设计和反求设计等等。现代设计方法的主要内容1、信息论方法—现代设计方法的前提，如信息分析法、技术预测法等。

2、系统论方法，如系统分析法、人机工程以及面向产品生命周期中各个阶段的设计。

3、控制论方法，如动态分析法等。

4、优化论方法—现代设计方法的目标。

5、对应论方法，如相似设计、反求工程设计等。

6、智能论方法—现代设计方法的核心，如CAD、CAE、并行工程、虑拟设计、人工智能等。

7、寿命论方法，如可靠性设计、价值工程和稳定性设计等。现代设计方法的主要内容8、离散论方法，如模糊评价和决策等。

9、突变论方法—现代设计方法的基础，如创新性设计等。

10、艺术论方法，如艺术造型等。本课程重点讨论的一些设计方法都是发展历史较长、理论较成熟和应用较广泛的现代设计方法，包括计算机辅助设计、产品造型设计、计算机辅助工程CAE、优化设计、机械可靠性设计等五个方面。现代设计方法简介一、概述现代设计方法二十世纪六十年代以来，机械产品设计领域相继出现了一系列新兴的理论与方法。为区别于过去的传统的方法，把这些称为现代设计方法。一、现代设计方法概述现代设计是传统设计的深入、丰富和完善。现代设计：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，以现代技术手段为工具，考虑产品的全生命周期和人、机、环境相容性等因素的设计。借助计算机，应用精度较高的分析方法（如有限元方法等）进行分析计算，从大量的可行设计中寻找最优的设计方案，实现用理论代替经验设计，用精确计算代替近似计算，用优化设计、绿色设计代替一般的安全寿命的可行性设计。其目的是为了提高设计的主动性、科学性和准确性。1、现代设计手段

(1)计算机辅助设计CAD

计算机绘图

(2)计算机辅助几何建模

实体或曲面模型图

(3)工程分析与计算

CAE--有限元或动力学

(4)智能设计与专家系统

人工智能与神经网络专家系统

提高决策判断能力

(5)数据库管理系统设计

设计数据的集合

2、现代设计特征(1)设计手段的更新

传统图板、图纸电子文档(2)产品表示

二维三维(3)设计方法的发展

有限元、优化、模态、并行设计、虚拟设计、计算机仿真(4)工作方式

串行设计并行设计＜＜数据库与网络技术(5)设计制造一体化

CAPPNC(6)管理水平的提高MIS、PDM、ERP(7)组织模式的开放

内部封闭设计多企业异地设计优势互补、资源共享传统设计：生产经验、力学、数学公式静态现代设计：摩擦学、模态、可靠性、疲劳动态3、现代设计原则(1)功能满足

前提(2)质量保证

性能、可靠、强度、刚度、稳定、动态特性等(3)工艺优良可制造性、可装配性、可测试性、

(4)经济合理较低的开发成本和使用费用(5)社会使用（社会价值）

环境友好适应(绿色工程)、人机友好(以人为本)、可维修、安全性、可安装性、可拆卸、可回收(6)管理水平的提高MIS、PDM、ERP(7)组织模式的开放

内部封闭设计多企业异地设计优势互补、资源共享传统设计：生产经验、力学、数学公式静态现代设计：摩擦学、模态、可靠性、疲劳动态3、现代设计原则传统方法现代方法经验、类比逻辑、推理、系统静态、少参数

动态、多变量、多方案当然,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使用，它们仍是现代设计方法的重要组成。具有系统性、创造性、综合性和程式性主要现代设计理论与方法

设计方法学优化设计可靠性设计计算机辅助设计有限元法工业设计专家系统价值工程相似性设计动态设计人工智能模块化设计摩擦学设计反求工程计算机辅助设计

1．概念以计算机为主要技术手段，来生成和运用各种数字信息和图形信息进行工程或产品设计。在制造工业中CAD技术已经成为先进制造技术群中的一项主体关键技术。2．CAD技术的优越性①能显著提高设计效率提高结构设计和工程制图的速度②有利于产品的标准化、系列化可利用存储的信息及数据库中的标准件。③设计与分析统一利用CAE软件进行性能分析④设计与制造一体

CAD数据可生成数据代码，用于数控机床加工。

设计方法学

1．概念用系统观点，考虑自然科学、社会科学经济学诸因素以获得优质，价廉新颖的产品，所应用的设计思想、设计规律及设计中的设计过程、设计方法和设计工具的总和。2．主要研究内容①设计规律。设计工作应符合客观事物发展规律②设计思维规律。设计人员运用科学的创造性思维规律、方法和技术③设计过程。研究各设计阶段的任务与特点寻找符合设计规律的设计方法。④设计步骤。研究解决问题的合理逻辑步骤。⑤设计类型。研究不同类型的设计特点及方法步骤。⑥设计信息库。大量设计信息的表达存储和使用。⑦设计工具。研究先进的高效的设计工具

工业设计

1．概念以工业产品为表现对象，在满足工业属性的前提下，用艺术手段创造出实用、美观、经济的产品。2．基本特征①批量性：有一定批量有工业属性，不同于工艺品②创造性：区别于仿制，是一种创造活动③实用性：考虑产品的规定功能④艺术性：造型美是产品整体设计体现出来的全部美的综合⑤舒适性：考虑操作的生理和心理因素⑥经济性：应用价值工程学、设计物美价廉的产品⑦时代性：产品具有时尚性和流行性⑧社会性：考虑消费者的社会属性和社会环境价值分析1．概念以功能分析为核心以开发创造性为基础，以科学分析为工具，寻求功能与成本最佳比例，是产品获得最大价值的一种现代管理技术。2．分析程序（过程）①确定价值分析对象②进行成本分析和功能价值估算③应用最新成果进行革新和创造提出新方案。④对新方案进行评价和决策。

专家系统1．概念在专家水平上工作的计算机程序系统。2．应用特点①具有该领域专家的丰富知识②具有该领域专家的专门知识和推理能力模块化设计1．概念对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能，不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分设计出一系列的功能模块，通过模块的不同选择，可构成不同的产品。2．优点：①减少产品的设计和制造时间