第一章机械设计学概论

第一章机械设计学概论2023/12/28第一章机械设计学概论教学安排本课程共分七章第一章机械设计学概述２第二章机械创新设计原理与方法４第三章机械功能原理设计８第四章实用化设计及其技术方法１２第五章商品化设计８第六章评价与决策４第七章设计试验.４第7—12周共48学时其中课堂讲授42，总结复习2，机动2，考试２考试时间：07.01.05，19:00～21:00第一章机械设计学概论第一章机械设计学概论第一节机械产品设计的重要性和关键步骤

第一章机械设计学概论第一节机械产品设计的重要性和关键步骤

１.重要性

随着工业生产的发展，机械产品的功能和结构日趋复杂，产品设计在整个生命周期内占有越来越重要的位置。通常，产品的设计成本只占产品总成本的5%，而往往决定70%～80%的产品总成本。我们所处的二十一世纪是市场经济国际化、全球一体化的世纪，产品竞争是国际化的竞争，竞争日益加剧。为了适应这一需要，世界各国普遍重视提高产品的设计水平，以增强产品竞争力。产品设计的根本目的就是要创新产品，满足市场需求和占领更大市场。产品设计本身是创造性的劳动，设计的本质是创新。因此，重视创新设计是增加机械产品竞争力的根本途径。第一章机械设计学概论第一节机械产品设计的重要性和关键步骤2.机械产品设计过程的主要步骤对于机械产品设计过程的不同理解，从本质上说是由于对设计的内涵有不同的认识和对设计理论有不同的理解。设计过程的模型国内外已有很多的论述，归纳起来主要有三种：

一是Pahl和Beitz认为：机械设计分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计等四个阶段[1]。

二是Koller认为：机械设计分为产品规划、功能设计、定性设计和定量设计等四个阶段[2]。三是邹慧君教授提出：机械设计分为产品规划、方案设计、详细设计和改进设计等四个阶段[3]。总之，产品设计过程中十分重视的步骤是功能设计、定性设计。第一章机械设计学概论第二节现代广义设计观什么叫设计？至今人们有着不同的理解和解释。但不弄清设计的内涵与实质，就不可能对设计过程的特征、规律、原理原则、方法步骤等等，有一个清晰的认识，更不会将现代设计法作为一门多元交叉的横断学科去加以总结研究，从而在根本上就不可能将整个设计提到更高的水平。但首先必须建立现代广义设计观，即对设计、广义、现代三个术语有一个正确的观点。第一章机械设计学概论2.1设计的内涵及种类一、设计的内涵

英文Design(设计)，起源于拉丁语Designare。由De（记下）与Signare（符号、记号、图形等）两词组成。因此，Design的最初含义为将符号、记号、图形之类记下来的意思。随着生产的不断发展，科学技术的进步，设计不断向深度和广度发展，以至人类活动的一切领域几乎都离不开设计。面对种类繁多、形式多样的设计，日本川添登在他的《什么是设计》一书中，通过对人、社会、自然三者间的相互关系分析后提出，有三类设计：传递表达设计（CommunicationDesign)产品设计(ProductDesign)环境设设计（EnvironmentalDesign)如图1—1所示。第一章机械设计学概论图1—1三类设计的相互关系人的个体，通过复杂的组织机构加以集合，组成社会，进而构成当今的世界。人们用语言、文字、图形、符号等等用来构通人们的思想。整个社会就是依靠这类信息的传递表达来实现其功能的。因此人与社会之间通过传递设计相联系。自然界既是人们生活、工作、活动的场所，又为人们提供赖以生存的一切必要条件。人与自然界的关系是索取与提供的矛盾。人们通过产品设计不断加强、提高自身的机能以便更好地利用、开发、改造自然，使之更好地为人类服务。社会：人的个体，通过复杂的组织机构加以集合，进而构成当今的世界。语言、文字、图形、符号等等用来构通人们的思想。整个社会就是依靠这类信息的传递表达来实现其功能的。因此人与社会之间通过传递设计相联系。第一章机械设计学概论图1—1三类设计的相互关系这三类设计既有差别又不能绝然分开。传递表达设计、环境设计中涉及到产品设计，产品设计中涉及到传递表达设计，如各种显示装置的设计和环境设计（如工作位置、空间环保等设计）。当代一些环境设计往往也包含有传递表达设计的内容，如长江大桥桥头堡的造型设计。第一章机械设计学概论2.1设计的内涵及种类

由此可见，通过人—社会—自然三者关系，将广义设计分为三种类型有其一定的科学道理，但是这种分类法对现代设计的内涵、特点、实质和形式以及所采用的设计方法等方面均未能清晰地表达出来。如果避开传递表达设计中那些较为特殊的设计，例如广告、路标等设计，那么根据系统论原理，整个设计基本上可按图1—2所示来划分。人—机器—工作—环境组成了一个完整的总系统，彼此之间相互作用影响。由此可得到四种类型的设计：环境设计，系统设计，产品设计和零件设计。

1.环境设计

环境设计包括区域规划，房屋、道路、桥梁等等设计，为人们提供工作、学习、生活、活动空间。这类设计的特点是带有“战略”意义的、一次性设计施工，设计优劣的判断准则为对客观情况发生变化时的适应性如何，而这种客观情况的变化往往事先很难详细预料。

图1—2第一章机械设计学概论2.1设计的内涵及种类2.系统设计所谓系统是指具有特定功能的、相互间有着有机联系的若干个要素所组成的一个独立整体。系统设计就是指这类整体的设计。系统可分为两种：一种为流系统，有一组输入流（为物质流、能量流、信息流）通过提供统一性共同的要素（如子系统，机器、设备或装置等）进行传递转换，最后变为一组输出流。如供电系统、通信系统、供水系统，一个工艺流程，一条生产流水线等等均属该种流系统。另一种为结合系统。它由两组或两组以上的、自成系统的要素组成，各组要素有各自的输入流并产生各自的输出流，通过各要素的有机结合来实现系统的总功能。例如一辆汽车，有它的传动系统、电路系统、供油系统、制动系统、冷却系统、润滑系统、操作系统等等，各系统有各自的输入和输出量，这些系统的有机结合便组成一辆汽车，实现汽车的总功能。这两种系统在性质上有所不同。流系统中各组成要素间的连接，相对而言呈“柔性”连接，而结合系统各要素间的连接呈“刚性”连接。因此，前者的系统设计往往包括提出流系统的总体设计要求，各种流的流程综合，各组成要素的位置布置及接口设计等等，但不包括各要素的设计。图1—3为一典型的流系统设计示意图第一章机械设计学概论2.1设计的内涵及种类图1－3流系统设计过程

提出流系统功能提出流系统要求物质流功能综合—工艺流程机器位置综合—机器流程图能流功能综合—能量流程图信息流功能综合—信息流程图接口设计1接口设计32流系统设计机器设计产品设计第一章机械设计学概论2.1设计的内涵及种类

产品设计是指由许多零部件甚至是分系统集装而成的整体以实现一种或一组功能的这类设计，包括结合系统的设计。例如发动机，汽车，电动机，泵。这类设计的特点一般较复杂。方案构思，总体设计，零件的材料，尺寸、结构形状，加工要求以及零件间的装配位置等方面的变化往往对产品的性能，质量，成本影响很大。因此，设计人员需花很大的努力才能得到满意的设计结果。

零件设计是指不能再分解的、由单一材料组成的单元体的设计。大多数情况，针对不同的产品，这类零件需要单独设计。根据整个产品的设计要求不难确定对这些零件的设计要求。此外，常用零件的设计，多设计成标准件或通用件，设计时只需要注意规格的选择及互换性要求。第一章机械设计学概论2.1设计的内涵及种类通过上述人—机—环境间的相互关系的分析，将绝大多数设计归为四种类型，这样就比较清楚地揭示了各种设计的内涵、性质、特点、要求及其与设计方法之间的关系。在实际中，由于设计项目不同，设计类型的侧重是不同的。有的侧重于环境设计，有的侧重于流系统或产品设计，也有的涉及全部设计类型。但不管哪类设计，都涉及到三大要素：人、机器和环境。这里的机器是指广义的机器，包括工具、用具、设备、设施等。人、机器与环境构成了完整的系统。因此设计时应从这种系统角度来考虑。又由于人与机器在设计中所占的侧重不同，产生了两种基本设计指导思想：见图1—4图1—4两种设计指导思想示意图以人为中心，逐步向机器、环境扩展（见图1—4b）。图1—4a是以机器为中心，逐步向人，环境扩展，这是广大工程技术人员所习用的设计思路；从理论上讲，只要真正从系统设计角度来考虑，这两种设计指导思想均是正确的，只是针对不同的矛盾采用不同的思想方法而已。第一章机械设计学概论2.1设计的内涵及种类一般的设计过程不管大到一个机电产品（或系统），小到一支自动铅笔，整个设计总是在一定的时间和空间内，按自身的规律进行的。这个过程如图1—5所示。图1—5设计一般过程框图从人需求出发提出设计任务调查研究掌握信息提出明确、详细的设计要求方案构思初步评价方案选择模型确定参数详细设计信息交流制造方案硬件化批量生产投入使用样机试验设计评定

没有客观的需求，就没有设计任务，因此一切设计起源于客观的需求，又归宿于满足这种需求。设计的过程就是将提供的资源转化为技术装置以满足客观需求的过程。在这过程中，各个步骤之间存在着严密的逻辑关系，既不能颠倒，也不能随意跳越。产品投入使用后，该产品的设计暂告一段落。随着时间的推移，产品的竞争、销售地点的不同，原来能满足需求的产品，可能会变成不能满足客观需要，于是对产品又要进行改进设计、进行新的循环。产品就是经过这种反复循环，不断改进、更新、升级甚至换代，呈螺旋型向前发展的。在一次设计过程中，为了获得满意的产品设计，在各个步骤间也存在着各种循环。因此设计又是一种根据各种信息反复作出判断的过程。但图1—5未能生动地反映出设计过程如何在时间与空间范围内运动，更未能形象地反映出设计过程与各种知识软件间的关系，从而未能进一步揭示设计的实质。第一章机械设计学概论2.1设计的内涵及种类所谓设计形态是指设计过程所表现的形式、状态。可用图1—6可以形象地表达出产品设计与时间的关系。在整个设计过程中，“详细设计要求”是后面设计、制造加工、设计鉴定及用户是否尝试的依据，它像一个圆筒一样笼罩着后面各项工作。这样，我们不难设想设计要求实际上起着一种边界的作用，将整个设计“空间”分为内外两部分：内部为设计应遵循的各个过程，其任务是使资源转为“硬件”以满足需求，这是设计的最终目的，故称这一内部空间为设计核心；外部为支持设计所需的各种“软件”，它包括自然科学、技术科学、社会科学等必要的知识、经验及技能。设计的过程，实际上就是一方面遵循设计自身的规律进行运动，另一方面随时随地调用外部软件进行反复信息交流的过程。图1—６设计进展模式第一章机械设计学概论2.1设计的内涵及种类

上述设计形态是根据产品设计过程剖析得出的，对于环境设计，流系统设计，零件设计同样适用，只是设计核心的内涵有所不同。因此，这种设计形态具有一定的普遍性。总之，设计的实质是：根据客观需求，通过人们创造性思维，经过反复判断，作出决策并用各种设计模型使之定量化，借此将提供的资源（人、物、信息）转化为技术装置、设施或系统（包括社会系统）以满足人类与社会的功能要求，并取得最满意的社会与经济效益。一个设计人员若想更好地胜任当今的设计工作，不仅要充分了解掌握设计核心部分的内在特点、规律、原理、原则，步骤与方法，了解掌握外部设计软件的各种知识，并且还必须具备科学思维方法，分析、综合判断各种信息的能力，集各种知识和技能于整个设计中的才能。第一章机械设计学概论2.2广义化是当代科学的重要特征一、广义化是科学综合性、交叉性的必然结果社会科学与技术科学的复杂性，引起综合解题与交叉解题的必然性，这种综合与交叉又导致了科学技术、概念、方法、名词的广义化。目前“工程”“设计”等词已扩大理解为包括社会问题；“法”字已不仅指方法，还包括法规、规律、途径、步骤等等；“数据”不仅指数字，实际上是指一切信息的纪录（包括图形、法则、数值、消息等）；“机构”一词现已理解为机械、电气、液压、气动、小五金部件等；名词术语的广义化，也说明了只有跨行业、垮学科才能解决一项工程问题的必然趋向。优化方法过去往往被理解为数学规划的最优化方法，其实，这是一种误解，实际包括数学方法、计算机方法、试验方法、方法论、设计观等都与优化有关，所以我们从开拓事业出发，为了达到真正的全域优化，必须提倡“广义优化”，它是现代设计的目标。另外，优化域内的优化与非优化域内的优化同等重要，因为大量的现象是在非优化域内，真正在优化城内的情况为数不多的。因此，要减少在非优化域内的失误，尽然找不到最优点，也要趋近于最适宜的区间。第一章机械设计学概论2.2广义化是当代科学的重要特征二、广义化飞跃的条件1．传统的事物与系统是非常牢固的稳态闭式系统，因此，只有首先使这些系统变成开式的动态系统，才有可能广义化、交叉化；2．稳态闭式系统具有强大的自回归力，只有远离稳态平衡点，才能进入飞跃能量级最高的边缘点、交叉点、空白点，从而产生突破；3．事物发展呈非线性动态方程的多种解，即具有多种结果的可能，所以必须抓住某一关键变量波动的机遇，获得优化的定解。但要做到这一点必须眼观六路，正如双眼视觉灵敏度比单眼不仅高6～10倍，而且具有立体感一样，我们必须吸收更多的“论”进行广义化飞跃，肯定地说：“三论”要比系统论“一论”高明，“十一论”则比“三论”又开阔得多，人们只有欢迎更多的“论”，才能适应与解决日新月异的科学进程与社会发展。第一章机械设计学概论2.2广义化是当代科学的重要特征三、广义化若干范畴1．术语革命化：人类的科学史也是一部术语的产生和演化的历史，“术语”是人类认识自然与社会的深度与广度的标志。从价格到剩余价值、从以太到量子、从通讯到信息、从设计方法到现代设计法学、从语言学到计算语言学等，都深刻地反映了自然与社会革命。赶时髦与采用新术语、新方法就会自然地得到新成果的观点是庸人之见。2．视野扩大化：科学革命往往从扩大视野引起，从“膜”的作用到渗透、反渗透的膜技术、筑路不用石、运动不用机械等等，都是视野扩大化的结果。3．学科复合化：现代科学发展与成果许多来自技术复合、房子与环境复合、住舍与电脑复合、多种功能复合、硬件与软件复合、产业之间的复合、技术科学与人文科学复合等等。单一学科的作用愈来愈受到限制，跨学科与交叉学科的贡献愈来愈大。4．解题全域化：解题指解决问题的方法、方案、途径，这本身反映了广义化，不仅指解数学题，更主要的指解广义题。在现代广义设计中，解题仅仅达到一个目标、少量指标是完全不够的，追求的是全局上的广义优化，这样才能满足人类的需要。运用交叉化、广义化的飞跃，就能开创微观与宏观领域广义设计现代化的新局面。第一章机械设计学概论2.3现代机器的分类、组成与设计特征

一、分类通常按机器使用性能分类，如分为万能机械、专用机械与专门化机械，或分为工作母机、工艺机械、施工机械等。随着机械化、自动化的发展，当前机械的分类，出现了依据“生物空间”三坐标即智能度（感觉、记忆、学习、判断等）、机能度（通用性、变通性等）、物理能度（力、速度、可靠性、均一性、连续工作能力等）来加以划分。一般机械属于一元机械（只考虑物理能度），机械手、自动机与数控机械等属于二元机械，机器人则属于三元机械。二、组成二元机械有下列几部分组成：1．执行机构：常用油缸与油马达、气缸与气动马达、交直流伺服电机、脉冲电机、电磁铁与电液脉冲马达等；2．控制系统：常用插件、穿孔带、插销板、磁带、磁鼓与凸轮鼓等；3．检测与反馈系统：按介质分为电、气、机与液压等；按信号分为模拟式、数字式与开关式等；按信号量分为电压、电流、压力、位移与脉冲等。内部信息传感器，模拟式的有电位计、自整角机、旋转变压器与差动变压器等；数字式的有脉冲发生器、编码器与磁尺、霍尔元件等；开关式的有限位开关、接近开关与光电开关等。第一章机械设计学概论2.3现代机器的分类、组成与设计特征外部信息传感器，接触式的有压力传感器、集电器、微型多点开关等；无触点式的有电磁接近开关、光学开关、超声开关与流体开关等；最新型的为图像识别（可用镜子反射电子按收与多应变片多通道接触反映等）。机械手与数控机械主要以电子部分为中心，液压部分主要是执行的手足。其液压系统主要对液压源的要求（过滤、温度控制与配置等）较高。机械手的液压系统特点如下：1．力减轻手臂的重量，活塞杆中间常为流道，以便防止管道密布；2．液压源可单独自成体系或借助整机的油压源；3．失电时应为卡紧与上升位置；4．一般不要求调速，所以泵的流量要选择恰当；5．压力多取3MPa左右，不大于6MPa；6．缓冲是很重要的，因为有定位要求。数控机械的液压系统主要是高要求的液压源与电液脉冲马达的结合，没有多少中间元件，因为变速、换向都是由步进电机的电信号控制，机械部件往往只作支撑与连接元件。第一章机械设计学概论2.3现代机器的分类、组成与设计特征根据对现有机械的分析，现代机械的设计具有下列四大要求：1．三性统筹：即可靠性、适用性（包括先进性）与经济性加以统一的辩证的考虑，而以可靠地满足工作性能为基准，反对不切实际地强调先进，反对不讲求经济效益；2．人机配合：即一定要把人的因素考虑进来，为用户服务，为使用者着想；3．四位一体：即四种传动（机械、电气、液压、气动）要有机地匹配，各得其所，发挥专长；广义的“机”包括气、液、光电系统，可简称为“机电一体化”；4．多方兼顾：即设计、制造、管理、使用、维修、保养要全面地综合分析，贯穿到一台产品中去。要满足这些要求，参数变量可以说是成百的，甚至更多，所以现有常规设计法（或称古典法、经典法、惯用法）已不能满足具体的发展需要。常规统计的经验公式法、近似系数法、类比归纳法、规范手册法等虽然简单，但显示其保守与不符实际动态情况，在光怪陆离的多变参数面前，它完全无能为力。现代设计与分析方法在这种新形势下必然发展起来。第一章机械设计学概论2.3现代机器的分类、组成与设计特征在生产实践中，工程设计的类型是很多的，据统计，机械工业中只有40％的机械是已经设计过的，它们具备一定的设计资料，而另有60％的机械还未曾设计过，没有设计资料，许多老的机械则大量的需要更新换代。由于重新设计参照的原始条件不同，所以进行设计时常会遇到下列三种不同类型：1．开发性设计：是在不知道设计方案、设计原理的情况下，从对产品的抽象要求出发设计出质和量方面都能满足要求的产品。最初蒸汽机的设计就属于开发性设计。2．适应性设计：在总的方案原理基本保持不变的情况下对已有产品进行局部变更，使它适应于在质和量方面的某种附加要求。这里，局部方案原理是有所变化的，如在汽油发动机中设计汽油喷射装置代替传统的汽化器，以满足节约燃料的设计就属于适应性设计。3．变异性设计：在方案原理和功能结构都不变的情况下，改变现有产品的结构配置和尺寸，使之适应于量的方面有所变更的要求，比如由于传递扭矩或速比发生变化而重新设计减速器的传动系统和尺寸的设计就属于变异性设计。在其他科学领域的设计也不外乎这三种类型，这样多变的设计类型，要求我们在现代设计中摸索一套普遍的规律，以便遵循这种理性化的法则，较好的达到最终的设计目的。第一章机械设计学概论2.4现代设计与传统设计什么是现代设计？现代设计有什么基本特征？这是工程设计界所关心的一个议题。由于机械工程是工程系统中比较典型而又具代表性，所以我们以机械工程设计领域为剖析对象探索一下现代设计的一般特征。第一章机械设计学概论序号比较内容传统设计现代设计１设计性质面向问题偏重于技术面向功能目标，将技术、经济和社会环境因素结合在一起统筹考虑，具有工程性，虽重视设计内容亦强调设计进程管理。２设计进程战略进程和战术步序上有随意性强调设计进程及其步序的模式化（层次、条理和逻辑性）。３设计手段电算器（过去为算尺）、图板加手册，个体手工作业充分利用电子计算机进行计算、自动绘图和数据库管理，集团分工协作。４设计方式以经验总结、规范依据为主强调预测与信号分析及创造性的相互配合。５设计部署只限于从方案到工作图这个阶段除常规的设计外，还要考虑从用户需求（市场预测）到设计评价（可行性研究）及制造阶段的结构设计工艺性修改以及试运转和使用维修经验的反馈。６设计思维面向结构方案的“收敛性思维”面向整机总功能目标的“发散性思维”７设计方法采用少数的验证性分析以满足限定的约束条件多元性方法直接综合使其在各种条件下实现方案与全域优化目标。８设计对象局限在元件和结构更注重机械系统的全局构成，包括造型艺术９设计工况避开复杂问题只按确定工况与静态考虑研究动态的随机工况、模糊性与其他一系列设计中复杂问题的深化细解１０设计评价采用单项与人为的准则（如强度、刚度、成本等）采用科学的模糊综合评价第一章机械设计学概论2.4现代设计与传统设计总之，现代设计是指：1．二十世纪九十年代前后初步成熟且在今后一个相当长时期内继续发展与研究的设计与分析方法学（时域特征）；2.在盲目的、经验的、感性的、类比的基础上，上升到自觉的、科学的、理性的、逻辑的设计与分析方法学（哲理特征）；3．能大幅度地提高设计的稳定性、准确性与快速性的设计与分析方法学（质量特征）；4．在稳态分析基础上考虑多变量动态特性以广义优化为实现目标且运用自动设计工具的设计与分析方法学（目标与手段特征）。第一章机械设计学概论第三节现代设计方法学的产生与范畴3.1设计发展简史由于机械设计方法学是在机械设计的基础上发展起来的，因此其早期的历史实际上就是机械设计的历史。自从有了人类，便伴随有设计。在漫长的历史长河中，设计工作大致经历了三个阶段：一、直觉设计阶段大量的出土文物和历史记载表明，我们的祖先最早利用自然材料制作石器、棍棒，建造房屋，兴修水利。为了有效地进行生产以及防御野兽的侵袭和他部落的掠夺，人们进一步学会了制作弓、箭、杠杆、辘轳、轮车、风车、水力机械、畜力机械等等。当时人们或是从自然现象中直接得到启示，或是全凭直观感觉来设计制作工具、机械。最初只知道这些工具能省力，提高工效，但不知其所以然。这就驱使一些人去分析研究各种现有工具和装置的工作机理，并将其与数学结合起来，逐步产生了力学和机械学。这就为改进设计方法提供了必要的理论基础。第一章机械设计学概论二、经验设计阶段自十七世纪数学与力学结合后，人们开始运用经验数学公式来解决设计中的一些问题，如材料、结构件的应力和强度计算，机器功率及成本计算等等。十八世纪工业革命后，当时的创造发明像雨后春笋般不断涌现。十九世纪是科技发展史上一个重要时期。但是，当时还不可能提供更多的设计理论与方法来指导人们的设计，借助图纸来设计是到二十世纪初才出现的。这一阶段设计的特点是主要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、模拟和试凑等设计方法来进行的。一般而言，经验设计只能满足基本的功能要求，在成本，性能，质量诸方面都有很大局限性。它的完善周期长，一个产品从发明到实际应用往往需要几十年甚至上百年的演变过程。第一章机械设计学概论三、半理论半经验设计阶段一、半理论半经验设计阶段的进展与特点二十世纪来，图纸设计法替代了试凑法，大大提高了设计的效率和质量，减少了设计中的浪费。随着科技的进步，实验手段的加强，在进一步提高设计水平方面，取得了如下进展。1．.加强设计基础理论和各种专业产品设计机理的研究，如材料应力应变，摩擦磨损理论，零件失效与寿命的研究，内燃机原理与设计，机床、刀具设计等等，从而为设计提供了大量信息，如设计数据、图表、图册、设计手册等等。2．加强关键零部件的设计研究。整机设计成功与否往往决定于关键零部件。根据船舶、飞机设计所采用的模型风浪试验、风洞试验的成功试验，五十年代后期，人们开始加强了关键零部件的模拟试验，大大提高了设计速度和成功率。3．加强了“三化”研究，即零件标准化，部件通用化，产品系列化。后来又提出设计组合化。这便进一步提高了设计的速度、质量，降低了产品的成本。由于加强了设计理论和方法的研究，与经验设计相比，其特点是大大减少了设计的盲目性，有效地提高了设计效率和质量并降低了设计成本。至今，这种设计方法仍被广泛采用。第一章机械设计学概论三、半理论半经验设计阶段二、半理论半经验设计法的局限性（1）从理论上讲，这些设计理论主要集中在揭示具体设计对象的内在机理上，而未能将“设计”本身作为一门学科来加以研究。（2）从设计方法论讲，这阶段设计方法未能将局部与系统、定性与定量、静态与动态、量变与质变、技术与经济、技术与美学、设计与销售、硬科学与软科学等关系辩证地加以统一起来，融会贯通于整个设计中，因而在设计方法上还仍有较大的局限性。（3）从设计本质讲，任何设计都应包含有创造性思维的过程。这正是设计工作有别于其他工作的一个根本特征。然而，这阶段的设计未能将创造性设计提到应有高度来认识和研究。综上所述，如果把这阶段设计称为传统设计法的话，那么从这种设计法的不足不难看到“一个新世界”正在孕育诞生。第一章机械设计学概论3.2现代设计方法学的产生二十世纪五十年代后期到六十年代初，生产和科学技术的飞速发展出现了新情况和新需求：1．物质生产赶不上人们的需求，产品竞争日趋加剧。这对产品设计提出了更高的要求：不仅要求“三性”统一，即可靠性，适应性（包括性能质量指标）与经济性多方兼顾，如设计、制造，组织管理，市场销售，使用维修服务以及技术美学等；及时地改进、更新、升级、换代。尽管一个产品在市场上的生命期是不同的，但对产品设计的这种要求的趋向愈来愈明显。2．许多大企业、大经济实体、综合性大工程不断出现。它们不仅规模大，结构复杂，并且情况多变，影响因素众多。要有效地组织现代化企业的经营、大工程的建设，不仅要有许多新的硬科学的支持，还需要一系列软科学来进行预测、规划、决策、组织管理、经营和监督。第一章机械设计学概论3.2现代设计方法学的产生3．客观的需要，反过来又促进了科技的发展。近五十年来，科技发展的特点是：新兴科学技术不断涌现，据英国科学家詹姆马丁推测，二十世纪初大约每隔三十年知识增加一倍，而近五十年来，大约每隔十年知识就翻一翻。这就是所谓的“知识爆炸”。其次，新技术的出现到转化为生产力的周期愈来愈短。如蒸汽机从研制到实际使用花了100年左右，电动机花了57年，汽车用了27年，电视机用了12年，晶体管用了5年，激光器仅用了一年。近二十多年来，微电子技术得到了飞速的发展和广泛的应用，计算机已渗透各个领域，遍及了千家万户。这种新技术迅速转化为生产力，大大促进了社会物质、精神文明建设，并引起社会生活新的变化。第三，科学经过细化发展后，现在又朝向多元交叉的大科学方向发展。例如最初出现的如生物化学，物理化学，人类工程学，生物机械学等等的边缘科学，进而出现了像环境科学、生态科学、能源科学、海洋学、空间科学等等这些综合性科学，现在又出现横向交叉科学，它是通过自然科学与社会科学汇流而成，如技术经济，技术美学，系统论，信息论、控制论（简称SIC）以及最近发展起来的突变论，离散结构论及协同论（简称CDS）。这些科技发展的新成就不断丰富、充实、提供了新的设计思想、理论、方法和手段，促进了传统设计法的变革。第一章机械设计学概论3.2现代设计方法学的产生近五十年来生产和科技的飞速发展，孕育了传统设计法的变革，在这种形势下，一门新兴的多元交叉学科——现代设计方法学于二十世纪六十年代初开始孕育。各国研究的设计方法在内容上各有侧重，但共同的特点都是总结设计规律，启发创造性，采用现代化的先进技术和理论方法，使设计过程更加自动化、合理化。例如：英美等西方国家偏重分析创造性开发和计算机在设计中的应用。德国的专家和工程技术人员着重研究设计进程、步骤和规律及进行系统化逻辑分析，并将成熟的设计模式、解法等编成规范的资料供设计人员参考。日本则充分利用国内电子技术和计算机优势，在创造工程学、自动设计及价值工程方面取得了一定成果。俄罗斯等国也在宏观设计的基础上提出了“新设计方法”等等。总之，其目的都是为了设计出更多质高价廉的工程技术产品，以满足人民的需求，适应日趋激烈的市场竞争。综上所述，在研究设计方法的基础上最终诞生了“设计方法学”（DesignMethodology）。简言之“设计方法学”是研究产品设计的程序、规律及设计中思维和工作方法的一门新型综合性学科。第一章机械设计学概论3.3现代设计方法学研究的内容现代设计方法学是现代广义设计和分析科学方法学的简称，她是一门多元综合而成的新兴交叉学科，见图1—7。它形象地说明了现代设计法与相关科学技术的关系，其任务是通过对现代设计内涵、规律、进程、原理原则、策略决策、途径步骤、方法及手段的研究，以探索出符合国情的、实现高效优质经济地设计所需要遵循的规律和一套科学的设计方法。

图1—7工程设计与相关学科技术的关系第一章机械设计学概论3.3现代设计方法学研究的内容从广义设计角度看，现代设计方法学的研究内容，在现代哲学与现代数学理论指导下，具体地讲，涉及二个主要方面：（一）设计学原理1．广义设计的内涵分类，形态，规律及实质的研究。2．符合设计规律的一般进程模式的研究包括设计阶段的合理划分，每阶段的设计任务及其完成任务的步骤及方法的研究。3．设计要求明细表的拟订及判定合理设计要求的方法研究。4．实现需求与技术系统设计间的转换的方式方法，原理原则，策略技巧等方面的研究。5．方案构思中的思维规律，科学方法及工作条理化方面的研究，包括方案的合理评价。6．对实用高效、优质、经济地设计的总体设计思想，战略战术，策略决策，方法及手段的研究。第一章机械设计学概论3.3现代设计方法学研究的内容（二）现代设计科学方法学

1．突变论方法学；2．智能论方法学；3．系统论方法学；4．离散论方法学；5．信息论方法学；6．对应论方法学，7．优化论方法学，8．控制论方法学，9．功能论方法学；10．模糊论方法学；11．艺术论方法学。

第一章机械设计学概论3.3现代设计方法学研究的内容具体地讲，现代设计方法学的研究内容包括以下几个方面：（l）设计阶段研究设计的各个阶段，如原理方案、结构和总体设计，并把各个阶段及其工作步骤连成一个设计程序，并使之规范化、模式化。阐述每个步骤的具体处理方法，设计进程模式应能使设计过程合理化、科学化。(2)设计原理、规律和准则从系统观点出发探讨机械产品设计的基本原理，将产品设计看作由输入、输出、转换三要素组成的系统；研究各种设计的设计准则、原理和原则等。(3)设计方案方案设计的优劣直接影响产品设计质量。而设计方法学恰恰是主要研究方案构思中的思维规律和科学方法，以及实现需求与技术系统设计间的转换方式、方法、原理、原则和策略技巧等，例如建立“设计目录”，可便于设计师检索求。(4)各类设计及应用研究各种类型设计，如开发型设计、变型设计、反求设计等的特点以及系统、创造、价值、优化、可靠性、相似和人机等工程及工业美学等现代设计理论与方法在设计中的应用。第一章机械设计学概论3.3现代设计方法学研究的内容(5)设计信息库研究设计信息库的建立和应用，如各种知识、科学技术原理、技术成果和专利等信息的表达与储存即知识库。各种操作、程序、技法和方法的合理表达与储存即方法库等。(6)设计自动化研究设计步骤、理论和方法如何结合计算机等先进工具的运用，以促进设计自动化的实现。（7）综合评价工程设计往往是多方案选择评优的过程，在实际二E作中，很难找到一个各项指标都是最优的方案。这涉及到评价指标体系的建立、价值工程和多目标优化设计的有关问题，以便以此对各方案进行合理的综合评价。设计方法学所研究的内容必将随着科技的发展和设计实践的积累而越来越丰富。第一章机械设计学概论3.4现代设计方法学研究的概况早在二十世纪三、四十年代，人们已开始对新的设计思路、设计方法及创造性设计进行了探索研究，例如人机工程学、价值分析、智能法等等。但到五十年代中期，尤其是六十年代初，对现代设计法的研究才引起普遍的重视。近十多年来，现代设计法的研究出现了高潮。由于现代设计法涉及的面很广，各国学者的研究侧重点不尽一致，就连名称也不统一，例如设计方法学，工程新设计法，工程设计原理，工程设计学等等，这样便形成了几种学派。在美国，现代设计法的研究开展较早，到六十年代初期陆续发表了一些专著。其中较有代表性的为T.T.Moodson著的“工程设计概论”，较全面系统地论述了工程设计中的各种问题。他归纳了人们对工程设计的各种理解，提出“工程设计是一种反复作出判断的活动以便制订计划，借此将资料更运宜地转化为装置或系统以满足人们的需要”。威斯康辛大学A.Seireg教授认为：设计由三种基本活动组成—创造性、分析和决策。创造性发展基本原理；分析产生一个预定的、模拟所设计系统的模型；决策则用来评选最优方案和确定最优设计参数。G.C.Beakley教授认为：工程是一种创造性的职业，其基本目的在于研制技术装置或系统以满足人们的需要，而工程设计在某种意义上讲就像跨越在“未知”上的一座桥梁，将所提供的资源与人们的需要连接起来。第一章机械设计学概论3.4现代设计方法学研究的概况由上述文献可见，美国在研究现代设计法方面不强调设计进程模式的严格程式，而重点放在满足人们的需求和创造性设计方面。到二十世纪七十年代，在美国国家科学基金会的资助下，先后在麻省理工学院，卡纳吉—梅隆大学，俄勒冈大学及犹太大学分别建立了四个创新中心，从事创新设计的研究和教育。英国于1962年在帝国理工学院召开第一次会议，专门研究设计方法问题。接着于1964年又召开了专门会议，会后编辑了一本“设计方法”。从一般情况看，英国在现代设计法的研究方面与美国相仿，虽然L.B.Archer研制了一套系统设计方法并列出了产品设计的详细设计目录，但一般认为只要遵循设计中的一般步骤，不必把每一步序的具体工作规定得过分程式化，且强调创新设计及市场的需求。德国于1963年在慕尼黑举行了全国性讨论会，认为薄弱环节在于设计。并将一些较成熟的设计进程模式列入德国工程师协会的技术准则中如VDI2221，VDI222，VDI2225。较著名的教授如G．Pahl，W．Beitz，R．Koller，K．Roth,W．Rodenacker，K．Ehrlenspiel等发表了很多文章和著作。从一些文献看，西德学者研究设计的特点是以机械总体设计为基础，着重研究设计一般进程模式及工作条理化。在总体设计步骤、程式，原则、技巧以及需求与技术系统设计之间转换的方法方面做了大量的工作。第一章机械设计学概论3.4现代设计方法学研究的概况瑞典、丹麦等国在开展现代设计研究方面也很活跃；其研究兼有英美和德国的特色，既强调设计进程程模式、设计工作条理化，也强调设计是满足市场的需求和创新。日本在二次大战后，设计人才奇缺，产品设计以仿制欧美为主：曾被称为“猴子学人”。到二十世纪六十年代，日本经济开始腾飞，要适应经济发展的需要，必须加强设计人才的培养。从此日本加强了现代设计的研究，并于七十年代陆续出版了一套“工程设计学丛书”。在该书前言中提到“工程设计学”是“为了找出高效率完成高质量设计的方法而对工程设计的本质进行研究的学问”。日本研究现代设计的特点是既研究设计中的理论与原理，又研究设计方法，创造性设计，并且凭借在计算机技术方面的优势，将现代设计与计算机紧密联系起来，从而使设计走向自动化。现在，现代设计的研究已成为国际性的学术活动。由瑞士V.Hudka博士，丹麦M.M.Andreascn博士和加拿大W．E．Eder教授联合发起组织了工程设计方法研究组织WDK(WorkshopDesign--Konstruktion）。每两年组织一次国际学术活动并编辑出版有关设计方法研究的WDK丛书。第一章机械设计学概论3.4现代设计方法学研究的概况我国在这方面的研究虽然起步较晚，但在开放政策指引下，很快注意到国外在现代设计方面的新功态，中国机械工程学会于1983年5月召开了“第一次机械设计方法学讨论会”。接着，于1983年8月在戚昌滋等一些有识之士的发起下成立了跨学科、跨行业的“中国现代设计法研究会”，并得到了国家许多部委领导的积极支持，在全国范围内引起了很大的反响。经过几年的努力，我国在现代设计法研究方面已只得了可喜的成绩。在“现代设计法丛书”《现代设计法》一书中从哲学角度分析了当今科学发展的新趋势、现代设计的内涵和规律，清辟地指出：现代设计法是现代设计和分析方法的总称，她是一门多元交叉的横断学科。研究对象是现代设计的规律、进程、途径、方法与法规，以求得现代模式与系统。而现代设计方法只是现代设计法中的一个重要范畴而不是全部内容。这便明确地指出了现代设计法的性质和研究范畴，形成了具有我国特色的现代设计法研究学派。1994浙江大学与中国机械工程学会共同创办了《工程设计学报》。当今，摆在我们面前的任务是如何总结过去的设计经验，吸收国外先进的学术思想和科学技术，加强对现代设计法的研究和应用以便总结出符合国情的、高效优质经济地进行设计的一套规律和方法，为加速我国的现代化建设作出应有的贡献。第一章机械设计学概论3.5现代设计方法学与系统工程自从1948年几乎同时形成了系统论、控制论、信息论以后，为了转化为生产力，相应产生了系统工程、控制工程、信息工程，二十世纪六十年代末，耗资300亿美元，有42万人、120所大学及研究所、2万家企业参加的阿波罗登月计划的成功，可谓系统工程的杰作，它制作了近300万个零部件，动用了约600台计算机。从此，人们以技术突破与系统合成为内容，将系统工程用于各种领域，有的取得了明显的效益，有的则由于没有弄清其应用范围，以致纸上谈兵的据多，洽系统工程蒙上了不白之冤。因为系统论及其他少数有限的理论只适合于一定的场合，要解决各种人为事物的设计，需要更多的方法论及其他科学方法。例如，西德及北欧一些大学教授用系统工程研究机械设计，结果只解决了机械系统的总体设计步骤、程式及某些具体技巧性、经验性的总结，命名为机械设计方法学，却没有大类方法解决具体结构设计及决定变量参数的重要内容，在西德及北欧一些国家内部（更不说其他美、日、英等发达国家）引起了众说纷纭的局面。第一章机械设计学概论3.5现代设计方法学与系统工程我国在二十世纪八十年代初，对国外设计科学流派包括系统工程在内加进行了分析研究，认为有必要研究探索两个问题：一是只有将方法提高到方法论的高度，才能具有普遍性；二是只有全面总结各种科学方法，才能解决一切领域的广义设计问题。并把研究结果定名为“现代广义设计科学方法学”，简称现代设计法或广义设计学，粗线条地出版了《实用创造学与方法论》《现代设计法》两本专著，把系统工程中所不足的创造性、方法论及其他科学方法作了大量的阐述。这样，概括为突变论、功能论、优化论、智能论、系统论、离散论、信息论、控制论、对应论、模糊论、艺术论，共十一种科学方法学及其所隶属的各种科学方法形成的现代设计法，终于以比系统工程更为壮观、普遍、系统的科学方法学的形式诞生了。系统工程是复杂系统的组织管理方面的现代科学方法，由于它所涉及的只适用于大的软系统，所以它重点应用了现代设计法中的某些内容，如信息论中的信息处理与信息预测，优化论中的决策技术与线性规划，功能论中的价值分析与系统可靠性，对应论中的模拟技术、网络图分析及模型技术等。由于现代设计法的对象，既有大系统又有小系统，既有复杂系统又有简单系统，既有物质系统又有非物质系统，既有硬件系统又有软件系统，所以它涉及了十一论的广阔范畴，但它吸取了系统工程旨在解决工程问题的思想。第一章机械设计学概论3.5现代设计方法学与系统工程从广义设计角度来看，系统工程实际上是复杂大系统的现代设计法，因此，1975年出版的美国科学技术辞典明确地概括为：“系统工程是研究许多密切联系的元素组成的复杂不统的设计科学。设计该复杂系统时，应有明确的预定功能及目标，并保持各个组成元素间以及元素与系统整体间有机联系，配合协调，致使系统整体能达到最优目标。但在设计时，要同时考虑到参与系统中人的因素与作用”。这种比较客观的具有明确对象的概括，要比某些国内外学者企图用系统论、系统学、系统科学、系统工程包罗万象更为实在与稳妥，它们是重要的、具有深远意义的可以兼容一些学科中的某些内容的新兴科学，但毕竟只是系统工程，其他更多的方法论均具有独立性学科，且也有重要的深远的生命力。科学的综合性、统一性趋势并不在于用哲学或用一种论、一种科学来代替现有的各种科学，而主要是相互移植、交叉以后综合为人类主要活动规范的思维科学、精神科学、设计科学和方法科学等，这样才能解决人类在改造广义自然界（包活人类）及设计人为事物的复杂课题。第一章机械设计学概论3.5现代设计方法学与系统工程现代设计方法学这一设计科学既是思维科学又是方法科学，体现了更高层次的学科综合，但它只是博取广义设计所需要的营养，在各独立学科（包括系统工程）中吸取有用的部分。因此，它既不取代也不包容其他独立科学的整体，没有必要贬此重彼，只是把系统论等十一种方法论各尽其能，各得其所，为广义设计服务，为完善广义设计现代科学方法学的完善化尽责。所以，现代设计法不必介意，哲学界、社会科学界、工程技术界对许多分歧问题的争论，而是吸收各流派与学派的合理内核，使自身更具有颠扑不破的生命力，加速转化为生产力与创造力。以系统工程为契机，我国所创建的、泛含具有普遍性十一论的现代设计方法学，是科学综合化、统一化在方法科学上的一次突破，是寓于前人与国外的理论与方法，却高于前人与国外的一门新兴交叉学科。其内涵是广义设计的概念、法则、规律、途经、方法、程式、步骤与法规，其外延包括设计哲学、工程学、诊理学、方法学、创造学等。可用于各种系统设计、结构设计、技术参数设计、艺术设计、组织设计、管理设计及计划与规划、开发与研制等等。第一章机械设计学概论3.6现代设计方法学的特征（一）辩证性