《机械设计基础 》课件第17章

第17章现代设计技术17.1概述

17.2设计方法学

17.3产品创新设计

17.4反求工程设计

17.5虚拟设计

17.6绿色设计

17.7现代设计技术的发展趋势思考与练习题

17.1.1现代设计技术的内涵与特点

所谓设计，是将用户的需求经过设计者的创造性思维、规划和决策，最终形成可应用于制造的各种信息。工程设计包括产品规划、方案设计、总体设计、施工设计、工艺设计等内容。工程设计的结果对产品的功能、质量、价格甚至交货期都有着极其重要的影响。17.1概述现代设计技术是指以满足产品的质量、性能、成本/价格综合效益最优化为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学技术方法为手段，研究、改进、创造产品活动过程中所用到的技术群体的总称。现代设计技术是多学科交叉融合的产物，是传统设计技术的继承、延伸和发展，并且正向集成化、智能化、并行化、网络化、虚拟化、微型化和生态化方向发展，逐步成为相对独立、平台共享的智力产业。现代设计技术具有以下特点。

1．社会性与环保性

在现代工程设计开发新产品的整个过程中，设计的范畴在不断扩大。传统的工程设计只局限于产品本身的设计，由专业技术人员指导设计，设计与制造过程中较为注重产品的技术性、经济性，而很少考虑产品的社会性问题。而现代工程设计则是将产品的设计过程进行拓展，向前扩展到用户需求分析、产品规划等；向后扩展到加工工艺设计，使产品规划、设计、加工工艺设计等环节形成一个有机整体。同时在设计过程中还应考虑到运输、销售、回收以及质量等因素，将产品从概念形成到报废处理的全生命周期中的所有问题，都以面向社会、面向市场为指导思想进行全方位考虑。此外，现代设计强调用户参与设计过程，只有这样形成的产品才能准确反映用户的要求，取得用户的最大满意。同时重视环保的设计也必将成为工程设计的一个主要发展趋势。产品的环保设计要求设计出绿色产品，要求生产产品、使用产品过程中的各种污染都要尽可能少，使其对人体和环境的危害降低到最低程度。

2．设计并行化与设计、制造一体化

传统的产品开发过程一般采用的是串行工作方式，各项设计工作环节都按一定顺序逐步完成。这种开发模式的弊端在于：除了在设计后期或制造阶段发现问题时再提出产品修改意见外，设计、生产的各阶段不存在经常性的信息交流，开发人员按要求完成本职工作后将设计结果交给下一个设计环节，当本环节出现问题时才将问题转给上面的环节。在现代设计工程设计中强调设计和制造的一体化和并行化，强调从产品的设计信息到制造信息的顺畅传递和快速“短”反馈，要求设计和制造各环节采用统一的数据模型，并依靠网络技术在各部门之间形成数据信息资源共享，从而减少设计制造过程中各环节之间的制约、修改和反复，使企业降低设计、试制等成本，缩短研发周期，率先占领市场。另外，随着产品高科技含量的日益增大，单靠一家工厂在一个地点进行产品设计开发的模式已越来越来不能满足现代产品开发的要求。只有集中不同地点、不同行业的专家，按并行化设计思想共同参与产品的设计开发，强强联合，优势互补，才能获得最大的效益。

3．计算机化与智能化

现代设计过程中计算机技术被广泛应用于优化设计、并行设计、三维建模、设计过程管理、设计制造一体化、仿真和虚拟制造等环节，特别是在网络和数据库技术方面。在现代工程设计中，还可以借助人工智能专家系统技术，由计算机模仿人的智能活动，设计出高智能化的产品。

4．动态化和最优化

传统设计以静态少变量分析为主，将载荷、应力等因素集中处理，设计产品所采用的安全系数与实际工况相差较远。现代设计技术在静态分析基础上，考虑载荷谱、负载率等随机变量，通过计算机进行动态多变量优化处理，寻求最优化的解决方案和设计参数。同时还考虑载荷和应力的分布特性，利用有限元等功能强大的分析工具，准确模拟系统的真实工作情况，以得到符合实际情况的最佳解。现代工程设计还经常根据概率论和统计学的方法，针对载荷、应力等因素的离散性，用多种设计方法进行可靠性设计。

5．系统性与综合性

传统设计一般采用经验类比的设计方法，而现代工程设计采用较多的是逻辑的系统的设计方法。如以“功能—原理—结构”框架为模型的横向变异和纵向综合，用计算机构造多种方案，评价出其中的最优方案。现代工程设计是建立在系统工程、创造工程的基础之上，综合运用信息论、优化论、相似论、模糊论、可靠性理论等自然科学理论，以及价值工程、决策论、预测论等社会科学理论，同时采用集合、矩阵、图论等数学工具和电子计算机技术，综合设计规律，提供多种解决设计问题的科学途径。

6．宜人性

传统设计往往过于强调产品的物质功能，而忽视或不能全面考虑产品的精神功能。主要是通过训练用户来适应机器的要求。现代工程设计则强调产品内在质量的实用性、外观质量的美观性、艺术性、宜人性。在优先保证产品物质功能的前提下，能为用户提供新颖舒畅、愉快、兴奋等精神功能。并从人的生理和心理特点出发，通过功能分析、界面安排和系统综合，考虑满足“人—机—环境”等的协调关系，设计出更加符合用户个性化需求的产品。

7．质量控制

产品设计是产品制造的前一个环节，据相关资料统计，在产品质量事故中，约有50%是由于不良设计所造成的。所以，现代工程设计特别重视设计阶段的质量控制活动。17.1.2现代设计技术的体系

现代设计技术内容广泛，分支学科繁多，其主要由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个层次构成。

(1)基础技术。主要是指传统的设计理论与方法，特别是运动学、静力学与动力学、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等方面。它不仅为现代设计技术提供了坚实的理论基础，也是现代设计技术发展的源泉。

(2)主体技术。现代设计技术与计算机技术的发展息息相关、相辅相成。没有计算机科学与计算机辅助技术(如计算机辅助设计、智能CAD、优化设计、有限元分析程序、模拟仿真、虚拟设计和工程数据库等)，便没有现代设计技术；另一方面，没有其他现代化设计技术的多种理论与方法，计算机的应用也会大大受到限制，因为计算机技术需要运用优化设计、可靠性设计、模糊设计等理论构造的数学模型，来编制“智力”。因此，计算机辅助设计技术正以它对数值计算和对信息的独特处理能力，成为现代设计技术群体的主干。

(3)支撑技术。无论是对设计对象的描述，还是对设计信息的处理、加工、推理、映射及验证，都离不开设计方法学、产品的可信性设计技术及设计试验技术所提供的多种理论、方法及手段的支撑。其中，现代设计方法学涉及的内容很广，如并行设计、系统设计、功能设计、模块设计、价值工程、质量工程、质量功能配置、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象的设计、工业造型设计等。可信性设计技术可以看作广义可靠性设计技术内容的扩展，主要指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、疲劳设计、耐腐蚀性设计、减摩和耐摩损设计、耐环境设计、维修性设计、人机工程设计等。设计试验技术不仅指通常的产品性能试验，还应包括可靠性试验、环保性能试验与控制，以及运用计算机技术的数字仿真试验和虚拟试验等。因此，设计方法学、可信性设计技术及试验设计技术所包含的种种内容，可视为现代设计技术群的支撑技术。

(4)应用技术。是针对以实用为目的解决各类具体产品设计领域的技术。如机床、汽车、工程机械、精密机械的现代设计内容，是现代设计技术派生的丰富多彩的具体技术群。

设计方法学是以系统论的观点研究产品的设计程序、设计规律和设计中的思维与工作方法的一门综合性科学。系统工程、创造工程、价值工程、优化理论、相似理论、决策学和预测学等是它的理论基础。设计方法学研究的目的在于总结设计的规律性，启发、指导设计人员创造性的设计工作。17.2设计方法学17.2.1工程设计的内容

工程设计一般包括产品规划、原理方案设计、技术设计和施工设计四项内容。在传统设计过程中，这四项内容是分阶段按顺序进行的。在并行设计过程中，这四项内容则是重叠、交叉进行的。

1.产品规划

产品规划的任务是对待开发产品的用户需求进行需求分析、市场调研与预测、可行性分析，确定设计参数和制约条件，最终得出详细的设计任务书。

2.方案设计

方案设计是产品设计的一项重要内容，它将决定产品的性能与成本，关系到产品的技术水平及市场竞争力，实质上就是产品的功能原理设计。它是设计方法学研究的重点，利用系列化设计法在功能分析的基础上通过创新构思，优化筛选，求取较理想的功能原理方案，列表给出原理参数，并作出产品的功能原理方案图。

3.技术设计

技术设计是把新产品的最优原理方案具体化。技术设计过程中，首先进行总体设计，按照“人—机—环境—社会”的合理要求，对产品各部件的位置、运动、控制等进行总体布局。然后进行结构和造型设计。结构设计的内容包括零件材料的选择、机械结构的确定、零件几何尺寸和配合尺寸的确定、配合公差的确定、加工工艺性能要求的确定等。机构设计时要进行尺寸参数和工艺参数的优化，公差的配合和分析，可靠性设计，还要考虑产品的性能、加工、装配等因素。尽可能节省材料，降低制造难度。造型设计包括美感、宜人性设计等。在技术设计的最后阶段还要进行模型试验。模型试验的目的是检验产品功能及零部件的强度、刚度、回转精度、振动、噪声等方面的性能，并在此基础上提出改进建议。模型试验可以采用实物试验的方式，也可采用模拟试验和仿真试验等方式。目前阶段，快速原型技术和计算机建模及仿真技术将是模型试验时采用的关键技术。17.2.2功能分析法

功能是指产品技术系统的用途或所具有的特定工作能力，也就是产品技术系统所具有的转化能量、物质和信息的特性。

功能分析法是在产品设计过程中寻求功能原理实现方案的主要方法。这种方法首先是将系统复杂的总功能通过分析转化为简单的子功能单元，再求出每个子功能单元相应的可行方案，然后进行组合，从而得到系统的多种总方案，再对得到的方案进行分析、比较、评价和选择，最后得到最佳功能原理方案。功能分析法的设计步骤和各阶段应用的主要方法见图17-1。

图17-1功能分析法

1.总功能分析

总功能分析的目的是研究确定待求产品的功能。为了避免思路受到限制，分析产品的总功能时常采用“黑箱法”。这是根据产品的输入和输出关系来研究实现产品功能的一种方法。一般地说，当设计人员接到一项新产品的设计任务时，待设计的产品是什么样子是不清楚的，因此将待求产品的设计系统看作是一个具有未知数内容的“黑箱”。该黑箱的输入和输出可从设计任务书中找到。黑箱的输入一般有三种形式，即物质流M、能量流E和信息流S。这些输入流经产品设计系统处理后，传递、转换为系统的输出流M′、E′、S′。分析比较黑箱的输入和输出的能量流、物质流和信息流，其性质或状态上的差别和关系就反映了所需设计产品的总功能。因此，可以从输入和输出的差别和关系的比较中找出实现功能的原理方案，从而揭开黑箱，使之成为“白箱”，确定产品的结构。图17-2所示为一般黑箱示意图。图中方框内部为待设计的技术系统(即产品)，方框即为系统边界，通过系统的输入和输出，使系统和环境连接起来。

图17-2黑箱示意图

2.功能分解

一般工程系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的系统解决方案。因此可按系统分解的原则进行功能分解，再通过比较简单的功能单元进行求解。

总功能可分解为：功能—二级分功能—…—功能单元，可以用树状的功能关系图来表达。图17-3所示为行走式挖掘机械的功能树。

图17-3行走式挖掘机械功能树

3.求解功能单元

功能单元分析法中的功能单元一般分为：

(1)物理功能单元。它主要反映系统中能量、物质、信息变化的基本物理作用。常用的基本物理功能单元有功能转换类、功能缩放类、功能连接类、功能传导及离合类、功能存放类等。

(2)逻辑功能单元。它有“与”、“或”、“非”三种基本关系，主要用于功能的逻辑运算和控制。

(3)数学功能单元。它有加减、乘除、乘方开方、积分微分等四类。

功能单元的求解方法有两种：一种是参考有关资料或利用创造性方法开阔思路去探寻解法，另一种是利用解法目录来求解，即把能实现某种功能的各种原理和结构综合在一起形成一种表格或分类资料。图17-4所示为物理功能中的物料运送解法目录。建立各种类型功能单元的解法目录既便于设计人员作参考，也有利于存入计算机进行计算机辅助设计。

图17-4物料运送解法

图17-4物料运送解法

4．求系统原理解

将各功能单元解进行合理组合，就可以得到系统的多个原理解。

对功能单元的解进行组合时常采用形态综合法，即将系统的功能单元列作为纵坐标，各功能单元的相应解列作为横坐标，构成如表17-1所示的形态学矩阵。从每项功能单元中取出一种解进行有机组合，即得到系统的一个原理解。如果有m个功能单元，第i个功能单元有n个功能单元解，则可能的原理解个数为

Ⅳ＝n1×n2×…×ni×…×nm

表17-1系统解的形态学矩阵例如，我们列出如表17-2所示的行走式挖掘机的形态学矩阵后，则系统原理解的可能方案数为

Ⅳ＝6×5×4×4×4＝1920

如：A1＋B4＋C3＋D2＋E1为电动履带式挖掘机；A5＋B5＋C2＋D4＋E2为液压轮胎式挖掘机；A5＋B5＋C3＋D4＋E4为液压履带式铲掘机。

表17-2行走式挖掘机的形态学矩阵5．求最优原理方案

在众多方案中要选出最优或最满意的原理方案，一般需经过方案比较，由粗到细，由定性到定量进行优选。首先需进行粗筛选，将与设计要求不符或各功能单元解不相容的方案去除。例如行走式挖掘机，若动力源为电动机，则与液力耦合器、气垫、液压缸传动等功能单元解不相容，不能组成可实现的原理方案，必须去除。然后定性选择几个比较满意的方案，再对筛选出的方案进行定量评价，最后选出符合设计要求的最佳方案。

功能分析法的优点是设计步骤明确，规律性强，有利于采用计算机进行设计，有利于提高设计质量和效率。

现代企业在激烈的市场竞争中能否生存和发展，主要取决于它所生产的产品能否得到市场的认可，而产品能否得到认可的重要因素之一就是该产品是否具有创新特性，其技术水平能否在同类产品中占有优势。因此，技术创新是企业保持旺盛生命力的根本保证。在改造老产品和开发新产品的过程中，信息收集及创新定位是创新的首位工作，而创新的主体则是人。人的素质以及发挥的程度决定了创新的速度和质量。在产品创新阶段，要采取激励机制，增强设计人员的市场意识，发挥其创造性。17.3产品创新设计为了实现产品的创新设计，需要提出新的设计方案，探求不同于常规设计的新解法，这就要求学生在设计过程中考虑背景的影响，这种影响应体现在设计中。背景影响包括企业和组织的背景，引入包括社会的、政治的、经济的、文化的因素。同时要求学生掌握一些产品创新设计的基本原理和方法。17.3.1常规设计与创新设计

工程设计按其性质可以分为常规设计与创新设计。常规设计就是以成熟技术结构为基础，运用常规方法进行的产品设计。常规设计在工业中大量存在，并且是一种经常性工作。而为了满足市场需要，提高产品的竞争力，就需要在产品的设计过程中采用新兴的技术手段、技术原理和非常规设计方法，即就是所谓的创新设计。创新设计的目的就在于创造有社会价值的、新颖而独特的产品。17.3.2创新设计的特征与一般过程

创新设计作为人类特有的能动性表现，具有以下几个特征：

(1)人为目的性。在创新设计中，其主体是具有主观能动性的人，并且设计本身是一种有目的的活动。

(2)新颖独特性。创新设计不是单纯的重复和模仿，而是在自己、前人或他人已获得的结果基础上的新扩展，新开拓。它所追求的是新颖、独特和非重复性的结果。

(3)社会价值性。创新设计必须体现出一定的价值。创新成果的价值可以是多方面的，包括学术价值、经济价值、美学价值等等，并且这些价值对社会进步都具有积极意义。

(4)探索性。创新设计通常是在理论知识、技术手段、设计制造方法等不甚充分的条件下进行的设计活动，具有一定的探索性。创新设计的一般过程可分为以下几个阶段：

(1)准备阶段。这个阶段包括提出问题，明确创新目标，搜集资料，进行科学分析。

(2)酝酿阶段。这个阶段主要通过思考与试验，对问题做各种试探性解决，寻找满足设计目的要求的技术原理，对各种可能的设计方案进行构思和尝试验证。常常需要对这些设计方案加以变换、分解、组合。如果原有的技术原理不能解决问题，还必须通过实验、试验和理论分析探索新的原理，或将已有的科学理论开发成新的技术原理。一般来说，这个阶段持续的时间相对较长。

(3)明朗阶段。经过长期的酝酿、潜伏的或不同寻常的观念和办法，有时使问题的解决一下子豁然开朗，这种现象叫做“顿悟”。创新设计工作中“顿悟”的出现往往是受到偶然因素的启发而产生的，有时则是以灵感的形式闪现出来的。

(4)验证阶段。此阶段主要是对各种新想法进行检验和证明，并完善创新成果。上述四个阶段是创造过程的一般进程。美国“新产品和过程发展组织与管理协会”的顾问G．F先生提出，发明创造过程可归纳为以下七个步骤：

(1)意念：发明创造始于意念。

(2)概念报告：包括意念之间的联系及制约关系和把意念转变成实际方案的途径。

(3)可行模型：是对概念是否可以实现进行研究的一个必要步骤。

(4)工程模型：展示概念能否实现其功能的一个重要步骤。

(5)可见模型：从工程模型演变成可见模型的一个阶段。

(6)样品模型：它不是由发明创造者在试验室制造的，而是由车间制造的。

(7)小批量生产：在生产线上将创造发明以小批量生产的形式来实现。17.3.3创新思维

人们碰到问题时，有时候不是依靠已掌握的知识经验去解决，而是将在外界的启发下，将头脑中的各种信息重新综合集成，然后加以解决，这种思维是与常规思维特征不同的创新思维。创新思维是多种成对的辩证思维类型的综合，它的实质表现为“选择”、“突破”、“重新建构”这三者关系的对应与统一。所谓选择，就是寻找资料、调研、充分地思索，让各方面的问题都得到充分表露，从中去粗取精，去伪存真。法国科学家H．彭加勒认为：“所谓发明，实际上就是鉴别，简单地说，也就是选择。”所以，选择是创新思维得以展开的第一要素，也是创新思维各个环节上的制约因素。选题、选材、选方案等均属于此。在创新思维进程中，决不能盲目选择，而应有意识选择。问题的突破往往表现为从“逻辑的中断”到“思想上的飞跃”。飞跃阶段思想豁然开朗，从而孕育出一些新观点、新理论和新方案。选择、突破是重新建构的基础，因为创造性的新成果、新理论、新思想并不包括在现在已有的知识体系之中。所以，创新思维的最关键之点是善于进行“重新建构”，有效而及时地抓住问题的本质，筑起新的思维支架。创新思维是整个创造活动中体现出来的思维方式。把握创新思维的关键是认识并能综合运用不同思维类型的特点、功能与作用。下面介绍几种思维类型。

1．形象思维和抽象思维

形象思维属于非逻辑思维，是运用已感知过的事物的映像进行分析、综合、抽象、概括的过程。它以直观形象作为再思维的目标及基础，使用反映同类事物一般外部特征的形象。形象思维在每个人的思维活动和人类所有的实践活动中均广泛存在，因而具有普遍性。许多科学的发明创造，往往是在对具体的形象进行观察、思维时受到某种启发而产生的，这种思维有时还会取得抽象思维难以取得的效果。抽象思维亦称逻辑思维。它是以抽象的概念和推论为形式的思维方式，是认识过程中用反映事物共同属性和本质属性的概念作为基本思维形式，在概念的基础上进行判断、推理，反映现实的一种思维方式。它使认识由感性上升到理性。在创造活动中，形象思维和抽象思维相互联系、互相渗透。例如，法拉第通过对磁铁周围呈有规律曲线分布的铁屑的分布现象的观察，经过分析、综合、抽象、概括之后，得出“磁力线”的概念。在此之后，他又通过“概念—判断—推理”的过程，论证了电荷和磁极周围的空间存满了向各个方向散发出去的“磁力线”，从而进一步提出了“场”的概念。法拉第的“磁力线”和“场”的概念是他对电磁理论的最重要贡献。这一贡献是抽象思维与形象思维对立统一的产物。

2．发散思维和收敛思维

发散思维。根据所遇到问题时，根据问题提供的信息，沿着非常规方向、正向、逆向、全方位思维和多角度寻求可能的解答。发散思维是创造思维的一种主要形式。它在技术创新和产品开发中具有特别重要的意义。在技术原理的开发方面，运用发散思维可以从多侧面、多角度、多领域、多场合对同一技术原理的应用途径进行设想。著名创造学家吉尔福特说：“正是在发散思维中，我们看到了创造性思维的最明显的标志。”收敛思维指把来自多方面的知识信息指向同一问题，通过分析综合、逻辑推理后引出答案。在设想的实现阶段，这种思维形式常占主导地位。发散思维与收敛思维相辅相成，通过多次发散、收敛的循环后，一般能找到较好的创新方案。

3．直觉思维和灵感思维

直觉是人类一种独特的“智慧视力”，是能动地了解事物的思维闪念。直觉思维能以少量的本质性现象为媒介，直接把握事物的本质规律。它也是一种不加论证的判断力，是思想的自由创造。

灵感是人们借助直觉启示而对问题得到突如其来的领悟或理解的一种思维形式。它是一个突然闪现、瞬间即逝的短暂思维过程，是一种把隐藏在潜意识中的事物信息，在需要解决某一问题时，以适当的形式突然表现出来的创造能力。它是创造性思维的最重要的形式之一。直觉思维与灵感思维的基础是人们已经获得的知识和经验，并且常在思想高度集中、苦思冥想时产生出来，它的结果常常非常新颖，并且具有突发性。爱因斯坦说：“我相信直觉和灵感”。他的关于狭义相对论的著名论文，便是在抓住意识到同时性的相对性这一“灵感的闪光”后很快完成的。17.3.4创新技法

创新设计不仅要依赖创新思维，同时还要掌握并正确地应用创新方法和技巧。

创新技法是以创新理论，尤其是创新思维规律为基础，通过对广泛的创新活动的实践经验进行概括，总结、提炼而得出来的创造发明的一些原理、技巧和方法。目前常用的创新技法有以下几种。

1．智暴法

智暴法是一种集体创新智力激励法。它是针对一个需设计的问题，召集5~10人在一起讨论，要求与会者敞开思想，畅所欲言，充分发表意见，提出创新见解，提出解决设计问题的方案。智暴法的中心思想是激发每个人的直觉、灵感、想象力，让大家在和睦、融洽的气氛中自由思考，不论什么想法都可以原原本本讲出来，最后集中多人的智慧在这众多的见解中综合出几种较好的设计方案。这种方法适合求解产品设计的原理、方案。

2．“6－5－3”法

这是一种书面集智法，此活动一般有6人参加，参加者围绕活动主题每人写下3个解并作提纲式的注解，然后传给邻座，后者读后再提出3个进一步解或作补充。因此每个参加者的建议都将经过5个人的补充或组合发展，所以称为“6－5－3”法。这种方法的优点是消除了项目主持人的主观影响，使设计问题得到系统的补充或开发。缺点是因为不够自由活泼，在一定程度上影响了参加者的积极思维。

3．提问追溯法

该法针对老产品的改造，系统地提出各种问题，通过提问发现原产品设计、制造、营销等环节中的不足之处，找出需要和应该改进之处，获得解决问题的办法和设想，从而开发出新产品。这种方法主要有5W2H法、奥斯本设问法等。

(1)5W2H法：针对需要解决的问题，提出以下的疑问，从中启发创新构思。这几个方面的疑问，用英文表示时，其首字母为W或H，故称为5W2H法。以新产品的设计为例提出以下问题：

·Why——为什么要设计该产品?采用何种总体部局?……

·What——该产品有何功能?有哪些方法可实现这种设计?哪些地方需要创新?……

·Who——该产品用户是谁?谁来设计?……

·When——什么时候完成该设计?各设计阶段时间如何划分?……

·Where——该产品用于何处?在何地生产?……

·Howtodo——怎样设计?何种结构?什么材料?形态如何?……

·Howmuch——生产多少?费用多少?……

(2)奥斯本设问法：为了扩展思路，奥斯本建议设计者应从不同角度进行发问。他把这些角度归纳成几个方面，并列成一张目录表，此表可针对不同目的设置问题，如针对研制新产品，可从以下角度设置问题：

·转化——该产品能否稍作改动，或不改动而实现其他用途?

·引申——能否从该产品中派生出其它产品，或用其他产品模仿该产品?

·变动——能否对该产品进行某些改造，如运动形式、结构、造型、工艺等?

·放大——该产品放大(加厚、变长……)后如何?

·缩小——该产品缩小(变薄、缩短……)后如何?

·颠倒——能否反正(上下、前后……)颠倒使用?

·替代——能否用其他产品替代该产品，或部分替代该产品?如更换材料、工艺……

·重组——零部件能否互换?

·组合——现有的几个产品能否组合成一个新的产品?如何组合(整体、零部件、功能、材料、原理……)?

通过这9个方面的层层发问，就可以得到许多新的设计方案，从中优选就可开发出新产品。

4．类比法

类比法是利用相似原理进行移植，模拟比较，类比联想的一种创新技法。采用类比法能够扩展人脑固有的思维，使之建立更多的创新设想。例如：从人们手的动作、功能中可以得到启发，机械手就是模仿人的手臂弯曲和手的功能；挖掘机就是模仿人使用铁锹的动作而设计的：“协和”飞机的外形设计，就是对鹰的外形的仿生。类比法目前主要采用以下4种方式：

(1)直接类比。寻找与所研究的问题有类似之处的其他事物，进行类比，从中获得启发，找到问题答案或产生新思路。直接类比的典型方式是功能模拟和仿生。

(2)象征类比。用能抽象反映问题的词(或简练词组)来类比问题，表达所探讨问题的关键，通过类比启发创新设想的产生。如要设计一种开罐头的新工具，就可以选一个“开”字，先抛开罐头问题，从“开”这个词的概念出发，看看“开”有几种方法，如打开、撬开、剥开、撕开、拧开、揭开、破开等等，然后再回头来寻求这些开法对设计开罐头有什么启发。

(3)拟人类比。是指创新者把自身与问题的要素等同起来，设身处地的想象：如果我是某个技术对象，我会有什么感觉?我采取什么行动?用这种方法可以激发创造热情，促发新设想。

(4)幻想类比。运用在现实中难以存在或根本不存在的幻想中的事物、现象作类比，以探求新观念、新解法。

5.组合创新法

组合创新法是按照一定的技术需要，将两个或两个以上的技术因素通过巧妙的组合，去获得具有统一整体功能的新技术产物的过程。这里的“技术因素”是广义的，它既包括相对独立的技术原理、技术手段、工艺方法，也包括材料、形态、动力形式、控制方式等表征技术性能的条件因素。组合方法的类型很多，常用的有以下几类：

(1)性能组合。对已有产品的各种性能进行分析，将若干产品的优良性能结合起来，使之形成一种全新的产品(或技术手段)。

(2)原理组合。原理组合是指将两种或两种以上的技术原理有机结合起来，组成一种新的复合技术或技术系统。例如，把喷气推进原理同燃气轮机技术相结合发明喷气式发动机。

(3)功能组合。功能组合是将具有不同功能的技术手段或产品组合在一起，使之形成一个技术性能更优或具有多功能的技术实体的方法。例如，将收音机和录音机组合在一起，成为“收录机”，它兼具二者功能，且更方便、实用。

(4)结构重组。结构重组是一种改变原有技术系统中的各结构要素相互联接方式后获得新的性能或功能的组合方法。例如，螺旋桨飞机一般的结构是机首装螺旋桨，机尾装稳定翼。但美国卡里格卡图则根据空气浮力和气动原理，将飞机螺旋桨放于机尾，而把稳定翼放在机头，重组后的新型飞机具有尖端悬浮系统和更合理的流线型机体等特点。

(5)模块组合。模块组合亦称组合设计或模块化设计。该法把产品看成若干模块(标准、通用零部件)的有机组合，只要按照一定的机器工作原理选择不同的模块或不同的方式加以组合，就可获得多种有价值的设计方案。这种方法适用于产品的系列开发。

技术引进是促进民族经济高速增长的战略措施。要取得最佳技术和经济效益，必须对引进技术进行深入研究、消化和创新，开发出先进产品，形成自己的技术体系。

17.4反求工程设计反求工程(ReverseEngineering)技术是针对消化、吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。它以先进的产品设备的实物、软件或影像作为研究对象，应用现代设计理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统深入地分析和研究，探索掌握其关键技术，进而开发出同类的先进产品。反求工程技术包括设计反求技术、工艺反求技术、管理反求技术等各方面。

反求工程技术也被用来研究竞争对手的产品特点，吸收其优点并加以改进，生产出超过他们的更好产品。它是目前赢得市场竞争的重要手段之一。17.4.1反求工程技术的研究内容

1.探索产品设计的指导思想

不同的设计单位及设计者对于不同产品的设计指导思想都不尽相同。如体现在注重功能齐全、注重成本、注重模块化设计、注重特定使用对象等等。设计的指导思想不同，就会得出不同的设计方案。探索产品设计的指导思想是分析了解整个产品设计的前提。

2．原理方案的分析

各种产品都是针对一定的使用要求设计的，功能是各种能完成使用要求的抽象描述。功能分析是产品设计的核心问题，不同功能的产品可以得出不同的原来方案，也可以用同一种原理来实现。而同一功能的产品亦可以用不同的原理方案来实现。产品的功能可以分为使用功能和美学功能，使用功能一般实现能量、物料和信号的转换。如发电机的功能是实现“机械能—电能”的能量转换，各种机床的功能是实现物料形态的改变，而收录机的功能主要是实现“声音信息—电磁信息—声音信息”信号的转换等。可以根据反求对象的功能载体，探求其功能，通过反求对象的功能理解，在设计时才有可能得到更完美合理的原理方案。

3.结构分析

零部件的结构是功能原理的具体体现，与加工使用及生产成本有密切关系。分析反求对象的结构特点要从零件的功能、性能、成本和安全可靠性等方面着手进行考虑。

4.精度分析

精度分析是反求工程中的主要问题，精度是衡量反求对象性能的重要指标。是评价反求设计质量的主要参数之一。在反求设计中应合理地进行精度分析和精度设计，否则反求设计的产品的质量永远无法达到原设计要求的质量。

5.材料分析

根据零件的功能及工艺特点分析确定零件的材料和热处理方式。一般情况下可采用外观比较、硬度测定、重量测定、化学分析、光谱分析、金相检验等多种方法对材料的物理性能、化学成分、热处理及表面情况进行全面鉴定。

6.工作性能分析

针对产品的工作特点及其主要性能进行试验测定、反复计算和深入的分析，对产品的运动特性，力学特性进行静态、动态的全面分析。

7.造型设计分析

对产品的外形构型、色彩设计等进行分析。用尺度与比例、均衡与稳定、统一与变化等美学原则分析造型特点，从迎合顾客心理需要，提高商品价值的角度分析构型及色彩设计的优点和不足之处。

8.工艺分析

许多引进设备的关键技术除设计先进外，主要是先进的制造和装配工艺。因而对加工工艺、装配工艺的分析，对加工精度的反求而得到的这些工艺诀窍，将弥补新设计的缺陷和不足之处。

9.使用和维修分析

分析国外先进产品在良好的使用性能方面采取了哪些措施？研究当产品发生故障时它的可维修性如何？

10.包装技术分析

在反求过程中，研究产品的包装、防潮、防霉、防锈、防腐、防尘等方面的技术与思路，如包装材料的成分、材料的回收等。17.4.2反求工程的设计程序

反求工程的设计程序是首先对产品进行反求分析，针对反求对象的不同形式——实物、软件或影像，可采用不同的手段和方法。实物如机器设备的反求，可用实测手段获得所需参数和性能、材料和尺寸等。软件如图样可直接分析了解产品和各部件的尺寸、结构和材料，但掌握使用性能和工艺，则要通过试制和试验。影像可用透视法与解析法求出主要尺寸间的大小相对关系，用机器与人或已知参考物对比，求出几个绝对尺寸，推算其他尺寸。材料和工艺等都需要通过试制和试验才能解决。在以上分析的基础上，才能进行不同类型的反求设计。根据反求设计内容的不同可将反求设计分为下列几种类型。

(1)反求测绘仿制——对产品的原设计进行透彻分析、实物测量，完全模仿原产品进行制造，不进行创新设计。

(2)变参数反求设计——在原有产品原理方案及结构方案基础上，仅改变尺寸和性能参数以满足不同工作需要。如以进口的升降机为基型进行系列设计，形成升力范围、尺寸性能不同的系列产品，以扩大它的应用范围。

(3)适应型反求设计——在原有产品的原理方案基础上，改变部分参数、结构或零部件，克服原有产品的缺点或适应新的使用要求。例如在多速赛车基础上加上自适应变速系统。

(4)开发型反求设计——针对反求对象的功能，提出新的原理方案，完成从方案设计、技术设计到施工设计的全过程。这是一种比较彻底的反求创新设计法。17.4.3实物反求设计法

1.实物反求设计法的特点

实物反求是以产品实物为依据，对有关产品的设计原理、结构、材料、工艺装配、包装使用等方面进行分析研究，研制开发出与原型产品相同或相似的新产品。它具有如下特点：

(1)具有直观、形象的实物。

(2)对产品功能、性能、材料等均可进行直接试验分析，求得详细的设计参数。

(3)对机器设备能进行直接测绘，以求得尺寸参数。

(4)仿制产品起点高，步伐大，设计周期可大大缩短。

(5)引进的样品就是新产品的检验标准，为新产品开发确定了明确的赶超目标。

实物反求虽形象、直观，但引进产品时费用较大，因此要充分调研，确保引进项目的先进性与合理性。它的一般过程如图17-5所示。

图17-5实物反求设计流程2．实物反求的技术路线

实物反求工程的技术路线分为实物反求测量、数据格式转换、数据处理与反求设计、数据传输与CNC系统的集成等四个过程，其步骤是：

(1)根据所设计的产品的形状划分相应的测量区域和路线。该工作非常重要，对准确还原被测形状以及后续的CAD建模、CAD图形的对称性、光顺性和易修改性等影响极大。

(2)完成测量面的精确测量，并进行数据的前处理，剔除粗大误差和重复测量点的数据。外形数据的快速反求测量通常可用三类设备：三坐标测量机、电子扫描系统、激光测量机。激光测量机具有测量速度快的优点，但精度不够高；电子扫描系统适用于形状比较规则且精度不太高的零件；三坐标测量机可对曲面变化较大且不规则的曲面作高精度的测量。

(3)研究测量数据与反求工程软件、CAD／CAM软件的数据共享格式。

(4)对测量点数据进行编辑、过滤、求精和排序，整理杂乱的离散数据点，快速生产曲面模型。

(5)检验其整体的光顺性和拟合精度，并按给定精度进行修改。

(6)将反求工程建立的曲面模型提供给CAD／CAM一体化软件，完成外形修改、渲染效果设计与结构设计。

(7)数控加工编程及加工。

17.5.1虚拟设计的概念

虚拟设计是一种新兴的多学科交叉技术，涉及多方面的学科与专业技术。它是以虚拟现实技术为基础，以机械产品为对象的设计手段。借助这样的设计手段，将设计人员从传统的键盘和鼠标中解脱出来，使他们可以通过众多的传感器与多维的信息环境进行自然地交互，实现从定性及定量的综合集成环境中得到感性和理性的认识，从而帮助深化概念和萌发新意。17.5虚拟设计虚拟设计技术充分地利用了模拟仿真技术，但它又不同于一般的模拟仿真技术，它具有虚拟现实的特征，如：自主性、交互性、沉浸感等。由于计算机辅助设汁技术发展得较早，人们已经积累了不少的经验和数据，因此虚拟设计技术应充分地利用计算机辅助设计已获得的这些宝贵财富。另外，虚拟设计系统比现行的CAD系统具有更强的人机交互能力，设计人员可以通过视觉、听觉、触觉及语音、手势等，与设计的对象在虚拟的环境中进行自然地、直观地交互。由此可见，这项技术使得计算机在产品的辅助设计方面向前推进了一步，使计算机辅助设计的工作范围从规范性工作向创造性工作方向迈进了一大步。同时利用此项技术可以大大地减少实物模型和样机制造，从而减少产品的开发成本，缩短开发周期。17.5.2虚拟设计系统的分类

虚拟设计系统按照配置的档次可分为两大类：一种是基于PC机的廉价设计系统；另一种是基于工作站的高档产品开发设计系统。两种系统的工作原理基本相同。PC机系统的优势主要在于价格低廉，对小型虚拟设计系统的开发非常适宜，并且它的用户广泛，因此具有良好的市场前景。随着PC机性能的迅速提高，越来越多的问题完全可以利用PC机解决，但是由于目前PC机的发展仍不够完善，很难胜任大型复杂产品的虚拟设计，因此对于这些复杂产品的虚拟设计系统，高档的工作站仍是不可取代的硬件平台。虚拟设计系统按应用情况又可分为增强的可视化系统和基于虚拟现实的CAD系统。

(1)增强的可视化系统：利用现行的CAD系统进行建模，通过对数据格式进行适当的转换输出虚拟环境系统。在虚拟的环境中利用三维的交互设备(如头盔式显示器、数据手套等)在一个“虚拟”真实的环境中，设计人员对虚拟模型进行各个角度的观察。目前投入使用的虚拟设计多采用增强的可视化系统，这主要是因为基于虚拟的建模系统还不够完善，相比之下目前的CAD建模技术比较成熟，可以利用。

(2)基于虚拟现实的CAD系统：利用这样的技术系统用户可以在虚拟环境中进行设计活动。与纯粹的可视化系统相反，这种系统不再使用传统的二维交互手段进行建模，而直接进行三维设计。与增强的可视化系统相同，利用三维的输入设备虚拟环境进行交互。此外，它也支持如语音识别、手势及眼神跟踪等。这种虚拟设计系统不需要进行系统培训即可掌握，普通的设计人员略加熟悉便可利用这样的系统进行产品设计。研究表明，这样的虚拟设计系统比现行的CAD系统的设计效率至少要提高5~10倍。17.5.3虚拟设计在机械产品开发中的应用

人们对虚拟现实技术在机械产品设计方面的应用进行广泛的探讨研究后发现，这项技术对缩短产品开发周期，节省制造成本有着重要的意义。因此不少大公司争先在它们的产品设计中采用了这项先进技术，如波音公司、通用汽车公司、奔驰公司、福特公司及英国航空公司等。通过实践证明：虚拟设计在产品的概念设计、装配设计、人机工程学等方面有着特别重要的意义。

1．虚拟概念设计

1996年美国Wisconsin-Madison大学研制出了一个虚拟概念设计系统COVIRDS(ConceptualVirtualDesignSystem)。概念设计是指对产品或零件进行最初的设计构思，它的目的是为了捕捉产品的基本形状。概念设计是设计过程中的重要阶段，因为一旦确定了产品的概念设计，产品成本的60％~70％已经从宏观上确定。因此，在这个设计阶段应考查多个设计方案，以便选出生产成本最低的设计方案。产品在这个设计阶段，其形状及精确尺寸尚未定死，设计人员有一定的变更权。现行的CAD系统要求设计人员在进行CAD建模时必须给出产品的具体形状特性和精确尺寸。但有时在建模阶段并不需要这些参数或设计者还根本没有获得这些参数，因而对设计造成一定的困难。而该大学研制的虚拟概念设计系统克服了CAD建模的这一缺点，它采用语音识别和手势跟踪系统，使用户可以更直观地与虚拟建模环境进行交互，完成快速的概念设计，节省了形状的精确描绘和尺寸的定义时间。

2．虚拟装配设计

虚拟设计在产品设计方面具有较大影响的另一个领域是装配设计，尽管目前尚没有商用虚拟装配系统，但就其技术来说已经成熟，人们普遍认为这项技术对产品设计具有很重要的意义。例如，美国麦道飞机公司采用了沉浸式的虚拟现实系统以帮助新型号发动机的设计。这个虚拟设计系统首先用来研究发动机的拆装过程，尤其是用来发现拆装过程中发动机是否可能与其他零部件发生干涉。整个发动机的拆装过程可以在虚拟环境中进行。若要进行拆卸，首先打开虚拟的发动机舱门，把拖车放到发动机的下面，然后用千斤顶把拖车顶到一定的高度。接下来使用虚拟工具把固定发动机的螺栓松开，再把发动机固定在拖车上，降低拖车，把发动机移出去进行维修或替换。安装发动机的过程与拆卸类似，只是过程相反。当发动机从飞机上拆下以后，这个虚拟发动机的某些部件还可以再拆。利用虚拟设计系统，人们可以为特定的零件开发专用工具，检查零件拆装是否方便，零件安装有无困难等等。

又如，罗尔斯·罗伊斯公司在设计飞机发动机时也采用虚拟环境。以前，该公司在制造发动机之前也是采用实物模型来发现发动机维修过程中的问题。虽然发动机的实物模型并不能工作，但它的结构必须与真正的发动机一样，而且要更精确更结实。所以制造实物模型也不便宜。在1992年，罗尔斯·罗伊斯公司就开始依靠英国的先进机器人研究实验室探索利用虚拟的计算机模型来代替实物模型的可能性。

3．虚拟人机工程学设计

从社会对商品的要求来看，以往的大批量生产已经难以满足人们对商品规格多样化日益增长的需求，取而代之的将是小批量多规格的生产。由于需要在同一生产线上装配不同规格的产品，因此，对设计和制造技术的灵活性提出了很高的要求。虚拟设计系统将为解决这一难题提供很好的帮助。例如，在设计制造一种新型汽车时，人们自然会提出许许多多的要求。汽车外形要具备美观条件，又必需满足安全、人机工程学、维护以及装配等方面的标准。设计还要受到生产、时间以及费用等互相制约条件的限制。在这种复杂的设计过程中，虚拟设计技术比传统的CAD技术能更好地适应这些要求。上述的各种条件可以集成在设计过程中，并且可以减少用于验证概念设计所需的模型个数。在设计过程的各个阶段，可以不断地利用仿真系统来验证假设，这样既可以减少费用和制造模型的时间，同时又可以满足产品多样化的要求。英国航空实验室进行了一项用于概念验证的项目。研究人员研制开发了一个虚拟人机工程学评价系统，该系统由一个VPL生产的高分辨率HRXEyephone头盔式显示器(如图17-6(a)所示)，一个DataGlove数据手套(如图17-6(b)所示)，一个Convolvotron三维音响系统和一台SGI工作站组成，另外系统还为用户提供一个真实的轿车坐舱。设计人员采用CAD系统创建了一辆Rover400型轿车的驾驶室模型，经过一定的转换后将此驾驶室模型引入这个虚拟人机工程学评价系统。借助这个系统，设计人员可以精确研究轿车内部的人机工程学参数，并且在必要时可以修改虚拟部件的位置，重新设计整个轿车的内部构造。利用这个虚拟设计环境，最终用户也可以和设计人员一道参与设计，人们可以将车内的方向盘抓住并从轿车的右边移到左边，这样有助于满足不同用户的特殊要求。

图17-6头盔式显示器和数据手套

17.6.1绿色设计的概念及特点

传统的产品设计理论与方法是以人为中心，以满足人的需求和解决问题为出发点，而无视后续的产品生产及使用过程中的资源和能源的消耗，以及对生态环境的影响。绿色设计就是针对传统设计的这种不足而提出的一种全新的设计概念。绿色设计通常也称为生态设计、环境设计、生命周期设计或环境意识设计等。它是将防止污染、保护资源的战略集成到生态学和经济性能都能承受得起的产品开发中去的主动方法，因此受到学术界和工业界的普遍重视。17.6绿色设计绿色设计就是实现产品绿色要求的设计，它源于传统设计，但又高于传统设计，它包含产品从概念形成到生产制造、使用，乃至废弃后的回收、重用及处理处置的各个阶段，即涉及产品全生命周期，它是从可持续发展的高度审视产品的整个生命周期，强调在产品开发阶段按照全生命周期的观点进行系统的分析与评价，消除潜在的、对环境的负面影响，将“3R1D”(Reduce——减量化、Reuse——回收重用、Recycle——循环再生和Degradable——可降解)原则直接引入产品开发阶段，并提倡无废物设计。绿色设计的主要特点是：

1.拓展了产品生命周期

传统产品生命包括从“产品制造到投入使用”的各个阶段，而绿色设计将产品的生命周期延伸到了“产品使用结束后的回收重用及处理处置”。这种拓展了的生命周期便于在设计过程中从总体的角度理解和掌握与产品有关的环境问题及原材料的循环管理、重复利用、废弃物的管理和堆放等，便于绿色设计的整体优化。

2.绿色设计是并行闭环设计

传统设计是串行开环设计过程，而绿色设计要求产品生命周期的各个阶段必须被并行考虑，并建立有效的反馈机制，即实现各个阶段的闭路循环。

3.绿色设计有利于保护环境和维护生态系统平衡

设计过程中分析和考虑产品环境需求是绿色设计区别于传统设计的主要特征之一，因而绿色设计可从源头上减少废弃物的产生。

4.绿色设计是可以在不同层次上进行的动态设计过程

绿色设计可以在三个层次上进行，即治理技术与产品设计(如可回收再生设计)、清洁预防技术与产品设计，以及为价值而设计。目的在于提高产品的总价值，这种价值体系是人与环境的共同体。17.6.2绿色设计体系结构

绿色设计的体系结构如图17-7所示，它把绿色设计划分为4个部分，即产品结构设计、材料选择、产品环境性能设计和产品资源性能设计。每一部分都从全生命周期的角度进行选择，并通过相关环节(如评价等)相互联系和进行信息交换。

图17-7绿色设计的体系结构

1.绿色产品的描述与建模

绿色产品可以通过寿命周期分析方法(LCA)与并行工程的思想建立其设计模型。

2.绿色产品结构设计

绿色产品的结构除了满足普通产品的基本要求外，主要考虑的是结构的易于拆卸与回