ch1现代设计方法学.ppt

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1、第1章 绪 论1.1 现代设计的概念1.1.1 1.1.1 设计的概念及特征设计的概念及特征设计的定义设计的定义：为了满足人类与社会的功能要求，将预定的目标通过人们创造型思维，经过一系列规划、分析和决策，产生载有相应的文字、数据、图形等信息的技术文件，以取得最满意的社会与经济效益，这就是设计。工业产品设计具有的特征工业产品设计具有的特征：（1）需求特征：（2）创造性特征：（3）程序特征：（4）时代特征：第1章 绪 论1.1.2 1.1.2 设计发展的基本阶段设计发展的基本阶段从人类生产的进步过程来看，整个设计进程大致经历了如下四个阶段：直觉设计阶段（直觉设计阶段（17世纪以前）古代的设计是一种

2、直觉设计。当时人们或许是从自然现象中直接得到启示，或是全凭人的直观感觉来设计制作工具。特点：设计与制造无法分开。经验设计阶段（经验设计阶段（17世纪初）开始利用图纸进行设计，并开始根据图纸组织生产。特点：开始利用图纸设计、生产。第1章 绪 论1.1.2设计发展的基本阶段 半理论半经验设计阶段（半理论半经验设计阶段（20世纪初以来）由于实验技术与测试手段的迅速发展和应用，提高了设计的可靠性，这个阶段成为半理论半经验设计阶段（又称为中间试验设计阶段）。这个阶段主要特征:(1)设计理论加强，如材料应力应变、摩擦磨损理论、零件失效与寿命;(2)设计手册、图册应用；（3）关键零部件设计研究；（4）“三化

3、”,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现代设计阶现代设计阶段（段（近30年来）其特征：（1）CAD/CAM/CAE/NC技术的应用；（2）考虑环境影响、经济、社会效益、持续发展等因素。第1章 绪 论1.1.3 现代设计与传统设计传统传统设计（见图设计（见图1-11-1）所谓“传统”是指这套方法沿用了很长时间，直到现在仍然被广泛采用。传统设计是以经验总结为基础，运用力学和数学而形成的经验公式、图表、设计手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。所以传统设计方法是一种以静态分析、近似计算、传统设计方法是一种以静态分析、近似计算、经验设计、手工劳动为特

4、征的设计方法经验设计、手工劳动为特征的设计方法。其特征：（1）设计的每一个环节都依靠设计者用手工方式完成；（2）设计人员的大部分精力耗费在零部件的常规设计中，而整机全局问题深入较少，特别是对于一些困难而费时的分析计算，常常不得不采用作图法或类比法等粗糙的方法，因此具有很大的局限性，主要表现在：最优方案难以获得；只能按静态计算而不能按动态计算，影响设计质量；设计工作周期长，效率低、成本高。第1章 绪 论1.1.3 现代设计与传统设计现代设计 现代设计不仅指设计方法的更新，也包括了新技术的引用和产品的创新。产品现代设计的主要特点表现在：设计对象由单机走向系统；设计要求由单目标走向多目标；设计所涉及

5、领域由单一领域走向多个领域；产品设计速度加快、设计质量提高。第1章 绪 论1.2 现代设计方法的主要内容及特点1.2.1 1.2.1 现代设计方法的主要现代设计方法的主要 内容内容 现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在涉及领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。它是以设计产品为目标的一个总的知识群体的总称。目前它的内容主要包括：优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、工业艺术造型设计、虚拟设计、疲劳设计、三次设计、相似性设计、模块化设计、反求工程设计、动态设计、有限元法、人机工程、价值工程、并行工程、人工神经元计算方法等。在运用他们进行工程设计时，一般都以计算机作为分

6、析、计算、综合、决策的工具。本节以计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、有限元法、工业艺术造型设计、设计方法学、三次设计等为例来说明现代设计方法的基本内容与特点。第1章 绪 论1.2 现代设计方法的主要内容及特点计算机辅助设计计算机辅助设计 计算机辅助设计（Computer Aided Design)，简称CAD。他是把计算机技术引入设计过程并用来完成计算、选型、绘图及其他作业的一种现代设计方法。计算机、绘图积极其他外围设备构成CAD硬件系统，而操作系统、语言处理系统、数据库管理系统和应用软件等构成CAD的软件系统。通常所说的CAD系统是只由系统硬件和系统软件组成，兼有计算、图形处理、数据库等

7、功能，并能综合利用这些功能完成设计作业的系统。优化设计优化设计 优化设计（Optimal Design）是把最优化数学原理应用于工程设计问题，在所有可行方案中第1章 绪 论寻求最佳设计方案的一种现代设计方法。在进行工程优化设计时，首先把工程问题按优化设计所规定的格式建立数学模型，然后选用合适的优化计算方法在计算机上对数学模型进行寻优求解，得到工程设计问题的最优设计方案。在建立优化设计数学模型的过程中，把影响设计方案选取的那些参数称为设计变量设计变量；设计变量应当满足的条件称为约束条件约束条件；而设计者选定来衡量设计方案优劣并期望得到改进的指标表示为设计变量的函数，称为目标函数目标函数。设计变量

8、、约束函数、目标函数组成了优化设计问题的数学模型。优化设计需要把数学模型和优化算发放到计算机程序中用计算机自动寻优求解。常用的优化算法有：法、鲍威尔（Power）法、变尺度法、复合型法、惩罚函数法。第1章 绪 论可靠性设计可靠性设计 可靠性设计（Reliability Design）是以概率论和数理统计为理论基础，是以失效分析、失效预测及各种可靠性试验为依据，以保证产品的可靠性为目标的现代设计方法。可靠性设计的基本内容是：选定产品的可靠性指标及量值，对可靠性指标进行合理的分配，再把规定的可靠性指标设计到产品中去。有限元法有限元法 有限元法（Finite Method）是以电子计算机为工具的一种

9、数值计算方法。目前，该方法不仅能用于工程中复杂的非线性问题、非稳态问题（如结构力学、流体力学、热传导、电磁场等方面的问题）的求解，而且还可以用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力学分析，并能准确地计算复杂零件的应力分布和变形，成为复杂零件强度和刚度计算的有利分析工具。第1章 绪 论有限单元法的基本思想有限单元法的基本思想是：首先假想将连续的结构分割成数目有限的小块体，称为有限单元。各单元之间仅通过结点相连，用单元的集合体近似代替原来的结构，在结点上引入等效结点力以代替实际作用单元上的动载荷，对每个单元，选择一个简单的函数来近似表达单元位移分量的分布规律，并按弹性力学中的变分原理建立单元结点力与

10、结点位移（速度/加速度）的关系（质量、阻尼、刚度矩阵），最后把所有的单元的这种关系集合起来，就可以得到以结点位移为基本未质量的动力学方程。给定初始条件和边界条件，就可求解动力学方程得到系统的动态特性（图1-4）。目前，普遍使用的通用有限元软件有：NASTRAN，ANSYS，MACRO等。这些软件具有功能强大的前处理（自动生成单元网格，形成输入数据文件）和后处理（显示计算结果、绘制变形图、等直线图、振型图并可动态显示结构的动力响应等）程序。第1章 绪 论工业艺术造型设计 工业艺术造型设计时工程技术与美学艺术相结合的一门新学科。他是旨在保证产品使用功能的前提下，用艺术手段按照美学法则对工业产品进行

11、造型活动，包括结构尺寸、体面形态、色彩、材质、线条、装饰及人际关系等因素进行有机的综合处理，从而设计出优质美观的产品造型。实用和美观的最佳统一是工业艺术造型的基本原则。这一学科的主要内容包括：造型设计的基本要素、造型设计的基本原则、美学法则、色彩设计、人机工程学等。反求工程设计 反求工程设计（Reverse Engineering）是消化吸收并改进国内外先进技术的一系列工作方法和技术的总和。第1章 绪 论它是通过实物或技术资料对已有的先进产品进行分析、解剖、试验，了解其材料、组成、结构、性能、功能，掌握其工艺原理和工作机理，已进行消化仿制、改进或发展、创造新产品的一种方法和技术。它是针对消化吸

12、收先进技术的系列分析方法和应用技术的组合。现代设计与传统设计的辩证关系 不能把截然分开，传统设计方法在一些适合的工业产品设计中还在应用。现代设计方法也并非万能良药，使用上有其特定场合，如优化设计只能在制定方案下进行参数优化而不能进行方案创造，计算机辅助设计只能在“寻找”方面帮助人的脑和手工作，而不能代替人脑进行“创造型思维”。第1章 绪 论1.3 现代产品的开发1.产品设计的类型2产品开发一般可分为如下三种类型：3开发性设计：针对新任务，应用可行的新技术，进行创新构思，提出新的功能原理方案，完成产品规划到施工设计。这是一种完全创新的设计。适用性设计：在工作原理基本保持不变的情况下，只对产品作局部变更或增设部件，使产品能更广泛地使用使用要求。变型设计：在工作原理和功能结构都不变的情况下，变更现有产品的结构配置和尺寸，使之满足不同的工作要求。第1章 绪 论2.产品开发的三个阶段功能原理设计；实用化设计；完成从总体设计、部件设计、零件设计到制造施工的全部技术资料。商品化设计；评判产品的市场竞争力，即该产品能否成为商品，评判方法：技术水平、经济效益、社会效果。3.产品设计的进程产品规划阶段；原理方案设计阶段；技术设计阶段：提出新产品的总装图施工设计阶段：完成零件工作图、部件装配图、造型效果图、设计说明书、工艺文件、使用说明书等技术文件。