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1、现代设计方法,姓 名：王华杰单 位：机械与汽车工程学院专 业：机械设计制造及其自动化联系方式：3592262(办)手机),概 述,英国前首相撒切尔夫人对工业设计曾有一句非常精辟的论断:“对于工业设计一分的投入，可以产生一千分的回报”美国工业设计协会做过调查，美国工业设计平均每投入一美元，其销售收入为二千五百美元；日本日立公司的统计数字也表明，每增加一千亿日元的销售额，工业设计的作用就占51%，而技术改造的作用仅占12%。,工业设计的创新，必然会给产品带来丰厚的利润,1.1 设计的概念,一、设计的概念与内涵 从给出的合理的目标参数出发，通过各种方法和手段创造出一个所需的优化系统或结构的过程。国际
2、工业设计学会(International Council Societies of Industrial Design):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。,设计的基本内涵：(1)需求是设计的动力源泉(2)设计的本质是创造性的(3)设计是先进生产力的代表(4)设计是以技术性、经济性、社会性、艺术性为目标的,工业设计的特征：(1)需求特征(2)创造性特征(3)程序特征(4)时代特征,国家体育场“鸟巢”,世界上独一无二的钢结构设计“鸟巢”,世界上最大的膜结构工程“水立方”,北京奥运会闭幕式“记忆之
3、塔”由长江液压研制生产,二、产品设计的重要性和产品开发所面临的挑战 1.产品设计的重要性(1)设计直接决定产品的功能和性能(2)设计对企业生存和发展具有重大意义(3)设计直接关系人类的未来及社会发展,2.市场全球化和企业竞争的加剧，是产品开发面临以下挑战：(1)产品适销售期明显缩短、产品开发周期极大缩短(2)产品品种数急剧增加(3)设计对象越来越复杂(4)设计过程越来越复杂(5)对设计产品的要求越来越高(6)设计风险加大,1.2 设计系统,一、设计系统的概念 系统工程方法：把事物当做一个整体的系统来研究，从系统出发，分析各个组成部分之间有机的联系及系统与外界环境的关系，是一种比较全面的综合研究
4、方法。现代设计中的许多问题，都可以用系统思想和方法去分析、认识和把握。,1.设计系统模型 系统设计思想的核心是把工业设计对象以及有关的设计问题视为系统。根据这一观点，设计是一种信息处理系统，输入的是设计要求和约束信息，设计者运用产品设计的只是规则、方法，通过计算机、试验设备等工具进行设计，最后输出的是产品方案、图纸、产品数字模型、技术文件等设计结果。,设计系统模型,2.三维设计系统 从系统工程的观点分析，设计系统具有三维空间，是由时间维、逻辑维和方法维组成的三维系统。时间维反应按时间顺序的设计工作阶段逻辑维解决问题的逻辑步骤方法维设计过程中的各种思维方法和工作方法,三维设计系统,方法,二、产品
5、设计的过程(时间维)研究设计过程，拟定科学的具有普遍性的产品设计程序，是设计方法学领域的重要内容，也是设计工作科学化的基础。产品设计进程一般可分为：1)产品规划阶段：需求分析、市场预测、可行性分析，确定设计参数及制约条件，最后提出详尽的设计任务书,2)原理方案设计阶段：就是新产品的功能原理设计。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，并作出新产品的功能原理方案图。3)技术设计阶段：将已确定的产品的功能原理方案具体化为装置及零部件的合理结构。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、控制等进行总体布置。,实用化和商品化设计分
6、别进行结构设计(材料、尺寸等)和造型设计(美观、宜人型性等)，得到若干个结构和造型方案，分别进行试验和评价，选出最优结构和造型方案。最后得出结构设计技术文件、总体装置草图、结构装配草图和造型设计文件、总体效果草图、外观构思模型等。4)施工设计阶段：把技术设计的结果变成施工的技术文件。该阶段就是完成零件工作图、部件装配图、造型效果图、设计说明书、工艺文件、使用说明书等有关技术文件。,三、并行设计 并行设计又称并行工程，是对产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)进行并行、一体化设计的一种系统化工作模式。这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品整个生命周期(从概念的形成倒产品报废)中所有的因
7、素，包括质量、成本、进度和用户需求。并行工程的核心是实现产品及其相关过程设计的集成。,传统顺序设计过程模型,传统的顺序设计方法与并行设计方法的比较：,并行设计过程模型,四、解决问题的逻辑步骤(逻辑维)合理的逻辑步骤是：分析明确任务的本质要求综合提出设计方案评价收敛、筛选的过程决策找出最佳解法,五、设计理论与方法的应用(方法维)设计方法随着社会、经济和材料的进步而不断发展，已由静态分析、近似计算、经验类比、手工劳动为特征的传统设计方法步入现代设计方法阶段。现代设计不仅指设计方法的更新，也包含了新兴设计理论、新技术的引入和产品创新。,1.3 传统设计与现代设计,一、设计发展的基本阶段 1)直觉设计
8、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。,二、现代设计的目标和特点 1.现代设计的目标 1)功效实用性：保证设计产品的技术指标 2)系统可靠性：在预定的时间
9、内和给定的条件下，能可靠地工作 3)运行稳定性：在输入变量或受干扰时，输出量不发生超过限度的变化，能很快过度到稳定状态 4)人机安全性：保证人身安全，故障造成的损失最小。,5)环境无害性：对环境的噪声以及污染减小到最小程度 6)操作宜人性：操作者工作时心情舒畅，不易疲劳 7)结构工艺性：满足制造、加工、运输、安装、维修等工艺要求，特别是自动化要求 8)技术经济性：一是不同设计方案的经济性比较；二是正常运行时资源运用的合理性 9)造型艺术性：在保证功能的前提下，造型合乎艺术规律，使人产生美感或时代感 10)设计规范性：符合国家政策、法律法规和技术规范,2.现代设计的特点 1)系统性：现代设计采用
10、逻辑的、系统的设计方法；传统设计是经验、类比的设计方法。2)社会性：现代设计从产品的概念形成到报废处理的全寿命周期中所有问题，都要以面向社会、面向市场为主导思想全面考虑；传统设计为单纯注意技术性，设计制造后才进行经济分析、成本核算，很少考虑社会问题。,3)创造性：现代设计激励创造冲动，突出创新意识，运用创造技法、科学抽象的设计构思、扩展发散的设计思维、多种可行的设计方案的比较，全面深入地评价决策，追求最优方案；传统设计是封闭收敛的设计思维，强调经验类比和直接主观的评价决策。4)宜人性：现代设计强调产品内在的实用性以及外观形体的美观性、艺术性和时代性，满足人-机-环境等之间的协调关系；传统设计往
11、往强调产品的物质功能，忽视或不能全面地考虑精神功能。,5)最优化：现代设计重视综合集成，寻求最优方案和参数；传统设计属于自然优化，凭借设计人员的有限知识、经验和判断力选取较好方案。6)动态化：现代设计在静态分析的基础上，考虑生产中实际存在的多种变化量(如可靠性问题、载荷谱、负载率等随机变量)的影响，进行动态特性的最优化；传统设计以静态分析和少变量为主。,7)设计过程智能化：设计过程智能化是指借助人工智能和专家系统技术，由计算机完成一部分原来必须由设计者进行的创造性工作。现代设计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和系统。传统设计局部上自发地运用某些仿生规律，但很难达到高度智
12、能化的要求。,洗衣机工作过程的智能化,8)计算手段的计算机化和数字化：计算机在设计中应用从早期的辅助分析、计算机绘图，发展到现在的优化设计、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，特别是网络和数据库技术的应用，加速了设计进程，提高了设计质量，方便信息交换。传统设计靠人工绘图，设计准确度和效率受到限制，修改设计也不方便。,9)设计制造一体化：设计和制造一体化强调产品设计制造的统一数据模型和计算机集成制造，由传统的顺序方式过渡到并行设计方式，有利于加速设计进程，提高设计质量。,三、现代设计体系结构 现代设计技术是一满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为
13、目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种学科方法及技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。现代设计技术体系由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个层次组成。,1)基础技术：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和方法等。2)主体技术：计算机辅助设计技术以它对数值计算和对信息与知识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：设计方法学、可靠性设计技术及试验设计技术所包含的内容视为现代设计技术群体的支撑技术。3)应用技术：针对适用性的目的解决各类具体产品设计领域的技术。,1.4
14、 部分现代设计方法简介,一、计算机辅助设计(CAD)计算机辅助设计是指在设计活动中，利用计算机作为工具，帮助工程技术人员进行设计的一切适用技术的总和。是人和计算机结合、各尽所长的新型设计方法。具有提高设计质量、节省设计时间、提高效率、降低成本等特点。CAD集成化是当前CAD技术发展的一个重要方面，形式之一是将CAD和CAM集成为一个CAD/CAM系统。,二、工业造型设计 工业产品造型设计是指利用艺术手段按照美学方法对工业产品进行造型设计，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。具有以下三个显著特征：1)实用性特征：体现使用功能，适合目的性，先进性和可靠性，具有现代科学技术
15、的功能美。2)科学性特征：体现先进加工手段的工艺美，反应大工业自动化生产和科学性的严格和精确美。3)艺术性特征：应用美学法则体现形体美、色彩美、材料美，体现人、产品和环境的整体和谐美。,三、有限元法 有限元法是以计算机为工具的一种现代数值计算方法。不仅用于工程中复杂的非线性问题(如结构力学、流体力学、热传导、电磁场等)的求解，而且还用于工程设计中复杂结构的静态和动力学分析，并能精确地计算形状复杂的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力的分析工具。国际上研制了功能完善的有限元分析软件，如ANSYS和Abaqus等，带有强大的前处理和后处理。,四、虚拟设计 虚拟现实(Virtual
16、 Reality,VR)是采用计算机技术和多媒体技术，营造一个逼真的具有视、听、触等多种感知的人工虚拟环境，使置身于该环境的人通过各种多媒体传感交互设备与这一虚构的环境进行实时交互作用，产生身临其境的感觉。虚拟设计的基本构思是用计算机来虚拟完成整个产品开发过程。在计算机上建立产品模型，并进行各种分析，改进产品设计方案，用数字化形式代替传统实物原型试验，在数字状态下进行产品静态和动态分析，再进行集成改进。,五、价值工程 价值工程是以功能分析为核心，以开发创造性为基础，以科学分析为工具，寻求功能与成本的最佳比例，以获得最优价值的一种设计方法或管理科学。在市场激烈竞争中，只有功能齐全、性能好、成本低
17、的产品才有优势。价值是产品功能与成本的综合反映，可用数学式表示：,V价值(Value)F功能评价(Function)C总成本(Cost),价值工程包括价值、功能、成本三个要素。,六、模块化设计 模块是一组同时具有相同功能和结合要素而具有不同性能或用途甚至不同结构特征但能互换的单元。产品模块化的思想是将某一产品按一定的规则分解为不同的、有利于产品设计、制造及装配的许多模块，然后按照模块来组织产品和生产。模块化设计是对产品进行市场预测、功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用的功能模块；根据用户的要求，对这些模块进行选择和组合，就可以构成不同功能或功能相同但性能不同、规格不同的产品。这种设计方法称
18、为模块化设计。,七、反求工程 反求工程是针对消化吸收先进技术的一系列工作方法和应用技术的组合，包括设计反求、工艺反求、管理反求等各个方面。它以先进产品的实物、软件(图样、程序、技术文件等)或影像(图像、照片等)作为研究对象，应用现代设计的理论方法以及生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统的分析研究，探索并掌握其关键技术，进而开发同类产品。这样的产品开发模式称为反求工程(Reverse Engineering,RE)。,八、健壮设计 健壮性是指产品抵抗由于制造和使用过程中环境因素或由于在规定寿命内材料或结构发生老化和变质而引起质量特性波动的能力。健壮性设计是通过控制可控因素的水平，使产品质量特
19、性对噪声因素的敏感程度降低，从而使噪声因素对产品质量的影响作用减少或去除，提高产品的质量对外界干扰的抵抗力，使所设计的产品无论在制造中产生偏差，或是在规定寿命内结构发生老化和变质，都能保持产品性能稳定，实现提高产品质量的目的。,健壮性设计法将产品设计过程分为系统设计、参数设计和容差设计三个阶段。,九、优化设计 优化设计亦称为最优化设计，是以数学规划理论为基础，以电子计算机为辅助工具，将设计问题按规定的格式建立数学模型，并选择合适的优化算法，选择或编制计算机程序，然后通过计算机自动获得最优设计方案。,十、可靠性设计 可靠性(Reliability)是衡量产品质量的重要指标之一，是指产品在限定的条
20、件下、规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性设计是指在产品设计过程中，在预测与预防产品所有可能发生故障的基础上，通过采用相应的设计技术，使所设计的产品符合规定的可靠性要求。,十一、绿色设计 绿色设计(Green Design)也称为生态设计(Ecological Design)、环境设计(Design for Environment)等。其基本思想是：在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响最小。绿色设计的核心是3R(Reduce，Reuse，Recycle)。绿色设计的主要内容包括：绿色产品设计的材料选择与管理、产品的
21、可拆卸性设计、产品的可回收性设计。,实例：椅子的设计 1)坐下后，人的大腿与躯干所构成的角度不可小于105；2)椅子的靠背应根据人的腰椎曲线设计，并能托住腰部为好；3)椅子座面应向后倾斜，但倾斜角度如果过大，会使人难以站起来，一般与水平面成105较合适；4)椅子前面的边缘应做成圆弧，以防其损伤人体；5)如果椅子靠背与垂直面的角度大于30，椅子上方应增加靠垫，使头枕在上面得以休息；6)新产品的设计应考虑即使使用者改变姿势也不妨碍舒适感。,从现代设计方法的角度，椅子的设计方法可以总结为：1)如何保证设计的椅子最省料、成本最低、结构尺寸合理?(优化设计问题)2)如何保证椅子的耐久性，能可靠地工作?(
22、可靠性设计问题)3)如何使设计的椅子满足人体舒适要求?(人机工程学问题),4)如何保证设计的椅子外观、造型美观?(产品造型设计问题)5)如何保证椅子设计过程的计算更精确?(有限元问题)6)如何保证椅子设计的效率?(计算机辅助设计问题)7)如何使椅子报废后可以回收利用?(绿色设计问题),意大利现代设计风格 时尚精美卫浴生活,超现代设计流派最纯“氢”的车,氢气引擎模型,汽车设计大师班格尔：现代设计不再挑战人类。,班格尔相信设计可以改变人类生活，为生命带来正面效应。,计算机辅助设计客车设计实例,1.4 现代设计方法学习的目的意义一、学习现代设计方法的意义 先进的设计方法和手段是完成高质量设计的关键二
23、、学习现代设计方法的目的 1.熟悉现代设计方法的特点，技术体系，基本思想和思路；2.重点掌握应用广泛、实用性强的设计方法的理论和应用；3.为现代设计方法的发展和推广奠定较为扎实的基础；4.促进和加快传统设计方法向现代设计方法的转变进程。,三、参考资料 1.孙新民.现代设计方法实用教程.人民邮电出版社,1999年；2.陈继平,李元科.现代设计方法.华中科技大学出版社,1996年；3.陈屹、谢华，现代设计方法及其应用，国防工业出版社，2004年 4.http:/5.moderndesign12.htm 7.first.htm,本课程的主要内容,基本理论介绍（有限元）专业软件操作及应用（Ansys Workbench）重视实际应用（课堂课后上机练习）提升专业技能（CAD、CAE）,
