现代设计技术体系(doc 8页).doc

1、1 现代设计技术体系提纲现代设计技术体系提纲 1 现代设计技术 0 引言引言 现代设计技术是先进制造技术中的 首要关键技术，它是现代科技发展和全 球市场竞争的产物。 产品设计产品设计是以社会需求为目标，在 一定设计原则的约束下，利用设计方法 和手段创造出产品结构的过程，如图 l 所示。 市场竞争的需要和各种新方法、新技术、 新工艺、新材料不断涌现，推动了设计方法和 技术的进步，产品设计从传统的经验设计进入 现代设计。 1 1 现代设计的内涵现代设计的内涵 1.11.1 现代设计的现代设计的特征特征 现代设计是传统设计的深入、丰富和完 善，而非独立于传统设计的全新设计。虽然目 前对现代设计尚无确

2、切定义，但可从以下特征 来理解。 以计算机技术为核心以计算机技术为核心 这是现代设计的主要特征。 计算机技术的飞速发 展对设计产生了巨大影响，表现为以下几方面： 设计手段的更新设计手段的更新 计算机技术推动了设计手段从 “手工” 向计算机技术推动了设计手段从 “手工” 向 “自动”的转变。“自动”的转变。 传统设计以图板、直尺、铅笔等作为工具，这种 设计手段效率低、人工强度大。CAD 技术的出现和发 展，甩掉图板的“无纸设计”作为现代设计的主流， 显著提高了设计效率。 产品表示的改变产品表示的改变 计算机技术推动了产品表示从 “二维” 向计算机技术推动了产品表示从 “二维” 向 “三维”的转变

3、。“三维”的转变。 传统设计利用投影原理表示产品结构，这种二维 表示的数据单一，数据量少，不便于产品的进一步分 析和制造。随着 CAD 技术的发展，三维“产品模型 (Product Model)”越来越得到广泛应用。这种 表示不仅包括反映产品形状和尺寸的几何信息，还可 包括分析、加工、材料、特性等数据，从而可直接用 于分析和制造。 设计方法的发展设计方法的发展 促进了一些新的设计方法的出现， 高性能促进了一些新的设计方法的出现， 高性能 的计算机硬件和先进的软件技术是这些方法的计算机硬件和先进的软件技术是这些方法 实施的保证。实施的保证。 一些先进的设计方法如有限元分析、优化、 模态分析等都涉

4、及大量复杂计算，只有计算机 技术的发展才能推动这些方法的进步和应用。 新的设计方法如并行设新的设计方法如并行设计、虚拟设计、计算机计、虚拟设计、计算机 仿真等。仿真等。 工作方式的变化工作方式的变化 计算机技术促进了设计方式从“串计算机技术促进了设计方式从“串 行”到“并行”的变化。行”到“并行”的变化。 受设计手段限制，传统设计过程采用串行方式串行方式进 行，即设计任务按时序从一个环节传入下一环节。随 着数据库技术和网络技术的发展，并行设计正得到广 泛应用。它要求设计小组设计小组(Team)(Team)同时地、并行地参与同时地、并行地参与 设计，设计，并最大限度地交流信息，以缩短设计周期及有

5、 助于将各种新思想、新技术、新方法融入到产品设计 中。 设计与制造一体化设计与制造一体化 存在于计算机内的产品模型可直接进入 CAPP 系统进行工艺规划和 NC 编程，进而加工 代码可直接传入 NC 机床、加工中心进行加工。 产品模型加强了设计与制造两个环节的连接， 提高了产品开发的效率。 管理水平的提高管理水平的提高 产品设计是一个复杂的系统工程， 设计过 程中涉及大量设计数据和设计行为的管理。数 据库技术的发展改变了传统的手工管理模式， 各种 MIS、PDM 系统的广泛应用大大提高了设 计的管理水平，保证了设计过程的高效、协同 和安全。 组织模式的开放组织模式的开放 网络技术的发展加快了数

6、据通讯速度， 缩 短了企业之间的距离。传统的局限于企业内部 的封闭设计正在变为不受行政隶属关系约束 的、多企业共同参与的异地设计。为完成一种 设计任务形成的虚拟企业或动态联盟将实现 优势互补和资源共享，极大地提高设计效率和 水平。 以设计理论为指导以设计理论为指导 受科学技术发展水平的限制， 传统设计是以生产 经验为基础，以运用力学和数学形成的计算公式、经 验公式、图表、手册等作为依据进行的。随着理论研 究的深入，许多工程现象不断升华和总结为揭示事物 2 现代设计技术体系提纲现代设计技术体系提纲 2 内在规律和本质的理论，如摩擦学理论、模态分析理 论、可靠性理论、疲劳理论、润滑理论等。现代设。

7、现代设 计方法是基于理论形成的方法，利用这种方法计方法是基于理论形成的方法，利用这种方法 指导设计可减小经验设计的盲目性和随意性，指导设计可减小经验设计的盲目性和随意性， 提高设计提高设计的主动性、科学性和准确性。因此，的主动性、科学性和准确性。因此， 现代设计是以理论指导为主、经验为辅的一种现代设计是以理论指导为主、经验为辅的一种 设计。设计。 1.21.2 现代设计的内涵现代设计的内涵 通过对其特征的分析，可以认为： “现代设现代设 计计” 就是以满足应市产品的质量、 性能、 时间、 成本价格综合效益最优为目的， 以计算机辅 助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科 学方法及技术为手段，研

8、究、改进、创造产品 活动过程所用到的技术群体的总称。 既以市场以市场 需求为驱动，以知识获取为中心，以现代设计需求为驱动，以知识获取为中心，以现代设计 思想、方法思想、方法为指导为指导和现代技术手段为工具，考和现代技术手段为工具，考 虑产品的整个生命周期和人、机、环境相容性虑产品的整个生命周期和人、机、环境相容性 因素的设计。因素的设计。 1 1现代设计作为一个研究领域，包含现代设计作为一个研究领域，包含范范 围极其广泛。围极其广泛。 既包含指导设计进程及逻辑规律的设计 方法学（属于思维方面） ，也包含能用来提高 设计效率和设计质量的各种单项技术（如 CAD 技术、有限元分析、可靠性设计等）

9、，同时还 包含有高产品市场竞争优势的技术（如商品化 设计、工业造型技术、市场预测与分析技术 等） ，贯穿其中很重要一点就是并行工程的应 用：产品设计开始就要同时考虑制造、使用及 全生命周期的各个因素， 另外， 对于一个任务， 可以以网络技术为基础组织不同制造商（网上 动态联盟）来共同完成。因此， 2.现代设计只能综合理解为：计算机为工 具，专业设计技术为基础，网络为效率，市场 为导向的一种综合设计理念，其实现没有固定 的模式。 简单的说，现代设计简单的说，现代设计的内涵的内涵就是以市场为驱就是以市场为驱 动，以知识为依托，以知识获取为中心，以产动，以知识为依托，以知识获取为中心，以产 品全生命

10、周期为对象，人、机、环境相容的品全生命周期为对象，人、机、环境相容的设设 计理念计理念。 2 2 现代设计的技术体系现代设计的技术体系 现代设计技术的整个体系好比一棵大树， 由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术 四个层次组成。图 2 2.12.1 基础技术基础技术 指传统的设计理论与方法，特别是运动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、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热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法 等方面等方面。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。现代设计技

11、术也 可以说是在传统设计技术的基础上，以新的形式和更 丰富的内涵发扬光大传统设计技术中的优秀内核与精 华。 图 2 现代设计技术体系与其他学的关系 2.2 2.2 主体技术主体技术 现代设计技术的诞生和发展与计算机技术的发 展息息相关、相辅相成。可以毫不夸张地说，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(Intelligent CADICAD)、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，没有其他现代设计技 术的多种理论与方法，计算机技术的应用也会大大受 到限制，因为运用优化设计、可靠性设计、模糊设计 等理论构造的数

12、学模型，来编制计算机应用程序，可 以更广泛、更深入地模拟人的推理与思维，从而提高 计算机的 “智力” 。而计算机辅助设计技术正是以 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。 2.32.3 支撑技术支撑技术 无论是设计对象的描述，设计信息的处无论是设计对象的描述，设计信息的处 理、加工、推理与映射及验证，都离不开设计理、加工、推理与映射及验证，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与方法及手段的支撑。术所提供的多种理论与方法及手段的支撑。 设计方法学、可信性设计技术及试验设计设计方法学、可

13、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所包含的种种内容，可视为现代设计技术技术 群体的支撑技术。群体的支撑技术。 2.42.4 应用技术应用技术 应用技术是针对实用目的解决各类具体 3 现代设计技术体系提纲现代设计技术体系提纲 3 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，可以看作是现代设计技术 派生出来的丰富多彩的具体技术群。现代设计技术在 各类产品设计领域的广泛应用，促进了产品质量与性 能的提高。 现代设计已扩展到产品规划、 制造、 营销、运行、 回收等各个方面，除了必要的传统设计理论与方法的 基础知识外，相关的学科与技术，尤其是制造工

14、艺、 自动化技术、系统管理技术、材料知识与经验及广泛 的自然科学知识等也是十分必要的。 值得一提的是，现代设计技术体系框架的 划分只是相对的，而不是绝对的；主体技术、 支撑技术、应用技术、基础技术之间并不存在 截然的界限。主体技术所包含的计算机辅助设 计的有关技术本身往往就是应用技术。在特定 情况下，某些支撑技术也可以成为主体技术， 例如变载荷及随机干涉下零件的疲劳设计和 稳定性设计，这时疲劳设计、健壮设计就是相 应情况下的主体技术。有些设计支撑技术本来 就是由传统的强度、变形及失效理论“繁衍” 出来的多种设计理论，如疲劳设计、防断裂设 计、 可靠性设计等，所以， 这些设计支撑技术， 也可看作

15、基础技术。 3 3 现代设计原则现代设计原则 设计原则是为设计产品应满足的条件， 也 是对设计行为的约束。受设计水平、观念、体 制等限制，传统设计所考虑的原则着眼于产品 的功能和技术范畴，而设计的影响贯穿产品整 个生命周期，所以设计原则必须面向生命周期 内的各个阶段。现代设计原则是传统设计原则 的扩充和完善，两者并无本质区别。可归纳为 以下几类。 3.1 3.1 功能满足原则功能满足原则 产品设计的目的是构造能够实现规定功 能的产品。如果产品不具备要求的功能，设计 就失去价值。因此满足功能是各类产品设计的 必要原则。 3.23.2 质量保障原则质量保障原则 保证质量是产品设计的重要原则。产品质

16、 量主要由性能和可靠性决定，因此这类原则主 要包括： (1)(1)性能指标。性能指标。指产品的各类技术指标，如 机床加工精度、传动系统运动精度，电视机分 辨率等。先进的技术指标是实现高质量产品的 前提。 (2)(2)可靠性。可靠性。 指产品在规定的条件和规定时 间内完成规定功能的能力。产品只有可靠性能 才有实用价值，因此性能的发挥依赖于可靠 性。 (3)(3)强度原则。强度原则。 要求产品零件具有抵抗整体 断裂、塑性变形和某些表面损伤的能力。 (4)(4)刚度原则。刚度原则。要求外载作用下产品变形在 规定的弹性变形之内。 (5)(5)稳定性。稳定性。指产品在外载作用下能够恢复 其平衡的特性。

17、(6)(6)抗磨损性。抗磨损性。要求零件在规定时间内材料 的磨损量在规定值以内。 (7)(7)抗腐蚀性。抗腐蚀性。 要求产品在恶劣环境下不被 周围介质侵蚀的特征。 (8)(8)抗蠕变性。抗蠕变性。 要求高温环境工作的产品不 发生蠕变或蠕变变形在规定值以内。 (9)(9)动态特性。动态特性。 指在动载荷作用下产品具有 良好的抗振特性，以保证产品的平稳和低噪声 运行。 (10)(10)平衡特性。平衡特性。 指旋转产品具有良好的静平 衡和动平衡特性。 (11)(11)热特性。热特性。保证产品具有要求的温度大 小、温度分布和热流状态，以及热应力、热变 形在规定值以内。 3 3.3 .3 工艺优良原则工

18、艺优良原则 指设计能够且容易通过生产过程实现，它 包括： (1)(1)可制造性。可制造性。指利用现有设备能够制造出 满足精度等要求的零件，且制造成本低，效率 高。 (2)(2)可装配性。可装配性。 指零件能够装配成满足装配 精度要求的部件和整机，且装配成本低、效率 高。 (3)(3)可测试性。可测试性。 指产品能够且容易通过适当 方进行有关测试，以评估设计、制造和装配。 3.4 3.4 经济合理原则经济合理原则 要求产品具有较低的开发成本和使用费 用。 3.5 3.5 社会使用原则社会使用原则 考虑产品投放市场后的表现行为，包括： (1)(1)环境环境友好性。友好性。保证产品产生尽可能少的 废

19、水、废气、噪声、射线等，符合环保法规， 4 现代设计技术体系提纲现代设计技术体系提纲 4 对生态环境破坏最小。环境友好性是可持续发 展战略在设计中的重要体现。 (2)(2)环境适应性。环境适应性。适应使用环境的湿度、温 度、载荷、震动等特殊条件。 (3)(3)人机友好性。人机友好性。满足使用者生理、心理等 方面要求，使产品外形美观，色彩宜人，操作 简单、方便、舒适。 (4)(4)可维修性。可维修性。使产品能够且易于维修，维 修的停机时间、费用、复杂性、人员要求和差 错尽可能最小。 (5)(5)安全性。安全性。保证不对人的生命财产造成破 坏。 (6)(6)可安装性可安装性。保证产品使用前安装容易

20、、 可靠，且安装费用最小。 (7)(7)可拆卸性。可拆卸性。 考虑产品的材料回收和零组 件的重新使用。 (8)(8)可回收性。可回收性。考虑产品报废及回收方式。 上面分类介绍了各种原则，有些归类并不 十分严格。设计时应根据产品特点选择部分原 则，而在选择的原则中又分主要和次要原则。 根据所选主要原则的不同，目前已形成许多针 对性设计方法，如面向制造和装配的设计 (DFMA)、面向环境的设计(DFE)；面向拆卸的 设计(DFD)等。 4 4 现代设计理论、方法与技术现代设计理论、方法与技术 设计理论是对产品原理和机理的科学总 结。设计方法是使产品满足以及判断产品是否 满足设计原则的依据。现代设计

21、方法是基于设 计理论形成的，因而更具科学性和逻辑性。但 一些方法还有完善和发展的过程，所以现代设 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。 4.1 4.1 现代设计法的内容与范畴现代设计法的内容与范畴 现代设计方法实质上是科学方法论在设 计中的应用。 概括为十一论：突变论、信息论、智能论、 系统论、优化论、对应论、功能论、控制论、 离散论、模糊论、艺术论。这些论与广义设计 (有目的的意识活动)直接有关，有的已形成单 一学科，有的正在形成。 突变论方法突变论方法 突变创造是现代设计的 基石。如创造性设计。主要应用于定性的方案

22、决策、系统设计； 智能论方法智能论方法 发挥智能载体的潜力， 是现代设计的核心。如 1 0 计算机辅助计算：仅借助计算机代替 人的初级智能；2 0 CAD： 30 CAE： 4 0 智能机器化方法：即指高级人工智能， 如机器人、专家系统等。 应用于能代替人的智力的一切场合。 信息论方法信息论方法 设计信息的分析是现代 设计的依据。如： 1 0 预测技术法：用历史性趋向及参数，预 测现需与未来的动向与参数； 2 0 方差分析法：对一系列已知数据因素， 进行参数的估计与识别检验； 3 0 信息合成法： 将各种不同信息合成为所 需的广义系统，如人工合成细胞、图形等。 主要用于通过历史性或试验性数据进

23、行 预测与信号分析及可行性论证。 系统论方法系统论方法 系统分析是现代设计的 前提。常用： 1 0 系统分析法：把任何系统、功能、元件 均看做系统，加以分析，进行输入一输出关系 的描述，得到合理的系统与功能； 2 0 逻辑分析法： 运用逻辑数学从各系统之 间相互关联与制约关系，设计出优化系统； 3 0 模式识别法： 把已有若干模式的系统样 本，进行模式的确定； 主要用于总体方案与系统设计及可行性 论证。 控制论方法控制论方法 动态分析是现代设计的 深化。常用： 1 0 动态分析法：运用传递函数与状态方 程，研究输人情号与输出功能之间的定性定量 关系，以获得最好的动态特性指标； 2 0 振荡分析

24、法：对振型模态进行识别，以 利用振动或消除振动及噪音(广义)； 3 0 柔性设计法： 把刚性系统按实际弹性系 统进行设计计算； 4 0 动态优化法： 主要是研究大系统优化与 最佳动态数学模型； 一般用于系统确定后的动态指标定性分 析与定量校正。 优化论方法优化论方法 广义优化是现代设计的 宗旨。常用： 5 现代设计技术体系提纲现代设计技术体系提纲 5 1 0 优化设计法： 包括各种优化值的搜索方 法，如线性规划、非线性规划、动态规划、整 数规划、几何规划、多目标优化、试验优化、 经验优化、方案优化、模糊优化等； 2 0 优化控制法：主要是动态优化、最优控 制等。 可用于方案设计与参数设计。 对

25、应论方法对应论方法 相似模拟是现代设计的 捷径。常用： 1 0 相似设计法： 似同类参照物为依据求出 设计对象与参照对象间的数学关系； 2 0 模拟分析法：以异类参照物为依据，设 计系统结构与求得参数； 3 0 仿真技术： 用电子数字计算机及仿真语 言模拟复杂系统与过程，求得解析法不能取得 的参数； 4 0 仿生技术： 模拟生物的特殊功能为设计 服务。 主要用于已有参照，模型的构思与定量计 算。 功能论方法功能论方法 功能实现是现代设计的 目标。 有限寿命是自然与社会的基本客观现实， 所以设计时应保证有限使用期限内设计对象 的 经济有效功能，其方法有功能分析设计 法、可靠性分析预测、可靠性设计

26、及功能价值 工程等。 主要应用于方案设计与功能价值、功能安 全可靠性定量分析； 离散论方法离散论方法 离散分析是现代设计的 细解。 事物特别是复杂广义系统由离散体组成， 是自然与社会另一个基本客观现象，因此，用 离散化方法近似确定参数是必然可靠的，其方 法有有限单元法、边界元法、离散优化、子模 态分析法及其他运用离散数学技术的方法等。 主要用于近似细解的精细设计。 模糊论方法模糊论方法 模糊定量是现代设计的 发展。 事物的模糊性是一种大量的客观存在，所 以运用模糊分桥的量度方法(避开精确的数学 方法)是必要的，其方法目前主要运用隶属函 数的论域法，可以进行模糊分析、模糊评价、 模糊控制与模糊设

27、计等的运用。 主要用于模糊性参数确定与方案的综合 评价； 艺术论方法艺术论方法 悦心宜人是现代设计 的美感。 任何设计都尽可能把设计对象形成一件 艺术品，是设计的重要观念，现代艺术论不仅 如此，还要采用技术美学，计算机造型、模糊 艺术等处理方法。 主要用于使设计达到悦心宜人的功能； 4.2 4.2 目前所指的现代设计技术目前所指的现代设计技术 1 1）现代设计方法学）现代设计方法学 (1)系统设计 (2)价值工程 (3)功能设计 (4)并行设计 (5)模块化设计 (6)质量功能配置 (7) 反求设计 (8)绿色设计 (9)模糊设计 (10)面向对象的设计 (11)工业造型设计 2 2）计算机辅

28、助设计技术）计算机辅助设计技术 (1) 有限元法 （2）优化设计 （3）计算机辅助设计 （4）模拟仿真与虚拟设计 （5）智能计算机辅助设计 （6）工程数据库 3 3）可信性设计（）可信性设计（可信性设计技术可看作广义可靠 性设计内容的扩展） (1) 可靠性设计 （2）安全设计 （3）动态设计 （4）防断裂设计 （5）抗疲劳设计 （6）减摩耐磨设计 （7）防腐蚀设计 （8）健壮设计 （9）耐环境设计 （10）维修设计和维修保障设计 （11）测试性设计 （12）人机工程设计 5 5 现代设计手段现代设计手段 设计手段是人的设计思想借以实现的工 具和技术。计算机技术、软件技术和数据库技 术的发展对设

29、计手段起到了变革性的作用，以 计算机为工作平台的设计工具正在广泛取代 传统的图板，计算机辅助设计正在成为现代设 计的主要手段，它使设计效率、设计水平和设 计质量得到全面提高。计算机辅助设计包括如 下内容。 6 6 现代设计技术的特点现代设计技术的特点 由现代设计技术的涵义及其体系可见，它 具有以下一系列特点。 6 现代设计技术体系提纲现代设计技术体系提纲 6 6.16.1 设计理论与方法的延伸、思维的设计理论与方法的延伸、思维的变化及设变化及设 计范畴的扩展计范畴的扩展 现代设计技术是传统的设计理论与方法 的继承、延伸与扩展。 静态的设计原理向动态的延伸； 经验的、类比的设计方法向精确的、优化

30、 的方法延伸； 确定的设计模型向随机的模糊的延伸， 单维思维模式向多维思维模式延伸； 而且设计范畴在不断扩大。传统的设计通 常只限于方案设计、技术设计(总体 设计与 工艺设计)， 如先进制造技术中的面向制造的设计 (Design For ManufacturingDFM)，面向装 配的设计(Design For AssemblyDFA)及 面向 X 的设计(Design For “X”DFX)， 并行 设计(Concurrent DesignCD)、 虚拟设计、 绿色设计(Green DesignGD)、模糊设计、 维修性设计(Mainterinability DesignMD)、 健壮设计等

31、，便是工程设计范畴扩大的集中体 现。现代设计可以说是设计师、制造工程师、 管理营销人员以及工人、财会人员、专利律师 等通力合作、集体智慧的结晶。 6.26.2 多种设计技术、理论与方法的交叉与综合多种设计技术、理论与方法的交叉与综合 计算机技术与信息科学对机械产品的渗 透、改造与应用，使产品的结构、功能产生很 大 的变化，现代的机械产品正朝着机电一体 化，物质、能量、信息一体化，集成化，模块 化方向发展。数控机床及数控装置、加工中心、工 业机器人等典型的机电一体化产品，不仅具有传统意 义上的物质与能量转换的功能，而且具有自动检测、 自动数据处理(运算、判断、存储、记忆)、自动显示、 自动控制、

32、故障诊断和自动保护及维护性、可回收性 等功能，从而对产品的质量、可靠性、稳定性、稳健 性及效益等均提出更为严格的要求。因此，现代设 计技术必须是多学科的融合交叉，多种设计理 论、设计方法、设计手段的综合运用，以系统 的、集成的设计概念设计出符合时代特征和科 技发展趋势的产品及整体综合效益最佳的产 品。 6.36.3 设计手段的精确化、计算机化、自动化与设计手段的精确化、计算机化、自动化与 虚拟化虚拟化 (1)(1)精确化精确化 在传统设计中，面对载荷、 应力、环境等因素的复杂化，通常以某种条件 性的假设建立所谓稳定的、理想的载荷(集中 的或匀布的)和应力(名义的、平均的)模型， 它与实际情况有

33、差异的许多因素，则以安全系 数和一系列的载荷系数、应力系数及其它影响 系数等加以考虑，这往往使计算的结果误差较 大。现代设计技术可以采用概率设计(可靠性 设计)描述载荷应力、环境条件等随机因素的 分布规律，133，通过有限元法、动态分析、 疲劳设计、防断裂设计、健壮设计、耐环境设 计等分析工具和建模手段，准确模拟系统的真 实情况，从而得到比较符合实际工况的真实 解，提高了设计的精确化程度。 (2)(2)计算机化计算机化 计算机化的标志是计算机 在工程设计中得到广泛的应用，并逐渐替代传 统的手工设计。硬件功能日益增强，计算机在 设计中的应用已从计算机辅助分析计算和辅 助绘图，发展到优化设计、并行

34、设计、三维特 征建模、设计过程管理、面向制造与面向装配 的设计制造一体化，形成了 CAD、CAPP、CAM 的集成化、网络化，并逐步向设计智能化、模 拟仿真和虚拟设计、国际互联网络条件下进行 计算机辅助设计过渡。计算机辅助设计技术， 特别是工程数据库和网络技术的广泛应用，加 速了实现计算机集成制造系统（CIMS)和全球 化制造的进程。 (3)(3)自动化自动化 设计自动化的含义、内容与 范围目前尚无确切定论，但它一直是设计领域 追求的目标。 （4 4）虚拟化）虚拟化 设计手段虚拟化(或拟实 化)，是以虚拟现实的系统软件在计算机上实 现仿真、实现虚拟现实的三维建模，包括几何 建模、运动建模、物理

35、建模、对象特性建模及 模型切分等，使设计者能在虚拟的设计环境下 看到设计内容，如设计对象的形状、外表、物体的 移动、旋转和各部分是否干涉与碰撞，以及对象的质 量、重量、惯性、表面特性(光滑与粗糙)、硬度、结 构形式等改变模式，从而实现设计可视化，快速显示 设计内容，灵活而方便地修改设计，同时由于虚拟制 造技术，以及快速原形技术的出现，使设计者在零件 被制造之前就看到了它加工后的形状并感觉到它。这 些虚拟技术与手段的运用，大大提高了设计效果与质 量。 6.46.4 并行化、最优化和智能化的设计过程并行化、最优化和智能化的设计过程 现代设计技术中的并行设计、优化设计及 7 现代设计技术体系提纲现代

36、设计技术体系提纲 7 智能化设计(如智能 CAD，专家系统(ES)等)均 是现代设计技术中的重要设计技术，是设计开 发新产品过程不可缺少的方法和技术手段。 (1)(1)并行设计过程并行设计过程 并行设计(Concurrent Design) 有 时 又 称 为 并 行 工 程 (Concurrent Engineering)。这是一种综合工程设计、制造、管理、 经营的思想、方法和工作模式。并行工程技术可以在 一个工厂、一个企业(包括跨地区、跨行业的大型企业 及跨国公司)以通信管理方式在计算机软、 硬件环境下 实现。其核心是产品的设计阶段就考虑到产品生命周 期(从概念形成到产品报废)中的所有因素

37、(包括设计、 分析、制造、装配、检验、维护、质量、成本、进度 与用户需求等)，强调多学科小组、各有关部门协同工 作， 强调对产品设计及其相关过程(制造过程和支持过 程)进行并行地、集成地、一体化地进行设计，使产品 开发一次成功，缩短产品开发周期，提高产品质量。 这是一项包括人机集成和系统功能集成的多目标多层 次、整体优化的集成，需要用到很多现代技术与方法， 如建模与仿真技术、优化方法与技术、系统与集成技 术、信息管理技术、专家系统与模糊技术、CAPP 技术、 全面质量管理与控制技术、决策支持及评价系统、价 值工程及其预测技术、分布式并行处理的智能协同求 解技术等。其关键技术是建模与仿真技术、信

38、息系统 及其管理技术、决策支持及评价系统等。美国于 80 年 代末首先在福特、通用和克莱斯勒三大汽车公司组织 实施并行工程技术，取得了显著的经济效益。我国近 年来在一些大型企业中也开始部分实施并行工程技 术，这项技术是提高我国企业水平，参与全球化竞争 的一个重要发展方向。 (2)(2)全过程的优化设计全过程的优化设计 现代设计技术中的 一般性优化设计方法及其应用已日趋成熟，普通的连 续变量优化设计、混合离散变量优化设计，已发展到 随机变量优化设计(可靠性优化设计)、模糊变量优化 设计，单目标优化设计已发展到多目标优化设计。仅 将优化设计的范围局限于优化方法及其应用程序的编 制上已不能适应工程技

39、术发展的需要。 广义的工程优化设计：应是优化设计的重要发展 方向，其内容主要包括工程优化设计问题的自动建模 技术、优化设计问题的前处理与后处理、优化设计结 果的评价等。此外，基于优化设计和制造的分级分解 优化也是目前重要的研究内容。 上述优化方向的实现， 必然涉及到人工智能、信息技术、控制技术等多种方 法、多种技术、多个软件系统的综合运用。 (3)(3)人机结合的智能化设计过程人机结合的智能化设计过程 产品设 计是一个创造性的思维、推理和决策的过程， CAD 技术在产品设计中的成功应用，引起设计 领域产生了深刻的变革，由人完成的设计过 程，已转变为由人机密切结合共同完成设计过 程的智力与智能活

40、动。如人工智能原理和专家系 统(包括普通专家系统与模糊专家系统)技术应用于 CAD 产生了智能 CAD(ICAD)系统，实现了对设计过程 基于符号性知识模型和符号处理的推理工作，用于完 成概念设计的有关内容。可以说智能 CAD 系统是模拟 人脑对知识处理，并拓展了人在设计过程中的智能活 动。 6.5 6.5 面向产品寿命周期全过程的可信性设计面向产品寿命周期全过程的可信性设计 随着科学技术的发展和日益增长的社会需求，产 品的类型、规格及性能迅速地发生变化，产品的寿命 周期越来越短。人们对产品质量要求的含义也在不断 变化，不仅要满足功能要求，对可信性、安全性、可 靠性、合理的寿命、方便使用和维护

41、保养条件与方式 也提出了更高的要求，并要符合有关标准、法律和生 态环境要求及满足用户非物质功能的要求等等。为贯 彻这些标准和要求，需要设计、制造、管理、维护、 使用等一系列环节有严格的技术措施加以保证，其中 最重要的是设计、制造水平，因为产品的质量是设计 和制造出来的，而不是检验出来的。因此，现代设计 技术的重要内容之一就是面向产品寿命周期 全过程进行可信性设计，以满足市场与用户对 产品质量的要求。针对不同产品和各个设计阶段拟 采用其中某些适宜的、 有效的可信性设计技术与方法， 以解决设计中各个具体的和总体的要求，把产品的设 计从经验的、类比的、静态的传统设计提高到全方位 的获取信息，并结合运

42、用其他现代设计理论、方法和 手段、进行动态的、多变量的全过程的可信性优化设 计。 6.66.6 多种设计试验技术的综合运用多种设计试验技术的综合运用 为了有效地验证设计目标是否达到和检 验设计过程、制造过程的技术措施，全面把握 产品的质量信息，做到万元一失，在设计全过 程中对产品进行必要的、针对性的试验是不可 忽视和超越的。在产品的设计过程中，人们根 据不同产品的特点和需要，通过物理模型试 验、动态试验、可靠性试验、产品环保性能试 验与控制等，获取相应的产品参数和数据，为 评定设计方案的优劣和几种方案的比较提供 一定的依据，也为开发新产品提供有益的基础 数据。 由于计算机、信息科学的发展与渗透

43、，在先进制 8 现代设计技术体系提纲现代设计技术体系提纲 8 造技术的推动下，现代设计试验技术的概念与范围已 发生了变化与延伸。人们不仅需要针对具体的模型进 行物理性试验，还可以借助强大功能的计算机软、硬 件条件，在建立一系列数学模型的基础上对产品进行 数字仿真试验和更高级的虚拟现实的试验，实现在计 算机或机算机网络系统上模拟产品的运行情况、预测 产品的性能；亦可运用快速成形技术，直接将 CAD 数 据在计算机控制下， 将材料快速成形为三维实体模型， 该模型可直接用于设计外观评审或装配试验，或将模 型转化为工程材料制成的功能零件进行性能测试，以 便确定和改进设计。 综上论述也可以说，现代设计技

44、术是以传统设计 理论与方法为基础，以计算机广泛应用为标志，具有 信息时代特征的一种设计技术。工业发达国家和先进 企业成功的大量事例表明，现代设计技术的推广应用 所取得的技术、经济和社会效益，集中体现在大大提 高产品的质量，缩短设计周期，降低成本，并且有效 地节约资源，保护生态，创造人类持续发展的和谐环 境。 7 7 现代设计的发展趋势展望现代设计的发展趋势展望 展望现代设计技术的发展趋势，大致有以 下几方面： 1)1)设计过程的数字化设计过程的数字化 不仅要完善工程对象中确定性变量的数 学描述和数学建模，而且更要研究非确定性变 量，包括随机变量、随机过程、模糊变量(人 的智能、经验、创造力、语

45、言及政治、经济、 人文等社会科学因素)等的数学描述和数学建 模。 2)2)设计过程的自动化和智能化研究设计过程的自动化和智能化研究 健全、研究、发展各种类型的数据库、方 法库和知识库，及自动编程、自学习、自适应 等高级商品化软件的研制，如研究设计知识、 数据信息的获取与处理技术、智能 CAD 人工神 经网络专家系统的模型和应用软件等。 3)3)动态多变量优化和工程不确定模型优动态多变量优化和工程不确定模型优 化化( (模糊优化模糊优化) )、不可微模型优化及多目标优化、不可微模型优化及多目标优化 等优化方法与程序的研究，并进一步发展到广等优化方法与程序的研究，并进一步发展到广 义工程大系统的优

46、化设计的研究。义工程大系统的优化设计的研究。 4)4)网络化并行设计及协同设计技术、方法网络化并行设计及协同设计技术、方法 及软件的研究。及软件的研究。 5)5)虚拟设计和仿真虚拟试验及快速成形虚拟设计和仿真虚拟试验及快速成形 技术的深入研究技术的深入研究，是一种以计算机仿真为基 础，集计算机图形学、智能技术、并行工程、 人机工程、材料、成形工艺、光电传感技术和 多媒体技术为一体的综合学科研究。 6)6)大力普及、推广与发展大力普及、推广与发展 CADCAD 技术的应用技术的应用 研究，其重点研究，其重点是研制开发功能强的商品化软是研制开发功能强的商品化软 件。件。 7)7)面向集成制造和分布

47、式经营管理的设面向集成制造和分布式经营管理的设 计方法、人员组织及计方法、人员组织及规划的研究。规划的研究。 8)8)微型机电系统的设计理论及设计方法微型机电系统的设计理论及设计方法 和技术的研究和技术的研究，如智能计算、纳米技术、微型 机器人系统及微型机械系统的设计计算。 9)9)面向生态环境的绿色设计理论与方法面向生态环境的绿色设计理论与方法 的研究，的研究，如绿色产品的设计、清洁化生产过程 的设计、产品的可回收性设计等。 10)10)注重基础性设计理论及共性设计技术注重基础性设计理论及共性设计技术 的深层次研究的深层次研究。 基础性设计技术， 如动态设计、 疲劳设计、防断裂设计、减摩和耐磨设计、防 腐蚀性设计及运动学、动力学、传动技术、弹 塑性理论等，是许多现代设计技术的知识源泉 和数学建模的理论基础。