1、现代设计方法现代设计方法第一章第一章 绪论绪论1.1现代设计的概念现代设计的概念1.1.1设计的概念设计的概念 设计是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性思维，经过一系列规划、分析和决策，产生载有相应得文字、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。 1.1.2 设计发展的基本阶段设计发展的基本阶段（1）直觉设计阶段 古代设计（2）经验设计阶段 17世纪初（3）半理论半经验设计阶段 20世纪初（4）现代设计阶段 近30年1.1.3现代设计与传统设计现代设计与传统设计 传统设计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
2、计的依据，通过经验公式、近似系数或类比方法进行设计。传统设计在长期运用中得到不断地完善和提高，是符合当代技术水平的有效设计方法。但由于所用的计算方法和参考数据偏重于经验的概括和总结，往往忽略了一些难解或非主要的因数，因而造型设计结果的近似性较大，也难免有不确切和失误。此外，在信息处理、参量统计和选取、经验或状态的存储和调用等还没有一个理想的有效方法，解算和绘图也多用手工完成，所以不仅影响设计速度和设计质量的提高，也难以做到精确和优化的结果。传统设计对技术与经济与美学也未做到很好的统一，使设计带来一定局限性。 随着科技发展，新工艺、新材料的出现，微电子技术、信息处理技术及控制技术等新技术对产品设
3、计的渗透和有机结合 ，与设计相关的基础理论的深化和设计新方法的涌现，都给产品设计开辟了新途径。使产品设计跨上了现代设计的水平。在这一时期，国际上在设计领域相继出现了一系列有关设计学的新兴理论与方法。为了强调他们对设计领域的革新，以区别于传统理论和方法，把这些新兴理论与方法统称为现代设计现代设计。当然，现代设计现代设计不仅指设计方法的更新，也包含了新技术的引入和产品的创新。目前现代设计所指的新兴理论与方法主要包括：优化设计、可靠性设计 、设计方法学、计算机辅助设计、动态设计、有限元法、工业艺术造型设计、人机工程、并行工程、价值工程、相似设计、虚拟设计等。 1.2 现代设计方法的主要内容现代设计方
4、法的主要内容 1.2.1 计算机辅助设计计算机辅助设计 计算机辅助设计计算机辅助设计（Computer Aided Design），简称CAD。它是把计算机技术引入设计过程，利用计算机来完成计算、选型、绘图及其他作业的一种现代设计方法。CAD是设计中应用计算机进行设计信息处理的总称。 它应包括产品分析计算和自动绘图两部分功能，甚至扩展到具有逻辑能力的智能CAD。计算机、自动绘图机及其他外围设备构成CAD的系统硬件，而操作系统、文件管理系统、语言处理程序、数据库系统和应用软件等构成CAD的系统软件。通常所说的CAD系统是指由系统硬件和系统软件组成，兼有计算、图形处理、数据库等功能，并能综合地利用
5、这些功能完成设计作业的系统，CAD是产品或工程的设计系统。 CAD系统应支持设计过程各个阶段，即从方案设计入手，使设计对象模型化；依据提供的设计技术参数进行总体设计和总图设计；通过对结构的静态或动态性能分析，最后确定技术参数；在此基础上，完成详细设计和产品设计。所以，CAD系统应能支持包括：分析、计算、综合、创新、模拟及绘图等各项基本设计活动。 CAD的基础工作的基础工作是建立产品设计数据库、图形库、应用程序库。 1.2.2 优化设计优化设计 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，在所有可行方案中寻求最佳设计方案的一种现代设计方法。进行工程优化
6、设计，首先需要将工程问题按优化设计所规定的格式建立数学模型，然后选择合适的优化计算方法在计算机上对数学模型进行求解，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得那些参数称为设计变量；设计变量应当满足的条件称为约束条件；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现为设计变量的函数，称为目标函数。设计变量、目标函数和约束条件组成了优化设计问题的数学模型。优化设计需要数学模型和优化算法放到计算机程序中用计算机自动寻优求解。1.2.3 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基础，以失效分析、失效
7、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，在把规定的可靠性指标设计到产品中去。可靠性的定义可靠性的定义：产品在规定的条件下和在规定的时间内完成规定功能的能力；产品的可靠性受“规定的条件”所制约，不同条件下产品的可靠性可能截然不同，离开了具体条件谈论可靠件是毫无意义的。所谓“规定的条件”是指：环境条件(如温度、湿度、气压等)；上作条件(如振动、冲击、噪音等)；动力、负载条件(如供电电比、输出功率等)；工作方式(如连续工作、间断工作等)；使用和维护条件等。同样，产品的可靠性只能在一定的时间范围
8、内达到目标可靠度，不可能永远保持目标可靠度而不降低。因此，讨论产品的可靠性还需要在一个规定的时间内进行； 可靠性工程是一门综合运用多种学科知识的工程技术学科，工作的内容也较为广泛，可靠性设汁基本内容有以下几方面： (1)根据产品设计要求确定采用什么可靠性指标并确定可靠性指标及其量值。 (2)进行可靠性预测。可靠性预测是指在设计开始时，运用以往的可靠性数据资料计算机械系统可靠件的特征量外进行详细设计。在不同的阶段，系统的可靠性预测需反复进行几次； 可靠性设计的基本内容可靠性设计的基本内容 (3)对可靠性指标进行合理的分配：将可靠性指标分配到各子系统，并与各子系统能达到的指标相比较，判断是否需要改
9、进设计。再把改进设计后的可靠件指标分配到各子系统、根据同样的方法，可把可靠件指标进一步分配到各个零件。 (4)把规定的可靠度直接设计到零件中去。 有限元法有限元法（Finite Element Method）是以电子计算机为工具的一种现代数值计算方法 1.2.4 有限元法有限元法 机械设计中的一个重要环节是研究机械枣部件的应力和变形问题，为强度和刚度等的设计计算提供依据。众多的机械零部件通常可以看作是由杆件、板块、壳休、块体等或由它们的组合所组成的结构，在弹性范围内，对于这类构件的应力、应变和位移等，可通过弹性力学的方程予以描述和求解。引伸一步来讲，从数学角度看，一个工程问题往往可以通过一个或
10、一系列偏微分方程来描述，如弹性力学基本方程组、塑性力学基本方程组、流体力学基本方程组等。但是，由于方程本身的复杂程度和求解域及边界条件的复杂性，常使对上述偏微分方程(组)的精确求解(解析解)变得十分困难或无法进行。在这种情况下，寻求上述问题的数值解法以获取满足工程精度要求的近似解就显得十分重要和必要了。目前，已成功地找到了一些有效和可行的方法，如有限差分法、有限元法及边界元这等。其中，有限元法目前在工程中的应用最为广泛，它是一种伴随着使用高速电子计算机而发展起来的高效数值计算方法。基本思路基本思路1连续体离散化连续体离散化 2单元分析单元分析 3整体分析整体分析1连续体离散化连续体离散化 有限
11、元法先将连续体划分为有限个具有规则形状的微小块体，把每个微小块体称为单元，两相邻单元之间只通过若干点互相连接每个连接点称为节点。再把作用于各单元上的外载荷，按照虚功原理等效化成各单元的节点载荷。用划分后由有限个单元组成的集合体代替原来的连续体，这一步称为连续体的离散化。图61是一悬臂保梁划分为许多三角形单元的例子，三角形单元的三个顶点部足节点。 有限元法是以节点参数为基本未知量，根据所取基本未知量不同，可分为三类：位移法；以节点位移作为基本未知量；力法：以节点力作为基本未知量；混合法：以部分节点位移利部分节点力作为基本未知量：由于位移法易于实现计算自动化，因而在工程上得到广泛采用。2单元分析单
12、元分析 如采用位移法计算，首先要针对所选定的单元类型选择一简单多项式函数近似表达单元内各位移分量的分布规律并把单元内任意点位侈分量写成统一形式的位移插值函数式，从而通过单元节点位移，表达出单元内任意点的位移、应变和应力。其次，利用虚功原理或变分原理建立单元节点力与节点位移之间的特性关系，称为单元有限元方程式。该方程式可用矩阵形式表示为Fi=K i。qi，其中Fi是单元节点载荷分量组成的列阵；qi是由基本未知量节点位移分量组成的列阵；K i称为单元刚度矩阵，它反映了单元节点力与节点位移之间存在的特性关系。不难看出，建立单元刚度矩阵比K i是单元分析中的核心事实上它也是整个有限元分析中的关键性步骤
13、。3整体分析整体分析这一步骤也称作单元综合。它是通过结构力平衡条件和边界条件把各个组成整体特性关系，即建立整体各节点载荷与节点位移之间的关系，形成整体有限元方程式。该方程式仍可用矩阵形式表示为F= K q，其中F是由全部节点的载荷分量组成的列阵，q 是由全部节点的位移分量组成的列阵；而K称为整体刚度矩阵，它是由各单元刚度矩阵K i叠加而成的。这表明，最后得到的是一组以全部节点位移分量为未知量的线性方程组。在引入边界条件后求解上述联立方程组，就可得到连续体力学问题的数值解(包括位移、应力和应变等)。通过以上介绍，不难看出，有限元法是由整体到分块，又从分块组集整体的分析方法。通常，划分单元越多，问
14、题的求解精度也就越高，但是计算量也会随之迅速增大。由于划分的单元是有限的，而得到的解也局限在有限的节点上，因此这种方法被称作“有限(单)元法”，其“有限”性是相对于解析法中解的无限性而言的。同时还可以看出，有限元法的实际应用要借助两个重要工具：矩阵算法和电子计算机。有限元法在理论上是将难于直接求解的偏微分方程(组)化解为一系列的线性代数方程组(对线性问题)或非线性代数方程组(对非线性问题)，而上述代数方程组在采用矩阵算法进行处理时其性质和解法都是比较完善和成熟的。而大量的线性或非线性方程组的求解，在实际应用中靠人工完成是相当困难的，因此有限元法是在大容量电子计算机出现以后才获得了飞速发展。 机
15、械系统动态设计是一项正在发展中的新技术它包含的内容十分丰富，涉及现代动态分析方法、计算机技术、产品结构动力学理论、设计方法等众多学科范围。目前，还没有形成完整的动态设计理论、方法和体系，许多问题尚需进行深入广泛的研究。 机械系统动态设计的大体过程是：对满足工作性能要求的产品初步设计图样，或对需要改进的产品结构实物进行动力学建模，并作动态特性分析。然后，根据丁程实际情况，给出其动态特性的要求或预定的动态设计目标，再按动力学方法直接求解满足设计日标的机械结构系统设计参数，或进行结构修改设计与修改结构的动态特性预测，这种修改与修改预测反复多次，直到满足机械结构系统动态特性的设计要求，即最后设计出满意
16、的机械产品。1.2.5 动态设计动态设计内容土要包括 动态设计的基本概念；动态分析中常用的建模方法，包括有限元建模法、传递矩阵建模法和实验建模法。1.2.6 机电产品造型设计机电产品造型设计 （工业设计） 工业艺术造型设计工业艺术造型设计是工程技术与美学艺术相结合的一门新学科。它是指在保证产品实用功能的前提下，用艺术手段按照美学法则对工业产品进行造型活动，对工业产品的结构尺寸、体面形状、色彩、材质、线条、装饰及人机关系等因素进行有机的综合处理，从而设计出优质美学的产品造型。实用和美观的最佳统一是工业艺术造型的基本原则。最终应使产品在保证实用的前提下，具有美的、富有表现力的审美特性。 一、造型与
17、形式法则一、造型与形式法则 1形态要素及其视觉效果 点、线、面、立体、色彩、肌理是构成一切形态的基本要素，称为形态要素。产品造型是由形态要素构成的，因而有必要研究形态要素的构成及兵性格。形态要素 造型美的形式法则。 内容主要包括：内容主要包括：2造型美的形式法则 工业产品所具有的美的形式是多种多样的，这些肯定的、实际存在的美的形式具有内在的、共同的特性和规律，就是形式美。形式美是对大量事物的美的形式进行研究、归纳、总结出来的。它包含反映多种审美要求的若干方面，也就是形式美的若干法则。这些法则有其内在的联系，造形设计中，并不能依据一条或几条法则经纯粹的逻辑推理而直接获得答案；而是要根据具体情况，
18、灵活地融会贯通，综合运用这些法则。二人机工程二人机工程 人机工程学简称人机学，是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素；研究人、机器及环境的相互作用；研究工作中、家庭生活中与闲暇时怎样考虑人的健康、安全、舒适和工作效率等问题的学科。 比较人与机器的能力，机器适合于承担笨重、快速、单调、精细、规律性强，大量或复杂的运算和恶劣环境下的工作。人更适合承担程序编制、监护、故障排除、意外情况处理等工作。1、人体结构尺寸与造型尺度；2、视觉特征与显示器设计；3、控制器的选择与设计；4、控制制台板设计。主要内容主要内容三产品色彩三产品色彩1色彩的基本知识； 2色彩的对比与调合； 3产
19、品色彩设计1.3 学习本课程的目的学习本课程的目的 产品的质且和经济效益取决于设计、制造和管理的综合水平，而产品设计则是关键。没有高质量的设计，就不可能有高质量的产品，而要达到高质量的设计，就必须采用先进的设计方法和手段。因此，掌握先进的设计方法和手段是完成高质量设计的关键。 从以上介绍的主要内容可以看出，本课程不仅体现了当前先进的设计方法的核心，而且指出了掌握这些先进方法所必须具备的知识。为此，通过本课程的学习，可以达到如下目的： 1)熟悉现代设计方法在产品设计中的作用和地位； 2)以计算机为手段，能应用几种具体的现代设计方法解决产品设计中的主要问题； 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。 总而言之，希望通过学习本课程，学生不仅具有一定的产品现代设计的知识和意识，而且具有应用上述几种典型现代设计方法分析和解决实际问题的初步能力，并为熟练地应用现代设计力法设计出具有市场竞争力的产品奠定良好的基础。
