1、第1章总论 第第1章章 总总 论论1.1社会发展与制造业社会发展与制造业 1.2设计与设计方法学设计与设计方法学 1.3现代设计理论及方法概要现代设计理论及方法概要 第1章总论 1.1社会发展与制造业社会发展与制造业1.1.1人类需求与产品人类需求与产品人类自降生于地球的那天起，就在用自己的才智不断地改造着大自然，为自身生存创造物质条件。人类生存所需要的物质是多种多样的，概括起来可分为吃、穿、住、用、行，这是满足基本生理的物质需求，另外，还有保障健康的安全需求，家庭与社交方面的社会需求，人生精神价值的需求等。一般来说，这些需求都可通过一定的有形物质来体现和满足。第1章总论 起初，人类对物质在形
2、态和性态两方面的要求是很低的。随着社会的发展，人类的追求与人类改造自然能力的逐步提高，人们对物质的要求也就越来越高。这样，也就有意识、有目的地通过思维活动、设计及加工制造，使得初级的物质成为一种高级产品。例如人类的出行问题，最初只能依靠牛、马等动物驮着人行走，后来创造了手推车、自行车这类简单的运行工具。第二次工业革命后，有了火车、汽车以及各种各样的电动车，以至于人类现在可以脱离陆地，乘飞机在空中飞行，乘飞船遨游太空。显然，在这一发展历程中，每一个环节都离不开人类的思维活动及设计。第1章总论 应该肯定地说，人类的需求与追求是永无止境的，需求是推动人类社会发展与进步的原动力，有需求就需要设计。为了
3、获得更多、更好、更完美的产品，人类的思维活动、设计与制造的方法和手段也在不断地发展和进步。第1章总论 1.1.2设计的作用及地位设计的作用及地位从各种各样的实例可以看出，由初级的物质（或产品）到高级的产品，在此期间是通过人类有意识的活动，对初级的物质从形态与性态两方面进行设计控制，使其具有人类思维定式中的模样，再通过制造手段创造出来的。因此，设计与制造是必需的两个环节，是人类既彼此独立又相互联系的两种社会活动，特别是对高级复杂产品来讲，没有设计就没有制造，反过来说，没有制造，设计也就失去了实际意义。所以，设计与制造是制造业的两大核心工作。第1章总论 设计直接影响着产品（或工程）的质量、成本以及
4、研发时间。一项经优良设计而创造的产品可为人类社会带来巨大益处并将害处减小到最低程度，而一项劣质设计则会给人类社会带来很大甚至是极端的灾害。这类因设计不当或错误而造成灾害的案例比比皆是，小到家用电器、汽车等造成的伤人、死人事件，大到著名的美国“挑战者”号航天飞机因为助推器接头设计不周使得O型密封圈失效而引起的爆炸事件，等等。据估计，在产品总成本的构成中，60%70%取决于设计阶段；在产品质量事故中，50%是由不良设计造成的。第1章总论 设计是由人来完成的，是人的思维意识、知识、见识、能力等综合运用的过程。在正确的思维意识指导下，掌握全面、扎实的设计理论及方法是正确进行产品设计的关键。尤其是在人类
5、要求越来越高、产品结构越来越复杂、竞争越来越激烈的今天，设计工作的作用就显得更加重要。第1章总论 1.2设计与设计方法学设计与设计方法学1.2.1设计的概念及本质设计的概念及本质1设计的概念设计的概念就设计而言，从人类诞生起，就已孕育了设计的萌芽。很显然，设计所涉及的范畴是非常广泛的，从不同的领域及角度可给出设计的不同定义。从哲学角度来看，设计是具有高级思维能力的人类的本能活动，它可将人类的需求、梦想变为现实。设计是人类的思维认知过程、技术过程与社会过程的融合，是通过人的创造性思维而产生构思，再通过技术途径满足某种需求的过程。设计思维（创造性构思）和技术科学的交叉、结合是设计的灵魂。第1章总论
6、 在产品或工程设计领域，英国人Wooderson在1966年给出了设计的定义：“设计是一种反复决策、制定计划的活动，而这些计划的目的是把资源最好地转变为满足人类需求的系统或器件”。美国工科硕士、博士学位授予单位资格审查委员会（）和美国机械工程师学会共同对设计的定义是：“工程设计是根据市场需求，对系统、零部件及工艺方法等进行决策的过程。在多数情况下，这个过程要反复进行，要根据基础科学、数学和工程科学为达到明确的目标对各种资源实现最佳利用”。英国ielden委员会的定义是：“工程设计是利用科学原理、技术知识和想象力，确定最高的经济效益和效率，实现特定功能的机械结构、整机和系统”。日本佐藤豪则将其定
7、义为：“工程设计是在各种制约条件之下为了最好地实现给定的具体目标，制定出机器、系统或工艺过程的具体结构或抽象体系”。第1章总论 图11设计模型第1章总论 概括起来讲，设计是以社会需求为目标，在一定设计原则的约束下，在设计方法的指导下，用设计手段开发出一种技术系统，将资源转变为产品或者工程的过程，如图所示。设计的概念随着人类社会的发展进步、人的认知水平的提高而逐渐被赋予了更多、更深刻的含义。第1章总论 设计的本质及内涵设计的本质及内涵（1）创新与创造是设计的本质与灵魂。一般有较大意义的设计活动都是创造新事物的活动，所以创新是设计的本质与灵魂。在设计活动中，主要通过人的直觉、推理、组合、构思等思维
8、活动探求事物的原理方案和结构，以得到新的发明与创造，从而为人类服务。（2）设计是把先进的科学技术成果转化为生产力的活动。设计要求开发出一个新的技术系统，该技术系统应不落伍于所处时代的总体技术水平。所以在设计时，应充分利用各种先进的科学技术成果，以保证所设计的技术系统的时代性和先进性。第1章总论（3）设计是对抽象需求的具体化及物化。（4）设计是一项综合工作，包括规划、构思、分析、计算、绘图等许多环节。（5）设计是技术过程、认知过程和社会过程的融合。设计本身就是人类对事物由浅到深的认知过程，设计水平与人的认知程度有关。设计的最终目的是为人类社会服务，所以设计活动不能脱离社会环境。第1章总论 设计的
9、类型设计的类型按照创新与创造在设计中所占的比例，可把设计划分为以下几种类型：（1）开发性设计（或称为原创设计）。如果要开发出目前还没有的、也很难得到可用设计信息的技术系统（例如一部机器），亦即设计前并不知道设计对象的设计原理及方案，那么在设计中就要根据设计要求、使用要求、约束条件等创造出设计对象的原理及结构，这样的设计称为开发性设计。开发性设计一般具有独创性，所开发出的技术系统具有新颖性。这样的技术系统通过申请可获得发明专利权，受到法律（知识产权）的保护，例如电话机、VCD、MP3等的发明。第1章总论（2）适应性设计（或称为再设计）。保持设计对象的主体原理方案及结构不变，而对其结构和性能进行更
10、新设计，以获得比原技术系统更优良的性能和结构或一些附加功能的设计称为适应性设计。适应性设计往往只是对设计对象的局部进行变更设计，变更部分也可能是原创性的。应该说，有许多技术系统都是通过再设计而开发出来的，是以已有的、类似的设计为基础的。例如，机床由普通电气控制到数字控制，火车由蒸汽机车、内燃机车到电气机车、磁悬浮等。第1章总论（3）变参数设计。这种设计保持技术系统的功能、原理及方案不变，只对其结构性能参数及布局进行调整、变更设计，以满足不同的使用要求。例如，同系列而不同规格的自行车，不同结构布局及参数的减速器等的设计均属变参数设计。（4）测绘和仿制。选定某先进技术系统，通过对其实物进行测绘，获
11、得相关设计技术资料，再通过必要的技术处理（例如标准化、工艺适应性调整等）后而形成的设计称为测绘。仿制是指按照原技术系统的技术文件（例如产品设计图纸等），通过适当的工艺变更后，直接按照原图纸进行生产。第1章总论 1.2.2设计理论、方法与设计手段的关系设计理论、方法与设计手段的关系理论是对事物内在规律和本质的揭示。设计理论是对产品原理和机理的科学总结，是对设计原则并为实践验证了的关系的系统阐述，是设计方法的依据和指导，例如强度、润滑、疲劳理论等。方法是由理论导出的，是理论的具体化和实用化。设计方法是使产品满足设计原则以及判断产品是否满足设计原则的依据，往往会形成设计准则，例如齿轮计算标准、疲劳计
12、算方法等。第1章总论 设计方法应具备以下三个条件：（1）理论基础应能反映设计对象的有关本质并能定量描述；（2）应有完整的计算步骤和设计准则，并能用试验（实物或模拟）来测定与设计准则有关的指标；（3）设计计算结果应有实用价值。第1章总论 设计方法是一种需求，设计理论是为了更好地满足需求而进行的探索。在设计理论和设计方法的发展过程中，常常由于理论跟不上方法的需要而使以下方法并行：（1）基于严格理论而导出的方法；（2）虽有理论，但还不能形成方法，只能借助于半理论或基于在实践中行之有效的统计和经验的方法。设计手段是实施设计方法的方式，是人的设计思想借以实现的工具和技术。第1章总论 1.2.3设计方法学
13、的概念设计方法学的概念什么是设计方法学？其研究对象和研究内容是什么？目前对此还没有统一的说法。就这门学科的名称而言，有设计方法学、设计过程、设计的设计、科学设计、工程设计等说法。设计方法学在设计工作中具有重要作用，因此受到世界上许多国家的重视。第1章总论 早在1875年，德国学者F.Reuleaux就提出了“进程规划”这个概念，即程式化设计。20世纪40年代以来，诸如德国、瑞士、丹麦、美国、苏联、日本等国家的专家学者广泛开展了有关设计方法学的研究，探讨设计的进程、步骤和规律。瑞士学者V.Hubka认为：设计方法学是研究解决设计问题的进程的一般理论，包括一般设计战略以及用于设计工作各个具体部分的
14、战术方法，是研究设计进程模式、进程规划、进程风格、方法、方法学行动规划、工作方法以及工作原则等的科学。这是目前较为完整并有一定代表性的学术观点。我国自20世纪80年代以来也开展了这方面的研究工作并取得了一些研究成果。第1章总论 总体来看，设计方法学这门学科主要是在深入研究设计过程本质的基础上，以系统的观点研究设计进程（战略）和解决具体设计问题的方法（战术）的科学。该学科的特点是：总结设计规律，启发设计灵感及创造性，正确运用现代技术手段和理论方法，实现设计过程的科学化、自动化、合理化，使得设计师能够设计出性能优、成本低的技术系统，以满足社会需要。设计方法学在提高设计人员的素质和设计质量，减少或避
15、免设计失误，缩短设计周期，降低设计成本等方面有着十分重要的作用。第1章总论 1.3现代设计理论及方法概要现代设计理论及方法概要1.3.1传统设计方法与现代设计方法传统设计方法与现代设计方法什么是传统设计方法？什么是现代设计方法？很难有一个明确的划分界限。一般来说，传统设计方法以生产经验为基础，以运用力学和数学形成的一些公式、图表、手册等为依据，着眼于产品的功能和技术规范，按照各种产品的设计经验总结出有关的设计理论、步骤、方法等来开展设计活动。传统设计方法具有如下特点：第1章总论（1）用人工试凑法求得设计对象的各种结构尺寸和性能参数，其中，经验类比法设计占很大比重；（2）以静态为假设条件，进行定
16、性目标和某些定量的设计；（3）设计者和制造者往往独立工作，分别活动；（4）这种以经验、试凑、静态、定性为核心的设计法，周期长，效率低，质量差，费用高，带有很大的盲目性和随意性，产品缺乏竞争力，往往一个新构思变成一个新产品时已落后于时代要求。传统设计方法是人们长期设计实践经验的积累，并且随着时代的发展注入了新的内容和活力，是现代设计不可缺少的基础。第1章总论 现代设计方法以理论为指导，以计算机为手段，以分析、优化、动态、定量、综合为核心，设计过程自动化，设计的效率、水平、质量以及设计过程中的主动性、科学性和准确性大大提高。现代设计方法的特点如下：（1）突出设计的创造性；（2）设计过程科学化和程式
17、化；（3）处理问题时具有系统性和综合性；（4）最大程度运用计算机技术，以获得整体最优的设计结果。第1章总论 计算机技术的飞速发展对设计工作产生了巨大影响：它更新了设计手段（手工到CAD，甩掉图板，无纸设计），丰富了产品表示方法（二维到三维，甚至更多的设计信息），拓展了设计理论及方法（有限元、模态分析等大型、复杂的设计问题变成了可能），改变了设计工作方式（交接棒式设计到齐步跑式设计，串行到并行），实现了设计制造的一体化（CAD、CAM、CAPP、NC、CIMS），提高了管理水平（高效、协同、安全），组织模式更加开放（网络技术、异地设计、虚拟制造、动态联盟、优势互补、资源共享）。现代设计是传统设计
18、的深入、丰富和完善，而非独立于传统设计的全新设计。第1章总论 1.3.2现代设计原则现代设计原则设计原则是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；现代设计原则面向产品生命周期内的各个阶段，是传统设计原则的扩充和完善。二者在本质上并无区别。第1章总论 现代设计原则可归纳为以下几类：（1）功能满足原则，这是开发设计任何技术系统的基本原则；（2）质量保障原则，产品质量主要由性能和可靠性决定，所以这类原则主要包括产品的各类技术指标；（3）可靠性，在规定条件和时间内完成规定的功能；（4）强度、刚度、稳定性原则；（5）抗振特
19、性、抗磨损性、抗腐蚀性、抗蠕变性；（6）可制造性，包括工艺优良性、可装配性等；（7）可测试性；第1章总论（8）经济合理原则；（9）社会使用原则（考虑产品投放市场后的表现行为）；（10）环境友好性（符合环保法规，对生态环境破坏小），环境适应性（对特殊环境的适应能力），人机友好性（满足使用者生理、心理等要求，如造型美观、色彩宜人、操作简单、方便、舒适等）；（11）可安装性、可维修性及安全性；（12）可拆卸性和可回收性。第1章总论 1.3.3现代设计理论及方法的内容体系现代设计理论及方法的内容体系现代设计理论及方法所涉及的研究领域及内容比较广泛，并已形成许多分支学科。目前在工程实践中已得到运用的现代
20、设计理论及方法主要有：价值工程、系统工程、技术经济分析、可靠性设计、抗疲劳设计、摩擦设计、抗腐蚀设计、优势设计、稳健设计、模块化设计、三次设计、人机工程、模糊理论及设计、反求技术、优化设计技术、有限元法、边界元法、计算机辅助设计技术等。近年来兴起的设计理论及方法主要有：并行设计、虚拟设计、绿色设计、创新设计、智能设计、概念设计、数字化设计、网络化设计、全生命周期设计、机电一体化设计等。第1章总论 1.3.4正确对待现代设计理论及方法正确对待现代设计理论及方法人类社会和科学技术的发展与进步极大地丰富了人们的精神和物质需求。人类的要求不断提高，那么，产品设计理论、方法和手段就处在不断完善和发展之中
21、，所以应该用动态的、开放的观点理解现代设计方法。在某些方面，现代设计方法可能还不能完全取代传统设计方法，所以要注意传统和现代设计技术的综合应用。对已成熟并在工程设计中得到应用的、实践证明效果好的设计理论及方法，应完善理论，细化方法，加速推广，尽快普及。对一些新兴设计方法，应积极响应，做好研究，针对国情，选择应用。一切理论及方法必须以实践、数据为基石，必须做好基础性工作，否则一切都将是空中楼阁。第1章总论 1.3.5本书的主要内容本书的主要内容本书在汲取现有关于设计方法学的著作和教材主要内容的基础上，筛选了部分设计方法学的新理论、新方法和新手段，以现代教育与教学的先进思想及理念“导论、浓缩、线索
22、”性地介绍了现代设计理论及方法的基本设计思想、设计过程以及应用方法。全书共13章，内容包括：总论、项目策划及功能分析设计方法、创造及创新设计方法、反求工程及反求设计、相似设计与模块化设计、概念设计、稳健设计、智能设计、并行设计、虚拟设计、绿色设计、商品化设计、设计评价与决策方法。第1章总论 计算机辅助设计技术、优化设计技术、有限元技术等本是现代设计方法学的主要内容，但考虑其理论体系已经比较完善，内容也比较多，而且各个学校已经设置了相应内容的独立课程，所以本书未将其列入其中。在使用本书进行教学时，可按照专业课程“少学时、多知识点、点出引入、拓思路、给方法”的教学指导思想，通过教材提供的线索，结合教师的讲授，使得学生宽泛地获得有关设计方法的新知识和新思想。
