1、1 1 1.1 设计的概念 1.2 现代设计的发展 1.3 设计方法的概念 1.4 设计方法的发展 1.5 现代设计方法与传统设计方法的特点 1.6 现代设计方法的意义与任务 1.7 科学方法论在设计中的应用 1.8 典型设计方法 思考题第1章 现代设计与设计方法概论2 21.1 设计的概念设计是创造性的思维与活动，是为满足人类与社会的要求，将预定的目标通过人们的创造性思维，经过一系列规划、分析和决策，形成载有相应文字、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的过程。3 3广义地来讲，设计就是把人类的理想变为现实的实践活动。狭义的设计是指根据客观需求完成满足该需求的技术系统的图
2、纸及技术文档的活动。随着科学技术和生产力的不断发展，设计的内涵和外延都在扩大，设计的概念趋于广义化。设计不仅仅要考虑构成产品的物质条件以及产品的功能需求，更要综合经济、社会、环境、人体工程学、心理学、文化等多种因素。在工程领域，设计是运用科学技术和知识规划出人类所需要制造的产品的过程，其最终表达形式是图样和技术相关文件，作为制造和使用的依据，以保证制造出的产品能满足规定的技术要求。4 4设计过程是十分复杂的智力活动，这种智力活动是人类特有的主观能动性的表现。马克思说过：“蜜蜂建筑蜂房的本领使人间许多建筑师感到惭愧。但是，最蹩脚的建筑师从一开始就比最灵巧的蜜蜂高明的地方，是他在用蜂蜡建筑蜂房之前
3、，已经在自己的头脑中把它建成了。”这说明设计这种智力活动，其任务在于利用已有的科学理论和技术原理，为生产活动规定具体的目的和模式，以便最合理地转化自然资源，满足人类社会的各种需要。因此，设计是将科学技术转化为生产应用的过程，也是将人的主观愿望转变为物质现实的过程。5 5现代设计是现代科学理论与现代技术工具在设计领域的应用。系统论、信息论、控制论等科学方法与电子计算机技术的应用，使优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计以及创造性设计等现代设计方法脱颖而出，并对设计活动产生深远的影响，为新产品的开发提供新的现代设计手段。6 6应该指出，设计是一项多种学科、多种技术相互交叉的工程。它既需要方法论的指导
4、，也依赖于各种专业理论和专业技术，更离不开技术人员的经验和实践。现代设计方法是在继承和发展传统设计方法的基础上融合新的科学理论和新的科学技术成果而形成的，因此，学习使用现代设计方法，并不是要完全抛弃传统的方法与经验，而是要让广大设计人员在传统方法和实践经验的基础上掌握一把新的思想钥匙。设计方法具有时序性和继承性，冠以“现代”二字是为强调其科学性和前沿性，并非为了将其与传统的设计方法截然分开。传统设计与现代设计只是相对而言的，它们具有共存性。7 71.2 现代设计的发展20世纪70年代以来，由于科学技术的飞速发展和计算机技术的应用与普及，给设计工作包括机电产品的设计带来了新的变化。随着科技的发展
5、，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。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。8 8为了强调其对设计领域的革新，以区别于传统设计理论和方法，把这些新兴理论与方法统称为现代设计。当然，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。目前现代设计所应用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、协同设计、反求工程设计、模块化设计、
6、相似性设计、虚拟设计、疲劳设计、三次设计、摩擦学设计、模糊设计、人工神经网络、遗传算法等。9 91.3 设计方法的概念方法是人类探索科学真理的钥匙。在人们认识事物、解决问题的过程中，正确的方法是必不可少的。培根说过：“没有一个正确的方法，犹如在黑暗中摸索行走。”巴甫洛夫也说过：“好的方法将为人们展开更广阔的图景，使人们认识更深层次的规律，从而更有效地改造世界。”1010工业产品设计是一种创造性的活动，设计的结果直接影响产品的性能质量、成本和企业经济效益。由于在产品的开发和提高产品设计水平的工作中，科学的设计方法起着重要的作用，因此，加强对产品设计方法的研究有着十分重要的意义。在工业发达国家中，
7、对设计方法的研究十分重视，各国研究的设计方法在内容上虽各有侧重，但共同的特点都是总结设计规律，启发创造性，采用现代化的先进技术和理论方法，使设计过程自动化、合理化，其目的是设计出更多高质量、低成本的工程技术产品，以满足人民的需求和适应日趋尖锐的市场竞争需要。1111设计方法学是以系统的观点来研究产品的设计程序、设计规律和设计中的思维与工作方法的一门综合性学科，它是现代设计方法的一个重要组成部分。设计方法学主要研究的内容有：(1)设计对象。设计对象是一个能实现一定技术过程的技术系统。能满足一定需要的技术过程不是唯一的，能实现某个特定技术过程的技术系统也不是唯一的。影响技术过程和技术系统的因素有很
8、多，设计人员应该全面系统地考虑、研究并确定最优技术系统，即设计对象。1212(2)设计过程和程序。设计方法学从系统观点出发来研究产品的设计过程。在设计方法学中，产品即设计对象被视为由输入、转换、输出三要素组成的系统，重点讨论将功能要求转化为产品结构图纸的这一设计过程，并分析设计过程的特点，总结设计过程的思维规律，寻求合理的设计程序。(3)设计思维。设计是一种创造活动，设计思维应是创造思维。设计方法学通过研究设计中的思维规律，总结设计人员科学的、创造性的思维方法和创造性技法。1313(4)设计评价。设计方案的优劣评价，其核心是设计评价指标体系。设计方法学研究和总结评价指标体系的建立，以及应用价值
9、工程和多目标优化技术进行各种定性、定量的综合评价方法。(5)设计信息管理。设计方法学研究设计信息库的建立和应用，即探讨如何把分散在不同学科领域的大量设计知识、信息挖掘并集中起来，建立各种设计信息库，使之可通过计算机等先进设备方便快速地调阅参考。(6)现代设计理论与方法的应用。为了改善设计质量，加快设计进度，设计方法学研究如何把不断涌现出的各种现代设计理论和方法应用到设计过程中。14141.4 设计方法的发展从人类生产的进步过程来看，设计方法发展的历史大致分为直觉设计阶段、经验设计阶段、传统设计阶段、现代设计阶段四部分。这四个阶段是逐渐发展的，并没有明显的分界线。1.直觉设计阶段在古代，人们从生
10、活中直接得到灵感，或全凭人的直观感觉来设计制造工具，设计方案仅存在于手工艺人头脑中，没有记录表达，产品也比较简单。直觉设计阶段在人类历史中经历了一个很长的时期，17世纪以前基本都属于这一阶段。15152.经验设计阶段随着生产的发展，单个手工艺人的经验或其头脑中的构思已经很难满足生产设计要求，于是手工艺人联合起来，互相协作。一部分经验丰富的手工艺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。图纸的出现，既可使具有丰富经验的手工艺人通过图纸将其经验或构思记录下来，传于他人，便于用图纸对产品进行分析、改进和提高，推动设计工作向前发展；还可满足更多的人同时参加同一产品的生产活动，提高了生产
11、率。因此，利用图纸进行设计，使人类的设计活动由直觉设计阶段进步到经验设计阶段。16163.传统设计阶段20世纪以来，由于科学技术的发展与进步，设计的基础理论研究和实验研究得到加强，随着理论研究的深入、实验数据及设计经验的积累，已形成了一套半经验半理论的设计方法。这种方法以通过理论计算和长期设计经验而形成的经验、公式、图表、设计手册等为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计，称为传统设计，又称常规设计。17174.现代设计阶段近30年来，伴随着科学技术的迅速发展，人们对客观世界的认识不断深入，设计工作所需的理论基础和手段有了很大进步，特别是电子计算机技术的发展及应用，对设计工作产
12、生了革命性的改变，为设计工作提供了实现设计自动化和精密计算的条件。例如CAD技术能得出所需要的设计计算结果资料、生产图纸和数字化模型，一体化的CAD/CAM技术更可直接输出加工零件的数控代码程序，直接加工出所需要的零件，从而使人类的设计工作步入现代设计阶段。此外，现代设计阶段的另一个特点就是，对产品的设计已不是仅考虑产品本身，并且还要考虑其对系统和环境的影响；不仅要考虑技术特点，还要考虑产品的经济、社会效益；不仅考虑当前的应用情况，还需考虑其长远发展。18185.现代设计方法发展前沿设计方法是随社会、经济和科技的进步而不断发展的。工程实际中，还有很多正处于讨论和研究阶段的值得重视的研究方法，如
13、摩擦学设计、创新设计、稳健设计、并行设计、绿色设计、优化设计、模糊设计、智能设计、反求设计等，这些设计方法都是随着社会的发展、人们观念的更新和科学技术的发展而提出的，并且由于在节能、环保、改善产品性能和增加产品市场竞争能力等方面有其重要性而越来越受到关注。19191.5 现代设计方法与传统设计方法的特点1.传统设计方法的特点传统的设计是静态的、经验的，主要依靠手工操作完成，不仅设计缓慢，还在很大程度上约束了人脑的设计思维进度。更糟的是，三维设计对象在传统的设计中只能靠抽象的二维图形来表达，难以直观地将设计结果展现给工程技术人员和其它相关人员，如产品用户，因而不利于判断、评价和改进设计结果。20
14、20传统的设计计算依赖工程问题的解析求解方法，使实际问题不得不尽量简化，其简化程度取决于已有的数学工具能否求解，这一方面使大量相对复杂的工程问题无法进行计算求解，另一方面使很多工程问题的求解离实际情况有较大的差距。21212.现代设计方法的特点现代设计方法与传统设计方法相比，主要有以下特点：(1)设计手段计算机化。现代设计过程中大量使用CAD技术，计算机在设计中的应用已经从早期的辅助分析、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。CAD技术大大提高了设计效率，改善了设计质量，降低了设计成本，减轻了劳动强度。特别是网络和数据库技术的应用，
15、加速了设计进程，提高了设计质量，便于对设计进程进行管理，方便了各有关部门及协作企业间的信息交换。2222(2)设计范畴扩展。现代设计将设计范畴从传统的产品设计扩展到从产品规划直至工艺设计的整个过程。此外，设计过程中同时还要考虑制造、维修、价格、包装、发运、回收、质量等因素，即面向X的设计。2323(3)设计制造一体化。现代设计强调设计、制造过程的一体化和并行化，强调产品设计制造的统一数据模型和计算机集成制造。设计过程组织方式由传统的顺序方式逐渐过渡到并行设计方式，与产品有关的各种过程并行交叉进行设计，这可以避免重复修改数据的工作，有利于加速工作进程，提高设计质量。并行设计的团队工作精神和有关专
16、家协同工作，有利于得到整体最优解。设计手段的虚拟化、三维造型技术、仿真和虚拟制造技术以及快速成型技术，使得人们在零件制造之前就可以看到它的形状甚至触摸它，可大大改进设计的效果。现代设计利用高速计算机，可以将各种不同的设计方法和设计手段综合起来，以求得系统的整体最优解。2424(4)设计过程智能化。利用人工智能和专家系统技术，可由计算机完成一部分原来必须由设计者进行的设计性工作。(5)多种手段综合应用。现代设计方法建立在系统工程的基础上，综合运用信息论、优化论、相似论、模糊论、可靠性理论等自然科学理论和价值工程、决策论、预测论等社会科学理论，同时采用集合论、矩阵论、图论等数学工具和电子计算机技术
17、，总结设计规律，提供多种解决设计问题的科学途径。2525(6)设计寻求最优化。设计的目的是得到功能全、性能好、成本低的价值最优产品。设计中不但要考虑零部件参数、性能的最优，更重要的是争取产品技术系统的整体最优。现代设计重视综合集成，在性能、技术、经济性、制造工艺、使用、环境、可持续发展等各种约束条件下，在广泛的学科领域之间，通过计算机进行高效率的综合集成，寻求最优方案和参数。它利用优化设计、人工神经网络算法和工程遗传算法等求出各种工作条件下的最优解。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，因而受人和效率的限制，难以对多变量系统在众多影响因素下进行定量优化，而现代设
18、计则可利用计算机等手段进行动态多变量优化设计。2626(7)重视产品宜人性。现代设计在强调产品内在质量的实用性和保证产品物质功能的前提下，越来越多地开始重视产品外观的美观、艺术性和时代性，尽量满足用户的审美要求。它要求从人的生理以及心理特征出发，通过功能分析、界面安排和系统综合，满足人机环境等之间的协调关系，提高产品的精神功能，满足宜人性要求。(8)强调产品环保性。随着环境污染日趋严重，人们对环境问题也越来越重视，这就要求设计人员在设计产品时要尽量考虑到环保要求，使产品在生产制造以及使用过程中消耗的能源和产生的污染尽可能小，最大程度减小产品对人和环境的危害，同时还要考虑到产品报废后的可降解以及
19、可再利用问题，在每一个环节上都尽可能满足环保要求。27271.6 现代设计方法的意义与任务产品设计是生产产品的第一步，对产品的性能、质量、水平和经济效益起着决定性的作用。产品设计对产品的制造过程有重要影响，也对产品走向市场和产品的整个使用周期有重要影响。好的产品设计，可以降低制造成本，保证产品的使用性能和使用寿命，增强产品的市场竞争力，产生很好的经济效益。2828同时，优良的产品设计也可降低制造与使用能耗，减少制造与使用过程对环境的负面影响，便于资源的回收与再利用，有利于人类的可持续发展。此外，为了挖掘市场潜力，开拓新的消费市场，设计人员要以创新性思维发明新的产品或赋予产品以新的功能，以开拓新
20、的经济增长点，增强企业乃至一个国家在经济全球化进程中的竞争力。2929设计人员是新产品的重要创造者，对产品的发展有重大影响。为了适应当代科学技术发展的要求和市场经济体制对设计人才的需要，必须加强设计人员的创新能力和设计素质的培养，设计人员及相关工程技术人员必须熟练地掌握现代设计方法与理论，并学会在实践中灵活地运用这些方法与理论。只有这样才可能避免由于产品设计的不足甚至错误造成产品成本高、周期长、性能差、能耗大等缺陷，才有可能及时把握创新的思想火花，创造出社会需要的、综合性能优良的新产品，才能不断地提高企业的竞争力。3030现代设计方法大都以计算机技术为基础，并由不同层次的计算机应用软件来支撑，
21、死记硬背大量的公式和推导是没有必要的，也是不可取的。因此，学习现代设计方法最主要的任务是掌握其基本原理和主要内容，掌握各种设计方法的主要思想，了解其作用与局限性，提高自身的设计素质，增强自身的设计创新能力；同时，在充分掌握现代设计方法的基础上，用它来解决工程实际问题。3131 1.7 科学方法论在设计中的应用现代设计方法实质上是各种科学方法论在设计中的应用，可归纳为以下具有普遍意义的方法。32321.信息论方法信息论是由美国数学家香农创立的，它是用概率论和数理统计方法，从量的方面来研究系统的信息如何获取、加工、处理、传输和控制的一门科学。信息是一切系统保持一定结构、实现其功能的基础。狭义信息论
22、是研究在通信系统中普遍存在着的信息传递的共同规律以及如何提高各信息传输系统的有效性和可靠性的一门通信理论。广义信息论被理解为运用狭义信息论的观点来研究一切问题的理论。信息论认为，系统正是通过获取、传递、加工与处理信息而实现其有目的的运动的。信息论能够揭示人类认识活动产生飞跃的实质，有助于探索与研究人们的思维规律并推动人们的思维活动。3333信息论方法具有普适性。所谓信息论方法，就是运用信息的观点，把系统的运动看做是信息的传输和转换过程，通过信息的获取、传递、加工和处理来认识和改造系统的一种科学方法。信息论方法的特点是在考虑系统问题的时候，撇开系统的物质和能量的具体运动形态，把系统的运动过程抽象
23、化为信息的流通和变换过程。现代信息论方法从信息的获取开始，研究信息的传输、加工、处理、输出、反馈等程序，达到认识、改造和创造系统的目的。3434信息论方法在现代设计中的具体应用有信息分析法、预测技术法等，它是现代设计方法的前提。(1)预测技术法：用历史性趋向及参数，预测现在与未来的动向及参数。(2)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)相关分析法：对随机数据进行相似、相关与相干分析，提取有用信息。(4)信息合成法：将各种不同信息合成为所需的广义系统，如人工合成图形等。35352.系统论方法系统论的创始人是美籍奥地利生物学家贝塔朗菲。系统论要求把事物当作一个整体或系统来
24、研究，并用数学模型去描述和确定系统的结构和行为。所谓系统，即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的、具有特定功能的有机整体；而系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。贝塔朗菲提出了系统观点、动态观点和等级观点，指出复杂事物的功能远大于某组成因果链中各环节的简单总和，认为一切生命都处于积极运动状态，有机体作为一个系统能够保持动态稳定是系统向环境充分开放，获得物质、信息、能量交换的结果。系统论强调整体与局部、局部与局部、系统本身与外部环境之间互为依存、相互影响和制约的关系，具有目的性、动态性、有序性三大基本特征。3636系统论方法就是按照客观事物本身的系统性，始终在整体与部分、部分与部分
25、、整体与环境的相互联系、相互作用、相互制约的关系中，综合地考察研究对象，以达到最佳处理问题的目的。系统论方法在现代设计中的具体应用有系统分析法、聚类分析法、逻辑分析法、模式识别法、人机工程学、系统工程等。3737(1)系统分析法：在一般系统方法的指导下，对某些具体系统进行数量分析的决策方法。(2)聚类分析法：把无模式的大量样本进行分类，聚类中心近似于该类的模式。(3)逻辑分析法：运用逻辑数学的知识，根据各系统之间的相互关联与制约关系设计出优化系统。(4)模式识别法：分析已有若干模式的系统样本，进行模式的确定。(5)系统辨识法：在一类模型中选择一个特定的模型，使其等价于相应的系统。由于大部分实际
26、系统的有关原始信息是不充分的，所以大多数的系统辨识问题可以归结为参数辨识问题。3838(6)人机工程学：“机”是指广义的设计工程与产品，将人的各种因素考虑为外系统之一进行设计，以满足人的精神与功能的要求。(7)系统工程：对于分析和处理不同系统的各类系统工程，可以找到一套具有共同性的思路、程序和方法，这就是系统工程方法。系统工程包括组织管理的全过程。39393.控制论方法 控制论的主要创立者是美国数学家维纳(Norbert Wiener)。控制论是研究各类系统的调节和控制规律的科学，也就是研究如何利用控制器，通过信息的变换和反馈作用，使系统能自动按照人们预定的程序运行，最终达到最优目标的学科。它
27、是自动控制、通信技术、计算机科学、数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门横断性学科。其整个控制过程就是一个信息流通的过程，控制是通过信息的传输、变换、加工、处理来实现的。控制论方法在现代设计中的应用有动态分析法、振荡分析法、柔性设计法(把刚性系统按照实际弹性系统进行设计计算)、动态优化法及动态系统识别法等。40404.优化论方法利用优化论方法进行设计的目的是得到功能全、性能好、成本低的价值最优的产品。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、几何规划、多目标优化等。此外，优化论方法还包括优化控制法。41415.对应论方法 对应论认为
28、，世界上的事物虽然千变万化，但往往具有大量的、普遍的对应性。“对应”这个概念的外延是相当广泛的，包括相同、相反、相生、相克、对称与反对称、映照、模拟等。事物的对应性也是多种多样的，有结构对应、功能对应、物理对应、因果对应等。对应论的核心是相似理论，相似理论是说明自然界和工程科学技术中各种相似现象的相似原理的学说。4242对应论方法用于现代设计中，有相似设计、仿真技术等。(1)相似设计法：以同类参照物为依据，求出设计对象与参照对象间的数学关系。(2)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)仿真技术：用计算机以及仿真语言模拟复杂系统与过程，求得解析法不能求得的参数。(4)仿生
29、技术：模拟生物的特殊功能为设计服务。43436.智能论方法智能论方法包括CAD、CAE、并行工程、虚拟设计、人工智能(主要是专家系统)等，它是现代设计方法的核心。7.寿命论方法 有限寿命是自然与社会的基本客观现实，所以设计应保证有限使用期限内设计对象的经济有效功能。寿命论方法的应用包括可靠性设计、功能价值工程和稳健性设计等。44448.离散论方法离散论方法的理论基础是离散数学。离散数学是现代数学的一个重要分支，以研究离散量的结构及其相互关系为主要目标。离散数学可以说是和计算机一起发展起来的学科，是一门新兴的学科，对于究竟什么属于离散数学，人们也没有完全一致的看法。一般认为，数理逻辑、集合论、群
30、论、图论都可以归为离散数学。不过，不少学者把组合学、计数、排列也归为离散数学。离散数学所涉及的这些概念、方法和理论，大量地应用在“数字电路”、“编译原理”、“数据结构”、“操作系统”、“数据库系统”、“算法的分析与设计”、“软件工程”、“人工智能”、“多媒体技术”、“计算机网络”等专业学科中以及“信息管理”、“信号处理”、“模式识别”、“数据加密”等相关学科中，当然它也就广泛地应用于现代设计中。45459.模糊论方法模糊论方法的理论基础是模糊数学。数学是门严格、严密的学科，可是实际生活中的问题往往都没有很严格的条件，反而是条件很模糊。人们经常遇到许多模糊事物，没有明确的数量界限，要使用一些模糊
31、词句来描述，比如：比较高、挺矮、有点胖、很瘦等。国际模糊数学界杰出人物奖获得者四川大学刘应明院士说过，“今天天气不错这句话就是模糊的，你可以根据这句话就放心出门，但如果精确地告诉你，今天的气压是多少，风力有多大，紫外线强度有多少，你可能就无法判断自己该不该出门。”4646工业生产也是这样的，在机械生产中要计算铸件的冷却时间，除了要考虑材料本身的性能外，还要考虑其它影响因素，比如铸件的形状、周围的环境等，这些都是模糊的，可能对铸件冷却起作用，也可能不起，可能起主导作用也可能起一般作用。这时就要利用模糊数学的理论来解决问题了。从模糊数学的原理来看，其实模糊数学就是集合，就是对研究目标有影响的所有因
32、素的一个集合，只不过这个集合不像传统数学的集合那么界限精密，而在是和非之间。4747模糊数学作为一门新兴学科，它已初步应用于模糊控制、模糊识别、模糊聚类分析、模糊决策、模糊评判、系统理论、信息检索、医学、生物学等各个方面。在气象、结构力学、控制、心理学等方面已有具体的研究成果。它在现代设计中也有着广泛的应用，比如说模糊评价法就是对模糊数学理论的应用。484810.突变论方法突变论是研究客观世界非连续性突然变化现象的一门新兴学科，自20世纪70年代创立以来，获得迅速发展和广泛应用，引起了科学界的重视。“突变”一词，法文原意是“灾变”，是强调变化过程的间断或突然转换的意思。突变论的主要特点是用形象
33、而精确的数学模型来描述和预测事物的连续性中断的质变过程。突变论是一门着重应用的科学，它既可以用在“硬”科学方面，又可以用于“软”科学方面。当突变论作为一门数学分支时，它是关于奇点的理论，可以根据势函数而把临界点分类，并且研究各种临界点附近的非连续现象的特征。4949突变论与耗散结构论、协同论一起，在有序与无序的转化机制上，把系统的形成、结构和发展联系起来，成为推动系统科学发展的重要学科之一。在自然界和人类社会活动中，除了渐变的和连续光滑的变化现象外，还存在着大量的突然变化和跃迁现象，如水的沸腾、岩石的破裂、桥梁的崩塌、地震、细胞的分裂、生物的变异、人的休克、情绪的波动、战争、市场变化、经济危机
34、等。突变论方法正是试图用数学方程描述这种过程。突变论的研究内容简单地说，是研究从一种稳定组态跃迁到另一种稳定组态的现象和规律。5050突变论能解说和预测自然界和社会上的突然现象，无疑它也是软科学研究的重要方法和得力工具之一。突变论在数学、物理学、化学、生物学、工程技术、社会科学等方面有着广阔的应用前景。特别地，在工程中，高度优化的设计常常具有不稳定性，当出现不可避免的制造缺陷时，由于结构高度敏感，其承载能力将会突然变小，从而出现突然的损坏。因此，突变论方法在设计研究中有着重要的地位。515111.艺术论方法艺术是一种特殊的精神产物，它是人类表现思想和感情、反映社会生活的一种特殊意识形态，可分为
35、视觉艺术(绘画、雕塑、建筑、舞蹈)、听觉艺术(音乐)、想象艺术(文学)等，而戏剧、电影则是综合艺术。艺术具有以下三个方面的特征：(1)是一种用形象来反映现实但比现实有典型性的社会意识形态；(2)富有创造性的方式、方法；(3)形状独特而美观。5252以艺术为理论基础的艺术论方法在现代设计中有着广泛的应用。在人类社会文明高度发展的过程中，工业革命开始以后，伴随着大工业生产技术与艺术文化的不断融合，造物艺术在20世纪初凝聚成为工业设计的部分，并作为一门独立完整的现代学科得以确立，工业产品设计才体现出其真正、完全的意义。5353工业产品设计就是对工业产品的功能、材料、构造、工艺、形态、色彩、表面处理、
36、装饰等诸因素从社会、经济、技术等方面进行综合处理，既要符合人们对产品物质功能的要求，又要满足人们审美情趣的需求。在对工业产品进行外观设计时，不仅要研究工业产品制造的可能性、操作的可靠性、经济上的合理性，而且形态表现的艺术性也是至关重要的。这里的艺术性是一种综合的概念，它不仅包括产品的造型处理、色彩处理、纹饰处理以及与视觉效果相关的结构处理等，还包括人的触觉、听觉等综合感觉效果的处理。54541.8 典型设计方法设计方法是随着经济和科技的发展而不断发展的，现代设计方法和传统设计方法只是相对的概念。目前发展历史较长、理论较成熟、应用较广泛的现代设计方法主要有计算机辅助设计、有限元法、优化设计、机械
37、可靠设计法。5555第二次世界大战结束后，发达工业国家都很重视设计理论与方法的系统研究，并且随着设计方法学、优化设计、计算机辅助设计、系统化设计、模块化设计以及反求工程等一些新学科的发展，在工程设计领域形成了许多现代设计方法，如并行设计、相似设计、稳健设计、绿色设计、智能设计、模糊设计、虚拟设计、动态设计等，这些新技术在不断发展的同时，在工程中也得到越来越广泛的应用。下面我们就对典型的现代设计方法进行概略的介绍。56561.计算机辅助设计计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)是一种利用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法与技术，包括设计、绘图、工程
38、分析与文档制作等设计活动。它是一种新的设计方法，也是一门多学科综合应用的新技术。CAD包括产品分析计算和自动绘图两部分功能。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、数据库管理系统和应用软件等构成CAD的系统软件。5757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，支持设计系统的各个阶段，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
39、成详细设计和产品设计。因此，CAD系统应能支持分析、计算、综合、创新、模拟及绘图等各项基本设计活动。CAD的基础工作是建立产品设计数据库、图形库、应用程序库等。58582.有限元法有限元法(Finite Element Method,FEM)是以电子计算机为工具的一种现代数值计算方法。目前，该方法不仅能用于工程中复杂的非线性问题、非稳健问题(如结构力学、流体力学、热传导、电磁场等方面的问题)的求解，而且还可用于在工程设计中进行复杂结构的静态和动力分析，并能准确地计算形状复杂零件(如机架、汽轮机叶片、齿轮等)的应力分布和变形，成为复杂零件强度和刚度计算的有力分析工具。5959有限元法的基本思想是
40、：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。各单元之间仅在有限个指定结合点处相联结，用组成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于单元上的振动载荷。对每个单元，选择一个简单的函数来近似地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结点位移(速度、加速度)的关系(质量、阻尼和刚度矩阵)，最后把所有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知量的动力学方程。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。6060根据这一思想，有限元法的计算过程是：(1)结构离散化，即将连续构件转化为若干个单元。(2)单
41、元特性分析与计算，即建立各个单元的结点位移和结点力之间的关系式，求出各单元的刚度矩阵。(3)单元组求解方程，即利用结构力的平衡条件和边界条件，求出结点位移及各单元内的应力值。6161 有限元法的计算过程思想是“分合”，先分是为了进行单元分析，后合则是为了对整个结构进行综合分析。近些年来，有限元法的应用得到了蓬勃的发展，国际上不仅研制有功能完善的各类有限元分析通用程序，如NASTRAN、ANSYS、ASKA、SAP等，而且还带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、等值线图、振型图并可动态显示结构的动力响应等)程序。有限元通用程序由于使用方便、
42、计算精度高，其计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。62623.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。进行工程优化设计，首先须将工程问题按优化设计所规定的格式建立数学模型，然后选用合适的优化计算方法在计算机上对数学模型进行优化求解，得到工程设计问题的最优设计方案。6363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
43、和约束条件组成了优化设计问题的数学模型。优化设计需把数学模型和优化算法放到计算机程序中用计算机来自动寻优求解。64644.可靠性设计可靠性是指产品在规定条件下、规定时间内完成规定功能的能力。可靠性设计(Reliability Design)是以概率论和数理统计为理论基础，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。65655.价值工程价值工程是以功能分析为核心，以开发创造为基础，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
44、种设计方法或管理科学。实际上，价值工程就是提出了这样一个问题：设计者要站在用户的立场上，用最低成本生产出满足用户要求的产品。6666价值工程中功能和成本的关系是：式中V为价值；F为功能评价值；C为总成本。可见，价值工程包括三个基本要素，即价值、功能和成本。从公式中可以看出，所谓价值就是某一功能与实现这一功能所需成本之间的比例。为了提高产品的实用价值，可以采用或增加产品的功能，或降低产品的成本，或既增加产品的功能又同时降低成本等多种多样的途径。总之，提高产品的价值就是用低成本实现产品的功能，而产品的设计问题就变为用最低成本向用户提供必要功能的问题。CFV 6767开展价值分析、价值工程的研究可以
45、取得巨大的经济效益。例如，在20世纪五六十年代，美国通用电气公司在价值分析研究上花了80万美元，却获得了两亿多美元的利润。我国自1978年从日本引进价值工程技术以来，价值工程也获得广泛的应用。据统计，应用价值工程为国家带来的经济效益已逾10亿元。6868提高产品的价值可以从以下三个方面着手：(1)功能分析，从用户需要出发保证产品的必要功能，去除多余功能，调整过剩功能，增加必要功能。(2)性能分析，研究一定功能下提高产品性能的措施。(3)成本分析，分析成本的构成，从各方面探求降低成本的途径。69696.工业设计工业设计是指在保证产品的使用功能的前提下，用艺术手段按照人的认知心理特征和操作模式对工
46、业产品进行造型工作，使产品易于使用，并具有美感、富于表现力。工业设计以不断变化的人的需要为起点，以积极的势态探求改变人的生存方式。所以工业设计不是单纯的美术设计，更不是纯粹的造型艺术、美的艺术，它是科学、技术、人文、艺术、经济融合的产物。它从实用和美的综合观点出发，在科学技术、社会、经济、文化、艺术、资源、价值观等的约束下，通过市场交流而为人服务。7070工业设计有着以下三个显著特征：(1)实用性特征，体现使用功能的适合目的性、先进性与可靠性及宜人性。(2)科学性特征，体现先进加工手段的工艺美，反映大工业自动化生产及科学性的严格和精确美，标志力学、材料学、机构学新成就的结构美。在不牺牲使用者和
47、生产者利益的前提下，努力降低产品成本，创造最高的附加值。(3)艺术性特征，应用美学法则创造具有形体美、色彩美、材料美和符合时代审美观念的新颖产品，体现人、产品与环境的整体和谐美。机电产品造型设计的具体内容如下：机电产品的人机工程设计或称宜人性设计，产品的形态设计，产品的色彩设计，产品标志、铭牌、字体等设计。71717.人因工程人因工程是运用生理学、心理学和医学等有关科学知识，研究组成人机系统的机器和人的相互关系，以提高整个系统工效的边缘科学。人因工程学研究人的特性和能力在人机系统中所起的作用，以及机器、作业和环境条件给人的限制；还研究人的训练、人机系统设计和开发，以及同人机系统有关的生物学或医
48、学问题。对于这些研究，在北美称为人因工程学或人机工程学，俄罗斯称为工程心理学，欧洲、日本和其他国家称为工效学。7272人开始使用机器就构成了人机系统。人的能力和机器的潜力很好地配合，能提高管理和控制效率。因此，在组成和设计人机系统时，要把人和机器作为一个整体来考虑，合理地分配人和机器的功能，考虑温度、噪声、振动、失重等环境因素对人的效率和行为的影响，以保证在环境变动下仍能达到系统所要求的目标。随着机械化、自动化和电子化的高度发展，人的因素在生产中的影响越来越大，人机协调问题也就越来越显得重要，人因工程学就是在这样的背景下创立和发展起来的。其应用领域有电话、电传、计算机控制台、数据处理系统、高速
49、公路信号系统等，可应用于汽车、航空、航海、现代化医院、环境保护、教育等多个领域，人因工程学甚至可用于大规模社会系统。7373人因工程涉及的学科至少包括心理学、实验心理学、生理学、数理统计学、工程、工业工程、系统科学和环境科学这八个门类。人因工程技术得到快速发展的重要原因在于：一是人机工程技术被大量应用于军事科技和高科技产品的人机界面设计与研究；二是人机工程技术对人的高效、安全、可靠工作和保证身心健康方面起着不可缺少的作用。74748.并行设计并行设计是产品在设计时与相关过程(包括制造过程和支持过程)进行集成的一种系统化设计方法。换言之，并行设计是指在产品设计阶段就侧重于同时考虑产品全生命周期(
50、从概念形成到产品回收或报废处理中)的各种主要性能指标，从而避免在产品研制后期出现不必要的返工与重复性工作。7575并行设计是现代机械设计与制造科学的研究热点。与传统的串行设计方法相比，它强调在产品开发的初始阶段就全面考虑产品寿命周期的后续活动对产品综合性能的影响因素，建立产品寿命周期中各阶段间性能的继承和约束关系及产品各方面属性之间的关系，以追求产品在寿命周期全过程中其综合性能最优。它借助于由各阶段专家组成的多功能设计小组，使设计过程更加协调，使产品性能更加完善，因此更好地满足了用户对产品全寿命周期质量和性能的综合要求，并减少了产品开发过程中的返工，进而大大缩减了产品开发周期。7676并行设计
