现代机械设计理论与方法（PPT212页)

现代机械设计理论与方法陈时锦：[e-mail]机械制造及其自动化系第一章概述课程教学的目的培养学生运用现代先进的设计理论和方法解决工程问题的能力。教学内容现代设计理论：重点内容为系统分析法及创造性思维。现代设计方法：重点内容为有限元分析、优化设计和反求工程设计。1.1传统设计与现代设计及其范畴一传统设计与现代设计1设计的起源和设计技术的传递1)手工艺人的设计及技术传递师傅——徒弟（实用的）2)传统设计技术的传递图纸、经验、类比（实验为基础的）3)现代设计理论体系的建立与发展仿真、理论分析（分析实验结合的）1.1传统设计与现代设计及其范畴一传统设计与现代设计2产品属性变化对设计的要求（传统产品与现代产品）1)产品的使用属性2)产品的社会属性3)产品的服务属性海尔是如何赚钱的？你把保险公司的产品放到哪里去了？3现代设计与传统设计的根本区别1)手工的、静态的、经验的设计，被动地分析产品的性能2)计算机化的、动态的、科学的设计，主动地设计产品的性能1.1传统设计与现代设计及其范畴二现代设计的范畴1信息论方法,如信息分析法、技术预测法等。它是现代设计方法的前提。2系统论方法,如系统分析法、人机工程以及面向产品生命周期的设计。3控制论方法,如动态分析法等。4优化论方法,它是现代设计方法的目标。5对应论方法,如相似设计、反求工程设计等。6智能论方法,如CAE、并行工程、人工智能等。是现代设计方法的核心。7寿命论方法,如可靠性设计、价值工程和稳健性设计等。8离散论方法,如有限元和边界元方法。9模糊论方法,如模糊评价和决策等。10突变论方法,如创造性设计等。它是现代设计方法的基础。11艺术论方法,如艺术造型等。1.2设计过程和设计技术简述设计方法的研究内容设计素质的培养做合格的设计人员设计步骤和程式组织和执行设计解决具体问题的方法和手段科学而娴熟的方法1.2设计过程和设计技术简述一机械设计过程简述1基本设计步骤1)调查研究2)方案设计3)工作图设计4)样机试制与鉴定2系统分析设计模式3创造性设计模式1.2设计过程和设计技术简述二设计技术知识维逻辑维时间维三机械结构设计第二章系统分析设计方法传统设计方法的缺陷孤立、静止地分析问题得到的结论具有片面性和局部性增加系统的实现难度和成本失败的案例分析：某大型企业的技术引进——XX压力机设计现代设计方法注重产品设计的全过程注重分析系统内部单元的相对关系从功能分析入手解决产品方案设计2.1技术系统的组成和处理对象系统的组成系统单元系统结构边界条件输入和输出的要素2.2系统分析设计方法系统分析设计的内容系统设计系统制造系统运行系统分析设计涉及到产品开发和运行的所有环节，甚至包括产品的售后服务和产品失效（报废）后处理，所以系统分析设计不是单纯的产品设计。2.2系统分析设计方法一设计过程剖析1产品规划重要度：极高。极少数人行为确定，受控度低，无补救措施。2方案设计重要度：高。少数人行为确定，受控范围小，补救困难。3技术设计重要度：中。较多人行为确定，受控范围大，较易补救。4施工设计重要度：低。受控度高，一般能及时发现，易补救。工程设计中，大多数人理解施工设计十分重要，其原因是施工设计是十分费时而细致的工作，而且多数人只能看到施工设计或只有看见施工设计的能力。2.2系统分析设计方法二产品规划明确所设计系统的目的、任务和要求撰写设计任务书目的：提供设计、评价和决策的依据2.2系统分析设计方法二产品规划1市场需求分析1)消费者对产品功能、性能、质量和数量等的具体要求2)现有类似产品的销售情况和销售趋势3)竞争对手在技术、经济方面的优缺点及发展趋向4)主要原料、配件和半成品的现状、价格及变化趋势等2.2系统分析设计方法二产品规划2可行性分析1)技术分析——系统实现的难点和创新点2)经济分析——成本、性能价格比分析3)社会分析——产品开发的经济效益和社会效益2.2系统分析设计方法二产品规划3可行性分析报告的内容1)产品开发的必要性、市场调查和预测情况2)有关产品的国内外水平及发展趋势3)从技术上预期能达到的水平4)需要解决的关键技术问题5)经济效益、社会效益的分析6)投资费用及时间进度计划7)现有条件下开发的可能性及准备采取的措施2.2系统分析设计方法二产品规划4设计要求的拟定1)产品功能和性能2)设计参数和相关的指标3)制造及使用等方面的限制条件2.2系统分析设计方法三方案设计1功能分析和原理方案拟定1)功能分析2)创造性设计3)分析——综合——评价2.2系统分析设计方法三方案设计2功能分析的目的1)启发创造性2)全面掌握对产品各方面的要求3)避免设计的盲目性4)全面考虑功能和成本的关系功能分析2.2系统分析设计方法三方案设计3功能的分类1)基本功能和辅助功能手机的功能分析2)必要功能和不必要功能短命的产品——金长城家用电脑的功能分析3)使用功能和外观功能二十年来服装的变化趋势或潮流2.2系统分析设计方法三方案设计4依据功能的设计1)参考有关资料、专利或产品求解2)利用各种创造性方法以开阔思想来探寻解法3)采用形态综合法或相关表和相关网法进行组合2.2系统分析设计方法三方案设计5功能分析设计法举例1)挖掘机的原理方案设计2.2系统分析设计方法三方案设计5功能分析设计法举例2)电子皮带秤的原理方案设计2.2系统分析设计方法四方案设计举例瓶盖整列装置的原理方案设计2.2系统分析设计方法四方案设计举例原理方案设计2.2系统分析设计方法四方案设计举例原理方案设计第三章创造性设计方法什么是创造建立新系统的过程狭义创造广义创造个体创造力创造性设计竞争力与创造性的关系典型企业特征Wintel——用新产品进行“抢劫”麦当劳和肯德基——为什么会亏损？3.1创造力和创造过程一培养创造力的条件创造力的培养1)丰富的知识和经验——知识和经验是创造的基础,是智慧的源泉。创造就是用已有的知识为前提去开拓新的知识。浅谈水变油——没有知识的创新只能是滑稽的创新浅谈海水变油——1升海水所蕴含的能量相当于300升汽油3.1创造力和创造过程一培养创造力的条件创造力的培养2)高度的创造精神——创造性思维能力并不是与知识量简单地成比例的,还需要有强烈的参与创造的意识和动力。少年牛顿莱特兄弟孙圣和教授与博士生培养3.1创造力和创造过程一培养创造力的条件创造力的培养3)健康的心理品质——要有不怕困难、刻意求新、百折不挠的坚强意志。爱迪生与诺贝尔墙头漫步的精神病人3.1创造力和创造过程一培养创造力的条件创造力的培养4)科学而娴熟的方法——必须掌握各种创造技法和其他的工程技术研究方法。冯康教授与有限元法3.1创造力和创造过程一培养创造力的条件创造力的培养5)严谨而科学的管理——创造需要引发和参与,也需要对其每个阶段或步骤进行严谨而科学的管理,这也是促进创造发明的实现的因素之一。浅谈神州飞船3.1创造力和创造过程一培养创造力的条件创造力的培养1)要克服思想僵化和片面性,树立辩证观点。2)要摆脱传统思想的束缚,不盲目相信权威等。3)要消除不健康的心理,如胆怯和自卑。4)要克服妄自尊大的排他意识,注意发挥群体的创造意识等。从过高空悬索看我们自身的心理弱点。从同学到上司。我看文化革命。3.1创造力和创造过程二创造发明过程分析准备阶段——提出问题、搜集材料、定向科学分析等。创造阶段——构思、顿悟和发现等。整理结果阶段——验证、评价和公布等。尺有所短，寸有所长——谈创造发明中的人才任用3.1创造力和创造过程二创造发明过程分析1意念什么是意念及意念的获取方法值得研究？值得改进？也许能实现？顾客需要的不是这个？顾客需要的也许是这个？下属对我的做法不满意？上级对我的工作不满意？同级觉得和我沟通困难？客户对我不满意？客户流失？3.1创造力和创造过程二创造发明过程分析2概念报告（广义的履历表、计划表）概念报告的内容概念报告的修正概念报告的作用3.1创造力和创造过程二创造发明过程分析3可行模型4工程模型5可见模型从可视化到虚拟制造6样品原型7小批生产3.2创造性思维创造性思维和创造技法是创造的核心常规思维的主要特点常规性——即习惯性、通常性单向性——即只向常规的习惯方向思考单一性——即只考虑一种方案、一种思路逻辑性——即通常的逻辑思维范畴等创造性思维的主要特点独特性——即与众不同多向发散性——即立体性思维、多答案非逻辑性——即出人意料连动性——即由此及彼性综合性——创造是多种思维方式的综合,在综合中创新3.2创造性思维一发散思维与收敛思维发散思维是一种让思路向多方向、多数量全面展开的立体型、辐射型的思维方式。收敛思维是指针对由发散思维所提出的各种方案,分别逐一地进行讨论,做出比较、评价和选择,将问题集中到使它获得解决的某一种或某几种方案上,并最终使问题获得解决的思维过程。发散思维和收敛思维都具有它们各自的特点,缺一不可。3.2创造性思维二想像想像是人脑在过去的感知的基础上对所感知的形象进行加工、改造，创建出新形象的过程。是对没有关联的事物经过重新组合、搭配,构成新的有联系的事物的思维过程。消极想像和积极想像再造想像、创造想像和憧憬3.2创造性思维三灵感人们在创造活动中,有时长期冥思苦想,找不出好的办法去解决问题,但在某种情况下却恍然大悟,问题迎刃而解。这种现象称为灵感。灵感具有突发性、目标性、独创性、随机性和瞬时性的特点,是创造性思维中作用巨大的一种思维形式,是创造活动中达到最高阶段出现的一种最富有创造性的心理状态。3.2创造性思维三灵感在长期积累的前提下偶然得之；在有意追求的过程中元意得之；在循常思维的基础上反常得之；在良好的精神状态下怡然得之；在和谐的环境中欣然得之。3.3创造技法一列举法希望列举法电冰箱的冷藏冷冻区域划分缺点列举法单放机的发明故事特性列举法专卖店与超市3.3创造技法二智爆法（集体联想方式）会议要求人员、计划解决的问题确定会议原则创新、聆听、赞赏实施程序气氛、主持人技巧3.3创造技法三提问追溯法5W1HWhen?Where?Who?What?Why?How?二维微位移工作台的工程图设计问题举例3.3创造技法三提问追溯法奥斯本检核表法1)可否将产品的形状、制造方法等加以改变?2)可否另作他用?3)有无其他更佳设想?4)改变一下如何?5)放大如何?6)缩小如何?7)用别的替代如何?8)反之如何?9)组合起来如何?3.3创造技法四反向探求和向前推演法反向探求法对现有的解决方案系统地加以否定或寻找其他的甚至相反的一面,找出新的解法或启发新的想法。向前推演法从一个最初的设想按一定方向逐步向前探索,寻找新的想法。3.3创造技法五联想类推法相似联想法河蚌育珠、牛黄抽象类比法喷气发动机与沙漠中的沙丘借用法、仿生法蜂窝结构3.3创造技法六组合法主体附加手机和收音机异类组合手表和U盘同类组合DVD和VCD分解组合前掠翼飞机单兵飞行器辐射组合——纳米技术坐标组合——北京某肉制品厂的起死回生3.3创造技法七功能分析法八同中求异与异中求同对于熟悉的事物把它看成是“陌生的”清华校训“自强不息，厚德载物”：出自《周易》：“天行健，君子以自强不息”、“地势坤，君子以厚德载物”。哈工大校训“规格严格，功夫到家”：航天人的精神被概括为：特别能吃苦，特别能战斗，特别能攻关，特别能奉献。对陌生的事物持“熟悉的”态度快速虎钳的设计案例第四章机械可靠性设计什么是可靠性可靠性能不能被量化可靠、不可靠；十分可靠、很不可靠；可靠度达到99.99%??可靠性与合格可靠性的代价数据的获取代价产品失效的代价4.1关于机械可靠性设计的几个问题一为什么要研究可靠性的问题由于市场竞争激烈,产品更新快,许多新元件、新材料、新工艺等未及成熟试验就被采用