现代系统设计方法与传统设计方法的比较

现代系统设计方法与传统设计方法的比较1前言在现代社会中，机械已成为人类在生产和生活中广泛使用的主要工具，机械的发展水平与社会的发展水平密切相关，成为衡量社会生产和科学技术发展程度的重要标志之一。机械设计就是以满足人们需求为目的，围绕着开发开发或者改造机械产品而进行的。其任务就是为人们提供机械产品。目前机械设计方法分为传统设计方法和现代设计方法两大类。传统的设计方法是一种以强度和低压控制为中心的安全系数设计、经验设计、类比设计和机电分离设计，也称为常规设计。而现代设计方法则强调创造性，在注重产品整体功能基础上以现代设计方法和计算机技术为工具的机电一体化系统设计。这种设计不但可以大大提高设计质量、精度和效率，而且可以将产品的适应性、经济性、可靠性统一起来。从而高水平、高效率地设计出性能优良、市场欢迎、经济效益显著的新型产品。2现代系统设计方法与传统设计方法的比较2.1机械系统的传统设计方法简介传统设计方法是指经验设计方法和半经验设计方法。在20世纪以前，设计者主要是凭借直觉和经验，以生产的经验数据，运用一些基本的设计计算理论，借助类比、模拟和试凑等设计方法来进行设计。用这种方法设计的机械只能满足基本功能要求、结构的安全系数较大，只能依靠对原型机运行试验进行整机的综合性能分析。但由于试验条件和测试条件差、技术水平低，整机的性能分析很难深入，新产品往往需要经过多次试验和修改才能定型。因此，产品研制周期长，产品的质量低、成本高。在20世纪初至80年代，出现了图样设计，替代了试凑法，从而大大提高了设计效率和质量。此类设计方法称为半经验设计法，其主要特点是：加强了设计基础理论和专业机械设计理论的研究；加强了关键零部件的试验研究，使整机试验趋于完善；加强了零件标准化、部件通用化、产品系列化的研究。但是在设计理论上，对对象的的内在机理的分析仅局限于采用简化模型；在设计方法上，未能将局部与系统、定性与定量、静态与动态等关系辩证地统一起来，使之有很大的局限性；在设计本质上，缺乏创造性思维。在当下社会，随着设计产品的技术系统越来越复杂，技术含量不断提高，产品更新发展速度加快，经验类比的方法已经不能适应市场要求。2.2机械系统现代设计方法简介现代设计方法是现代广义设计个分析科学的方法的简称，其实质是科学方法论在设计中的运用。它是新理论与计算机应用相结合的产物，它是以思维科学、设计理论系统工程为基础，以方法论为手段，以计算机为工具的各种技术和程序的总和。现代设计方法可以做到主动地设计产品的参数，这样既可以缩短产品的设计周期，又可以提高产品的设计质量并降低成本。2.3现代设计方法和传统设计方法对比系统方法手段传统设计静态经验手工现代设计动态科学计算机1)在设计指导思想上，由过去的经验类比方法提高到逻辑的理性的和系统的新设计方法；传统设计面向结构，现代设计则是面向产品的总功能目标。2)在设计对象上，现代设计考虑了人—机—环境的相互协调，更加注重接卸系统全局构成，从而发挥产品的最大潜力或最大可能的提高系统的有效性；传统设计则局限于具体的零件和结构。3)在设计方法上，现代设计采用多元性方法直接综合使其在各种情况下实现方案和全域优化目标，在此过程上广泛的采用CAD、优化设计、可靠性设计、工业艺术造型设计、价值工程和创造性设计等方法，是设计水平有了一个质的飞跃；传统设计则是采用少数的验证性分析以满足限定的约束条件。4)在设计手段上，现代设计则充分采用电子计算机，自动绘图和数据库管理等新技术，大大提高了数据的准确性、稳定性和数据的使用效率，使修改设计变得十分方便，分析工具的改进使设计采用尽可能精确的模型成为可能；传统设计是用计算器、图板、手册的个体手工作业，计算的工作量大，而且不易修改。5)在试验和测试的技术上，采用频谱分析、激光全息摄影和计算机数据处理等先进技术，可对整个机械系统或零部件的性能进行科学的模糊综合评价；传统设计则是采用单向与手册标准为准则。6)在设计工况上，现代设计则研究动态的随即工况、模糊性与其他一系列设计中复杂问题的深化细解；传统设计避开复杂问题，只按确定工况与静态考了。在机械零件的设计过程中，现代设计和传统设计相对比较可见一斑。1）机械零件的可靠性设计零件的可靠性设计是指在规定的时间内、规定的条件下、完成规定功能的能力。可靠性设计的主要特征是将常规设计方法中所涉及的设计变量如材料强度、疲劳寿命、尺寸、应力等,看成服从某种分布的随机变量，然后根据产品的可靠性指标要求，用概率统计的方法得出零部件和元器件的主要结构参数和尺寸。根据概率论的观点，再孤立地讲安全系数是没有意义的，必须和对应的可靠性联系起来。比如：按常规设计方法,安全系数大于1的零件是不应该失效的，事实上，即使零件的安全系数很大，也会发生失效。这种现象从我们常规的设计方法是不能解释的，然而从概率设计的观点来讲是完全合乎规律的。如将引起零件失效的因素统称为“应力”,用S表示,则S可表示为各种失效因素,Si(i=1、2…、n)的函数S=f(s1,s2,…,sn)，同样将零件抵抗失效的因素称为“强度”,用r表示,则r可表示为各种影响强度的因素ri(i=1、2、…、n)的函数r=g(r1,r2,…,rn)。在可靠性设计中，由于应力S和强度r都是随机变量，因此，判断一个零件是否安全可靠，是以强度r大于应力S所发生的概率来表示的，故其设计准则为R(t)=P(rS)≥[R]，式中R(t)表示零件在运行中的安全概率，即可靠度。它是指零件在工作时间t内的一种能力.[R]称为零件的许用可靠度，它表示零件在规定时间内和规定的条件下实现设计要求的一种能力，即许用安全概率。2)机械零件的优化设计按传统的传统设计方法，对绝大多数零件（如齿轮模数、齿数、轮齿宽、螺旋角等参数）所设计的结果尽管在刚度、强度两方面可以满足设计要求，但由于经验性和盲目性，而不能达到最优化结果。优化设计跳出了传统的设计思想，它是以数学规划为理论基础，以计算为工具，在充分考虑多种设计的前提下，寻求满足预定目标的最佳设计方案，从而获得最优的技术经济效果。由于计算量大，在计算机出现前只是推断，近年来该技术有了很快的发展。(4)最优化方法:最优化问题也称数学规划问题,根据数学模型中是否包含约束条件分为无约束优化问题和约束优化问题.常见无约束化方法有：一维搜索法、梯度法、牛顿法、共轭方向法.常见约束优化法有:约束一维搜索、可行方向法、惩罚函数法等。计算机辅助设计(CAD)可把人们的经验、智慧和创造力与计算机高速运算的功能有机地结合起来,，代替近似计算，用计算机绘图代替手工绘图,从而使设计理论和结果日趋完善。3总结由传统设计方法到现代设计方法的转变包括。从定性分析到定量分析，从静态分析到动态分析，从手工计算向自动设计计算,以及从安全性设计向优化设计等转变。但现代设计方法也是在传统设计方法的基础上，不断地吸收现代理论、方法和技术以及相邻学科最新成果儿发展起来的。参考文献[1]侯珍秀.机械系统设计.修订版.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2011.[2]黄雨华，董遇泰.现代机械设计理论和方法.沈阳:东北大学出版社，2001.[3]刘刚，秦体恒.浅谈现代设计方法中的优化设计.河南机专学报，1998年6月第6卷第2期.[4]应锦春.现代设计方法.北京:机械工业出版社,2000.