现代设计理论-绪论

现代设计理论教材：现代设计理论成绩：70%+30%参考书：1.陈屹.现代设计方法及其应用.国防工业版2.钟志华.现代设计方法.华中理工版3.编委会.中国机械设计大典(第1卷).江西科技版4.陶驰东.机械优化设计基础.矿大版5.杜平安.有限元法-原理、建模及应用.国防工业版6.刘惟信.机械可靠性设计.清华版§1-1现代设计方法概述一、设计在有限的时空范围内、在特定的物质技术条件下，人类为满足一定的需求而进行的一种创造性思维活动的实践过程。设计是从给定的合理的目标参数出发，通过各种方法和手段创造出一个所需求的优化系统或拟订把某些人工制品组装起来的方案，或是对人工制品提出改进的措施，以便最佳地(在给定的约束条件下)满足人们某些特殊的需求。设计过程：1)产品规划阶段明确设计任务就是决策开发新产品，为新技术系统设定技术过程和边界§1-1现代设计方法概述2)原理方案设计阶段新产品的功能原理设计。用系统化设计将确定的新产品功能按层次分解为分功能直到功能元。经过必要的原理试验，通过决策评价，寻求其中的最优解即新产品的原理方案图。3)技术设计阶段把新产品的最优原理方案具体化。首先总体设计，按照人—机—环境—社会要求，对产品各部分的位置、运动、控制等进行总体布局，然后经过结构设计(材料、尺寸等)和造型设计(美感、宜人性等)得到若干结构方案和外观方案。经过试验和评价，得到最优结构方案和最优造型方案，得出结构设计技术文件、总体布置草图、结构装配草图和造型设计技术文件、总体效果草图、外观构思模型。4)施工设计阶段把技术设计的结果变成施工的技术文件。完成零件工作图、部件装配图、造型效果图、设计和使用说明书、工艺文件等。§1-1现代设计方法概述“七事一贯制”设计方法——实验、研究、设计、制造、安装、使用、维修。传统设计：经验设计，半理论半经验设计。电子技术、计算机技术、网络技术的迅猛发展，信息时代的来临，市场竞争的需要和新方法、新技术、新工艺、新材料的不断涌现——现代设计。二、现代设计特征3)设计方法的发展有限元分析、优化、模态分析；并行设计、虚拟设计、计算机仿真等。1)设计手段的更新传统设计效率低；现代设计无纸设计。2)产品表示的改变传统设计二维表示，现代设计“产品模型”(ProductModel)三维4)工作方式的变化传统设计过程采用串行方式；现代设计过程并行设计。§1-1现代设计方法概述§1-1现代设计方法概述5)设计与制造一体化计算机内产品模型直接进入计算机辅助工艺设计(ComputerAidedProcessPlanning)系统进行工艺规划和NC编程，进而加工代码可直接传入NC机床、加工中心进行加工。6)管理水平的提高数据库技术的发展改变传统的手工管理模式管理信息系统(ManagementInformationSystem，MIS)、产品数据管理(ProductDataManagement，PDM)系统应用提高了设计的管理水平，保证了设计过程的高效、协同和安全。§1-1现代设计方法概述7)组织模式的开放网络技术发展局限于企业内部的封闭设计正在变为不受行政隶属关系约束的、多企业共同参与的异地设计。三、现代设计原则设计产品应满足要求的条件，也是对设计行为的约束。现代设计原则是传统设计原则的扩充和完善。1)功能满足原则产品设计目的:构造能够实现规定功能的产品(1)性能指标指产品的各类技术指标，如机床加工精度、传动系统运动精度，电视机分辨力等。(2)可靠性指产品在规定的条件和规定时间内完成规定功能的能力。(3)强度原则要求产品零件具有抵抗整体断裂、塑性变形和某些表面损伤的能力。(4)刚度原则要求外载作用下产品变形在规定的弹性变形内。(5)稳定性指产品在外载作用下能够恢复其平衡的特性。2)质量保障原则产品质量主要由性能和可靠性决定。§1-1现代设计方法概述§1-1现代设计方法概述(6)抗磨损性要求零件在规定时间内材料的磨损量在规定值以内。(7)抗腐蚀性要求产品在恶劣环境下不被周围介质侵蚀的特征。(8)抗蠕变性要求高温环境工作的产品不发生蠕变或蠕变变形在规定值以内。(9)动态特性指在动载荷作用下产品具有良好的抗振特性，以保证产品的平稳和低噪声运行。(10)平衡特性指旋转产品具有良好的静平衡和动平衡特性。(11)热特性保证产品具有要求的温度大小、温度分布和热流状态，以及热应力、热变形在规定值以内。§1-1现代设计方法概述3)工艺优良原则指设计能够且容易通过生产过程实现，包括：(1)可制造性(2)可装配性(3)可测试性4)经济合理原则要求产品具有较低的开发成本和使用费用。5)社会使用原则考虑产品投放市场后的表现行为，包括：(1)环境友好性；(2)环境适应性；(3)人机友好性；(4)可维修性；(5)安全性；(6)可安装性；(7)可拆卸性；(8)可回收性。§1-1现代设计方法概述四、部分现代设计方法优化设计，有限元法，可靠性设计创新设计快速响应设计智能设计全寿命周期设计虚拟设计并行设计面向制造的设计绿色设计§1-1现代设计方法概述一、动态设计目的：按照机械动态特性的要求对机械设备或结构(图形)进行审核、修改或重新设计。方法：对满足传统工作性能要求的初步设计图样或实物进行动力学建模，按此模型得到机械的动态特性，然后对初步设计进行审核，或按给定的动态特性对原设计进行修改，或预测机械结构的改变引起的机械动态特性的变化建模方法：理论建模和实验建模。前者按机械结构形状不同采用不同的技巧，如有限元法或传递矩阵法；后者是针对机械实物或模型进行模态实验、分析，建立模态模型。§1-1现代设计方法概述二、反求工程设计反求工程次序首先是进行反求分析，针对反求对象的不同形式——实物、软件或影象，采用不同的方法。实物反求，可用实测手段获得所需参数和性能、材料、尺寸等。软件如图样可直接分析产品和各部件的尺寸、结构和材料，但掌握使用性能和工艺，则要通过试制和试验。影象可用透视法与解析法求出主要尺寸间的大小相对关系，用机器与人或已知参照物对比，求出几个绝对尺寸，推算其它尺寸。材料和工艺等都需通过试制和试验才能解决。§1-1现代设计方法概述§1-1现代设计方法概述三、工业产品造型设计用艺术手段按照美学法则对工业产品进行造型，使产品在保证使用功能的前提下，具有美的、富有表现力的审美特性。造型设计三要素：使用功能产品造型的出发点和产品赖以生存的主要因素，艺术形象产品造型的主要成果，物质技术条件产品功能和外观质量的物质基础。造型设计遵循原则：体现高新科技水平的功能美，符合三化的规范美，体现先进加工技术的工艺美，表达各造型因素整体协调统一的和谐美，追求时代精神的新颖美，体现色光新成就的色彩美等。造型设计要有机地运用统一与变化、比例与尺度、均衡与稳定、节奏与韵律等美学法则，设计出物质功能与精神功能高度统一的创新产品。§1-1现代设计方法概述四、价值工程从产品功能研究开始，对产品进行设计，或重新审查设计图样文件，剔除那些与用户要求的功能无关的材料、结构、零部件，代以更新的构思，设计出功能相同而成本更低的产品。价值指事物的用途或积极作用。产品成本是产品各项生产费用的总和。价值=功能/成本。价值工程设计的基本步骤：了解设计对象，明确要求的功能，分析成本的组成，进行价值初评，制定改进方案，获得价值最高的产品。§1-1现代设计方法概述六、相似设计(模化设计)广东国际大厦，1:70模型(有机玻璃)63层，200.18m(广东国际大酒店主楼)三峡工程风洞、水洞试验五、模块化设计具有一定功能和特定结合要素的零、组/部件组成模块，模块组成不同功能的产品。不设调压室特殊尾水系统研究向家坝水电站右岸地下厂房设4台单机容量75万kW机组，水道长390m～700m→须设置尾水调压室。如开挖大规模调压室，对调压室自身乃至整个地下厂房洞室群的围岩稳定将带来不利影响。不设尾水调压室，国内做过研究论证，但尚无工程实践，类似向家坝水电站工程中的应用国内外没有先例。研究：理论分析计算：中南勘测设计研究院、清华大学、武汉大学、河海大学、水利水电规划设计总院进行数值分析，对各家成果进行对比分析，提出计算成果。物理模型试验：武汉大学进行水、机、电三位一体水力过渡过程物理模型试验，提出试验报告。已建工程调研：实地调研越南和平电站。§1-2设计中的系统科学方法一、系统论系统论以系统为对象，考察和研究其整体与部分之间相互作用和相互制约的关系，并采用最优化方法求得系统的最佳结果。系统共同特征：由若干部分以一定的结构相互联系而成的有机整体；相互联系的整体可以分解为若干基本部分；整体具有目的性。系统工程的理论基础是运筹学和数学、计算机科学和计算技术。建立系统模型，通过计算机运算模拟→获取最佳方案，求得系统整体的最优规划、最优管理和最优控制。二、设计方法学研究内容：(1)研究设计过程，各阶段任务与特点，寻求符合设计规律的设计程序。(2)研究设计中解决问题的合理步骤和应遵循原则。(3)分析设计中的思维规律，研究设计人员科学的创造性的思维方法和技术。(4)研究各种类型设计(如开发型设计、变型设计、反求设计等)的特点以及系统工程、创造工程、价值工程、优化工程、可靠性工程、相似工程、人机工程、工业美学等现代设计理论与方法在设计中的应用。§1-2设计中的系统科学方法设计方法学研究内容：(5)研究设计信息库(设计目录)的建立和应用(如科学技术原理、技术成果、专利等信息的表达与储存——知识库；操作、程序、方法的合理表达与储存——方法库等)。(6)研究设计步骤、理论、方法如何结合计算机等工具的运用，进一步促进设计自动化的实现。三、设计系统信息处理系统，输入设计要求和约束条件信息，设计者运用知识和方法通过计算机、试验设备等进行设计，输出方案、图纸、程序、文件等设计结果。§1-2设计中的系统科学方法§1-2设计中的系统科学方法从系统工程观点分析，设计系统是由时间维、逻辑维和方法维组成的三维系统。时间维是指设计过程的各工作阶段；产品设计过程四阶段：产品规划阶段、原理方案设计阶段、、技术设计阶段和施工设计阶段。逻辑维是指解决问题的逻辑步骤；方法维是指列出设计过程中的思维方法和工作方法。设计过程中的每一个行为都反映为这个三维空间中的一个点。§1-2设计中的系统科学方法解决问题逻辑步骤：分析一综合一评价一决策。分析的目的是明确任务的本质要求；综合是在一定条件下对问题(未知系统)探寻解法，可采取抽象、发散、搜索等方法，寻求尽可能多的创造性解法，在多解的基础上找到较理想的最佳解；评价是收敛、筛选的过程，用科学的方法按评价准则对多种方案进行技术经济评定和比较，同时针对方案的弱点进行调整和优化，直至得到比较满意的结果；决策是在评价的基础上对已定的目标找出问题的最佳解法。§1-3系统建模模型是描述现实系统及其过程某一方面的本质属性，是对研究对象的一种抽象描述。模型可将复杂的问题简化为易于处理的形式，同时用简便的方式，在决策之前预测出它的结果。常用模型：实物模型、模拟模型、图式模型和数学模型。数学模型是用代数方程、差分方程、微分方程、逻辑表达式等数学形式描述系统行为的模型。从对象系统的特性角度，数学模型分：静态模型和动态模型；确定性模型和随机性模型；线性模型和非线性模型；连续时间模型和离散时间模型；微观模型和宏观模型。§1-3系统建模建模注意：(1)明确目的研究目的不同，建立模型不同。设计飞机，研究飞行性能，选择适于流体力学计算的外形；研究结构强度，选择适于结构力学计算的模型。(2)确定组成要素确定对象系统模型中的最小单位的组成要素，使之与研究目的相一致。模型精度和模型简单程度互为矛盾。(3)验证模型模型必须高精度地满足各种试验数据。当验证结果不理想时，要重新探讨建模时确定的假设和假说，修改模型中采纳的组成要素和模型结构，调整模型参数，修正模型。