现代设计理论与方法考前复习

–现代设计理论与与方法是一门基于思维科学，信息科学，系统工程，计算机技术等学科，研究产品设计规律，设计技术和工具，设计实施方法的工程技术科学。可以将它分为三大类型：综合动态优化设计，可视化设计和智能化设计。其体系结构由设计理论基础层，设计工具和支持技术平台层，设计实施技术方法层所组成。–传统设计方法是以经验总结为基础，运用力学和数学模型而形成的经验公式图表设计手册等作为设计的依据，通过经验公式近似系数或类比等方法进行设计。其基本上是一种以静态分析，近似计算，经验设计，手工劳动为特征的设计方法（半理论半经验）–现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，它继承了传统设计的精华，吸收了当代科技成果和计算机技术。与传统设计相比，它则是一种基于知识的，以动态分析，精确计算，优化设计和CAD为特征的设计方法。–优化设计的概念和特点：将工程设计问题轻压为最优化问题，利用数学规划的方法，借助于电子计算机的高速运算和逻辑判断的巨大能力，从满足设计要求的一切可行方案中，按照预定的目标自动寻找最优设计的一种设计方法，包括1）将实际设计问题转化为数学规划问题，既建立数学模型，2）采用适当的最优化方法求解这个数学规划问题，既求解这个数学模型。–系统分析设计方法包括：1）通过对设计过程规律性的研究，制定产品开发的合理程序和设计中的战略思想，2）运用思维科学的研究成果，探讨激发创造力的环境与方法，3）结合设计过程各阶段的需要，探讨各种现代设计理论与方法在实现设计综合优化中相互关系与作用，以及如何运用他们进行最优的结构设计，4)研究评价与决策在设计过程中的作用和工作方法–优化设计方法：就是应用数学中的各种优化理论，在求解过程中不断变化各个设计变量的数值，在满足所有约束条件的前提下，求得使目标函数相对最优的那一组设计变量。–可靠性设计：就是将载荷，材料强度性能和构件的几何尺寸等固有因素都看做属于某种概率分布的统计量，应用概率论与数理统计方法，，计算出在给定条件下构件不发生破坏的概率。–有限元分析法把一个连续体或组合体离散化，既分解成有限数量的小单元体，各单元体在节点处连接，一般以节点位移为基本量，建立起各个节点的弹性力学平衡方程，然后再把他们综合起来，并与外加载荷及边界条件相联系，从而得到该物体各个单元体力学分量（如应力，应变，位移，速度等）的数值解。–反求工程技术是一项综合了三维测量，快速成型等高新技术，在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，按照零件原型，利用各种数字化技术及CAD技术重新构造原形CAD模型的过程。•现代设计理论与方法主要内容：设计理论是对产品设计原理和机理的科学总结，设计方法是使产品满足设计要求以及判断产品是否满足设计原则具体所采用的手段。其主要方法：系统分析设计方法，创造性设计方法，优化设计方法，可靠性设计方法，有限元分析方法，反求工程设计，机械CAD设计（设计方法学优化设计可靠性设计计算机辅助设计动态设计绿色设计相似设计人机工程精度设计）•第二章）系统分析设计方法1)设计一般进程模式（时间维）分产品规划（是产品开发的设计决策，最终目的是明确所设计系统或产品的目的和任务要求，并用设计任务数的形式表达出来，以作为后续设计，评价和决策工作的依据），方案设计（是对产品进行的功能原理设计，产品设计工作核心。方案设计包括产品的功能模块，功能原理求解，方案的综合及评价决策，最后得到一个优化的功能原理方案，并绘制产品的原理方案图或初步从总体方案图），技术设计（任务是功能原理方案具体化，完成产品的总体设计，部件的结构设计，并绘制装配草图），施工设计（主要任务是完成产品制造所需的全部图样和技术文件）•2)解决问题的逻辑步骤（逻辑维）：分析（目的是明确任务的本质要求），综合（在一定条件下对问题探寻解法），评价（是熟练筛选的过程，用科学方法按照评价标准对多方案进行技术经济等的评定与比较，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（在评价的基础上根据已定的目标做出行动的决定，即找到问题的最佳解法）3）设计方法（方法维）指达到预定设计目标的途径功能分析设计法：思路是先从技术系统的输入输出入手，采用抽象化的”黑箱“技术。确定总功能，然后将总共能进行逐级分解直到每一个分功能和功能元都至少有一种实体解答方案与之对应，再将这些得到的实体解答方案进行组合，形成多种原理设计方案，最后通过评价和决策确定最优的原理方案。•评价方法;简单评价法(主要包括点评价法和名次计分法对方案做定性的评价和简单的优劣排序，不反应评价目标的重要性程度和方案的理想程度)，评分法（用分值作为衡量方案优劣的尺度，对方案进行定量评价），技术—经济评价法，模糊评价法（利用模糊数学将模糊信息数值化，在进行定量评价）。•数值迭代的基本原理：根据目标函数的变化规律，以适当步长沿着能使目标函数下降的方向，经过反复迭代逐步向目标函数值的最优点逼近的方法，基本思想是步步逼近，步步下降或步步登高。•有限元求解问题的基本步骤;1)连续体离散化2分析单元特征建立单元刚度矩阵3组成结构和总体刚度方程4确定约束条件，求解方程组5计算单元的内力应力及应变。•创造性思维不是单一的思维形式而是以各种智力和非智力因素（如情感意志理想）为基础，在创造活动中表现出来的具有独创性的，产生新成果的高级，复杂的思维活动。其特点是具有独创性，联动性，多向性，综合性和洞察力。•创造性思维形式;发散思维与集中思维，逻辑思维与非逻辑思维，形象思维与抽象思维。•常用创造技法：1）头脑风暴法（集体激智法）就是通过多人的集体讨论或书面交流，相互启迪，激发灵感，进而引起创造性思维的连锁反应，形成综合创新思路的一种创新方法，核心是激智和“集智”，分为专题会议法，德尔菲法和635法。2)提问追溯法:通过对问题进行分析和推理来扩展思路，或将复杂的问题加以分解，找到各种影响因素，从而找到问题的解决方案。基本方法有奥斯本提问法，阿诺尔特提问法，5W—1H提问法。3）联想类比法：通过启发联想类比综合等手段，创造出新的想法，它可分为：联想发明法，类比发明法，仿生法和综摄法。•可靠性：指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。•可靠性特点：1）认为机器的工作过程是一个随机的工作过程，作用在零部件上的载荷和材料性能都不是定值，而是随机变量，具有明显的离散性质，在数学上必须用分布函数来描述，并用概率统计的方法来求解，2）可靠性设计法认为所设计的任何产品都存在一定的失效可能性，并且可以定量的回答产品在工作中的可靠程度，从而弥补了常规设计的不足。•可靠性设计常用的分布函数：正态分布，对数正态分布，指数分布，威布尔分布•TRIZ;是基于知识的，面向人的发明问题解决系统化方法学。主要内容：1创新思维方法与问题分析方法，2技术系统进化法则，3技术矛盾解决原理，4创新问题标准解法，5发明问题解决算法ARIZ，6基于物理化学几何学等工程原理而构建的知识库。核心思想：1)无论是一个简单产品还是一个复杂的技术系统，其核心技术的发展都是遵循着客观的规律发展演变的，既具有可观的规律和进化模式，2）各种技术难题冲突和矛盾的不断解决是推动这种进化过程的动力。3）技术系统发展的理想状态是由尽量少的资源，实现尽量多的功能。•反求工程；起源于20世纪60年代，是一门迅速发展起来的新技术，是一种基于逆向推理的设计，是对国内外现有同类产品进行“引进，消化，吸收”的过程形成的一系列分析方法和技术的有机集成，是一种符合我国国情的重要使用设计方法。其特点是：有利于系列化设计，新产品设计具有创新性，快速响应技术，成本低风险小，适合于单件小批量的制造。•反求工程是先进的消化吸收技术的一系列分析方法与应用技术的有机结合，是以当代先进产品设备的实物，软件（图纸程序技术文件等）或影像（图片照片等）为研究对象，应用先进的现代数据测量技术，现代设计方法学原理，计算机图形学等有关专业知识进行系统的，深入的分析和研究，获取设计对象的形态，技术方案，工作原理，结构，功能。探索掌握其关键技术，最终开发出比样本更为先进的产品，•与传统的产品正向工程过程相反，反求工程通过现有样件进行产品开发，重点研究现有的系统或产品，力求掌握其核心技术，通过适当手段进行仿制，按预想效果进行改进并最终超越现有产品或系统的设计过程。•现代设计理论与方法是一门基于思维科学，信息科学，系统工程，计算机技术等学科，研究产品设计规律，设计技术和工具，设计实施方法的工程技术科学•现代设计理论与方法的主要特点体现在：最优化，数字化，智能化，系统性，创新性和网络化。•从对设计含义的理解出发，设计活动具有需求特征，创造性特征，程序特征和时代特征。•设计经理了四个阶段：直觉设计阶段，经验设计阶段，半理论半经验设计阶段和现代设计阶段。•现代产品设计按其创新程度可分为开发性设计，适应性设计，变形设计。一般来说，产品开发要经历功能原理设计，实用化设计，商品化设计3个重要阶段•创造技法主要有:集思广益法，提问追溯法，联想类比法。•优化设计的数学模型由设计变量，目标函数和约束条件组成。设计变量的个数称为优化设计的维数，约束条件根据形式不同可分为不等式约束和等式约束，根据性质可分为边界约束和性能约束。满足所有约束条件的设计点的集合称为可行域•优化问题可分为不同类别。根据设计问题中有无约束可分为无约束优化问题和约束优化问题；根据目标函数和约束函数的性质，优化问题又分为线性规划问题和费线性规划问题；根据目标函数个数的不同，优化问题又可分为单目优化问题和多目优化问题。•数值迭代的终止准则:点距准则，函数值下降准则，梯度准则。•梯度方向是函数值增长最快的方向，成为最快上升方向，负梯度方向是函数值下降最快的方向，成为最快下降方向。梯度方向与过点X（0）的等直线的切线方向垂直（正交）•无约束优化方法可分为直接法和间接法；间接法又称为解析法，直接法则是只需计算函数值确定迭代方向，常用的间接法有：梯度法，牛顿法，共轭方向法和变尺度法，常用的直接法有鲍威尔法和坐标轮换法。•约束优化方法可分为直接法和间接法，其常用方法有复合形法，可行方向法，拉格朗日乘子法，其中前两种属于直接法，后两种属于间接法•梯度法的基本思想是以迭代点的负梯度方向作为多次迭代的搜索方向，直至找到极心点。•可靠性设计的常用指标：1）可靠度R（t），2）不可靠度或失效概率F（t）,3)失效概率密度函数，4）失效率或故障率，5）平均寿命T•反求工程根据内容分为;设计反求，工艺反求，材料反求和管理反求。根据反求对象的不同可分为实物反求，影像反求，软件反求和局部反求四种类型。