现代设计方法学综述 868

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1、现代设计方法学综述 摘要 现代设计方法已经成为一个新的技术领域。经阅读文献 本文从现代设计方法的基本定义出发 通过与传统机械设计方法的对比 阐述现代设计方法的特点及主要内容 特别是该方法体现的先进性,接着立足于其现状 展望其发展趋势。 关键字 现代设计方法 设计思想 传统机械设计方法 主要内容 趋势 0 引言 目前 随着科学技术的迅猛发展和计算机技术的广泛应用 市场竞争愈演愈烈 而且市场竞争已是国际化的、动态化的和多元化的。当前, 我国国民经济各部门也迫切需要质量好、效率高、消耗低、价格便宜的先进的机电产品,而产品设计是决定产品性能、质量、水平和经济效益的重要环节。传统的机电产品设计是一种以强

2、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,也称常规设计。而现代机电产品设计方法则是强调创造性 以电子计算机为手段, 运用工程设计的新理论和新方法, 使计算结果达到最优化, 使设计过程实现高效化和自动化。因此, 运用现代设计方法可以适应市场剧烈竞争的需要, 提高设计质量和缩短设计周期。 1 现代设计方法的定义及设计思想 1. 1 现代设计方法的涵义 现代设计方法 Modern Design Technigue 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方案、图样和程序的总和。 对此定义作出以下解释:

3、1 迄今为止, 尚未阅读或检索到有明确给出过现代设计方法的定义, 尽管这种叫法、书名有很多, 或偶尔见到有对现代设计方法( 技术)作过某种解释, 但很难视之为对这一概念的定义。 2 虽有文献报道 , 在机械设计理论、设计技术等方面出现的新领域中, 已有设计方法学- 是研究科学的设计思想、设计步骤和设计组织等的方法 及设计系统学- 是研究对于同一问题所能取得几种设计方案的科学方法, 可也未提到现代设计方法。 3 于是, 借助于各种字词典, 对现代设计方法做出上述定义寻找依据: 现代 是个泊来词 是指现在这个时代(中国多指 1919 年至现在)。 设计 为了满足人类和社会的功能需求 将预定的目标通

4、过人们创造型思维 经过一系列规划、分析和决策 产生载有相应的文字、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。 方法 多指解决问题的门路、程序等。如工作方法、思想方法。综合以上解释, 加之考量现代设计方法领域的实际, 成为定义现代设计方法依据。基于以上依据而给出上述现代设计方法的这个定义, 只是个人认识, 不一定完全正确, 也不一定十分科学, 仅供参考, 并请大家讨论。 1.2 现代设计方法的设计思想 科学技术发展的历史和实际表明, 机械工业是科学技术物化为生产力的重要载体。在以前的工业革命尤其是现在的工业化过程中, 机械与电子、信息、冶金、电力、化工、轻工、建筑等诸多领域科技成

5、果的有机结合, 为国民经济的发展和人们生活质量的提高不断地提供了先进设备、器械和用品。科学技术成果要转变为有竞争力的新产品, 设计起着关键性的作用。现代机械设计以理论计算为设计主题 最本质的工作是从无到有创造出一部机器以满足我们的要求 由设计分析和设计综合共同构成贯穿整个设计过程的始终。也就是说, 机械设计问题是一个决定机械产品一序列的技术、经济及社会环境效果的问题。 2 现代设计方法与传统设计方法的比较 2.1 传统机械设计方法 在传统设计理论发展时期 由于受机械生产水平的制约、客观条件的限制以及当时计算手段的局限等一系列原因, 人们的思维还未被充分开发。同时 社会对机械生产的要求不象今天这

6、样向高速、高效、精密、轻量化、自动化方向发展, 机械系统和产品结构也不象今天这样日趋复杂。传统设计在进行理论分析时, 基于其观念的制约和所确定的力学数学模型的需要, 常将复杂的具体问题作了一些等效处理,使理论分析的目的性和问题的本质更加明确, 也使分析的过程得到简化。 2.1.1 传统设计方式方法分类 1 理论设计 根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计称为理论设计。如对简单受拉杆的强度设计 设计强度计算式 lim / s 或 F/ A lim / s 式中 F :作用在杆上的外载荷 A :拉杆的横截面积 lim :拉杆材料的极限应力 S :安全系数 可以利用上面公式直接求解杆件必须

7、的横截面积,也可以按其他方法先初步设计杆件的横截面尺寸,然后用强度计算公式去校核.由于实际情况复杂多变, 若安全系数选择过大,则产品傻、大、粗. 若安全系数过小, 则很难保证安全性。 2 经验设计 根据某类零件已有的设计方法与经验关系式, 或根据设计者个人的工作经验用类比办法所进行的设计叫经验设计。 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,经验类比的设计方法已不能满足市场需要。 2.2 现代设计方法 1) 系统性: 现代设计技术是逻辑系统的设计技术, 强调用系统工程处理技术系统问题。设计时应分析各部分的有机关系, 力求系统整体最优。同时考虑技术系统与外界的联

8、系, 即人- 机- 环境的大系统关系。 2) 创造性 : 突出人的创造性, 发挥集体智慧 , 力求探寻更多突破性方案, 开发创新产品。 3) 社会性: 现代设计开发新产品的整个过程 , 从产品的概念形成到报废处理的全生命周期的所有问题, 都要以面向社会、面向市场为指导思想全面考虑解决。4) 宜人性: 现代设计强调产品内在质量的实用性、外观质量的美观性、艺术性、时代性, 在保证产品功能的前提下, 要求对用户产生新颖、舒畅等精神功能。5) 动态化: 现代设计在静态分析的基础上, 考虑载荷谱、负载率等随机变量 , 进行动态多变量最优化。 6) 最优化: 现代设计重视综合集成 , 在性能、技术、经济、

9、制造工艺、使用、环境等各种约束条件下, 和广泛的学科领域之间, 通过计算机以高效率综合集成最新科技成果, 寻求最优方案和参数。 7) 数字化 产品在其生命周期内的数字化建模是现代设计方法的核心技术之一。它应包括全局产品信息的数字化定义、将产品信息自动数字化的广义计算机辅助工具的选用以及通过计算机对产品开发与生产全过程中大数字化信息所进行的全面管理与控制即产品数据管理等三方面的内容。 8 计算机化: 现代设计广泛使用计算机使设计、计算、绘图、制造、改进一体化, 日新月异的功能强大的软件使设计工作面貌不断更新, 能够包容的影响设计的因素日益增多, 大大提高了设计的精度、稳定性和效率, 修改设计极为

10、方便。 9 集成化。包括以信息集成为基础实现产品开发过程的集成和复杂产品开发涉及领域间的集成。现代设计系统已不再是单纯的、或系统, 以并行工程、多设计领域集成为代表的计算机集成制造系统巧将成为企业产品设计自动化的发展方向。 3 现代设计方法的主要内容 1) 可靠性设计 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。 2) 机械系统设计 系统的观点, 研究内外系统和各子系统之间的相互关系, 通过各子系统的协调工作, 取长补短来实现整个系统最佳的总功能。 3) 优化设计 把最优化数学原理应用与工程设计问题, 在所有可行方案中

11、寻求最佳设计方案的一种现代设计方法。进行工程设计时, 首先要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寻优求解, 得到工程设计问题的最优设计方案。 4) 有限元法 以电子计算机为工具的一种现代数值计算方法。它不仅能用于工程中复杂的非线行问题、非稳态问题的求解, 还可用于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。 5) 计算机辅助设计 利用计算机运算快速准确、存储量大、逻辑判断功能强等特点进行设计信息处理, 并通过人机交互作用完成设计工作的一种设计方法。

12、 6) 反求工程设计 通过实物或技术资料对已有的先进产品进行分析、解剖、试验, 了解其材料、组成、结构、性能、功能, 掌握其工艺原理和工作机理, 以进行消化仿制、改进或发展、创造新产品的一种方法和技术。 7) 机械动态设计 根据产品的动载工况, 以及对产品提出的动态性能要求与设计准则, 按动力学方法进行分析计算、优化与试验、并反复进行的一种设计方法。 8) 工业艺术造型设计 在保证产品实用功能的前提下, 用艺术手段按照美学法则对工业产品进行造型活动, 对工业产品的结构尺寸、体面形态、色彩、材质、线条、装饰及人际关系等因素进行有机的综合处理, 从而设计出优质美观的产品造型。 9) 价值分析 是以

13、产品功能分析为核心, 以开发创造性为基础, 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种设计方法。 10) 模块化设计 对在一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的机械产品进行功能分析的基础上, 划分并设计出一系列功能模块, 然后通过模块的选择和组合构成不同产品的一种设计方法。 11) 人机学设计 机工程学的角度考虑机械设计、处理机械和人的关系 , 以便使设计满足人的需要。 4 现代设计方法的发展趋势 人们随着对客观世界的认识深化和生活水平的提高, 对产品的要求也愈来愈高。因此 不断的改进设计理念, 使用先进设计制造技术, 提高产品质量, 降低成本, 提高生产率,

14、 生产出符合用户需求的高科技产品, 这也是现代设计技术的发展方向。 具体表现为以下几个方面: 1) 设计对象由单机走向系统 2) 设计要求由单目标走向多目标 3) 设计所涉及的领域由单一领域走向多个领域 4) 承担设计工作的人员从单人走向小组,使人们从设计过程数字化中逐步确立主动地位, 激发主动创造性 5) 产品更新度加快, 使设计周期缩短 6) 产品设计由自由发展走向有计划的发展 7) 设计的发展要适应科学技术的发展, 特别是适应计算机技术的发展。这就是说, 现代产品的设计, 除了要求考虑技术方面的因素外, 它还要求设计者应将产品- 人- 环境- 社会视为一个完整的系统。设计时, 必须从系统

15、角度来全面考虑各方面的问题。既要考虑产品本身, 还要考虑对系统和环境的影响 不仅要考虑技术领域, 还要考虑经济、社会效益 不但考虑当前, 还需考虑长远发展。现代设计方法将会是各学科群之间的相互交叉渗透, 愈益频繁的一门综合性学科, 涉及的内容十分广泛, 而且随着科学技术的飞速发展, 必将还会有许多新的设计方法不断涌现。 参考文献 1 赵松年, 佟杰新, 卢秀春. 现代设计方法 M . 北京: 机械工业出版社, 1999. 2 孙新民. 现代设计方法实用教程M . 人民邮电出版社, 1999. 3 张鄂. 现代设计方法 M . 陕西: 西安交通大学出版社, 1999. 4 刘维信. 机械零件的可靠性优化设计M . 北京: 中国科技出版社,1993. 5 刘静香, 张春梅. 现代设计方法的研究现状与发展趋势J. 河南机电高等专科学校学报, 2003( 6) : 60 - 61. 6 王金星. 现代设计技术发展研究D . 合肥: 合肥工业大学,2000. 7 王万新, 王会. 现代设计方法和传统机械设计的比较J. 德州学院学报, 2002 (12) : 101 - 103. 8 茅顺仙, 于伟滨. 数字化现代设计J . 现代机械, 2004 (1) : 65 -68. 9 刘惟信.机械可靠性设计M.北京:清华大学出版社,1998 10 黄纯颖.设计方法学M.北京:机械工业出版社,199