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1、第2章 机械现代设计 与创新设计,2.2 创新设计,2.1 现代设计的概念,2.1 现代设计方法,2.1.1 现代设计的概念 2.1.1.1 设计 人类在改造自然的历史长河中，一直都在不断地进行设计活动。设计是复杂的思维过程，设计过程蕴涵着创新和发明的机会。设计是根据客观的需求，提高人们的创造性思维，将指定的任务转化为满足该任务要求的技术系统的一种活动。设计不仅只是围绕产品图纸和有关文件进行的一系列工作，其目的是将预定的目标，经过一系列规划与分析决策，产生一定的信息（文字、数据、图形），形成设计。设计是把各种先进技术转化为生产力的一种手段，是先进生产力的代表，反映了社会的生产力水平。,2.1.
2、1.2 传统设计与现代设计 传统设计即常规设计，传统设计分为初步设计、技术设计、施工设计三个步骤。传统设计往往采用类比法、经验法、模仿法，它的思维方式是收敛式思维，多是利用设计手册中有关数据，采用较大安全系数，强调零部件计算。传统设计法的优点是比较简单，设计费用低廉。传统设计面向的问题偏重于技术。 现代设计是将传统设计中的经验、类比法设计提高到逻辑的、理性的、系统的新设计方法，是在静态分析的基础上，进行动态多变量的最优化。现代设计既体现了更高层次的学科，又是方法科学。,现代设计主要面向功能目标，将技术、经济和社会环境因素结合在一起统筹考虑，把设计作为系统工程对待，强调创造能力的开发，注重综合分
3、析的设计，重视设计方案的选择，考虑对多种方案的评价，其思维方式是发散型的思维。现代设计是学科综合化、统一化在方法科学上的一次突破，它是一门新兴的交叉学科。现代设计与传统设计比较，有下列几个特征： （1）系统性。把设计对象看作一个系统，同时考虑系统与外界的联系，用系统工程概念进行分析和综合，通过功能分析、系统综合等方法，力求系统整体最优，使人机之间的功能相互协调。 （2）创造性。现代设计强调创造能力开发和充分发挥人的创造性；重视原理方案的设计、开发和创新产品。只有创新才能有所发明。但是，今天的科学技术已经高度发展，创新往往是在已有技术基础上的综合。有的新产品是根据别人的研究实验结果而设计，有的是
4、博采众长，加以巧妙地组合。,（3）综合性。在设计过程中，综合考虑、分析市场需求、设计、生产、管理、使用、销售等各方面的因素；综合运用优化及系统工程、可靠性理论、价值工程、技术等学科的知识，探索多种解决设计问题的科学途径。 （4）程式性。研究设计的一般进程，包括一般设计战略和用于设计各个具体部分的战术方法。要求设计者从产品规划、方案设计、技术设计、施工设计到实验、试制，按步骤有计划地进行设计。,2.1.2 现代设计方法的特点和范畴 现代设计方法是现代广义设计和分析科学方法学的简称，现代设计方法实质上是科学方法论在设计中的应用。冠以“现代”二字是为了强调以引起重视，其实有些方法也并非是现代的。经分
5、析，可归纳为下列具有普遍意义的方法： （1）信息论方法，如信息分析法，技术预测法等，它们是现代设计方法的前提。 （2）系统论方法，如系统分析法，人机工程等。 （3）控制论方法，如动态分析法等。 （4）优化论方法，如优化设计等，它是现代设计法的目标。 （5）对应论方法，如相似设计等。 （6）智能论方法，如计算机辅助设计、计算机辅助计算等。,（7）寿命论方法，如可靠性和价值工程等。 （8）离散论方法，如有限元及边界元方法等。 （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，它是现代设计法的基础。 （11）艺术论方法，如艺术造型等。,CAD等许多专题的培训班和讨论会，并在
6、高校开设有关现代设计方法等专题课程。德国、瑞士的学者比较重视设计程序的研究：明确设计任务，对设计任务进行抽象化的功能分析和求解（设计目录），将开发新产品的内容要求转化为产品图纸。这种方法思路清晰。 英国自1963年开始提出工程设计思想后，广泛开展设计竞赛，加强设计过程中的创造性开发和技术可行性、可靠性、价值分析方面的研究，从而改变了设计水平低的局面。 日本自1960年以来开始有关现代设计方法的研究，提高设计人员素质，开展工程技术教育。现在日本在产品开发中的更新速度受到全世界的关注，其产品的竞争能力已给许多国家造成巨大威胁。,美国的学者强调“创造性设计”，提倡设计中创造能力的开发，把设计活动分为
7、创造分析决策三个步骤。在美国的设计工作中,产品设计图纸基本上由计算机绘制，设计者可以摆脱常规的技术工作，集中精力进行创造性设计。我国对现代设计方法的研究是从上世纪80年代开始的，通过派留学生到国外进修学习和请国外专家来讲学，组织各种类型的讲习班，培训班、开展国内外学术交流等，来推广和普及现代设计的基本知识。由于世界各国对设计方法的研究越来越重视，目前已成为一项国际性学术活动。有关国家组织了关于现代设计方法的国际会议，比如国际工程设计会议（ICED）就是其中之一。,2.1.4 现代设计方法简介 2.1.4.1 优化设计 优化设计是现代设计方法的重要内容之一，它以数学规划为理论基础，以电子计算机为
8、工具，在充分考虑各种设计约束的前提下，寻求满足某些预定目标的最优设计方案。优化设计建立在最优化数学理论和现代计算技术基础之上，其任务是应用计算机自动确定工程设计的最优方案。优化设计的关键是建立数学模型和选择优化方法。,（1）优化设计的数学模型 设计变量、目标函数和约束条件是优化设计数学模型的三个要素。 设计变量 设计变量是一些相互独立的基本参数。基本参数是一些对该项设计性能指标好坏有影响的量。设计时，设计变量是待定的参数。若有n个设计变量，一般表示为： X=x1,x2,.,xnT 目标函数 目标函数是设计变量的函数，即 f(X)=f(x1,x2,.,xn) 在设计过程中要求寻找出使目标函数取得
9、极小值（或极大值）的设计方案。,约束条件 约束条件是对设计变量的取值给予某些限制的数学关系式。约束条件可分为边界约束和性能约束两类。边界约束是考虑设计变量的取值范围，而性能约束是由某种性能设计要求推导出来的一种约束条件。此外，约束条件又可分为等式约束和不等式约束两类。工程中实际优化问题的数学模型可表示为： 求X=x1,x2,.,xnT，使 minf(X)=f(x1,x2,.,xn) XRn s.t. gi(X)0 (i=1,2,p) hj(X)=0 (j=1,2,q),（2）优化方法 优化设计数学模型建立后，必须应用优化方法进行求解，工程优化设计对数学模型的求解均用数值计算方法，其基本思想是搜
10、索、迭代和逼近。即求解时，从某一初始点出发，利用函数在某一局部区域的性质和信息，确定每一迭代步骤的搜索方向和步长，去寻找新的迭代点，这样一步一步地重复数值计算，用改进后的新设计点替代老设计点，逐步改进目标函数，并最终逼近极值点。 我国现已开发了先进的OPB优化方法程序库和常用机械零部件及机构优化设计程序库，为推广和普及优化设计创造了条件。,2.1.4.2 变型产品设计 为了满足使用者的不同要求，可在原有产品基础上进行变型产品的开发，使零件标准化、部件通用化、产品系列化。 变型产品系列包括：纵系列产品（其功能、原理、结构相同，而尺寸、性能参数不同) ,横系列产品（在基型产品基础上扩展功能的变型产
11、品）和跨系列产品（具有相近动力参数的不同类型产品）。 纵系列产品设计也称相似系列产品设计，是在基型产品的基础上利用相似理论求各扩展型产品的尺寸和参数。基型产品一般选在系列产品的中档，为常用型号。,系列产品是指具有相同功能、相同结构方案，相同或相似加工工艺，且各产品相应的尺寸参数及性能指标具有一定级差（公比）的产品。 在系列产品设计中，一般有两种造型原理：几何级数的几何相似产品系列和几何级数的半相似产品系列。相似系列产品设计的步骤依次是基型设计、确定相似类型、定各尺寸、参数级差（相似比），求各扩展型产品尺寸参数及确定全系列产品结构尺寸等。,2.1.4.3 价值工程设计 设计的目标是在满足功能需求
12、的前提下，提高产品的价值。价值是产品功能与成本的综合反映，即 式中，V产品的价值（实用价值）； F产品具有的功能； C实现该功能所耗费的成本。,在第二次世界大战后，美国开展了关于价值分析和价值工程的研究，发现了顾客所需要的不是产品的本身而是其功能。把价值看作某一功能与实现此功能所需成本的比，考虑到提高产品价值，产品设计也就成为使用最低成本向用户提供必要功能的问题。 如美国通用电气公司在开发产品时注意从功能分析着手，实现必要功能，去除多余功能和过剩功能，既满足了用户需要又降低了成本。该公司17年内在价值分析方面投入了80万美元的费用，却获得了2亿多美元的利润。50年代后期开始，价值工程在日本、德
13、国及其他国家也得到了广泛的应用，并取得了良好的经济效益。日本佳能照相机公司运用价值工程方法，于1976年开发出35毫米的AE-1型照相机，这种照相机采用大规模的集成电路，能自动调节光圈和快门、自动卷片、连续摄影，性能大大超过了同类产品，而售价却低20%，投入市场后很受欢迎。,通过上面的简介可以看出，现代设计方法具有系统化、优化、动态化和内在质量与外观质量统一等特征。当前设计领域正面临着“传统设计”向“现代设计”过渡，通过推广现代设计方法，开发大批构思新颖的新产品，提高我国机电产品的性能、质量和可靠性。,2.2 创新设计,2.2.1 引言 江泽民总书记多次强调创新的重要性，他指出：创新是一个民族
14、进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力。一个没有创新能力的民族，难以屹立于世界民族之林。任何一项工作的活力和生计都来自于发展和创新。 中华民族是富有创造性的民族，远在古代已有指南针、火药、印刷、造纸四大发明；此外还有记里鼓车、气象观测、地震预测等许多技术都处于世界领先地位。新中国成立后，我国科技工作者艰苦奋斗，取得了“两弹一星”、万吨水压机等科技成就，光纤之父高锟在20世纪60年代就提出用光纤传递信息的设想。,创新是技术和经济发展的原动力，是国民经济发展的重要因素。当今世界各国之间在政治、军事和科学技术方面的剧烈竞争，实质上是人才的竞争，而人才竞争的关键是人才创造能力的竞争。创造强调新颖性和独特
15、性，而创新是创造的某种实现。 21世纪科技创新是社会和经济发展的主导力量。世界各国综合国力竞争的核心是知识创新、技术创新和高新技术产业化。加强技术创新、发展高科技、实现产业化是一项系统工程，对提高国民经济质量和效益，提高我国国际竞争力有决定性的意义。,2.2.2 创新设计 设计是为了满足人类和社会需求而进行创造性思维的实践过程。随着社会的发展，人们的需求将有所变化，原来那些能满足需求的产品，经过一段时间后可能会变成不能满足客观需要，因此需要对产品改进设计，不断更新老产品，创造新产品，要求设计师的设计成果前所未有，具有新颖性和独创性。,2.2.3 创新设计的特点和类型 1创新设计的特点 （1）独
16、创性 独创性体现为敢于提出与前人、众人不同的见解，敢于打破一般思维的常规惯例，寻找更合理的新原理、新机构、新功能、新材料，独创性能使设计方案标新立异，不断创新。比如，人工洗衣通常用手搓、脚踩、刷子刷、棒槌打、流水冲等方法去除衣物的污垢，为了代替人的洗衣动作，可在洗衣机滚筒内放置衣物和鹅卵石，滚筒回转时鹅卵石反复挤压衣物，达到去污的目的。搅拌式洗衣机和波轮式洗衣机属机械式洗衣机。真空洗衣机用真空泵将洗衣机缸内抽成真空状态。衣物和水在缸内转动时，水在衣物表面产生气泡，气泡破裂产生爆破力将衣物的污垢微粒弹开并抛向水面。超声波洗衣机利用超声波使衣物上的污垢分解而离开衣物。电磁洗衣机利用高频振荡使污垢与衣物分离。此外还有利用微型计算机与多种传感器控制的全自动洗衣机。从洗衣机的开发可以看出，设计人员发挥独创性，应用新技术，可开发出更多新产品。,（2）实用性 实用性体现在对市场的适应性和可生产型两方面。创新设计必须针对社会的需要，满足用户对产品的需求。20世纪70年代，科学家发现氟里昂会破坏高空臭氧层
