第1章 绪论黄平编写1.1 现代设计理论与方法内容简介现代设计理论与方法是指不同于强度、 刚度等传统设计理论的新兴的设计理论与 方法，特别是利用计算机进行优化分析、 辅助设计和可靠性计算等设计理论与方法 因此，现代设计理论与方法的内容覆盖 面很广，它应当包括所有非传统意义上的 新兴设计理论与方法本教材涵盖的现代 设计理论与方法包括： 1. 优化设计（optimal design）优化设计是从多种设计方案中选择最佳方 案的设计方法优化设计以最优化理论为基 础，以计算机为工具，根据设计问题确定设 计变量，建立目标函数，在满足给定的各种 约束条件下，寻求最优的设计方案优化技 术首先在第二次世界大战期间的军事上得以 应用机械优化设计始于上世纪60年代，并 在生产中得到了广泛的应用1967年，R.L. 福克斯等发表了机构最优化论文之后， C.S.贝特勒等利用几何规划解决了液体动压 轴承的优化设计问题通常机械优化设计问题多属于非线性规划 问题随着数学理论和电子计算机技术的发 展，优化设计在工程中得到广泛的应用和发 展，已形成为一门新兴的独立的工程学科通常一个设计方案可以用一组参数来表 示，称为设计变量。
如何找到一组最合适的设 计变量，使所设计的产品结构最合理、性能最 好、质量最高、成本最低或指定技术经济指标 最优，具有市场竞争能力，同时设计的时间又 不要太长，这就是优化设计所要解决的问题 一般来说，优化设计有以下几个步骤：建立 数学模型、选择最优化算法、程序设计、判 断搜索结果、并确定计算终止条件，并运行 计算得到最优解 2. 摩擦学设计（tribology design）摩擦学设计在节能、节材、环保等方面 有重要的作用，是机电产品设计中的重要环 节如在动力系统、传动系统、运动系统， 以及零部件加工过程中广泛存在摩擦学问 题通过摩擦学设计，将有助于产品的设计 创新和性能的提高因此摩擦学设计理论不仅具有重要的学术价 值，而且可以为解决重大工程技术问题提供 有效的手段和方法摩擦学设计在机械零部件的设计中主要 体现在两个方面：一是通过摩擦学设计来减 少工作过程中的摩擦和磨损；另一是利用摩 擦来传递运动和动力摩擦学是研究相对运 动的相互作用表面及其有关理论和实践的一 门科学技术，是由多学科组成的综合研究领 域，涉及到机械学、表面与界面物理与化 学、材料学、流体力学、固体力学、非线性 动力学等领域。
摩擦学设计的任务是从机械学、材料科学与 表面科学的角度出发，探索新产品设计的新 原理和新功能，实现产品减摩耐磨损设计， 以达到节省能量、提高寿命和机械工作性能 的目的 3. 计算机辅助设计(computer aided design 或CAD)计算机辅助设计是利用计算机进行工程 和产品辅助设计工作计算机承担计算、信 息存储和绘图等工作 通过计算机对不同方案进行大量的计算、分析 和比较，可以结合优化设计决定最优方案；计 算得到的设计信息存放在计算机中，以保证能 够快速地检索和输出；把繁重的工作图的绘制 工作交给计算机完成，进行图形显示、设计修 改、图形编辑（放大、缩小、平移和旋转）， 并最终输出设计结果图形因此，CAD不仅能 够大大减轻设计人员的劳动，还可以缩短设计 周期和提高设计质量上世纪50年代在诞生第一台计算机绘图系 统，出现具有简单绘图输出功能的计算机辅助 设计技术随后，出现了手动游标、图形输入板等多种形 式的图形输入设备随着超大规模集成电路制 成的微处理器和存储器件的出现和计算机工作 站的问世，使CAD技术在中小型企业得到普 及随着CAD技术向标准化、集成化、智能化 方向发展，出现了计算机集成制造系统。
随着 固化技术、网络技术、多处理机、智能技术和 并行处理技术的应用，使CAD技术正在趋自动 化和智能化，并在机械设计、机器人、工厂自 动化、电子电气、软件开发、服装业、出版 业、土木建筑、地质等各个领域得到广泛应 用 4. 可靠性设计（reliability design）可靠性设计是保证系统及其零部件满足给定 的可靠性指标的设计方法可靠性理论是在第二 次世界大战期间发展起来的把可靠性理论应用 在机械设计方面的研究始于20世纪60年代，首先 应用于军事和航天等工业部门，随后逐渐扩展到 民用工业对于一个复杂的产品来说，为了提高 整体系统的性能，都是采用提高组成产品的每个 零部件的性能来达到；这样就使得产品的造价昂 贵，有时甚至难以实现，例如对于由几万甚至几 十万个零部件组成的很复杂的产品 可靠性设计所要解决的问题就是如何从设计 中来解决产品的可靠性，以改善对各个零部 件可靠度的要求可靠性设计的内容包括对产品的可靠性进 行计算、可靠性分配及可靠性评定等工作 所谓可靠性，则是指产品在规定的时间内和 给定的条件下，完成规定功能的能力它不 但直接反映产品各组成部件的质量，而且它 还影响到整个产品质量性能的优劣。
可靠性 分为固有可靠性、使用可靠性和环境适应可 靠性等 可靠性的度量指标一般有可靠度、无故障 率、失效率等 5. 创造性设计（creative design）创造性设计是现代设计的基础人类的发 展史就是一个不断创新的历史只有充分发挥 创造性，采用创造性设计方法，才能设计出富 有新颖性和先进的产品，最大限度地满足市场 需求各国都对创造性设计非常重视，纷纷进 行研究和应用在高校也开设有创造性设计课 程，以培养学生的创造力，如学生创造发明过 程分析能力、创造性思维和创造技法 创新性设计将会显著提高产品的竞争力，因此在 设计应当受到特别的重视创新性设计可分为全新型创新设计、改进型 创新设计和组合型创新设计等全新型创新设计 是指创造出从本质上或原理上区别于以往的零部 件、机构和产品等新零部件、新机构和新产品 改进型创新设计是通过改进和完善现有产品的结 构、功能、可靠性等实现创新组合型创新则是 在现有零件、机构和产品的基础上，通过合理、 优化组合，形成新功能、高性能、更高可靠性、 更长寿命的产品的设计 6. 反求工程设计（reverse engineering design）反求工程设计又称逆向工程或反向工程设 计，是指采用一定的测量手段对实物或模型进行 测量，再根据测量数据通过三维几何建模方法重 构实物的计算机辅助设计模型的过程。
反求工程 设计是一个从样品生成产品数字化信息模型，并 在此基础上进行产品设计开发及生产的全过程 反求工程研究的主要内容包括：反求工程的类 型，反求工程涉及的知识范围，相似理论与相似 设计方法，设备设计及制造工艺反求等 7. 绿色设计（green design）绿色设计是指在产品及其寿命周期全过程 的设计中，在考虑产品功能、质量、开发周 期和成本的同时，还要充分考虑对资源和环 境的影响，使产品及制造过程对环境负面影 响尽可能的小，以符合环保标准绿色设计的主要内容包括：材料选择、制 造工艺选择、可拆卸性和回收设计等通过分离不同成分材料，采用不同工艺方法处 理零部件，以及设计易于拆卸结构，使产品易 于处理、回收和再利用，使其对环境的影响尽 可能低同时，设计的产品应当维护方便有 时还需要对产品包装和物流运输等进行设计， 以减少资源的消耗和过程对环境的影响绿色 设计的主要方法有：模块化设计、循环设计、 组合设计、可拆卸设计和绿色包装设计等8. 人机工程设计（ergonomic engineering design）人机工程学是研究人－机器－工作环境之 间相互关系的科学 其所涉及的内容和范围广泛，因而世界各国对该 学科的命名各不相同，如：人类工程学（human engineering）、人的因素工程学（human factors engineering）、人类工效学(ergonomics)等。
在 我国，较普遍采用的名称是人机工程学（human- machine engineering） 人机工程学应用人体测量学、人体力学、劳 动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，探讨 人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对 工作效率的影响等 它的主要研究内容包括：物理学原理的应用、人 体特性的应用、工作环境的分析及应用和实际工 作经验的分析及应用 9. 设计方法学（design methodology）设计方法学是研究产品设计规律、设计程 序、设计思维和工作方法的一门综合性科学设 计方法学以系统工程的观点分析设计整体进程、 设计方法和设计手段等的问题在总结设计规 律、启发创造性的同时，它还研究现代设计理 论、科学方法、先进手段和工具在设计中的综合 运用因此它对开发新产品，改造旧产品和提高产品 的市场竞争能力有着十分重要的作用设计方法学的研究内容包括：分析设计过 程及各设计阶段的任务；研究解决设计问题的 逻辑步骤和应遵循的工作原则；研究并促进各 种创新技法在设计中的运用；通过各种现代设 计理论和方法在设计中的应用, 实现产品的科学 合理设计, 提高产品的竞争能力；深入分析各种 类型设计特点，有针对性地进行设计；利用系 统工程方法编制设计信息库等。
本书中的设计方法学将重点介绍机械产品方 案设计的功能设计方法以及机械产品的结构 设计方法1.2 课程学习基本要求 1．课程目的本课程的主要任务是阐明现代设计领域中 普遍运用的科学理论、方法及设计规律并通 过几种常用现代设计理论与方法的学习，达到 拓宽学生视野，增强学生创新意识的目的使 学生在掌握传统设计理论的基础上，建立起运 用现代设计理论与方法进行设计与分析的理 念 掌握现代设计理论相关基础知识，了解新产品 的开发过程，掌握产品开发中的创新思维和设 计方法，为今后的学习和研究打下坚实的基 础 2．课程的基本特点 （1）创造性与传统的设计方法采用相对封闭收敛式的 设计思维、强调经验类比和主观决策相比较， 现代设计理论与方法强调创新性例如在创造性设计中，现代设计理论通过抽象 设计构思和扩展发散的设计思维，对多种可行 的创新方案进行广泛深入的评价决策，不断寻 求最优方案，因此大大突出了创新意识 （2）最优性现代设计理论与方法强调通过利用计算机 综合集成能力和最新科技成果寻求设计问题的 最优方案在性能、经济、工艺、使用条件和 环境等多种约束条件下，通过适合的优化方法 确定最终设计参数 另外，可靠性设计利用概率论和统计学方法， 通过考虑载荷、材料性能、实验结果等随机性 进行可靠性设计，以解决载荷、应力和材料性 能不确定的问题，以取得高可靠性设计结果。
（3）系统性设计方法学是通过从抽象到具体的发散的 思维方法，以产品的功能、原理、结构为构思 的模型，经过横向变异和纵向综合，由计算机 构造多种可行方案，经评价优选出最佳方案 创造性设计学是运用创造技法，充分发挥想象 力进行创造性辩证思维，形成新的设计构思 （4）社会性用现代设计理论方法开发新产品，不仅要 求从产品概念的形成到产品报废处理的全寿命 周期中的问题，同时，还要考虑人机协调、环 境保护等多种与人们活动和社会有关的因素 设计过程中的产品规划，原理方案设计，技术 设计和施工设计等都要按市场的经济规律进行 定量的市场分析、优势分析、经济分析和价值 分析，都是以社会和市场的客观需求为指导思 想进行全面考虑，并以并行工程方法指导企业 的生产和管理 此外，智能性和动态性也会在现代设计理论与 方法中得以体现现代设计理论与方法采用现 代化工具，利用功能强大的软件，实现计算机 辅助设计，计算机绘图和计算机辅助制造等， 可以大大提高设计精度和设计速度 3. 本课程的要求通过本课程的学习，要求学生掌握系统分 析设计法、在学习和工作中培养创新性,具有运 用优化设计法、计算机辅助设计、可靠性设计 法等分析法解决具体问题的能力。
要求学习后能对现代设计理论与方法的总体情 况有一个全面的了解，对主要常用设计方法能 比较熟悉，以便今后在学习工作中能够运用这 些方法去不断地创造新的产品和新的成果 学好本门课程，还需具备高级计算机算法 语言。