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1、第二章 现代设计技术第一节 现代设计技术的内涵与体系结构 一、现代设计技术的内涵和特点 1现代设计技术的内涵 设计是人类改造自然的一种基本活动，也是一种复杂的创造性思维过程。所谓的设计技术，也就是在设计过程中解决具体设计问题的各种方法和手段。传统设计技术是以“静态、经验、被动和手工”为基本特征。主要体现在：市场竞争日益激烈，要求企业快速提供质忧、价廉、具有创新性的产品；新技术、新工艺的不断涌现，使产品的功能与结构趋于复杂；随着相关科学及技术的发展，尤其是计算机科学及应用技术的发展，进一步推动了设计方法及设计手段的现代化。在上述背景和条件下，工程设计领域涌现了一系列新的设计技术和方法。 若从系统
2、工程的观点分析，现代设计技术是一个由时间维、逻辑维和方法维共同组成的三维系统，如图2-1所示。 (1)时间维 是反映按时间顾序的设计过程，分为产品规划、方案设计、技术设计和施工设计四个设计阶段。各阶段的基本任务为： 1)产品规划阶段，主要包含需求分析、市场预测、可行性分析、确定总体参数、制定制约条件和设计要求，以此作为设计、评价和决策的纲领性文件和依据。 2)方案设计，又称之为概念设计，即对产品的功能原理进行设计，从社会需求出发，采用功能分析法以及在必要的原理试验的前提下，确定最优的原理方案。方案设计是整个产品设计的关键，其创新性、先进性如何往往决定了产品的未来命运，在产品方案设计阶段实际投入
3、的费用往往只占总成本的1，却决定了产品总成本70的特性。 3)技术设计，该阶段的任务是将产品的功能原理具体化为机器产品及其零部件的具体结构，它又可进一步细分为总体设计、结构设计、商品化设计、模型试验等过程。 4)施工设计阶段，主要指零件、部件工程图和产品总装配图的绘制，工艺文件的编写，设计说明和使用说明书的编写等工作。 (2)逻辑维 是解决问题的逻辑步骤。在设计过程中解决问题的合理步骤是：分析一综合一评价决策过程。分析的目的是明确设计任务的本质要求，这是解决设计问题的前提；综合是在一定条件下对未知系统探求解决方案的创造性过程，一般要采用“抽象”、“发散”、“逆向”等思维方法寻求尽可能多的解法；
4、评价是筛选的过程，即采用科学的方法对多种方案进行比较和评定，并针对某些方案的弱点进行调整和改进，直至得到比较满意的结果；决策是在对各种设计方案进行综合和评价韵基础上，选择综合指标最佳的设计方案。 (3)方法维 是指设计过程中的各种思维方法和工作方法。传统设计多采用直觉法、类比法等以经验为主的设计方法，其设计周期长、反复多；而现代设计采用各种先进的设计理论、方法和工具，使产品设计过程进入高教、优质和创新的新阶段。 2现代设计技术的特点 从现代设计技术的内涵分析可见，现代设计技术具有如下一系列特点： (1)系统性 现代设计技术强调用系统的观点处理设计问题，从整体上把握设计对象，考虑对象与外界(人、
5、环境)的联系。 (2)动态性 不仅要考虑产品的静态特性，还要考虑产品在实际工作状态下的动态特征，考虑产品与周围环境的物质、能量及信息的交互。 (3)创造性 现代设计技术建立在先进的设计理论及设计工具基础上，能充分发挥设计者的创造性思维能力和集体智慧，运用各种创造方法和手段，开发出具有创新性的产品。 (4)计算机化 计算机技术的产生和发展给人类社会带来了深远而广泛的影响。目前，计算机已经渗透到产品设计开发的各个环节，甚至到了离开计算机就难以实现产品开发的地步。事实上，很多现代设计技术的实现都依赖于计算机，如优化设计、有限元分析、系统仿真等。它们充分利用计算机快捷的数值计算功能、严密的逻辑推理能力
6、和巨大的信息存储及处理能力，弥补自然人存在的天生不足，实现了人机优势的互补。 (5)并行化、最优化、虚拟化和自动化 现代设计技术强调设计过程的并行化、最优化、自动化和虚拟化。在产品的设计阶段就综合考虑产品全生命周期中的所有因素，强调对产品设计及其相关过程并行地、集成地、一体化地进行设计。在设计过程中，通过优化的理论与技术，对产品进行方案优选、结构优选和参数优选，力争实现系统的整体性能最优化，以获得功能全、性能好、成本低、价值高的产品。设计过程自动化的实现主要依托于各种不同的计算机辅助设计技术、自动建模技术，以及一批功能强大的商品化CAD软件的支撑。设计手段虚拟化，是以虚拟现实的设计系统进行三维
7、建模，使设计者能在虚拟的设计环境下观察和评价设计内容，从而实现设计的可视化、评估设计产品的性能及其可实现性，灵活方便地修改设计，大大提高设计效果与质量。 (6)主动性 科学技术的发展使得在产品设计的早期，就可对产品全生命周期的各种性能作出准确预测，有利于及早发现产品的潜在缺陷，将各种失误、可能发生的故障减少到最低程度，体现了主动性的特征，也有利于缩短开发周期、降低生产成本、提高产品质量。 二、现代设计技术体系 现代设计技术内容广泛，涉及的相关学科门类多。为了便于对现代设计技术的全貌了解，下面对现代设计技术体系结构进行简要的分析。 四个不同层次的技术组成。 (1)基础技术 基础技术是指传统的设计
8、理论与方法，包括运动学、静力学、动力学、材料力学、热力学、电磁学、工程数学等。这些基础技术为现代设计技术提供了坚实的理论基础，是现代设计技术发展的源泉。(2)主体技术 现代设计技术的诞生和发展与计算机技术的发展息息相关，相辅相成。计算机辅助设计技术U其对数值计算和对信息与知识的独特处理能力，成为现代设计技术的主干。可以毫不夸张地说，没有如GAD技术、优化设计、有限元分析、模拟仿真、虚拟设计和工程数据库等这些计算机辅助技术，就没有现代设计技术；而其他的现代设计技术的理论与方法，是从另一侧面提高了计算机的“能力”和“智能”。(3)支撑技术 设计方法学、可信性设计技术以及设计试验技术，为设计信息的处
9、理、加工、推理与验证提供了多种理论、方法和手段的支撑。现代设计方法学包括：系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象设计、工业设计等各种现代设计方法；可信性设计主要指可靠性与安全性设计、动态设计、防断裂设计、疲劳设计、耐腐蚀设计、健壮设计、耐环境设计、人机工程设计等；设计试验技术包括通常的产品性能试验，以及可靠性试验、数字仿真试验和虚拟试验等。 (4)应用技术 应用技术是针对实用的目的，解决各类具体产品设计领域的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械等设计的知识和技术。现代设计已扩展到产品的规划、制造、营销和回收等各个方面。因而，所涉及的相关学科和技术除了
10、先进制造技术、材料科学、自动化技术、系统管理等技术之外，还涉及到政治、经济、法律、人文科学、艺术科学等领域。第二节 计算机辅助设计技术一、计算机辅助设计的基本概念 1计算机辅助设计的功能与含义计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)是20世纪50年代末发展起来的综合性计算机应用技术。它是以计算机为工具，处理产品设计过程中的图形和数据信息，辅助完成产品设计过程的技术。 CAD技术包含的内容有：利用计算机进行产品的造型、装配、工程图绘制以及相关文档的设计；进行产品渲染、动态显示；对产品进行工程分析，如有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动学及动力学仿真等。 当设计者完成
11、产品的方案设计，构造了产品的概念模型后，CAD系统可以根据设计者的思想去构造产品初步的几何模型；以该模型为基础，可以采用如优化算法、有限元法等各种现代计算分析方法对产品性能进行分析、评价和优化，并根据分析和评价结果对产品的初始几何模型进行反复修改，并获得最终的产品几何模型。依据设计结果，可以利用CAD系统绘制产品的工程图样，编制物料清单(BOM)等相关文档，也可以根据该最终结果进行数控加工程序的编制，即CAM作业等。CAD技术的核心是几何模型的建立。具有如下几点鲜明的特征： (1)CAD技术强调产品设计过程中计算机的支持和参与 与传统的设计过程相比，CAD技术充分利用了计算机强大的信息存储能力
12、、逻辑推理能力、长时间重复工作能力、快速精确的计算能力以及方便快捷的修改编辑等特长，极大提高了产品设计的效率和质量。(2)强调计算机的辅助作用 尽管计算机具有众多的优越性，但它只是作为一种设计工具辅助人们从事产品的设计，设计者在整个设计过程中始终起着主导和控制的作用，计算机的现在和将来均不会完全取代人进行设计作业。 (3)CAD系统不可能也没有必要涉及产品设计的所有环节 如在产品功能设计和概念设计阶段，通常是由具有巨大创造性的人来完成，而由CAD系统辅助来完成技术设计或详细设计过程。CAD技术都有着巨大的优越性，具体表现在如下几个方面： (1)可以大大提高设计质量 在计算机系统内存储了各种综合
13、性知识和数据，这为产品的设计提供了科学的基础。计算机与设计者的交互作用，有利于发挥人和机的各自特长，使设计更加合理。CAD采用的优化设计软件工具有助于工艺参数和产品结构的优化。 (2)可以提高设计生产率，缩短产品开发周期 由于计算机高速计算能力、数据库快速检索能力及工程图样绘制的自动化，可使设计效率大大提高。例如：沪东造船厂采用CAD技术以后，使生产技术的准备周期缩短了13以上，设计开发能力提高了一倍；美国波音777飞机的设计制造，由于应用了CADCAM技术，使开发周期由原来的910年缩短为4-5年。 (3)可以较大幅度地降低生产成本 CAD技术简化了产品的开发环节，减少了废品和次品率，能有效
14、地降低生产成本，增强企业的竞争能力。 (4)CAD技术能够将技术人员从繁重的计算、绘图、修改工作中解放出来 这样，可将精力更多地集中投入到具有创造性的活动中。 2计算机辅助设计技术的产生及发展 20世纪50年代，以美国为代表的工业发达国家出于航空和汽车等工业的生产需要，开始将计算机技术应用于产品的设计过程，逐渐发展形成具有重大影响力的计算机辅助设计技术。其发展过程大致经历了如下几个发展阶段： (1)20世纪50年代CAD技术的萌芽期 1950年美国麻省理工学院(MIT)研制出旋风型 (Whirlwind)图形显示设备，可以显示简单图形；50年代后期推出了图形输人装置光笔；1958年美国Calc
15、omp公司研制出滚筒式绘图仪，Gerber公司研制出乎板绘图仪。上述图形处理设备的问世，标志着CAD技术已处于交互式计算机图形系统的初期萌芽和诞生阶段。 (2)20世纪60年代CAD技术的成长期 1962年由美国ESutherland博士开发的SketchPAD图形系统问世，并首次提出了计算机图形学、分层存储、交互设计等技术思想，成为计算机辅助设计技术发展史上的重要里程碑。20世纪60年代中期，CAD概念开始为人们所接受，它超越了计算机绘图的范畴而强调了利用计算机进行设计的思想。1965年美国洛克希德飞机公司推出第一套基于大型机的商用CADCAM软件系统CADAM软件系统；1966年贝尔公司开发了价格低廉的实用型交互式图形显示系统GRAPHICl。许多与CAD技术相关的软硬件系统走出了实验室而逐渐趋于实用化，大大促进了计算机图形学和CAD技术的迅速发展。至60年代末，美国安装的CAD工作站已达200多台套。 (3)20世纪70年代CAD技术的发展期 进入20世纪70年代后，存储器、光笔、光栅扫描显示器、图形输入板等形式的图形输入设备开始进入商品化；出现了面向中小企业的CADCAM商品化软件，可提供基于线框模型(WinaameModel)的三维建模及绘图工具；曲
