现代设计技术的内涵与体系结构
第一章现代设计技术概述
设计是把各种先进科学技术成果转化为生产力的一种手段和方法 就机械系统和结构范畴而言，它是从给定的合理的目标参数出发， 通过各种手段和方法创造出一个所需的优化系统或结构的过程
任何设计都是开发和创造新的系统和结构的过程
1）17世纪前的“直觉设计阶段”: 凭直观感觉来设计制作工 具 2和）机17械世，纪往后往的带“有经一验定设的计盲阶目段性”
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现代设计方法学涉及的内容很 广，如并行设计、系统设计、 功能设计、模块化设计、价值 工程、质量功能配制、反求工 程、绿色设计、模糊设计、面 向对象的设计、工业造型设计 等
可信性设计技术主要指可靠 性与安全性设计、动态分析 与设计、防断裂设计、疲劳 设计、耐腐蚀设计、减摩和 耐磨损设计、健壮设计(赋予 产品或过程健壮性、高性能 和低成本的设计)、耐环境设 计、维修性设计、人机工程 设计等
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1.1.5 现代设计技术的体系
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1）基础技术
理论基础和发展源泉
运动学、静力学与动力学、材料力学、结构力学、 热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等 方面
（2）主体技术
计算机科学与计算机辅助技术
计算机辅助设计(CAD)、智能 CAD（Intelligent CAD—— ICAD）、优化设计、有限元 分析程序、模拟仿真、虚拟设 计和工程数据库等
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现代CAD：使用计算机系统进行设计的全过程， 包括资料检索、方案构思、零件造型、工程分析、 工程制图、文档汇编
CAD概念的产生和发展
20世纪60年代初，美国麻省理工学院 开发了名为Sketchpad的计算机交互图形处理 系统，形成了CAD的最初概念：科学计算、 绘图
2.1 现代设计技术的内涵与体系结构
第二章
2.2.1 计算机辅助设计的基本概念
CAD技术主要功能 • 零件造型、产品装配、工程图绘制、文档设计 • 产品渲染、动态显示 • 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
曲轴连杆应力变化
第二章
有限元分析－结构分析
机床动刚度分析－位移云图
并联运动机床的应力与应变分析
第二章
有限元分析－结构分析
齿轮接触应力分析
第二章
有限元分析－流体动力学仿真
流体动力学分析
双层水腔气缸盖 的三维实体模型
双层水腔气缸盖 的水流计算网格
冷却水流入口流量对冷 却效果影响的规律曲线
气缸盖温 度分布图
2、单一数据库与相关性设计
单一数据库：与设计相关数据来自同一数据库，实现产品 相关性设计，提高设计质量，缩短开发周期。 相关性设计：任何设计改动，都将及时反映到其它相关环 节上。如：零件图-产品装配图-零件数控程序-二维工程图； 左视图-主视图-俯视图-三维实体模型；
特征建模
第二章
2.2.3 计算机辅助设计的关键技术
试验设计技术包括可靠性试验、环保性能试验与控制，以及 运用计算机技术的数字仿真试验和虚拟试验等。
第二章
4. 应用技术
应用技术是针对使用目的解决各类具体产品设计问题的技术， 如机床、汽车、工程机械、精密机械的现代设计内容可以看作是 现代设计技术派生出来的具体技术群。
现代设计已扩展到产品规划、制造、营销、运行、回收等各
各构件转速仿真结果
第二章
第2章现代设计技术
第2章现代设计技术第2章现代设计技术【本章要点】本章主要讨论现代设计技术的内涵、特征及体系结构，侧重介绍优化设计、可靠性设计、价值工程、面向X的设计、逆向工程、绿色设计等最常用的现代设计方法的相关概念、主要内容、实施步骤以及所涉及的关键技术，并以具体实例说明。
【学习目标】掌握优化设计的关键技术。
掌握可靠性预测和分配。
了解面向X的设计。
了解逆向工程的基本国策。
现代设计技术是先进制造技术中的首要的关键的技术，它是现代科技发展和全球市场竞争的产物。
产品设计是以社会需求为目标，在一定设计原则的约束下，利用设计方法和手段创造出产品结构的过程。
市场竞争的需要和各种新方法、新技术、新工艺、新材料不断涌现，推动了设计方法和技术的进步，使产品设计从传统的经验设计进入现代设计。
2.1现代设计的内涵和特征产品设计是以社会需求为目标，在一定设计原则的约束下，利用设计方法和手段创造出产品结构的过程。
产品设计不合理引起产品技术性和经济性的先天不足，难以通过生产过程中的质量控制和成本控制措施挽回。
据统计，失败产品中85%的原因是设计失误造成的。
设计技术是指在设计过程中解决具体设计问题的方法和手段。
人类的设计活动经历了“直觉设计阶段”——“经验设计阶段”——“半理论半经验设计阶段”。
随着科学技术的发展和各种新材料、新工艺、新技术的出现，产品的功能与结构日趋复杂，市场竞争日益激烈，传统的产品开发方法和手段已难以满足市场需求和产品设计的要求。
计算机科学及应用技术的发展促使工程设计领域涌现出一系列先进的设计技术。
现代设计技术是先进制造技术的基础。
它是以满足产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所使用的技术群的总称。
它的内涵就是以市场为驱动，以知识获取为中心，以产品全寿命周期为对象，人、机、环境相容的设计理念。
2.1.1现代设计的特征现代设计是传统设计的深入、丰富和完善，而非独立于传统设计的全新设计具有如下特征。
先进制造技术-现代设计方法
质的飞跃，在此基础上传统设计技术得到了延伸和发展，产生了现代设计技术。它是以网络为基
础，以电子计算为手段，建立在现代管理技术之上，运用工程设计的新理论和新方法，实现计算 结果最优化、设计过程高效化和自动化的设计技术。
现代设计技术
— 3—
2.1 现代设计技术的内涵与体系结构
2.1.2 现代设计技术的内涵和特点
程中适时地给出智能化提示，告诉设计者下一
步该做什么、当前设计存在的问题，并给出解 决问题的途径及方案建议。
现代设计技术
— 21 —
2.2 计算机辅助设计（CAD）技术
特征模型实例
现代设计技术
— 11 —
2.2 计算机辅助设计（CAD）技术
2.2.3 计算机辅助设计的关键技术
1．产品的造型建模技术
与几何建模相比较，特征建模具有以下特征：① 能够更好地表达统一、完整的产 品信息；② 能够更好地体现设计意图，使产品模型便于理解和组织生产；③ 有助于 加强产品设计和分析、加工制造、检验等各个部门之间的联系。因此，基于特征的建 模技术更适合于CAD/CAM的集成和CIMS的建模需要。
现代设计技术
— 12 —
2.2 计算机辅助设计（CAD）技术
2.2.3 计算机辅助设计的关键技术
2．单一数据库与相关性设计
单一数据库是指与设计相关的全部数据 信息来自同一个数据库。相关性设计是指任何 设计改动都将及时反馈到设计过程的其他相关 环节上。例如，修改二维零件工程图样的某个 尺寸后，与该零件工程图样相关联的产品装配
图、加工该零件的数控程序等也将会自动跟随
更新。建立在单一数据库基础上的产品开发， 可以实现产品的相关性设计。单一数据库和相 关性设计技术的应用可以减少设计中的差错，
现代设计技术
3
现代设计方法
3.1优化设计 最优化设计是借助最优化数值计算方法和计 算机技术，求取工程问题的最优设计方案。 即：进行最优化设计时，首先必须将实际问 题加以数学描述，形成一组由数学表达式组成的 数学模型，然后选择一种最优化数值计算方法和 计算机程序，在计算机上运算求解，得到一组最 佳的设计参数。
1）优化设计的数学模型 实例1： 有一块边长为6m的正方形铝板，四角各裁去 一个小的方块，做成一个无盖的盒子。试确定裁 去的四个小方块的边长，以使做成的盒子具有最 大的容积。 解：设裁去的四个小方块的边长为x，则 盒子的容积可表示成x的函数 f(x)＝x(6-2x)2
只需要建立两张表就能描述任一复杂的物体，一是点（立体 的顶点）表；二是边（点的连线）表，如图所示棱锥体，表 2-1和2-2即为其全部几何信息
表2-1点表
表2-2边表
表2-3 面表
单一数据库与相关性设计
单一数据库：与设计相关数据来自同一数据库，实现 产品相关性设计，提高设计质量，缩短开发周期。 相关性设计：任何设计改动，都将及时反映到其它相 关环节上。如：零件图-产品装配图-零件数控程序-二维 工程图；左视图-主视图-俯视图-三维实体模型；
传统设计技术的继承和发展，多专业和多学科交叉 ，综合性技术。
现代设计技术的定义
时间维
施工设计
技术设计 方案设计
产品规划
可靠性设计 模块化设计 优化设计
…
分 析
综 合
评 价
决 策
逻辑维
方法维
现代设计技术的时间维 产品规划--需求分析、市场预测、可行性分析、 总体参数、制约条件和设计要求； 方案设计--功能原理设计，确定原理方案； 技术设计--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； 施工设计--指工程图绘制，工艺文件编写，说 明书编写等。
现代设计技术体系
现代设计技术体系现代设计技术0引言现代设计技术是先进制造技术中的首要关键技术,它是现代科技发展和全球市场竞争的产物。
产品设计是以社会需求为目标,在一定设计原则的约束下,利用设计方法和手段创造出产品结构的过程,如图l所示。
市场竞争的需要和各种新方法、新技术、新工艺、新材料不断涌现,推动了设计方法和技术的进步,产品设计从传统的经验设计进入现代设计。
1 现代设计的内涵1.1现代设计的特征现代设计是传统设计的深入、丰富和完善,而非独立于传统设计的全新设计。
虽然当前对现代设计尚无确切定义,但可从以下特征来理解。
⑴以计算机技术为核心这是现代设计的主要特征。
计算机技术的飞速发展对设计产生了巨大影响,表现为以下几方面:①设计手段的更新计算机技术推动了设计手段从”手工”向”自动”的转变。
传统设计以图板、直尺、铅笔等作为工具,这种设计手段效率低、人工强度大。
CAD技术的出现和发展,甩掉图板的”无纸设计”作为现代设计的主流,显著提高了设计效率。
②产品表示的改变计算机技术推动了产品表示从”二维”向”三维”的转变。
传统设计利用投影原理表示产品结构,这种二维表示的数据单一,数据量少,不便于产品的进一步分析和制造。
随着CAD技术的发展,三维”产品模型(Product Model)”越来越得到广泛应用。
这种表示不但包括反映产品形状和尺寸的几何信息,还可包括分析、加工、材料、特性等数据,从而可直接用于分析和制造。
③设计方法的发展促进了一些新的设计方法的出现,高性能的计算机硬件和先进的软件技术是这些方法实施的保证。
一些先进的设计方法如有限元分析、优化、模态分析等都涉及大量复杂计算,只有计算机技术的发展才能推动这些方法的进步和应用。
新的设计方法如并行设计、虚拟设计、计算机仿真等。
④工作方式的变化计算机技术促进了设计方式从”串行”到”并行”的变化。
受设计手段限制,传统设计过程采用串行方式进行,即设计任务按时序从一个环节传入下一环节。
随着数据库技术和网络技术的发展,并行设计正得到广泛应用。
现代制造技术--第2章现代设计技术
•主要模型类型如图2-2所示。
• 1) 线框模型
•
线框模型由一系列空间直线、圆弧和点组
合而成，用来描述产品的轮廓外形(见图2-
2(a))。这种模型曾广泛应用于工厂或车间布
局、三视图生成、运动机构的模拟和有限元
网络的自动生成等方面，但它无法产生剖面
图、消除隐藏线以及求解两个形体间的交线，
也无法根据线框模型进行物性计算和数控加
• 实体模型较完整地反映了三维实体的几何 信息(见图2-2 (c))，它既能消除隐藏线，产 生有明暗效应的立体图像，又能进行物性计 算，进行装配体或运动系统的空间干涉检查，
进行有限元分析的前后处理以及多至五轴的
数控编程等作业。
• 常用的实体造型方法有“边界表 示”(Boundary Representation，B-rep)法 和“构造实体几何”(Constructive Solid Geometry，CSG)法。 边界表示法把一个物体被看作是由有界的平 面或曲面片子集构成的，每个面又由它的边 界边和顶点组成(见图2-4)，经过各种几何运 算和操作，最后达到构成物体的目的。
设计、模糊设计等理论构造的数学模型，来
编制计算机应用程序，可以更广泛、更深入
地模拟人的推理与思维，从而提高计算机的
“智力”。
而计算机辅助设计技术正是以它对数值计算和
对信息与知识的独特处理能力，成为现代设
计技术群体的主干，即主体技术。
• 3. 支撑技术
• 支撑技术主要有现代设计方法学、可信性 设计技术、试验设计技术。现代设计方法学
物体模型(见图2-3)，
• 因此广泛应用于汽车、飞机、船舶等制造工 业中。常用的建模方法有贝塞尔(Beizer)曲 面技术和B样条(B－spline)曲面技术。表面
现代设计技术体系
现代设计技术0引言现代设计技术是先进制造技术中的首要关键技术，它是现代科技发展和全球市场竞争的产物。
产品设计是以社会需求为目标，在一定设计原则的约束下，利用设计方法和手段创造出产品结构的过程，如图l 所示。
市场竞争的需要和各种新方法、新技术、新工艺、新材料不断涌现，推动了设计方法和技术的进步，产品设计从传统的经验设计进入现代设计。
1 现代设计的内涵1.1现代设计的特征现代设计是传统设计的深入、丰富和完善，而非独立于传统设计的全新设计。
虽然目前对现代设计尚无确切定义，但可从以下特征来理解。
⑴以计算机技术为核心这是现代设计的主要特征。
计算机技术的飞速发展对设计产生了巨大影响，表现为以下几方面：①设计手段的更新计算机技术推动了设计手段从“手工”向“自动”的转变。
传统设计以图板、直尺、铅笔等作为工具，这种设计手段效率低、人工强度大。
CAD技术的出现和发展，甩掉图板的“无纸设计”作为现代设计的主流，显著提高了设计效率。
②产品表示的改变计算机技术推动了产品表示从“二维”向“三维”的转变。
传统设计利用投影原理表示产品结构，这种二维表示的数据单一，数据量少，不便于产品的进一步分析和制造。
随着CAD技术的发展，三维“产品模型(Product Model)”越来越得到广泛应用。
这种表示不仅包括反映产品形状和尺寸的几何信息，还可包括分析、加工、材料、特性等数据，从而可直接用于分析和制造。
③设计方法的发展促进了一些新的设计方法的出现，高性能的计算机硬件和先进的软件技术是这些方法实施的保证。
一些先进的设计方法如有限元分析、优化、模态分析等都涉及大量复杂计算，只有计算机技术的发展才能推动这些方法的进步和应用。
新的设计方法如并行设计、虚拟设计、计算机仿真等。
④工作方式的变化计算机技术促进了设计方式从“串行”到“并行”的变化。
受设计手段限制，传统设计过程采用串行方式进行，即设计任务按时序从一个环节传入下一环节。
随着数据库技术和网络技术的发展，并行设计正得到广泛应用。
2-现代设计技术的内涵与体系结构PPT模板
— 4—
现代设计技术的内涵与体系结构
1.2 现代设计技术的内涵和特点
2．现代设计技术的特点
1
• 产品结构分析的定量化
2
• 产品工作状况分析的动态化
特点
3
• 产品质量分析的可靠化
4
•产品设计结果的最优化
5
• 产品设计过程的高效化和自动化
— 5—
现代设计技术的内涵与体系结构
1.3 现代设计技术的体系结构
现代设计技术
— 2—
现代设计技术的内涵与体系结构
1.1 机械设计发展的基本历程
传统设计技术以“静态、经验、被动和手工”为基本特征，它经历了直觉设计、经验设计、 半理论经验设计三个发展阶段，并于20世纪50年代后期形成。它以经验总结为基础，以长期设 计实践和理论计算而形成的经验、公式、图表、设计手册等为设计依据，通过经验公式、近似系 数或类比等方法进行设计。传统设计偏重于经验的概括和总结，往往会忽略一些难解的问题或非 主要的因素，这样会导致设计结果不准确，有时甚至会出现不符合实际的情况。
现代设计技术的体系及与其他学科的关系
现代设计技术
— 6—
现代设计技术的内涵与体系结构
1.3 现代设计技术的体系结构
• 基础技术：基础技术是指传统的设计理论与方法，包括运动学、静力学、
1
动力学、结构力学、强度理论、热力学、电磁学、工程数学等学科的基 本原理和方法。
• 主体技术：现代设计技术的诞生和发展与计算机辅助技术的
体技术群。
设计技术的内涵与体系结构
1.2 现代设计技术的内涵和特点
1．现代设计技术的定义
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。设计技术就 是在设计过程中解决具体设计问题的各种方法 和手段。现代设计技术是以满足市场产品的质 量、性能、周期、成本等为目的，以计算机辅 助设计技术为主体，以知识为依托，以多学科 方法及技术为手段，研究、改进、创造产品的 活动过程中所用到的技术群体的总称。
描述现代设计技术的体系结构
描述现代设计技术的体系结构1. 设计技术的概述说到现代设计技术，大家是不是觉得脑海中闪现出五光十色的图形，或者各种令人眼花缭乱的创意？没错，现代设计技术就像一位时尚的魔法师，给我们带来了无数惊喜。
其实，设计技术可不是凭空而来的，它有一套严谨的体系结构，就像建房子得有坚固的地基，咱们今天就来聊聊这其中的奥秘。
1.1 设计的基本元素首先，我们得从基本元素说起。
设计的核心可以说是“点、线、面”，这可是设计界的“老祖宗”了。
点是设计的起点，线把点连接起来，而面则形成了更大的结构。
想象一下，你在画一幅画，点就是你心中最初的灵感，线则是你描绘想法的工具，而面则是最终呈现出来的视觉效果。
听起来简单，但实际上，这三者之间的关系就像一场复杂的舞蹈，得讲究配合和节奏。
1.2 色彩与字体的魔力再说说色彩和字体，嘿，这可不是随便选的。
色彩是设计的灵魂，不同的颜色传达出不同的情感和氛围。
比如，红色让人感觉热情洋溢，蓝色则给人一种宁静的感觉，而绿色嘛，给人一种自然清新的感觉。
字体也同样重要，选对了字体，简直就像给设计穿上了合适的衣服。
你能想象一款科技产品用了一种古典的书法字体吗？那效果，真是让人捧腹大笑。
2. 设计过程的阶段接下来，我们聊聊设计过程，这可是一个复杂而又有趣的旅程。
它通常可以分为几个阶段，像是完成一部精彩的大片，得有开场、发展、高潮和结尾。
2.1 需求分析与研究首先得做需求分析，简而言之，就是搞清楚客户想要什么。
这一步就像是在约会前打探对方的兴趣爱好，嘿嘿，重要得很！这时候，设计师得通过市场调研、用户访谈等方式，深入了解目标用户的需求和偏好。
等你把这些信息都掌握了，心里就像有了一个明确的方向，接下来就能更好地进行设计了。
2.2 概念设计与原型制作接着就是概念设计，这时候，设计师脑子里就像开了一个创意的小火花，纷纷冒出来各种点子。
然后，设计师会把这些点子画成草图，或者用一些设计软件来制作初步的原型。
就像是在厨房里做菜，得先准备好材料，才能开始烹饪。
02第二章_现代设计技术
造型建模技术应用 造型建模技术应用
CAD系统软件与应用 系统软件与应用
CAD系统的软件分为三个层次 系统软件： 系统软件 ： 操作系统、编译系统、图形接 口及接口标准 支撑软件：计算机分析软件、集成化 CAD/CAM软件、数据库管理系统、网络软件 应用软件： 应用软件：二次开发专用软件
有限元分析
串、并行设计
并行工程工作方式
团队工作（ Work） 团队工作（Team Work）方式 组织团队→集体办公模式→互联网共享信息
反求工程
（Reverse Engineering）
又称逆向工程或逆向设计。 以已有的产品或技术为对象，用现代化 的手段和理论，解剖并掌握所研究对象 的关键技术，在充分研究对象的基础上 实现再创造，开发新产品，实行“样 品——反求——再创造设计——产品” 的新产品设计开发过程
现代设计技术特点
系统性； 系统性； 动态性； 动态性； 创造性； 创造性； 计算机化； 计算机化； 并行化、最优化、虚拟化和自动化； 并行化、最优化、虚拟化和自动化； 主动性
现代设计技术体系
CAD技术的产生及发展 CAD技术的产生及发展
20世纪50年代——CAD技术的萌芽期 20世纪60年代——CAD技术的成长期 20世纪70年代——CAD技术的发展期 20世纪80年代——CAD技术的普及期 20世纪90年代——CAD技术集成化期
反求工程
Байду номын сангаас
（Reverse Engineering）
反求工程可分成: 零件反求 部件反求 整机反求
反求工程关键技术
数据测量技术、 数据预处理技术、 模型重构、 产品制造技术
产品反求工程的工作流程
绿色产品设计
面向不损害产品质量、功能及其制作 过程的、能与环境相容的设计
第二章 现代设计技术
徐州工程学院教案徐州工程学院教案纸个设计变量所组成一个向量空间，称之为设计空间。
优化设计的目的就是要求所选择的设计变量使目标函数达到最佳值，通常在工程设计中，所追求的目标可能是多种多样。
当目标函数只包含一）设计约束与可行域不等式约束：可行域：凡满足所有约束条件的设计点，它在设计空间的活动范围。
）设计对象的分析可相应地表示为：因为一个系统发生故障和无故障是互斥事件，必须满足或部件或元件)1000个，工作障。
我们可以计算出这种系统(或部件或元件)千小时的可靠度为：——试验品数（不可修复产品），总故障次数（可修复产品）、机械零件可靠性设计——零件（部件）的强度；概率可表示为图2-1 应力-强度概率密度分布）可靠度的一般表达式根据以上干涉模型计算在干涉区内强度大于应力的概率——可靠度。
2-2所示，当应力为时，强度大于应力的概率为强度分布密度函数区间内的概率为——应力分布密度函数；图2-2 概率密度函数联合积分求可靠度假设与为两个独立的随机事件，因此两独立事件同时发生的概率为为应力区间内的任意值，现考虑整个应力区间内的情况，当应力和强度均为正态分布时，有z=S-s由于应力和强度均为正态分布，将上式化为标准正态分布形式式中：从（1）式可知，当已知应力和强度的分布参数后，就可算得，从正态分布表就可查得可靠度。
因此，为可靠度指标，根据（（3）设各元件的失效事件是相互独立的，其可靠度分别为R1、R2…Rn，系由上式可知，串联系统的可靠度比系统中最不可靠的元件可靠度还低，并且随着元件可靠度的减小和元件数量的增加，其可靠度迅速降低。
由概率乘法定理可知，并联系统的可靠度为：并联系统的单元数目越多，系统的可靠度越高，但系统的体积、重量该系统可靠度为：三、价值工程、价值工程的基本概念。
现代设计技术体系
现代设计技术体系现代设计技术体系是指以现代科学技术为基础，结合设计理论和实践经验，形成的一套系统化、综合性的设计方法和技术体系。
它通过科技的支撑，运用先进的设计工具和技术手段，提高设计效率、质量和创新能力，构建了以人为本、可持续发展为目标的设计理念和实践路径。
本文将从设计理论、设计方法和设计工具三个方面介绍现代设计技术体系。
设计理论是现代设计技术体系的基础，它主要包括人机工程学、认知心理学、美学等学科的理论基础。
人机工程学关注人的生理和心理特征，通过研究人与设备之间的交互关系，提供人性化的设计指导。
认知心理学研究人的感知、注意、记忆、思维等认知过程，揭示人的认知需求和行为特征，为设计提供科学依据。
美学研究审美经验和审美规律，探讨人的审美需求和情感体验，为设计创造美感和艺术性。
设计方法是现代设计技术体系的核心，它是将设计理论转化为具体设计实践的方法论。
常用的设计方法包括系统工程方法、创新设计方法、模型设计方法等。
系统工程方法关注设计系统的整体性和协同性，通过系统分析、综合设计、系统优化等方法，实现设计目标和要求的一致性。
创新设计方法强调从用户需求出发，通过用户调研、需求分析、创新思维等方法，挖掘用户潜在需求，实现设计的创新性和前瞻性。
模型设计方法包括物理模型、数学模型等，通过建立模型、仿真测试、优化设计等方法，提高设计的可靠性和效率。
设计工具是现代设计技术体系的辅助手段，它包括计算机辅助设计软件、虚拟现实技术、3D打印技术等。
计算机辅助设计软件能够提供直观、高效的设计环境和工具，支持设计的可视化、自动化和智能化。
虚拟现实技术通过建立虚拟场景和交互界面，使设计师能够身临其境地体验和调整设计方案，提高设计的感知能力和交互效率。
3D打印技术能够将设计师的创意直接转化为实体模型，实现快速成型和设计迭代，促进设计的创新和验证。
综上所述，现代设计技术体系以现代科学技术为基础，以设计理论为指导，运用设计方法和工具，提高设计效率和质量，实现设计创新和艺术性。
先进制造技术现代设计技术
一.现代设计技术概述
②. 现代设计技术的逻辑维： 分析--明确设计任务本质； 综合--综合各种因素，探求解决方案； 评价--对多种方案进行比较和评定，方案调整和改进； 决策--确定最佳的设计方案
先进制造技术
一.现代设计技术概述
(3) 现代设计技术的体系结构 现代设计技术由4个不同层次的技术所组成，计算机辅助设计技术CAD是现代设计技术的主体技术
先进制造技术
01
02
二.数字化设计与数字化产品开发
02
支撑技术 指现代设计方法学、可信性设计技术、试验设计技术。现代设计方法学涉及内容很广，如并行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配制、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象的设计、工业造型设计等。可信性设计是广义的可靠性设计扩展，主要指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、健壮设计、耐环境设计等。设计试验技术包括可靠性试验、环保性能试验与控制，以及运用计算机技术的数字仿真试验和虚拟试验等。
先进制造技术
二.数字化设计与数字化产品开发
二.数字化设计与数字化产品开发
先进制造技术
二.数字化设计与数字化产品开发
(2) 数据的离散性----反求工程和快速原型技术设计 复杂产品的模仿创新是一条减少风险投入，加快产品创新的有效途径。 反求工程是利用某些测量方法（如三坐标测量、CT、核磁共振、自动断层扫描法等），在实测数据的基础上，重构产品三维数据模型的方法。 快速原型技术是20世纪末期制造领域的重大突破，它直接利用CAD的离散数据，简单、快速、准确地将人的思想转化成功能原型或零件，淡化了设计与制造的界线 。
主体技术
基础技术
支撑技术
应用技术
传统设计理论 与方法
现代设计技术的内涵与体系结构
目的：支持异构、跨平台的工作环境。如：IGES（Initial Graghical Exchange System)图形交换标准；STEP(Standard for the Exchange of Product Model Data)产品数据模型交换标准。
有限元分析－结构分析
机床动刚度分析－位移云图
并联运动机床的应力与应变分析
有限元分析－结构分析
齿轮接触应力分析
有限元分析－流体动力学仿真
流体动力学分析
双层水腔气缸盖 的三维实体模型
双层水腔气缸盖 的水流计算网格
冷却水流入口流量对冷 却效果影响的规律曲线
气缸盖温 度分布图
冷却水流的速 度矢量分布图
传统技术难以满足设计的要求。
动态、科学、主动、现代方法和手段 传统设计技术的继承和发展，多专业
和多学科交叉，综合性技术。
（ 3 ）.现代设计技术的引方把利建特入法零用造有，部点理与限实件论实元现或及际及对整测工任边机试况何界中数相产元各据符
种合品具的的有数定离学量散模化性型分的，析性通能过
1. 产品结构分析的定量化； 及计参算数机均分视析为计随算机，变预
5. 产品设计过程的高效化和自机动完效化成化设。和计自过动程化的高
（4）. 现代设计技可靠术性体设计系、安全性设计、动态
现现代代设设计计技技术术的由主4个体不技同术层次的技系 程术、统所绿设组色计设 健成设、计壮，计模、设计、块疲计算化模劳和机糊设设人辅设计计机助计、工、设和反耐程计工求腐设技业工蚀计术设等C计。A、D是
第2章 现代工程设计技术
换元与移植式思维
换元也常常表现为“替代”，而在很多情况下，替代本身就是创新。 例如，用电阻丝替代炭火，使炭火锅变成了电火锅：用通用计算机或 专用计算机替代传统的硬件数控电路，使传统数控系统发展成为计算 机数控系统。 移植是把某一领域的成熟理论和方法应用于另一领域。将力学方法 应用于生物学，开创了生物力学学科。将信息技术和其它高新技术引 入制造过程，便出现了先进制造技术。
altshuller22122122122112级企业34级企业创新主要依靠个人经验和灵采用高效率的创新方法只利用行业内已知知识进行产品设充分借鉴多学科多领域的知识进行产品设计智力资产缺乏保护很好地实现了对企业智力资产的保护和再利用研发投入占销售收入比重普遍在3以下研发投入占销售收入比重大于10来自创新的收益在15以下50以上的收益来自于创新不同创新能力等级企业对比221221目前国内企业创新能力有待提高仅为1到2级而美国企业的能力普遍在3到4级因此国内企业急需一个好的创新方法使企业自身的创新能力从2级提升到3级使企业的业绩提高一个数量级14定义定义创新设计通常是指不同于以往的设计创新设计通常是指不同于以往的设计可能是一种全新的可能是一种全新的创新设计的两个基本特征
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2.2.2 创造性思维模式
形象与抽象思维
抽象思维
抽象思维是以抽象的概念和推论为形式的思维方式。早在17世纪 初，伽利略就运用抽象思维先于牛顿发现了物体运动的惯性规律。为 了研究物体下落的运动规律，伽利略进行了有名的斜面小球实验。由 此，伽利略发现了物体运动的惯性定律。
分析与综合思维
分析是对问题的明确描述和对问题本质的认识过程。对于复杂问题， 要将其分解为逻辑关系与层次清晰的各级子问题。 综合是分析的反向过程，在求得各子问题的解之后，通过连接构成 整体，实现最终功能和目标。其中连接是关键，通常可以建立多种连 接方式的解域，再通过评价确定最优解。分解与综合过程常常就是一 个创新过程。
现代设计技术
现代设计技术王永强0引言现代设计技术是先进制造技术中的首要关键技术，它是现代科技发展和全球市场竞争的产物。
产品设计是以社会需求为目标，在一定设计原则的约束下，利用设计方法和手段创造出产品结构的过程，如图l 所示。
市场竞争的需要和各种新方法、新技术、新工艺、新材料不断涌现，推动了设计方法和技术的进步，产品设计从传统的经验设计进入现代设计。
1 现代设计的内涵1.1现代设计的特征现代设计是传统设计的深入、丰富和完善，而非独立于传统设计的全新设计。
虽然目前对现代设计尚无确切定义，但可从以下特征来理解。
⑴以计算机技术为核心这是现代设计的主要特征。
计算机技术的飞速发展对设计产生了巨大影响，表现为以下几方面：①设计手段的更新计算机技术推动了设计手段从“手工”向“自动”的转变。
传统设计以图板、直尺、铅笔等作为工具，这种设计手段效率低、人工强度大。
CAD技术的出现和发展，甩掉图板的“无纸设计”作为现代设计的主流，显著提高了设计效率。
②产品表示的改变计算机技术推动了产品表示从“二维”向“三维”的转变。
传统设计利用投影原理表示产品结构，这种二维表示的数据单一，数据量少，不便于产品的进一步分析和制造。
随着CAD技术的发展，三维“产品模型(Product Model)”越来越得到广泛应用。
这种表示不仅包括反映产品形状和尺寸的几何信息，还可包括分析、加工、材料、特性等数据，从而可直接用于分析和制造。
③设计方法的发展促进了一些新的设计方法的出现，高性能的计算机硬件和先进的软件技术是这些方法实施的保证。
一些先进的设计方法如有限元分析、优化、模态分析等都涉及大量复杂计算，只有计算机技术的发展才能推动这些方法的进步和应用。
新的设计方法如并行设计、虚拟设计、计算机仿真等。
④工作方式的变化计算机技术促进了设计方式从“串行”到“并行”的变化。
受设计手段限制，传统设计过程采用串行方式进行，即设计任务按时序从一个环节传入下一环节。
随着数据库技术和网络技术的发展，并行设计正得到广泛应用。
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❖ 4. 应用技术
❖ 应用技术是针对使用目的解决各类具体产品设计问题的技术， 如机床、汽车、工程机械、精密机械的现代设计内容可以看作是 现代设计技术派生出来的具体技术群。
❖ ❖ 现代设计已扩展到产品规划、制造、营销、运行、回收等各个
4.
产品设计结果的最优化；
化结果 教会计算机，让计算
5. 产品设计过程的高效化和自机动完效化成化设。和计自过动程化的高
（4）. 现代设计技可靠术性体设计系、安全性设计、动态
现现代代设设计计技技术术的由主4个体不技同术层次的技系 程术统 、所设 绿组计 色设 健成、 设计 壮，模 计、 设计块 、疲 计算化 模劳 和机设 糊设人辅计设计机助、计、工设和反耐程计工求腐设技业工蚀计术设等C计。A、D是
传统设计 技术
现代设计 技术
静态、经验、被动、手工
传统技术难以满足设计的要求。
动态、科学、主动、现代方法和手段 传统设计技术的继承和发展，多专业
和多学科交叉，综合性技术。
（ 3 ）.现代设计技术的引方把利建特入法零用造有，部点理与限实件论实元现或及际及对整测工任边机试况何界中数相产元各据符
种合品具的的有数定离学量散模化性型分的，析性通能过
1. 产品结构分析的定量化； 及计参算数机均分视析为计随算机，变预
根量测据。产基品于的概动设率态计论性目建能标造和、
2. 产品工作状态分析的动态化性模；改能型进及并效要进果求行构分造析数计学算，
模从型而，定应量用地数作学出规产划品
3. 产品质量分析的可靠化； 理质论量和的数可值靠计性算预方测法，
通过计算机求得最优
复习回顾
❖ 1.先进制造技术的特点？
系统性、集成性、广泛性、高精度、实用性 2.本书将先进制造技术归纳为哪几个大
类？ 现代设计技术、先进制造工艺、
加工自动化技术、先进制造生产模式、 现代生产管理技术。
第二章 现代设计技术
2.1 现代设计技术的内涵与体系结构 2.2 计算机辅助设计(CAD)技术 2.3 有限元分析 2.4 现代设计方法
❖ 3. 支撑技术
❖ 支撑技术主要有现代设计方法学、可信性设计技术、试验设计 技术。
❖ 现代设计方法学涉及的内容很广，如并行设计、系统设计、功 能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配制、反求工程、绿 色设计、模糊设计、面向对象设计、工业造型设计等。
❖ 可信性设计是广义的可靠性设计的扩展，主要指可靠性与安全 性设计、动态分析与设计、防断裂2.1 现代设计技术的内涵与体系结构 2.2 计算机辅助设计(CAD)技术 2.3 有限元分析 2.4 现代设计方法
2.1 现代设计技术内涵与体系结构
2.1.1 机械设计发展的基本历程 2.1.2 现代设计技术的内涵和特点 2.1.3 现代设计技术体系结构
2.1.1 现代设计技术的内涵与特点
3DMAX
UG 有限元分析
2.2.2 计算机辅助设计的产生背景
(1) 20世纪50年代 — CAD技术的萌芽期。
1950年美国麻省理工学院研制出旋风型图形显示设备
(2) 20世纪60年代— CAD技术的成长期。
1962年SketchPAD图形系统、首次提出了计算机图形学；1965年美国洛 克希德飞机公司推出CAD/CAM
(1).设计、设计技术的定义
设计：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。
设计技术：设计过程中解决具体设计问题的 各种方法和手段
(2). 设计技术的发展
❖ 传统设计技术
现代设计技术
主要依靠设计者的经验，并参考类 似的机械设计经验，即通过类比分 析的方法进行设计
以电子计算为手段，建立在现代管 理技术之上，运用工程设计的新理 念和新方法，实现计算结果最优化、 设计过程高效化和自动化的设计技 术。
方面，除了必要的传统设计理论与方法的基础知识外，相关的学 科与技术，尤其是制造工艺、自动化技术、系统管理技术、材料 知识与经验及广泛的自然科学知识等也是十分必要的。此外，设 计产品总是以满足社会需求为目的的，因此，设计人员还应具备 政治、经济、法律、人文社会、艺术等方面的知识与素养。
2.2 计算机辅助设计（CAD）技术 2.2.1 计算机辅助设计的基本概念
计算机辅助设计概念
• 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综合计 算机应用技术
2.2.1 计算机辅助设计的基本概念
CAD技术主要功能
• 零件造型、产品装配、工程图绘制、文档设计 • 产品渲染、动态显示 • 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
设计等。
先进制造工艺
材料科学
自动化技术
相
系统管理技术
关 学
自然科学
科
政治经济
与 技
文化社会科学 术
产品的性能试验、可靠性试验、数 应用技术字仿真试验各和产品虚领拟域试知验识等与。技术
支撑技术
现代设计方法学 可信性设计技术
设计试验技术
主体技术
计算机辅助设计技术
市场营销学 ……….
基础技术
传统设计理论 与方法
(3) 20世纪70年代— CAD技术的发展期。
CAD技术、优化设计、有限元分
析现、代虚拟设设计计技和术工体程数系据结库构。框图
❖ 1. 基础技术（理论基础+发展源泉）
❖ 基础技术是指传统的设计理论与方法，特别是运动学、静力学与动力学 、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等 。
❖ 2. 主体技术（主干）
❖ 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。 计算机科学与设计技术结合产生计算机辅助设计、智能CAD(Intelligent CAD，ICAD)、优化设计、有限元分析程序、模拟仿真、虚拟设计和工程 数据库等技术。运用现代设计技术的多种理论与方法如优化设计、可靠性 设计、模糊设计等理论构造的数学模型，来编制计算机应用程序，可以更 广泛、更深入地模拟人的推理与思维，从而提高计算机的“智力”。 因此 计算机辅助设计技术正是以它对数值计算和对信息与知识的独特处理能力 ，成为现代设计技术群体的主干，即主体技术。