现代设计方法综述及在灌注桩抽芯钻机上的应用

现代设计方法综述及在灌注桩抽芯钻机上的应用

摘要：现代设计是传统设计活动的延伸和发展，是传统设计的深入、丰富和完善。随着计算机技术等现代高新技术的高速发展以及设计实践经验的逐步积累，设计工作包括机械产品的设计过程产生了质的飞跃，这种有别于传统设计方法的新兴理论与方法称为现代设计。现代设计方法以计算机辅助设计技术为主体，以满足产品的质量、性能、时间、成本、价格等综合效益最优为目的，它不仅指设计方法的更新，也包含了新技术的引入和产品的创新，既是新兴理论，亦是相关高新技术。本文亦对现代设计方法在灌注桩抽芯钻机设计上的应用，从而更好地理解其在现代设计上重要作用。

关键词：现代设计；现代设计方法；发展趋势；灌注桩抽芯钻机

1 现代设计的由来

设计是把一种计划、规划、设想通过视觉的形式传达出来的活动过程，是具有高级思维能力的人的本能。人类为了适应生存环境和发展自身，出现了各种精神上和物质上的需求，为了满足这些需求，人们需要通过创造性的思维产生构思，并采取一定的技术途径实现这些构思，改造世界，创造文明，创造物质财富和精神财富，这个过程就是设计。因此，可以说从人类诞生之日，就孕育了设计的萌芽，设计活动就是人类文明的创造活动，它不论是在精神财富还是在物质财富的创造中都起到了重要作用。人类最基础、最主要的创造活动是造物。设计便是造物活动进行预先的计划，可以把任何造物活动的计划技术和计划过程理解为设计。

随着工业革命的到来，生产方式发生了巨大变化，促使人们加强了设计基础理论和各种专业产品设计的研究，以提高设计水平；同时还加强了零件的标准化、部件的通用化以及产品的系列化研究，以进一步提高设计的速度、质量，降低设计成本。在计算机出现以前，人们就已经把各种产品设计的经验总结成有关的设计理论、设计步骤和设计手册等，这种设计通常称之为传统设计。

随着科学技术的发展和人们需求的不断提高，促使设计的内涵和外延不断深化和扩展。从20世纪60年代末开始，设计领域相继出现了一系列新的设计思想、理论与方法，使设计变得更加科学、理性和高效，为了与之前相对经验的、感性的、以人工为主的传统设计相区别，人们称之为“现代设计”。

2 现代设计方法

现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在涉及领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。它是以设计产品为目标的一个总的知识群体的总称。目前它的内容主要包括：优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、工业艺术造型设计、虚拟设计、疲劳设计、三次设计、相似性设计、模块化设计、反求工程设计、动态设计、有限元法、人机工程、价值工程、并行工程、人工神经元计算方法等。在运用他们进行工程设计时，一般都以计算机作为分析、计算、综合、决策的工具。本文以计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、有限元法、工业艺术造型设计、设计方法学、三次设计等为例来说明现代设计方法的基本内容与特点。

2.1 计算机辅助设计

计算机辅助设计（Computer Aided Design)，简称CAD。他是把计算机技术引入设计过程并用来完成计算、选型、绘图及其他作业的一种现代设计方法。计

算机、绘图积极其他外围设备构成CAD硬件系统，而操作系统、语言处理系统、数据库管理系统和应用软件等构成CAD的软件系统。通常所说的CAD系统是只由系统硬件和系统软件组成，兼有计算、图形处理、数据库等功能，并能综合利用这些功能完成设计作业的系统。

2.2 优化设计

优化设计（Optimal Design）是把最优化数学原理应用于工程设计问题，在所有可行方案中寻求最佳设计方案的一种现代设计方法。

在进行工程优化设计时，首先把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。

在建立优化设计数学模型的过程中，把影响设计方案选取的那些参数称为设计变量；设计变量应当满足的条件称为约束条件；而设计者选定来衡量设计方案优劣并期望得到改进的指标表示为设计变量的函数，称为目标函数。设计变量、约束函数、目标函数组成了优化设计问题的数学模型。优化设计需要把数学模型和优化算发放到计算机程序中用计算机自动寻优求解。常用的优化算法有：0.618法、鲍威尔（Power）法、变尺度法、复合型法、惩罚函数法。

2.3 可靠性设计

可靠性设计（Reliability Design）是以概率论和数理统计为理论基础，是以失效分析、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。

可靠性设计的基本内容是：选定产品的可靠性指标及量值，对可靠性指标进行合理的分配，再把规定的可靠性指标设计到产品中去。

2.4 有限元法

有限元法（Finite Method）是以电子计算机为工具的一种数值计算方法。目前，该方法不仅能用于工程中复杂的非线性问题、非稳态问题（如结构力学、流体力学、热传导、电磁场等方面的问题）的求解，而且还可以用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力学分析，并能准确地计算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利分析工具。

2.5 工业艺术造型设计

工业艺术造型设计时工程技术与美学艺术相结合的一门新学科。他是旨在保证产品使用功能的前提下，用艺术手段按照美学法则对工业产品进行造型活动，包括结构尺寸、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。实用和美观的最佳统一是工业艺术造型的基本原则。

这一学科的主要内容包括：造型设计的基本要素、造型设计的基本原则、美学法则、色彩设计、人机工程学等。

2.6 反求工程设计

反求工程设计（Reverse Engineering）是消化吸收并改进国内外先进技术的一系列工作方法和技术的总和。它是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，已进行消化仿制、改进或发展、创造新产品的一种方法和技术。它是针对消化吸收先进技术的系列分析方法和应用技术的组合。5.现代设计理论与方法的发展趋势

为了提高产品的设计质量，科技工作者深入研究了各种设计方法，获得了许