现代设计方法及其应用

现代设计方法的应用
为了保证设计质量、加快设计速度、避免或减少设计失误，并适应科学技术发展，使设计工作现代化，引发了现代设计方法的研究。

现代设计方法的特点是动态的、科学的、计算机化的方法。

它将那些在科学领域内得到应用的所有科学方法论应用到工程设计中。

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，产品设计从传统的经验设计进入现代设计。

现代设计的特征是以计算机技术为核心（这是现代设计的主要特征），以设计理论为指导。

传统设计：以生产经验为基础，以运用力学和数学形成的计算公式、经验公式、图表、手册等为依据进行。

随着理论研究的深入，许多工程现象不断升华和总结为揭示事物内在规律和本质的理论，如摩擦学理论、模态分析理论、可靠性理论、疲劳理论、润滑理论等。

现代设计方法：是基于理论形成的方法。

用这种方法指导设计可减小经验设计的盲目性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准确性。

因此，现代设计是以理论指导为主、经验为辅的一种设计。

以计算机技术为核心对设计产生的影响的表现：
①设计手段的更新：推动了设计手段从“手工”向“自动”转变。

②产品表示的改变：推动了产品表示从“二维”向“三维”的转变。

③设计方法的发展：促进了新设计方法出现，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。

新设计方法有：限元分析、优化、模态分析、并行设计、虚拟设计、计算机仿真等。

④工作方式的变化：促进了设计方式从“串行”到“并行”的变化。

⑤设计与制造一体化
⑥管理水平的提高：产品设计是一个复杂的系统工程，设计过程中涉与大量设计数据和设计行为的管理。

数据库技术的发展改变了传统的手工管理模式，各种PDM系统的广泛应用大大提高了设计的管理水平，保证了设计过程的高效、协同和安全。

⑦组织模式的开放：传统的局限于企业内部的封闭设计正在变为不受行政隶属关系约束的、多企业共同参与的异地设计。

现代设计的内涵：“现代设计”就是以满足应市产品的质量、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，以知识为依托，以多种科学方法与技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。

既：以市场需求为驱动，以
知识获取为中心，以现代设计思想、方法为指导和现代技术手段为工具，考虑产品的整个生命周期和人、机、环境相容性因素的设计。

现代设计作为一个研究领域，包含范围极其广泛。

既包含指导设计进程与逻辑规律的设计方法学，也包含能用来提高设计效率和设计质量的各种单项技术（如CAD技术、有限元分析、可靠性设计等），同时还包含有高产品市场竞争优势的技术（如商品化设计、工业造型技术、市场预测与分析技术等），贯穿其中很重要一点就是并行工程的应用。

在产品设计开始就要同时考虑制造、使用与全生命周期的各个因素，另外，对于一个任务，可以以网络技术为基础组织不同制造商来共同完成。

现代设计可以综合理解为：计算机为工具，专业设计技术为基础，网络为效率，市场为导向的一种综合设计理念，其实现没有固定的模式。

1、现代设计方法在汽车设计中的应用
现代设计方法以形态学为分类手段，以方法学为思想指导，其具体内容有很多。

系统工程是以大系统为研究对象的一门跨学科的边缘科学，它以应用数学和电子计算机等为工具，对系统的构成要素、组织结构、信息交换和反馈控制等功能进行分析、设计、制造和服务。

通过各种组织管理技术，使局部与整体之间关系协调配合，以实现系统的最优化。

应用系统工程的观点完成汽车设计，一般可分为3个阶段：（1）信息获取（或称系统分析）；（2）信息处理（或称系统选择）；（3）信息整理（或称系统实施计划）。

汽车设计涉与多种专业学科的各种不同要求，要完成一个成功的设计，必须应用系统工程的观点，全面均衡地、有层次地处理各种不同要求，使设计达到经济和艺术的有机结合。

现代汽车工业，已经把一个企业的全部生产过程（包括设计）作为一个整体，因此可以把它看成一个大系统。

在汽车设计中采用CAD的优点在于：（1）能减少设计计算、制图的时间，缩短新产品的设计和研制周期，适应产品更新换代的需要，提高市场竞争能力；（2）采用CAD系统可以分析多种方案，实现多方案择优；（3）能使设计人员从事务性和重复性劳动中解脱出来，有更
多的时间进行创造性的劳动。

2、虚拟技术在汽车设计中的应用
随着市场竞争的全球化和科技的迅速发展，制造业格局发生了巨大的变化，传统的产品设计开发创新少、耗时多、效率低、成本高，已经不能适应动态变化的市场，虚拟产品开发技术将产品的开发过程，在计算机上进行产品设计、分析、加工等过程，可减少因制作物理模型所消耗的人力、物力和时间，同时提高质量，降低成本，保证产品开发的一次成型，增强企
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业快速适应市场变化的能力。

（1）汽车虚拟设计技术与设计思路虚拟设计是以计算机辅助设计为基础，利用虚拟现实技术发展而来的一种新的设计手段。

虚拟制造强调在实际投入原材料于产品实现过程之前，完成产品设计与制造过程的相关分析，以保证制造实施的可行性。

（2）虚拟设计技术在汽车中的应用虚拟设计技术可以在计算机中实现整车与零部件的概念设计、造型设计、总布局设计、结构设计等，同时对其性能如刚度、强度、固有频率、动态响应与使用寿命和噪声等进行模拟分析，以便在设计阶段就发现并尽可能地解决问题，提高设计一次成功率。

对汽车整车进行虚拟设计过程，包括零部件的三维建模、虚拟装配和产品的外观造型。

（3）现代设计方法中的CAD／CAE技术来对汽车相关产品的结构进行分析。

CAD就是计算机辅助设计，一个完整的CAD系统，应由人机交互接口、科学计算、图形系统和工程数据库等组成。

CAE是用计算机辅助求解的一种近似数值分析方法。

它可分析计算复杂工程和产品结构强度、刚度等力学性能，也可对结构进行优化设计等。

CAD系统的核心思想是结构的离散化。

随着计算机的飞速发展，结合有限元法，形成了众多商品化的CAD和CAE 软件。

ADAMS即机械系统动力学自动分析软件，用于虚拟样机分析。

ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。

ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以与计算有限元的输入载荷等。

ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块与工具箱5类模块组成。

3、软件之间数据传输技术
ANSYS与ADAMS之间数据传送：ADAMS软件分析对象主要是多刚体，但与ANSYS 软件结合使用可以考虑零部件的弹性特性。

反之，ADAMS的分析结果可为ANSYS分析提供人工难以确定的边界条件。

ANSYS进行模态分析的同时，可生成ADAMS使用的柔性体模态中性文件，即．mnf 文件。

然后利用ADAMS中的ADAMS/Flex模块将此文件调入ADAMS，以生成模型中的柔性体；再利用模态叠加法计算其在动力学仿真过程中的变形与连接节点上的受力情况。

这样在机械系统的动力学模型中就可以考虑零部件的弹性特性，提高系统仿真的精度。

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反之，ADAMS进行动力学分析时可生成ANSYS软件使用的载荷文件，即．lod文件，利用此文件可向ANSYS软件输出动力学仿真后的载荷谱和位移谱信息。

ANSYS可直接调用此文件生成有限元分析中力的边界条件，以进行应力、应变以与疲劳寿命的评估分析和研究，这样可得到基于精确动力学仿真结果的应力应变分析结果，提高计算精度。

4、总结
汽车零部件设计中通过CAD软件的三维模型建立后，CATIA修饰零部件各部分结构时，利用消隐、渲染和着色功能，按一定方向选择光源，改变背景色和零件颜色，用光源参数控制光源，给模型赋予各种颜色和材质，让模型表现出塑料和金属的质感、各种色度和光泽感，得到生动逼真的效果图。

然后再通过CAE软件对设计好的软件进行载荷受力分析与动力学分析从而能够得到该零件的设计是否符合实际的应用。

设计方法是使产品满足以与判断产品是否满足设计原则的依据。

现代设计方法是基于设计理论形成的，因而更具科学性和逻辑性。

但一些方法还有完善和发展的过程，所以现代设计方法还不能完全取代传统设计方法，一些行之有效的经验方法目前仍在广泛使用，它们仍是现代设计方法的重要组成。