现代设计方法设计方法学
现代设计方法与传统设计方法区别
现代设计方法与传统设计方法区别（1）直觉设计阶段古代的设计是一种直觉设计。
当时人们或是从自然现象中直接得到启示，或是全凭人的直观感觉来设计制作工具。
设计方案存在于手工艺人头脑之中，无法记录表达，产品也是比较简单的。
直觉设计阶段在人类历史中经历了一个很长的时期，17世纪以前基本都属于这一阶段。
（2）经验设计阶段随着生产的发展，单个手工艺人的经验或其头脑中的构思已很难满足这些要求。
于是，手工艺人联合起来，互相协作。
一部分经验丰富的手工艺人将自己的经验或构思用图纸表达出来，然后根据图纸组织生产。
图纸的出现，即可使具有丰富经验的手工艺人通过图纸将其经验或构思记录下来，传与他人，便于用图纸对产品进行分析、改进和提高，推动设计工作向前发展；还可满足更多的人同时参加同一产品的生产活动，满足社会对产品的需求及提高生产率的要求。
因此，利用图纸进行设计，使人类设计活动由直觉设计阶段进入到经验设计阶段。
（3）半理论半经验设计阶段 20世纪以来，由于科学和技术的发展与进步，设计的基础理论研究和实验研究得到加强，随着理论研究的深入、实验数据及设计经验的积累，已形成了一套半经验半理论的设计方法。
这种方法以理论计算和长期设计实践而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。
依据这套方法进行机电产品设计，称为传统设计。
所谓“传统”是指这套设计方法已延用了很长时间，直到现在仍被广泛地采用着。
传统设计又称常规设计。
（3）现代设计阶段近30年来，由于科学和技术迅速发展，对客观世界的认识不断深入，设计工作所需的理论基础和手段有了很大进步，特别是电子计算机技术的发展及应用，对设计工作产生了革命性的突变，为设计工作提供了实现设计自动或和精密计算的条件。
例如CAD技术能得出所需要的设计计算结果资料、生产图纸和数字化模型，一体化的CAD/CAM 技术更可直接输出加工零件的数控代码程序，直接加工出所需要的零件，从而使人类设计工作步入现代设计阶段。
现代设计方法课件
(或者下移大于上移)，使其既能与筛面有较多的相对运动，以确
保其能有较多的机会从筛孔落下，又可以使分离出的短茎秆和断 穗能够从一端流出。当然，在联合收割机上，为了使分离效果更 佳，一般都利用谷物和混杂物空气动力学特性不同，在气流与筛 孔的联合作用下，将谷物与其混杂物分离。抖动输送板则是利用 抖动板的往复运动使物料均匀地被输送到另一端。物料在输送过 程中，没有必要作往复运动，而是单向运动。传统的分析方法列 出了物料运动分析的方程，并且推出了3个特征数：K1， K2 ，
复杂的质点的运动模拟的建立通常是列动力学微分方程和解 微分方程的过程。如果模拟分析结果包括位移，则用解析方法 为好。其结果或者中间过程不包括位移的，则可以根据题意选 择一种简化问题的方法。解微分方程是模拟分析的难点，所列
微分方程常常没有原函数表达式，可以用数值积分或常微分方
程数值解法来近似地解决，其过程需应用计算机。本章中介绍3 种典型实例：质点的线、平面和空间运动模拟。
大以外，同一个体在不同的时间也存在相当大的差异，这就给理
论分析带来了很大的困难。所以，对于农机问题，试验且重复多 点试验是设计后所不可缺少的环节，而传统的理论分析往往只能 得到定性的结论。本课希望在农机的理论分析上借助于计算机， 由定性向定量分析上有所突破。
农机定量分析的成功与否，除了建模的技巧外，在很大 程度上取决于研究对象：如果问题可以归纳为静力学和运动 学问题，特别是机械运动学(刚体运动学)问题，若所作的假设 符合实际，理论分析的结果是可信的，甚至用不着通过试验 来验证。在农业机械上，谷物收获机拨禾轮轨迹、插秧机秧 爪轨迹计算和绘制等都属于这类问题。非机械运动学问题，
理论分析结论的实用意义取决于理论模型的仿真程度，而 理论模型的仿真程度取决于个人对所研究对象的熟悉程度、经 验、分析的技巧和基础知识水平，如果理论工作者对所研究的 对象有比较丰富的实践知识，他在建立模型过程中就能够正确 的选定影响该物理现象的主要因素，从而决定取舍的内容。丰 富的经验使其能把握正确的方向，而分析的技巧和坚实的基础 知识有助于解决分析中遇到的复杂问题，所以农机理论分析是 农机方面基础和专业知识的综合运用。随着农机学科知识的扩 展，除了要求理论工作者具有深厚的数学、力学、计算机软件 和优化原理知识以及运用这些知识的实际能力外，根据所研究 的具体问题的需要，也要掌握一定的物理学、物料力学、热工 学、传热学、流变学、生物化学和电工学知识，无论采取理论 的或是试验的方法进行农机的研究，均需要计算机辅助。
第8章设计方法学
要求 要求 要求 要求 愿望
主动扭矩：max 250 N．m
负载扭矩：max 116 N．m(可调） 离合器脱开力： max 6000N (可调） 被加速惯性矩：1~26 kg．m2 惯性矩可无级提供，至少每级不超过0．1kg．m2
第1次发放
1988年5月20日
华南理工大学
要求明细表 (摩擦离合器试验台)
制定任务要求时，设计师要弄清下列问题：
1) 设计本身涉及哪些问题？
2) 有哪些愿望委托者还未提出来？
3) 任务书所提出的条件是否真实？
4) 哪些开发途径是可行的？
5) 设计要达到什么目标和应具有什么特征？ 6) 哪些特性是不允许存在的？ 7) 哪些产品应被取代？
§8.3.2 编制产品要求明细表 一．对产品要求明细表的要求
愿望
要求 愿望
第1次发放
1988年5月20日
华南理工大学
摩擦离合器试验台要求明细表
要
加工和检查
第2页共2页
负责人
修改
要求/愿望
求
要求 愿望 愿望 愿望 要求 要求 愿望
加工的零件为单件生产 尽量用标准件或外购件 尽可能在本单位加工 尽可能用国产器件 主动轴和从动轴的同心度要检查 飞轮（如果有）要经动平衡 与安全有关的联接要易于检查
图１0-2
产品的生命周期
图１0-3
产品规划进程
§ 8.2.3 产品构思的产生及选择 • 没有产品的构思，就不可能有产品的实体。 要构思一个产品，必须对其进行认真详尽认 真详尽的研究和探索。通过提出一些问题， 并在寻求解答的过程中逐步形成产品构思。 • 提出的问题包括以下几个方面。 • 1．功能方面：顾客有哪些功能方面的要求 ？我们已满足了哪些？ • 2．作用原理方面：能否通过改变现有产品 实现功能的作用原理，从而使产品变得更好 ？ • 3. 结构方面：是否应该小型化？
现代设计方法
现代设计方法在现代设计方法这门课的学习中，老师向我们系统的讲解了多种设计方法，例如优化设计、绿色设计、虚拟设计、等等。
下面我将对自己感兴趣的几种设计方法进行简单的介绍。
一、绿色设计绿色设计(Green Design)，是20世纪80年代末出现的一股国际设计潮流。
绿色设计反映了人们对于现代科技文化所引起的环境及生态破坏的反思，同时也体现了设计师道德贺社会责任心的回归。
在漫长的人类设计史中，工业设计为人类创造了现代生活方式和生活环境的同时，也加速了资源，能源的消耗，并对地球的生态平衡造成了极大的破坏。
特别是工业设计的过度商业化，使设计成了鼓励人们无节制的消费的重要介质，“有计划的商品废止制”就是这种现象的极端表现。
无怪乎人们称“广告设计”和“工业设计”是鼓吹人们消费的罪魁祸首，招致了许多的批评和责难。
正是在这种背景下，设计师们不得不重新思考工业设计师的职责和作用，绿色设计也就应运而生。
1、绿色设计的涵义绿色设计(Green Design)，其涵义与生态设计(Ecological Design)、环境设计(Design for Environment)、生命周期设计或环境意识设计等概念比较接近，其基本思想是：在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小。
2、绿色设计的目的绿色设计的目的，是要克服传统的产业设计与产品设计的不足，使所创造的产品既能满足传统产品的要求，又能满足适应环境与可持续发展的需求。
3、绿色设计的原则三个“RE”原则——Reduce、Recycle、Reuse,即“少量化、再利用、资源再生”的“物尽其能三原则”。
不仅要减少物质和能源的消耗，减少有害物质的排放，而且要使产品及零部件能够方便的分类回收并再生循环或重新利用。
4、绿色设计的内容绿色设计的主要内容包括：绿色产品设计的材料选择与管理；产品的可拆卸性设计；产品的可回收性设计。
现代设计方法及理论
2009-2010 学年第二学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目：现代设计方法及理论学生所在院（系）：机电学院学生所在学科：机械制造及其自动化题目：机械产品方案的现代设计方法及发展趋势第1页（共6页）机械产品方案的现代设计方法及发展趋势科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期缩短，更新换代速度加快。
然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得力不从心，跟不上时代发展的需要。
目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。
为此，作者在阅读了大量文献的基础上，概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法，并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的发展趋势。
根据目前国内外设计学者进行机械产品方案设计所用方法的主要特征，可以将方案的现代设计方法概括为下述四大类型。
1、系统化设计方法系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。
系统化设计思想于 70 年代由德国学者 Pahl 和 Beitz 教授提出，他们以系统理论为基础，制订了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。
德国工程师协会在这一设计思想的基础上，制订出标准 VDI2221“技术系统和产品的开发设计方法。
制定的机械产品方案设计进程模式，基本上沿用了德国标准 VDI2221 的设计方式。
除此之外，我国许多设计学者在进行产品方案设计时还借鉴和引用了其他发达国家的系统化设计思想，其中具有代表性的是：(1)将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。
小人法 现代设计方法
小人法摘要本文简述了设计的概念和内涵，涉及的内容和研究对象。
由于传统设计不能满足人们的需要，对比传统设计和现代设计，进一步提出现代设计的目标和特点。
最后介绍了现代设计的经典理论——TRIZ理论，主要详细介绍了小人法，以及小人法的应用举例。
1.设计的概念和内涵“设计”一词有广义和侠义两种概念。
从广义上来讲，设计就是将人类的理想变为现实的实践活动。
从侠义上来讲，设计是指完成满足一定客观需求的技术系统的活动，该技术系统包括图纸、软件程序、其他技术文档等。
从一般意义上来讲，技术系统是指完成某个特定功能或职能的各个事物的集合，产品就是人造技术系统。
产品设计即属于“设计”侠义概念的范畴。
关于设计的含义，可以综合理解为：为了满足人类社会的要求，将预定的目标通过人们的创造性思维，经过一系列规划、分析和决策，产生载有相应的文字、数据、图形等信息的技术文件，以取得最满意的社会和经济效益。
然后，或通过实践将设计转化为某项工程，或通过制造将设计转化为产品，造福于人类。
产品设计过程从本质上来说就是创造性的思维与活动过程，是将创新构思转化为有竞争力的产品过程。
随着科学技术和生产力的不断发展，设计和设计科学也在不断向更深更广的层次发展，其内容、要求、理论和手段都在不断更新，设计的内涵和外延也都在扩大。
设计不再仅仅是考虑构成产品的物质条件和能够满足的功能要求，而是综合了经济、社会、环境、人机工程学、人的心理、文化层次等多种因素的系统设计。
从设计内容上看，设计贯穿了产品从孕育到消亡的整个生命周期，涵盖了需求获取、概念设计、技术设计、详细设计、工艺设计、营销设计及回收设计等设计活动，并把实验、研究、设计、制造、安装、使用、维修作为一个整体来进行规划。
当今世界，由于科学技术的飞速发展，新的领域不断被开辟出来，新技术不断涌现，促进了经济的高速发展。
同时，也是企业间的竞争日益激烈，而且这种竞争已成为世界范围内技术水平、经济实力的全面发展。
现代设计方法学重点
第一章1、产品的广义综合质量：包括Q质量、C成本、T时间、E环境、S服务等2、设计范畴在不断扩大如何理解：传统设计通常只限于方案设计和技术设计，然而计算机技术的飞速发展与广泛应用深刻影响着产品设计开发过程、制造过程、营销及售后服务过程，同时也促进着这些过程的交叉融合，使设计内容与边界不断扩展：产品规划——制造过程的工艺、检验、试验、包装、运输、营销、市场策划、产品运行、维护、使用、报废、回收——全过程全生命周期各个环节的设计（产品全生命周期设计）。
3、现代设计和传统设计的相对性：人们把当前认为先进的那部分系统称为“现代的”，而其余的都自然成为“传统的”；若干年后目前的现代部分就可能被新发展的东西所取代而成为传统的。
设计方法也一样，也有传统的和现代的之分，而且不断由传统走向现代。
例如：CAD技术，相对于可靠性设计、疲劳设计等，可以认为是一种现代设计方法；但也有传统CAD技术和现代CAD技术之分。
1）传统CAD技术，主要指计算机辅助绘图。
2）现代CAD技术中，计算机能够为设计提供图形支持以外的更多更广泛的支持，如概念设计、产品数据管理PDM、分析、决策、预测、仿真等。
3）现代CAD技术包括了CAD技术在集成化、网络化、智能化方面的最新成就。
如：CAD/CAM/CAE/CAPP/CAQ, ICAD (Integrated CAD)、网络化协同设计、智能设计。
4、网络化设计：一种新兴的产品设计方式。
目的：使分布在不同地点的产品设计人员以及其他相关人员，通过网络，采用各种各样的计算机辅助工具，协同地进行产品设计活动，实现产品信息的共享和交换、设计方案的讨论、设计结果的检查与修改，使产品设计工作能够跨越时空进行。
5、绿色设计：1）基本思想：在设计阶段就将环境性能作为产品设计目标和出发点，力求对环境的影响最小。
2）措施：通过合理的材料选择和结构设计等措施，使产品具有良好的可拆卸性、可维护性、可回收性、重复利用性。
现代设计方法
8.有效寿命：设备处于最佳工作状态的时间，这个时期是系统主要的工作期，设备工作时间长、失效率恒定，处于最佳工作状态
设计方法学研究的内容包括哪些方面：
1设计对象
2设计过程及程序
3设计思维
5—5.试述浴盆曲线的失效规律和失效机理。如果产品的可靠性提高，那么，浴盆曲线将有何变化？
（1）失效分三个阶段：1）早期失效期：早期失效期一般为产品试车跑合阶段。在这一阶段中，失效率由开始很高的数值急剧地降到某一稳定的数值。引起这一阶段失效率特别高的原因是材料缺陷、制造工艺缺陷、检验查错等。2）正常运行期：正常运行期又称为有效寿命期。在此阶段内发生的失效一般都是由于偶然因素引起的。3）耗损失效期：耗损失效期出现在产品使用的后期。耗损失效主要是产品经长期使用后，由于疲劳、磨损、老化等原因，已接近衰竭，从而处于频发失效状态，使失效率随时间推移而上升，最终导致产品的功能终止。
现代ＣＡＤ技术：
现代ＣＡＤ技术是指在复杂的大系统环境下，支持产品自动化设计的设计理论和方法,设计环境，设计工具的各相关技术的总称，它能使设计工作的实现集成化，网络化和智能化，已达到提高产品设计质量，降低产品成本和缩短设计周期的目的。
功能：
功能是对于某一产品的特定工作能力的抽象化描述。每一件产品均具有不同的功能，对于工业产品，使用者购买的主要是其实用功能。当人们把机械、设备、仪器看作是一系统时，功能就是一个技术系统在实现某种任务为目标时，其输入输出量之间的关系。
（2）出发点：进行可靠性设计时，往往将常规设计方法中涉及到设计变量（如材料强度、疲劳寿命、载荷、尺寸、应力等）看成是服从某种分布的随机变量，然后根据产品的可靠性指标要求，用概率方法设计得出产品和零件的主要参数和尺寸。
现代设计方法（赵松年华东理工大学）
前言第一章绪论第一节现代设计一、设计的概念二、现代设计的概念三、现代设计的特点第二节机械产品设计一、现代机械二、新产品开发三、机械产品设计的三个阶段四、机械产品设计的一般进程第三节部分现代设计方法简介一、价值工程二、工业产品艺术造型设计三、人机工程四、并行工程五、模块化设计六、相似性设计七、摩擦学设计八、三次设计九、反求工程设计习题参考文献第二章设计方法学第一节概述一、设计方法学的涵义二、设计方法学的研究对象第二节技术系统及其确定一、技术系统二、信息集约三、调研预测四、可行性报告第三节系统化设计一、功能分析二、功能元求解三、方案综合四、设计工具第四节评价决策一、评价目标树二、评分法三、技术-经济评价法四、模糊评价法第五节创新思维与技法一、创造力开发二、创新思维三、创新技法第六节设计实例一、现代设计的目标二、设计实例——专门化数控磨床方案设计习题参考文献第三章优化设计第一节概述一、优化设计的发展及应用二、传统设计与优化设计三、优化设计的数学模型四、优化设计的分类第二节一维搜索一、迭代算法及终止准则二、一维搜索第三节无约束优化算法一、共轭方向法二、梯度法三、共轭梯度法四、牛顿法五、变尺度法（DFP变尺度法）六、小结第四节约束优化算法一、复合形法二、惩罚函数法第五节应用实例一、OPB－1程序库概述二、OPB程序库的使用三、优化设计实例习题参考文献第四章可靠性设计第一节概述一、可靠性的概念和设计特点二、可靠性设计中常用的特征量第二节应力——强度干涉模型和零部件的可靠性设计一、应力——强度干涉模型二、可靠度的计算三、零部件的可靠性设计第三节系统的可靠性设计一、系统逻辑图二、系统的可靠性预测三、系统的可靠性分配第四节机械系统的故障树分析一、基本概念二、故障树的建立三、故障树的定性分析四、故障树的定量分析第五节可靠性试验概况一、寿命试验二、筛选试验三、环境试验四、现场使用试验第六节应用实例习题参考文献第五章有限元法第一节概述一、有限元法的基本思想二、有限元法的应用第二节有限元法的基本步骤一、引例二、有限元法的基本步骤三、总刚度矩阵的特性第三节二维线弹性问题一、单元划分二、形函数三、单元方程四、实现等参变换的条件第四节有限元程序的应用一、前处理二、有限元分析三、房处理习题参考文献第六章机械动态设计第一节概述第二节理论建模方法一、有限元建模法二、单元的动力学方程三、建立整体结构的动力学方程四、边界条件处理五、特征值问题的求解六、应用实例第三节传递矩阵建模法一、用传递矩阵法分析轴的横向振动二、计算固有频率和主振型三、应用实例第四节实验建模方法一、机械阻抗与频响函数二、振动系统频率响应函数图示法三、传递函数测量的模态分析四、不同激励方式的选用五、实模态和复模态的参数识别六、应用实例第五节机械结构动力修改一、结构动力修改准则二、应用应例习题参考文献第七章计算机辅助设计（CAD）第一节概述一、CAD的概念二、CAD系统的功能三、CAD的工作过程四、CAD的特点五、CAD的发展趋势第二节CAD系统的组成原理一、CAD系统的硬件二、CAD系统的软件三、CAD系统的类型及系统选择第三节工程数据的计算机处理一、数据组成二、数据公式化三、数据结构四、工程数据库及其管理系统第四节图形生成与变换一、坐标系、窗口与视区、图形剪裁二、几何造型三、二维图形变换四、三维图形变换第五节应用实例一、设计内容及要求二、CAD系统选择三、系统设计四、结构模块设计五、软件接口设计习题参考文献第八章人工神经元计算方法第一节概述一、什么是人工神经元计算二、人工神经元计算的特点三、人工神经元计算的应用第二节反向传播网络一、网络结构二、网络运算与传递函数三、误差反向传播四、网络训练与测试五、小结第三节应用实例一、人工神经元计算在金属成形中的应用（介面摩擦与材料流动应力的测定）二、人工神经元计算在机器人学中的应用（运动误差补偿）习题参考文献第九章工程遗传算法第一节概述一、什么是遗传算法二、遗传算法的特点三、遗传算法的应用第二节简单遗传算法一、遗传算法的基本算子二、遗传算法的一个简单算例三、遗传算法的数学描述四、参数编码与满足度函数第三节遗传算法的理论基础一、纲的术语二、纲的定理第四节应用实例一、桁架结构优化二、冗余机器人的运动学反向解习题参考文献第十章智能工程第一节概述一、智能工程的定义二、智能工程的基本概念和原则三、智能工程的研究内容和方法四、智能工程与人工智能、专家系统的区别与联系五、智能工程语言及环境第二节知识获取及表达一、知识的概念二、知识获取三、知识表述第三节知识的运用一、知识的推理二、推理实现的基本方法三、推理机的设计四、元推理机的设计第四节专家系统的结构一、基本结构二、元知识系统结构三、元知识在专家系统中的应用四、专家系统的类型第五节应用实例一、智能工程在齿轮减速箱设计专家系统（GBES）中的应用二、功能模块三、GBES系统结构四、GBES的主要功能特点习题参考文献。
现代设计方法
• •
8） 面向环境的设计 面向环境的设计着重考虑产品开发全过程中的环境因素，目的在于尽量减少在 生产、运输、消耗、维护与修理、回收、报废等产品生命周期的各个阶段中，产品 对环境产生的不良影响，如资源衰竭（生物与非生物）、污染（臭氧层破坏、全球 暖化、酸雨、噪声等）、失调（干旱、地表变质等）等等。在充分意识到环境因素 下开发出来的产品，往往不仅对环境产生的不良影响少，而且消耗少、成本低、易 为社会所接受。因此重视面向环境的产品开发的企业能够具有较大的竞争优势。产 品开发中对环境产生较大影响的主要因素包括材料、加工处理、功能、形状、尺寸、 配合与安装等。减少对环境不良影响的设计原则为：设计可重复使用、可回收的产 品及其零件；减少零件数，减少使用材料的种类，如尽量少用玻璃、金属强化塑料 等复合材料；使用压模铭牌使用压模铭牌而不使用铭牌片；设计带有不分离拉环 的饮料罐；等等。 • 与面向环境设计同义的术语包括：可持续开发、生态设计、绿色设计、生命周期 设计、环境意识设计等。
6）优化论方法学 以满意与最佳为目标的分析、设计方法，如优化设计法、方案优化法和 专家系统等。 7）对应论方法学 以相似、模拟分析为途径取得设计参数，如相似设计法、模拟分析法、 仿真技术等。 8）控制论方法学 以控制与动态性能作为深化分析的依据，取得符合客观变化的参数，如 动态分析法、动态优化法、动态系统辨识法等。 9）模糊论方法学 有模糊分析、模糊评价、模糊设计等。 10）反求设计方法学 以先进的产品或技术作为对象进行分析研究，探索掌握其关键技术，在 消化、吸收的基础上开发出同类的创新产品。
•
随着现代设计方法与图形设计能力的发展，计算机实体建模、数据结构及隐藏 面的消除等研究渐趋成熟，VR也越来越具有活力，如有交互式手套控制和商品化的 头盔显示的VR系统，在各领域中的应用日趋广泛。VR是以沉浸和实时交互为主要特 征的，由于沉浸型VR存在投资大的局限性，而且一些领域中对“沉浸”的要求不高， 于是逐步发展成以下VR系统。 • 1沉浸型 • 沉浸型可ห้องสมุดไป่ตู้将现实世界的图像显示成计算机图像，并且将物体的位置和方向反映 到用户的头盔中，使用户以“局内人”的身份而“进入角色”。用户是一个VR的参 与者而不像操作CAD那样，是一个被动的观察者。沉浸型VR还能提供声音和触觉，但 其造价高。这类VR系统在航天行业中对驾驶员的训练特别有效。
现代设计方法(李思益)章 (3)
第3章 创造及创新设计方法
（1）间接性。这里的间接性是指凭借其它信息的触发， 或通过已有知识和信息来认知没有直接感知的或根本不能感知 的事物，并预见和推知事物的发展进程和结果。例如，科学家 感知到了万物之间存在一定的吸引力，但通过思维活动后，才 得出了万有引力定律和公式。
（2）概括性。概括性是指它能略去不同类型事物之间表 面的、具体的差异，从中抽象出共同本质或特征并加以反映描 述。例如，材料或机械零件的强度计算公式就是人们分析、计 算、概括、提炼出来的适应不同材料、结构、工作性能要求的 设计计算准则。
形象思维灵活、新奇，抽象思维严密，发挥各自的优势并 综合运用可获得创新型的成果。
第3章 创造及创新设计方法
2．发散思维与收敛思维 围绕问题的各种信息，从不同方向和角度出发，从多方面 寻求问题的各种可能的解法的思维方式称为发散思维。发散思 维具有流畅（反映敏捷，快速想出各种解法）、灵活（触类旁 通，不受思维定势约束）和独特（打破常规，有特色）等特点。 发散思维是创造性思维的基本形式之一，是创造的出发点。常 用的发散思维方法有横向、纵向、逆向、分合、颠倒、质疑、 对称等。 在大量设想或多种方案的基础上，能提出一到两个被公认 为最好的方案的思维方式称为收敛（集中）思维，它是一种采 用比较、筛选、组合、论证、综合、归纳等进行的思维活动。
第3章 创造及创新设计方法
3.２ 思维类型及其特点 3.２.1 思维的定义及特点 不同学科对“思维”这个概念有着不同的定义。例如，恩 格斯从哲学角度认为：思维是物质的运动形式。心理学认为： 思维是人脑对客观现实概括和间接的反映，它反映的是事物本 质和内部规律。思维科学认为：思维是发生在人脑中的信息交 换。综合对思维的各种各样的解释，可给思维这样一个定义： 思维是人脑对客观现实的反映，是人脑对所接受和已储存的来 自客观世界的信息进行有意识或无意识、直接或间接的加工处 理，从而产生新信息的过程。思维具有如下特点：
现代设计方法学试题：非线性规划题目
1．利用程序求解非线性规划问题求出目标函数在约束条件内的极小点，并求出函数最优值，并判定极小点是否是全局最优解。
2．求解非线性规划问题利用程序求出目标函数的海塞矩阵，以及各阶主子式，并判定该规划是否是凸规划。
3．解非线性规划问题判定，是否是该规划的极值点。
4．求解非线性规划问题求出该规划的极小值，并判定其是否是全局最优点。
5．解非线性规划问题判定该规划是否是凸规划，求出该规划的极小点，并求出在极小点处的函数值。
解答：第一题：答案：所得全局最优解为x =（1.3333 ，0.3333）所得全局最优目标函数值为fx =-8.1111第二题：答案：目标函数f(x)的海塞矩阵为:H0 =1 -1 0-1 2 00 0 1目标函数f(x)海塞矩阵各阶主子式为:f(x)海塞矩阵的1阶主子式= 1f(x)海塞矩阵的2阶主子式= 1f(x)海塞矩阵的3阶主子式= 1由于目标函数以及所有不等式约束函数的海塞矩阵正定，所以该规划为凸规划第三题：答案：所得极值点为x =（1.0000，1.0000 ，-0.5000）所得极值点处最优目标函数值为fx =0.7500第四题：答案：所得全局最优解为x =（0，0，2）所得全局最优目标函数值为fx =-24第五题：答案：目标函数f(x)海塞矩阵各阶主子式为:D0 =1.00000.7500约束函数g1(x)海塞矩阵的各阶主子式为：D1=约束函数g2(x)海塞矩阵的各阶主子式为：D2=约束函数g3(x)海塞矩阵的各阶主子式为：D3=由于目标函数以及所有不等式约束函数的海塞矩阵正定，所以该规划为凸规划，所得的极值点为全局最优点。
所得全局最优解为x =（2，-2）所得全局最优目标函数值为fx = 6。
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热、振动
热、振动、噪声、切屑
坯料
工艺系统
工件
(作业功能)
电源电器 (动力功能)
CNC系统 (控制功能)
传感器 (检测功能)
能量 信息
编程装置
机件 (结构功能)
图2-1 加工中心的功能构成
11
二、技术系统的确定
(一) 信息集约
✓ 1. 情报部门 产品的技术资料及发展趋势，专利情报，行业技术经济
➢ (1)对象目录
提供有关物理、几何、材料、 工艺等设计对象的知识和信息， 设计时按目录选用。表2-2是给 定构件数的约束运动机构的对 象目录。图2-3是根据表2-2中所 选机构设计的几种铆机方案， 各方案下的编号2、4、7、9与 表2-2编号一致。
例 车床加工零件
把多余材料从毛坯 上分离出去
意义：只有用抽象的概念来表述系统 的功能，才能深入识别需求的本质，
获得合格表面
辨明主题，发散思维，启发创新。
强力磨削
从技术系统的功能出发进行功能原 理设计，还可防止设计人员知识经 车削 验的局限和过早地进入具体方案。
激光加工 成型挤压
冷轧
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总功能的描述要准确、简洁，合理抽象，抓住本质，这样便于 使设计目的明确，思路开阔。
*一般包括下列内容：
①用户的需求，包括产品的功能，质量，外观，价格等 ② 新产品的功能、类型、技术指标、市场寿命周期和对社会
环境的影响，新产品的经济效益和社会效益预测，国内外市 场上同类产品的生产情况和发展趋势等 ③待解决的关键设计、工艺问题 ④开发进度、投资估算和经济分析 ⑤产品开发的必要性和可能性
作为可行性报告附件的设计项目表中列出尽可能定量的 设计要求和设计参数，包括保证产品基本功能的要求与参数， 以及希望达到的附加要求与参数。
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第三节 系统化设计
概念：是将工程设计任务或机电产品看做技术系统， 用系统工程方法进行分析和综合。
一、功能分析
功能概念：是对技术系统中输入和输 出的转换所作的抽象化描述。
19世纪中后期，随着工业革命的发展, 人们开始注意总结工程设 计的规律和方法。
20世纪60年代，随着科学技术的飞速发展和产品竞争的日益剧烈， 各国普遍重视设计环节， 推动了设计方法学的研究。慕尼黑大 学的Rodenacker是世界上第一个被任命为从事设计方法学研究 的教授——“设计方法学之父”。
一般工程系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的系统解。
按照系统分解的原则进行功能分解，可通过较简单的功能元去求 解。总功能可分解为分功能、二级分功能……功能元(能直接求 解)，并用树状的功能关系图（功能树）表达。
2-2
图 丝 杠 冷 轧 冷轧 机 的 功 能 树
轧制 力测量 控制
夹紧松开 坯料
运动 轧辊运动
Know What “本体论”
Know Why “认识论”
Know How “方法论” “实践”
2
设计方法学：是用系统的观点，考虑自然科学、社会科学、
经济科学等各种现代因素，为获得质优价廉有创新的产品，研 究产品的一般设计进程、设计规律、设计思维和工作方法、设 计工具的综合性学科。
特点：目的性、实践性、规律性 意义：
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三、方案综合
功能原理方案综合常用形态学矩阵。矩阵的行数n为功能元 数，矩阵列数为实现一个功能元的不同功能载体数中最多的载 体数m，见表2-l。
表2-1 功能原理方案的形态学矩阵
功能元
功能载体
a
a1
a2
…
ak …
b
b1
b2
…
bk
…
bl
n
n1
n2
…
nk
…
nl
…
nm
n×m的形态学矩阵名义上有n×m个解即n×m个方案，实际
• 设计是为对作业对象完成某种技术过程，产品就是人造技术系 统。
作业对象： 物料、能量和信息。
只有在技术过程中转换了状态，满足了要求，才是作业对象。 满足一定需求的技术过程不是唯一的，因而相对应的技术系统 也是不同的。
例：生产某种形状的金属零件
切削
切削机床
铸造
精密铸机
锻造
精密锻机
轧制
冷轧机
激光成型
4
各国设计方法学研究侧重点
德国：设计的进程、步骤和规律，进行系统化的逻辑分析，并 将成熟的设计模式、解法等编成规范和资料供设计人员参考。 英美：创造性开发和计算机在设计中的应用。 日本：创造工程，自动设计，价值工程。
切记:
(1)再好的设计方法，也不能代替天赋很高或一般的工程师的 作用。
(2)科学的设计方法可以显著提高设计效率和创新水平。 (3)如果设计按死板的模式进行，则设计工作必被市场淘汰， 且毫无个性和魅力。
激光成型机
8
技术过程的确定步骤
① 根据信息集约和调研预测的资料，分析确定作业对象及其主 要转换要求 ② 分析比较传统的和现代的理论和实践，确定实现主要转换 的工作原理 ③ 明确实现技术过程的环境和约束条件．环境是与技术系统 发生联系的外界的总和，包括经济条件、生产条件、技术条件， 社会条件等 ④ 确定主要技术过程和其他辅助过程 ⑤ 根据高效、经济、可靠、美观、使用方便等原则，初步划定 技术系统的边界即工作范围。
力等。
✓ 7. 服务部门 老产品用户意见分析，事故与维修情况分析等。
✓ 8. 公关部门 产品和企业的社会形象，同行的竞争与联合等。
✓ 9. 社会部门 产品与环境污染、节能、资源、动力供应等的关系，产
品进入和退出社会、报废消失、升级换代等的效应等。
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(二)调研预测
1. 市场调研
(1)用户对象：如市场面、用户分类、购买力、采购特点等。 (2)用户需求：如品种规格、数量、质量、价格、交货期、心理与生理 特点等。
20世纪70年代末，出现了由Huhka博士、Andeasen博士及Eder 教授组成的WDK组织。此后，WDK发起并组织了一系列ICED， 参加会议的人员和范围逐渐扩大。
1981年，中国机械工程学会机械设计学会首次排代表参加ICED 罗马会议，此后在国内宣传，并在1983年5月在杭州召开全国设 计方法学讨论会，并成立设计方法学研究组。
有ak×bl×…×nm个方案。方案数太大难以寻优，一般先按以下 方法淘汰大部分一般方案。①各功能元解必须相容，不相容者淘
汰 ②淘汰与国家政策民族习性有矛盾的、经济效益差的解 ③优
先选择主要功能元的技术先进的解。
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四、设计工具
1、设计目录
设计目录提供与设计进程有关的信息，一般由分类、主体、 检索三部分组成，根据内容不同，设计目录可分三种。
自动停止
径向 轴向 旋转
径向 轴向 旋转
取信号 转换 放大 显示
启动 停止 运动
到位 超载
总功能 分功能
分功能
功能元
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二、功能元求解
功能元的求解过程是选择实用的科技工作原理，构思实现 工作原理的技术结构即功能载体。(关键)
1. 选择工作原理
设计人员在选择工作原理时、思维发散是关键。机械设备 的设计不应局限于机械学的范围，电子学、磁学、光学、热 学、仿生学等科技工作原理都应在考虑之列。
情报等。
✓ 2. 研究部门 性能试验，新材料、新工艺，新技术等。
✓ 3. 设计部门 产品性能、规格、造型，各种标准法规，设计方法等。
✓ 4. 制造部门 生产能力，工时，制造工艺，设备，技术数据等。
✓ 5. 销售部门 国家计划、政策，产品寿命周期分析，市场调查，需求
预测经营销售等。
✓ 6. 供应部门 材料和外购件的价格与供应情况，协作厂质量与供货能
(3)产品的市场位置：如质量、品种、规格统计对比、新老产品情况、 市场满足率、产品寿命周期等。
(4)同行：如竞争对手分析，销售情况与方法，市场占有率等。 (5)外购件供应；如原材料、元器件供应质量、价格、期限等。
2. 技术调研
(1)现有产品的水平、特点，系列、结构、造型、使用情况、存在问题 和解决方案等。
6
第二节 技术系统及其确定
一、技术系统
• 技术——人们在变革自然的过程中，为了满足特定的社会需要 而运用的知识、技能、物质手段、规则、方法的总和。
• 技术系统——完成某个特定功能或职能的各个事物的集合，简 称为系统。技术系统可以由子系统组成，也可以由超系统组成
子系统
系统
超系统
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• 设计的目的是为满足一定的需求。例如，为得到某种复杂形状 的金属零件，可通过编程在加工中心上对坯料进行加工。坯料 是作业对象，加工中心是技术系统，所完成的加工过程是技术 过程。
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二、设计方法学的研究对象
设计对象 设计对象是一个能实现一定技术过程的技术系统。
设计进程 设定技术过程及划定技术系统的边界，确定技术系统的
总功能，包括物质功能和精神功能。
设计评价 先根据一定的准则和方法对各方案作出评价，然后按正
确的原则和步骤进行决策，逐步求得最优方案。
设计思维 设计是一种创新，设计思维应是创造性思维。创造性思
(2) 生产能力：如制造工艺水平与经验，动力、设备能力、生产协作能 力。
(3) 供应能力：如开辟资源与供货条件的能力，选择材料、外购件和协 作单位的能力，信息收集能力，存储与运输手段。
(4) 销售能力：如宣传和开辟市场的能力和经验，联系与服务用户的能 力，信息收集能力，存储与运输能力。
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(三)可行性报告
现代设计方法
第二章 设计方法学
1
第一节 概述
一、设计方法学(Design methodology)的涵义
方法：是关于人们认识世界与改造世界的目的、途径、策略、 工具与操作技能这五个层次有机组合的一个选择性系统。 方法学：关于方法的规律的理论。就是对方法的合理性、有效 性、效率与效果进行系统的研究、讨论、分析。 方法论的意义：它不但使你明白什么时候用和如何用锤子或螺 丝刀，它还指导你在面对新的难题时，如何创造新的工具。