现代设计方法

常用的现代设计方法
概念设计
• 概念设计就是根据设计要求，按可行性来考虑各种可能的设计方案，且针对几个 主要约束选择其中一种或几种设计方案，以作进一步详细的设计，如零件结构的设 计、滑润方式的确定、齿轮模数的确定等。
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机械产品的设计不仅有运动功能的要求，而且还有强度和寿命的要求等。单纯 原理方案的设计并不能满足机械产品强度和寿命设计的要求，必须增加构型设计， 即将给定的强度要求和寿命要求等以空间约束的形式给出，通过构型设计来获得既 满足原理综合要求，又满足构型综合要求的机械设计方案。因此，由概念设计获得 的设计方案不再是一张原理草图，而是一张定性的设计图纸。
机械系统结构动态设计
• 机械产品的设计过程，是用创造性劳动来实现人们预期目标的过程。以经验设 计、类比设计和静力设计为主的机械产品，无论在质量或寿命方面都满足不了机械 产品高速、高效、精密、轻型化和自动化的要求。因此，机械产品传统的静态设计 方法逐渐为动态设计方法所取代。动态设计充分体现了机械的实际动态特性，系统 地反映了机械系统振动和响应的全过程。如可在设计阶段较精确地进行动态预算， 在产品设计中解决机械的强度、刚度、振动、噪声和可靠性等问题。机械动态设计 可以显著地提高机械产品的设计水平。
• 设计类型 • 1） 面向装配的设计 • 提高装配的方便性，其设计原则为：减少零件数，采用标准零件，零件的方位保 持不变，采用模块化的部件，设计可直接插入的零件，尽量减少调整过程，等等。 • 2） 面向制造的设计 • 减少零件制造加工的时间和成本的设计。 • 3） 面向检验的设计 • 快速精确地反馈加工过程中的信息，确定产品结构或功能的缺陷。 • 4） 面向维修的设计 • 产品的售后服务。 • 5） 面向回收的设计 • 产品的可拆卸性和材料的选择。
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2性能预测 利用机械振动理论、计算机技术、测试分析技术、相关性理论、稳定性理论、可 靠性理论、概率论与数理统计、优化设计等相关学科进行性能预测。
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3结构动力修改或动态优化设计 在得到反映实际机械结构系统动态特性的数学模型后，进行结构动力修改或动态 优化设计。目前常用人机交互方式进行建模、性能分析，根据设计者的要求进行结 构修改，然后在计算机上进行再分析，多次反复，直到所设计的机械结构满足动态 特性要求，这在很大程度上依赖于设计者的经验和专业知识。还可采用数学规划法 或准则法，在计算机上自动完成结构系统分析的整个动态设计优化过程，从而得到 一个比较满意的动态设计方案。 • 机械结构系统动态设计涉及现代动态分析、计算机技术、产品结构动力学理论、 设计方法学、稳定性分析、可靠性分析等众多学科范围。机械动态设计方法已成为 机械设计人员的一种强有力的设计手段。
现代设计方法
1常用设计方法学简介
1）突变论方法学 事物的突变性是产生突破的机理，有的是孕育性突变，有的则是瞬时性 突变。以突变创造为基础的方法学，称为突变论方法学。 2）智能论方法学 以发挥智能载体（人、机械、生物、有机物等）的作用为核心的方法， 如CAD、CAE、人工智能等。 3）信息论方法学 以历史性与试验性数据为分析依据，取得原始设计参数的方法，如相关 分析、谱分析、方差分析等。 4）系统论方法学 以顾及整体系统功能为前提的分析设计方法，如模式识别法、系统辨识 法、逻辑分析法等。 5)功能论方法学 以保证有效使用期限内设计对象的经济及功能有效为宗旨的方法，如可靠性 设计、功能价值工程、可靠性分析预测等。
模块化设计
模块化设计是一种先进的设计方法，它的核心思想是将系统根据功能分解为若干 模块，通过模块的不同组合，可以得到不同品种、不同规格的产品。它能与CAD技术、 成组技术、柔性加工技术等先进技术密切联系起来，应用到实际产品的设计与制造 之中。 • 模块化设计是将产品中同一功能的单元设计成具有不同性能，可以互换的模块， 选用不同模块，即可组成不同类型、不同规格的产品。模块化设计的原则是，力求 以少数模块组成尽可能多的产品，并在满足用户要求的基础上使产品精度高、性能 稳定、结构简单、成本低廉。显然，为了保证模块的互换，必须提高其标准化、通 用化、规格化的程度。 • •
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6） 面向质量的设计 质量是产品的生命，质量可以理解为产品满足要求的程度。提高产品质量，贯 穿于产品生命周期的各个环节。面向质量设计的主要原则为：产品应易于检查，采 用标准件，图纸标注清楚、规范，尺寸公差设置合理，模块化设计，等等。 • 7） 面向可靠性的设计 • 可靠性指产品在一定的使用条件下，在特定时期内令用户满意地实现其功能的 概率。可靠性与质量密切相关，不考虑质量的可靠性是无意义的，而只考虑质量而 不考虑可靠性的产品缺乏市场竞争力。面向可靠性的设计目的，在于创造出具有可 靠性的、高质量的产品。产品可靠性的指标包括平均失效时间、单位时间内的失效 次数等。决定产品可靠性的因素包括产品的复杂度、零件的可靠性、冗余件与备用 件的使用、可维修性等等。因此，改进产品可靠性的原则为：简化产品结构，增加 排除环境因素干扰的设计（如以密封件避免湿气，以屏蔽罩避免电磁与静电辐射 等），采用标准件和材料，减少导致疲劳失效的设计。常用的方法有减少应力集中 点，采用可锁定的紧固件，提高零件的冗余度. • 。
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机械动态设计能模拟机械实际工况的动态特性，它包括线性、非线性耦合的机 械系统建模，模型的修改和精化，动力分析、动力修改和动态优化设计等过程。
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1机械动态设计的建模 机械动态设计的建模精度取决于设计人员的理论水平和实际经验。一般来说，建 立一个与实际结构动力特性完全相符的数学模型是很困难的。由于实际工程问题极 其复杂，结构系统往往由众多零部件装配而成，存在着各种接合面，如螺栓联接、 滑动面联接，传动系统、结构系统的耦合，固态结构与流体间的耦合、机电间耦合 等等，其边界条件、刚度和阻尼特性在计算时往往难于预先确定，一般是利用基于 动态测试的试验模态分析结果识别不确定的特性参数，通过在结构系统上选择有限 点进行激励，在所有点测量系统的输出响应，并对测量数据进行分析、处理，从而 建立结构系统离散数学的分析模型。这种模型较准确地描述了实际系统，分析结果 较为可靠，在工程界得到了广泛的应用。 • 分析模型确定之后，利用分析模型和试验结果的相关性准则，为了优化结构的 性能，需对分析模型进行局部修改和精化的重分析或部件综合分析。分析模型的修 改方法主要有灵敏度修正法、矩阵摄动修正法等。
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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。
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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ຫໍສະໝຸດ Baidu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 • 沉浸型可以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。
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。
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面向产品生命周期的设计是一种设计方法学，因此，在设计学与设计方法学等学 术界得到广泛重视。但面向产品生命周期的设计本身不是设计方法，不直接产生设 计方案，而是设计评价分析方法，为设计提供依据。面向产品生命周期的设计的应 用是通过再设计实现产品的优化。面向产品生命周期的设计不仅用于改进产品本身， 而且用于改进与产品相关的过程（如装配过程、加工过程等）和系统。以往当产品 设计完毕，再接着进行过程设计（如加工工艺设计、装配工艺设计等），而面向产 品生命周期的设计强调产品设计和过程设计的同时进行。
面向产品生命周期的设计
• 市场竞争的国际化，促使制造业不断寻求产品开发的新思路、新方法，并致力于 有竞争力的产品的开发。一个典型的例子是，美国企业在承受着日本70年代以后在 汽车、半导体等行业中逐步确立的世界市场优势地位的压力下，积极调整产业结构， 学习和采用新的产品开发思想、策略、方法，如并行工程、虚拟制造、敏捷制造、 精良生产等等，为美国经济在90年代的振兴产生了重要的促进作用。正如生物的诞 生、成长直至消亡构成其生命周期一样，人类有意识地创造出来的人工物，包括各 种产品也被赋予了生命。产品同样具有诞生、成长、消亡的过程，只是产品的诞生 过程被称为产品开发过程，产品的成长过程对应着产品使用过程，产品的消亡过程 即为产品报废与回收处理过程。这些过程构成了产品的生命周期。
模块化设计的特点 • • • • • • • 1产品更新换代快 2缩短了设计和制造周期 3降低成本 4维修方便 5性能稳定可靠 6系统较复杂 7适用于小批量生产
虚拟现实设计及其应用
• 自60 年 代虚 拟 现 实 （ 简 称 VR ） 的概 念 提 出 以 来 ， VR 始 终与 计 算 机 辅 助 设 计 （CAD）、三维图形（3D）和计算机模拟仿真同步发展。VR的主要特点为：交互与实 时，有主动设计功能，如概念设计、产品建摸、生命周期信息管理、多产品和新旧 产品同时开发、资源共享；图形真实感强，有远、近、纵、深的感觉，有声音和触 觉效果。当用户拥有虚拟设计设备时，它可以模仿现实中的物理世界。它与计算机 仿真的差别在于：当软件改变时，VR系统可容易再形成物体的外形结构；VR系统能 在实时条件下工作，并且是交互的或是自适应的；VR系统可给用户造成实体的多种 感觉，并能在计算机3D综合环境中体验很强的现实感。这些是计算机仿真不能实现 的。
2现代设计方法研究的内容
（1）研究设计过程中各阶段的任务与特点，寻求符合设计规律的设计程序。 （2）研究设计中解决问题的合理逻辑步骤和应遵循的工作原则。 （3）分析设计中的思维规律，研究设计人员科学的创造性思维方法和技术。 （4）研究开发型设计、变型设计、反求设计等的特点以及系统工程、创造工程、价 值工程、优化工程、可靠性工程、相似工程、人机工程、工业美学等现代设计理论 与方法在设计中的应用。 • （5）建立各种知识、科学技术原理、技术成果、专利、各种操作、程序、技法、方 • 法等设计信息库。 • (6) 将计算机等先进工具运用于设计步骤、理论、方法中,促进设计自动化 • • • • •