现代设计方法1

3、设计系统
三、系统建模
实物模型或缩尺模型 抽象模型
◆建模：建立准确描述系统特征和行为的数
学模型等抽象模型的过程，即从看起来杂乱无 章的实际工程问题中，抽象出恰当的数学关系
提炼、分析、归纳、翻译 归纳总结与演绎推理相结合 ☆ 明确目的 ☆ 确定组成要素 ☆ 验证模型
课程目的与任务：
本课程应起到为有关专业课提供现代设计方法手 段的作用。本课程主要阐述机械工程中常用的现代 设计方法。重点讲授优化设计。
按照客观事物本身的系统性，始终以整体与部分、部分与部分、 整体与环境的相互联系、相互作用、相互制约的关系中，综合地、精 确地考察研究对象，以达到最佳处理问题的目的
☆处理具体系统问题的系统分析和系统工程方法-----特殊
系统分析是一般系统方法在科学决策中的具体应用，是在一般系 统方法的指导下，对某些具体系统进行数量分析的决策方法。系统分 析的要素，亦即系统分析的主要项目，包括目的、可行方案、费用、 效益、模型、评价标准等
（3）产品质量分析的可靠性化；（可靠性设计） 在产品的质量分析中，虽然传统设计方法能用安全系统法作 出零部件不发生破坏（失效）的计算，但是当零部件的几何尺寸、 工作应力、强度等参数具有较大的离散性时，因为这种方法未能 考虑零部件的失效概率，所以即使安全系数大于1也可能发生失效。 因此传统的设计方法的安全系数法不能定量的给出产品质量的可 靠性预测。 而现代设计方法中的可靠性设计法，根据实际情 况，把零部件或整机的各种性能参数（具有离散性的参数）均视 为随机变量，应用概率论建造数理统计模型并进行分析计算，这 样可以定量作出零部件或整机的可靠性预测。 目前，国家机械电子工业部规定，我国机电产品设计的原则是可 靠性、经济性和适应性三性统筹，在新产品鉴定时必须要有可靠 性设计资料和实验报告，否则不能通过鉴定。如今可靠性的观点 和方法已经成为质量保证、安全性保证、产品责任预防等不可缺 少的依据和手段。

4）机械工程、机械工业的企业管理发生根本 性的变化：从以产品为主的管理发展到以面向 市场信息为主的管理，并依靠建立在市场信息 基础上的管理来实现企业与客户之间的相互沟 通。过去主要是注重产品的质量，企业的管理 主要集中在产量、产品的质量上；现在，企业 在关注产品质量的同时，更多的关注市场需求， “客户需要什么样的产品，就设计什么样的产 品”。 这些变化引起人们开始新的思考、新的认 识，现代设计方法这门课程就是这些变化的结 果，它是一门符合现代市场经济、知识经济时 代发展需要的一门课程，作为一名大学生必须 了解和掌握有关现代设计的思想和方法，通过 这门课程的学习主要了解现代产品设计的主要 方法，从思维观点发生质的变化，为今后的工 作打下一定的基础。

（2）产品工况分析的动态化；（有限元法） 在产品结构分析中，传统的设计方法虽然能 对结构简单的零部件，利用材料力学和弹性力学 的计算公式作出近似的计算，但是对复杂结构的 零部件或整机却只能进行定性或类比的估算。 而现代设计方法在传统设计方法基础上引入 了有限元方法，依靠计算机不但对结构简单的零 部件能作出更为精确的计算，而且对结构复杂的 零部件或整机也能进行较为精确的计算。（定量）
（5）产品设计过程的高效化和自动化。（计算机辅助设 计） 传统设计方法的设计过程要消耗设计者大量的脑力和 体力劳动，并且存在许多重复性的劳动，而最后确定的设 计方案也只是一种可行的方案，并不是最优的方案。 而现代设计方法的设计过程是以计算机为手段，利用 计算机中的专家系统确定设计参数和方案，使用有限元法、 可靠性设计法、动态设计法等对其进行分析计算，通过优 化设计对设计方案和设计参数进行不断的修改和计算，以 获得最优的设计参数，并利用计算机的输出设备得到最后 的设计结果，从而实现设计过程的高效化和自动化。如果 把设计的零部件和整机的制造信息用计算机编制成工艺规 程软件，并输入到若干加工中心连成一体的柔性制造系统 中，则可完成零部件的加工、部件和整机的装配，从而实 现从产品设计到制造的自动化。
过程：
提出问题明确目标收集资料 分析问题建立模型 优选方案 ★ 前者是后者的方法论基础 后者是前者在使用和实施中的具体表现
◆ 系统工程
★ 分析和处理的科学方法的组织管理技术
一般系统方法在组织管理中的具体应用 ★ 一般系统工程包括组织管理的全过程 系统分析属于系统工程的准备阶段或开始阶段 ★ 理论基础:运筹学和数学、计算机科学和计算技术

1、现代设计手段
(1)计算机辅助设计CAD 计算机绘图 (2)计算机辅助几何建模 实体或曲面模型图 (3)工程分析与计算 CAE --有限元或动力学 (4)智能设计与专家系统
人工智能与神经网络专家系统 提高决策判断能力
(5)数据库管理系统设计
设计数据的集合
2、来自百度文库代设计特征
(1) 设计手段的更新 传动图板、图纸 电子文档 (2)产品表示 二维三维 (3)设计方法的发展
3、现代设计原则
(1) 功能满足 前提 (2)质量保证 性能、可靠、强度、刚度、稳定、动态特性等 (3)工艺优良 可制造性、可装配性、可测试性、 (4)经济合理 较低的开发成本和使用费用 (5) 社会使用（社会价值）
环境友好适应(绿色工程)、人机友好(以人为本)、可维修、 安全性、可安装性、可拆卸、可回收 (6) 管理水平的提高 MIS、PDM、ERP
有限元、优化、模态、并行设计、虚拟设计、计算机仿真
(4)工作方式
串行设计 并行设计院 ＜＜数据库与网络技术
(5) 设计制造一体化 (6) 管理水平的提高 (7) 组织模式的开放
CAPP NC
MIS、PDM、ERP
内部封闭设计多企业异地设计 优势互补、资源共享
传统设计：生产经验、力学、数学公式 静态 现代设计：摩擦学、模态、可靠性、疲劳 动态
◆ 深入研究设计过程本质的基础上，以系统
论的观点研究设计进程(战略问题)和具体设计 方法(战术问题)的科学，是研究产品设计的程 序、规律及设计中思维和工作方法的一门综合 性学科 (1) 符合设计规律的设计程序 (2) 合理逻辑步骤和应遵循的工作原则 (3)分析思维规律，创造性的思维方法和技术 (4)研究各种类型设计 (5)研究设计信息库(设计目录)的建立和应用 (6)设计自动化的实现
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，即所谓的传统设计 阶段。
现代设计是传统设计的深入、丰富和完善。 现代设计：以市场需求为驱动，以现 代设计思想、理论为指导，以知识获取 为中心，以现代技术手段为工具，考虑 产品的全生命周期和人、机、环境相容 性等因素的设计。 借助计算机，应用精度较高的分析方 法（如有限元方法等）进行分析计算， 从大量的可行设计中寻找最优的设计方 案，实现用理论代替经验设计，用精确 计算代替近似计算，用优化设计、绿色 设计代替一般的安全寿命的可行性设计。 其目的是为了提高设计的主动性、科学 性和准确性。
2、设计方法学
20世纪60年代----重视设计理论与方法的系统研究
德国----设计模式的研究 美、英--注重创造性设计的研究 日本----开发创造工程学和自动化设计、
价值工程、工业设计 总结设计规律，启发创造性，采用现代化 的先进理论和方法，使设计过程自动化、合理 化 >>是为了提高设计水平和质量，设计出更 好的产品，以满足社会日益发展的需要
现代设计方法的产生背景（以机械工业为例）： 1）设计理论和实践的变化：过去，机械产品设计理 论主要以力学为基础，在实践上主要以经验作为基础， 现在，作为基础的理论远不止力学，还有系统论、控 制论、信息论、传感理论、信号处理理论、电子学、 计算机等等，作为实践的基础远不止经验，而且还涉 及各有关的学科，同时，自身也在形成自己的学科体 系——制造理论、工艺理论。 2）产品功能要求的变化：过去机械产品功能单一化、 造型简单化、实用化，新的产品在不同程度上都同微 电子技术、微计算机技术相结合，取代、延伸、加强 与扩大人脑的部分作用。机械产品的种类和品种正日 新月异，老的正在脱胎换骨，新的不断问世，几乎 “无所不包”、“无孔不入”。 3）产品制造技术的变化：机械制造技术正在彻底改 造，广泛采用各种高新技术，特别是微电子技术与电 子计算机技术，从数控化走向柔性化、集成化、智能 化，成为现代科技前沿热点之一。
具有系统性、创造性、综合性和程式性
4、现代设计方法的特点



现代设计方法与传统设计方法相比较，主要完成了 以下几方面的转变： （1）产品结构分析的定量化；（优化设计） 传统设计方法设计产品时，通常是在调查分析的基础 上，参照同类或近类产品通过估算、经验类比或简单 试验确定设计方案，然后根据初始设计方案的设计参 数对零部件各项性能要求进行计算，校核各项性能参 数是否满足要求，如果不完全满足，则凭借设计者的 经验或主观判断对有关参数进行修改和计算，直到满 足要求为止，从而获得可行的设计方案。（可行的设 计方案当然有多种） 而现代设计方法中的优化设计法是先根据产品的 设计目标和性能要求构造数学模型，然后应用数学规 划理论或数值计算法，借助于计算机进行求解计算， 从而获得具有最优技术经济效果的最优设计方案。如 各种应用于优化设计的软件有MATLAB、SAS、SPSS 等。
二、现代中的系统科学方法
1、系统论
◆ 以系统为对象，考察和研究整体与局部之间 的相互作用与相互制约的关系，同时最优化方 法求得系统的最佳方案。
相互联系成整体；分解；整体功能性
◆ 系统方法-------系统理论的实际应用 解决对具体系统的认识和管理问题
☆运用系统概念原理来分析和认识事物的一般方法-一般
现代设计方法
C A I课件
吉林大学珠海学院机电系
课程性质：
各专业的技术基础课 学时学分： 32/2
成绩评定：
期末考核成绩占80%（开卷考试） 平时成绩占总成绩的20% （包括出勤、作业） 考试时间： 最后一次课
教材： 《现代设计方法》 赵松年 机械工业出版社
《优化设计》 何忠保 吉林大学出版社
参考文献
(7) 组织模式的开放
内部封闭设计多企业异地设计 优势互补、资源共享
传统设计：生产经验、力学、数学公式 静态 现代设计：摩擦学、模态、可靠性、疲劳 动态
3、现代设计原则
传统方法
经验、类比 静态、少参数
现代方法
逻辑 、推理 、系统 动态、多变量、多方案
当然,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。
[1]陈屹、谢华：《 现代设计方法及其应用 》 [2]孙靖民：《 现代机械设计方法》 [3]周济 ：《机械设计优化方法及应用》 [4]孙靖民：《机械优化设计》 [4]臧勇：《现代机械设计方法》 [5]Daryl L. Logan著，伍义生、吴永礼译： 《有限元方法基础教程》 [6]王勖成、邵敏 ：《有限单元法基本原理 与数值方法》
（4）产品设计结果的最优化；（动态设计） 在产品的工况分析中，由于传统设计方 法受计算手段和测试条件的制约，对产品的 工作状况仅限于静态的计算和动态的估算。 而现代设计方法中的动态设计方法不仅 可以根据动态力学理论建造数学模型，而且 还可以同时利用理论和测试数据建造与实际 工况符合的数学模型，然后利用计算机进行 分析计算，预测出产品的动态性能和改进效 果。 如ADAMS软件、CVI软件（虚拟仪器） 等。
绪
论
一、现代设计方法概述 设计：设计在通俗中说来是把各种先进技
术成果转化为生产力的一种手段和方法。它是从 给出的合理的目标参数出发，通过各种方法和手 段创造出一个所需的优化系统或结构的过程。 设计方法设计中的一般过程及解决具体设计问题的 方法、手段。
传统设计(Traditional Design)：人类的设计
★
在具体处理问题时，把组织和管理的事物 视为系统，运用概率、统计、运筹学、模拟等 方法，经过分析、推理、判断、综合，建成某 种系统模型，通过计算机进行运算模拟，进而 获取最佳方案，求得系统整体的最优规划、最 优管理和最优控制 >>工程系统工程、科研系统工程、军事系统 工程、企业系统工程、社会系统工程等