现代设计与创新设计(精)

2.1.4
现代设计方法简介
2.1.4.1 优化设计
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优化设计是现代设计方法的重要内容之一，它以数 学规划为理论基础，以电子计算机为工具，在充分考虑 各种设计约束的前提下，寻求满足某些预定目标的最优 设计方案。优化设计建立在最优化数学理论和现代计算 技术基础之上，其任务是应用计算机自动确定工程设计 的最优方案。优化设计的关键是建立数学模型和选择优 化方法。
美国的学者强调“创造性设计”，提倡设计中创造 能力的开发，把设计活动分为创造—分析—决策三个步 骤。在美国的设计工作中,产品设计图纸基本上由计算机 绘制，设计者可以摆脱常规的技术工作，集中精力进行 创造性设计。我国对现代设计方法的研究是从上世纪80 年代开始的，通过派留学生到国外进修学习和请国外专 家来讲学，组织各种类型的讲习班，培训班、开展国内 外学术交流等，来推广和普及现代设计的基本知识。由 于世界各国对设计方法的研究越来越重视，目前已成为 一项国际性学术活动。有关国家组织了关于现代设计方 法的国际会议，比如国际工程设计会议（ICED）就是其 中之一。
现代设计主要面向功能目标，将技术、经济和社 会环境因素结合在一起统筹考虑，把设计作为系统工程 对待，强调创造能力的开发，注重综合分析的设计，重 视设计方案的选择，考虑对多种方案的评价，其思维方 式是发散型的思维。现代设计是学科综合化、统一化在 方法科学上的一次突破，它是一门新兴的交叉学科。现 代设计与传统设计比较，有下列几个特征： （1）系统性。把设计对象看作一个系统，同时考虑 系统与外界的联系，用系统工程概念进行分析和综合， 通过功能分析、系统综合等方法，力求系统整体最优， 使人机之间的功能相互协调。 （2）创造性。现代设计强调创造能力开发和充分发 挥人的创造性；重视原理方案的设计、开发和创新产品。 只有创新才能有所发明。但是，今天的科学技术已经高 度发展，创新往往是在已有技术基础上的综合。有的新 产品是根据别人的研究实验结果而设计，有的是博采众 长，加以巧妙地组合。
在设计过程中要求寻找出使目标函数取得极小值（或 极大值）的设计方案。
③约束条件 约束条件是对设计变量的取值给予某些限制的数学 关系式。约束条件可分为边界约束和性能约束两类。边 界约束是考虑设计变量的取值范围，而性能约束是由某 种性能设计要求推导出来的一种约束条件。此外，约束 条件又可分为等式约束和不等式约束两类。工程中实际 优化问题的数学模型可表示为： 求X=[x1,x2,….,xn]T，使 minf(X)=f(x1,x2,….,xn) XRn s.t. gi(X)0 (i=1,2,…,p) hj(X)=0 (j=1,2,…,q)
第2章
机械现代设计 与创新设计
2.1 现代设计的概念
2.2 创新设计
2.1 现代设计方法
2.1.1 现代设计的概念 2.1.1.1 设计 人类在改造自然的历史长河中，一直都在不断地进 行设计活动。设计是复杂的思维过程，设计过程蕴涵着 创新和发明的机会。设计是根据客观的需求，提高人们 的创造性思维，将指定的任务转化为满足该任务要求的 技术系统的一种活动。设计不仅只是围绕产品图纸和有 关文件进行的一系列工作，其目的是将预定的目标，经 过一系列规划与分析决策，产生一定的信息（文字、数 据、图形），形成设计。设计是把各种先进技术转化为 生产力的一种手段，是先进生产力的代表，反映了社会 的生产力水平。
（7）寿命论方法，如可靠性和价值工程等。 （8）离散论方法，如有限元及边界元方法等。 （9）模糊论方法，如模糊评价和决策等。 （10）突变论方法，如创造性设计等，它是现代设计 法的基础。 （11）艺术论方法，如艺术造型等。
CAD等许多专题的培训班和讨论会，并在高校开设 有关现代设计方法等专题课程。德国、瑞士的学者比较 重视设计程序的研究：明确设计任务，对设计任务进行 抽象化的功能分析和求解（设计目录），将开发新产品 的内容要求转化为产品图纸。这种方法思路清晰。 英国自1963年开始提出工程设计思想后，广泛开展 设计竞赛，加强设计过程中的创造性开发和技术可行性、 可靠性、价值分析方面的研究，从而改变了设计水平低 的局面。 日本自1960年以来开始有关现代设计方法的研究， 提高设计人员素质，开展工程技术教育。现在日本在产 品开发中的更新速度受到全世界的关注，其产品的竞争 能力已给许多国家造成巨大威胁。
2.1.1.2 传统设计与现代设计
传统设计即常规设计，传统设计分为初步设计、技 术设计、施工设计三个步骤。传统设计往往采用类比法、 经验法、模仿法，它的思维方式是收敛式思维，多是利 用设计手册中有关数据，采用较大安全系数，强调零部 件计算。传统设计法的优点是比较简单，设计费用低廉。 传统设计面向的问题偏重于技术。 现代设计是将传统设计中的经验、类比法设计提高 到逻辑的、理性的、系统的新设计方法，是在静态分析 的基础上，进行动态多变量的最优化。现代设计既体现 了更高层次的学科，又是方法科学。
2.1.2 现代设计方法的特点和范畴 现代设计方法是现代广义设计和分析科学方法学的 简称，现代设计方法实质上是科学方法论在设计中的应 用。冠以“现代”二字是为了强调以引起重视，其实有 些方法也并非是现代的。经分析，可归纳为下列具有普 遍意义的方法： （1）信息论方法，如信息分析法，技术预测法等， 它们是现代设计方法的前提。 （2）系统论方法，如系统分析法，人机工程等。 （3）控制论方法，如动态分析法等。 （4）优化论方法，如优化设计等，它是现代设计法 的目标。 （5）对应论方法，如相似设计等。 （6）智能论方法，如计算机辅助设计、计算机辅助 计算等。
（3）综合性。在设计过程中，综合考虑、分析市场 需求、设计、生产、管理、使用、销售等各方面的因素； 综合运用优化及系统工程、可靠性理论、价值工程、技 术等学科的知识，探索多种解决设计问题的科学途径。 （4）程式性。研究设计的一般进程，包括一般设计 战略和用于设计各个具体部分的战术方法。要求设计者 从产品规划、方案设计、技术设计、施工设计到实验、 试制，按步骤有计划地进行设计。
（1）优化设计的数学模型 设计变量、目标函数和约束条件是优化设计数学模型 的三个要素。 ①设计变量 设计变量是一些相互独立的基本参数。基本参数是一 些对该项设计性能指标好坏有影响的量。设计时，设计变 量是待定的参数。若有n个设计变量，一般表示为：
X=[x1,x2,….,xn]T ②目标函数 目标函数是设计变量的函数，即 f(X)=f(x1,x2,….,xn)