先进制造技术综述文章

现代设计方法概述

胡文宇

（南京农业大学工学院 车辆工程专业 2013届）

【摘要】：传统的设计是以经验总结为基础， 运用力学和数学而形成的经验、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。现代设计方法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。本文主要介绍了现代设计方法的内容、方法、特点以及发展趋势。现代设计方法对现代产品的设计、开发和制造等有重要指导意义。由于它们对节能、环保、改进产品性能和增加产品市场竞争能力等方面的重要性而受到越来越多的重视。

【关键词】：创新、现代设计、发展趋势、产品特点、概述

0、 引言

现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。它是以设计产品为目标的一个总的知识群体的统称，是为了适应市场剧烈竞争的需要，提高设计质量和缩短设计周期，以及计算机在设计中的广泛应用，于60年代以来在设计领域相继诞生与发展的一系列新兴学科的集成。其种类繁多，内容广泛。

现代设计方法不仅是一种工程活动，而且是一种创造性的智力活动，是一个综合、决策、迭代和寻优的过程。它具有四个方面的特点：(1)设计理论与方法延伸、思维的变化及设计范畴的扩展。(2)多种设计技术、理论与方法的交叉与综合。(3)设计手段的精确化、计算机化、自动化与虚拟化；及并行化、最优化和智能化的设计过程。(4)面向产品寿命周期过程的可行性设计及多种设计实验技术的综合应用等。现代设计与制造过程的正规化、流程化和统一化，极大地提高了工作效率，降低了成本，确保了产品质量。[1]

进入21世纪以来，“现代设计方法”已经发展成为一门新的学科或一个新的技术领域，得到广泛应用。如我们熟悉的优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、有限元法等，这些设计方法已经较为成熟， 形成了完整的设计体系。另外，工程实际中还逐渐出现了许多新的设计思想和设计方法，如：全寿命周期设计、智能设计、快速响应设计、创新设计技术、绿色产品设计技术等，这些设计思想和方法都是随着社会的发展、人们思想观念的更新和科学技术的发展而提出的。由于它们对节能、环保、改进产品性能和增加产品市场竞争能力等方面的重要性而受到越来越多的重视。

1、先进的现代设计方法

一、全寿命周期设计

全寿命周期设计技术是现代设计技术的重要组成部分。设计产品不仅是设计产品的功能和结构，而且要设计产品的全寿命周期，也就是要考虑产品的规划、设计、制造、经销、运行、使用、维修、保养直到回收再处置的全过程。全寿命周期设计意味着在设计阶段就要考虑到产品生命历程的所有环节，以求产品全寿命周期设计的综合优化。可以说，全寿命周期设计旨在时间、质量、成本和服务方面提高企业的竞争力。

全寿命周期设计依赖于各学科、各部门的设计人员相互合作、相互信任和信息共享，通过有效的信息交流，及早考虑产品的生命周期中的所有因素，尽快发

现并解决问题，最终达到工作的协调一致。全寿命周期设计是一个系统集成的过程，它以并行的方式设计产品及其相关过程，力求使设计人员从一开始就自觉地考虑产品整个生命周期从概念形成到产品完全报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户的需求等。

二、智能设计

智能化是设计活动的显著特点，也是走向设计自动化的重要途径。这是因为设计的本质是创造和革新，作为一种创造性活动，设计实际上是对知识的处理和操作。在CIMS环境下，为了提高制造业对市场变化和小批量、多品种要求的迅速响应能力，设计正在向集成化、智能化、自动化方向发展。要实现这一目标，就必须大大加强设计专家与计算机工具这一人机结合的设计系统中机器的智能，使计算机能在更大范围内，更高水平上帮助或代替人类专家处理数据、信息与知识，做出各种设计决策，大幅度提高设计自动化的水平。智能设计就是要研究如何提高人机系统中计算机的智能水平，使计算机更好地承担设计中各种复杂任务，成为设计工程师得力的助手和同事。智能设计是CAD的重要组成部分，它在CAD发展过程中的不同阶段有不同的表现形式，承担不同的作用。

三、快速响应设计

随着市场竞争的加剧，加上现代科技的日新月异使得产品的更新换代不断加快，市场寿命周期不断缩短。在以快交货T(Time) 、高质量Q(Quality) 、低成本C(Cost) 、和重环保E(Environment)去争取市场份额的市场竞争中，缩短交货期，快速响应市场需求，已经成为竞争的第一要素。面对瞬息万变的市场环境，更要求企业具有高度的灵敏性，能抓稍纵即逝的机遇，不断地迅速开发新产品，以吸引顾客，变被动适应用户为主动引导市场，这样才能保证企业在竞争中立于不败之地。在这种时代背景下，市场竞争的焦点就转移到速度上来，快速提高更高的性能/价格比产品的企业，将具有更高的竞争力。因此，实施快速响应工程、采用快速响应设计技术以适应市场环境的变化和用户需求的转移是增强企业市场竞争的有效途径，快速响应工程主要包括以下一些内容：

(1) 建立快速

捕捉市场动态需求信息的决策机制。为提高快速响应能力，企业首先应当能迅速捕捉复杂多变的市场动态信息，并及时作出正确的预测和决策，以决定新产品的功能特性和上市时间。

(2) 实现产品的快速设计。

明确了新产品的开发项目以后，采用快速响应设计技术，实现快速设计是其非常重要的一环。在快速响应设计技术方面，人们提出了并行工程、面向制造、装配、检验、质量、服务等的设计DFX、计算机协同工作支持环境CSCW和功能分解组合的设计思想，这将引起对现代设计方法和CAD发展的新探索。

(3)追求新产品的快速试制定型。

产品开发周期中除了设计以外的后几个环节可以统称为试制定型阶段。在此阶段加快产品的试制、试验和定型，以快速形成生产力，需要尽量利用制造自动化的各种新技术，如FMS、快速成型RP和虚拟制造VM。

(4) 推行快速响应制造的生产体系。

四、创新设计技术

创新是设计的本质，也是设计活动的最终指标。随着科学技术突飞猛进的发展，大量科技成果转化为生产力，产品更新的周期大大缩短，产品的市场竞争也日益激烈。同时，人们消费观念不断变化，一个产品的功能已不再是消费者决定

购买的最主要因素。产品的创新性、外观造型、宜人性等因素愈来愈受到重视，在竞争中占据着突出地位。在这种形势下，创新设计是产品适应新的市场形势的最好途径，创新产品能满足甚至创造出新的需求，因而必然有较强的市场竞争力。

五、绿色产品设计技术

绿色产品是指以环境和环境资源保护为核心概念而设计生产的可以拆卸并分解的产品。其零部件经过翻新处理后，可以重新使用。绿色产品从生产到使用乃至回收的整个过程符合特定的环境保护要求，对生态环境无害或危害极少，可以利用资源再生或回收循环再用。过去判断企业的市场竞争力只需研究其生产成本、生产周期、产品质量就足够了，而如今从可持续发展的观念看，还必须把产品的制造技术和对环境的重视这两点与上述三点以同等重要程度来考虑，也即为了获得市场竞争力，企业必须做到五点: 生产成本低、生产周期短、产品质量高、技术水平高、不影响生态环境，即进行绿色设计。

绿色产品设计是以环境资源保护为核心概念的设计过程，它要求在产品的整个寿命周期内把产品的基本属性和环境属性紧密结合，在进行设计决策时， 除满足产品的物理目标外，还应满足环境目标以达到优化设计要求。

2、普通的现代设计方法

1.1产品数据管理技术(Product Data Managing)

产品数据管理是并行工程中不可缺少的内容，它是设计技术的关键，要求支持产品的整个生命周期，能有效地管理在产品生命链各环节中产生的或者所需要的大量数据和信息，包括工程规范、文档、图纸、产品结构模型、产品设计结果、产品订单、供应商状况以及产品工作流程等，做到将正确的数据或信息在适当时间传递到正确 的位置或给相应的人，这是产品全寿命周期数据管理技术所研究的根本内容。要达到信息的共享，就必然要求建立内容广泛的信息管理系统。目前利用手工管理模式已远远不能满足要求。因此建立以计算机为基础的产品信息系统就显得非常必要和重要了。产品数据管理的功能主要包括项目管理和产品结构与配置管理。

1.2可靠性设计(Reliability Design)

可靠性设计是将概率论、数理统计、失效物力和机械学相结合而形成的一种综合性设计技术。其主要特点是将常规设计方法中所涉及到的设计变量，如载荷、应力、强度、寿命等，所具有的多值现象看成是服从某种分布规律的随机变量，用概率统计方法设计出符合机械产品可靠性指标要求的零部件和整机的主要参数和结构尺寸。

1.3模块化设计（Modular Design）

模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合就可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求。产品模块化的主要目标之一就是以尽可能少的模块种类和数量组成尽可能多的种类和规格的产品。模块化设计相对于传统设计具有以下特点：

(1)减少产品的设计和制造时间，缩短供货周期， 有利于争取客户 。

(2)有利于产品的更新换代和新产品的开发，增加企业对市场的快速反应。

(3)有利于提高产品质量，降低成本，增加产品的市场竞争能力。

(4)便于产品的维修。

1.4计算机辅助设计(Computer Aided Design)

计算机辅助分析简称CAD。它是把人们的经验、智慧和创造力与计算机运算快速准确、存储量大、逻辑判断功能强等功能有机结合起来，进行设计信息处理，发挥人和机器的各自特长，通过人机交互作用完成设计工作的一种现代设计方法，大大加速了设计进程。借助于CAD系统，我们可以将传统设计中的人工资料检索、手工计算和绘图工作用计算机代替， 提高设计质量，缩短设计周期，使设计理论和结果日趋完善。

1.5机械系统设计（Mechanical System Design）

机械系统设计是应用系统的观点进行机械产品设计的一种设计方法。其过程一般包括计划、外部系统设计、内部系统设计和制造销售四个阶段。与传统设计相比，传统设计注重内部系统设计，重点在于改善零件或子系统的特性，而对于各零部件之间、内部与外部统之间的相互作用和影响考虑较少。而当机械系统设计遵循系统的观点后，就将内、外系统和各子系统之间的相互关系综合进行了研究，且通过各子系统得协调工作，取长补短来实现整个系统最佳的总功能

1.6人机工程设计（Man-machine Engineering Design）

人机工程设计是从人机工程学的角度进行机械设计的，处理机械和人的关系，以便使设计满足人的需要。它依据人的心理和生理特征，利用科学技术成果和数据进行设计，以提高产品的生产率和生产质量，降低劳动强度，改进工作条件，以最小的劳动代价换取最大的经济效益，最终达到人机系统的最佳效能。

1.7降低成本设计（Cost reduction design）

也叫面向成本的设计(DFC)，它是在保证功能和质量的前提下，通过降低成本来提高产品经济性以加强竞争优势的设计技术。实践证明，一个新产品的功能和成本水平基本上已在产品设计阶段就确定了，设计不合理引起的产品技术和经济性方面的先天性不足是用生产过程中的质量控制和成本控制措施所无法挽回的。因此，降低和优化产品成本已成为目前众多机电产品开发设计成功的关键 。

1.8优化设计(Optimal Design)

优化设计不同于传统的设计思想，它是在符合一系列限制条件的前提下，应用最优化数学原理求解满足最优结果的设计参数解的一种现代设计方法。因为计算量大，在计算机出现前只是推断，近年来随着计算机的飞速发展该技术有了快速的进 展。在工程设计中，首先要将问题按优化设计所规定的格式建立数学模型，然后选用合适的优化计算方法在计算机上对数学模型进行寻优求解，得到工程设计问题的最优设计方案。近些年来，优化设计与其它一些设计方法结合起来，形成了新的优化设计方法。例如，和可靠性设计结合起来形成可靠性优化设计；和模糊设计结合起来就形成模糊优化设计等 。

3、现代设计方法的特点

一是智能化。大型复杂机械的设计必须完成“分析一分解一综合”的过程。其中包含了大量创造性思维过程和智能活动。

二是经济性。市场的竞争、用户的选择使对产品的经济性要求越来越高。 三是集成化。即树立人一机一体化、机一电一体化、硬件一软件一体化观念，综合多方面测试分析数据指导、评价设计，融多种现代科技成果和技术特别是CAD技术于机械产品之中。

五是精确性。这是机械工程产品复杂度、综合性提高的必然结果，现代先进的计算技术、计算理论和计算分析工具的使用也使之得以迅速提高。借助理论指导设计可减小传统设计中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。

四是绿色环保性。为了我们自身的生存与发展设计领域提出了以节约资源和环境保护为主旨的“绿色设计”的口号，要求设计者在产品的全生命周期设 计中要符合特定环境保护要求，做到对生态环境无害或危害最小、资源利用率最高、能源消耗最低。也就是说，要从产品的全寿命周期考虑产品的环境属性(可拆性、可回收性、可维护性、可重复利用性和人身健康及安全性等)和基本属性，使产品对环境的污染和破坏达到最小。

五是全生命周期设计化。所谓全寿命周期设计，就是在设计时要考虑设计、制造、安装、运行、维修、报废(废品处理和部分再循环使用)每一个阶段中用户的要求。全寿命周期意味着在产品设计阶段就要考虑到产品生命历程的所有环节，以求产品全寿命周期设计的综合优化，从时间、质量、成本和服务方面提高企业的竞争力。

4、现代设计方法的发展趋势

现代设计经过了 100多年的发展历程，越来越走向人性化，将艺术和技术、人和物、自然和规律有效地融合起来。机械现代设计过程可以描述为：需求(含潜在的需求)的确认一技术可能(含联想到的可能解)扫描一矛盾统一设想(概念)的产生一经济、技术分析(贯穿全过程)一设想的优选和确认一结构的优选和确认一材料的优选和确认一加工过程的优选和确认。据此，我们可以总结出现代设计技术发展趋势：

(1)深化以人为本，顾客之上的设计主导思想；

(2)建立在功能性、经济性基础上的设计会越来越体现安全性 、节能性、生态性和社会性的优化设计；

(3)设计不断专业化，细分不同的需求 ，狠挖新产品的开发，更要求开发创新性；

(4)面临环境污染、能源消耗问题的提出，绿色设计会受到更加重视；

(5)人文精神的发展，社会的不断进步，会推动产品设计智能化，增强产品亲合力；

(6)开放式设计 日趋完善，承担设计工作的人员由单人走向小组，由集中走向异地合作化，实现资源共享的并行设计。

总之，未来的现代设计技术会更加注重市场性、经济性、创造性、并行性、系统性、规范性和CAD化。

5、结束语

随着科学技术的发展和社会进步，人们对产品的要求会更高，现代设计方法进一步完善，而新的设计方法也会不断出现，设计手段会进一步提高和丰富。因此应 用动态的、开放的观点来理解现代设计理论体系，并不断将其融合，使得设计过程全面和完善。了解现代设计方法的内容、特点和发展趋势，不断应用现代科技进行产品的开发和企业的不断创新，使之在市场竞争中保持持久的竞争力。

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