现代设计方法第1章-绪论(1)

现代设计方法教 材: 《现代设计方法》,钟志华，武汉理工大学出版社参 考 书: 《现代设计理论与方法》,张鄂，科学出版社 《现代机械设计方法》,藏勇，冶金工业出版社

上机指导书:自编(可以到书店去买，或者自己打印pdf版本)总 学 时：教学46学时+上机8学时 成 绩：期末成绩80% + 平时成绩20%

授课教师：汪朝晖 博士(后) 副教授工作单位：武汉科技大学机械自动化学院机械工程系 联系方式：15697181060 E-Mail:wzhuiboy@ QQ:226638148 介绍

第一章 绪 设计及其内涵 设计发展的基本阶段

论

现代设计与传统设计 现代设计理论和方法

现代产品的设计类型及进程 常用的现代设计方法

1.1 设计与设计过程设计的概念：

广义的概念是指对发展过程的安排，包括发展的方向、程序、细节及达到的目标。

狭义的概念是指将客观需求转化为满足该需求的技术系统(或技术过程)的活动。(机、电产品设计)

设计含义的一些典型提法及其本质：

是一种创造性活动，核心是创造性，没有创新，就不叫设计；

是一种优化过程，在给定条件下针对目标谋求最优解的过程；设计是把各种先进技术转化为生产力的一种手段，它反映当时 设计是一种技术性、经济性、社会性、艺术性的综合产物； 设计是为满足需求而进行的一种创造性思维活动的实践过程；

生产力的水平，是先进生产力的代表；

设计是通过分析、创造与综合，创造性地建立满足特定功能要

求的技术系统的活动过程。

设计过程从本质上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的过程。

设计活动都具有如下特征:

1) 需求性特征 (设计源于需求，没有需求就没有设计；科学研究和工程设计的最大区别)

2) 创造性特征

3) 程序特征(设计活动的过程性，从明确设计任务到编制技术文件所进行的整个设计工作流程：产品规划、原理方案

设计、技术设计、施工设计)4) 时代特征(设计活动受时代的物质条件、技术水平的限制，如设计方法、设计手段、材料、制造工艺…)

1.2 设计方法的发展 从人类生产的进步过程来看，设计发展分为直觉设计、经 验设计、中间试验辅助设计、现代设计四个阶段。 1. 直觉设计阶段 从自然现象中直接得到启示，或全凭人的直观感觉设计制 作工具，设计者多为经验丰富的手工艺人，设计方案存在于 手工艺人头脑之中，无法记录表达，手工艺人间没有信息交 流，设计与制造无法分开。17世纪前基本属于这一阶段，设 计过程是凭当事人的智力和灵感，是一种具有很大偶然性的

自发设计。

2. 经验设计阶段产品逐渐复杂、需求增大，促使手工艺人联合协作，逐渐出现了图纸，开始利用图纸进行设计。一部分经验丰富的人将

自己的经验或构思用图纸表达出来，根据图纸组织生产。17世纪初，数学与力学结合后，开始运用经验公式来解决 设计中的一些问题，并开始按图纸进行制造，如早在1670年就 已经出现了有关大海船的图纸。

3. 中间试验设计阶段20世纪初，对产品采用局部试验、模拟试验等作为设计辅

助手段。通过中间试验取得较可靠的数据，选择较合适的结构，从而缩短了试制周期，提高了设计可靠性。 ① 加强设计基础理论和专业产品设计机理的研究，如材料应 力应变、摩擦磨损理论，零件失效与寿命，为设计提供了大 量信息，如设计数据图表(图册)和设计手册等；

② 加强关键零件的设计研究，特别是加强了关键零部件的模拟试验，提高了设计速度和成功率； ③ 加强了“三化”,即零件标准化、部件通用化、产品系列

化的研究，后来又提出设计组合化。

4. 现代设计阶段设计工作所需理论基础和手段有了很大进步，特别是计算机技术的发展及应用，使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化的条件。如CAD技术、

CAD/CAM技术、CAPP…现代设计阶段产品设计不仅考虑产品本身，还要考虑对系 统和环境的影响；不仅要考虑技术领域，还要考虑经济、社 会效益；不仅考虑当前，还需考虑长远发展。 现代设计阶段要求在设计工作中把自然科学、社会科学、

人类工程学，以及各种艺术、实际经验和聪明才智融合在一起，用于设计中。

传统的设计方法和现代设计方法的比较：

传统设计方法：定性分析、静态分析、 近似计算、经验设计、零部件设计、手 工劳动为特征的设计方法；

现代设计方法：定量分析、 动态分析、精确计算、优化和可靠性设计、整机设 计、CAD为特征的设计方法。

1.3 现代设计理论和方法的主要内容和特点 现代设计理论与方法是以研究产品设计为对象的科学，以计算 机为手段，运用工程设计的新理论和新方法，使计算结果最优

化，设计高效化和自动化。 现代设计理论和方法的内容众多而丰富，由既相对独立又有机 联系的“十一论”方法学构成：

1)信息论方法学(信号处理是现代设计的依据) 2)功能论方法学(功能实现是现代设计的宗旨) 3)系统论方法学(系统分析是现代设计的前提) 4)突变论方法学(突变创造是现代设计的基石)

5)智能论方法学(智能运用是现代设计的核心)

6)优化论方法学(广义优化是现代设计的目标)7)对应论方法学(相

似模拟是现代设计的捷径) 8)控制论方法学(动态分析是现代设计的深化) 9)离散论方法学(离散处理是现代设计的细解) 10)艺术论方法学(悦心宜人是现代设计的美感) 11)模糊论方法学(模糊定量是现代设计的发展)

1.4 现代产品的设计类型及进程 设计类型：

1)开放性设计在全部或主要功能的实现原理和结构未知的情况下，运用成熟 的科学技术成果进行的新型工业产品的设计，是一种完全创新的 设计。

2)适应性设计在主功能实现原理或结构方案保持基本不变的情况下，对产品 作局部变更或增设部件，使之能更广泛地适应使用要求的设计。

3)变型设计在功能原理和结构保持不变的情况下，变更现有产品的结构配 置和尺寸，使之满足不同的工作要求的设计。

现代产品设计的三个阶段：

1)功能原理设计针对产品的功能要求，进行产品原理方案的构思与拟定的过程。运用创新思维并借鉴前人有效的设计经验，把设计要求抽象为 简单模式，以简图或示意图进行方案构思，寻求能满足产品主要 功能要求的原理方案。

2)实用化设计关键工作是将原理方案结构化，转化为具有实用水平的装置，完成从总体设计、零件设计到制造施工的全部技术资料。

3)商品化设计从技术、经济、社会等各方面提高产品的市场竞争能力。

现代产品设计的进程：

产品规划阶段确定任务，给出详细的设计任务书(设计要求)

原理方案设计阶段创新构思，优化筛选，求取理想的功能原理方案，作出新产品 功能原理方案图(简图或示意图)

技术设计阶段总体设计 结构设计(功能)和造型设计(商品化) 优化 结构设 计技术文件、总体&结构装置草图、造型设计文件、总体效果图 、外观构思图 提出新产品的总装、结构转配和造型图。

施工设计阶段完成零件图、部件装配图、造型说明书、工艺文件、使用说明 书等技术文件。

1.5 学习现代设计的意义与任务 降低制造成本，保证产品使用性能和使用寿命，

增强产品的市场竞争力，降低制造与使用能耗，减少制造与使用过程对环境的负面影响，便于资

源回收与再利用，有利于可持续发展。 任务：掌握理论与相关原理，了解其作用与局限 性，解决实际问题。

1.6 常用的现代设计方法 (1)计算机辅助设计计算机辅助设计使设计人员从图板中解放出来，绘图速度 快、质量高、便于修改。它与有限元法和优化设计方法相

结合，可以预测和优化产品的性能，同时又是计算机辅助制造和计算机集成制造系统的前提和基础。近年计算机辅 助设计系统的硬件和软件都有飞速的发展。在软件方面， 参数

化绘图、三维实体造型和特征造型等技术尤其引人注 意。

(2)优化设计优化设计跳出了传统的安全设计的思想。它主要用于解决两类问题，一类是从大量方案中选出可行的最优者，另一 类是为已确定的设计方案选定可行的设计参数。因此，在 工程设计中按照给定的目标，借助于计算机的运算，经过 有限次的探索，寻求最优化方案和设计参数，从而可以获

得最优化的技术经济效果。

(3)有限元法应用有限元法可以预测复杂结构的强度和刚度。其步骤是:首先将复杂结构分割成若干个通过节点相连的单元；然 后将求出的单元矩阵集成为总体刚度矩阵；通过对非节点 载荷和约束条件的处理，写出该结构的总体平衡方程；最 后求出各节点的位移和各单元内的应力和应变。同时，这

种方法也可以扩展到电学、流体力学和热力学中去。

(4)可靠性设计机电产品的可靠性是指在规定的时间内，在规定的条件下完成规定功能的能力。它通过可靠度，即在此时间内，在 此条件下完成功能的概率来度量。在常规设计中，将影响 产品性能指标的因素都视为常量；在可靠性设计中，则将 这些因素作为随机函数来处理。为保证产品达到可靠性的

要求，首先要计算出各种元件、零部件的可靠度，在此基础上预测出产品的可靠度，然后采取各种措施改进原设计

,做到经济合理。

(5)建立结构和系统数学模型的方法在研究结构和系统时，首先必须对其实际结构进行简化，去掉一些次要 的部分；然后利用数学表达式将其内部各变量间的关系描述出来。这 些数学表达式成为数学模型。常用建立数学模型的方法，除有限元法

以外，还有键图法，边界单元法和控制工程等。1.键图法：是一种为系统建造数学模型的方法，它利用机、电、液等间的 相似原理，为各种系统(如机械、电气、液压和气动等系统)及其混

合系统提供一种通用的建模方法。2.边界元法：是将被研究对象的边界分割成若干个子边界(称为边界单元 )进行求解。使用边界元法进行求解的步骤为：1)应用积分定理将原

微分方程变换成边界上的积分方程，此步一般采用数理解析法；2)为求解变换成的边界积分方程式，将边界离散化成为若干个边界单元， 建立关于其代表点(节点)未知函数的一次联立方程组，然后对其求

解，此步一般采用数值分析法。

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