现代设计理论与方法.doc

现 代 设 计 理 论 与 方 法 姓 名： 学 号： 指导教师： 机械工程学院 班大 连 交 通 大 学现代设计理论与方法摘要：现如今，我国机械工业化的进程正如火如荼的进行着，而机械行业所面临的将既是机遇又是挑战，把握住这一潮流将会有一个质的飞跃。机械制造业的竞争实质上就是产品设计的竞争，如何快速地进行机械产品的开发是提高制造业市场竞争能力的一个关键问题，进行机械产品现代设计理论、方法和应用技术的研究是十分重要的项基础性工作。在分析机械产品开发面临的变化和需要的基础上，既有由来已久的传统分析方法如有限元法，可靠性法，又萌发了多种现代设计理论与方法体系结构的描述方法。通过分析现代设计方法学的研究现状和特点，重点论述了智能设计、协同设计的概念、技术方法和关键研究内容，介绍了近几年国内外机械设计理论的不同与各自的发展现状，详细介绍了现今主流的设计分析方法和其再工业上的实际运用，体现出在设计知识表示方法、机械设计知识发现技术、知识仓库技术、机械产品知识仓库的功能体系结构、分布式协同设计原理、基于多智能体的协同设计技术等方面的研究进展。针对我国制造业发展的需要，指出有限元分析、优化设计原理以及现代网络智能设计和计算机辅助创新设计等的研究问题和发展趋势，对深入开展面向信息时代的现代设计理论和方法的研究具有理论指导意义。关键词:机械，设计，理论，方法Abstract: nowadays, mechanical process of industrialization in China is in full swing, and machinery industries are both opportunities and challenges facing, this trend will hold will be a qualitative leap. Manufacturing competition essentially product design competition for mechanical product development how quickly a key problem is to improve the market competitiveness of manufacturing industry, for mechanical product research on theory, method and application of modern design is important basic work. In the change and the need for analysis of mechanical product development on the basis of both ancient traditional analysis methods such as finite element method, method of reliability, and germination and a variety of modern design theory and method of architecture description method. By analysis modern design method learn of research status and features, focus expositions has intelligent design, and collaborative design of concept, and technology method and key research content, describes has in recent years at home and abroad machinery design theory of different and their of development status, more describes has today mainstream of design analysis method and its then industrial Shang of actual application, reflected out in design knowledge said method, and machinery design knowledge found technology, and knowledge warehouse technology, and machinery products knowledge warehouse of function system structure, and distributed collaborative design principle, and based on more intelligent body of collaborative design technology, aspects of research progress. Need for manufacturing industry development in China, noted that principle and finite element analysis and optimum design of modern network of intelligent design and computer aided innovative design, research and development trend on the unfolding of modern design theory and method in the information age-oriented research and theoretical guiding significance.前言机械是机器和机构的统称。在现代社会中，机械已成为人类在生产和生活中广泛使用的主要工具，机械的发展水平与社会的发展水平密切相关，成为衡量社会发展和科学技术发展的重要标志之一。机械设计是设计者为满足社会和人们对机械产品功能的需要，运用基础知识、专业知识、实践经验和系统工程等方法，进行设想和构思、计算和分析，最后以技术文件的形式，提供产品制造依据的全过程工作。机械设计是机械产品的第一道工序，没有高质量的设计就没有高质量的产品，机械设计有如下特点.(1)多解性:在许多情况下，一个设计方案不可能同时满足所有用户的要求，而能满足同一用户需求的设计方案一般来说也不止一个，因此设计具有多解性。通常，设计不可能一次性完成后不再修改或不在新的条件下重新进行，设计要适应不同的条件和要求。设计的多解性为同类功能的产品适应不同要求提供了可能。(2)系统性:机械设计既要满足用户对产品技术性、经济性和社会性的追求，又必须满足各方面的约束条件，如加工和制造条件、使用和操作条件、保养和维修条件、运输条件等;机械设计还需考虑机械本身的系统性，也即整机或成套的机械产品都是由零部件组成，有竞争力的机械产品应该是用系统工程的方法对合格的零部件进行科学的组合和合理匹配的结果。现代机械设计还要面对市场和企业，技术和经济等系统性问题，即要求设计既要满足市场需求，又要考虑企业的发展;既要解决技术可行和产品可靠的问题，又要考虑经济问题;既要解决设计本身的方法、手段和关键技术问题，又要解决产品寿命周期中各个环节的技术问题等。为此，机械设计有必要在基于系统工程的现代设计方法学的指导下进行。(3)创新性:各种机械设计都是程度不同的创新活动。科技成果不断以产品形式转化为生产力，设计是实现这一转化的关键环节。每一个开发性设计都意味着有新的科技成果被应用，每一次产品的改进都是一次创新，设计过程体现了设计者的创造性劳动。从新的科技成果到新产品出现，实现这一转化的成功关键在于设计者是否能以不断变化的市场需要为目标，充分发挥自己的综合分析和创新思维能力，善于把新的科技成果进行科学而巧妙的构思并应用到新的产品中去。一机械设计的发展过程及分析机械设计方法可分为传统设计方法和现代设计方法。这两类设计方法的产生反映了机械设计随社会生产和科学技术发展而发生的变化。 传统机械设计方法是指经验设计方法和半经验设计方法。在20世纪以前，设计者主要是凭借直觉和经验，以生产的经验数据为设计依据，运用一些基本的设计计算理论，借助类比、模拟和试凑等设计方法来进行设计，这就是经验设计方法。用这种方法设计的机械只能满足基本功能要求，结构的安全系数较大，只是依靠对原型机运行试验进行整机的综合性能分析。由于试验和测试条件差、技术水平低，整机的性能分析也就难以深人，新产品往往需要经多次试验和修改才能定型。因此，产品研制周期长，产品的质量低、成本高。 在20世纪初至80年代，出现了图样设计，替代了试凑法，从而大大提高了设计效率和质量。随着科学技术的进步和实验手段的加强，进行设计理论和方法的研究，进一步提高了设计水平。此类设计方法称为半理论、半经验设计方法，其主要特点是:加强了设计基础理论和专业机械设计理论的研究，为设计提供了大量的信息，如设计数据、图表图册等;加强了关键零部件的试验研究，使整机试验趋于完善，大大提高了设计速度和成功率;加强了零件标准化、部件通用化、产品系列化的研究。半经验设计方法与经验设计方法相比，大大减少了设计的盲目性，有效地缩短了设计周期，提高了机械产品的质量和寿命，降低了成本。 传统设计方法因其简易方便至今仍被广泛应用，但其不足之处主要表现在: 在设计理论上，主要集中在揭示设计对象的内在机理，而未将“设计”本身作为一门学科进行研究，对设计对象内在机理的分析也仅局限于采用简化模型; 在一设计方法上，未能将局部与系统、定性与定量、静态与动态、技术与经济、技术与美学、设计与销售等关系辩证地统一起来，融会贯通于设计之中，因而设计方法上有很大的局限性; 在设计本质上，未能将创造性设计提高到应有高度来认识和研究，使具体设计缺乏创造性的思维方法。 现代机械设计方法是在20世纪60年代发展起来的，它是现代广义设计和分析科学方法的统称。现代设计方法较之传统设计方法具有显著的特点和先进性，主要表现在: 在设计指导思想上，由过去的经验类比方法提高到逻辑的、理性的和系统的新设计方法; 在设计对象上，考虑了人一机一环境的相互协调，从而发挥产品的最大潜力或最大可能地提高系统的有效性; 在设计方法上，广泛采用了CAD、优化设计、可靠性设计、工业艺术造型设计、价值工程和创造性设计等方法，使设计水平有了一个质的飞跃; 在设计手段上，充分采用电子计算机，自动绘图和数据库管理等新技术，大大提高了数据的准确性、稳定性和数据使用效率，使修改设计变得十分方便，分析工具的改进使设计采用尽可能精确的模型成为可能; 在试验和测试技术上，采用频谱分析、激光全息摄影和计算机数据处理等先进技术，可对整个机械系统或零部件的性能进行科学的试验和分析，并可进行计算机仿真。 目前，随着以计算机和信息为标志的高科技时代的到来，机械设计已步人设计科学化和设计自动化的阶段，产品的技术经济指标不断得以优化，产品的设计周期不断缩短，现代机械设计方法将日趋完善。二机械设计重点举例介绍2.1.机械动态设计： 随着工业、农业、国防与科学技术的发展，对机械设备提出了越来越高的要求，尤其要求设备具有更高的精度和自动化的性能，使用传统的经验类比法和静态设计法已经不适应需要，而必须采用反映设备实际情况的动态设计技术。 所谓机械动态设计，指的是机械结构和机器系统的动态性能在其图纸设计阶段就得到预测和优化，整个设计过程实质上是运用动态分析技术，借助计算机分析、计算机辅助设计和仿真来实现的。从而改变那种通过经验设计样机试制样机测试改进设计再试制再测试的方法，达到缩短设计周期，提高效率和设计水平的目的。 动态设计的理论体系正在逐步完善，本章就动态设计的基本原理及有关方法作一介绍，并辅以实例来说明动态设计的过程，力图使读者掌握动态设计的基本思想和目前较成熟的方法，成为读者在实际设计中应用和深人研究的基础。2.2.优化设计： 优化设计方法与传统设计方法有着显著的不同，它是建立在最优化数学理论和现代数值计算技术的基础上，利用电子计算机来确定最优化设计方案的一种现代设计方法。工程中的优化设计方法一般可分为两类，即参数优化设计方法和方案优化设计方法。目前比较成熟的优化设计方法主要是参数优化设计方法，方案优化设计方法涉及到智能专家系统等复杂的技术，现在尚不够成熟，有待进一步研究、发展。本章讲授的机械优化设计属于参数优化设计。所谓机械优化设计，是指“在进行某项机械产品设计时，设法在规定的各种设计限制条件下，优选一些设计参数，使得产品的某些或某几项设计指标达到最优值”。由此可引出机械优化设计的两项主要内容: (确定一个或多个控制指标，将设计问题的物理模型、力学模型转化为数学模型。(2采用适当的最优化方法，求解数学模型，以得到最佳的设计参数。2.3.可靠性设计： 产品质量是衡量一个国家工业发展水平的一个重要标志，对于机械产品也不例外。评价一个机械产品质量的好坏，主要可从产品的技术性能、可靠性和经济性三个方面去评价。产品的技术性能是产品的功能，包括其所能达到的一切性能指标，例如载重汽车的载重量、耗油量和时速等主要技术性能。一般说来，产品的名牌数据都是其能达到的主要技术性能指标;产品的可靠性是指产品完成规定功能的能力。例如产品在使用中保持完好功能的情况、发生故障的次数、修复的速度和时间等;产品的经济性是指机械产品在进行研究、设计、制造及运行维修方面的费用。因此，机械产品的可靠性是衡量其质量的一个重要方面。 对于产品的可靠性，人们很久以来就有一定的概念和要求，对于使用者都知道产品不可靠会带来的问题，例如工厂添置每台机械设备除了能满足生产的要求、价格合理外，希望在使用中能尽量少出故障，具有少的维修量，使用十分可靠。对于一些重要的设备和工程可靠性显得更为重要，一旦设备不可靠可发生失效，就会带来很大的损失。 过去人们仅是根据直观的经验对产品进行可靠性的评价，而现今对可靠性的确切定义是:产品(或系统)在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性定义主要包括了以下五个基本要素。(1评价可靠性的对象可根据实际需要而定，对机械产品而言可以是一个零件、一个部件，也可以是一台机械设备或是多个机械设备组成的系统。(2)规定的条件常指使用条件、环境条件、操作条件和维护条件等，这些条件对可靠性会有直接影响。（3)规定的时间一般是指对象的工作期限。不同的产品对工作期限的要求是不同该期限可以用时间、次数或距离等表示。(4)规定的功能每一对象都有其所要求的功能，功能常用各项规定的指标来表示。产品丧失功能的状态称为发生故障或失效。(5)能力完成规定功能的能力不仅有定性的含义而且有定量的指标，描述这种能力一般都要采用概率和数理统计的方法。2.3.1 可靠性理论作为一门边缘科学是在第二次世界大战的后期发展起来的，随着科学技术的发展，产品越来越复杂，对产品的要求也随之越高，因此产品的可靠性也日益受到重视。可靠性学科主要包括三方面内容（1）可靠性数学研究可靠性理论的数学模型和定量规律。 (2)可靠性物理研究可靠性的头效原因和物理模型，从机理方面探究产品的不可靠因素。(3)可靠性工程因为产品的可靠性包含在产品的开发研究、生产制造、维护使用、包装运输直至失效的整个过程。因此，可靠性工程包括了可靠性设计、可靠性维修，可靠性试验、可靠性管理等多方面的工程应用内容。 在设计阶段使产品达到的可靠性称为产品的固有可靠性，对保证机械产品在整个寿命期内的可靠性具有重要影响。可靠性设计就是要在设计阶段使产品达到规定的可靠性指标，并使其达到最优。三现代机械设计方法及发展 机械产品方案的现代设计方法可概括为下述四大类型。 3.1系统化设计方法 系统化设计方法的主要特点是将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性、各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性,所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同，进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。下面介绍一些具有代表性的系统化设计方法。 3.1.1构思设计法：将产品的方案设计分成“构思“和“设计，两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择和组合满足任务要求的原理解。设计阶段的工作则是具休实现构思阶段的原理解。 3.1.2健合图法：将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、转变能量形式、传递能量等各种类型，并借用键合图表达元件的功能解，希望将基于功能的模型与键合图结合，实现功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换，寻求由键合叫产生多个设计方案的方法。 3.1.3图形建模法 研制的“设计分析分析和引导系统”,用层次清楚的图形描述出产品的功能到结构及其相关的抽象信息实现了系统结构、功能关系的图形建模以及功能之间的联系。 3.1.4设计元索法用五个设计元素功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数描述。产品解，认为一个产品的五个设计元素值确定之后，产品的所有特征和特征值即已确定。我国亦有设计学者采用了类似方法描述产品的原理解。3.2智能化设计方法 智能化设计方法的主要特点是根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。例如，在进行自动取款机设计时.把产品的整个开发过程概括为产品规划一构思产品”、“开发一设计产品，和“生产规划一加工和装配产品”三个阶段并且充分利用了现有的CAD尖端技术一一虚拟现实技术只可以较早地发现各个阶段中存在的问题使产品在开发进程中不断地细化和完善。 综上所述机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进，综合运用文中四种类型设计方法是达到产品设计目标的有效k径。虽然这些方法的综合运用涉及的领域较多，不仅与机械设计的领域知识有关而且还涉及到系统工程理论、人工智能理论、计算机软硬件工程、网络技术等各方面的领域知讯但仍然是产品方案没计必项努力的方向。四结论 在市场全球化的今天，产品的竞争实质上就是设计的竞争，对于机械产品制造企业来说，重视设计也就是重视制造业的明天。中国与发达国家在现代设计理论与方法研究方面的差距直接反映了中国与发达国家在机械产品、尤其