现代设计方法-绪论VIP

现代设计方法,主讲教师：刘柏希湘潭大学机械工程学院,教材：现代设计方法，张鄂，高等教育出版社参考教材：现代设计方法，钟志华，武汉理工大学,内容提要设计、传统设计、现代设计；现代设计方法的主要内容；学习现代设计方法的意义与任务。重点难点传统设计与现代设计的区别和联系；设计的概念及内涵。学习目标了解设计的内涵；掌握传统设计与现代设计的区别和联系；了解本课程的主要内容及学习本课程的意义与任务。,1绪论,1绪论,1.2现代设计方法的主要内容,1.1概述,1.3学习现代设计方法的意义与任务,1.1概述,设计？设计方法？设计所涉及的领域？,英国前首相撒切尔夫人对工业设计曾有一句非常精辟的论断:“对于工业设计一分的投入，可以产生一千分的回报”美国工业设计协会做过调查，美国平均工业设计每投入一美元，其销售收入为二千五百美元；日本日立公司的统计数字也表明，每增加一千亿日元的销售额，工业设计的作用就占51%，而技术改造的作用仅占12%。,工业设计的创新，必然会给产品带来丰厚的利润,1.1概述,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。国际工业设计学会(InternationalCouncilSocietiesofIndustrialDesign):设计是一种创造性活动，它的目的在于决定产品的包括性能、过程、服务及整个生命周期各个方面的品质，以获得一种使生产者和消费者都能满意的整体。,一、设计的概念及内涵,1.1概述,1.1概述,设计是人类改造自然的基本活动之一。设计是一种改造客观世界的构思和想法。人类在改造自然的历史长河中，一直从事设汁活动。从某种意义上讲，人类文明的历史，就是不断进行设计活动的历史。,设计一词有广义和狭义两种概念：,广义概念狭义概念,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。,广义概念：,狭义概念：,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。目前，各种产品包括机、电产品的设计即属此种。,设计的基本内涵：(1)需求是设计的动力源泉(2)设计的本质是创造性的(3)设计是先进生产力的代表(4)设计是以技术性、经济性、社会性、艺术性为目标,1.1概述,1.1概述,工业产品设计具有以下特征：,（1）需求特征产品设计的目的是满足人类社会的需求，即设计始于需求，没有需求就没有设计。（2）创造性特征时代的发展，使人们的需求、自然环境、社会环境都处于变化之中，从而要求设计者适应条件变化，不断更新老产品，创造新产品。,1.1概述,（3）程序特征任何一种产品的设计都有一定的设计过程，它是指从明确设计任务到编制技术文件所进行的整个设计工作的流程。设计过程一般可分为四个主要阶段：产品规划、原理方案设计、技术设计和施工设计。这种过程叫做设计程序。,（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、制造工艺等。所以，各种产品设计都具有时代的烙印。认识了产品设计的特征，才能全面地、深刻地理解设计活动的本质，进而研究与设汁活动有关的各种问题，提高设计的质量和效率。,1.1概述,产品设计的特征：(1)需求特征(2)创造性特征(3)程序特征(4)时代特征,1.1概述,产品设计的特征：(1)需求特征(2)创造性特征(3)程序特征(4)时代特征,1.1概述,机车的发展历史，即由蒸汽机车内燃机车电力机车到今天的磁悬浮机车，可见设计活动的不断创造发明的特征。,现代设计的原则：(1)功能满足原则产品具备所要求的功能。,1.1概述,现代设计的原则：(2)质量保障原则产品质量主要由性能和可靠性决定。,1.1概述,以色列报纸刊登了一张照片，哥伦比亚号航天飞机的左翼上有两条清晰的裂纹。,性能指标、可靠性、强度、刚度、稳定性、抗磨损性、热特性等,国家体育场“鸟巢”,世界上独一无二的钢结构设计“鸟巢”,1.1概述,现代设计的原则：(3)工艺优良原则可制造性、可装配性、可测试性,世界上最大的膜结构工程“水立方”,1.1概述,北京奥运会闭幕式“记忆之塔”由长江液压研制生产,1.1概述,现代设计的原则：(4)经济合理原则要求产品具有较低的开发成本和使用费用。,1.1概述,现代设计的原则：(5)社会使用原则考虑产品投放市场后的表现行为，包括,1.1概述,安全性可安装性可拆卸性可回收性,环境友好性环境适应性人机友好性可维修性,二、产品设计的重要性和产品开发所面临的挑战,产品设计的重要性(1)设计直接决定产品的功能和性能(2)设计对企业生存和发展具有重大意义(3)设计直接关系人类的未来及社会发展,1.1概述,市场全球化和企业竞争的加剧，使产品开发面临以下挑战(1)产品试销售期明显缩短、产品开发周期极大缩短；(2)产品品种数急剧增加；(3)设计对象越来越复杂(4)设计过程越来越复杂(5)对设计产品的要求越来越高(6)设计风险加大,1.1概述,制造的灵魂是设计，设计的灵魂是创新。这就意味着设计是从无到有，从不足到完善的一个创造性的活动。设计的内容很广泛，几乎涉及到人类所有的创造活动，机械设计、建筑设计、服装设计以及如今的产品造型设计等等。完成一个设计方案就需要一定的设计思想和方法（随着社会的进步、科学技术的发展，设计已形成一门完整的体系），并且这些思想和方法随社会的发展而变化，因而有了“传统设计”与“现代设计”的概念。,1.1概述,1、设计发展的基本阶段1)直觉设计阶段从自然现象中直接得到启示，或凭人的直观感觉来设计制作工具。2)经验设计阶段有经验的人将自己的经验或构思用图纸表达出来，然后根据图纸组织生产。3)半理论半经验设计阶段以理论计算和长期设计实践形成的经验、公式、图标、设计手册等作为设计依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。,三、现代设计与传统设计,1.1概述,4)现代设计阶段设计工作实现设计自动化和精密计算。同时，对产品的设计不仅考虑产品本身，还要考虑对系统和环境的影响；不仅考虑技术领域，还要考虑社会、经济等因素；不仅考虑当前，还要考虑长远发展。,1.1概述,“现代设计”与“传统设计”只是相对的概念（随着时间的流逝，它们之间的差别会逐渐消失，当前的现代设计将成为传统的）。二战以后，电子计算机技术及相关技术的发展和成熟是现代设计方法产生的前提。,1.1概述,（1）设计方案的表达工具手工绘图、CAD技术。,1.传统设计与现代设计比较,1.1概述,1.1概述,1.1概述,1.1概述,1.1概述,1.1概述,1.1概述,1.1概述,（2）工程问题的解析求解传统设计的计算依赖工程问题的解析求解方法、现代设计是CAE技术。,1.1概述,1.1概述,1.1概述,（3）传统设计串行设计；现代设计并行设计。,传统顺序设计过程模型,1.1概述,并行设计过程模型,1.1概述,2.现代设计的产生,二战以后，电子计算机技术及相关技术的发展和成熟是现代设计方法产生的前提。,1.1概述,（1）新的设计工具CAD、CAE技术。,3.现代设计方法的范畴,（2）新的设计思想机电产品造型设计、可靠性设计和优化设计。,（3）另外，摩擦学设计方法、人机工程学设计方法、绿色产品设计方法。,1.1概述,四、本课程讲述现代设计方法的内容,2.优化设计,1.2现代设计方法的主要内容,1.计算机辅助设计CAD,4.绿色设计,5.可靠性设计,3.系统设计,6.创造性设计方法,7.虚拟设计,1.2现代设计方法的主要内容,1、计算机辅助设计(CAD)计算机辅助设计是指在设计活动中，利用计算机作为工具，帮助工程技术人员进行设计的一切适用技术的总和。是人和计算机结合、各尽所长的新型设计方法。具有提高设计质量、节省设计时间、提高效率、降低成本等特点。CAD集成化是当前CAD技术发展的一个重要方面，形式之一是将CAD和CAM集成为一个CAD/CAM系统。,1.2现代设计方法的主要内容,2、工业造型设计工业产品造型设计是指利用艺术手段按照美学法则对工业产品进行造型设计，使产品在保证使用功能的前提下，具有美的、富于表现力的审美特性。具有以下三个显著特征：1)实用性特征体现使用功能，适合目的性，先进性和可靠性，具有现代科学技术的功能美。2)科学性特征体现先进加工手段的工艺美，反应大工业自动化生产和科学性的严格和精确美。3)艺术性特征应用美学法则体现形体美、色彩美、材料美，体现人、产品和环境的整体和谐美。,3、有限元法有限元法是以计算机为工具的一种现代数值计算方法。不仅用于工程中复杂的非线性问题(如结构力学、流体力学、热传导、电磁场等)的求解，而且还用于工程设计中复杂结构的静态和动力学分析，并能精确地计算形状复杂的零件的应力分布和变形，成为复杂零件强度和刚度计算的有力的分析工具。国际上研制了功能完善的有限元分析软件，如ANSYS和Abaqus等，带有强大的前处理和后处理。,1.2现代设计方法的主要内容,4、优化设计优化设计亦称为最优化设计，是以数学规划理论为基础，以电子计算机为辅助工具，将设计问题按规定的格式建立数学模型，并选择合适的优化算法，选择或编制计算机程序，然后通过计算机自动获得最优设计方案。,1.2现代设计方法的主要内容,5、可靠性设计可靠性(Reliability)是衡量产品质量的重要指标之一，是指产品在限定的条件下、规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性设计是指在产品设计过程中，在预测与预防产品所有可能发生故障的基础上，通过采用相应的设计技术，使所设计的产品符合规定的可靠性要求。,1.2现代设计方法的主要内容,6、虚拟设计虚拟现实(VirtualReality,VR)是采用计算机技术和多媒体技术，营造一个逼真的具有视、听、触等多种感知的人工虚拟环境，使置身于该环境的人通过各种多媒体传感交互设备与这一虚构的环境进行实时交互作用，产生身临其境的感觉。虚拟设计的基本构思是用计算机来虚拟完成整个产品开发过程。在计算机上建立产品模型，并进行各种分析，改进产品设计方案，用数字化形式代替传统实物原型试验，在数字状态下进行产品静态和动态分析，再进行集成改进。,1.2现代设计方法的主要内容,7、价值工程价值工程是以功能分析为核心，以开发创造性为基础，以科学分析为工具，寻求功能与成本的最佳比例，以获得最优价值的一种设计方法或管理科学。在市场激烈竞争中，只有功能齐全、性能好、成本低的产品才有优势。价值是产品功能与成本的综合反映，可用数学式表示：,V价值(Value)F功能评价(Function)C总成本(Cost),价值工程包括价值、功能、成本三个要素。,1.2现代设计方法的主要内容,8、系统设计系统是指具有特定功能的、相互间具有有机联系的若干要素构成的、达到规定目的的一个整体。一般认为，由两个或两个以上的要素组成的、具有一定结构和特定功能的整体都可看作是一个系统。系统设计就是设计师在给定的条件（称为约束条件）下，设计出满足需要的最佳系统。,1.2现代设计方法的主要内容,9、反求工程反求工程是针对消化吸收先进技术的一系列工作方法和应用技术的组合，包括设计反求、工艺反求、管理反求等各个方面。它以先进产品的实物、如软件(图样、程序、技术文件等)或影像(图像、照片等)作为研究对象，应用现代设计的理论方法以及生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统的分析研究，探索并掌握其关键技术，进而开发同类产品。这样的产品开发模式称为反求工程(ReverseEngineering,RE)。,1.2现代设计方法的主要内容,10、绿色设计绿色设计(GreenDesign)也称为生态设计(EcologicalDesign)、环境设计(DesignforEnvironment)等。其基本思想是：在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响最小。绿色设计的核心是3R(Reduce，Reuse，Recycle)。绿色设计的主要内容包括：绿色产品设计的材料选择与管理、产品的可拆卸性设计、产品的可回收性设计。,1.2现代设计方法的主要内容,实例：椅子的设计1)坐下后，人的大腿与躯干所构成角度不可小于105；2)椅子靠背应根据人的腰椎曲线设计，并能托住腰部为好；3)椅子座面应向后倾斜，但倾斜角度如果过大，会使人难以站起来，一般与水平面成105较合适；4)椅子前面的边缘应做成圆弧，以防其损伤人体；5)如果椅子靠背与垂直面的角度大于30，椅子上方应增加靠垫，使头枕在上面得以休息；6)新产品设计应考虑即使使用者改变姿势也不妨碍舒适感。,1.2现代设计方法的主要内容,从现代设计方法的角度，椅子的设计方法可以总结为：1)如何保证设计的椅子最省料、成本最低、结构尺寸合理?(优化设计问题)2)如何保证椅子的耐久性，能可靠地工作?(可靠性设计问题)3)如何使设计的椅子满足人体舒适要求?(人机工程学问题),1.2现代设计方法的主要内容,4)如何保证设计的椅子外观、造型美观?(产品造型设计问题)5)如何保证椅子设计过程的计算更精确?(有限元问题)6)如何保证椅子设计的效率?(计算机辅助设计问题)7)如何使椅子报废后可以回收利用?(绿色设计问题),1.2现代设计方法的主要内容,意大利现代设计风格时尚精美卫浴生活,1.2现代设计方法的主要内容,超现代设计流派最纯“氢”的车,氢气引擎模型,1.2现代设计方法的主要内容,汽车设计大师班格尔：现代设计不再挑战人类。,班格尔相信设计可以改变人类生活，为生命带来正面效应。,1.2现代设计方法的主要内容,1.2现代设计方法的主要内容,计算机辅助设计客车设计实例,1.2现代设计方法的主要内容,设计对产品的制造、上市及其整个生命周期都有重要影响；把好产品设计关，可以降低制造成本、保证产品使用性能和使用寿命、增强产品的市场竞争能力等等。因而学习本课程有着重要的经济和现实意义。,1.3学习现代设计方法的意义与任务,五、学习本课程的意义与任务,1.意义,掌握现代设计方法的理论与原理，了解其作用与局限性，并学会用所学知识解决工程实际问题。,2.任务,1.3学习现代设计方法的意义与任务,现代设计方法强调以计算机为工具，以工程软件为基础，运用现代设计理念进行的机械设计。,现代设计方法,机械设计中的创新能力培养,现代设计方法从不同角度深化了机械设计，提高了产品的设计质量，也降低了产品的成本。,可靠性设计、优化设计、有限元设计、计算机辅助设计、虚拟设计等都是常用的现代设计方法。,机械设计中的创新能力培养,机械设计中的创新能力培养,机械设计中的创新能力培养,现代设计方法在强调运用计算机、工程设计与分析软件和现代设计理念的同时，其基本的设计内容是建立在常规设计的基础上。,机械设计中的创新能力培养,在强调现代设计方法的时候，不可忽视常规设计方法的重要性。,机械创新设计是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术知识，进行创新构思、设计出具有新颖性、创造性及实用性机械产品的一种实践活动。,创新设计方法,机械设计中的创新能力培养,创新设计强调发挥创造性，提出新方案，提供新颖的而且成果独特的设计。,其特点是运用创造性思维，强调产品的创新性和新颖性。,无论设计方法如何，常规设计仍然是最基本的设计方法，是机械设计课程的根本内容。有关常规设计的基本理论、基本方法与基本技能不应减少。,结论：,机械设计中的创新能力培养,设计实例一：薯条加工机的设计,机械设计中