现代设计方法学课件

1、现代设计技术概述提要1 现代设计技术的内涵及其体系 2 现代设计技术的特点3 现代设计的发展趋势展望1.1.1设计方法的发展史 1.1.2各国在设计方法研究方面的情况1.1.3设计的类型1.1.4现代设计技术的内涵1.1.5 现代设计技术的体系1 现代设计技术的内涵及其体系 1.1设计方法的发展史 设计是把各种先进科学技术成果转化为生产力的一种手段和方法就机械系统和结构范畴而言，它是从给定的合理的目标参数出发，通过各种手段和方法创造出一个所需的优化系统或结构的过程1）17世纪前的“直觉设计阶段”: 凭直观感觉来设计制作工具和机械，往往带有一定的盲目性2）17世纪后的“经验设计阶段”任何设计都是

2、开发和创造新的系统和结构的过程依靠个人的才能和经验，运用一些基本设计计算理论，借助类比、模拟和试凑等方法进行设计 3）半理论半经验设计阶段传统的设计阶段用纸、铅笔或二维绘图软件建造实验环境，用传感器测量载荷、变形和运动状态设计绘图制造实物样机实物样机实验产品定型生产制造实物零件并装配发现问题、重新修改设计传统机械产品设计方法产品概念设计三维结构设计运动学、动力学仿真分析有限元分析、尺寸、结构优化虚拟样机验证产品中的运动机构原理是否正确验证产品是否有强刚度振动等问题运动学问题动力学问题现代机械产品设计方法1.2各国在设计方法研究方面的情况1963年至1964年间举行了全国性“薄弱环节在于设计的讨

3、论会”，制订了一批有关设计工作的指导性文件广泛开展了设计竞赛，加强了在设计过程中的创造性开发、技术可行性、可靠性、价值分析等方面的研究相应在高等学校中开设了设计方法和CAD等专题的课题1963年提出工程设计思想举办了有关产品系统规划、创造设计与发展、CAD等许多专题的培训班与讨论会德国:英国:其它国家 如前苏联、东欧及北欧，也都开展了设计理论和方法的研究工作自1980年以来，也进行了一些工作“六五”期间，国家科技攻关中的优化设计、CAD、工业艺术造型设计、模块化设计等已取得实用性成果，并在一部分科技人员中间进行了现代设计方法的培训。我国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

4、的讲习班，培训班、开展国内外学术交流1.3设计的类型1）开发性设计运用成熟的科学技术，从工作原理和结构上设计过去没有的新型产品首创性、完全创新性在原理、方案基本保持不变的前提下，对产品作局部的变更设计，使之更能满足用户的需求 2）适应性设计3）变型设计在功能和工作原理不变的情况下，变更现有产品的结构配置、布置方式和尺寸，使之适应多方面的使用要求 如：内燃机增设节油器以节约燃料、增设增压器以提高输出的功率1.4现代设计技术的内涵以满足市场产品的质量、性能、时间、成本/价格综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的

5、技术群体的总称。 当今科技，有一个非常明显的发展趋势:科学技术的重心正在由材料（物质）和能量转向信息 现代设计技术与其它科学技术一样，其内涵与外延是变化的、动态的 1.5 现代设计技术的体系CAD -Computer Aided Design （计算机辅助设计）的定义： 1973年国际信息联合会：CAD是将人和机器混编在解题作业中的一种技术，从而使人和机器的最好特性联系起来。 20世纪80年代初，第二届国际CAD会议：CAD是一个系统的概念，包括计算、图形、信息自动交换、分析和文件处理五个方面 1984年国际设计及综合讨论会：CAD不仅是设计手段，而且是一种新的设计方法和思维CAD概念的产生和

6、发展 20世纪60年代初，美国麻省理工学院开发了名为Sketchpad的计算机交互图形处理系统，形成了CAD的最初概念：科学计算、绘图 20世纪70年代中期，CAD开始进入实用阶段，主要技术特点是二维、三维线框造型，只能表达基本的几何信息。不能有效表达几何数据的拓扑关系，价格昂贵现代CAD：使用计算机系统进行设计的全过程，包括资料检索、方案构思、零件造型、工程分析、工程制图、文档汇编 20世纪70年代后期，CAD进入发展时期。飞机和汽车制造中的大量自由曲面问题促进了CAD的自由曲面造型技术发展。曲面造型系统为人类带来了第一次CAD技术革命。 20世纪80年代初，CAD实现了实体造型技术，能够精

7、确表达零件的属性（如质量、质心、惯性矩等）。称之为CAD发展史上第二次革命。 20世纪80年代中期，CAD实现了参数化实体造型技术，其特点是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修改等。参数化技术的应用主导了CAD发展史上的第三次技术革命。 20世纪90年代初期，由于参数化技术存在许多不足，提出了比参数化更为先进的实体造型技术-变量化技术。CAD技术发展的第四次技术革命。典型的CAD/CAE软件简介 1）CATIA(Computer Aided Three-dimensional Interface Application) 由法国达索飞机公司与IBM合作开发的CAD/CAE/CAM

8、软件系统，主要用于机械制造、工程设计、电子行业。主要特点是具有很强的三维复杂曲面造型和加工编程能力。2）Solidworks美国Solidworks公司产品，具有高级曲面造型、大型装配能力。3）Solidedge美国EDS公司产品。4）Autocad美国Autodesk公司产品。著名的二维设计软件。5）CAXA北航海尔软件公司产品。国产二维、三维设计软件计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）产品数据管理（PDM)计算机辅助工艺规程设计（CAPP）柔性制造系统（FMS）计算机数控技术（CNC）管理信息系统（MIS）计算机集成制造系统（CIMS） 与CAD相关的概念（3）支撑技术 现代设计方法学涉

9、及的内容很广，如并行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配制、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象的设计、工业造型设计等 可信性设计技术主要指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、疲劳设计、耐腐蚀设计、减摩和耐磨损设计、健壮设计(赋予产品或过程健壮性、高性能和低成本的设计)、耐环境设计、维修性设计、人机工程设计等 设计试验技术不仅指通常的产品性能试验，还应包括可靠性试验、环保性能试验与控制，以及运用计算机技术的数字仿真试验和虚拟试验等 现代设计方法学按照方法论分如系统分析法、人机工程以及面向产品生命周期中各个阶段（如设计、制造、使用、回收处理等）的设计。3）控制

10、论方法：4）优化论方法(Optimal design)：1)信息论方法：如信息分析法、技术预测法等它是现代设计方法的前提它是现代设计方法的目标2)系统论方法：如动态分析法如相似设计、反求工程设计等5）对应论方法：如计算机辅助设计(CAD)、CAE、并行工程、虚拟设计、人工智能（主要是专家系统）等6）智能化方法：如可靠性设计、价值工程和稳健性设计等如有限元法和边界元方法如模糊评价和决策等7）寿命论方法：8）离散论方法：9）模糊论方法：它是现代设计方法的核心10）突变论方法：11）艺术论方法1.2 现代设计技术的特点设计理论与方法的延伸、思维的变化及设计范畴的扩展设计理论与方法的延伸体现在设计原理

11、、方法、思维、哲理等方面的创新 如创造性设计等它是现代设计方法的基础如艺术造型等2多种设计技术、理论与方法的交叉与综合设计范畴在不断扩大 传统的设计通常只限于方案设计、技术设计 现代设计内容与边界：产品规划、制造过程的工艺、检验、试验、包装、运输直至营销、市场策划、产品运行、维护使用到报废回收全过程全生命周期各个环节的设计 计算机技术与信息科学对机械产品的渗透、改造与应用 现代的机械产品正朝着机电一体化，物质、能量、信息一体化，集成化，模块化方向发展 3设计手段的精确化、计算机化、自动化与虚拟化传统设计中:安全系数和一系列的载荷系数、应力系数及其它影响系数等加以考虑，这往往使计算的结果误差较大

12、现代设计技术可以采用概率设计（可靠性设计）描述载荷应力、环境条件等随机因素的分布规律，通过有限元法、动态分析、疲劳设计、防断裂设计、健壮设计、耐环境设计等分析工具和建模手段，准确模拟系统的真实情况 （1）精确化（2）计算机化 工程设计的计算机软件，且已商品化 发展到优化设计、并行设计、三维特征建模、设计过程管理、面向制造与面向装配的设计制造一体化，形成了CAD、计算机辅助工艺规程（Computer Aided Process PlanningCAPP）、计算机辅助制造（Computer Aided ManufacturingCAM）的集成化、网格化计算机辅助分析计算和辅助绘图逐步向设计智能化、

13、模拟仿真和虚拟设计、国际互联网络条件下进行计算机辅助设计过渡（3）自动化 设计自动化软件主要包括三个方面： 主模型，它是中央数据库，为设计提供各种数据信息基于知识的应用软件产品数据管理PDM：几何精度、材质、各种设计参数、零部件的联系、相关性、有限元结构分析数据，以及质量控制和营销数据等 控制着文档及设计的建立、修改、检查和批准，并组织、跟踪和控制信息的存取（4）虚拟化 以虚拟现实的系统软件在计算机上实现仿真、实现虚拟现实的三维建模，包括几何建模，运动建模、物理建模、对象特性建模及模型切分等，使设计者能在虚拟的设计环境下看到设计内容 4并行化、最优化和智能化的设计过程5面向产品寿命周期全过程的

14、可信性设计可信性设计主要包括：可靠性设计，安全性设计、防断裂设计、疲劳设计、防腐蚀性设计、减摩和耐磨损设计、动态分析与设计、健壮设计、耐环境设计、维修性设计和维修保障设计、人机工程设计等等 6多种设计试验技术的综合运用物理模型试验、动态试验、可靠性试验、产品环保性能试验与控制等物理模型试验通常以样机进行台架试验或现场的工业性试验，以验证产品的性能 动态试验运用电液伺服技术、计算机控制技术等现代试验手段在试验中再现实测的随机载荷谱，对产品进行动态性能试验 可靠性试验是为了提高产品的可靠性、评价和验证产品的可靠性而进行的关于产品失效及影响的各种试验，并用概率与数理统计方法对试验数据进行处理，从而得

15、到或增长产品的可靠性指标 1.3 现代设计技术的发展趋势展望1）设计过程的数字化产品环保性能试验与控制:以检测、控制产品的污染（如噪声、振动、废气、废水的排放量、光辐射等），达到保护生态环境、人机和谐的一种试验、控制技术 现代设计技术定义: 是以传统设计理论与方法为基础， 以计算机广泛应用为标志， 具有信息时代特征的一种设计技术 要完善工程对象中确定性变量的数学描述和数学建模要研究非确定性变量，包括随机变量、随机过程、模糊变量（人的智能、经验、创造力、语言及政治、经济、人文等社会科学因素）等的数学描述和数学建模2）设计过程的自动化和智能化研究 3）动态多变量优化和工程不确定模型优化（模糊优化）

16、、不可微模型优化及多目标优化等优化方法与程序的研究，并进一步发展到广义工程大系统的优化设计的研究4）网络化并行设计及协同设计技术、方法及软件的研究5）虚拟设计和仿真虚拟试验及快速成形技术的深入研究6）大力普及、推广与发展CAD技术的应用研究，其重点是研制开发功能强的商品化软件以计算机仿真为基础，集计算机图形学、智能技术、并行工程、人机工程、材料、成形工艺、光电传感技术和多媒体技术为一体的综合学科研究CAD技术的发展主要围绕在标准化、开放化、集成化、智能化四方面 除了CAD支撑软件逐步实现ISO标准和工业标准外，还需要面向应用的标准构件（零部件库）标准化 CAD系统目前广泛建立在开放式操作系统窗

17、口9598NT和UNIX平台上，在Java LINUX平台上也有CAD产品，此外CAD系统都为最终用户提供二次开发环境，甚至这类环境可开发其内核源码，使用户可定制自已的CAD系统 开放化其一是广义CAD功能CAD/CAE/CAPP/CAM/CAQ/PDM/ERP经过多种集成形式成为企业一体化解决方案，推动企业信息化进程集成化其三是CAD基于网络计算环境实现异地、异构系统在企业间的集成其二是将CAD技术能采用的算法，甚至功能模块或系统，做成专用芯片，以提高CAD系统的效率目前创新设计能力（CAD）与现代企业管理能力（ERP、PDM）的集成，已成为企业信息化的重点智能化 智能CAD不仅仅是简单地将现有的智能技术与CAD技术相结合，更要深入研究人类设计的思维模型，并用信息技术来表达和模拟它 CAD技术研究开发热点1计算机辅助概念设计 分为两大类：即自动生成方案和交互生成方案 2计算机支持的协同设计 用于支持设计群体成员交流设计思想、讨论设计结果、发现成员间接口的矛盾和冲突，及时地加以协调和解决，减少以至避免设计的反复，从而进一步提高设计工作的效率和质量 主要面临如下三大问题：（2）异构平台 （3）人人交互 3、海量信息存储、管理和检索 4、设计法研究及其相关问题 5、支持设计创新 6、新技术在CAD中的应用如虚拟现实与CAD集成、计算机安全 （1）群体成员间多媒体信息传输