现代设计方法学

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Altair-Bus

结构设计基于拓扑优化CAD模型整体需求（载荷及设计空间条件下）

ParametricShapeVectors有限元单元模型设计空间及载荷尺寸及形状优化Altair拓扑优化最终设计4）目前的“现代设计阶段”二十世纪六十年代以来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:自20世纪60年代以来，引进名家的专著发展CAD和改进工程技术教育开始自己进行有关CAD和设计方法的研究，以提高设计人员的素质成立了由化学、土木、电机、机械和工业工程以及计算机科学等领域的代表组成的指导委员会，来考虑针对工程设计所需进行研究的领域和对这些领域提出资助的建议。1985年9月由美国机械工程师协会（ASME）组织，美国国家科学基金会发起，召开了“设计理论和方法研究的目标和优化项目”研讨会成立了“设计、制造和计算机一体化”工程分会，制订了一项设计理论和方法的研究计划美国:日本: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系列产品是指具有相同功能、相同结构方案，相同或相似加工工艺，且各产品相应的尺寸参数及性能指标具有一定级差的产品变型产品系列：纵系列产品，横系列产品和跨系列产品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运动学、静力学与动力学、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等方面1）基础技术理论基础和发展源泉计算机科学与计算机辅助技术（2）主体技术计算机辅助设计(CAD)、智能CAD（IntelligentCAD——ICAD）、优化设计、有限元分析程序、模拟仿真、虚拟设计和工程数据库等数值计算和对信息与知识的独特处理能力，成为现代设计技术群体的主干CAD----ComputerAidedDesign（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(ComputerAidedThree-dimensionalInterfaceApplication)

由法国达索飞机公司与IBM合作开发的CAD/CAE/CAM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6).CAE----ComputerAidedEngineering(计算机辅助工程），以现代计算力学为基础，以计算机仿真为手段的工程技术分析，主要内容包括有限元分析、边界法、运动机构分析、气动和流场分析、电磁场分析等。CAE在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计。CAE属于广义CAD的重要部分。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

（4）应用技术针对实用目的解决各类具体产品设计领域的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械、武器装备的现代设计内容，可以看作是现代设计技术派生出来的丰富多彩的具体技术群（5）相关科学技术注意现代设计技术体系框架的划分只是相对的，而不是绝对的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）控制论方法：4）优化论方法(Optimaldesign)：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、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