机械现代设计与创新设计

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1、第二章机械现代设计与创新设计2．传统设计与现代设计§2-1现代设计方法一、现代设计的概念1．设计设计是复杂的思维过程，设计过程蕴涵着创新和发明的机会。传统设计——又称常规设计，分为初步设计、技术设计、施工设计三个步骤。现代设计——将传统设计中的经验、类比法设计提高到逻辑的、理性的、系统的新设计方法，是在静态分析的基础上，进行动态多变量的最优化。（1）系统性现代设计把设计对象看作一个系统，同时考虑系统与外界的联系，用系统工程概念进行分析和综合，通过功能分析、系统综合等方法，力求系统整体最优，使人积之间的功能相互协调。现代设计与

2、传统设计比较，有下列几个特征：（2）创造性现代设计强调创造能力开发和充分发挥人的创造性；重视原理方案的设计、开发和创新产品。只有创新才能有所发明。但是，今天的科学技术已经高度发展，创新往往是在已有技术基础上的综合。有的新产品是根据别人的研究实验结果而设计，有的是博采众长，加以巧妙地组合。（3）综合性现代设计在设计过程中，综合考虑、分析市场需求、设计、生产、管理、使用、销售能各方面的因素；综合运用优化是系统工程、可靠性理论、价值工程、技术等学科的知识，探索多种解决设计问题的科学途径。（4）程式性现代设计研究设计的一般进程，包括

3、一般设计战略和用于设计各个具体部分的战术方法。要求设计者从产品规划、方案设计、技术设计、施工设计到实验、试制，按步骤有计划地进行设计。二、现代设计方法的特点和范畴（1）信息论方法—如信息分析法，技术预测法的，它们是现代设计方法的前提。（2）系统论方法—如系统分析法，人机工程等。现代设计方法是科学方法论在设计中的应用，可归纳为下列具有普遍意义的方法：（3）控制论方法—如动态分析法等。（4）优化论方法—如有优化设计等，它是现代设计法的目标化。（5）对应论方法—如相似设计等。（6）智能论方法—如计算机辅助设计、计算机辅助计算等。（

4、7）寿命论方法—如可靠性和价值工程等。（8）离散论方法—如有限元及边界元方法。（9）模糊论方法—如模糊评价和决策等。（10）突变论方法—创造性设计，它是现代设计的基础上。（11）艺术论方法—如艺术造型等。三、现代设计方法研究的概况日本自1960年以来开始有关现代设计方法的研究，提高设计人员素质，开展工程技术教育。现在日本在产品开发中的更新速度受到全世界的关注，其产品的竞争能力已给许多国家造成巨大压力和挑战。在美国的设计工作中，产品设计图纸基本上由计算机绘制，设计者可以摆脱常规的技术工作，集中精力进行创造性设计。美国的学者强调

5、“创造性设计”，提倡设计中创造能力的开发，把设计活动分为创造—分析—决策三个步骤。我国对现代设计方法的研究是从上世纪80年代开始的，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等，推广和普及现代设计的基本知识。由于世界各国对设计方法的研究越来越重视，目前已成为一项国际性学术活动。有关国家组织了关于现代设计方法的国际会议，比如国际工程设计会议（ICED）就是其中之一。四、现代设计方法简介1．优化设计优化设计是现代设计方法的重要内容之一，它以数学规划为理论基础，以电子计算机为工具

6、，在充分考虑各种设计约束的前提下，寻求满足某些将预定目标的最优设计方案。（1）优化设计的数学模型设计变量、目标函数和约束条件是优化设计数学模型的三个要素。求X=[x1,x2,….,xn]T，使minf(X)=f(x1,x2,….,xn)XRns.t.gi(X)0(i=1,2,…,p)hj(X)=0(j=1,2,…,q)（2）优化方法其基本思想是搜索、迭代和逼近。即求解时，从某一初始点出发，利用函数在某一局部区域的性质和信息，确定每一迭代步骤的搜索方向和步长，去寻找新的迭代点，这样一步一步地重复数值计算，用改进后的新设计点

7、替代老设计点，逐步改进目标函数，并最终逼近极值点。2．变型产品设计为了满足使用者的不同要求，可在原有产品基础上进行变型产品的开发，使零件标准化化、部件通用化、产品系列化。变型产品系列包括：纵系列产品，横系列产品和跨系列产品。纵系列产品设计也称相似系列产品设计，是在基型产品的基础上利用相似理论求各扩展型产品的尺寸和参数。基型产品一般选在系列产品的中档，为常用型号。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。基型产品在系列产品设计中，一般有两种造型原理：几何级数

8、的几何相似产品系列和几何级数的半相似产品系列。中系列产品设计的步骤依次是基型设计、确定相似类型、定各尺寸、参数级差，求各扩展型产品尺寸参数及确定全系列产品结构尺寸等。系列产品造型原理3．价值工程设计设计的目标是在满足功能需求的前提下，提高产品的价值。价值是产品功能与成本的综合反映，即式中，