1、现代设计方法讲义11现代设计方法（讲稿）主讲人：张凤华教授预修课程：高等数学、机械制图、理论力学、材料力学、机械原理、机械设计、机械制造工艺学、金属材料学、公差与技术测量、工程数学、机械CAD技术计算方法、特殊数学物理方程、矩阵论课程性质：现代机械设计方法是机类及近机类学科的一门学位课程。课程的主要内容、重点难点：现代机械设计方法是机械设计理论和技术发展中的一门学位课程，它的基本思想是：根据机械设计的现代理论、方法和设计规范及行业的新标准等，使硕士把工程设计问题按照现代设计的理论和方法建立一个能体现设计问题的数学模型，然后，采用现代设计的理论和方法找出它的最优化方案，使工程问题的解决更完善化。
2、这门新兴的科学技术进一步提高了机械设计水平，改进了机械产品质量、发展了机械设计的理论与方法。现代机械设计方法是解决实际复杂工程技术问题的有效手段，为此，对于机械设计及理论学科的硕士学生，在掌握了机械传统设计领域中有关机构、零部件和机械系统一般设计方法与理论的基础上，继续学习现代机械设计的一些最基本概念、理论和方法，开拓现代机械设计的思想，掌握现代机械设计的方法是十分必要的。近十年来，以计算机为工具，以有限元为方法，利用现代设计方法，形成了现代机械设计方法。现代机械设计方法虽然发展历史很短，但进展很快，在各种专用机械设计和工艺设计方面都很快得到应用，并取得了一定的成果。(本门课程的主要内容包括：
3、概述，系统分析设计法，创造性设计方法，价值分析，模糊评价和矩阵对策，技术预测方法，相似理论及相似设计方法，机械可靠性设计，有限元分析方法，优化设计方法，动态分析设计法，机电控制系统状态空间表达式，计算机辅助设计，专家系统共十四个方面的内容。)通过现代机械设计方法的教学要使学生认识现代机械设计，了解现代机械设计的基本思想，现代机械设计在机械设计中的作用及其发展概况。初步掌握现代机械设计的方法，掌握基本的设计手段，具备一定的将实际机械工程问题运用现代机械设计方法来求解的能力。进一步开阔思路，设计与创造新的现代机械设计方法和理论，使学生不仅能解决本课程所学的一些现代设计方法，而且可以举一反三，更新观
4、念，发展现代机械设计学科，培养学生能运用其它学科知识综合解决现代机械设计问题。并对以后的课题设计，毕业论文提供必备的基础知识。通过现代机械设计方法的教学使硕士研究生掌握利用现代设计的理论和思想解决实际工程机械设计中的具体问题。并且利用编制计算机程序处理实际工程问题，用现代设计手段寻求最佳的工程机械设计方案。这是本门课程的难点也是它的重点。内容：第一章 概述（2学时）第一节 机械设计的发展历史第二节 现代设计方法及研究的内容第三节 功能原理的螺旋式发展历史及其基本类型第四节 机械创新设计的机理与创新思维第二章 设计分析计算语言MATLAB简介（4学时）第一节 MATLAB 的数据类型.第二节 向
5、量及其运算第三节 矩阵及其运算第四节 数组及其运算第五节 多项式运算第三章 MATLAB 程序设计简介（4学时）第一节 M 文件介绍 第二节 控制语句 第三节 函数变量及变量作用域. 第四节 子函数与局部函数 第五节 程序设计的辅助函数 第六节 程序设计的优化 第七节 程序调试 第八节 M 文件的调用记录 第九节 函数句柄 第四章 机械疲劳设计（4学时）第一节 疲劳破坏的机制和特点第二节 载荷类型、疲劳应力与疲劳强度、疲劳曲线、疲劳极限第三节 影响疲劳强度的因素、疲劳设计、低周疲劳的概念第四节 结构疲劳试验简介第五章 摩擦学设计（4学时）第一节 摩擦、磨损与润滑第二节 磨损的机理与计算第六章
6、可靠性设计（4学时）第一节 可靠性设计概述与常用分布密度函数第二节 机械零部件的可靠性设计第三节 系统的可靠度第七章 机械热效应设计（4学时）第一节 热传导计算第二节 热膨胀计算第三节 热应力计算第八章 机械的抗振设计与低噪音设计第一节 机械的抗振设计（4学时）第二节 低噪音设计第九章 机械动态设计（4学时）第一节 机械动态设计的模态分析法第二节 动态响应分析第三节 机械结构动力修改和动态性能控制第四节 机械动态优化第一十章 （1学时）第一节 机械产品造型设计的概念第二节 造型设计的基本原则与要素第三节 机械产品造型设计的美学法则第四节 机械产品的造型手段第一十一章 专家系统（1学时）第一节
7、专家系统技术与智能型机械CAD系统第二节 知识的获取和知识的表示第三节 知识的利用推理方法与控制策略第四节 建立机械设计专家系统第五节 工程设计专家系统示例简介大作业:1. 写出读书报告（5种现代设计方法以上）；2. 用某种现代设计法对某实例进行设计(写出1篇小论文)。主要参考书目：1 吴运新.现代设计方法，中南大学机电学院. 电子版，20092 陈继平，李元科.现代设计方法，华中科技大学出版社，19973 王凤岐.现代设计方法及其应用天津大学出版社，20084 孟宪颐.现代设计方法基础，机械工业出版社，20095 孙靖民.现代机械设计方法选讲哈尔滨工业大学出版社，20026 赵松年，卢秀春.
8、现代设计方法机械工业出版社 20017 陈立周.实用优化设计方法冶金工业出版社，19958 .福克斯工程设计的优化方法科学出版社，1981第一章绪 论本章重点：现代设计方法及研究的内容 、机械创新设计的机理与创新思维。一、设计与人类文明 设计是伴随人类的产生而产生的，是伴随人类文明进步而发展的。特别是机械设计的产生和发展更是如此。“设计”是指从构思到实现构思的创造性劳动过程。只有创造性构思，而无体现构思的实物（产品），就不能称为“设计”，只能称为“绘画”；只是简单复制现有的产品，而无创造性构思也不能称为“设计”，只能称为“仿制”。“设计”是人类进行创造性劳动的典型表现形式。二、现代设计方法与传
9、统设计方法传统机械设计方法：以高等数学和经典力学为基础，用静态的方法对机械设计领域中有关机构、零部件和机械系统进行一般性设计的方法。现代机械设计方法：以计算机为工具，以工程数学和高等力学为基础，用动态的方法对机械设计领域中有关机构、零部件和机械系统设计的复杂问题进行精确的、全面的、适时响应的设计的方法。采用现代设计的理论和方法找出工程问题的最优化解决方案，使工程问题的解决更完善化。 现代机械设计方法虽然发展历史很短，但进展很快，在各种专用机械设计和工艺设计方面都很快得到应用，并取得了一定的成果。现代机械设计方法是解决实际复杂工程技术问题的有效手段，对于机械设计及理论学科的硕士研究生，在掌握了传
10、统机械设计方法与理论的基础上，继续学习现代机械设计的一些基本概念、理论和方法，开拓现代机械设计的思想，掌握现代机械设计的方法是十分必要的。三、设计与科学研究表11设计与科研的区别出 发 点目 标结 果科学研究求知欲、好奇心发现自然规律更好地认识客观世界产品设计需求发明新产品创造一个更好的新世界发现discover: bring to view (something existing but not yet known)发明invent: create or design (something not existing before)尽管设计和科学研究是不同的，但常常又是相互渗透的。现代机械设计
11、方法就是最好的相互渗透的例子。提出解决工程实际问题的方案是设计问题，但为方案实施提供理论与技术支撑的现代设计方法是分属不同学科领域的，其理论和技术是要通过科学研究的方法来完善的。四、设计的创造性活动：设计过程分为功能原理设计（phase 1）、实用化设计(phase 2)、商品化设计(phase 3)三个阶段，每个阶段都有创造性活动。设计是人的创造性活动，它是如何开始的？又是如何结束的呢？它不只是设计师坐在设计桌旁在纸上写一些想法，画几张图。设计的创造性活动包括从原始的创意、创造性的构思到实现三大阶段和认识需求等七大步骤。如图12所示。图12设计的创造性活动的过程1、设计的第一步是“认识需求”
12、，并由此决定要设计一种装置来满足它。“需求”是设计的最原始动力，“认识需求”则是一种有很高创造性的活动。因为所谓需求有时仅仅是一种模糊的感觉，常常是不明确的，需要人去认识它。只有具有强烈的创新意识和创新素质、敏锐的市场洞察力的人才能容易捕捉这种市场“需求”。如日本人发明的卡拉OK，2、目标界定。需求是指某种更深层次的需要，是范围比较广的，如需求可为“净化空气”。但目标界定则要把需求限定在某种确定方面，如“降低电厂烟尘的排放，降低汽车有害气体的排放等”，并限定满足需求的一些特殊的技术要求和特性，包括对所要设计的东西的所有说明，例如输入输出的数量、特性和空间尺寸、温度、以及这数量的极限等。这样就可
13、以在下一步寻求解决这一特定问题的解法。3、问题求解，也就是我们说的“功能原理设计”。应根据已知的各种物理效应（广义）把尽可能多的解法收集起来，供下一步分析比较。这是至关重要的一步，要注意尽可能避免把也许是最好的解法遗漏掉。如洗衣机的发明和改进。4、分析优选。要对第三步提出的各种可能的解法进行分析，进而作优化处理，尽量把各种解法的缺点加以克服，把优点加以突出，以便在下一步作出合理的评价。千万不要有先入之见，要记住过早地把个人偏见放入分析过程中去往往是有害的。如喷墨打印机，Canon为加热汽化式，Epson为压电喷墨式。5、评价决策，这是最困难的一步。迄今为止，还没有一种评价方法可以确保不会作出偏
14、离正确方向的评价。应该作较详细的技术、经济分析，作较准确的市场预测，挑选出那些具有市场前景在市场中具有竞争力的方案，特别要注意那些看来似乎不太好，实际上经改进后可能是一种非常有前途的解法，供作进一步的分析和试验。决策是一项难以用公式或方法推出绝对正确答案的工作。如同一个棋手或优秀的指挥员，在错综复杂的形势下作出决策，往往是依靠经验加上一种“直觉”。“经验直觉”是平时的学习和实验的积累的结果，决策时的成功率不能是100%，在决策时应尽量减小决策失败后的风险问题。6、表达：一般认为设计的最后阶段是画工程图，这是对那些常规设计来说的。对于创新构思意义上来说，最后阶段更重要是“表达”。用“写、说、画”
15、三种表达形式将设计者的创新构思向领导、同事和合作者说明，争取他们的支持，使该创新构思设计付诸实施。要注意的是这里所说的“画”是指用铅笔画示意图（Sketch），这种方式用来表达构思是很好的手段。同学们应该重视Sketch 能力的培养。P.11，图1-4。7、实现：以实物形式来实现设计的创新构思、验证构思的正确性。只有实践才是检验真理的唯一标准。在功能原理设计阶段，实现的手段是模型或原理样机；在实用化设计阶段，是实用样机；在商品化设计阶段，是产品样机；实现的最后阶段是市场。市场是检验设计成功与否的唯一标准。以上讲的七个设计步骤是指人们进行创造性构思一种全新的东西时所进行的工作步骤，因此它仅是原则
16、性的步骤。三个阶段：七个步骤可分为三个阶段。1、创意阶段：提出一种新颖的产品目标（或产品方向）。创意的重点在于新颖性，但这种新颖性必须具有潜在的需求。如果仅是新颖而无市场前景，则这种创意也就没有实际价值。一个很好的创意实例，就是Sony公司提出的Walkman（随身听）的原始创意，这个创意使Sony公司获得了巨大的利润。2、构思阶段：重点在于创造。即要构思一种新的技术方向或功能原理来实现某创意。新的功能原理要比原来的功能原理更先进。要注意必须有明确的物理概念，要注意运用最新的科研成果，如一些新发现的物理效应。3、实现阶段：实现的重点在于验证构思的合理性。在功能原理设计阶段，可以通过模型或原理样
17、机来检查构思的合理性。做模型或原理样机是至关重要的工作，很多新构思的完善甚至修正都是在这个阶段完成的。未经验证的创意或构思是不能进入下一个设计阶段的，如实用化设计、商品化设计阶段。五、机械工程设计学的发展1、机械工程设计学发展的三个阶段设计学科发展的历史应该以古代人（猿人生活在300万年至5060万年前）发明工具开始算起，至今经历了三个发展阶段。（1）原始设计阶段：该阶段的“设计”活动的特点是有了原始的功能思想即为了实现某种“功能目标”而创造发明成功某种器械。由于生产、生活和战争的需要，推动了各种工具、器具和武器的发明。但由于机械设计的基础知识力学（运动学和动力学）远未成熟，因此该阶段的设计水
18、平不高。最高水平就是以16世纪达芬奇（Leonando Vinci）所构想的齿轮、螺旋为代表（pp269）。而中国的记里鼓车和秦代就出现的齿轮传动则比达芬奇更早地达到了这个水平。（2）机械学发展阶段：设计学发展的第二阶段以1854年德国学者劳莱克斯（Reuleaux. F）出版机械制造中的设计学一书为标志。该书把机械设计学从数学、力学和物理学之中分离出来。以力学和机械制造作为基础，建立了“机械设计”的基本体系。从此，德国的机械设计学术体系成为欧、美各国及俄国的样板。把设计学分为“机构学（机械原理）”和“机械零件”两门课程来进行教学。这个阶段的“设计学”其实就是“机械学”。经过一百多年的发展，机
19、械学已经发展得相当成熟。人们致力于机械学及相关学科的研究，取了巨大的成绩，但是却恰恰忽略了对“设计学”的核心“功能”的研究。以致于人们几乎忘记了设计中的功能原理设计。（3）功能思想为核心的设计阶段设计学发展的第三阶段以1947年美国工程师麦尔斯（L. D. Miles）明确提出“功能”的概念为标志。从此设计学的发展又回到“设计学”本身应该重点研究和发展的内容上来了。“功能”思想的提出在美国技术界也经过足足三十多年才被人们理解和接受。在7080年代的产品设计中，出现了种种革新，新的功能原理不断涌现，市场上商品出现了空前繁荣的景象。流行了近百年的字头式打印机，到80年代出现了点阵式针式打印机，继而
20、又出现了喷墨式打印机，激光打印机。人们终于看到了“功能”思想的巨大威力。至九十年代，美国提出了“为竞争的优势而设计”的思想，“优势设计（Advanced Design）”是以“常规设计(Routine Design)”和“创新设计(Creating Design)”为基础的更高一层的设计概念，它是更强调面向市场竞争的设计技术。设计学的发展能否进入第四个阶段优势设计阶段，还需继续观察设计学的发展（在21世纪）。2、近代“设计学”的三个重大发展二次大战后，“设计学”作为第二阶段的继续，在“机械学”的结构设计方面取得了进一步的发展，例如在摩擦学、振动与噪声、断裂力学等方面。同时随着计算机科学的发展，
21、作为设计工具和手段的计算机辅助设计（CAD）以及相关的优化、有限元、可靠性等也以很快的速度进入设计领域，使现代设计技术面貌一新。近年来还出现了“并行工程”（Concurrent Engineering）等基于信息网络的异地协同快速设计技术，以及CAD/CAM一体化技术。计算机在机械设计中的应用，对设计学起了一个“冲击”性的推动作用。计算机的引入尽管产生了令人眼花缭乱的视觉冲击和达到了令传统的手工设计难以想象的效果和速度（速度和精度）。但是，对于“设计学”来说，真正激动人心的是三项“设计学”核心技术的萌芽和发展。即功能思想、人机学、工业设计的萌芽和发展。（1）“功能”(Function)思想的提
22、出和发展“功能”思想在原始的设计阶段已经有了，在20世纪40年代以前的一些机械科技书中，早就提出过“功能”的概念。但是由于当时的技术（科学）发展水平的限制，实现“功能”多用机构的原理，因此，在设计者们的头脑里想的都是机构、结构、运动学、动力学、强度、刚度、振动，甚至在设计教科书中也几乎不再提“功能”的概念，似乎人们已经“淡忘”了这个重要的概念。因此，在机械设计学的第二个发展阶段，导致了机械学的大发展，机械学变得很成熟和完善，以致于设计师在进行产品设计时，似乎“功能”问题已经是由别人规定了的，或者是过去的发明人已经解决了的，不必由设计师来考虑，一个设计师似乎只是从机构和结构方面来完成产品的设计就
23、行了。随着科学技术的发展，很多新的物理效应不断被发现，相应的技术也趋向成熟，“功能原理”的选择范围扩大，而且单一的功能原理已不能满足人们生产、生活的需要。因此，“功能”概念的重新提出和再认识，使设计学进入了新的发展阶段。麦尔斯（Miles）富有哲理性的名言：“顾客购买的不是产品本身，而是产品所具有的功能。”明确说明了“功能”是产品的核心和本质。“设计学”的发展符合事物发展的规律螺旋式上升的哲学命题。设计学又回到了以“功能”思想为核心的设计观，人们对“功能”思想认识已经大大深化了（从自发的潜意识的功能思想的体现到积极主动的研究功能思想），实现“功能”的条件和手段已是第一阶段无法比拟的（新的物理现
24、象的发现和相关技术的成熟使实现功能原理的手段和技术途径大大增加）。（2）“人机学”(Ergonomics，Human Factor)思想的形成和发展第二次世界大战中，空战中的射击手发现瞄准了敌机但是往往打不中目标的情况，一开始以为纯粹是风速和相对运动的问题。后来发现，误差还和射击手的反应时间有关，即从脑子想击发到手指扣动板机有一个延迟时间，这个时间在不同人、不同情绪等情况下都是不同的。人和机器及其周围的环境就构成了一个系统。人机学就是从系统的观点来研究“人机环境”系统中三要素及其相互关系。它的研究重点是人，从人的生理和心理考虑，使系统中的三要素相互协调，以便促进人的身心健康，提高人的工作效能。
25、机械设计时建立一个良好的人机界面是至关重要的。今天人们对“人机学”已经有了一个全新的更深刻的认识。对人机学的研究已经从生理、心理发展到思想感情，从按钮、手柄发展到环境、情绪。人们已经认识到人和机器的密切关系是客观现实，也是不可能被自动化代替的真实领域，我们把“人机学”作为一个永恒的课题来对待。（3）“工业设计”（Industrial Design）学科体系的发展和成熟1851年，英国：“工业设计之父”莫里斯（W. Morris）提出：艺术第一，技术第二二战前，德国：“包豪斯”工业学校（Bauhaus）正确总结了工业产品设计的原则，提出技术第一，艺术第二艺术造型设计来自工业设计范畴，就是运用科技
26、、经济、文化艺术等知识和手段给工业产品创意性的“包装”（进行造型和色彩设计），给予工业产品的功能以特定的艺术表现，创造有实用价值的产品的立体形象并使之富有美感的效果。在迈向21世纪进程中，面对市场的激烈竞争，一些基本技术问题得到了社会性解决，谁不可能在基本技术上占有更大优势时，工业设计的地位就显得格外重要。六、现代设计方法的任务与主要内容1、任务让学生了解常用的现代机械设计方法，较系统地掌握一种以上的现代机械设计方法。2、主要内容（1）机械优化设计（2）机械CAD（3）有限元方法（4）机械疲劳设计（5）摩擦学设计（6）可靠性设计（7）机械热效应设计（8）机械的抗振设计与低噪音设计（9）机械动态
27、设计（10）人机学设计（11）机械产品的艺术造型（12）专家系统(智能系统)（13）价值优化设计（14）异地协同设计（15）并行设计 （16）机械CAD/CAPP/CAM 七、机械创新设计的机理与创新思维功能原理设计本身就是创新构思的过程，一个设计人员是否有较高的创造性素质，在很大程度上决定了他工作中的创造性效果。设计人员的智商的高低并不等于创造性的高低。研究证明：有很高智商的人不一定有很高的创造性，具有一般智商的人往往会出现很高的创造性。一个设计人员在工作中的创造性首先取决于他有没有创造意识（即创造欲望）。但创造意识不是一种主观愿望，他还必须要有（1）创造性的知识 （2）思维方法基础（3）对
28、创造性机理的认识基础。1、创造性机理创造力是每个正常人都具有的，不是个别天才人物所独有的神秘之物。人脑在长期进化中，形成了人人都具有的一些创造性思维能力，如直觉思维、形象思维、侧向思维、联想、转移经验，这是人人都有创造力的物质基础。但是，并非每个人都获得创造性的成功的，也并非每个人做的每件创造都获得成功的。据统计：约占有的人或事是获得创造性的成功的。这是因为创造的成功还受心理素质、知识、经验、才能及机遇等因素的影响。如图形象地表明了创造性成功的机理：创造性心理素质是核心，创造性基础知识、基本技能和创新的实践经验是进行创造性活动的基础条件，创造性实践是通向成功的必由之路，创造性思维不断指明探索的
29、方向。如果在前进的道路上遇到了机会，就有可能抓住机会取得成功。机遇是可遇不可求的东西，作为设计者应该通过学习间接知识和直接参加创造性实践锻炼增强创造性心理素质、丰富基本实践经验，提高创新的基本能力，熟悉创造性思维的规律。2、创造性心理素质：良好的创造性心理素质应包括：1）强烈的创造欲望（永无满足感）；2）创新的自信心。任何一个现有的功能原理都不可能是最好的，要有信心自己能创出更好的功能原理；3）敏锐的创新触角。对事物要有敏感性，善于抓住那些转瞬即逝的闪光的新思想（New Ideal）；4）不怕挫折，不怕失败的精神5）独立思考(知识的内化、批判精神）；6）坚持实践是检验真理的标准（科学的精神）3
30、、创造性知识基础在进行功能原理设计时，凡是人类所已经了解的自然科学和工程科学知识几乎都可以被应用，因此，一个好的设计师应该具有很广的知识面和坚实的理论基础。当然，一个人的知识总是有限的，为了在求解过程中扩大人们的搜索眼界，人们编制了一些知识库供参考，其中最典型的是德国学者Roth编制的“设计目录”（Katalog）。在这个目录中可以查到各种物理效应，基本机构这些资料作为知识库是有帮助的。但它不能代替设计者自己的知识基础的积累，对于设计人员来说，在吸收前人的创造性知识和经验的基础上，积累自己直接的知识和经验，才能提高自己的创造性才能。4、创造性思维规律（1）直觉和灵感：直觉是创造性思维的一个重要
31、组成部分，没有任何一个创造性行为能离开直觉活动。直觉和灵感并不是唯心的东西，它的基础是平时积累的“思维元素”和“经验”，直觉和灵感只不过是它们的升华。由于直觉和灵感往往出现在无意识的思维过程中（如散步时、睡梦中），而不是在集中注意力思维的时候，因此给人们一种“神秘感”。爱因斯坦说：“我相信直觉”。他还画了一个模式图来描绘“直觉”产生的机理，他认为直觉起源于创造性的想象反复的想象和构思激发起潜意识（即无意识的脑活动）某种环境条件下升华为直觉或灵感。思维升华示意图（2）潜意识：有些思维学家认为在人脑的思维活动中存在着无意识的思维和无意识的意志这样一些东西。并称为“潜意识”。他们把潜意识的思考看得比有意识的思考更重要。（3）形象思维和思维实验形象思维是指脑子里产生实物形象的思维方式。它不是文学语言的概念，也不是数学方程的代数抽象，而是一种物理图象。只有形象思维才能使人对空间状况和变化过程进行思维，因此这是进行设计构思的一种最重要的思维方法。思维实验是指在头脑里对所构思的问题进行模拟性实验，一个新的构思在作真正的模型试验之前先在头脑中作这样的模拟试验是非常必要的。爱因斯坦
