1、现代设计方法的应用 现代设计方法的应用工业产品设计是一种创造性活动,设计的结果直接影响产品性能质量、成本和企业经济效益。由于在产品开发和提高产品设计水平的工作中,科学的设计方法起着重要的作用，因此加强对产品设计方法的研究有着十分重要的意义。从20世纪60年代以来,在工业发达国家中对设计方法学的研究有着迅速的发展。一些国家已形成了各自的研究体系和风格。比较有代表性的如：德国的学者和工程技术人员比较着重研究设计的进程、步骤和规律,进行系统化的逻辑分析、并将成熟的设计模式、解法等编成规范和资料供设计人员参考；英、美学派偏重分析创造性开发和计算机在设计中的应用；日本学者则充分利用国内电子技术和计算机的
2、优势；在创造工程学、质量工程、价值工程方面做了不少工作。自1946年开始，前苏联进行发明创造方法学的研究TRIZ(heory of Invention Problem Solving),以G.S.Altshuler为首的研究机构分析了世界近250万件高水平发明专利，并综合多学科领域的原理和法则后，建立了TRIZ理论体系。运用这一理论，可大大加快人们创造发明的进程而且能得到高质量的创新产品。 各国研究的设计方法在内容上各有侧重，但共同的特点都是总结设计规律，启发创造性，采用现代化的先进理论和方法使设计过程自动化、合理化，其目的是为了提高设计水平和质量，设计出更多功能全、性能好、成本低、外形美的产
3、品,以满足社会的需求和适应日趋尖锐的市场竞争。 我国在20世纪80年代不断吸收引进国外研究成果，开展了现代设计方法的理论和应用研究，并取得了一系列成果。 各国在设计方法研究过程中共同推进和发展了“现代设计方法学”这门学科，从而使它成为现代设计方法的一个重要组成部分。设计方法学是以系统的观点来研究产品的设计程序、设计规律和设计中的思维与工作方法的一门综合性学科。现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在涉及领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。它是以设计产品为目标的一个总的知识群体的总称。目前它的内容主要包括：计算机辅助设计、有限元设计、反求工程设计、优化设计、并行设计、
4、虚拟设计、绿色设计、可靠性设计、动态设计、模块化设计、人机学设计、疲劳设计等。下面就以此为例，介绍现代设计方法的运用。一、计算机辅助设计计算机辅助设计（Computer Aided Design)，简称CAD。他是把计算机技术引入设计过程并用来完成计算、选型、绘图及其他作业的一种现代设计方法。 计算机、绘图积极其他外围设备构成CAD硬件系统，而操作系统、语言处理系统、数据库管理系统和应用软件等构成CAD的软件系统。通常所说的CAD系统是只由系统硬件和系统软件组成，兼有计算、图形处理、数据库等功能，并能综合利用这些功能完成设计作业的系统。机械计算机辅助设计（机械CAD）技术，是在一定的计算机辅助
5、设计平台上，对所设计的机械零、部件，输入要达到的技术参数，由计算机进行强度，刚度，稳定性校核，然后输出标准的机械图纸，简化了大量人工计算及绘图，效率比人工提高几十倍甚至更多。计算机辅助设计的过程,首先进行功能设计,选择合适的科学原理或构造原理,然后进行产品总图的初步设计、产品选型和外型的初步设计;从总图派生出零件,对零件的造型、尺寸、色彩等进行设计,对零件进行有限元分析,使其结构及尺寸与应力状态相适应;对零件进行加工模拟,对其性能做出评价、分析和优化,最终完成零件的工作图;在计算机上制定零件制造工艺,在相应的设备上制造出零件。如各种建模软件， solidworks、solidedge、UG、p
6、roE、 AutoCAD等。二、有限元法设计 有限元法（Finite Method）是以电子计算机为工具的一种数值计算方法。目前，该方法不仅能用于工程中复杂的非线性问题、非稳态问题（如结构力学、流体力学、热传导、电磁场等方面的问题）的求解，而且还可以用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力学分析，并能准确地计算复杂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利分析工具。三、反求工程设计反求工程设计（Reverse Engineering）是消化吸收并改进国内外先进技术的一系列工作方法和技术的总和。它是通过实物或技术资料对已有的先进产品进行分析、解剖、试验，了解其材料、组成、结构、性能、功
7、能，掌握其工艺原理和工作机理，已进行消化仿制、改进或发展、创造新产品的一种方法和技术。它是针对消化吸收先进技术的系列分析方法和应用技术的组合。四、优化设计随着与机电一体化技术不断的发展和光反运用，我们面临的将是越来越复杂的机电系统。解决复杂系统的出路在于使用智能优化的设计手段。智能优化设计突破了传统的优化设计的局限，它更强调人工智能在优化设计中的作用。优化设计（Optimal Design）是根据设计方法学理论，把最优化数学原理应用于工程设计问题，以计算机为实现手段，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构，与控
8、制论、信息论、决策论相结合，对产品进行开发设计，在所有可行方案中寻求最佳设计方案的一种现代设计方法。在进行工程优化设计时，首先把工程问题按优化设计所规定的格式建立数学模型，然后选用合适的优化计算方法在计算机上对数学模型进行寻优求解，得到工程设计问题的最优设计方案。在建立优化设计数学模型的过程中，把影响设计方案选取的那些参数称为设计变量；设计变量应当满足的条件称为约束条件；而设计者选定来衡量设计方案优劣并期望得到改进的指标表示为设计变量的函数，称为目标函数。设计变量、约束函数、目标函数组成了优化设计问题的数学模型。优化设计需要把数学模型和优化算发放到计算机程序中用计算机自动寻优求解。常用的优化算
9、法有：0.618法、鲍威尔（Power）法、变尺度法、复合型法、惩罚函数法。而实现的手段有:(l)模糊设计。模糊设计是以模糊数学为理论基础，它首先通过对设计对象的各项性能指标建立满足某些模糊集合的隶属度函数，并按其重要性乘以不同的加权引子，然后按一定的算法得到综合模糊集合的隶属函数，再通过优化策略，把模糊问题向非模糊化转化，从而实现寻优的过程。现在机电产品中涉及到模糊理论的场合很多，如模糊冰箱、模糊洗衣机、模糊微波炉，它们正悄然地改变着人们的生活方式。(2)神经网络优化设计。神经网络是一种模仿人类大脑结构、功能的信息处理智能系统，一般由多输人单输出非线性单元组成神经元，各神经元按一定的模式连接
10、，并构成各种连接模型。它通过反复的训练和学习以及自身的适应能力来完成对复杂信息的处理，使输出达到最优。神经网络的重要特征就是具有很强的自适应、自组织、自学习的能力和强容错性。为实现机电产品智能化的功能，还有一个途径就是利用专家系统的框架。通过提取人类成熟的操作经验和知识，以知识库为核心，配以特征知识处理，并采用不同的匹配法则和推理机制，构成完整的最优决策系统。五、并行设计并行设计(Parallel Design)是一种对产品及其相关过程(包括设计制造过程和相关的支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模式。强调产品开发人员一开始就考虑产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把
11、一切可能产生的错误、矛盾和冲突尽可能及早地发现和解决，以缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量。并行设计作为现代设计理论及方法的范畴，目前已形成的并行设计方法基本上可以分为两大类：(l)基于人员协同和集成的并行化。就是把组成与产品方面有关的，针对给定设计任务的专门的、综合性的设计团体(企业)协同起来。(2)基于信息、知识协同和集成的并行化。该方法基于计算机网络来实现，各零部件的设计人员通过计算机网络对机电产品进行设计，并进行可制造性、经济性、可靠性、可装配性等内容的分析及时的反馈信息，并按要求修改各零部件的设计模型，直至整个机电产品完成为止。可以采用面向制造(DFM)和面向装配(DFA)
12、的设计方法，涉及CAX技术、产品信息集成(PDM)技术以及与人员协同集成有关的信息技术。当然，这两种机电产品并行设计方法并不是相互独立的。在实际应用过程中，它们往往是紧密结合在一起的。实例：并行工程应用于整车项目开发案例研究在组织机构上，建立一支跨部门矩阵式的开发团队，团队全体成员共同对团队的目的和目标负责，每一个成员都能理解其职责。它确定团队活动的焦点，包括服务和产品。全体成员相互依赖，在协同环境中工作，实施信息预发布、设计评审及反馈，定期组织团队会议，进行信息交流、讨论，进行团队决策，确保团队计划向前推进。结构上可将开发团队划分成若干小组（IPT）。并行工程所需的体系结构通常由工程设计、质
13、量管理、过程管理、软件环境和生产制造等5个系统组成。一般地，汽车整车产品开发共有4个大的阶段，即策划阶段、设计阶段、样品试制阶段和小批试制阶段。并行工程在实施过程中对设计进度和质量控制都可分多级并行循环体，对开发进行协同、配合、反馈和修改的循环工作。设计部门与技术支持、工艺、质量、制造、销售、计算机仿真和供应商等部门形成一个大的循环体，各部门内部又有各专业小组之间的小循环体，根据需求不同可建立不同的循环体。在整车项目开发周期管理中的作用如下:整车开发过程的大计划，纵向列出全部工作内容，横向列出整体开发的时间，在什么时间完成什么内容，是什么部门完成一目了然。大计划通过各部门充分讨论，达成共识、会
14、签，并经总经理签字下发。各部门再根据大计划编制各部门更详细的计划，然后按计划并行实施。大部分工作下游部门都提前几个月介入，这是缩短开发周期的关键，即所谓的并行，而传统的开发流程总是需要上游部门完成后再进行下游部门的工作。以模、夹具的开发为例，运用并行工程，其与车身工程设计几乎同时进行，从整个计划第4个月开始介入，在整个开发周期的第22个月完成。而运用串行工程，其在车身工程设计完成后进行，从整个计划第15个月才介入，在整个开发周期的第34个月才完成。运用并行工程开发时间上节约近36%，整个产品开发周期可以缩短40%50%。设计部门不断预发布、评审、输出，相关部门评审、验证意见和建议不断反馈，然后
15、设计不断更改，通过预发布和设计评审、修改若干个循环，这样可以把不必要的失误和不足消灭在设计阶段，同时优化设计。在各系统设计输出评审的时候，相关部门的意见至关重要。在产品开发的早期阶段解决设计问题，所冒的风险和损失最小。各系统的设计和预发布评审都需相关部门的工程师参加，反馈意见马上修改。造型设计，预发布评审需邀请设计部门的领导、设计总师、设计工程师、工艺工程师、模具工程师、制造工程师和销售人员等。总布置设计，需邀请车身、底盘、电器以及内外饰各系统工程师、整车安全法规工程师等参与预发布评审。小批试制阶段，小批试制是批产前的关键过程，所有的问题必须在此阶段解决，无论是技术性的还是生产性的问题，设计、
16、工艺、模具、夹具、制造和质量工程师必须全程跟踪，发现问题及时修改、验证。公告认证、安全气囊匹配验证和ABS匹配验证等的验证工作大都选用这阶段生产的车，因为时间上可以提前，可并行完成，车况上与量产车非常接近。总之，在整车开发的各个过程中，相关的部门都是提前渗入、协同工作、及时反馈、及时修改，使开发全过程方案更改次数减少50%以上，质量达到最佳，为质量的“零缺陷”打下基础。六、虚拟设计在达到产品并行的目的以后，为了使产品一次设计成功，减少反复，往往会采用仿真技术，而对机电产品模型的建立和仿真又属于是虚拟设计的范畴。所谓的虚拟制造(也叫拟实制造)指的是利用仿真技术、信息技术、计算机技术和现实制造活动
17、中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，发现制造过程中可能出现的问题，在真实制造以前，解决这些问题，以缩减产品上市的时间，降低产品开发、制造成本，并提高产品的市场竞争力。虚拟设计(Dummy Design)能实现在产品加工制造之前，建立产品的功能、结构模型，并能对其进行修改和评审，以满足不同客户的要求。它不仅继承了传统CAD设计的优点也具备了仿真技术可视化的特点，更能支持协同工作和并行设计，从而缩短了产品开发周期并通过各先进技术的利用和补充，使产品保持技术上的优势。汽车车辆虚拟设计与制造技术应用实例(1) 车身设计阶段使用One-Step仿真软件进行快速冲压成形性校核，可大大减少设计返回带来
18、巨大损失。(2) 模具设计阶段采用Increment仿真软件进行冲压仿真分析，可减少模具调试时间。汽车制造中瓶颈问题之一是车辆模具设计与制造，特别是拉延模设计。为解决这一问题，近十年来国内外汽车模具行业广泛采用了虚拟设计技术，即采用增量分析软件进行冲压过程仿真。这类软件如法国ESIPAM-STAMP、美国LS-DYNA、瑞士AutoForm. Eng. 公司AutoForm /Increment和我们自行开发KMAS/Increment软件等。七、绿色设计绿色设计(Environmental Protection Design)是指以环境资源保护为核心概念的设计过程，其基本思想就是在设计阶段就
19、将环境因素和预防污染的措施纳人产品设计之中，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为最小。产品的绿色设计主要包括以下内容：(l)产品材料的选择和管理。产品的材料不仅要满足传统设计的使用和性能要求，也包括对环境约束准则的考虑。(2)产品可拆卸性和可回收性设计。可拆卸性设计是将废弃淘汰产品的连接按照需要和回收目标拆开而将零部件相互分离，及用利于产品拆卸的连接方式代替传统的连接方式;可回收性设计则是将产品中的可重用零部件及材料按照其性质进行分类，以便实现零部件重用或材料循环的一种设计思想和方法。(3)绿色产品成本分析和设计数据库的建立。对产品的成本分析不仅包括了产品原始成本的分
20、析，还包括产品环境成本的分析，以便设计出更绿色、成本更低的产品。而产品绿色设计数据库包括与产品寿命周期中环境、经济等有关的基础数据，以及各类评判标准。(4)产品的绿色包装设计。除了设计出能满足客户要求和喜爱的产品造型和样式之外，还要充分考虑包装对环境的影响因素。八、可靠性设计机电产品的可靠性设计可定义为:产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性设计（Reliability Design）是以概率论和数理统计为理论基础，是以失效分析、失效预测及各种可靠性试验为依据，从统计学的角度去观察偶然事件，并从偶然事件中找出其某些必然发生的规律，而这些规律一般反映了在随机变量与随机变量发
21、生的可能性(概率)之间的关系，以保证产品的可靠性为目标的现代设计方法。 可靠性设计的基本内容是：选定产品的可靠性指标及量值，对可靠性指标进行合理的分配，再把规定的可靠性指标设计到产品中去。用来描述这种关系的模型很多，如正态分布模型、指数分布模和威尔分布模型。可靠性常用的数值标准有:可靠度(Reliability)、失效率(FailureRate)平均寿命(MeanUfe)。机电系统的可靠性不仅与组成系统单元(机械单元、电气单元或混合单元)的可靠性有关，还与组成该系统各单元间的组合方式和相互匹配有关。通常机电产品的可靠性设计包括以下几个方面的内容:(l)明确机电产品中机械部件和电气部件的设计制造
22、要求。(2)系统可靠性建模。系统常用的可靠性建模方式有:串联系统建模、并联系统建模、混联系统建模、k/n系统建模和储备系统建模。可通过这些数学模型并采适当的算法来计算出机电系统的可靠性。(3)可靠性可预测。预测单元(机械单元、电气单元或混合单元)的可靠性，首先要确定单元的基本失效率，它们是在一定的环境条件下得出的，设计时可以从相关的手册、资料中查得。然后根据公式入=k入b来确定各单元的应用失效率，k为修正系数，可由专门的资料中查得。对于不同的机电系统，其可靠性预测的方法也不同，常用的有元器件统计法、数学模型法和故障树分析法等方法。(4)可靠性的分配。根据机电产品各单元技术水平、复杂程度、重要程
23、度以及相关费用等条件来决定，总的来说都是为了获取系统最高的可靠性。现在常用的分配方法有等分发、再分发、Agree分配法和相对失效法和相对概率法。九、动态设计动态设计法（Development Design）是在计算参数难以准确确定、设计理论和方法带有经验性和类比性时，根据施工中反馈的信息和监控资料完善设计，是一种客观求实、准确安全的设计方法。传统的机械设计主要是依据静态条件下强度、刚度、稳定性及结构要求和材料选择来进行设计的，动态设计则以系统论，控制论为依据，在一定的位移，速度，力和力矩的干扰下对影响整机性能非常重要的战术指标（包括响应速度、跟踪精度和动态稳定性等）进行设计。 对初步设计产品(
24、或需要进行改进的产品)进行机械结构或系统动力学建模和动态特性分析，根据工程实际要求，给出所要求的动态特性设计目标，按结构动力学“逆问题”分析法求解结构参数，从而得到一个具有良好动静态特性的产品，即不仅具有良好的工作工艺指标，而且机械设备本身还能够安全、可靠地工作，并满足相应的工作寿命要求。机械动态设计的理论与方法主要包括以下四个方面：动力学建模、动态特性、计算实物试验、模型试验与试验建模、机械结构动力修改基坑支护动态设计应用实例动态设计通过建立监测系统和信息反馈有利于控制施工安全，并不断地将现场地下水及地质变化情况反馈到设计单位，调整完善设计。这一设计方法很适合用于基坑开挖支护、边坡治理等岩土
25、工程。现以广东省某试验研究中心基坑设计为例，简要地介绍了动态设计的内容及方法。十、模块化设计模块化设计（Module Design）主要是以功能化的产品结构为基础，分解现有的产品，在分解中考虑到各个要素的可行性，从而在早期就预测到设计中可能会出现的矛盾，提高设计的可行性和可靠性，降低产品的成本。模块化设计在齿轮减速器中的应用：市场调查分析与参数范围的确定模块化设计的一个重要前提是必须对产品的品种和规格以及市场对同类产品的需求量有充分的了解，只有这样才能开展模块的划分、创建、组合。根据市场调查，为满足冶金、矿山、建筑、化工、轻工等行业的需要，拟设计中小功率的通用齿轮减速器系列齿轮减速器主要有圆柱
26、齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、圆柱圆锥齿轮减速器三种结构，为了使齿轮减速器通过单元模块组合，实现系列产品内传动件互换，拟定产品的装配形式共减速器各级齿轮传动中心距的确定主要考虑两个因素：一是尽可能实现各级齿轮等接触强度传动；减速器整机结构具有明显的分级特性，在进行模块化设计时，以产品的功能分析为基础，将产品的总功能分解为若干层次较高的综合性功能单元，然后根据不同的需求，将这些综合性功能单元分别细化为若干层次较低的、可互换的、独立的基础单元，如齿轮、轴承的分级分解如图对一定界限内的不同产品的性能、规格进行分析得出的一系列的功能模块，这些模块成为基础，通过对它的选择，重新组合构成不同的产品，以满足市
27、场需求。根据各部件的位置及功能不同，设计为一个个独立的模块，模块之间又可以组成一个大单元，如机械液力变矩器、变速器和中央传动一体化单元等，使整机的装配和维护更为方便。从工程机械的传动方式看，传统的“液力变矩十动力换档变速箱+两级最终传动”方式，逐步向模块化的传动方式转变。如采用典型模块化设计的传动系统为：外分流式液力变矩器+传动轴+动力换档变速器与中央传动的组合+离合器与盘式制动器的组合+行星最终传动。十一、人机学设计应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关
28、系和可及范围等人体结构特征参数；还提供人体各部分的出力范围、以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等.所谓人性化产品(Humanity Production)，就是包含人机工程的的产品，只要是“人”所使用的产品，都应在人机工程上加以考虑，产品的造型与人机工程无疑是结合在一起的。实例：电脑椅,学生电脑椅人机工程学设计方案:人的身体姿势与腰椎形状的关系:1、人的背后仰和放松时，椎间盘内压力最小。2、靠背倾斜角
29、越大，肌肉负荷越小。 3、5cm厚的短靠腰（靠住腰部，也叫地靠腰），与最简单的面的靠背相比，可降低椎间盘压力，减轻肌肉负荷。4、靠背最佳倾斜角（与程度面夹角）为120，坐面最佳角度（与程度面夹角）为14，靠背应力5cm厚的地靠背支撑着身体上部分的重量，从而减小了椎间盘内压力。根据人的身体姿势与腰椎形状的关系确定学生座椅的具体人机设计要素：学生电脑椅使用时人身体前倾，凹缘支撑住腰部，而放松休息时，人的身体后靠，靠背又保持了脊柱的自然“S”形曲线。因此应具有高靠背垫腰凹缘。1、高度可调。办公椅的高度调节范围为38-53cm。2、可防止座椅滑动和翻倒。椅脚应设计5个，等分在直径为40-45cm的圆周
30、上。3、给人留有足够的活动空间。需要时常站起来的座椅应采用小脚轮。4、应保证腿的活动空间，以减轻腿的疲劳。5、坐面为4045cm宽，3842cm长，坐面中部下凹，前缘呈弧球面，坐面后倾46。6、坐面的材料应透气而且不出溜(例如毛料)，以增加坐面的舒服感。7、在座椅右侧扶手旁边设置一个可以上翻后旋转的键盘和鼠标的操作台，使座椅与显示器荧幕之间的间隔有更大的自由度同时利于腾出电脑桌空间。此附带加上装置可配合电脑桌拥挤时使用，观看视频或图片（画手绘就利便了）。用电脑，把台面分为可别离调整高度的两部分，保证适合的显示器高度和键盘高度。十二、疲劳设计疲劳设计（Tiredness Design）是指材料、
31、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。发展趋势： 飞机、船舶、汽车、动力机械、工程机械 、冶金、石油等机械以及铁路桥梁等的主要零件和构件，大多在循环变化的载荷下工作，疲劳是其主要的失效形式。因此，疲劳理论和疲劳试验对于设计各类承受循环载荷的机械和结构，成为重要的研究内容。疲劳有限寿命设计中进行寿命估算，必须了解材料的疲劳性能，以此作为理论计算的依据 。由于疲劳寿命的长短取决于所承受的循环载荷大小，为此还必须编制出供理论分析和全尺寸疲劳试验用的载荷谱，再根据与各种疲劳相适应的损伤模型估算出疲劳寿命。疲劳理论的
32、工程应用，经历了从无限寿命设计到有限寿命设计，有限寿命设计尚处于完善阶段。发展趋势是：宏观与微观结合，探讨从位错、滑移、微裂纹、短裂纹、长裂纹到断裂的疲劳全过程 ，寻求寿命估算各阶段统一的物理-力学模型 。研究不同环境下的疲劳及其寿命估算方法。概率统计方法在疲劳中的应用，如随机载荷下的可靠性分析方法，以及耐久性设计等。从设计内容上看，设计贯穿了产品从孕育到消亡的整个生命周期，涵盖了需求获取、概念设计、技术设计、详细设计、工艺设计、营销设计及回收设计等设计活动，并把实验、研究、设计、制造、安装、使用、维修作为一个整体来进行规划。过去，在理论上主要以力学为基础，在实践上主要以经验作为基础现在，作为基础的理论远不止力学，还有系统论、控制论、信息论、传感理论、信号处理理论、电子学、计算机等等，作为实践的基础远不止经验，而且还涉及各有关的学科，同时，自身也在形成自己的学科体系制造理论、工艺理论。值得一提的是：上述各种方法并不是完全孤立的，各类方法之间都存在一定程度上的联系，如结构模块化设计方法中，划分结构模块时就蕴含有系统化思想，建立产品特征及
