ch1现代设计方法学

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1、第1章绪论1.1现代设计的概念1.1.1设计的概念及特征设计的定义：为了满足人类与社会的功能要求，将预定的目标通过人们创造型思维，经过一系列规划、分析和决策，产生载有相应的文字、数据、图形等信息的技术文件，以取得最满意的社会与经济效益，这就是设计。工业产品设计具有的特征：（1）需求特征：（2）创造性特征：（3）程序特征：（4）时代特征：第1章绪论1.1.2设计发展的基本阶段从人类生产的进步过程来看，整个设计进程大致经历了如下四个阶段：直觉设计阶段（17世纪以前）古代的设计是一种直觉设计。当时人们或许是从自然现象中直接得到启示

2、，或是全凭人的直观感觉来设计制作工具。特点：设计与制造无法分开。经验设计阶段（17世纪初）开始利用图纸进行设计，并开始根据图纸组织生产。特点：开始利用图纸设计、生产。第1章绪论1.1.2设计发展的基本阶段半理论半经验设计阶段（20世纪初以来）由于实验技术与测试手段的迅速发展和应用，提高了设计的可靠性，这个阶段成为半理论半经验设计阶段（又称为中间试验设计阶段）。这个阶段主要特征:(1)设计理论加强，如材料应力应变、摩擦磨损理论、零件失效与寿命;(2)设计手册、图册应用；（3）关键零部件设计研究；（4）“三化”,即零件标准化、部件

3、通用化、产品系列化，后来又提出设计组合化现代设计阶段（近30年来）其特征：（1）CAD/CAM/CAE/NC技术的应用；（2）考虑环境影响、经济、社会效益、持续发展等因素。第1章绪论1.1.3现代设计与传统设计传统设计（见图1-1）所谓“传统”是指这套方法沿用了很长时间，直到现在仍然被广泛采用。传统设计是以经验总结为基础，运用力学和数学而形成的经验公式、图表、设计手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。所以传统设计方法是一种以静态分析、近似计算、经验设计、手工劳动为特征的设计方法。其特征：（1）设计的

4、每一个环节都依靠设计者用手工方式完成；（2）设计人员的大部分精力耗费在零部件的常规设计中，而整机全局问题深入较少，特别是对于一些困难而费时的分析计算，常常不得不采用作图法或类比法等粗糙的方法，因此具有很大的局限性，主要表现在：最优方案难以获得；只能按静态计算而不能按动态计算，影响设计质量；设计工作周期长，效率低、成本高。第1章绪论1.1.3现代设计与传统设计现代设计现代设计不仅指设计方法的更新，也包括了新技术的引用和产品的创新。产品现代设计的主要特点表现在：设计对象由单机走向系统；设计要求由单目标走向多目标；设计所涉

5、及领域由单一领域走向多个领域；产品设计速度加快、设计质量提高。第1章绪论1.2现代设计方法的主要内容及特点1.2.1现代设计方法的主要内容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：优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、工业艺术造型设计、虚拟设计、疲劳设计、三次设计、相似性设计、模块化设计、反求工程设计、动态设计、有限元法、人机工程、价值工程、并行工程、人工神经元计算方法等。在运用他们进行工程设计时

6、，一般都以计算机作为分析、计算、综合、决策的工具。本节以计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、有限元法、工业艺术造型设计、设计方法学、三次设计等为例来说明现代设计方法的基本内容与特点。第1章绪论1.2现代设计方法的主要内容及特点计算机辅助设计计算机辅助设计（ComputerAidedDesign)，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

7、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。优化设计优化设计（OptimalDesign）是把最优化数学原理应用于工程设计问题，在所有可行方案中第1章绪论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

8、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。常用的优化算法有：0.618法、鲍威尔（