选修论文Word文件下载.docx

1、摘要：本文指出了产品概念设计，包含设计早期的功能、原理、形状、布局和结构设计等内容，阐明计算机辅助概念设计的内涵。从工程设计、工业设计、人工智能和新技术应用四个角度探讨目前国内外该领域的研究发展现状。结合现代产品设计模式的发展方向，指出CACD以设计创新和建模技术为核的六大关键技术，以及CACD的发展趋势。关键词：产品概念设计，计算机辅助概念设计，工程设计，工业设计，智能设计Computer aided conceptual designAbstract：This paper points out that the product conceptual design, including th

2、e design principle, early function, shape, layout and structure design,meaning computer aided conceptual design. Study at home and abroad,the research in the field of development present situation from the 4 aspects of engineering design, industrial design, artificial intelligence and the applicatio

3、n of new technology. According to the development direction of modern product design mode, and points out that the CACD is the key technology of nuclear to design innovation and modeling technology, and the development trend of CACD.Key Words: product conceptual design, computer aided conceptual des

4、ign, engineering design, industrial design, Intelligent design目 录1引 言 12产品概念设计与计算机辅助概念设计 12.1产品概念设计的内涵 12.2计算机辅助概念设计的基本内容 12.3计算机辅助概念设计的发展由来 13计算机辅助概念设计的研究现状 23.1工程设计领域的计算机辅助概念设计 23.2工业设计领域计算机辅助概念设计研究 3 3.3人工智能领域计算机辅助概念设计研究 33.4新技术应用领域的计算机辅助设计研究 43.5商品化软件中的概念设计系统模块 44计算机辅助概念设计的发展趋势 54.1现代化产品设计模式的发展方

5、向 54.2计算机辅助设计有待解决的关键技术问题 54.3计算机辅助设计的发展趋势 65结 语 6参考文献 71引 言在产品的开发过程中，设计过程是其重要的环节之一，在这个过程中的安全性、稳定性等方面直接保证了产品的正常工作。因此，这一过程至关重要。随着计算机技术的发展，其在各领域中的应用也得到了很好的保证，尤其在产品设计方面，大大提高了产品设计阶段的效率，并且保证其有序可循。尽管计算机设计技术给人们带来了便捷，可随之也带来了新的问题。例如，它并不能够支持产品的概念设计，同时也不符合人脑的设计流程。从这些也可以看出，计算机辅助概念设计具有重要的意义。而计算机辅助概念设计也并不是简单的技术重组，

6、而是包括设计早期的功能、原理、形状。布局和结构设计等一系列设计内容，具有丰富的内涵和发展空间，从工业发展、工程技术的开拓来看，计算机辅助概念设计成为了人们研究计算机设计的一个热点之一。2产品概念设计与计算机辅助概念设计近年来，随着计算机图形学、多媒体技术、虚拟现实技术的发展以及CADCAM 应用的深入，现代产品概念设计理论与技术的研究有了长足的进步。计算机辅助概念设计（computer aided conceptual design，CACD）已成为CADCAM 和CIMS领域的一个研究2.1 产品概念设计的内涵概念设计是设计过程的早期阶段，其目标是获得产品的基本形式或形状。广义上的概念设计包

7、含了从产品的需求分析到进行详细设计之前的设计过程。它包括功能设计、原理设计、形状设计、布局设计和初步的结构设计。概念设计的各个环节紧密相连，在设计过程中互相依赖，互为驱动。 一般意义上的概念设计是指在产品的功能和原理基本确定的情况下，产品外观造型的设计过程。2.2计算机辅助概念设计的基本内容CACD是CAD领域的一个重要分支。概念设计是一个相当复杂的过程，因为一个好的设计方案既要有合理的功能结构、美观的造型、简便的操作，同时还要富有创新性。因此，CACD涉及设计方法学、人机工程学、人工智能技术、CAD技术以及认知与思维科学。设计师的CACD 系统是一种辅助性的设计工具。随着功能的逐步强大，CA

8、CD系统必然越来越受到概念设计师的欢迎，从而在概念设计过程中最终替代传统的CAD系统。2.3 计算机辅助概念设计的发展由来传统的CAD系统虽能产生复杂、精确和完整的三维造型，但由于其本身并不是为概念设计而开发的，同时缺乏设计方法学的支持，没有体现概念设计的创造性过程。传统的CAD系统由于存在许多约束限制，不允许快速输入和再现不完备的概念造型，从而导致其基本上是一个在设计方案基本定型之后的概念化（草图化）绘图工具，而非辅助设计工具。针对上述情况，CACD的研究以及CACD系统的开发就应运而生了。CACD系统的根本目的就在于能有效支持产品的创新设计。在设计早期应用CACD系统至少有以下好处：能满足

9、概念设计师的各类特殊需求，能有效提高概念设计的质量，能更为简捷地生成设计对象，能提供一个进行信息交流和对象评价的更好的平台，可以避免因设计失败而造成的浪费。3计算机辅助概念设计的研究现状3.1 工程设计领域的计算机辅助概念设计在工程设计领域，设计后期的详细设计阶段和装配设计阶段的CAD技术已相当成熟。而对于概念设计，一般认为它包括产品早期设计阶段的草图设计、构思设计、初步的参数设计和结构设计等内容。因而CACD研究往往是以详细设计过程中的CAD 技术为基础，将其中的建模技术、真实感显示技术等针对概念设计进行改进，从而建立一套面向CACD 的理论和技术。（1）原理方案设计技术原理方案设计是概念设

10、计过程的第一步，原理方案的创新是实现产品创新的关键。当前，计算机辅助原理方案设计的研究主要体现在基于设计目录的原理方案求解 和基于知识的原理方案设计专家系统一 等方法与技术。（2）概念设计建模技术它是CACD的桉心技术。许多学者从工程设计方法学中概念设计的定位出发，提出层次概念模型、基于广义特征的概念模型、工程设计概念模型、基于功率键图的概念设计等概念设计建模方法与技术。另外，从产品设计学的角度看，产品设计过程可视为一个特征的演化过程，概念设计过程亦然。许多学者将他们在产品结构设计、装配设计等方面的研究成果加以拓展，应用在概念设计过程，提出以支持变量特征和概念设计为标志的各类产品模型，如基于特

11、征关联语义的模型、基于变动特征的模型、信息基因模型、生成型特征设计模型等建模方法。这些模型中的特征概念在继承原有特征的性质和属性操作的基础上增加了语义性、变动性、置换性和遗传性等新特点，以适应概念设计过程中对象的抽象性、模糊性和继承性。它们支持的设计模式更加符合产品的实际设计过程，在一定程度上体现了概念设计中的特征演化过程。（3）草图重建技术 它是将概念设计师的二维和三维设计草图进行三维建模的关键技术，也是用来弥补传统CAD系统与概念设计之间鸿沟的一种有效手段。目前，草图重建技术发展相对比较成熟，国内外已建立了一些产品概念形状的快速生成系统以及基于草图的CAD系统。一些大型的CAD/CAM软件

12、系统，如ProEngineer、Uni-graphics都可提供草图设计模块。3.2 工业设计领域的计算机辅助概念设计研究从工业设计角度看，概念设计主要是指考虑功能、结构、人机工程以及材料、工艺、制造等因素的产品外观造型设计。这一领域对CACD的研究主要体现在概念设计的设计方法、设计思维过程、设计规范以及产品的外观造型设计等方面。（1）设计思维过程的研究概念设计是产品设计中的创造性设计的思维阶段，在这一阶段，设计师将构思快速转化为草图的过程是一种相当复杂的行为。许多学者针对设计师的创造性设计思维过程进行了研究 ，并结合草图设计和计算机辅助设计提出了见解。（2）设计文法设计文法是从产品设计方法学

13、的角度，对产品的造型、色彩、形状等构成要素及其生成原理进行提炼、抽象而形成的形式化描述方法。它是CACD系统智能部分模块的基础之一。当前，工业设计界的设计文法包括造型文法、色彩文法、形状文法、造型转换文法等。（3）曲面特征设计在产品概念外形设计中，曲面特征设计是概念设计的一个重要发展。曲面特征设计包括基本表面、移动特征和串通图形三个部分。3.3 人工智能领域的计算机辅助设计研究当前，智能CAD、智能设计已有相当程度的发展。集成化智能设计系统，可对设计全过程提供一体化的计算机支持。在概念设计阶段，由于其涉及创造性设计思维以及频繁的人机交互，尤其需要人工智能技术的辅助。目前CACD 中的人工智能技

14、术的应用主要表现如下：通过专家系统、智能控制与系统集成等技术，研究智能化和集成化的产品概念设计过程；借助人工智能技术模拟概念设计过程中的创新思维，进行产品的创新设计。（1）智能化概念设计过程概念设计的智能化设计过程研究，目前主要体现在概念设计的智能建模上。如智能产品概念模型、基于多层推理机制的概念设计，以及概念设计专家系统等辅助智能设计工具。（2）创新设计产品创新是概念设计的根本目的。产品在功能、原理、外观形态、人机操作、制造工艺和材料等方面的创新，都会直接影响产品的整体特性和产品的最终质量。概念设计阶段是产品创新的关键阶段。实践表明，产品创新主要来自概念设计阶段所涉及的功能、原理、形状、布局

15、和结构等方面的创新。 在产品创新过程中，设计师的思维、经验以及领域知识起着相当重要的作用，因而许多学者从人工智能角度出发，进行产品创新设计的研究，目前主要体现在创新设计的描述模型 以及计算模型的建立上。3.4 新技术应用领域的计算机辅助设计研究将虚拟现实、人工神经网络、遗传算法等新兴技术以及并行设计、协同设计等设计方法引入概念设计领域，并结台传统的优化设计技术、模糊技术、智能技术进行CACD的研究也逐渐受到关注。（1）面向并行和协同的概念设计并行设计、协同设计是现代设计的发展趋势之一。在概念设计领域，也必须研究产品功能、原理、布局、形状等方面之间的并行设计和协同设计机制。一些学者从并行工程的角

16、度，对并行环境下的设计过程和设计策略以及面向并行工程的设计建模技术进行了深入探讨。一些学者从CSCW的思想出发，分析了协同设计过程中的各种角色和信息共享，提出了工程设计与工业设计的协同工作模型，同时分析了协同设计中人的作用。（2）基于虚拟现实的概念设计在概念设计领域，虚拟现实技术同样也受到了众多学者的关注，他们将虚拟现实技术引入形状设、结构设计等过程，并开发出一些基于虚拟现实的概念设计系统，如3一DRAW、JDCAD、COVIRDS等。（3）基于人工神经网络、遗传算法的布局设计人工神经网络、遗传算法在产品开发过程中的工程设计以及装配制造等阶段中的运用已相当成熟。将人工神经网络、遗传算法引入概念

17、设计目前刚刚起步，主要见于产品的布局设计和形状设计。3.5 商品化软件中的概念设计系统模块目前，世界上大型的CADCAMCAE软件系统，如ProEngineer、EDUnigraphics、EUCLID、Autodesk、Solidworks、ALias、Soffimage等，都提供了有关产品早期设计的系统模块，称之为工业设计模块、概念设计模块或草图设计模块。（1） ProEngineer 它包含一个工业设计模块 ProDesign，用于支持自上而下的投影设计，以及在复杂产品的设计中所包含的许多复杂任务的自动设计。此模块工具包括概念设计的二维非参数化的装配布局编辑器用于概念分析的二维参数模型的

18、布局，以及用于组件的三维布局编辑器。（2）EDS Unigraphies 它从V13版本后推出了概念设计（whatif Alternative Value Engineering，WAVE）技术。WAVE 为协同概念设计提供了强大的技术支持。它使不同部门的工程师在概念设计阶段，从系统工程的角度同时对多种可选的设计方案进行评估。通过将设计意图组织到一个相关控制结构中去，可使概念设计师有效地控制各种设计的变更。此外，WAVE也支持“概念设计到详细设计工程”，即先作出设计决策，然后设计细节。4计算机辅助概念设计的发展趋势4.1 现代产品设计模式的发展方向 当前，工业产品由传统的机械产品向机电一体化产

19、品、电子产品方向发展。市场竞争日趋激烈，消费观念不断变化，一个产品的功能已不再是消费者决定购买的最主要因素。产品的创新性、外观造型、宜人性等因素愈来愈受到重视，在竞争中占据着突出地位。同时，随着以信息技术为主导的现代科学技术的迅速发展，传统的制造业正在发生极其深刻的重大转变，各种新的制造模式应运而生。在设计模式上，并行设计、协同设计、智能设计、虚拟设计、敏捷设计、全生命周期设计等设计方法代表了现代产品设计模式的发展方向。随着技术的发展，产品设计模式必然朝着数字化、集成化、网络化和智能化的方向发展，未来的设计系统必然是以人为核心的人机一体化智能集成体系。4.2 计算机辅助设计有待解决的关键技术问

20、题（1）基础理论研究主要是立足于现代产品的发展方向，从设计对象自身出发，用类似的方法和精确的方法对概念设计过程及设计方法进行研究，使得CACD系统更符台设计方法。（2）设计创新技术研究 主要是研究概念设计过程以及过程中需遵循的原则和规范，探讨各类设计创新技法，研究概念设计中的创新技术。（3）建模技术研究主要是从概念设计的方法性和过程性出发，研究面向概念设计的产品模型和过程模型的建立方法，研究面向产品级和全生命周期的概念设计建模技术。（4）人机交互技术研究 主要是在传统的人机交互手段的基础上，研究在虚拟现实和多媒体等新兴技术支持下的人机交互技术。（5）并行和协同设计技术研究主要是研究概念设计过程

21、中考虑制造、成本等其他因素的并行设计技术，研究概念设计中不同或相同领域的设计师之间的协同设计技术。（6）智能技术研究主要是研究概念设计过程中的智能支持技术，研究概念设计评价过程中的智能支持技术。设计创新技术和建模技术是上述技术的关键和难点，是今后CACD研究的重点，而人机交互、并行协同、智能设计则是CACD 中必需的和有效的支持技术。4.3 计算机辅助设计的发展趋势从产品概念设计的角度看，随着CAD、人工智能、多媒体、虚拟现实等技术的进一步发展，对概念设计过程必然有更辣的认识，对概念设计思维的模拟必将达到新的境界。CACD将朝着更加自然的人机交互方式、更加有效的设计手段的方向发展。概念设计的方

22、案也更富有创新性。计算机辅助设计系统是一个人机一体化的智能集成设计系统。从整个产品设计与制造的发展趋势看，概念设计作为产品开发过程中的重要组成部分，必然与其发展趋势相一致。因此，概念设计与其他设计过程最终必将建立统一的产品设计支撑模型。在这一模型的支持下，产品设计过程是一种并行的、协同的、面向全生命周期的设计模式。概念设计的结果能够直接进行详细设计，概念设计师能简捷有效地对详细设计过程中的方案进行概念层次上的修改。5结语 传统的计算机辅助设计将设计主要集中于详细设计阶段，忽略了产品的概念设计阶段。然而，概念设计阶段对产品功能、性能、可靠性和顾客满意度也有很重要的影响。因此，产品开发初始阶段的概

23、念设计也越来越受到各国学者的关注。概念设计始于产品设计全生命周期的初始阶段，通过获取抽象的、不确定的和定性的产品设计知识和信息，通过功能、原理和结构之间的映射与推理而得到具体的、确定的和定量的产品设计方案。概念设计是产品设计过程中最初的也是最具创新性的设计阶段。只有不断创新才能适应变化莫测的市场需求，只有不断创新才能提高产品竞争力。参考文献1 Roth KICED95，Zurich，1995：5086l62 冯培恩，德国荣.机械工程学报199834（2）：79863 王可.微机cad软件的特点和发展趋势j.计算机辅助设计与制造.1999.24 赵红雁.cad技术的发展趋势及其相关技术j.cad

24、/cam与制造业信息化.2001（12）5 舒慧林.刘继红.钟毅芳.计算机辅助机械产品概念设计研究综述j.计算机辅助设计与图形学学报.2000（12）6 关立文，黄洪钟.机械产品概念设计:综述与展望.机械设计.2001:101-104 页7 唐林，邹慧君.机械产品方案的现代设计方法及发展趋势.机械科学与技术.2003:331-334页8 张翰，张永清，周雄辉.计算辅助概念设计支持技术研究.金属成形工艺.1999:6-7页9 张明君.原理方案设计目录及知识基系统研究.199410 王可.微机cad软件的特点和发展趋势j.计算机辅助设计与制造.1999.211 许宇荣，孙守迁，潘云鹤.基于约束的智能协同设计系统模型的研究.中国机械工 程.2002:333-336页12 韩晓建，邓家提.基于多代理技术的产品概念设计系统的实现,制造业自动化. 1999:21-23页13 Kevin N.Otto,Kristin Wood著.齐春萍，宫晓东等译.产品设计.电子工业出版社，2005:91-121页