现代设计方法学概述及发展王梁.docx
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现代设计方法学概述及发展王梁
现代设设计方法学概述与发展
设计方法学是研究产品设计规律、设计程序及设计中思维和工作方法的一门综合性学科。
设计方法学以系统工程的观点分析设计的战略进程和设计方法、手段的战术问题。
在总结设计规律、启发创造性的基础上促进研究现代设计理论、科学方法、先进手段和工具在设计中的综合运用。
对开发新产品，改造旧产品和提高产品的市场竞争能力有积极的作用。
1现代设计方法的内涵
1.1现代设计方法的特征
现代设计方法是传统设计的深入、丰富和完善，而非独立于传统设计的全新设计。
虽然目前对现代设计方法尚无确切定义，但可从以下特征来理解。
⑴以计算机技术为核心
这是现代设计方法的主要特征。
计算机技术的飞速发展对设计产生了巨大影响，表现为以下几方面：
①设计手段的更新
计算机技术推动了设计手段从“手工”向“自动”的转变。
传统设计以图板、直尺、铅笔等作为工具，这种设计手段效率低、人工强度大。
CAD技术的出现和发展，甩掉图板的“无纸设计”作为现代设计方法的主流，显著提高了设计效率。
②产品表示的改变
计算机技术推动了产品表示从“二维”向“三维”的转变。
传统设计利用投影原理表示产品结构，这种二维表示的数据单一，数据量少，不便于产品的进一步分析和制造。
随着CAD技术的发展，三维“产品模型（ProductModel）”越来越得到广泛应用。
这种表示不仅包括反映产品形状和尺寸的几何信息，还可包括分析、加工、材料、特性等数据，从而可直接用于分析和制造。
③设计方法的发展
促进了一些新的设计方法的出现，高性能的计算机硬件和先进的软件技术是这些方法实施的保证。
一些先进的设计方法如有限元分析、优化、模态分析等都涉及大量复杂计算，只有计算机技术的发展才能推动这些方法的进步和应用。
新的设计方法如并行设计、虚拟设计、计算机仿真等。
④工作方式的变化
计算机技术促进了设计方式从“串行”到“并行”的变化。
受设计手段限制，传统设计过程采用串行方式进行，即设计任务按时序从一个环节传入下一环节。
随着数据库技术和网络技术的发展，并行设计正得到广泛应用。
它要求设计小组（Team）同时地、并行地参与设计，并最大限度地交流信息，以缩短设计周期及有助于将各种新思想、新技术、新方法融入到产品设计中。
⑤设计与制造一体化
存在于计算机内的产品模型可直接进入CAPP系统进行工艺规划和NC编程，进而加工代码可直接传入NC机床、加工中心进行加工。
产品模型加强了设计与制造两个环节的连接，提高了产品开发的效率。
⑥管理水平的提高
产品设计是一个复杂的系统工程，设计过程中涉及大量设计数据和设计行为的管理。
数据库技术的发展改变了传统的手工管理模式，各种MIS、PDM系统的广泛应用大大提高了设计的管理水平，保证了设计过程的高效、协同和安全。
⑦组织模式的开放
网络技术的发展加快了数据通讯速度，缩短了企业之间的距离。
传统的局限于企业内部的封闭设计正在变为不受行政隶属关系约束的、多企业共同参与的异地设计。
为完成一种设计任务形成的虚拟企业或动态联盟将实现优势互补和资源共享，极大地提高设计效率和水平。
⑵以设计理论为指导
受科学技术发展水平的限制，传统设计是以生产经验为基础，以运用力学和数学形成的计算公式、经验公式、图表、手册等作为依据进行的。
随着理论研究的深入，许多工程现象不断升华和总结为揭示事物内在规律和本质的理论，如摩擦学理论、模态分析理论、可靠性理论、疲劳理论、润滑理论等。
现代设计方法方法是基于理论形成的方法，利用这种方法指导设计可减小经验设计的盲目性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准确性。
因此，现代设计方法是以理论指导为主、经验为辅的一种设计。
1.2现代设计方法的内涵
通过对其特征的分析，可以认为：
“现代设计方法”就是以满足应市产品的质量、性能、时间、成本／价格综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。
既以市场需求为驱动，以知识获取为中心，以现代设计方法思想、方法为指导和现代技术手段为工具，考虑产品的整个生命周期和人、机、环境相容性因素的设计。
1．现代设计方法作为一个研究领域，包含范围极其广泛。
既包含指导设计进程及逻辑规律的设计方法学（属于思维方面），也包含能用来提高设计效率和设计质量的各种单项技术（如CAD技术、有限元分析、可靠性设计等），同时还包含有高产品市场竞争优势的技术（如商品化设计、工业造型技术、市场预测与分析技术等），贯穿其中很重要一点就是并行工程的应用：
产品设计开始就要同时考虑制造、使用及全生命周期的各个因素，另外，对于一个任务，可以以网络技术为基础组织不同制造商（网上动态联盟）来共同完成。
因此，
2.现代设计方法只能综合理解为：
计算机为工具，专业设计技术为基础，网络为效率，市场为导向的一种综合设计理念，其实现没有固定的模式。
简单的说，现代设计方法的内涵就是以市场为驱动，以知识为依托，以知识获取为中心，以产品全生命周期为对象，人、机、环境相容的设计理念。
2现代设计方法的技术体系
现代设计方法的整个体系好比一棵大树，由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个层次组成。
2.1基础技术
指传统的设计理论与方法，特别是运动学、静力学与动力学、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等方面。
它不仅为现代设计方法提供了坚实的理论基础，也是现代设计方法发展的源泉。
现代设计方法也可以说是在传统设计技术的基础上，以新的形式和更丰富的内涵发扬光大传统设计技术中的优秀内核与精华。
2.2主体技术
现代设计方法的诞生和发展与计算机技术的发展息息相关、相辅相成。
可以毫不夸张地说，没有计算机科学与计算机辅助技术（如计算机辅助设计、智能CAD（IntelligentCAD——ICAD）、优化设计、有限元分析程序、模拟仿真、虚拟设计和工程数据库等），便没有现代设计方法；另一方面，没有其他现代设计方法的多种理论与方法，计算机技术的应用也会大大受到限制，因为运用优化设计、可靠性设计、模糊设计等理论构造的数学模型，来编制计算机应用程序，可以更广泛、更深入地模拟人的推理与思维，从而提高计算机的“智力”。
而计算机辅助设计技术正是以它对数值计算和对信息与知识的独特处理能力，成为现代设计方法群体的主干。
2.3支撑技术
无论是设计对象的描述，设计信息的处理、加工、推理与映射及验证，都离不开设计方法学、产品的可信性设计技术及设计试验技术所提供的多种理论与方法及手段的支撑。
设计方法学、可信性设计技术及试验设计技术所包含的种种内容，可视为现代设计方法群体的支撑技术。
2.4应用技术
应用技术是针对实用目的解决各类具体产品设计领域的技术。
如机床、汽车、工程机械、精密机械的现代设计方法内容，可以看作是现代设计方法派生出来的丰富多彩的具体技术群。
现代设计方法在各类产品设计领域的广泛应用，促进了产品质量与性能的提高。
现代设计方法已扩展到产品规划、制造、营销、运行、回收等各个方面，除了必要的传统设计理论与方法的基础知识外，相关的学科与技术，尤其是制造工艺、自动化技术、系统管理技术、材料知识与经验及广泛的自然科学知识等也是十分必要的。
值得一提的是，现代设计方法体系框架的划分只是相对的，而不是绝对的；主体技术、支撑技术、应用技术、基础技术之间并不存在截然的界限。
主体技术所包含的计算机辅助设计的有关技术本身往往就是应用技术。
在特定情况下，某些支撑技术也可以成为主体技术，例如变载荷及随机干涉下零件的疲劳设计和稳定性设计，这时疲劳设计、健壮设计就是相应情况下的主体技术。
有些设计支撑技术本来就是由传统的强度、变形及失效理论“繁衍”出来的多种设计理论，如疲劳设计、防断裂设计、可靠性设计等，所以，这些设计支撑技术，也可看作基础技术。
3现代设计方法原则
设计原则是为设计产品应满足的条件，也是对设计行为的约束。
受设计水平、观念、体制等限制，传统设计所考虑的原则着眼于产品的功能和技术范畴，而设计的影响贯穿产品整个生命周期，所以设计原则必须面向生命周期内的各个阶段。
现代设计方法原则是传统设计原则的扩充和完善，两者并无本质区别。
可归纳为以下几类。
3.1功能满足原则
产品设计的目的是构造能够实现规定功能的产品。
如果产品不具备要求的功能，设计就失去价值。
因此满足功能是各类产品设计的必要原则。
3.2质量保障原则
保证质量是产品设计的重要原则。
产品质量主要由性能和可靠性决定，因此这类原则主要包括：
（1）性能指标。
指产品的各类技术指标，如机床加工精度、传动系统运动精度，电视机分辨率等。
先进的技术指标是实现高质量产品的前提。
（2）可靠性。
指产品在规定的条件和规定时间内完成规定功能的能力。
产品只有可靠性能才有实用价值，因此性能的发挥依赖于可靠性。
（3）强度原则。
要求产品零件具有抵抗整体断裂、塑性变形和某些表面损伤的能力。
（4）刚度原则。
要求外载作用下产品变形在规定的弹性变形之内。
（5）稳定性。
指产品在外载作用下能够恢复其平衡的特性。
（6）抗磨损性。
要求零件在规定时间内材料的磨损量在规定值以内。
（7）抗腐蚀性。
要求产品在恶劣环境下不被周围介质侵蚀的特征。
（8）抗蠕变性。
要求高温环境工作的产品不发生蠕变或蠕变变形在规定值以内。
（9）动态特性。
指在动载荷作用下产品具有良好的抗振特性，以保证产品的平稳和低噪声运行。
（10）平衡特性。
指旋转产品具有良好的静平衡和动平衡特性。
（11）热特性。
保证产品具有要求的温度大小、温度分布和热流状态，以及热应力、热变形在规定值以内。
3.3工艺优良原则
指设计能够且容易通过生产过程实现，它包括：
（1）可制造性。
指利用现有设备能够制造出满足精度等要求的零件，且制造成本低，效率高。
（2）可装配性。
指零件能够装配成满足装配精度要求的部件和整机，且装配成本低、效率高。
（3）可测试性。
指产品能够且容易通过适当方进行有关测试，以评估设计、制造和装配。
3.4经济合理原则
要求产品具有较低的开发成本和使用费用。
3.5社会使用原则
考虑产品投放市场后的表现行为，包括：
（1）环境友好性。
保证产品产生尽可能少的废水、废气、噪声、射线等，符合环保法规，对生态环境破坏最小。
环境友好性是可持续发展战略在设计中的重要体现。
（2）环境适应性。
适应使用环境的湿度、温度、载荷、震动等特殊条件。
（3）人机友好性。
满足使用者生理、心理等方面要求，使产品外形美观，色彩宜人，操作简单、方便、舒适。
（4）可维修性。
使产品能够且易于维修，维修的停机时间、费用、复杂性、人员要求和差错尽可能最小。
（5）安全性。
保证不对人的生命财产造成破坏。
（6）可安装性。
保证产品使用前安装容易、可靠，且安装费用最小。
（7）可拆卸性。
考虑产品的材料回收和零组件的重新使用。
（8）可回收性。
考虑产品报废及回收方式。
上面分类介绍了各种原则，有些归类并不十分严格。
设计时应根据产品特点选择部分原则，而在选择的原则中又分主要和次要原则。
根据所选主要原则的不同，目前已形成许多针对性设计方法，如面向制造和装配的设计（DFMA）、面向环境的设计（DFE）；面向拆卸的设计（DFD）等。
4现代设计方法理论、方法与技术
设计理论是对产品原理和机理的科学总结。
设计方法是使产品满足以及判断产品是否满足设计原则的依据。
现代设计方法方法是基于设计理论形成的，因而更具科学性和逻辑性。
但一些方法还有完善和发展的过程，所以现代设计方法方法还不能完全取代传统设计方法，一些行之有效的经验方法目前仍在广泛使用，它们仍是现代设计方法方法的重要组成。
4.1现代设计方法的内容与范畴
现代设计方法方法实质上是科学方法论在设计中的应用。
概括为十一论：
突变论、信息论、智能论、系统论、优化论、对应论、功能论、控制论、离散论、模糊论、艺术论。
这些论与广义设计（有目的的意识活动）直接有关，有的已形成单一学科，有的正在形成。
①突变论方法突变创造是现代设计方法的基石。
如创造性设计。
主要应用于定性的方案决策、系统设计；
②智能论方法发挥智能载体的潜力，是现代设计方法的核心。
如
10计算机辅助计算：
仅借助计算机代替人的初级智能；20CAD：
30CAE：
40智能机器化方法：
即指高级人工智能，如机器人、专家系统等。
应用于能代替人的智力的一切场合。
③信息论方法设计信息的分析是现代设计方法的依据。
如：
10预测技术法：
用历史性趋向及参数，预测现需与未来的动向与参数；
20方差分析法：
对一系列已知数据因素，进行参数的估计与识别检验；
30信息合成法：
将各种不同信息合成为所需的广义系统，如人工合成细胞、图形等。
主要用于通过历史性或试验性数据进行预测与信号分析及可行性论证。
④系统论方法系统分析是现代设计方法的前提。
常用：
10系统分析法：
把任何系统、功能、元件均看做系统，加以分析，进行输入一输出关系的描述，得到合理的系统与功能；
20逻辑分析法：
运用逻辑数学从各系统之间相互关联与制约关系，设计出优化系统；
30模式识别法：
把已有若干模式的系统样本，进行模式的确定；
主要用于总体方案与系统设计及可行性论证。
⑤控制论方法动态分析是现代设计方法的深化。
常用：
10动态分析法：
运用传递函数与状态方程，研究输人情号与输出功能之间的定性定量关系，以获得最好的动态特性指标；
20振荡分析法：
对振型模态进行识别，以利用振动或消除振动及噪音（广义）；
30柔性设计法：
把刚性系统按实际弹性系统进行设计计算；
40动态优化法：
主要是研究大系统优化与最佳动态数学模型；
一般用于系统确定后的动态指标定性分析与定量校正。
⑥优化论方法广义优化是现代设计方法的宗旨。
常用：
10优化设计法：
包括各种优化值的搜索方法，如线性规划、非线性规划、动态规划、整数规划、几何规划、多目标优化、试验优化、经验优化、方案优化、模糊优化等；
20优化控制法：
主要是动态优化、最优控制等。
可用于方案设计与参数设计。
⑦对应论方法相似模拟是现代设计方法的捷径。
常用：
10相似设计法：
似同类参照物为依据求出设计对象与参照对象间的数学关系；
20模拟分析法：
以异类参照物为依据，设计系统结构与求得参数；
30仿真技术：
用电子数字计算机及仿真语言模拟复杂系统与过程，求得解析法不能取得的参数；
40仿生技术：
模拟生物的特殊功能为设计服务。
主要用于已有参照，模型的构思与定量计算。
⑧功能论方法功能实现是现代设计方法的目标。
有限寿命是自然与社会的基本客观现实，所以设计时应保证有限使用期限内设计对象的经济有效功能，其方法有功能分析设计法、可靠性分析预测、可靠性设计及功能价值工程等。
主要应用于方案设计与功能价值、功能安全可靠性定量分析；
⑨离散论方法离散分析是现代设计方法的细解。
事物特别是复杂广义系统由离散体组成，是自然与社会另一个基本客观现象，因此，用离散化方法近似确定参数是必然可靠的，其方法有有限单元法、边界元法、离散优化、子模态分析法及其他运用离散数学技术的方法等。
主要用于近似细解的精细设计。
⑩模糊论方法模糊定量是现代设计方法的发展。
事物的模糊性是一种大量的客观存在，所以运用模糊分桥的量度方法（避开精确的数学方法）是必要的，其方法目前主要运用隶属函数的论域法，可以进行模糊分析、模糊评价、模糊控制与模糊设计等的运用。
主要用于模糊性参数确定与方案的综合评价；
⑾艺术论方法悦心宜人是现代设计方法的美感。
任何设计都尽可能把设计对象形成一件艺术品，是设计的重要观念，现代艺术论不仅如此，还要采用技术美学，计算机造型、模糊艺术等处理方法。
主要用于使设计达到悦心宜人的功能；
4.2目前所指的现代设计方法
1）现代设计方法方法学
（1）系统设计
（2）价值工程
（3）功能设计（4）并行设计
（5）模块化设计（6）质量功能配置
（7）反求设计（8）绿色设计
（9）模糊设计（10）面向对象的设计
（11）工业造型设计
2）计算机辅助设计技术
（1）有限元法
（2）优化设计
（3）计算机辅助设计（4）模拟仿真与虚拟设计
（5）智能计算机辅助设计（6）工程数据库
3）可信性设计（可信性设计技术可看作广义可靠性设计内容的扩展）
（1）可靠性设计
（2）安全设计
（3）动态设计（4）防断裂设计
（5）抗疲劳设计（6）减摩耐磨设计
（7）防腐蚀设计（8）健壮设计
（9）耐环境设计
（10）维修设计和维修保障设计
（11）测试性设计（12）人机工程设计
5现代设计方法手段
设计手段是人的设计思想借以实现的工具和技术。
计算机技术、软件技术和数据库技术的发展对设计手段起到了变革性的作用，以计算机为工作平台的设计工具正在广泛取代传统的图板，计算机辅助设计正在成为现代设计方法的主要手段，它使设计效率、设计水平和设计质量得到全面提高。
计算机辅助设计包括如下内容。
6现代设计方法的特点
由现代设计方法的涵义及其体系可见，它具有以下一系列特点。
6.1设计理论与方法的延伸、思维的变化及设计范畴的扩展
现代设计方法是传统的设计理论与方法的继承、延伸与扩展。
静态的设计原理向动态的延伸；
经验的、类比的设计方法向精确的、优化的方法延伸；
确定的设计模型向随机的模糊的延伸，
单维思维模式向多维思维模式延伸；
而且设计范畴在不断扩大。
传统的设计通常只限于方案设计、技术设计（总体设计与工艺设计），
如先进制造技术中的面向制造的设计（DesignForManufacturing——DFM），面向装配的设计（DesignForAssembly——DFA）及面向X的设计（DesignFor“X”——DFX），并行设计（ConcurrentDesign——CD）、虚拟设计、绿色设计（GreenDesign——GD）、模糊设计、维修性设计（MainterinabilityDesign——MD）、健壮设计等，便是工程设计范畴扩大的集中体现。
现代设计方法可以说是设计师、制造工程师、管理营销人员以及工人、财会人员、专利律师等通力合作、集体智慧的结晶。
6.2多种设计技术、理论与方法的交叉与综合
计算机技术与信息科学对机械产品的渗透、改造与应用，使产品的结构、功能产生很大的变化，现代的机械产品正朝着机电一体化，物质、能量、信息一体化，集成化，模块化方向发展。
数控机床及数控装置、加工中心、工业机器人等典型的机电一体化产品，不仅具有传统意义上的物质与能量转换的功能，而且具有自动检测、自动数据处理（运算、判断、存储、记忆）、自动显示、自动控制、故障诊断和自动保护及维护性、可回收性等功能，从而对产品的质量、可靠性、稳定性、稳健性及效益等均提出更为严格的要求。
因此，现代设计方法必须是多学科的融合交叉，多种设计理论、设计方法、设计手段的综合运用，以系统的、集成的设计概念设计出符合时代特征和科技发展趋势的产品及整体综合效益最佳的产品。
6.3设计手段的精确化、计算机化、自动化与虚拟化
（1）精确化在传统设计中，面对载荷、应力、环境等因素的复杂化，通常以某种条件性的假设建立所谓稳定的、理想的载荷（集中的或匀布的）和应力（名义的、平均的）模型，它与实际情况有差异的许多因素，则以安全系数和一系列的载荷系数、应力系数及其它影响系数等加以考虑，这往往使计算的结果误差较大。
现代设计方法可以采用概率设计（可靠性设计）描述载荷应力、环境条件等随机因素的分布规律，133，通过有限元法、动态分析、疲劳设计、防断裂设计、健壮设计、耐环境设计等分析工具和建模手段，准确模拟系统的真实情况，从而得到比较符合实际工况的真实解，提高了设计的精确化程度。
（2）计算机化计算机化的标志是计算机在工程设计中得到广泛的应用，并逐渐替代传统的手工设计。
硬件功能日益增强，计算机在设计中的应用已从计算机辅助分析计算和辅助绘图，发展到优化设计、并行设计、三维特征建模、设计过程管理、面向制造与面向装配的设计制造一体化，形成了CAD、CAPP、CAM的集成化、网络化，并逐步向设计智能化、模拟仿真和虚拟设计、国际互联网络条件下进行计算机辅助设计过渡。
计算机辅助设计技术，特别是工程数据库和网络技术的广泛应用，加速了实现计算机集成制造系统（CIMS）和全球化制造的进程。
（3）自动化设计自动化的含义、内容与范围目前尚无确切定论，但它一直是设计领域追求的目标。
（4）虚拟化设计手段虚拟化（或拟实化），是以虚拟现实的系统软件在计算机上实现仿真、实现虚拟现实的三维建模，包括几何建模、运动建模、物理建模、对象特性建模及模型切分等，使设计者能在虚拟的设计环境下看到设计内容，如设计对象的形状、外表、物体的移动、旋转和各部分是否干涉与碰撞，以及对象的质量、重量、惯性、表面特性（光滑与粗糙）、硬度、结构形式等改变模式，从而实现设计可视化，快速显示设计内容，灵活而方便地修改设计，同时由于虚拟制造技术，以及快速原形技术的出现，使设计者在零件被制造之前就看到了它加工后的形状并感觉到它。
这些虚拟技术与手段的运用，大大提高了设计效果与质量。
6.4并行化、最优化和智能化的设计过程
现代设计方法中的并行设计、优化设计及智能化设计（如智能CAD，专家系统（ES）等）均是现代设计方法中的重要设计技术，是设计开发新产品过程不可缺少的方法和技术手段。
（1）并行设计过程并行设计（ConcurrentDesign）有时又称为并行工程（ConcurrentEngineering）。
这是一种综合工程设计、制造、管理、经营的思想、方法和工作模式。
并行工程技术可以在一个工厂、一个企业（包括跨地区、跨行业的大型企业及跨国公司）以通信管理方式在计算机软、硬件环境下实现。
其核心是产品的设计阶段就考虑到产品生命周期（从概念形成到产品报废）中的所有因素（包括设计、分析、制造、装配、检验、维护、质量、成本、进度与用户需求等），强调多学科小组、各有关部门协同工作，强调对产品设计及其相关过程（制造过程和支持过程）进行并行地、集成地、一体化地进行设计，使产品开发一次成功，缩短产品开发周期，提高产品质量。
这是一项包括人机集成和系统功能集成的多目标多层次、整体优化的集成，需要用到很多现代技术与方法，如建模与仿真技术、优化方法与技术、系统与集成技术、信息管理技术、专家系统与模糊技术、CAPP技术、全面质量管理与控制技术、决策支持及评价系统、价值工程及其预测技术、分布式并行处理的智能协同求解技术等。
其关键技术是建模与仿真技术、信息系统及其管理技术、决策支持及评价系统等。
美国于80年代末首先在福特、通用和克莱斯勒三大汽车公司组织实施并行工程技术，取得了显著的经济效益。
我国近年来在一些大型企业中也开始部分实施并行工程技术，这项技术是提高我国企业水平，参与全球化竞争的一个重要发展方向。
（2）全过程的优化设计现代设计方法中的一般性优化设计方法及其应用已日趋成熟，普通的连续变量优化设计、混合离散变量优化设计，已发展到随机变量优化设计（可靠性优化设计）、模糊变量优化设计，单目标优化设计已发展到多目标优化设计。
仅将优化设计的范围局限于优化方法及其应用程序的编制上已不能适应工程技术发展的需要。
广义的工程优化设计：
应是优化设计的重要发展方向，其内容主要包括工程优化设计问题的自动建模技术、优化设计问题的前处理与后处理、优化设计结果的评价等。
此外，基于优化设计和制造的分级分解优化也是目前重要的研究内容。
上述优化方向的实现，必然涉及到人工
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