现代设计方法-概论教材课件.ppt

概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法华中科技大学华中科技大学国家国家CADCAD支撑软件工程技术研究中心支撑软件工程技术研究中心黄正东黄正东概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法课时：48(32+16)教师：黄正东 email email： 办公室：西楼办公室：西楼B616B616室室概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法主要目的1帮助学生获得必要的现代设计方法基本知识，了解学科发展前沿，使学生了解现代设计和传统设计的联系和区别；2.引导学生建立理解、认识、分析、优化复杂机电装备的基本思路和方法，形成科学的设计理念，掌握先进的设计方法；3.使学生了解现代设计方法在实际机电工程项目中的应用，能对现代设计和生产实际的关系有较具体的认识，强调设计最优化思想和高速高精度分析思想。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法主要内容主要内容 现代设计方法总体概况 结构有限元分析 结构动态设计 优化设计 可靠性分析概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法学时安排32学时上课学时上课（6-12周周,14周）周）星期一（星期一（7-8），东九楼），东九楼D112；星期三（；星期三（9-10），东九楼），东九楼A10716学时上机实验（学时上机实验（学习委员联系学习委员联系）地点：东校区计算中心 时间：星期五，9、10、11、12周，第58节 上机内容安排：上机内容安排：结构有限元分析 （4学时）优化设计 （4学时）动态设计 （4学时）可靠性优化设计 （4学时）上机使用的软件：上机使用的软件：Ansys Matlab 注意：上机时间安排 考试（考试（70%）+上机实习（上机实习（30%）概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法教材及参考书目教材及参考书目教材：教材：现代设计方法实用教程现代设计方法实用教程，孙新民，等，孙新民，等.清华大学出版社，清华大学出版社，2009参考书目：A.现代设计方法及其应用，陈屹，谢华.国防工业出版社，2004B.现代设计方法，应锦春.机械工业出版社,2002.C.现代设计方法概论，覃文洁，程颖.北京理工大学出版社D.机械CAD/CAE应用技术基础，杜静，何玉林.机械工业出版社E.现代机械设计方法，孙靖民.哈尔滨工业大学出版社F.ANSYS使用教程G.Matlab使用教程概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法现代设计方法概论本章目的：本章目的：了解现代设计的概念、发展趋势了解现代设计理论的概况了解现代设计方法的范畴和特征了解常用现代设计方法概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法1设计对象及任务设计对象及任务1.1 1.1 设计设计对象对象：机械系统：由若干机械要素组成，并能完成特定功能的系统 称为机械系统。机械系统的组成：动力子系统；执行子系统；传动子系统；支承子系统；控制子系统。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法1设计对象及任务设计对象及任务1.1 1.1 设计设计对象对象：机械系统：机械系统的组成：机械系统的特征：目的性；整体性；相关性；环境适应性。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法1设计对象及任务设计对象及任务1.2 1.2 设计设计任务任务：基本要求：功能要求；性能要求；可靠性；工作效率；适应性；经济性；寿命要求。设计类型：设计过程：概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法1设计对象及任务设计对象及任务1.2 1.2 设计设计任务任务：基本要求：设计类型：开发性设计；适应性设计；变异设计。设计过程：概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法1设计对象及任务设计对象及任务1.2 1.2 设计设计任务任务：基本要求：设计类型：设计过程：总体设计；技术设计；工作设计；文档设计。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法2现代设计的概念现代设计的概念2.12.1设计设计过程过程：一个将提供的物质资源转化为技术装置以满足客观需求的实践活动就是一个设计过程。一般来讲，设计过程大致由下列环节组成：(1)根据需求提出设计任务；(2)调查研究、掌握信息；(3)提出明确、详细的设计要求；(4)方案构思、初评最佳设计方案：(5)选择模型、确定参数；(6)详细设计；(7)制造加工；(8)样机试验、设计评定；(9)设计改进、生产使用。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法机械产品传统设计过程机械产品传统设计过程产品规划产品规划（明确设计任务）（明确设计任务）原理方案设计原理方案设计设计任务书设计任务书任务书分析任务书分析确定设计参数确定设计参数同类机械的调研和资料分析同类机械的调研和资料分析总体结构方案拟定总体结构方案拟定方案论证方案论证结构设计、绘图结构设计、绘图编写技术文件编写技术文件结束结束条件协商条件协商更改设计更改设计调整调整技术设计技术设计施工设计施工设计概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法2现代设计的概念现代设计的概念设计活动的特征设计活动的特征：（1）所有的设计活动都受到时间和空间的限制，此即设计活动的时空性特征。（2）所有的设计活动都是在特定的物质条件约束下进行的。（3）所有的设计都是为满足某种要求，这称之为设计的需求性特征。（4）创造性为设计的又一重要特征。只有设计人员和设计成果具备创造性，才能满足人们不断更新的需求。（5）设计活动的过程性特征。任何设计都不是一蹴而就的，而是一个时间过程。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法2现代设计的概念现代设计的概念设计设计方法的发展历程方法的发展历程：1直观发展阶段；2经验发展阶段（传统设计阶段）；3理论设计阶段；4现代设计阶段。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法2现代设计的概念现代设计的概念现代机械及制造技术的发展趋势现代机械及制造技术的发展趋势极端制造综合集成信息化绿色化高效化高速化大型化微型化精密化专用化柔性化综合化集成化模块化自动化智能化数字化网络化绿绿色色化化现代机械及制造技术的发展趋势现代机械及制造技术的发展趋势：概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法2现代设计的概念现代设计的概念2.2 2.2 现代现代设计设计：以市场需求为驱动，以复杂机电产品为对象，以知识获取为中心，以现代设计思想、方法和现代技术手段为工具，考虑产品的整个生命周期和人、机、环境相容性等因素的设计。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法产品开发过程产品开发过程设计需求分析设计需求分析可行性研究与可行性研究与分析分析设计建模与设计建模与仿真仿真设计设计优化优化设计设计评价评价设计设计结果结果设计分设计分析析概念设概念设计计市场信息市场信息工艺工艺规划规划编程控制编程控制工装夹具工装夹具生产计划生产计划物料需求物料需求运输运输制造制造包装包装质量质量检验检验装配装配营销营销数字化制造数字化制造数字化设计数字化设计数字化生产规划数字化生产规划2现代设计的概念现代设计的概念现代设计的一般过程现代设计的一般过程：概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法2现代设计的概念现代设计的概念现代现代设计的特设计的特点点：（1）现代设计是多学科交叉融合的产物；（2）现代设计是传统设计技术的继承、发展和延伸。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法对比项目对比项目传统设计传统设计现代设计现代设计备注备注使用工具手工操作手工操作计算机辅助计算机辅助计算方法近似计算近似计算数值计算数值计算设计形式串行设计串行设计并行设计并行设计知识运用以经验为主以经验为主以知识为主以知识为主局部或全局性从局部出发从局部出发全局考虑全局考虑特点精度差、效率低、精度差、效率低、成本高、周期长成本高、周期长精度高、效率高、精度高、效率高、成本低、周期短成本低、周期短现代设计的特征2现代设计的概念现代设计的概念概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法现代设计在产品开发过程中的地位2现代设计的概念现代设计的概念产品设计是产品开发过程中最重要的环节之一，产品设计是产品开发过程中最重要的环节之一，占据着极为重要的地位。占据着极为重要的地位。降低产品的成本，是一个永恒的课题。降低产品的成本，是一个永恒的课题。产品的寿命周期成本（包括制造成本和使用成产品的寿命周期成本（包括制造成本和使用成本），在产品设计过程中就已大体确定（产品本），在产品设计过程中就已大体确定（产品成本的成本的80%左右在设计阶段就已基本确定）。左右在设计阶段就已基本确定）。产品全生命周期的成本在概念设计阶段即有产品全生命周期的成本在概念设计阶段即有70被决定，到基本设计、详细设计结束时分别被决定，到基本设计、详细设计结束时分别有有85和和95的成本业已被决定，而生产以后的成本业已被决定，而生产以后的阶段只决定的阶段只决定5左右的成本左右的成本。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法设计任务书设计任务书任务书分析任务书分析确定设计条件确定设计条件运用系统工程和创造性方法进行总体方案构思运用系统工程和创造性方法进行总体方案构思绘制总图、零部件图绘制总图、零部件图编制技术文件编制技术文件结束结束条件协商条件协商修改设计方案修改设计方案用价值分析、优选法等进行方案的论证用价值分析、优选法等进行方案的论证技术设计与分析技术设计与分析最优？综合分析程序库（系统工程分析程序、优化程序、可靠性分析程序等）设计资料库（各种技术、标准、规范、产品目录、用户记录等）图库（基本几何图、标准零部件图）设计程序库（零部件设计程序、有限元、边界元分析程序）用户要求与市场信息用户要求与市场信息否否是是现代设计过程现代设计过程概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法3现代设计理论与方法简介现代设计理论与方法简介3.1 产品设计理论的研究内容设计者设计者设计过程设计过程设计目标设计目标领域知识领域知识可用资源可用资源概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法现代设计方法学学科体系设计理论与方法：研究产品设计过程的基本规律。目的：力求产品的优化与创新支持产品设计的环境与工具支持产品设计的环境与工具支持产品设计全过程的CAD系统（分析、优化设计、造型）支持产品并行设计的CAD系统支持产品异地协同设计的CAD系统支持产品设计过程管理的PDM系统其它机构及其零部件设计机构及其零部件设计领域产品（飞机、汽车、机床）设计领域设计理论和知识领域设计理论和知识专业机械设计理论和知识，如：汽车设计理论 机床设计理论 飞机设计理论等现代设计方法论现代设计方法论 优化设计 智能设计 并行设计 虚拟设计 仿生设计 可靠性设计 模块化设计 反求设计等设计过程的组织与管理设计过程的组织与管理 设计过程的组织与管理模式 设计过程的组织结构 设计过程建模 设计过程信息的传递与共享 异地设计过程的组织与管理等整机设计整机设计系列设计系列设计基础设计理论和知识基础设计理论和知识 弹塑性力学理论 摩擦、磨损和润滑理论 机械运动学和动力学理论 基础零部件设计理论与方法概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法相关学科概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法3现代设计理论与方法简介现代设计理论与方法简介3.2 著名设计理论 （1）TRIZ理论(前苏联：发明问题解决理论)（2）普适设计理论（德国：Pahl和Betiz）（3）公理化设计理论（美国：Suh）（4）三次设计方法和QFD设计法（日本：系统、参数和容差）概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法3现代设计理论与方法简介现代设计理论与方法简介3.3 代表性现代设计方法 现代设计方法现代设计方法计算机辅助设计多领域物理建模多体动力学建模有限元分析优化设计可靠性设计创新设计智能设计相似性设计模块化设计协同设计模块化设计相似性设计并行设计虚拟设计。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法优化设计优化设计（Optimal Design）优化设计亦称为最优化设计，是以数学规划理论优化设计亦称为最优化设计，是以数学规划理论为基础，以计算机为辅助工具，将设计问题按规定的为基础，以计算机为辅助工具，将设计问题按规定的格式建立数学模型，并选择合适的优化算法，选择或格式建立数学模型，并选择合适的优化算法，选择或编制计算机程序，然后通过计算机求解获得最优设计编制计算机程序，然后通过计算机求解获得最优设计方案。方案。优化设计包括优化设计包括全生命周期全生命周期优化设计、广义优化设计、优化设计、广义优化设计、集成优化与综合优化集成优化与综合优化。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法全全生生命命周周期期优优化化设设计计：在在产产品品的的生生命命周周期期内内对对产产品品进进行行优优化化设设计计，是是一一种种综综合合优优化化方方法法，具具有有重重要要的的实实际际意义。意义。广广义义优优化化设设计计：包包括括各各种种优优化化方方法法在在内内的的产产品品的的优优化化设设计计，如如以以数数学学规规划划为为基基础础的的优优化化方方法法、通通过过专专家家系系统统进进行行优优化化的的方方法法、通通过过对对获获取取的的信信息息进进行行综综合合分分析析的优化方法等。的优化方法等。集集成成优优化化与与综综合合优优化化：对对产产品品的的整整个个系系统统、产产品品的的全全部部结结构构、产产品品的的生生产产和和使使用用的的全全部部过过程程（包包括括产产品品的的全生命周期）、产品的全生命周期）、产品的全部功能和性能全部功能和性能的优化等。的优化等。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法有限元法有限元法（Finite Element Method，FEM）有有限限元元法法是是用用有有限限个个单单元元将将连连续续体体离离散散化化，通通过过对对有有限限个个单单元元作作分分片片插插值值求求解解各各种种力力学学、物物理理问问题的一种数值方法。目前，有限元法被广泛应用于题的一种数值方法。目前，有限元法被广泛应用于求求解解线线性性和和非非线线性性问问题题，并并建建立立了了各各种种有有限限元元模模型型，如如协协调调、不不协调、混合、杂交、拟协调元等。协调、混合、杂交、拟协调元等。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法动态设计动态设计（Dynamic Design）动动态态设设计计强强调调产产品品在在动动态态过过程程中中的的特特性性，目目前前尚尚处处于于初初级阶段，许多深层次动态设计问题正处于研究过程中。级阶段，许多深层次动态设计问题正处于研究过程中。目目前前多多数数旋旋转转机机械械事事故故是是在在强强非非线线性性、强强耦耦合合、非非稳稳态态的的条条件下发生的，从而促使动态设计从一般的动态设计件下发生的，从而促使动态设计从一般的动态设计向向更更深深层层次次的的方方向向发发展展，即即向向非非稳稳态态（慢慢变变、参参变变、时时滞滞等等）、非非线线性性、不不确确定定、强强耦耦合合、高高维维、多参数多参数的研究方向发展。的研究方向发展。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法可靠性设计可靠性设计（Reliability Design）可靠性设计就是可靠性设计就是事先考虑可靠性事先考虑可靠性的一种设计方法。的一种设计方法。可靠性表示系统、设备、元器件的可靠性表示系统、设备、元器件的功能功能在在规定条件规定条件和和规定时间规定时间内的内的稳定程度的特性稳定程度的特性，是衡量产品质量的一，是衡量产品质量的一个重要指标。个重要指标。可靠性设计是近年来发展起来并推广应用的一门可靠性设计是近年来发展起来并推广应用的一门现代设计理论和方法，以现代设计理论和方法，以提高产品可靠性提高产品可靠性为目的，以为目的，以概率论与数理统计理论为基础，综合运用数学、物理、概率论与数理统计理论为基础，综合运用数学、物理、工程力学、人机工程学、系统工程学等方面的知识来工程力学、人机工程学、系统工程学等方面的知识来研究机械工程的最佳设计问题。研究机械工程的最佳设计问题。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法创新设计创新设计（Creation Design）创创新新设设计计提提倡倡的的是是设设计计的的创创造造性性，一一旦旦设设计计工工作作者者提提出出的的新新原原理理是是合合理理可可行行的的，就就可可以以从从根根本本上上改改变变产产品品的的结结构构，进进而而提提高高产产品品质质量量、降降低低生生产产成成本本、缩缩短生产周期、改善产品对环境的影响短生产周期、改善产品对环境的影响等。等。创创新新包包括括原原始始创创新新、集集成成创创新新和和引引进进消消化化吸吸收收后后再再创创新新。但但是是产产品品设设计计的的创创新新性性应应该该具具有有科科学学性性，创创新新者者除除了了要要掌掌握握有有关关基基础础理理论论与与知知识识外外，还还要要掌掌握握科科学的方法。学的方法。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法概念设计概念设计（Conceptual Design）概念设计是产品设计过程的关键环节，是根据概念设计是产品设计过程的关键环节，是根据产品生命周期各个阶段的要求产品生命周期各个阶段的要求，进行产品的，进行产品的功能创功能创造造、功能分解功能分解和和功能集成功能集成；要对满足工作原理要求；要对满足工作原理要求的的结构进行求解结构进行求解，对实现功能结构的，对实现功能结构的工作原理方案工作原理方案进行构思和系统化设计进行构思和系统化设计。概念设计是运用概念设计是运用发散思维发散思维和和创新思想创新思想整合梳理整合梳理的过程，是一个研究和求解能的过程，是一个研究和求解能实现功能要求实现功能要求和和满足满足各种技术、经济指标各种技术、经济指标的各种方案并最终的各种方案并最终确定最优方确定最优方案案的过程。的过程。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法计算机辅助设计计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）计计算算机机辅辅助助设设计计是是设设计计人人员员借借助助计计算算机机进进行行设设计计的的方方法法。其其特特点点是是将将人人的的创创造造能能力力和和计计算算机机的的高高速速运运算算能能力，巨大存储能力和逻辑判断能力很好地结合起来，力，巨大存储能力和逻辑判断能力很好地结合起来，可可以以极极大大地地提提高高设设计计质质量量，减减轻轻设设计计人人员员的的劳劳动动，缩缩短短设设计计周周期期，降降低低产产品品成成本本，为为开开发发新新产产品品和和新工艺创造了有利条件。新工艺创造了有利条件。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法智能设计智能设计（Intelligent Design）智能设计有两层含义，一是用智能设计有两层含义，一是用智能方法进行设智能方法进行设计计，二是，二是使设计的对象智能化使设计的对象智能化。通常所讲的智能设计是对产品的通常所讲的智能设计是对产品的性能参数性能参数及其及其工作过程工作过程进行进行智能控制和优化智能控制和优化，使产品具有优良的，使产品具有优良的工作性能，进而给产品带来经济效益和社会效益。工作性能，进而给产品带来经济效益和社会效益。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法虚拟设计（虚拟设计（Virtual Design）采用虚拟设计技术对产品进行采用虚拟设计技术对产品进行模拟模拟，使用者可，使用者可以直接从外观上或功能上比较全面地了解产品的情以直接从外观上或功能上比较全面地了解产品的情况，很多情况下，甚至可以通过虚拟技术代替真实况，很多情况下，甚至可以通过虚拟技术代替真实情况，从而大大降低产品研究与开发的成本。情况，从而大大降低产品研究与开发的成本。载人航天载人航天工程中广工程中广泛使用泛使用虚虚拟人拟人技术技术概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法3.4 产品设计方法的特征（1）数字化；（2）系统化；（3）最优化；（4）模型化；（5）自动化。3现代设计理论与方法简介现代设计理论与方法简介概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法4现代设计方法的研究现状欧洲：欧洲：德国学者和工程技术人员比较注重研究设计的进程、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。美国：美国：美国比较注重分析创造性开发和计算机在设计中的应用。美国是创造性设计的首倡者，在CAD方面也做出了许多贡献。日本：日本：日本主要是利用其国内电子技术和计算机方面的优势，在创造工程学、自动设计、价值工程方面做了不少工作。中国：中国：近年来我国也已经广泛开展了对现代设计 方法的研究，成立了各种研究协会和组织，各方面研究取得了实用成果，出版了一批专著和论文，在各高校也已相继开设了此方面的课程。现在，现代设计理论和方法已开始在我国的各个方面推广应用。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法现代设计方法的发展趋势现代设计方法的发展趋势 就目前国内外的研究状况来看，现代机械产品的设就目前国内外的研究状况来看，现代机械产品的设计理论与方法正在向以下几个主导方向发展：计理论与方法正在向以下几个主导方向发展：（1）在）在科学发展观科学发展观和和自主创新思想自主创新思想指导下的设计理论与指导下的设计理论与方法方法（2）面向产品质量面向产品质量、成本成本或或寿命寿命的设计理论与方法的设计理论与方法（3）加快设计速度加快设计速度及及实施设计智能化实施设计智能化的设计理论与方法的设计理论与方法（4）面向复杂系统和高难度问题面向复杂系统和高难度问题（非线性、非稳态、高（非线性、非稳态、高维、强耦合、不稳定、多变量等）的设计理论与方法；维、强耦合、不稳定、多变量等）的设计理论与方法；（5）面向产品广义质量的综合面向产品广义质量的综合设计理论与方法。设计理论与方法。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法5、学习现代设计方法的意义与任务学习现代设计方法的意义与任务6.1 学习现代设计方法的意义学习现代设计方法的意义（1）产品设计是决定产品性能、质量、水平和经济）产品设计是决定产品性能、质量、水平和经济效益的重要一环。效益的重要一环。产品的竞争能力，在很大程度上产品的竞争能力，在很大程度上取决于产品的设计。为此，在产品设计中就必须大取决于产品的设计。为此，在产品设计中就必须大力推广目前在国际上已经广泛应用并取得显著效果力推广目前在国际上已经广泛应用并取得显著效果的的先进设计方法先进设计方法，以，以提高我国的设计水平提高我国的设计水平，缩短产缩短产品的设计周期品的设计周期并并提高产品的质量提高产品的质量。因此，作为。因此，作为21世世纪的设计工程师，学习和掌握现代设计方法及技术纪的设计工程师，学习和掌握现代设计方法及技术具有特别重要的意义。具有特别重要的意义。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法（2）设计人员是新产品的重要创造者，对产品）设计人员是新产品的重要创造者，对产品的发展有重大影响。的发展有重大影响。为了适应现代科学技术发展为了适应现代科学技术发展的要求和市场经济体制对设计人才的需要，必须的要求和市场经济体制对设计人才的需要，必须加强设计人员的创新能力和设计素质的培养，现加强设计人员的创新能力和设计素质的培养，现代设计方法课程就是为此目的而开设的。通过这代设计方法课程就是为此目的而开设的。通过这门课程的学习与研究，可以提高未来从事设计工门课程的学习与研究，可以提高未来从事设计工作人员的设计水平，增强其设计创新能力。作人员的设计水平，增强其设计创新能力。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法5.2 学习现代设计方法的任务学习现代设计方法的任务（1）了解现代设计方法的基本原理和主要内容）了解现代设计方法的基本原理和主要内容，掌握各种设计方法的掌握各种设计方法的设计思想设计思想、设计步骤设计步骤及及相关相关软件应用软件应用，提高自身的设计素质，增强设计创新，提高自身的设计素质，增强设计创新能力。能力。（2）充分掌握现代设计方法）充分掌握现代设计方法，并力求在未来产品，并力求在未来产品设计实践的过程中，能够应用和不断地发展现代设计实践的过程中，能够应用和不断地发展现代设计理论与方法，甚至发明和创造出新的设计方设计理论与方法，甚至发明和创造出新的设计方法和手段。法和手段。概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法作作 业业查阅相关资料，说明什么是现代设计？现代设计查阅相关资料，说明什么是现代设计？现代设计与传统设计相比有哪些优点？与传统设计相比有哪些优点？概述概述概述概述现代设计方法现代设计方法本章结束本章结束