机械数字化设计新技术.pdf

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1、国家自然科学基金资助项目机械工业出版社高水平著作出版基金资助项目机械数字化设计新技术阎楚良杨方飞编著机 械 工 业 出 版 社中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-本书以提高机械数字化设计水平，推动数字化设计技术的最新成果在机械设计中的应用为目的，介绍了数字化技术在机械设计领域的最新成果。本书通过数字化建模、面向对象的产品数字化开发技术、数字化仿真技术、基于实例推理的数字化设计技术、计算机辅助概念设计等八章内容的介绍，系统全面地讲解了机械产品从设计到制造的全过程，是对数字化产品设计的全面概括。图书在版编目（）数据机械数字化设计新技

2、术 阎楚良，杨方飞编著北京：机械工业出版社，机阎杨 数字技术 应用 机械设计 中国版本图书馆 数据核字（）第 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 号邮政编码 ）策划编辑：何月秋王英杰邓振飞责任编辑：王英杰版式设计：霍永明责任校对：姚培新封面设计：王伟光责任印制：洪汉军北京京丰印刷厂印刷 年 月第 版第 次印刷 印张 千字 册标准书号：定价：元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换销售服务热线电话：（）购书热线电话：（）编辑热线电话：（）封面无防伪标均为盗版中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-前言产品成为企业生存和发展的

3、核心已是不争的事实。现代产品从功能上已从单一的“初级产品”向追求经济、社会和环境效益的“产品”转变，并正向追求文化内涵价值的“艺术品”发展，这就要求产品开发方法、手段不断创新，要求人们在产品开发的初期就关心产品生产、使用和报废等生命周期的全过程。传统的设计方法面临着巨大的挑战，数字化设计技术的出现，使得产品的快速、高效和绿色开发成为可能。数字化设计技术是基于产品描述的数字化平台，建立基于计算机的数字化产品模型，并在产品开发全程采用，达到减少或避免使用实物模型的一种产品开发技术。数字化设计的目的是通过建立的数字化产品模型，利用数字模拟、仿真、干涉检查、等分析技术，改进和完善设计方案，提高产品开发

4、效率和产品可靠性，并最终为基于网络的全球制造提供数字化产品模型和制造信息。数字化设计涵盖了现代设计的最新技术，同时又是现代设计的前提，对其进行深入的研究非常必要。本书的写作目的是提高机械数字化设计水平，推动数字化设计技术的最新成果在机械设计中的应用。本书共分八章，具体安排如下第 章绪论，主要阐述对产品设计在保证产品质量过程中的重要作用以及现代设计的过程，介绍现代设计的技术体系、一般流程，概述现代设计理论、设计模型和设计方法的研究内容、分类，最后对数字化设计的基础进行了论述。第 章数字化建模技术，介绍数字化产品建模技术，详细论述了特征建模以及参数化建模，针对特征建模的不足，还介绍了一种新的产品建

5、模技术 全息建模，并对三维数字化设计系统的几何引擎分别进行了阐述。第 章主要介绍面向数字化设计的二次开发平台。二次开发是增中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-值开发商或最终用户在软件开发商所提供的开发环境与编程接口基础上进行定制，易用性、稳定性、兼容性等是衡量二次开发平台品质的重要标准。对四个目前流行的三维 ，即 、的二次开发技术进行了介绍。第 章为数字化仿真技术。运用数字化仿真技术，可以大大简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统级性能，获得最优化和创新的

6、设计产品。本章对有限元分析技术、优化技术及虚拟样机技术进行了详细的讨论。第 章为基于实例推理的数字化设计技术。基于实例的设计方法通过建立问题描述之间的抽象关系，应用以往特定设计环境下的独特经验，完成当前的设计任务，并且设计系统的求解能力随着实例的积累将不断提高，因此，基于实例的设计方法比基于规则的设计方法更适合于设计问题的求解。本章主要对基于实例推理的几个主要流程，即实例表示、实例检索、实例调整以及实例保存作了阐述，并介绍了一种基于实例推理的语言 。第 章为计算机辅助概念设计。概念设计是一个发散思维和创新设计的过程，是一个求解实现功能的、满足各种技术和经济指标的可能存在的各种方案并最终确定综合

7、最优方案的过程。本章主要对概念设计的模型进行了研究，并对基于功能分解的机械产品概念设计进行了阐述。第 章为支持装配的数字化设计。适于装配的设计作为成功的并行工程实现技术给企业带来了可观的经济效益，近年来备受人们的重视。本章主要介绍了支持装配的设计技术现状，对支持装配的计算机支撑系统结构、分析评价、运行模式以及关键技术进行了阐述，并给出了以“顶层基本骨架”为核心的基于自顶向下的装配设计系统开发过程作为支持装配设计系统的实例。第 章为数字化设计技术应用实例。以潜水泵和联合收割机为对象，对数字化设计技术在机械产品（主要是农业机械）设计中的应用加以探讨。需要说明的是，数字化设计技术在各个研究内容之间并

8、非完全独中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-立，因此有关章节内容有所交叉。在本书编写的过程中，编者参考了大量的文献，未能一一列出，在此向有关作者深表感谢。因时间仓促，书中难免有疏漏和不足，请读者批评指正，不吝赐教。作者中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-目录前言第 章绪论 现代设计 产品设计在保证产品质量过程中的地位 传统设计与现代设计 现代设计的技术体系 现代设计的一般流程 现代设计理论、设计模型和设计方法 现代设计理论 现代设计模型 现代设计方法 数字化产品开

9、发基础 面向产品创新的数字化产品开发 数字化产品开发的内容 数字化产品开发的特点 第 章数字化建模技术 形体在计算机内的表示 数字化产品建模技术 几何建模 特征造型 参数化设计 参数化设计和数据驱动的理论方法 支持产品全生命周期参数化设计的研究 参数化设计的国际标准 二维参数化技术和三维参数化技术 参数式系统与变数式系统 三维 系统的几何核心 开发平台 中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden- 平台 平台 第 章面向对象的产品数字化开发技术 二次开发的基本理论 软件二次开发平台的质量标准 软件二次开发平台的体系结构 三维平台的二次开

10、发环境 第 章数字化仿真技术 数字化仿真技术概述 仿真技术概述 仿真的分类 数字化仿真的优势 数字化仿真的基本步骤 仿真技术的发展 有限元分析技术 有限元法概述 有限元法的基本原理及求解步骤 有限元分析软件 优化设计 优化设计的数学模型 一维搜索法 多目标优化方法 机械最优化设计问题的注意事项 虚拟样机技术 物理原型及其不足 虚拟样机的定义 虚拟原型方法：分类、使用范围以及局限性 多刚体系统动力学方法 虚拟样机技术的典型应用 相关问题讨论 中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-第 章基于实例推理的数字化设计技术 基于实例的推理 的

11、背景 基于实例推理的意义 与其他问题求解方法的比较 方法应用的条件 基于实例推理的流程 基于实例的设计 设计问题分析 设计的认知模型 基于实例的设计概述 现有 系统的特点 实例的存储 计算机存储实例常用的组织结构 动态存储模型 实例的检索 常用的检索策略 基于模糊优先比的相似度量 实例检索示例 实例的调整 实例的保存 基于实例推理的语言 第 章计算机辅助概念设计 设计原理构思在概念设计中的作用 概念设计内涵的深刻性 概念设计模型问题 概念设计过程模型 信息表达模型 方案生成 方案选择 系统开发 计算机辅助概念设计研究进展 基于功能分解的机械产品概念设计 功能参数 中国科技金书网 w w w.g

12、 o l d e n-b o o k.c o m www.golden- 建立概念设计的行为矩阵模型 功能方法树及多方案产生 应用实例 存在的主要问题 未来研究方向和重点 第 章支持装配的数字化设计 支持装配的设计概述 支持装配的设计技术现状 基于知识的 计算机支撑系统结构 分析评价 分析评价的主要方法 评价方法分类 的运行模式 中的关键技术研究 装配建模 装配模型中组件、子装配体的自动识别 基于拆序求解的零件拆卸方向确定 装配路径规划中零件位姿的描述求解 干涉检查 装配路径求解及优化 自顶向下的 设计 自顶向下的设计 以“顶层基本骨架”为核心的自顶向下设计 自顶向下装配设计系统的研究及实现

13、支持装配的虚拟现实系统研究 支持虚拟装配的虚拟现实系统存在的问题 面向虚拟装配的产品层次信息表达 模型工程语义信息的提取 虚拟装配中碰撞检测的实施方法 基于 的交互式虚拟装配的实现 第 章数字化设计技术应用实例 潜水泵的数字化产品开发 潜水泵数字化设计系统结构 零件数字化模型 中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden- 数字化仿真 联合收割机数字化开发实例 研究对象简介 主要工作部件产品模型 机架结构模型建立 综合分析 机架结构几何模型 机架结构理论有限元模型 机架结构的有限元模型 结构有限元模型剖分与计算规模 使用材料及性能参数 静

14、力工况计算及结果分析 动力工况计算及结果分析 联合收割机振动筛的虚拟样机设计与优化 振动筛的工作机理与运动分析 振动筛的建模与仿真 振动筛的参数优化 参考文献 中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-第 章绪论工程设计的历史与人类科技发展史同步。随着人类文明、科学技术的发展，工程设计这门古老的学科已逐渐演进为一门综合性的现代工程技术学科。工程设计的最终目的是创造满足用户需求的产品，其范围几乎涉及到人类活动的各个领域。从人们的衣、食、住、行所需要的生活资料、用品和工具，到各种工业机器、仪器、设备和装置，如机床、飞机、汽车、船舶、宇航工

15、具、计算机硬件与软件、机器人、发电设备、通信装置、医疗器械等等，无一不是人的创造与智慧的结晶。这些科技成果可以看作是人各种器官的一种加强与延伸，用以辅助人们日益增长的物质与文化的需要，也是推动社会物质文明与精神文明建设的重要因素。但是，产品能否满足预想的要求，满足的程度如何，即产品所达到的质量、性能、价格 成本、寿命等综合指标如何，主要是由设计阶段所决定的。据有关资料介绍，设计阶段决定了产品制造成本的 ，而且也极大地影响着产品的运行、维修费用。因此，高度重视研究、发展设计技术，具有十分重要的意义。现代设计 产品设计在保证产品质量过程中的地位机械产品正在向大型化（或微型化）、高速化、高效化、精密

16、化、集成化、综合（指功能）化、模块化、自动化、智能化、数字化、网络化和绿色化方向发展 （图 ），因此，对产品质量的要求也愈来愈高。高质量的产品是通过精心的设计、精密的制造加工、严格的管理而生产出来的，但最先的也是核心的工作是设计，它对产品质量与档次起着“先天性”的本质影响。据有关专家统计，一种产品的质量，设计的贡献率可达 。这里所说的质量指的是广义质量，最中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-主要的包括以下 点，可以称它为 性：系统可靠性；人机安全性；环境无害性；工作耐久性；造型艺术性；运行稳定性；工效实用性；指标优越性；操作宜人

17、性；制造工艺性；瑏瑡结构和零部件的规范性；瑏瑢生产周期性；瑏瑣产品经济性（包括设计经济性、使用经济性和制造经济性）等（图 ）。现代机械产品的发展方向综合化模块化自动化智能化数字化网络化绿色化集成化精密化高效化高速化大型化（或微型化）图 现代机械产品的 个发展方向图 现代机械产品设计的广义质量 前面所提出的这些质量要求都十分重要，归纳起来大体可分为三个主要方面：结构性能：安全可靠、耐用、外形美观；工作性能：有实际的工效、工作稳定、指标优越；制造性能：有较好的工艺性、较短的生产周期、较低的制造成本等。如果在新产品开发中，充分考虑用户的需求，使产品具有良好的质量（）这里所指的质量是狭义的，主要是指产

18、品的结构性能（如工中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-作可靠性）和工作性能（如技术性能等）、合适的价格（）、较短的交货时间或生产周期（）（可把两者作为制造性能来考虑）、优良的工作环境（）及良好的售后服务（）等，那么该产品在市场中就会具有较强的竞争力，这是所有设计工作者追求的目标。传统设计与现代设计设计的思想和方法一方面不断地影响着人类的生活与生产，推动着社会进步，另一方面又受社会发展的反作用，不断变化和更新。为了反映设计思想和方法随社会发展的变化，人们通常用“传统设计”和“现代设计”这两个术语。不难理解“传统设计”和“现代设计”

19、都只是相对概念，人们把当前认为先进的那部分系统称为现代的，而其余的自然成为传统的。若干年后，目前的现代部分就可能被新发展了的系统所取代而成为传统的。随着世界科技与经济的迅猛发展，尤其是电子计算机技术的发展和广泛的应用，带来了信息革命，使人们的设计思想和方法有了一次飞跃的变化。计算机技术及相关技术的发展和成熟极大推动了 及 （计算机辅助工程）技术的发展和应用。在 技术实用化以前，传统的设计只能依靠手工操作来完成，设计思想在设计人员的大脑中表现为三维模型，但传统的设计方法是将设计思想表达为二维工程图，这带来了许多的弊端，如表达不清晰，更改费时费工，使用保管不便等，同时，二维工程图对于机械零件的性能

20、分析、零部件的装配、结构的优化等帮助不大。二维 的应用实质上也只是将原先手工绘图转变为计算机绘图，对新产品的创新设计意义不大。将设计思想表达为计算机三维模型则使设计过程发生了质的变化。利用计算机进行三维建模，把机械零部件的结构全部用三维实体描述出来，并且把各种技术要求、设计说明、材料、公差等非几何信息以及各结构之间的相对位置表示清楚，在此基础上进行虚拟装配，检查零部件之间是否发生干涉以及它们之间的间隙，在产品的开发设计阶段就对其生命周期全过程中的各种因素考虑周全，排除某些设计中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-的不合理性，最终形

21、成数字样机。数字样机作为制造依据，能够实现精确设计，大大减少工程更改，能节省大量工装模具和生产准备时间。机械零件是通过数字化模型来表达的，各阶段共享模型数据，因此在产品设计阶段的同时可进行结构可靠性分析计算、工装设计、工艺设计、可制造性分析，并可借助于网络技术进行数字化传递，为并行工程创造条件。很显然，与传统的设计方法相比，采用三维数字化设计不仅使设计对象几何形状得以直观显示，而且被赋予物理属性的三维模型可以为其后进行的设计分析、验证、模拟与仿真提供保障 。先进的具有知识库和推理功能的 系统不仅可取代大量的设计中的手工劳动，还能帮助设计人员根据现有的知识库和设计要求开展逻辑思维，自动提供可能的

22、设计方案。传统的设计计算依赖工程问题的解析求解方法，使实际问题不得不尽量简化，其简化程度不取决于工程需要而取决于已有的数学工具能否求解。这一方面使大量相对复杂的工程问题无法进行计算求解，另一方面因简化而使很多工程问题的求解与实际情况有较大的差距。技术的发展和日趋成熟为解决上述问题提供了有效途径。以有限元法（，）为代表的 技术，理论上能求解任何复杂的工程计算问题，其求解精度只受计算机能力与物理模型的精度限制 。正是由于 技术的强大功能，人们已能借助它开展以往无法开展的设计计算，如汽车碰撞安全性的设计计算等。以上谈到的 和 技术可以说都是对传统设计方法的一种革新，即 技术取代手工绘图，技术取代工程

23、问题的解析求解等。还有一些全新的或者说是现代的设计思想，如并行设计、虚拟设计、稳健设计、优势设计、模糊设计、创新设计、协同设计等设计方法，可以从不同角度来满足用户对产品广义综合质量的要求，在第 节将对其中一些作扼要介绍。随着社会和经济的不断发展和科学技术的不断进步，人们对产品的功能要求也越来越多，由此而产生的设计准则和方法也越来越多。除了上面提到的一些现代设计方法外，还有人机工程学设计方法 、绿色产品设计方法 、摩擦学设计方法等。另一方面，随着社会生产力与科技的发展，现代设计技术与其他科学技术一样，内涵与外延也是变化的、动态的，如传统的机械中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b

24、 o o k.c o m www.golden-力学已发展演变为理论力学、材料力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学等；优化设计已发展为普通优化设计和模糊优化设计等，这些均是学科边界的扩展与交叉。鉴于上述分析与基本认识，我们给现代设计技术下的定义为：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。从以上定义可以看出，现代设计技术有一系列特点，值得说明的是以下两点：（）现代设计是多学科交叉融合的产物就目前现代设计技术所涉及的理论、方法的范畴来看，可以认为它是现代设

25、计方法学、计算机辅助设计技术、可信性设计技术、试验设计技术等多种学科的交叉与融合，而其中每一个具体的设计技术，同样也是若干学科的交叉与融合。例如优化设计是数学规划方法与计算机编程的有机结合，计算机辅助设计可以看作是数学建模、计算机软件和硬件技术、工程图学等的有机结合；模糊优化设计是模糊方法与优化技术的结合等。在这个现代设计技术群体中，各学科之间既相对独立，又相互联系、相互渗透。根据设计对象与任务的不同，以及设计各个阶段的特点，宜采用其中某些适宜的、有效的方法和技术来解决设计中的总体和各个具体问题。（）现代设计是传统设计技术的继承、延伸和发展从传统设计发展至现代设计，都有着时序性、继承性，并在一

26、定时间和一定的对象中共存于一体。例如，传统的运动学、动力学、机构学、结构力学、强度理论等基本原理与方法是现代设计技术的数学建模及许多分支学科（如可靠性设计、疲劳设计、防断裂设计、健壮设计等）的基础；另外，许多现代设计技术与方法是在吸收了传统设计技术中的思想、观点、方法之精华后而发展起来的，如系统设计、功能设计、模块化设计、优化设计和并行设计等。因此，介绍与应用现代设计技术与方法时，不应片面夸大，把它说成是玄而又玄的万能法宝，而应当认识到，现代设计的许多内容是传统设计技术的继承、延伸和发展。中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-总结

27、上述对现代设计的论述，可将“现代设计”与“传统设计”的区别大致归为以下几个方面：）现代设计是将传统设计中的经验、类比法设计提高到逻辑的、理性的、系统的新设计方法。）现代设计是在静态分析的基础上，考虑载荷分布、负载等随机参量，进行动态多变量的最优化。而传统设计只是一种静态设计。）传统设计人为载荷和应力是集中的，只考虑设计中的安全系数。但是，往往在很多情况下，加大安全系数并不一定能提高产品的可靠性。现代设计从概率论和统计学方法出发，针对载荷和应力的离散性，运用简化、降额设计、冗余设计、漂移设计等方法进行可靠性设计。）现代设计是一种“最优化设计”，即在产品设计时，在各种限制条件下（如技术、性能、经济

28、指标、制造工艺、使用条件等），运用最优化方法，通过计算机运算，寻求最佳的设计参数值。而传统设计仅仅是通过“设计 评定 再设计”等一系列设计过程，从多种设计方案中选取较为满意的方案，尽管这也是一种优化过程，但是这一过程往往依赖于设计人员的知识、经验和判断力，这种带有自然性质的优化，无论是在设计的周期方面，还是在优化的精度等方面，都是不能与现代优化设计方法相比拟的。此外，现代设计强调人（操作者）机（单机或系统）环境三者之间的相互协调关系，并将舒适性放在重要的地位，在强调产品内在质量的同时，也强调产品外观的艺术性、美观性，满足操作者的审美要求。现代设计的技术体系现代设计技术的整个体系好比一棵大树，由

29、基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个层次组成，如图 所示。基础技术基础技术是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、工程数学的基本原中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-理与方法等方面。它不仅为现代设计技术提供了坚实的理论基础，也是现代设计技术发展的源泉。我们认为，任何科学技术的发展如同社会的发展一样，都离不开以自身长期形成的传统构架为基础，同时又都不能固守于传统，而要使之涵容时代和未来的特征。也就是说，传统的科学与技术也和社会的进步一同发展。现代设计技术也可以说是在传统设计

30、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。图 现代设计技术的体系及与其他学科的关系 主体技术现代设计技术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 （，）、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，便没有现代设计技术；另一方面，没有其他现代设计技术的多种理论与方法，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，可以更广中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o

31、m www.golden-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技术群体的主干。支撑技术无论是设计对象的描述，还是设计信息的处理、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。其中现代设计方法学涉及的内容很广，如平行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配制、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象的设计、工业造型设计等。可信性设计技术可看作广义可靠性设计内容的扩展，主要指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断裂

32、设计、疲劳设计、耐腐蚀设计、减摩擦和耐磨损设计、健壮设计、耐环境设计、维修性设计、人机工程设计等。设计试验技术不仅指通常的产品性能试验，还应包括可靠性试验、环保性能试验与控制以及运用计算机技术的数字仿真试验和虚拟试验等。因此，设计方法学、可信性设计技术及试验设计技术所包含的内容，可视为现代设计技术群体的支撑技术。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内容，可以看作是现代设计技术派生出来的丰富多彩的具体技术群。现代设计技术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。现代设计已扩展到产品规划、制造、营销、运行、回收等各

33、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。此外，设计产品总是以满足社会需求为目的，因此，设计人员还应具备政治、经济、法律、人文社会、艺术等方面的知识与素养。值得一提的是，现代设计技术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中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-就是应用技术。在特定情况下，某些支撑技术也可以

34、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，也可以看作是基础技术。现代设计的一般流程前面已经提到，现代设计在保障产品质量中起至关重要的作用。下面对现代设计的一般过程进行介绍。现代产品设计过程可以描述如下 ：需求（含潜在的需求）的确认技术可能（含联想到的可能解）扫描矛盾统一设想（概念）的产生经济、技术分析（贯穿全过程）设想的优选和确认结构的优选和确认材料的优选和确认加工过程的优选和确认。（

35、）需求的确认开发一个产品的起点是市场信息分析，分析市场信息的结果导向产生一个或几个未来能在竞争中赖以取胜的性能作为开发的目标，这是市场需求知识的获取，也是设计的出发点，这一过程需要依赖设计者运用他们的经验、创新能力、洞察力和天资加以构思得到。从研究已有产品在满足用户需求方面存在什么问题出发，确定自己的竞争策略，即准备从哪些方面去竞争取胜。构成产品竞争力的要素是多方面的，一般讲，有以下几个方面：功能、质量（功能的实现及保持）、价格（全成本、效益）、交货期、售后服务（维修、升级、培训）、环境（含人、机）相容性、营销活动。通常说产品的性能，实际上是指产品的功能和质量两个方面 。功能是竞争力的首要要素

36、。用户购买某个产品，首先是购买它的功能，也就是实现其所需要的某种行为的能力。质量则是指前面提到的广义综合质量，亦即产品能实现其功能的程度和在使用期内功能的保持性。虽然上述构成产品竞争力诸要素的任何一个或几个都能在提高竞争力方面大显身手，但是对于一个企业来说，起根本和持久作用的还是产品的性能。（）技术可能扫描有了需求，但不一定在技术上和经济上可中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-行，这是第二步要解决的问题。因为新产品通常并非全部都是前所未有的，许多功能仍可以由已有的结构实现。所以设计初始总是在已有知识集中搜索可能的解，包括在可以采

37、用的知识库中搜索和在自己的经验集中搜索。（）概念设计正因为求解的性能是市场上现有产品所不具备的，所以找到完全满意解的可能性几乎不存在。于是需要对不能由已有知识解决的部分寻求新的解，从而开始了创新的过程。这个过程包括设想采用过去没有用过的新原理、新技术、新材料、新工艺。这些解决矛盾的设想称为概念，设计的这个阶段称为概念设计。概念设计可能提出几种方案。（）技术经济分析接下来就是对各种方案进行技术上和经济上可行性的测试。所谓技术上的测试，是指用必要的方法去检验方案是否能实现求解的功能和质量，此时往往涉及一系列的 和试验过程。检验并不限于创新的部分，而应对整体来进行，因为局部的创新，常常会破坏整体的其

38、他功能和质量。测试的方法，有虚拟现实或数字仿真、物理模型试验以及样机试验。不过在概念设计阶段，用得最多的是虚拟现实或数字仿真，在有成熟软件作为支撑时，它的周期最短，耗费也较低。经济上的测试，同样不可缺少。如果所用的原理、技术、材料、工艺成本太高，那也是不可取的。此外，市场并不仅仅是产品的出口，它还是构成产品的技术、材料、工艺甚至零部件的来源，这些都影响成本的组成。（）详细设计概念设计集中精力于主要功能和结构的主要组成部分，并未涉及全部结构的细节，特别是与创新概念有关的方面。因为在方案没有选定之前，繁琐的细节设计可能会因为方案的修改而成为徒劳。对一个选定的方案进行结构细节设计，称为详细设计。事实

39、上，概念设计与详细设计并不是在时间上截然分割的两个阶段，更准确地说，它们是前后相叠、循环反复的两个步骤。在局部结构的详细设计中，遇到不能采用已知解时，同样需要创新，这时再次进入概念设计。两个步骤交替进行，直至所有在设计过程中需要确定的问题全部确定为止。此外，详细设计还涉及到结构、材料等多方面的优选与确认。中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden- 现代设计理论、设计模型和设计方法根据现代设计程式化、逻辑化的产品设计思想，产品开发有一定程序可以遵循。国内外对产品开发的设计过程的模型有许多论述，如 和 在 中指出，机械设计分为明确任务、概

40、念设计、技术设计和施工设计四个阶段 ；等学者将设计分为三类：创新性设计（）、革新设计（）和常规设计（）；上海交通大学邹慧君教授提出机械设计分为产品规划、方案设计、详细设计和改进设计四个阶段 。不管是何种分类，设计都应当看作是一个不断迭代的过程，要经过反复地设计、评价、分析和修改。下面分别讨论现代设计理论、现代设计模型和现代设计方法。现代设计理论 世纪 年代，国际上便开始有关于设计理论的研究。时至今日，由于经济竞争已明显地呈现出企业整体优化与全球化的势态，因此，产品设计与产品开发、生产过程及市场发展成为企业整体过程及全球化过程中相互联系的组成部分，产品设计已是企业的系统行为。设计理论所要解决的基

41、本问题是，如何能设计出体现企业竞争优势的产品。年 月在德国举行了国际上第一次通用设计理论讨论会，这是设计理论这一新兴领域一次有代表性的会议，与会的学者来自德国、美国、日本等国家。会议主流的观点认为 ，设计是从需求出发寻求设计解（产品）的过程，设计理论是研究设计人员在设计过程中的思维、行为规律，研究设计理论的目的在于为发展新一代计算机辅助设计技术奠定理论基础，这种新的计算机辅助设计技术可帮助企业高效率与高质量地寻求产品设计解，而现今的 技术只能解决产品的二维、三维的描述，并非真正意义上的辅助产品设计。目前，有代表性的一些设计理论方法有：的方法、公理化设计、通用设计理论和 和 设计理论。中国科技金

42、书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden- 的方法 是“发 明 问 题 解 决 理 论”的 俄 文 简 称，它 是 前 苏 联 及其同事们在分析研究了世界上近 万件高水平发明专利，综合多个学科领域原理、法则的基础上提出的创新方法理论体系。主要目的是研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则，它是一种建立在技术系统进化规律基础上的问题解决系统。利用该理论可使创新成为具有预见性的过程，可提高创新的成功率和缩短解决问题的周期。目前 理论已成为产品设计中解决技术创新问题最有力的工具。是由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、算法组成

43、的综合理论体系，其主要内容包括：技术系统进化法则、个发明创造原理、项技术特性、矛盾矩阵、物质 场分析、个发明问题标准解决方法、发明问题解决算法（）以及工程效应知识库等 。下面来分析这些内容及其特点。（）理论的创造性原理和技术特性 通过对众多发明专利的分析研究，抽象出了 个发明创造所遵循的原理，它们成为 解决技术矛盾的关键。这些原理是分割、组合、嵌套、部分改变、动作预置、自助机能等。这 个原理本身较为抽象，作为解决具体技术和矛盾对立的指导方针，还需要进一步转化为具体的解决对策。同时还抽象出了产生系统矛盾对立的典型技术特性 项，这些典型技术特性是速度、形状、强度、温度、可靠性、制造性等。并发现虽然

44、技术系统和发明创造问题涉及方方面面，但典型的系统矛盾对立只有大约 个左右，而且这些典型的系统对立均可用 个发明创造原理中的方法来解决。（）理论解决技术矛盾的矛盾矩阵 理论最有用的方法就是矛盾矩阵的使用，该理论认为，创新问题是包含至少一个技术矛盾的问题。矛盾矩阵的形成过程为：在解决技术问题时，当改善系统的某个技术特性时，往往会使系统的其他技术特性恶化，这便产生了技术矛盾。矛盾矩阵就是为了解决技术矛盾而构造的。矛盾矩阵的横轴表示希望改善的技术特性，纵轴表示恶化的技术特性，横轴、纵轴上各技术特性交点处就是解决这两个技术特性之间矛盾的创造性原中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o

45、o k.c o m www.golden-理，它提示设计者最有可能解决问题的探索方向，从而使原系统向着改进的目标发展，因此成为解决技术矛盾的关键。由于矛盾矩阵包含的技术特性和创造性原理有限，并不能完全解决产品设计中产生的所有矛盾，因此需要人们将设计过程中获得的创新原理、技术特性不断补充进去，从而提高使用矛盾矩阵的成功率。在解决问题时必须根据所提供的原理及所要解决问题的特定条件，提出解决问题的具体方法，为此 提供了“物质 场”分析和“发明问题解决算法”两个解决技术问题的手段。）理论的“物质 场”分析及模型变换“物质 场”分析是对具体问题定义并将问题模型化的方法，是用符号表达技术系统变换的建模技术

46、。产品是功能的一种实现，认为所有功能都可以看作是由两个物质和一个场组成的，物质、可以是任何复杂程度的对象，场 用于表示物体 与 之间相互作用、控制所必需的能量。对于一个满意的功能，至少要包括这 种元素且三者之间以适当的方式组合，完成一定的作用。当三者缺一，或三者之间没能实现预定的目的，或它们之间产生有害作用时，“物质 场”模型描述的技术系统都会存在问题，这时可用“物质 场”模型变换方法来解决出现的问题。理论将“物质 场”模型变换概括为 种标准解决方法，并分成以下 类：不改变或仅少量改变已有系统；改变已有系统；系统传递；检查与测量；简化与改善策略。发明者首先要根据“物质 场”模型识别问题的类型，

47、然后选择相应的标准方法集。以水翼船为例，在实际使用中，曾经遇到这样一个问题：当船的水翼在水中移动时，大量气泡会在水翼表面产生，形成气穴而造成腐蚀。通常采用的办法是冷却水翼，使其表面被冰覆盖，让冰层成为气穴腐蚀的载体。但维系冰层需要消耗大量能量。调用 理论的“物质 场”分析法分析：腐蚀通过气穴作用于水翼，需设法消除腐蚀这一负面效应，为此可以引入新的“物质 场”资源。结合工程实际，最终解决方案为：在水翼表面穿孔，由于上下表面的压力差，水在这些小孔表面形成保护水层，从而防止水翼遭受气穴腐蚀。）理论的发明问题解决算法 发明问题解决算法根据中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o

48、k.c o m www.golden-“物质 场”分析定义的问题模型导出解决问题的具体方法，其实质是对“物质 场”形成的初期问题进行一系列变形及再定义，按照通用的产品发明思维流程解决矛盾对立问题。首先将系统存在的问题最小化，原则是尽可能不改变或少改变系统而实现必要的功能；其次是定义系统的矛盾对立，并将矛盾对立简化为问题模型，然后将对立领域明确化，并分析系统中可以使用的资源；然后进一步定义系统的理想解。通常为了实现系统的理想解，系统对立领域的最重要构成元素应是相互对立的物理特性。接下来是定义系统内的物理矛盾以及消除物理矛盾。物理矛盾的消除需要最大限度地利用系统内的资源以及物理、化学、几何学等应用

49、知识库。如果问题得不到解决，则要返回到最初的地方，对问题进行再定义。公理化设计公理化设计是美国麻省理工学院（）教授于 年在 一书中正式提出的。公理化设计理论是设计领域内的科学准则，能指导设计者在设计过程中做出正确的决策，为创新设计或改善已有的设计提供良好的思维方法。因此，当公理化设计第一篇论著一出版，在工程设计领域就受到了广泛的关注。国外相继出现了一些公理化设计理论的研究团体，如 的公理化设计小组、公理化设计会议，以及公理化设计网站等，公理化设计及其应用已成为当今工程设计领域研究的热点。（）公理化设计中域的概念 教授的公理化设计理论将设计过程分为四个域，即用户域（）、功能域（）、结构域（）和工

50、艺域（），如图 所示。每一域中都有各自的元素，即用户需求或用户期望的产品属性（，）、功能要求（，）、设计参数（，）和工艺变量（，）。图 公理化设计过程描述中国科技金书网 w w w.g o l d e n-b o o k.c o m www.golden-产品的设计过程实际就是四个域之间的映射过程：首先，设计人员进行用户要求分析，根据用户对产品的需求（）明确产品功能的要求（），然后根据产品的功能要求确定产品的零部件结构及其设计参数（），再根据产品的零部件结构确定产品的工艺过程，最后得到工艺变量（）。设计过程中这些元素根据设计要求可以分层表示（即分解），每一层的各个域中都存在相应的设计目标，高层