现代设计理论、方法与技术讲义28087.docx

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1、现代设计计技术0引言现代设计计技术是是先进制制造技术术中的首首要关键键技术，它它是现代代科技发发展和全全球市场场竞争的的产物。产品设计计是以社社会需求求为目标标，在一一定设计计原则的的约束下下，利用用设计方方法和手手段创造造出产品品结构的的过程，如如图l所所示。 市场竞竞争的需需要和各各种新方方法、新新技术、新新工艺、新新材料不不断涌现现，推动动了设计计方法和和技术的的进步，产产品设计计从传统统的经验验设计进进入现代代设计。1 现代代设计的的内涵1.1现现代设计计的特征征现代设计计是传统统设计的的深入、丰丰富和完完善，而而非独立立于传统统设计的的全新设设计。虽虽然目前前对现代代设计尚尚无确切切

2、定义，但但可从以以下特征征来理解解。 以计计算机技技术为核核心这是现代代设计的的主要特特征。计计算机技技术的飞飞速发展展对设计计产生了了巨大影影响，表表现为以以下几方方面：设计手手段的更更新计算机技技术推动动了设计计手段从从“手工”向“自动”的转变变。传统设计计以图板板、直尺尺、铅笔笔等作为为工具，这这种设计计手段效效率低、人人工强度度大。CCAD技技术的出出现和发发展，甩甩掉图板板的“无纸设设计”作为现现代设计计的主流流，显著著提高了了设计效效率。产品表表示的改改变计算机技技术推动动了产品品表示从从“二维”向“三维”的转变变。传统设计计利用投投影原理理表示产产品结构构，这种种二维表表示的数数

3、据单一一，数据据量少，不不便于产产品的进进一步分分析和制制造。随随着CAAD技术术的发展展，三维维“产品模模型(PProdductt Moodell)”越来越越得到广广泛应用用。这种种表示不不仅包括括反映产产品形状状和尺寸寸的几何何信息，还还可包括括分析、加加工、材材料、特特性等数数据，从从而可直直接用于于分析和和制造。设计方方法的发发展促进了一一些新的的设计方方法的出出现，高高性能的的计算机机硬件和和先进的的软件技技术是这这些方法法实施的的保证。一些先进进的设计计方法如如有限元元分析、优优化、模模态分析析等都涉涉及大量量复杂计计算，只只有计算算机技术术的发展展才能推推动这些些方法的的进步和和

4、应用。新的设设计方法法如并行行设计、虚虚拟设计计、计算算机仿真真等。工作方方式的变变化计算机技技术促进进了设计计方式从从“串行”到“并行”的变化化。受设计手手段限制制，传统统设计过过程采用用串行方方式进行行，即设设计任务务按时序序从一个个环节传传入下一一环节。随随着数据据库技术术和网络络技术的的发展，并并行设计计正得到到广泛应应用。它它要求设设计小组组(Teeam)同时地地、并行行地参与与设计，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。设计与与制造一一体化存在于计计算机内内的产品品模型可可直接进进入CAAPP系系统进行行工艺规规划和NNC编程程，

5、进而而加工代代码可直直接传入入NC机机床、加加工中心心进行加加工。产产品模型型加强了了设计与与制造两两个环节节的连接接，提高高了产品品开发的的效率。管理水水平的提提高产品设计计是一个个复杂的的系统工工程，设设计过程程中涉及及大量设设计数据据和设计计行为的的管理。数数据库技技术的发发展改变变了传统统的手工工管理模模式，各各种MIIS、PPDM系系统的广广泛应用用大大提提高了设设计的管管理水平平，保证证了设计计过程的的高效、协协同和安安全。组织模模式的开开放 网络技技术的发发展加快快了数据据通讯速速度，缩缩短了企企业之间间的距离离。传统统的局限限于企业业内部的的封闭设设计正在在变为不不受行政政隶属

6、关关系约束束的、多多企业共共同参与与的异地地设计。为为完成一一种设计计任务形形成的虚虚拟企业业或动态态联盟将将实现优优势互补补和资源源共享，极极大地提提高设计计效率和和水平。 以设设计理论论为指导导 受科学学技术发发展水平平的限制制，传统统设计是是以生产产经验为为基础，以以运用力力学和数数学形成成的计算算公式、经经验公式式、图表表、手册册等作为为依据进进行的。随随着理论论研究的的深入，许许多工程程现象不不断升华华和总结结为揭示示事物内内在规律律和本质质的理论论，如摩摩擦学理理论、模模态分析析理论、可可靠性理理论、疲疲劳理论论、润滑滑理论等等。现代代设计方方法是基基于理论论形成的的方法，利利用这

7、种种方法指指导设计计可减小小经验设设计的盲盲目性和和随意性性，提高高设计的的主动性性、科学学性和准准确性。因因此，现现代设计计是以理理论指导导为主、经经验为辅辅的一种种设计。1.2现现代设计计的内涵涵通过对其其特征的的分析，可可以认为为：“现代设设计”就是以满满足应市市产品的的质量、性性能、时时间、成成本价价格综合合效益最最优为目目的，以以计算机机辅助设设计技术术为主体体，以知知识为依依托，以以多种科科学方法法及技术术为手段段，研究究、改进进、创造造产品活活动过程程所用到到的技术术群体的的总称。既既以市场场需求为为驱动，以以知识获获取为中中心，以以现代设设计思想想、方法法为指导导和现代代技术手

8、手段为工工具，考考虑产品品的整个个生命周周期和人人、机、环环境相容容性因素素的设计计。1现代代设计作作为一个个研究领领域，包包含范围围极其广广泛。既包含指指导设计计进程及及逻辑规规律的设设计方法法学（属属于思维维方面），也也包含能能用来提提高设计计效率和和设计质质量的各各种单项项技术（如如CADD技术、有有限元分分析、可可靠性设设计等），同同时还包包含有高高产品市市场竞争争优势的的技术（如如商品化化设计、工工业造型型技术、市市场预测测与分析析技术等等），贯贯穿其中中很重要要一点就就是并行行工程的的应用：产品设设计开始始就要同同时考虑虑制造、使使用及全全生命周周期的各各个因素素，另外外，对于于一

9、个任任务，可可以以网网络技术术为基础础组织不不同制造造商（网网上动态态联盟）来来共同完完成。因因此，2.现代代设计只只能综合合理解为为：计算算机为工工具，专专业设计计技术为为基础，网网络为效效率，市市场为导导向的一一种综合合设计理理念，其其实现没没有固定定的模式式。简单的说说，现代代设计的的内涵就就是以市市场为驱驱动，以以知识为为依托，以以知识获获取为中中心，以以产品全全生命周周期为对对象，人人、机、环环境相容容的设计计理念。2 现代代设计的的技术体体系 现代设设计技术术的整个个体系好好比一棵棵大树，由由基础技技术、主主体技术术、支撑撑技术和和应用技技术四个个层次组组成。图图22.1基基础技术

10、术 指传统的的设计理理论与方方法，特特别是运运动学、静静力学与与动力学学、材料料力学、结结构力学学、热力力学、电电磁学、工工程数学学的基本本原理与与方法等等方面。它不仅仅为现代代设计技技术提供供了坚实实的理论论基础，也也是现代代设计技技术发展展的源泉泉。现代代设计技技术也可可以说是是在传统统设计技技术的基基础上，以以新的形形式和更更丰富的的内涵发发扬光大大传统设设计技术术中的优优秀内核核与精华华。图2现代代设计技技术体系系与其他他学的关关系2.2 主体技技术现代设计计技术的的诞生和和发展与与计算机机技术的的发展息息息相关关、相辅辅相成。可可以毫不不夸张地地说，没没有计算算机科学学与计算算机辅助

11、助技术(如计算算机辅助助设计、智智能CAAD(IInteelliigennt CCADICCAD)、优化化设计、有有限元分分析程序序、模拟拟仿真、虚虚拟设计计和工程程数据库库等)，便便没有现现代设计计技术；另一方方面，没没有其他他现代设设计技术术的多种种理论与与方法，计计算机技技术的应应用也会会大大受受到限制制，因为为运用优优化设计计、可靠靠性设计计、模糊糊设计等等理论构构造的数数学模型型，来编编制计算算机应用用程序，可可以更广广泛、更更深入地地模拟人人的推理理与思维维，从而而提高计计算机的的“智力”。而计算算机辅助助设计技技术正是是以它对对数值计计算和对对信息与与知识的的独特处处理能力力，成

12、为为现代设设计技术术群体的的主干。2.3支支撑技术术 无论是设设计对象象的描述述，设计计信息的的处理、加加工、推推理与映映射及验验证，都都离不开开设计方方法学、产产品的可可信性设设计技术术及设计计试验技技术所提提供的多多种理论论与方法法及手段段的支撑撑。设计方法法学、可可信性设设计技术术及试验验设计技技术所包包含的种种种内容容，可视视为现代代设计技技术群体体的支撑撑技术。2.4应应用技术术 应用技术术是针对对实用目目的解决决各类具具体产品品设计领领域的技技术。如如机床、汽汽车、工工程机械械、精密密机械的的现代设设计内容容，可以以看作是是现代设设计技术术派生出出来的丰丰富多彩彩的具体体技术群群。

13、现代代设计技技术在各各类产品品设计领领域的广广泛应用用，促进进了产品品质量与与性能的的提高。现代设计计已扩展展到产品品规划、制制造、营营销、运运行、回回收等各各个方面面，除了了必要的的传统设设计理论论与方法法的基础础知识外外，相关关的学科科与技术术，尤其其是制造造工艺、自自动化技技术、系系统管理理技术、材材料知识识与经验验及广泛泛的自然然科学知知识等也也是十分分必要的的。 值得一一提的是是，现代代设计技技术体系系框架的的划分只只是相对对的，而而不是绝绝对的；主体技技术、支支撑技术术、应用用技术、基基础技术术之间并并不存在在截然的的界限。主主体技术术所包含含的计算算机辅助助设计的的有关技技术本身

14、身往往就就是应用用技术。在在特定情情况下，某某些支撑撑技术也也可以成成为主体体技术，例例如变载载荷及随随机干涉涉下零件件的疲劳劳设计和和稳定性性设计，这这时疲劳劳设计、健健壮设计计就是相相应情况况下的主主体技术术。有些些设计支支撑技术术本来就就是由传传统的强强度、变变形及失失效理论论“繁衍”出来的的多种设设计理论论，如疲疲劳设计计、防断断裂设计计、可靠靠性设计计等，所所以，这这些设计计支撑技技术，也也可看作作基础技技术。3 现代代设计原原则 设计原原则是为为设计产产品应满满足的条条件，也也是对设设计行为为的约束束。受设设计水平平、观念念、体制制等限制制，传统统设计所所考虑的的原则着着眼于产产品

15、的功功能和技技术范畴畴，而设设计的影影响贯穿穿产品整整个生命命周期，所所以设计计原则必必须面向向生命周周期内的的各个阶阶段。现现代设计计原则是是传统设设计原则则的扩充充和完善善，两者者并无本本质区别别。可归归纳为以以下几类类。3.1 功能能满足原原则产品设计计的目的的是构造造能够实实现规定定功能的的产品。如如果产品品不具备备要求的的功能，设设计就失失去价值值。因此此满足功功能是各各类产品品设计的的必要原原则。3.2质质量保障障原则保证质量量是产品品设计的的重要原原则。产产品质量量主要由由性能和和可靠性性决定，因因此这类类原则主主要包括括：(1)性性能指标标。指产产品的各各类技术术指标，如如机床

16、加加工精度度、传动动系统运运动精度度，电视视机分辨辨率等。先先进的技技术指标标是实现现高质量量产品的的前提。(2)可可靠性。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)强强度原则则。要求求产品零零件具有有抵抗整整体断裂裂、塑性性变形和和某些表表面损伤伤的能力力。(4)刚刚度原则则。要求求外载作作用下产产品变形形在规定定的弹性性变形之之内。(5)稳稳定性。指产品在外载作用下能够恢复其平衡的特性。(6)抗抗磨损性性。要求求零件在在规定时时间内材材料的磨磨损量在在规定值值以内。 (7)抗腐蚀蚀性。要要求产品品在恶劣劣环境下下不被周

17、周围介质质侵蚀的的特征。(8)抗抗蠕变性性。要求求高温环环境工作作的产品品不发生生蠕变或或蠕变变变形在规规定值以以内。(9)动动态特性性。指在在动载荷荷作用下下产品具具有良好好的抗振振特性，以以保证产产品的平平稳和低低噪声运运行。(10)平衡特特性。指指旋转产产品具有有良好的的静平衡衡和动平平衡特性性。(11)热特性性。保证证产品具具有要求求的温度度大小、温温度分布布和热流流状态，以以及热应应力、热热变形在在规定值值以内。3.3 工艺艺优良原原则指设计能能够且容容易通过过生产过过程实现现，它包包括：(1)可可制造性性。指利利用现有有设备能能够制造造出满足足精度等等要求的的零件，且且制造成成本低

18、，效效率高。(2)可可装配性性。指零零件能够够装配成成满足装装配精度度要求的的部件和和整机，且且装配成成本低、效效率高。(3)可可测试性性。指产产品能够够且容易易通过适适当方进进行有关关测试，以以评估设设计、制制造和装装配。3.4 经济济合理原原则要求产品品具有较较低的开开发成本本和使用用费用。3.5 社会会使用原原则 考虑产产品投放放市场后后的表现现行为，包包括： (1)环境友友好性。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)环环境适应应性。适适应使用用环境的的湿度、温温度、载载荷、震震动等特特殊条件

19、件。(3)人人机友好好性。满满足使用用者生理理、心理理等方面面要求，使使产品外外形美观观，色彩彩宜人，操操作简单单、方便便、舒适适。(4)可可维修性性。使产产品能够够且易于于维修，维维修的停停机时间间、费用用、复杂杂性、人人员要求求和差错错尽可能能最小。(5)安安全性。保证不对人的生命财产造成破坏。(6)可可安装性性。保证产产品使用用前安装装容易、可可靠，且且安装费费用最小小。(7)可可拆卸性性。考虑虑产品的的材料回回收和零零组件的的重新使使用。(8)可可回收性性。考虑虑产品报报废及回回收方式式。上面分类类介绍了了各种原原则，有有些归类类并不十十分严格格。设计计时应根根据产品品特点选选择部分分

20、原则，而而在选择择的原则则中又分分主要和和次要原原则。根根据所选选主要原原则的不不同，目目前已形形成许多多针对性性设计方方法，如如面向制制造和装装配的设设计(DDFMAA)、面面向环境境的设计计(DFFE)；面向拆拆卸的设设计(DDFD)等。4 现代代设计理理论、方方法与技技术设计理论论是对产产品原理理和机理理的科学学总结。设设计方法法是使产产品满足足以及判判断产品品是否满满足设计计原则的的依据。现现代设计计方法是是基于设设计理论论形成的的，因而而更具科科学性和和逻辑性性。但一一些方法法还有完完善和发发展的过过程，所所以现代代设计方方法还不不能完全全取代传传统设计计方法，一一些行之之有效的的经

21、验方方法目前前仍在广广泛使用用，它们们仍是现现代设计计方法的的重要组组成。4.1 现代设设计法的的内容与与范畴 现代代设计方方法实质质上是科科学方法法论在设设计中的的应用。概括为十十一论：突变论论、信息息论、智智能论、系系统论、优优化论、对对应论、功功能论、控控制论、离离散论、模模糊论、艺艺术论。这这些论与与广义设设计(有有目的的的意识活活动)直直接有关关，有的的已形成成单一学学科，有有的正在在形成。突变论论方法 突突变创造造是现代代设计的的基石。如如创造性性设计。主主要应用用于定性性的方案案决策、系系统设计计；智能论论方法 发挥智智能载体体的潜力力，是现现代设计计的核心心。如 100 计算算

22、机辅助助计算：仅借助助计算机机代替人人的初级级智能；20 CADD： 30CAEE： 40 智智能机器器化方法法：即指指高级人人工智能能，如机机器人、专专家系统统等。应用于能能代替人人的智力力的一切切场合。信息论论方法 设设计信息息的分析析是现代代设计的的依据。如如： 10 预测测技术法法：用历历史性趋趋向及参参数，预预测现需需与未来来的动向向与参数数； 20 方差差分析法法：对一一系列已已知数据据因素，进进行参数数的估计计与识别别检验； 30 信息息合成法法：将各各种不同同信息合合成为所所需的广广义系统统，如人人工合成成细胞、图图形等。主要用于于通过历历史性或或试验性性数据进进行预测测与信号

23、号分析及及可行性性论证。系统论论方法 系系统分析析是现代代设计的的前提。常常用： 10 系统统分析法法：把任任何系统统、功能能、元件件均看做做系统，加加以分析析，进行行输入一一输出关关系的描描述，得得到合理理的系统统与功能能； 20 逻辑辑分析法法：运用用逻辑数数学从各各系统之之间相互互关联与与制约关关系，设设计出优优化系统统； 30 模式式识别法法：把已已有若干干模式的的系统样样本，进进行模式式的确定定；主要用于于总体方方案与系系统设计计及可行行性论证证。控制论论方法 动动态分析析是现代代设计的的深化。常常用： 10 动态态分析法法：运用用传递函函数与状状态方程程，研究究输人情情号与输输出功

24、能能之间的的定性定定量关系系，以获获得最好好的动态态特性指指标； 20 振荡荡分析法法：对振振型模态态进行识识别，以以利用振振动或消消除振动动及噪音音(广义义)； 30 柔性性设计法法：把刚刚性系统统按实际际弹性系系统进行行设计计计算； 40 动态态优化法法：主要要是研究究大系统统优化与与最佳动动态数学学模型；一般用于于系统确确定后的的动态指指标定性性分析与与定量校校正。优化论论方法 广广义优化化是现代代设计的的宗旨。常常用： 10 优化化设计法法：包括括各种优优化值的的搜索方方法，如如线性规规划、非非线性规规划、动动态规划划、整数数规划、几几何规划划、多目目标优化化、试验验优化、经经验优化化

25、、方案案优化、模模糊优化化等；20 优优化控制制法：主主要是动动态优化化、最优优控制等等。可用于方方案设计计与参数数设计。对应论论方法 相相似模拟拟是现代代设计的的捷径。常常用： 10 相似似设计法法：似同同类参照照物为依依据求出出设计对对象与参参照对象象间的数数学关系系； 20 模拟拟分析法法：以异异类参照照物为依依据，设设计系统统结构与与求得参参数； 30 仿真真技术：用电子子数字计计算机及及仿真语语言模拟拟复杂系系统与过过程，求求得解析析法不能能取得的的参数；40 仿仿生技术术：模拟拟生物的的特殊功功能为设设计服务务。主要用于于已有参参照，模模型的构构思与定定量计算算。功能论论方法 功功

26、能实现现是现代代设计的的目标。有限寿命命是自然然与社会会的基本本客观现现实，所所以设计计时应保保证有限限使用期期限内设设计对象象的 经济有有效功能能，其方方法有功功能分析析设计法法、可靠靠性分析析预测、可可靠性设设计及功功能价值值工程等等。主要应用用于方案案设计与与功能价价值、功功能安全全可靠性性定量分分析；离散论论方法 离离散分析析是现代代设计的的细解。事物特别别是复杂杂广义系系统由离离散体组组成，是是自然与与社会另另一个基基本客观观现象，因因此，用用离散化化方法近近似确定定参数是是必然可可靠的，其其方法有有有限单单元法、边边界元法法、离散散优化、子子模态分分析法及及其他运运用离散散数学技技

27、术的方方法等。主要用于于近似细细解的精精细设计计。模糊论论方法 模模糊定量量是现代代设计的的发展。事物的模模糊性是是一种大大量的客客观存在在，所以以运用模模糊分桥桥的量度度方法(避开精精确的数数学方法法)是必必要的，其其方法目目前主要要运用隶隶属函数数的论域域法，可可以进行行模糊分分析、模模糊评价价、模糊糊控制与与模糊设设计等的的运用。主要用于于模糊性性参数确确定与方方案的综综合评价价； 艺术论论方法 悦心宜宜人是现现代设计计的美感感。任何设计计都尽可可能把设设计对象象形成一一件艺术术品，是是设计的的重要观观念，现现代艺术术论不仅仅如此，还还要采用用技术美美学，计计算机造造型、模模糊艺术术等处

28、理理方法。主要用于于使设计计达到悦悦心宜人人的功能能；4.2 目前所所指的现现代设计计技术1）现代代设计方方法学 (1)系统设设计 (22)价值值工程 (3)功能设设计 (44)并行行设计 (55)模块块化设计计 (66)质量量功能配配置 (77) 反反求设计计 (8)绿绿色设计计 (99)模糊糊设计 (10)面向对对象的设设计 (111)工工业造型型设计2）计算算机辅助助设计技技术(1) 有限元元法 （2）优优化设计计 （3）计计算机辅辅助设计计 （44）模拟拟仿真与与虚拟设设计（5）智智能计算算机辅助助设计 （66）工程程数据库库3）可信信性设计计（可信信性设计计技术可可看作广广义可靠靠性

29、设计计内容的的扩展）(1) 可靠性性设计 （22）安全全设计 （3）动动态设计计 （4）防防断裂设设计（5）抗抗疲劳设设计 （66）减摩摩耐磨设设计（7）防防腐蚀设设计 （88）健壮壮设计（9）耐耐环境设设计 （10）维维修设计计和维修修保障设设计 （11）测测试性设设计 （112）人人机工程程设计5 现代代设计手手段设计手段段是人的的设计思思想借以以实现的的工具和和技术。计计算机技技术、软软件技术术和数据据库技术术的发展展对设计计手段起起到了变变革性的的作用，以以计算机机为工作作平台的的设计工工具正在在广泛取取代传统统的图板板，计算算机辅助助设计正正在成为为现代设设计的主主要手段段，它使使设

30、计效效率、设设计水平平和设计计质量得得到全面面提高。计计算机辅辅助设计计包括如如下内容容。6 现现代设计计技术的的特点 由现代代设计技技术的涵涵义及其其体系可可见，它它具有以以下一系系列特点点。6.1设设计理论论与方法法的延伸伸、思维维的变化化及设计计范畴的的扩展现代设计计技术是是传统的的设计理理论与方方法的继继承、延延伸与扩扩展。静态的设设计原理理向动态态的延伸伸；经验的、类类比的设设计方法法向精确确的、优优化的方方法延伸伸；确定的设设计模型型向随机机的模糊糊的延伸伸，单维思维维模式向向多维思思维模式式延伸；而且设计计范畴在在不断扩扩大。传传统的设设计通常常只限于于方案设设计、技技术设计计(

31、总体体 设设计与工工艺设计计)，如先进制制造技术术中的面面向制造造的设计计(Deesiggn FFor MannufaactuurinngDFMM)，面面向装配配的设计计(Deesiggn FFor AsssemmblyyDDFA)及面向向X的设设计(DDesiign Forr “XX”DFXX)，并并行设计计(Cooncuurreent DeesiggnCD)、虚拟拟设计、绿绿色设计计(Grreenn DeesiggnGD)、模糊糊设计、维维修性设设计(MMainnterrinaabillityy DeesiggnMD)、健壮壮设计等等，便是是工程设设计范畴畴扩大的的集中体体现。现现代设计计

32、可以说说是设计计师、制制造工程程师、管管理营销销人员以以及工人人、财会会人员、专专利律师师等通力力合作、集集体智慧慧的结晶晶。6.2多多种设计计技术、理理论与方方法的交交叉与综综合 计算机技技术与信信息科学学对机械械产品的的渗透、改改造与应应用，使使产品的的结构、功功能产生生很大 的变变化，现现代的机机械产品品正朝着着机电一一体化，物物质、能能量、信信息一体体化，集集成化，模模块化方方向发展展。数控控机床及及数控装装置、加加工中心心、工业业机器人人等典型型的机电电一体化化产品，不不仅具有有传统意意义上的的物质与与能量转转换的功功能，而而且具有有自动检检测、自自动数据据处理(运算、判判断、存存储

33、、记记忆)、自自动显示示、自动动控制、故故障诊断断和自动动保护及及维护性性、可回回收性等等功能，从从而对产产品的质质量、可可靠性、稳稳定性、稳稳健性及及效益等等均提出出更为严严格的要要求。因因此，现现代设计计技术必必须是多多学科的的融合交交叉，多多种设计计理论、设设计方法法、设计计手段的的综合运运用，以以系统的的、集成成的设计计概念设设计出符符合时代代特征和和科技发发展趋势势的产品品及整体体综合效效益最佳佳的产品品。 6.33设计手手段的精精确化、计计算机化化、自动动化与虚虚拟化(1)精精确化 在传传统设计计中，面面对载荷荷、应力力、环境境等因素素的复杂杂化，通通常以某某种条件件性的假假设建立

34、立所谓稳稳定的、理理想的载载荷(集集中的或或匀布的的)和应应力(名名义的、平平均的)模型，它它与实际际情况有有差异的的许多因因素，则则以安全全系数和和一系列列的载荷荷系数、应应力系数数及其它它影响系系数等加加以考虑虑，这往往往使计计算的结结果误差差较大。现现代设计计技术可可以采用用概率设设计(可可靠性设设计)描描述载荷荷应力、环环境条件件等随机机因素的的分布规规律，1133，通通过有限限元法、动动态分析析、疲劳劳设计、防防断裂设设计、健健壮设计计、耐环环境设计计等分析析工具和和建模手手段，准准确模拟拟系统的的真实情情况，从从而得到到比较符符合实际际工况的的真实解解，提高高了设计计的精确确化程度

35、度。(2)计计算机化化 计计算机化化的标志志是计算算机在工工程设计计中得到到广泛的的应用，并并逐渐替替代传统统的手工工设计。硬硬件功能能日益增增强，计计算机在在设计中中的应用用已从计计算机辅辅助分析析计算和和辅助绘绘图，发发展到优优化设计计、并行行设计、三三维特征征建模、设设计过程程管理、面面向制造造与面向向装配的的设计制制造一体体化，形形成了CCAD、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)自自

36、动化 设计计自动化化的含义义、内容容与范围围目前尚尚无确切切定论，但但它一直直是设计计领域追追求的目目标。（4）虚虚拟化 设计计手段虚虚拟化(或拟实实化)，是是以虚拟拟现实的的系统软软件在计计算机上上实现仿仿真、实实现虚拟拟现实的的三维建建模，包包括几何何建模、运运动建模模、物理理建模、对对象特性性建模及及模型切切分等，使使设计者者能在虚虚拟的设设计环境境下看到到设计内内容，如如设计对对象的形形状、外外表、物物体的移移动、旋旋转和各各部分是是否干涉涉与碰撞撞，以及及对象的的质量、重重量、惯惯性、表表面特性性(光滑滑与粗糙糙)、硬硬度、结结构形式式等改变变模式，从从而实现现设计可可视化，快快速显

37、示示设计内内容，灵灵活而方方便地修修改设计计，同时时由于虚虚拟制造造技术，以以及快速速原形技技术的出出现，使使设计者者在零件件被制造造之前就就看到了了它加工工后的形形状并感感觉到它它。这些些虚拟技技术与手手段的运运用，大大大提高高了设计计效果与与质量。6.4并并行化、最最优化和和智能化化的设计计过程 现代设设计技术术中的并并行设计计、优化化设计及及智能化化设计(如智能能CADD，专家家系统(ES)等)均均是现代代设计技技术中的的重要设设计技术术，是设设计开发发新产品品过程不不可缺少少的方法法和技术术手段。(1)并并行设计计过程并并行设计计(Cooncuurreent Dessignn)有时时又

38、称为为并行工工程(CConccurrrentt Ennginneerringg)。这这是一种种综合工工程设计计、制造造、管理理、经营营的思想想、方法法和工作作模式。并并行工程程技术可可以在一一个工厂厂、一个个企业(包括跨跨地区、跨跨行业的的大型企企业及跨跨国公司司)以通通信管理理方式在在计算机机软、硬硬件环境境下实现现。其核核心是产产品的设设计阶段段就考虑虑到产品品生命周周期(从从概念形形成到产产品报废废)中的的所有因因素(包包括设计计、分析析、制造造、装配配、检验验、维护护、质量量、成本本、进度度与用户户需求等等)，强强调多学学科小组组、各有有关部门门协同工工作，强强调对产产品设计计及其相相

39、关过程程(制造造过程和和支持过过程)进进行并行行地、集集成地、一一体化地地进行设设计，使使产品开开发一次次成功，缩缩短产品品开发周周期，提提高产品品质量。这这是一项项包括人人机集成成和系统统功能集集成的多多目标多多层次、整整体优化化的集成成，需要要用到很很多现代代技术与与方法，如如建模与与仿真技技术、优优化方法法与技术术、系统统与集成成技术、信信息管理理技术、专专家系统统与模糊糊技术、CCAPPP技术、全全面质量量管理与与控制技技术、决决策支持持及评价价系统、价价值工程程及其预预测技术术、分布布式并行行处理的的智能协协同求解解技术等等。其关关键技术术是建模模与仿真真技术、信信息系统统及其管管理

40、技术术、决策策支持及及评价系系统等。美美国于880年代代末首先先在福特特、通用用和克莱莱斯勒三三大汽车车公司组组织实施施并行工工程技术术，取得得了显著著的经济济效益。我我国近年年来在一一些大型型企业中中也开始始部分实实施并行行工程技技术，这这项技术术是提高高我国企企业水平平，参与与全球化化竞争的的一个重重要发展展方向。(2)全全过程的的优化设设计现代代设计技技术中的的一般性性优化设设计方法法及其应应用已日日趋成熟熟，普通通的连续续变量优优化设计计、混合合离散变变量优化化设计，已已发展到到随机变变量优化化设计(可靠性性优化设设计)、模模糊变量量优化设设计，单单目标优优化设计计已发展展到多目目标优

41、化化设计。仅仅将优化化设计的的范围局局限于优优化方法法及其应应用程序序的编制制上已不不能适应应工程技技术发展展的需要要。广义的工工程优化化设计：应是优优化设计计的重要要发展方方向，其其内容主主要包括括工程优优化设计计问题的的自动建建模技术术、优化化设计问问题的前前处理与与后处理理、优化化设计结结果的评评价等。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，必然涉及到人工智能、信息技术、控制技术等多种方法、多种技术、多个软件系统的综合运用。(3)人人机结合合的智能能化设计计过程 产品品设计是是一个创创造性的的思维、推推理和决决策的过过程，CCAD技技术在产产品设

42、计计中的成成功应用用，引起起设计领领域产生生了深刻刻的变革革，由人人完成的的设计过过程，已已转变为为由人机机密切结结合共同同完成设设计过程程的智力力与智能能活动。如如人工智智能原理理和专家家系统(包括普普通专家家系统与与模糊专专家系统统)技术术应用于于CADD产生了了智能CCAD(ICAAD)系系统，实实现了对对设计过过程基于于符号性性知识模模型和符符号处理理的推理理工作，用用于完成成概念设设计的有有关内容容。可以以说智能能CADD系统是是模拟人人脑对知知识处理理，并拓拓展了人人在设计计过程中中的智能能活动。6.5 面向产产品寿命命周期全全过程的的可信性性设计 随着科科学技术术的发展展和日益益

43、增长的的社会需需求，产产品的类类型、规规格及性性能迅速速地发生生变化，产产品的寿寿命周期期越来越越短。人人们对产产品质量量要求的的含义也也在不断断变化，不不仅要满满足功能能要求，对对可信性性、安全全性、可可靠性、合合理的寿寿命、方方便使用用和维护护保养条条件与方方式也提提出了更更高的要要求，并并要符合合有关标标准、法法律和生生态环境境要求及及满足用用户非物物质功能能的要求求等等。为为贯彻这这些标准准和要求求，需要要设计、制制造、管管理、维维护、使使用等一一系列环环节有严严格的技技术措施施加以保保证，其其中最重重要的是是设计、制制造水平平，因为为产品的的质量是是设计和和制造出出来的，而而不是检检

44、验出来来的。因因此，现现代设计计技术的的重要内内容之一一就是面面向产品品寿命周周期全过过程进行行可信性性设计，以以满足市市场与用用户对产产品质量量的要求求。针对对不同产产品和各各个设计计阶段拟拟采用其其中某些些适宜的的、有效效的可信信性设计计技术与与方法，以以解决设设计中各各个具体体的和总总体的要要求，把把产品的的设计从从经验的的、类比比的、静静态的传传统设计计提高到到全方位位的获取取信息，并并结合运运用其他他现代设设计理论论、方法法和手段段、进行行动态的的、多变变量的全全过程的的可信性性优化设设计。6.6多多种设计计试验技技术的综综合运用用 为了有有效地验验证设计计目标是是否达到到和检验验设

45、计过过程、制制造过程程的技术术措施，全全面把握握产品的的质量信信息，做做到万元元一失，在在设计全全过程中中对产品品进行必必要的、针针对性的的试验是是不可忽忽视和超超越的。在在产品的的设计过过程中，人人们根据据不同产产品的特特点和需需要，通通过物理理模型试试验、动动态试验验、可靠靠性试验验、产品品环保性性能试验验与控制制等，获获取相应应的产品品参数和和数据，为为评定设设计方案案的优劣劣和几种种方案的的比较提提供一定定的依据据，也为为开发新新产品提提供有益益的基础础数据。由于计算算机、信信息科学学的发展展与渗透透，在先先进制造造技术的的推动下下，现代代设计试试验技术术的概念念与范围围已发生生了变化

46、化与延伸伸。人们们不仅需需要针对对具体的的模型进进行物理理性试验验，还可可以借助助强大功功能的计计算机软软、硬件件条件，在在建立一一系列数数学模型型的基础础上对产产品进行行数字仿仿真试验验和更高高级的虚虚拟现实实的试验验，实现现在计算算机或机机算机网网络系统统上模拟拟产品的的运行情情况、预预测产品品的性能能；亦可可运用快快速成形形技术，直直接将CCAD数数据在计计算机控控制下，将将材料快快速成形形为三维维实体模模型，该该模型可可直接用用于设计计外观评评审或装装配试验验，或将将模型转转化为工工程材料料制成的的功能零零件进行行性能测测试，以以便确定定和改进进设计。综上论述述也可以以说，现现代设计计

47、技术是是以传统统设计理理论与方方法为基基础，以以计算机机广泛应应用为标标志，具具有信息息时代特特征的一一种设计计技术。工工业发达达国家和和先进企企业成功功的大量量事例表表明，现现代设计计技术的的推广应应用所取取得的技技术、经经济和社社会效益益，集中中体现在在大大提提高产品品的质量量，缩短短设计周周期，降降低成本本，并且且有效地地节约资资源，保保护生态态，创造造人类持持续发展展的和谐谐环境。7现代设设计的发发展趋势势展望 展望现代代设计技技术的发发展趋势势，大致致有以下下几方面面：1)设计计过程的的数字化化不仅要完完善工程程对象中中确定性性变量的的数学描描述和数数学建模模，而且且更要研研究非确确定性变变量，包包括随机机变量、随随机过程程、模糊糊变量(人的智智能、经经验、创创造力、语语言及政政治、经经济、人人文等社社会科学学因素)等的数数学描述述和数学学建模。2)设计计过程的的自动化化和智能能化研究究健全、研研究、发发展各种种类型的的数据库库、方法法库和知知识库，及及自动编编程、自自学习、自自适应等等高级商商品化软软件的研研制，如如研究设设计知识识、数据据信息的的获取与与处