现代设计方法

现代设计方法篇1

　　关键词： 现代机械设计 系统化 结构模块化 产品特征 智能化

　　随着近年来人类科学技术水平的加速发展，特别是计算机软硬件性能的持续提高，以及计算机技术对各行各业全面深入的渗透，各技术领域的思维、观念和方法不断得以更新。机械设计作为一个具有几百年历史的技术领域，也在世界科技进步的大潮中获得了新生。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效。

　　根据目前国内外设计学者进行机械产品方案设计所用方法的主要特征，我们可以将方案的现代设计方法概括为下述四大类型。

　　一、系统化设计方法

　　系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性。所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。

　　系统化设计思想于上世纪70年代由德国学者Pahl和Beitz教授提出，他们以系统理论为基础，制定了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。德国工程师协会在这一设计思想的基础上，制定出标准VDI2221技术系统和产品的开发设计方法。

　　由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同，进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。具有代表性的系统化设计方法有设计元素法、图形建模法、“构思”―“设计”法、矩阵设计法、键合图法，等等。

　　二、结构模块化设计方法

　　从规划产品的角度提出：定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品解（如通用零件部件等）描述设计任务，即分解任务时就考虑每个分任务是否存在对应的产品解。这样，能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。Feldmann将描述设计任务的功能化产品结构分为四层：（1）产品（2）功能组成（3）主要功能组件（4）功能元件。并采用面向应用的结构化特征目录，对功能元件进行更为具体的定性和定量描述。同时研制出适合于产品开发早期和设计初期使用的工具软件STRAT。

　　这种方法认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具有新型解的专用功能只是少数。因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、制造风险十分有利。

　　这种方法提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。理想的模块化基本结构应该具有标准化的接口（连接和配合部），并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和CAD技术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将加工中心机床由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知识和CAD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块，再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。

　　这种方法以设计为目录作为选择变异机械结构的工具，提出将设计的解元素进行完整的、结构化的编排，形成解集设计目录。并在解集设计目录中列出评论每一个解的附加信息，非常有利于设计工程师选择解元素。

　　根据机械零部件的连接特征，将其归纳成四种类型：

　　1）元件间直接定位，并具有自调整性的部件；

　　2）结构上具有共性的组合件；

　　3）具有嵌套式结构及嵌套式元件的连接；

　　4）具有模块化结构和模块化元件的连接，并采用准符号表示典型元件和元件间的连接规则，由此实现元件间联接的算法化和概念的可视化。

　　在进行机械系统的方案设计时，用“功能建立”模块对功能进行分解，并规定功能分解的最佳“粒化”程度是功能与机构型式的一一对应。“结构建立”模块则作为功能解的选择对象，以便于实现映射算法。

　　三、基于产品特征知识的设计方法

　　基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。

　　机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策，完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。

　　四、智能化设计方法

　　智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。在利用数学系统理论的同时，我们考虑了系统工程理论、产品设计技术和系统开发方法学VDI2221，研制出适合于产品设计初期使用的多媒体开发系统软件MUSE。上述各种方法并不是完全孤立的，各类方法之间都存在一定程度上的联系。

　　机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进，由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚，目前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计工具软件。我认为，综合运用文中四种类型设计方法是达到这一目标的有效途径。虽然这些方法的综合运用涉及的领域较多，不仅与机械设计的领域知识有关，而且涉及系统工程理论、人工智能理论、计算机软硬件工程、网络技术等各方面的领域知识，但仍然是产品方案设计必须努力的方向。

　　［1］邹慧君，蓝兆辉，王石刚，郭为忠机构学研究现状、发展趋势和应用前景。

　　［2］基于WEB的计算机辅助机械创新设计系统研究。。计算机类。计算机应用。

　　［3］机械产品方案的现代设计方法及发展趋势。中国。其它。创新论文。

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现代设计方法篇2

　　Abstract： This paper selects the computer-aided design and finite element design method to design a beautiful and practical seat， conducts exterior design for the art form chair by UG three-dimensional drawing software， and checks the strength of the chair base by finite element analysis software to ensure the seat beautiful， practical， and useful。

　　关键词： 现代设计；计算机造型；有限元法

　　Key words： modern design；computer modeling；finite element method

　　中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）18-0043-01

　　0引言

　　在物质发达的今天，对工业生产和生活中的产品要求越来越高，而用传统的设计方法很难达到，会用到各种现代设计方法，比较常见的有计算机辅助设计、优化设计、有限元分析、可靠性设计等。

　　1计算机辅助造型设计

　　1.1 造型设计概述造型设计（modeling design）是工程技术与美学艺术相结合的一种新的设计方法，它要求在保证产品的实用性前提下，对产品外观进行艺术化的创新设计，使得产品美观。造型设计不同于一般的艺术设计，它必须与工程实际相结合，注重产品的实用性。本文采用的时计算机辅助下的造型设计方法，通过UG三维绘图软件对产品进行建模，完成外观曲面的设计，并通过图像渲染技术，产生产品的虚拟图像，保证最终产品的具有比较好的外观。

　　1.2 本产品的造型设计过程

　　1.2.1 建立椅背模型首先建立椅背侧面的曲线，在靠背处设计一定弧度与仰角，在座椅处设计为有一定弧度，椅子横截面也设计为具有一定向下的弧度，符合人体工程学要求，保证人坐在椅子上的舒适性。然后通过UG相关工具建立沿曲线的薄板，生成椅背大致模型。

　　1.2.2 对椅背造型进行修饰、建立椅子底座模型以及整体转配后进行渲染上面生成的模型比较粗糙，棱角突出，进行圆角操作，使产品具有流线型外观。椅子底座采用钢管弯曲后制成，首先建立基准曲线，再通过圆截面扫略生成，造型上与椅背的流线型外观进行配合，保证了产品的整体风格；将椅背与底座装配好后，采用UG的渲染功能对模型进行上色与光照处理，使人可以直观看到产品成型后的效果图，可以方便的对产品外形进行评判。

　　2有限元法设计

　　2.1 有限元法设计概述有限元法也叫有限单元法（finite element method，FEM），是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种弹性力学问题的数值求解方法。通过将要求解的单元离散化，每个微小单元的受力就比较简单，对每个微小的单元进行力学、力场或热力学情况分析后再汇总成整个系统的受力情况，可以得到与现实情况下有很高吻合度的结果，在现代计算机的帮助下可以实现精度很高的计算，适用于形状或受作用力、温度变化情况复杂的系统进行分析，可以使设计者在产品设计过程中就验证产品的结构合理性。本文设计的椅背由钢板弯折后附上海绵与皮革而成，使用时所受力不大，可以不进行受力情况分析。椅子底座由钢管弯曲而成，形状、受力情况复杂，用传统方式计算比较困难，采用有限元方法对其进行分析速度较快，且精度高，能通过应力图显示及时发现其应力集中部位，方便验证强度。

　　2.2 本产品的有限元法设计过程利用ANSYS有限元软件建立底座线框模型，定义材料，设定钢管直径和一些参数，在底座与座椅接触点上施加一定的载荷，可以通过软件计算处底座各部分的应力的值。

　　2.2.1 查看底座变形程度ANSYS可以计算出向下的最大变形值。由变形的速度矢量图看到底座各部分的变形程度与方向，与椅背后端接触的部分变形量最大，两斜向支撑管也产生微量的弯曲，但弯曲量很小，不影响使用。

　　2.2.2 查看正应力强度

　　由ANSYS计算可以得到底座各部分轴向正应力的分布情况，与椅背接触的部分虽然不直接承受轴向压力，但由于弯曲的原因会产生较小的轴向正应力。两边的支撑管由于直接支撑椅背的荷载，轴向正应力相对比较大，但一般小于目前大多数结构刚屈服强度值的一半以上，轴向满足正应力强度要求。

　　2.2.3 查看第一主应力分布云图由于底座各部分手里并不单单只是受轴向压力、扭转力与剪切力的某一种，所以再进一步建立底座的体模型，通过ANSYS求解后得到底座第一主应力分布云图。最大主应力值反映了结构某一点处受的最大应力的值。最大与最小主应力都集中在底座下端与支撑管连接的圆角处，此处圆弧外侧为受拉状态，内侧为受挤压状态。

　　3结束语

　　本文通过实际例子，对现代设计方法中的计算机辅助造型和有限元法的优点进行了诠释，这两种方法快捷有效，设计人员劳动强度低，设计出的产品也具有较高的质量，为工程设计人员的工作提供了很大的帮助。

　　[1]王凤歧。现代设计方法，天津大学出版社，2004.

　　[2]武丽。机械产品的现代设计方法及其创新，科技创新导报，2008.

　　[3]刘恒，虞烈，谢友柏。现代设计方法与新产品开发，中国机械工程，1999，19（1）。

现代设计方法篇3

　　【关键词】 机械产品 现代设计 计算机

　　1 现代设计理念概述

　　所谓设计就是根据一定的设计目的和产品应用要求，借助一定媒体将软性思维转化为相关产品信息、产品模型的过程。因此，机械产品的设计必须具有目的性、结构性和严谨性，而现代设计是基于提高设计速度和设计水平为出发点，将智能化和自动化充分运用于产品设计与研发当中的一种设计方法。因此，机械产品现代设计理念的特点就是智能化和自动化。在上世纪80年代以前，我国在设计领域中的一些设计技术、设计方法、设计理念相比国际上相对落后，对于一些先进科学技术的应用知之甚少，而为了强调设计技术的变革，通常把我国过去常用的设计称为传统设计，而把国际上兴起的新兴设计技术称为现代设计。经济的快速发展必然要求生产效率的提高，而生产效率的提高必须要将新兴科学技术充分运用于生产领域中，因此机械产品功能的多样性、机械产品结构的复杂性、机械产品使用寿命的长期性必然会给机械设计提出时代课题。随着科学技术的高速发展，在产品设计绘图、加工制造等方面的研究已经取得了一定的成果，但计算机在产品初期设计中的应用却少之又少，因此计算机在设计中的应用是机械产品现代设计方法的必然选择。

　　2 机械产品现代设计方法类型

　　2.1 系统化设计方法

　　所谓系统就是整体与部分之间相互联系、密不可分的一种构成方式。同时，每个组成部分又具有独立性，每个组成部分发挥的作用也不尽相同，这些不同的作用对于整体而言又是必不可少的，正是由于不同元素之间的相互作用，才维持了整体作用的持续发挥。系统化设计方法正是对系统原理的充分体现，系统化设计方法理论源于德国学者Pahl和Beitz教授，我国多学着在设计实践中充分借鉴西方国家设计理念，同时根据我国实际情况对系统化设计理论不断进行深化，一是从产品开发过程的宏观性为出发点，根据用户需求，利用质量功能布置法，以产品开发阶段技术要求为目标，系统地将客户需求转化为实际产品功能。二是借助生命系统理论将产品视作为层次分明的生命系统，在产品设计过程中进行层次上的划分，以达到产品功能结构的系统性。设计就本质来说是产品要求和设计者自身思想的有效结合，因此不同设计者对待同一产品会有不同的角度和思路，总的来说，具有代表性的系统化设计方法主要包括设计元素法、图形建模法、“构思”―“设计”法、矩阵设计法、键合图法等等。

　　2.2 结构模块化设计方法

　　结构模块化设计方法是从规划产品的角度出发而提出的，而这种方法的设计任务又是以产品结构为基础，利用产品通用零部件来确定设计任务，同时在分解设计任务时就要充分考虑好不同零部件之间存在的作用冲突，解决好矛盾，同时还要及早预测生产能力和费用，由此来提高设计效率，从而降低产品研发成本。设计任务的功能化产品结构共分为四层：产品―功能组成―主要功能组件―功能元件。为了更好地评价专用机械设计和更有效地规避制造风险，在专用机械设计中采用功能化的产品结构将充分发挥优势作用。

　　2.3 基于产品特征知识的设计方法

　　利用计算机的语言识别功能来描述产品特征及相关专家的知识经验是基于产品特征知识设计方法的主要特点，这种方法实际上是利用知识库和推理机及已储存领域知识来实现计算机辅助产品的方案设计。产品特征是机械系统方案设计的主要依据，而设计领域相关专家的知识和经验又是对机械系统特征的规律性把握，基于产品特征知识的设计就是利用这两个方面来进行推量和决策，从而来完成机构的型、数综合。而知识的自动获取、表达、集成、协调管理和使用，又是实现这一阶段计算机辅助设计的必然前提。综观国内外设计学者针对机械系统方案设计知识的自动化获取的研究，采用的方法主要包括：编码法、知识的混合型表达法、利用基于知识的开发工具、设计目录法、基于实例的方法这五种。

　　2.4 智能化设计方法

　　根据设计方法学理论，借助三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体工具来进行产品开发设计是智能化设计方法的主要特点。数学系统理论和系统工程理论是智能化设计方法的理论支柱，在利用这两个理论时，充分利用产品设计技术和系统开发方法学研制出与产品设计初期相适应的多媒体开发系统软件是智能化设计方法的基本原理。

　　3 结语

　　机械产品的系统化设计方法、结构模块化设计方法、基于产品特征知识的设计方法、智能化设计方法是机械现代化设计的主要内容，而这四者之间又有着密切的联系。在信息化的时代背景下，科学技术飞速发展带来了机械产品功能与结构的深刻变革，但机械产品功能与结构的变革与机械设计的发展却并不同步，机械产品方案的设计手段显得力不从心，跟不上时展的需要。由于这四者之间密切的联系，要想有效的实现机械化设计的现代化，还必须对这四种方法进行综合运用。而计算机辅助功能在机械设计领域的运用也必然会带来新技术、新方法、原理的大量涌现。因此，在机械现代化设计中必须将计算机功能充分运用其中，因为计算机的运用本身就是信息化、智能化的一个重要标志，计算机在机械设计中的应用也必然会在很大程度上提高设计水水平、加快设计速度。所以机械现代化设计是机械设计的必然发展趋势。机械产品作为生产领域的重要生产工具，它的变革往往会带来整个生产领域的变革，从而带动经济的发展，而机械设计已经从传统走向了现代，这是思想变革和技术变革的有效结合，为了实现我国机械设计的现代化，必须完善创新机制，加大科研投资力度，培养机械设计人才队伍，只有通过技术创新才能够保证我国机械设计能够步入世界先进行列。

　　参考文献：

现代设计方法篇4

　　引言

　　随着科学技术的迅猛发展以及计算机技术的广泛应用，设计领域正在进行一场深刻的变革，各种现代设计理论与方法不断涌现，设计方法更为科学、系统、完善和先进。传统设计方法已发展成为一门新兴的综合性、交叉性学科——现代设计理论与方法。现代设计理论与方法的广泛应用，必将为我国的工业生产带来巨大的经济效益，对提高我国工业产品的设计质量，缩短设计周期，推动设计工作的现代化、科学化方面将发挥巨大作用。

　　《现代设计理论与方法》涉及到的内容较多，设计方法种类繁多，而且课时有限，传统的讲解授课模式，教学效果必然是课堂气氛沉闷，学生感觉枯燥、单调，为此应根据《现代设计理论与方法》课程的特点，积极探讨教学方法，分析学生的知识结构，以应用为主导，适可兼并理论，综合应用多种教学手段，多侧面、多角度的向学生展示知识信息。

　　1.教学模式的探讨

　　1.1传统设计与现代设计的比较

　　传统设计常用的设计方法有理论设计、经验设计和模型试验设计，设计过程是利用经验公式通过大量的手工或计算机计算，对所设计的产品的尺寸参数、性能等计算求解，制作模型样机，对实物样机进行试验分析、研究，有些试验是破坏性的，当通过试验发现缺陷时，又要回头修改设计制作样机，并再用样机试验，只有通过周而复始的设计——试验——设计过程，产品才能达到设计要求。

　　现代设计设计方法很多：优化设计、虚拟设计、有限元分析，并行设计，设计过程是利用现代设计手段，辅助计算机应用技术，在各种虚拟环境中真实地模拟产品的各种特性、工作环境，快速分析各种设计方案，进行对实物样机而言难以进行或根本无法进行的试验，直到获得最优的设计。

　　通过现代设计与传统设计的比较教学，使学生认识到现代设计的优点和传统设计的弊端，充分认识现代设计的设计过程、特点，以便更好的理解现代设计，利用现代设计方法进行产品设计开发，增加学习的积极性。

　　1.2理论教学与应用教学的统一

　　现代设计理论与方法设计理论复杂，牵扯的内容深，范围广，本科生很难理解和接受，所以教学中多利用现有的、成熟的设计实例，介绍其在产品设计中的使用过程、分析方法，同时兼顾设计理论的要点，使学生即会利用设计方法的设计过程、特点，同时明白设计方法的理论及应用，这样对于设计比较复杂的产品、较深的设计理论，枯燥的设计方法学习使学生能够用得得心应手，游刃自由。

　　1.3多媒体观摩教学

　　要提高教学质量，还必须进行教学手段的革新。多媒体技术是利用多媒体计算机综合处理和控制文字、图形、声音、图形、图像、动画和活动视频多种形式的媒体信息，是计算机辅助教学的最佳手段，可以按照教学需要、在诸多媒体元素之间建立起一定的逻辑关系，从而把它们有机的结合并呈现出来，同时完成一系列的人机交互式操作，并在这种交互过程中完成教学目标。

　　1.4网络教学

　　建立网上教学平台，以浏览器为用户界面，将课程教学文件、教学研究、学术动态及相关信息上网，用于指导学生学习，建立教学论坛，充分利用网络功能，调动学生的学习积极性，主动性，使师生共同学习，共同进步。

　　2.实践教学模式的探讨

　　2.1开设现代设计理论与方法设计综合设计实验周

　　由于学生课堂学习有限，很难做到现代设计理论与应用的综合试验训练，通过开设综合实验周，使学生集中一定时间，利用产品现代设计与开发过程，综合练习、理解掌握现代设计理论与方法的理念、应用和技巧，达到理论与实践的学习，充分掌握现代设计方法。

　　2.2现代设计方法与理论课外大赛

　　采用命题与自主命题的方式，在规定的时间内，要求学生利用现代设计方法完成某个小产品的设计开发、并进行有关的性能分析。通过举办现代设计课外作品大赛，一是可以普及推广现代设计的应用，还可以增加学生利用现代设计理论与方法能力的锻炼、增强学生的学习积极性，更好地融汇理解学习自己的专业知识。

　　3.考试模式的探讨

　　现代设计理论与方法的特点，是培养学生利用现代设计的能力，所以考试命题应注重应用能力的培养，考试可采用多种形式，如笔试测验与产品设计应用大作业综合训练的方式进行。

　　3.1教师命题上机操作

　　上课教师根据教学的重点，选择适合的命题，要求学生利用一种现代设计方法，在规定时间内，在计算机上完成产品的现代设计与分析试验研究；同时为了兼顾更好地、更多地掌握现代设计理论与方法，可以笔试测验一部分现代设计方法，以更广泛的掌握理解现代设计理论与方法，即采用实际操作与笔试联合考核的方式进行。

　　3.2设计论文

　　这种测试方法是把设计的内容、要求发给学生，要求学生在一段时间内完成设计，并提交设计分析论文，这种测试方法灵活性强，题目可大可小，也可以因人的能力不同，适合布置设计题目，同时设计题目可以是实际工程上的真题真做，也可以真题假做，学生可以充分发挥能动性，知识性、实用性和趣味性、创造性，在虚拟环境下设计出符合要求的产品，并议论文的形式写下来，这样既可以考核学生掌握现代设计理论与方法的掌握，又能锻炼学生的创新能力。

　　4.结论

　　实践证明，通过教、学、考等环节的模式教学行之有效，可明显改善传统教学模式的种种弊端，增加教学的可视性、知识性、实用性和趣味性，使教学过程生动、鲜活、附有节奏感和时代气息，激发学生学习兴趣和创造性、参与性，提高学生分析实际问题的能力，为学生将所学理论和技能应用于生产和科研工作中打下坚实的基础。

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