現代設計方法概述

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現代設計方法概述簡介
現代設計是以產品為總目標的一系列種類繁多的現代設計法和技術的綜合運用。生產技術的需要和先進設計手段的出現,必須促進設計領域的改革和發展,對於機械設計來說幾乎是更新換代,傳統的常規設計方法受……
現代設計方法概述正文

現代設計是以產品為總目標的一系列種類繁多的現代設計法和技術的綜合運用。生產技術的需要和先進設計手段的出現,必須促進設計領域的改革和發展,對於機械設計來說幾乎是更新換代,傳統的常規設計方法受到很大衝擊,用科學的設計方法代替經驗的、類比的設計方法已勢在必行。縮短設計周期、提高設計質量、發展設計理論、改進設計技術及方法已成為當前機械設計的必然趨勢。

由於計算機具有運算速度快、數據處理準確、存儲量大和具有邏輯判斷功能等特點,因此,它已經成為現代工程設計中分析、計算、綜合、決策、數據處理、圖形處理和與各種現代設計法結構的不可替代的重要工具。這種人機互動式的設計方法,就是計算機輔助設計CAD(Computer Aided Design)。
現代設計方法有:并行設計、虛擬設計、綠色設計、可靠性設計、智能優化設計、計算機輔助設計、動態設計、模塊化設計、計算機模擬設計、人機學設計、摩擦學設計、反求設計、疲勞設計
 
一、并行設計
并行設計是一種對產品及其相關過程(包括設計製造過程和相關的支持過程)進行并行和集成設計的系統化工作模式。強調產品開發人員一開始就考慮產品從概念設計到消亡的整個生命周期里的所有相關因素的影響,把一切可能產生的錯誤、矛盾和衝突儘可能及早地發現和解決,以縮短產品開發周期、降低產品成本、提高產品質量。并行設計作為現代設計理論及方法的範疇,目前已形成的并行設計方法基本上可以分為兩大類:
(l)基於人員協同和集成的并行化。就是把組成與產品方面有關的,針對給定設計任務的專門的、綜合性的設計團體(企業)協同起來。
豐田的 產品開發過程有四個主要內容:
●一個產生主要設計的概念論文的規劃階段
●同步設計的系統設計階段
●一個具有設計標準的詳細設計階段
●一個精益生產的樣機模具階段。
●廣泛地協調,不僅僅在設計而且還有生產以及銷售
●協調從概念到市場完整的項目
●概念創造以及概念支持者
●規格、成本目標、設計以及主要部件選擇,確信產品概念精確地被轉換為車型的技術細節
●直接地、經常地與設計師以及工程師交流
●建立與顧客直接接觸(產品經理辦公室實施它自己的市場調查,除了通過市場營銷進行的定期市場調查)。
(2)基於信息、知識協同和集成的并行化。該方法基於計算機網路來實現,各零部件的設計人員通過計算機網路對機電產品進行設計,並進行可製造性、經濟性、可靠性、可裝配性等內容的分析及時的反饋信息,並按要求修改各零部件的設計模型,直至整個機電產品完成為止。可以採用面向製造(DFM)和面向裝配(DFA)的設計方法,涉及CAX技術、產品信息集成(PDM)技術以及與人員協同集成有關的信息技術。
 
二、虛擬設計
在達到產品并行的目的以後,為了使產品一次設計成功,減少反覆,往往會採用模擬技術,而對機電產品模型的建立和模擬又屬於是虛擬設計的範疇。所謂的虛擬製造(也叫擬實製造)指的是利用模擬技術、信息技術、計算機技術和現實製造活動中的人、物、信息及製造過程進行全面的模擬,發現製造過程中可能出現的問題,在真實製造以前,解決這些問題,以縮減產品上市的時間,降低產品開發、製造成本,並提高產品的市場競爭力。
虛擬設計能實現在產品加工製造之前,建立產品的功能、結構模型,並能對其進行修改和評審,以滿足不同客戶的要求。它不僅繼承了傳統CAD設計的優點也具備了模擬技術可視化的特點,更能支持協同工作和并行設計,從而縮短了產品開發周期並通過各先進技術的利用和補充,使產品保持技術上的優勢。
 
三、綠色設計
綠色設計是指以環境資源保護為核心概念的設計過程,其基本思想就是在設計階段就將環境因素和預防污染的措施納人產品設計之中,將環境性能作為產品的設計目標和出發點,力求使產品對環境的影響為最小
產品的綠色設計主要包括以下內容:
(l)產品材料的選擇和管理。產品的材料不僅要滿足傳統設計的使用和性能要求,也包括對環境約束準則的考慮。
(2)產品可拆卸性和可回收性設計。可拆卸性設計是將廢棄淘汰產品的連接按照需要和回收目標拆開而將零部件相互分離,及用利於產品拆卸的連接方式代替傳統的連接方式;可回收性設計則是將產品中的可重用零部件及材料按照其性質進行分類,以便實現零部件重用或材料循環的一種設計思想和方法。
(3)綠色產品成本分析和設計資料庫的建立。對產品的成本分析不僅包括了產品原始成本的分析,還包括產品環境成本的分析,以便設計出更綠色、成本更低的產品。而產品綠色設計資料庫包括與產品壽命周期中環境、經濟等有關的基礎數據,以及各類評判標準。
(4)產品的綠色包裝設計。除了設計出能滿足客戶要求和喜愛的產品造型和樣式之外,還要充分考慮包裝對環境的影響因素。
 
   四、可靠性設計
機電產品的可靠性設計可定義為:產品在規定的條件下和規定的時間內,完成規定功能的能力。可靠性設計是以概率論為數學基礎,從統計學的角度去觀察偶然事件,並從偶然事件中找出其某些必然發生的規律,而這些規律一般反映了在隨機變數與隨機變數發生的可能性(概率)之間的關係。用來描述這種關係的模型很多,如正態分佈模型、指數分佈模和威爾分佈模型。可靠性常用的數值標準有:可靠度(Reliability)、失效率(FailureRate)平均壽命(MeanUfe)。機電系統的可靠性不僅與組成系統單元(機械單元、電氣單元或混合單元)的可靠性有關,還與組成該系統各單元間的組合方式和相互匹配有關。通常機電產品的可靠性設計包括以下幾個方面的內容:

 

(l)明確機電產品中機械部件和電氣部件的設計製造要求。
(2)系統可靠性建模。系統常用的可靠性建模方式有:串聯繫統建模、並聯繫統建模、混聯繫統建模、k/n系統建模和儲備系統建模。可通過這些數學模型並采適當的演算法來計算出機電系統的可靠性。
(3)可靠性可預測。預測單元(機械單元、電氣單元或混合單元)的可靠性,首先要確定單元的基本失效率,它們是在一定的環境條件下得出的,設計時可以從相關的手冊、資料中查得。然後根據公式入=k入b來確定各單元的應用失效率,k為修正係數,可由專門的資料中查得。對於不同的機電系統,其可靠性預測的方法也不同,常用的有元器件統計法、數學模型法和故障樹分析法等方法。
(4)可靠性的分配。根據機電產品各單元技術水平、複雜程度、重要程度以及相關費用等條件來決定,總的來說都是為了獲取系統最高的可靠性。現在常用的分配方法有等分發、再分發、Agree分配法和相對失效法和相對概率法。
 
五、智能優化設計
隨著與機電一體化相關技術不斷的發展,以及機電一體化技術的廣泛使用,我們面臨的將是越來越複雜的機電系統。解決複雜系統的出路在於使用智能優化的設計手段。智能優化設計突破了傳統的優化設計的局限,它更強調人工智慧在優化設計中的作用。智能優化設計應該以計算機為實現手段,與控制論、資訊理論、決策論相結合,使現代機電產品具有自學習、自組織、自適應的能力,其創造性在於藉助三維圖形,智能化軟體和多媒體工具等對產品進行開發設計。
而實現的手段有:
(l)模糊設計。模糊設計是以模糊數學為理論基礎,它首先通過對設計對象的各項性能指標建立滿足某些模糊集合的隸屬度函數,並按其重要性乘以不同的加權引子,然後按一定的演算法得到綜合模糊集合的隸屬函數,再通過優化策略,把模糊問題向非模糊化轉化,從而實現尋優的過程。現在機電產品中涉及到模糊理論的場合很多,如模糊冰箱、模糊洗衣機、模糊微波爐,它們正悄然地改變著人們的生活方式。
(2)神經網路優化設計。神經網路是一種模仿人類大腦結構、功能的信息處理智能系統,一般由多輸人單輸出非線性單元組成神經元,各神經元按一定的模式連接,並構成各種連接模型。它通過反覆的訓練和學習以及自身的適應能力來完成對複雜信息的處理,使輸出達到最優。神經網路的重要特徵就是具有很強的自適應、自組織、自學習的能力和強容錯性。為實現機電產品智能化的功能,還有一個途徑就是利用專家系統的框架。通過提取人類成熟的操作經驗和知識,以知識庫為核心,配以特徵知識處理,並採用不同的匹配法則和推理機制,構成完整的最優決策系統。
 
六、計算機輔助設計
機械計算機輔助設計(機械CAD)技術,是在一定的計算機輔助設計平台上,對所設計的機械零、部件,輸入要達到的技術參數,由計算機進行強度,剛度,穩定性校核,然後輸出標準的機械圖紙,簡化了大量人工計算及繪圖,效率比人工提高几十倍甚至更多。
計算機輔助設計的過程,首先進行功能設計,選擇合適的科學原理或構造原理,然後進行產品總圖的初步設計、產品選型和外型的初步設計;從總圖派生出零件,對零件的造型、尺寸、色彩等進行設計,對零件進行有限元分析,使其結構及尺寸與應力狀態相適應;對零件進行加工模擬,對其性能做出評價、分析和優化,最終完成零件的工作圖;在計算機上制定零件製造工藝,在相應的設備上製造出零件。
 
七、動態設計
動態設計法是在計算參數難以準確確定、設計理論和方法帶有經驗性和類比性時,根據施工
中反饋的信息和監控資料完善設計,是一種客觀求實、準確安全的設計方法。
傳統的機械設計主要是依據靜態條件下強度、剛度、穩定性及結構要求和材料選擇來進行設計的,動態設計則以系統論,控制論為依據,在一定的位移,速度,力和力矩的干擾下對影響整機性能非常重要的戰術指標(包括響應速度、跟蹤精度和動態穩定性等)進行設計。
對初步設計產品(或需要進行改進的產品)進行機械結構或系統動力學建模和動態特性分析,根據工程實際要求,給出所要求的動態特性設計目標,按結構動力學“逆問題”分析法求解結構參數,從而得到一個具有良好動靜態特性的產品,即不僅具有良好的工作工藝指標,而且機械設備本身還能夠安全、可靠地工作,並滿足相應的工作壽命要求。
機械動態設計的理論與方法主要包括以下四個方面:動力學建模、動態特性、計算實物試驗、模型試驗與試驗建模、機械結構動力修改
 
八、模塊化設計
結構模塊化設計主要是以功能化的產品結構為基礎,分解現有的產品,在分解中考慮到各個要素的可行性,從而在早期就預測到設計中可能會出現的矛盾,提高設計的可行性和可靠性,降低產品的成本。
模塊化設計在齒輪減速器中的應用
市場調查分析與參數範圍的確定
模塊化設計的一個重要前提是必須對產品的品種和規格以及市場對同類產品的需求量有充分的了解,只有這樣才能開展模塊的劃分、創建、組合$
 
九、計算模擬設計
根據工程機械不同的作業功能,在計算機上模擬各種作業過程,以分析和確定各種狀態下的作業參數,研究工程機械各系統主要部件的結構合理性,藉助數學實驗等方法預估工程機械的作業效果,從而可大大減少設計上的失誤,避免或減少走彎路。

 

空調系統計算機模擬設計實例李銳
計算機控制程序用Visual Basic 語言編寫, 其中用到重要的通信控制項。該控制項使各自控設備與計算機得以溝通, 實現了計算機對空調房間內溫度、濕度、CO2 濃度的監測及對電動調節風閥、電加濕器、新風口的自動控制。
 
十、人機學設計
應用人體測量學、人體力學、勞動生理學、勞動心理學等學科的研究方法,對人體結構特徵和機能特徵進行研究,提供人體各部分的尺寸、重量、體表面積、比重、重心以及人體各部分在活動時的相互關係和可及範圍等人體結構特徵參數;還提供人體各部分的出力範圍、以及動作時的習慣等人體機能特徵參數,分析人的視覺、聽覺、觸覺以及膚覺等感覺器官的機能特性;分析人在各種勞動時的生理變化、能量消耗、疲勞機理以及人對各種勞動負荷的適應能力;探討人在工作中影響心理狀態的因素以及心理因素對工作效率的影響等.
所謂人性化產品,就是包含人機工程的的產品,只要是“人”所使用的產品,都應在人機工程上加以考慮,產品的造型與人機工程無疑是結合在一起的。
 
十一、摩擦學設計
摩擦學是研究相對運動的作用表面間的摩擦、潤滑和磨損,以及三者間相互關係的理論與應用的一門邊緣摩擦學系統過程研究學科。以減小摩擦為目的的設計,即為摩擦學設計。

世界上使用的能源大約有1/3~1/2消耗於摩擦。如果能夠儘力減少無用的摩擦消耗,便可大量節省能源。另外,機械產品的易損零件大部分是由於磨損超過限度而報廢和更換的,如果能控制和減少磨損,則既減少設備維修次數和費用,又能節省製造零件及其所需材料的費用。

人類對摩擦現象早有認識,並能用來為自己服務,如史前人類 的鑽木取火。《詩經·邶風·泉水》中有“載脂載宣,還車言邁”的詩句,表明中國在春秋時期已應用動物脂肪來潤滑車軸。

摩擦學研究的對象很廣泛,在機械工程中主要包括動、靜摩擦,如滑動軸承、齒輪傳動、螺紋聯接、電氣觸頭和磁帶錄音頭等;零件表面受工作介質摩擦或碰撞、衝擊,如犁鏵和水輪機轉輪等;機械製造工藝的摩擦學問題,如金屬成形加工、切削加工和超精加工等;彈性體摩擦,如汽車輪胎與路面的摩擦、彈性密封的動力滲漏等;特殊工況條件下的摩擦學問題,如宇宙探索中遇到的高真空、低溫和離子輻射等,深海作業的高壓、腐蝕、潤滑劑稀釋和防漏密封等。
 
十三、疲勞設計
疲勞   材料、零件和構件在循環載入下,在某點或某些點產生局部的永久性損傷,並在一定循環次數后形成裂紋、或使裂紋進一步擴展直到完全斷裂的現象。


發展趨勢 飛機、船舶、汽車、動力機械、工程機械 、冶金、石油等機械以及鐵路橋樑等的主要零件和構件,大多在循環變化的載荷下工作,疲勞是其主要的失效形式。因此,疲勞理論和疲勞試驗對於設計各類承受循環載荷的機械和結構,成為重要的研究內容。疲勞有限壽命設計中進行壽命估算,必須了解材料的疲勞性能,以此作為理論計算的依據 。由於疲勞壽命的長短取決於所承受的循環載荷大小,為此還必須編製出供理論分析和全尺寸疲勞試驗用的載荷譜,再根據與各種疲勞相適應的損傷模型估算出疲勞壽命。疲勞理論的工程應用,經歷了從無限壽命設計到有限壽命設計,有限壽命設計尚處於完善階段。發展趨勢是:①宏觀與微觀結合,探討從位錯、滑移、微裂紋、短裂紋、長裂紋到斷裂的疲勞全過程 ,尋求壽命估算各階段統一的物理-力學模型 。②研究不同環境下的疲勞及其壽命估算方法。③概率統計方法在疲勞中的應用,如隨機載荷下的可靠性分析方法,以及耐久性設計等。
 
十四、反求設計
反求設計(也稱逆向設計),是指設計師對產品實物樣件表面進行數字化處理(數據採集、數據處理),並利用可實現逆向三維造型設計的軟體來重新構造實物的CAD模型(曲面模型重構),並進一步用CAD/CAE/CAM系統實現分析、再設計、數控編程、數控加工的過程。

逆向設計的流程示意:產品樣件 → 數據採集 → 數據處理CAD/CAE/CAM系統 → 模型重構 → 製造系統 → 新產品。
概念車車身造型設計方法的研究,2004年國際工業設計研討會暨第9屆全國工業設計學術年會
本文運用反求工程的基本原理,通過電動概念車車身的研發,從汽車概念設計的角度,提出了一種新的造型設計方法,它以反求工程為基礎,將正向設計和反向設計相互結合起來,利用計算機輔助進行車身造型設計.該方法通過建立車身特徵曲線框架來進行概念車車身模型的構建,代替了傳統反求工程製作實物模型的步驟,有效地提高了設計效率、降低了研製成本和縮短了研發周期.最後,以完成的電動概念車樣車實例證明了該方法的正確性和有效性.
 
十四、無障礙設計
這個概念名稱始見於1974年,是聯合國組織提出的設計新主張。無障礙設計強調在科學技術高度發展的現代社會,一切有關人類衣食住行的公共空間環境以及各類建築設施、設備的規劃設計,都必須充分考慮具有不同程度生理傷殘缺陷者和正常活動能力衰退者(如殘疾人、老年人)群眾的使用需求,配備能夠應答、滿足這些需求的服務功能與裝置,營造一個充滿愛與關懷、切實保障人類安全、方便、舒適的現代生活環境。

 

無障礙設計首先在都市建築、交通、公共環境設施設備以及指示系統中得以體現,例如步行道上為盲人鋪設的走道、觸覺指示地圖,為乘坐輪椅者專設的衛生間、公用電話、兼有視聽雙重操作嚮導的銀行自助存取款機等,進而擴展到工作、生活、娛樂中使用的各種器具。
 
十五、共用性設計UD(Universal Design)是指,在商業利潤的前提下河現有生產技術條件下,產品(廣義的,包括器具?環境?系統和過程等)的設計儘可能使不同能力的使用者(例如殘疾人?老年人等),在不同的外界條件下能夠安全?舒適地使用的一種設計過程。
 
總結:各種並不是完全孤立的,各類方法之間都存在一定程度上的聯繫,如結構模塊化設計方法中,劃分結構模塊時就蘊含有系統化思想,建立產品特徵及設計方法知識庫和推理機時,通常也需運用系統化和結構模塊化方法,此外,基於產品特徵知識的設計同時又是方案智能化設計的基礎之一。在機械產品方案設計中,視能夠實現特定功能的通用零件、部件或常用機構為結構模塊,並將其應用到系統化設計有關層次的具體設計中,即將結構模塊化方法融於系統化設計方法中,不僅可以保證設計的規範化,而且可以簡化設計過程,提高設計效率和質量,降低設計成本。我們只有充分利用各種設計方法,才可以更精確、更經濟,更有效率的進行產品設計。

 

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