现代设计理论

现代设计理论

1、绪论

1、现代设计理论与方法是一门基于思维科学、信息科学、系统工程、计算机技术等学科，研究产品设计规律、设计技术和工具、设计实施方法的工程技术科学。

2、现代设计理论与方法的主要特点体现在：最优化、数字化、智能化、系统性、创新性和网络化。

3、现代设计方法的3个类型：综合动态化设计、可视化设计、智能化设计。

4、设计的概念：广义概念指对发展过程的安排，包括发展的方向、细节及达到的目标。狭义概念指将客观需求转化为满足需求的技术系统(或技术过程)的活动。

5、设计的特征：需求特征、创造性特征、程序特征、时代特征。

6、设计的四个发展阶段：直觉设计阶段、经验设计阶段、半理论半经验设计阶段、现代设计阶段。

7、传统设计：以经验总结为基础，运用力学和数学而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。

8、传统设计方法的特点：基本上是一种以静态分析、近似计算、经验设计、手工劳动为特征的设计方法。

9、现代设计特点：是一种基于知识的，以动态分析、精确计算、优化设计和CAD为特征的设计方法。

10、现代设计方法与传统设计方法相比，主要完成了以下几方面的转变：

（1）产品结构分析的定量化；

（2）产品工况分析的动态化；

（3）产品质量分析的可靠性化；

（4）产品设计结果的最优化；

（5）产品设计过程的高效化和自动化。 11、7种常用的设计理论和方法：系统分析设计方法、创造性设计方法、优化设计方法、可靠性设计、有限元分析方法、反求工程设计、机械CAD基础。

12、现代设计方法的特点：程式性、创造性、系统性、最优性、综合性、数字性。

13、现代产品设计按其创新程度可分为：开发性设计、适应性设计、变形设计三种类型。

14、开发性设计：它是在全部功能或主要功能的实现原理和结构未知的情况下，运用成熟的科学技术成果所进行的新型工业产品的设计，也可以称之为“零—原型”的设计。

15、适应性设计：在工作原理不变的情况下，只对产品作局部变更或增设部件，其目的是使产品能更广泛的适应使用要求。例如对各种不同的工况条件的适应性、产品工作的安全性、可靠性、寿命、工作效率、易控性等。

16、变形设计：在工作原理和功能都不变的情况下，变更现有产品的结构配置和尺寸，使之满足不同的工作要求。

17、现代产品设计的三个阶段：功能原理设计、实用化设计、商品化设计三个重要阶段。

2、系统分析设计方法

1、系统分析设计方法的主要特点：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。

2、设计系统是有时间维（施工设计、技术设计、方案设计、产品规划）、逻辑维（分析、综合、评价、决策）、方法维组成的三维系统。

3、功能分析设计法：是进行方案设计的一种有效方法，先从技术系统的输入输出关系的分析入手，采用抽象化的黑箱技术，确定总功能，然后将总功能进行逐级分解，一种分解到每一个分功能和功能元都至少有一种实体解答方案与之对应，再将这些得到的实体解答方案进行组合，形成多种原来设计方案。

4、功能元：具有一定独立性和复杂程度的技术单元，是组成总功能或分功能的最基本单元，也是可以直接求解的系统最小单元。

5、功能元求解的方法有：调查分析法、创造性方法、设计目录

法。

6、评价内容包括：技术评价、经济评价、社会评价。依据技术先进、经济获利、社会有益。

7、加权系数：gi是评价目标程度的量化系数。

8、模糊评价法：利用数学将模糊信息数值化，再进行定量评价的方法。

9、隶属度与隶属函数：隶属于或从属于某个事物的程度成为隶属度。描述从完全隶属到不完全隶属的渐变过程的函数叫隶属函数。

10、多方案比较原则：最大隶属原则（按各方案模糊综合评价中最高一级隶属度的数值大小顶级。）排序原则（以同级中隶属度高者为先，还要依据本级隶属度与更高一级隶属度之和的大小排出方案先后。）

3、创造性设计方法

1、创造性思维的特点：独创性、联动性、多向性、综合性、洞察力。

2、创造性思维的形式：发散思维与集中思维、逻辑思维与非逻辑思维、形象思维与抽象思维。

3、三种创造技法：集体激智法、提问追朔法、联想类比法。

4、优化设计

1、优化设计

（1）将实际设计问题转变为数学规划问题，即建立数学模型。（2）采用适当的最优化方法求解这个数学规划问题，即求解这个数学模型。

2、数学模型由设计变量、目标函数、约束条件组成。

设计变量：在设计过程中进行选择并最终必须确定的各项独立参数，称为设计变量。 目标函数：将追求的设计目标用数学表达式表示称为目标函数。约束条件：设计变量的取值有若干不同的要求和限制，这些要求和限制条件称为约束条件。

3、优化设计方法的分类：无约束优化问题、约束优化问题（有无约束）。单目标优化问题和多目标优化问题（目标函数个数）。优化问题分为线性规划问题、非线性规划问题。

4、数值迭代法:根据目标函数的变化规律，以适当的步长沿着能使目标函数下降的方向，经过反复迭代，逐步向目标函数值的最优点逼近的方法。

5、一维搜索法：直接法（按某种规律取若干点计算其函数值）间接法（利用函数的倒数进行解析）。

6、黄金分割法：黄金分割法亦称0.618法。它是通过对黄金分割点函数值的计算和比较，不断缩小初始区间得到极小点的一维搜索算法。

7、二次插值法：二次插值法又称抛物线法，是多项式逼近法的一种，它是利用目标函数在单峰区间的两个端点和其间一点（3个点），构成一个与目标函数相接近的二次插值多项式，以该多项式的极小点作为新的中间插入点，进行区间缩小的一维搜索算法。

8、无约束优化方法：间接法（梯度法、牛顿法、共轭方向法、共轭梯度法、变尺度法）直接法（坐标轮换法、鲍威尔法）。

9、约束优化方法：间接法（拉格朗日乘子法、惩罚函数法）直接法（复合形法、可行方向法）。

10、复合形法：通过对复合形各顶点函数值的计算与比较，反复进行点的运算和复合形的收缩，使之逐步逼近约束最优解。这种方法收敛速度慢不能用于解具有等式约束的优化问题。

11、梯度法

基本思想：以迭代点的负梯度方向作为每次迭代的搜索方向，直至找到极小点。

梯度法的一般迭代式：()()()()k k k k S X X α+=+1

梯度法的搜索方向：()()()k k X f S -?= 梯度法的迭代步骤：

（1）任取初始点()0X ，选定收敛精度ε＞0，令0=k 。

（2）计算()()k X

f ?。 （3）若()()k X f ?≤ε，则迭代终止，取()k *X X =，否则进行步骤（4）。

（4）用一维搜索求()()()k k S X f α+m in ，得最优步长()k α。

（5）令()()()()()k k k k X f X X ?-=+α1，1+=k k ，返回步骤（2）。

梯度法的“最速下降”方向并不是最理想的迭代捷径。其根本原因在于梯度的最速下降性质只是迭代点邻域内的一种局部性质，从全局来看这种方向并没有“最速”的性质。

12、牛顿法

牛顿法的基本思想：在点迭代点()k X 附近用一个二次函数()X φ近似的代替目标函数()X f ，()()X X f φ≈，然后用()X φ的极小点作为()X

f 的下一个迭代点()1+k X 。

牛顿法的迭代公式：()()()()[]()()k k k k X f X H X X ?-=-+11，

阻尼牛顿法又称修正牛顿法的迭代公式：()()()()()[]()()k k k k k X f

X H X X ?-=-+1

1α。 13、复合形法的基本思想：通过对复合形各顶点函数值的计算与比较，反复进行点的映射与复合形的收缩，使之逐步逼近约束最优解。

14、内点法与外点法

内点惩罚函数法适合于求解不等式约束优化问题。外点惩罚函数法适用于具有等式和不等式约束优化问题，该算法搜索策略与内点罚函数法相似，不同点是将惩罚函数的定义域为非可行域，即在可行域外进行搜索。

5、可靠性设计

1、可靠性：可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，

完成规定功能的能力。

2、与传统设计方法相比，机械可靠性设计的特点： 在可靠性设计中，认为作用于零件上的载荷（工作应力）和材料的强度都不是确定量，而是随机变量，具有明显的离散性质。 在可靠性设计中，认为所设计的零部件存在一定的失效可能性，但失效概率应控制在允许范围内，不得超过允许值。

3、可靠性设计的常用指标

可靠度、不可靠度或失效概率、失效概率密度函数、失效率。

4、应力－强度干涉模型：应力S 和强度?服从某一概率分布，分别用)(s f 和)(δg 表示应力和强度的概率密度函数。将它们画在同一坐标系中，两种分布曲线有重叠，如图5-10的右图所示（图中的阴影线部分），这种重叠称为应力－强度干涉现象。将这种干涉称为应力－强度干涉模型。

当应力和强度的均值一定时，降低强度和应力的标准差δσ和s σ，可以提高可靠度。

6、有限元分析法

1、有限元的基本思想

将连续结构分割成数目有限的小单元体（单元），这些小单元体之间只在数目有限的指定点（节点）上互相连接，用这些小单元组成的集合体来代替原来的连续结构。

2、有限元法求解问题的基本步骤：（1） 连续体离散化；（2）分

析单元特性，建立单元刚度矩阵；（3）组成结构和总体刚度方程；（4）确定约束条件，求解方程组；（5）计算单元的内力、应力及应变

7、反求工程

1、反求工程的分类：事物反求、影像反求、软件反求、局部反求。