现代设计方法设计方法学31页PPT

vj v
vk
(x,y) u uj
uk
将顶点坐标带入上式求出各系数，即可得到单元内各点 位移的转换式：
o
x
f[N]e 此式反映出单元内各点的位移和节点位移之间的关系。
单元内任意点 的位移矩阵
形函数矩阵
[B]e
单元节点 位移矩阵
此式反映出单元变形与节点位移之间的关系。
单元应变
单元应变矩阵
[D ]B []e
各节点的受力情况
简化后的模型中各节点的位移u 可以用静力学平衡法和有限元两 种方法求解。
节点1 节点2 节点3 节点4 节点5
R1 k1(u2 u1) k1(u2 u1) k2 (u3 u2 )
k2 (u3 u2 ) k3 (u4 u3 )
k3 (u4 u3 ) k4 (u5 u4 ) k4(u5 u4) P
离散后的变截面模型可看做四个弹簧串联组成的模型。
u1 u2 u3 u4 u5
P
F A
l l
E
F AE l l
k eq
AE l
第一节有限元法概述
离散后的变截面模型可看做四个弹簧串联组成的模型。
u1 u2 u3 u4 u5
P
F A
l l
E
F AE l l
k eq
AE l
第一节有限元法概述
第一节有限元法概述
2.有限元方法中的前处理和后处理
有限元前处理包括：选择采用单元的类型；单元的划分；确定各单元 及其节点的编号与坐标；确定载荷类型、边界条件、材料性质等。
利用有限元分析求出节点位移、应力或温度之后，由于节点数目非常 多，输出数据量极大，且容易出错，也不直观。因此，需要有后处理程序 来自动处理这些分析结果，并根据不同需要将分析结果以不同的方式显示 出来。

现代设计的发展趋势展望111设计方法的发展史112各国在设计方法研究方面的情况113设计的类型114现代设计技术的内涵115现代设计技术的体系11设计方法的发展史设计是把各种先进科学技术成果转化为生产力的一种手段和方法就机械系统和结构范畴而言它是从给定的合理的目标参数出发通过各种手段和方法创造出一个所需的优化系统或结构的过程17世纪前的直觉设计阶段17世纪后的经验设计阶段任何设计都是开发和创造新的系统和结构的过程依靠个人的才能和经验运用一些基本设计计算理论借助类比模拟和试凑等方法进行设计半理论半经验设计阶段传统的设计阶段用纸铅笔或二维绘图软件建造实验环境用传感器测量载荷变形和运动状设计绘图制造实物样机实物样机实验产品定型生产制造实物零件并装配发现问题重新修改设计altairbus结构设计基于拓扑优化cad模型整体需求载荷及设计空间条件下parametricshapevectors有限元单元模型设计空间及载荷尺寸及形状优化altair拓扑优化最终设计目前的现代设计阶段二十世纪六十年代以来产品概念设计三维结构设计运动学动力学仿真分析有限元分析尺寸结构优化虚拟样机验证产品中的运动机构原理是否正确验证产品是否有强刚度振动等问题运动学问题动力学问题1219631964年间举行了全国性薄弱环节在于设计的讨论会制订了一批有关设计工作的指导性文件广泛开展了设计竞赛加强了在设计过程中的创造性开发技术可行性可靠性价值分析等方面的研究相应在高等学校中开设了设计方法和cad等专题的课题1963年提出工程设计思想举办了有关产品系统规划创造设计与发展cad等许多专题的培训班与讨论会德国20世纪60年代以来引进名家的专著发展cad和改进工程技术教育开始自己进行有关cad和设计方法的研究以提高设计人员的素质成立了由化学土木电机机械和工业工程以及计算机科学等领域的代表组成的指导委员会来考虑针对工程设计所需进行研究的领域和对这些领域提出资助的建议

(或者下移大于上移)，使其既能与筛面有较多的相对运动，以确
保其能有较多的机会从筛孔落下，又可以使分离出的短茎秆和断 穗能够从一端流出。当然，在联合收割机上，为了使分离效果更 佳，一般都利用谷物和混杂物空气动力学特性不同，在气流与筛 孔的联合作用下，将谷物与其混杂物分离。抖动输送板则是利用 抖动板的往复运动使物料均匀地被输送到另一端。物料在输送过 程中，没有必要作往复运动，而是单向运动。传统的分析方法列 出了物料运动分析的方程，并且推出了3个特征数：K1， K2 ，
复杂的质点的运动模拟的建立通常是列动力学微分方程和解 微分方程的过程。如果模拟分析结果包括位移，则用解析方法 为好。其结果或者中间过程不包括位移的，则可以根据题意选 择一种简化问题的方法。解微分方程是模拟分析的难点，所列
微分方程常常没有原函数表达式，可以用数值积分或常微分方
程数值解法来近似地解决，其过程需应用计算机。本章中介绍3 种典型实例：质点的线、平面和空间运动模拟。
大以外，同一个体在不同的时间也存在相当大的差异，这就给理
论分析带来了很大的困难。所以，对于农机问题，试验且重复多 点试验是设计后所不可缺少的环节，而传统的理论分析往往只能 得到定性的结论。本课希望在农机的理论分析上借助于计算机， 由定性向定量分析上有所突破。
农机定量分析的成功与否，除了建模的技巧外，在很大 程度上取决于研究对象：如果问题可以归纳为静力学和运动 学问题，特别是机械运动学(刚体运动学)问题，若所作的假设 符合实际，理论分析的结果是可信的，甚至用不着通过试验 来验证。在农业机械上，谷物收获机拨禾轮轨迹、插秧机秧 爪轨迹计算和绘制等都属于这类问题。非机械运动学问题，
理论分析结论的实用意义取决于理论模型的仿真程度，而 理论模型的仿真程度取决于个人对所研究对象的熟悉程度、经 验、分析的技巧和基础知识水平，如果理论工作者对所研究的 对象有比较丰富的实践知识，他在建立模型过程中就能够正确 的选定影响该物理现象的主要因素，从而决定取舍的内容。丰 富的经验使其能把握正确的方向，而分析的技巧和坚实的基础 知识有助于解决分析中遇到的复杂问题，所以农机理论分析是 农机方面基础和专业知识的综合运用。随着农机学科知识的扩 展，除了要求理论工作者具有深厚的数学、力学、计算机软件 和优化原理知识以及运用这些知识的实际能力外，根据所研究 的具体问题的需要，也要掌握一定的物理学、物料力学、热工 学、传热学、流变学、生物化学和电工学知识，无论采取理论 的或是试验的方法进行农机的研究，均需要计算机辅助。

要求 要求 要求 要求 愿望
主动扭矩：max 250 N．m
负载扭矩：max 116 N．m(可调） 离合器脱开力： max 6000N (可调） 被加速惯性矩：1~26 kg．m2 惯性矩可无级提供，至少每级不超过0．1kg．m2
第1次发放
1988年5月20日
华南理工大学
要求明细表 (摩擦离合器试验台)
制定任务要求时，设计师要弄清下列问题：
1) 设计本身涉及哪些问题？
2) 有哪些愿望委托者还未提出来？
3) 任务书所提出的条件是否真实？
4) 哪些开发途径是可行的？
5) 设计要达到什么目标和应具有什么特征？ 6) 哪些特性是不允许存在的？ 7) 哪些产品应被取代？
§8.3.2 编制产品要求明细表 一．对产品要求明细表的要求
愿望
要求 愿望
第1次发放
1988年5月20日
华南理工大学
摩擦离合器试验台要求明细表
要
加工和检查
第2页共2页
负责人
修改
要求/愿望
求
要求 愿望 愿望 愿望 要求 要求 愿望
加工的零件为单件生产 尽量用标准件或外购件 尽可能在本单位加工 尽可能用国产器件 主动轴和从动轴的同心度要检查 飞轮（如果有）要经动平衡 与安全有关的联接要易于检查
图１0-2
产品的生命周期
图１0-3
产品规划进程
§ 8.2.3 产品构思的产生及选择 • 没有产品的构思，就不可能有产品的实体。 要构思一个产品，必须对其进行认真详尽认 真详尽的研究和探索。通过提出一些问题， 并在寻求解答的过程中逐步形成产品构思。 • 提出的问题包括以下几个方面。 • 1．功能方面：顾客有哪些功能方面的要求 ？我们已满足了哪些？ • 2．作用原理方面：能否通过改变现有产品 实现功能的作用原理，从而使产品变得更好 ？ • 3. 结构方面：是否应该小型化？

3
创意与评估
运用创意工具和方法，生成多样化的设计方案，并评估其可行性。

原型与测试
制作高保真原型，并通过测试和反馈循环改进设计。
5
实施与优化
将设计方案实施并不断优化，以最大程度地满足用户需求。
互动设计
互动设计是一种通过交互性和反馈促进用户与产品之间有效沟通的设计方式。通过合理的交互设计，提高产品 的易用性和用户满意度。
可持续设计
可持续设计考虑到环境、社会和经济的因素，旨在创建环保、社会负责和经济可行的设计解决方案。
环境友好
减少资源消耗和废弃物产生， 推动循环经济和环保意识。
社会责任
关注社会公平和公正，为弱 势群体设计包容性解决方案。
经济可行
通过创新和效率提升，实现 可持续设计与商业目标的双 赢。
我们的课程计划
现代设计方法简介
跨学科融合
现代设计方法采用跨学科的方法，汇集不同领 域的知识和技能。
创新和突破
鼓励创意和突破性的设计思维，挑战常规，创 造出更好的解决方案。
以用户为中心
通过深入研究用户需求和体验，将用户放在设 计的核心。
迭代优化
通过持续反馈和改进，不断迭代优化设计作品， 以更好地满足用户需求。
用户中心设计
用户研究
通过实地调研和用户访谈，了解 用户需求和行为习惯。
用户人设
创建用户人设，帮助设计师更好 地理解目标用户，并为其设计创 造。
用户测试
通过原型测试和用户反馈，验证 设计的有效性和用户体验。
设计思维及其应用
1
观察与洞察
通过观察和研究用户，发现他们的真实需求和痛点。
2
定义与分析
明确设计目标，并进行需求分析和解决方案的探索。

现代设计方法前沿课件
contents
目录
• 引言 • 数字化设计 • 智能化设计 • 绿色设计 • 人性化设计 • 创新设计方法
01 引言
现代设计方法的重要性
满足市场需求
01
现代设计方法能够更好地满足消费者对产品的多元化
、个性化需求，提高市场竞争力。
提高设计效率
02 现代设计方法运用计算机辅助设计、人工智能等技术
情感反应与产品设计
研究情感反应与产品设计之间的关系，以设计 出能够引发积极情感反应的产品。
情感化设计的策略与方法
探讨情感化设计的策略和方法，如个性化、故 事性、互动性等。
情感化设计与用户体验
研究情感化设计与用户体验之间的关系，以提高产品的使用体验和用户满意度 。
体验设计
用户体验与产品价值
强调用户体验在产品价值中的重要性，以提高产品的竞争力和用 户忠诚度。
创新创业
创新创业是将创新思维应用于商业领域，通过创新的产品或服务，满足市场需求，实现商业价值。
设计思维与创新创业的结合
设计思维为创新创业提供了创新的方法和工具，帮助企业家和创业者更好地理解用户需求，发掘商业机 会，推动创新产品的商业化。
开放式创新与协作设计
01
开放式创新
开放式创新是一种创新模式，强调利用外部资源进行创新，通过与外部
利用太阳能、风能等可再生能源，降低对传统能 源的依赖。
全生命周期设计
01
产品全生命周期评 估
对产品的整个生命周期进行评估 ，包括研发、生产、使用到报废 处理等环节。
模块化设计
02
03
产品再利用与回收
通过模块化设计，使产品在全生 命周期内具有可维护性、可升级 性和可回收性。

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五、智能优化设计
随着与机电一体化相关技术不断的发展， 以及机电一体化技术的广泛使用，我们面 临的将是越来越复杂的机电系统。解决复 杂系统的出路在于使用智能优化的设计手 段。智能优化设计突破了传统的优化设计 的局限，它更强调人工智能在优化设计中 的作用。
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实现的手段
4、详细设计
在产品的详细设计阶段，继续深化产品的绿色因素， 进行详细的产品设计。细致分析产品的生命周期，从其加 工的原材料，制造、销售、使用到回收利用的每一个阶段， 该产品所有与人、资源、环境相关的因素都要经过细致的 分析与设计。
绿色设计融入工业设计是工业设计发展的必 然趋势，它会使工业设计理论更为充实，使工业设计更加 符合人类社会发展的要求。在产品设计中提出绿色设计绝 非偶然，它是工业产品设计发展的要求，是符合新世纪绿 色消费浪潮的。
劢力学建模劢态特性计算实物试验模型试验不试验建模机械结构劢力修改30基坑支护劢态设计应用实例31八模块化设计八模块化设计结构模块化设计主要是以功能化的产品结构为基础分览现有的产品在分览中考虑到各个要素的可行性从而在早期就预测到设计中可能会出现的矛盾提高设计的可行性和可靠性降低产品的成32模块化设计在齿轮减速器中的应用34对一定界限内的丌同产品的性能觃格迕行分析得出的一系列的功能模块返些模块成为基础通过对它的选择重新组合构成丌同的产品以满足市场需求
图4 在车型各系统详细设计阶段，相关部门提前渗入
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二、虚拟设计
在达到产品并行的目的以后，为了使产品一次设计成功，减少反复， 往往会采用仿真技术，而对机电产品模型的建立和仿真又属于是虚拟 设计的范畴。虚拟设计能实现在产品加工制造之前，建立产品的功能、 结构模型，并能对其进行修改和评审，以满足不同客户的要求。它不 仅继承了传统CAD设计的优点也具备了仿真技术可视化的特点，更能 支持协同工作和并行设计，从而缩短了产品开发周期并通过各先进技 术的利用和补充，使产品保持技术上的优势。 机电产品的虚拟设计要以计算机技术(尤其是计算机网络、通信技术) 为基础。对机电产品虚拟设计平台的建立应该包括三个层次的内容: 一是产品模型的建立以及产品设计的优化;二是对产品(包括各部件)的 评价和验证，比如产品性能评价、可制造性的评价;三是产品模型以及 相关信息的传输。要实现虚拟设计过程中产品信息的共享，一般采用 了STEP(产品模型数据交换标准)的格式。 在这些基础上可以建立机电产品虚拟设计系统，该系统集成了 CAD/CAM系统、PDM系统、专家系统以及网络、通讯等系统。

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4、可靠性设计
可靠性设计——以概率论和数理统计为基础
，为保证产品可靠采用的一系列分析与设计技术
机械产品的可靠性设计分为：
1、方案论证阶段：可靠性指标 2、审批阶段：可靠性的评价 3、设计研制阶段：可靠性预测、分配和故障模式 4、生产及试验阶段：规范生产、进行寿命试验等 5、使用阶段：收集可靠性数据
➢形象思维与抽象思维： 形象思维：人脑对客观事物或现象的外在特点和
具体形象的反映活动。
抽象思维：凭借概念、判断、推理而进行的反映
客观现实的思维活动。
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3.3.2 创新思维
➢发散思维和收敛思维：
发散思维：一种求出多种答案的思维形式。 收敛思维：一种寻求某种正确答案的思维形式。 在创造活动中，光有发散思维的活动并不能使问 题获得有效的解决，所以发散思维之后尚需进行 收敛思维。 这两种思维的有效结合组成了创造活动的一个循 环过程。
10
3.2 现代设计方法
3.2.2 传统设计与现代设计
传统设计
以生产经验为基础，运用经验、公式、图表、设 计手册等，着眼于产品的功能和技术规范，通过 经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。
传统设计的每一个环节都是依靠设计者用手 工方式来完成的：
方案设计
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3.2 现代设计方法
分析计算 信息处理、经验或知识的存储和重复使用没有一 个理想有效的方法 传统设计是以静态分析、近似计算、经验设计、 手工劳动为特征的设计方法。
1、产品的质量、性能、成本等在很大程度 上取决于设计的水平与质量。
2、统计资料表明：机械产品的质量事故约 有50%是由于设计不当造成的，产品成 本的70%-90%是由设计阶段决定的。
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3.1.2 设计的类型

第二章 计算机辅助设计(CAD)
➢ 2.1 概述 ➢ 2.2 工程数据的计算机处
理 ➢ 2.3 图形的生成与变换
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2.1 概述
➢ CAD是采用计算机硬件与软件系统辅助人们对产品 或工程进行设计的方法与技术，包括设计、绘图、 工程分析、文档制作等设计活动，是一种新的设计 方法，也是一门多学科综合应用技术。
2
2
1.2
>8~10
3
3
Байду номын сангаас
1.8
>10~12
4
4
2.5
>12~17
5
5
3.0
>17~22
6
6
3.5
>22~30
8
7
4.0
>30~38
10
8
5.0
>38~44
12
8
5.0
>44~50
14
9
5.5
>50~58
16
10
6.0
第26页/共70页
轮毂t1 1.0 1.4 1.8 2.3 2.8 3.3 3.3 3.3 3.8 4.3
从复杂性或层次级别来看，我们可将数据分 为以下几种形式：
1).字段 字段是数据中最基本的用来描述实体某个
属性的数据元素，也称数据项，如一个零件名 称或材料牌号(如40Cr)。 2).记录
描述某个实体各个属性字段的集合，上表 中每行各个字段的集合就构成了一条记录。
第27页/共70页
3).文件(记录的集合) 相同性质记录的集合就是文件。如一台机器
2)实用化设计
关键工作是将原理方案结构化，转化为具有实用水平的装置， 完成从总体设计、零件设计到制造施工的全部技术资料。

4
学习现代设计方法的是主要任务
学习现代设计方法的最主要任务是：掌 握现代设计的理论与原理，了解其作用与局 限性，并学会用客观存在解决工程实际问题。
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3 产品设计理论与方法
3.1 概述 3.2 产品设计相关因素 3.3 产品设计程序
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3.1 概述 •产品设计的范畴
1、工业设计的定义 就批量生产的工业产品而言，凭借训练，技术 知识，经验及视觉感受，而赋予材料，结构，构 造，形态，色彩，表面加工，装饰以新的品质和 规格，叫做工业设计。还包括了工业设计师对包 装，宣传，展示，市场开发等问题的解决付出自 己的技术知识和经验以及视觉评价能力。
1、产品设计与工艺美术的联系
工业设计源于手工艺和纯艺术，其表象特征 与艺术极为相似。在产品设计中，要运用一些美 术创作的规律和手法，其目的是为了加深对所设 计产品形象的理解和认识，以及这种理解和认识 的恰当表达，这种表达是功能与形式的统一，内 容与画面的统一。
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3.1 概述
2、产品设计与工艺美术区别 1)创造过程的不同 产品的设计过程是一个科学的，有计划的，有组 织的创造过程，而工艺美术可凭一时的灵感触发。 2)设计对象的不同 产品设计的对象是实用产品，使用功能是决定性 的，是第一位的，形式是服从性的；艺术品是一种精 神产物，只能满足人们的心理需求，达不到实用功能 的目的。 3)特性的不同 产品设计具有商品特性；不同于那些只能在沙龙 10 上为少数人观赏的单件工艺美术品。
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3.2 产品设计相关因素
３、功能与形式 产品设计中，原则前提是：首先是功能决 定形式，形式服从功能。同时，在这样的原则前 提下，不反对在符合功能要求下对产品的必要的 美化。
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3.2 产品设计相关因素 •技术、经济因素