现代设计方法---设计方法学

第一章设计方法学1. 现代设计目标：缩短产品设计周期；提高产品质量；降低生产成本。

T--缩短产品设计周期Q--提高产品质量C--降低其成本2. 传统设计法特点：静态的、经验的、手工式的、（近似计算）现代设计法特点：动态的、科学的、计算机化的、（精确计算）3.现代设计理论与方法的发展分为：（1)直觉设计阶段（2)经验设计阶段（3)半理论半经验设计阶段（4)现代设计阶段4.系统－执行特定功能而达到特定目的，相互联系，相互作用的元素。

具有特定功能的、相互间具有一定联系的许多要素构成的一个整体，即由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体都是系统。

5.系统化设计的特征：由上而下、由总到细。

基本方法：系统的分析和综合。

6.黑箱法定义：把系统看成是一个不透明的，不知其内部结构的“黑箱”，在不打开黑箱的前提下，利用外部观测，通过分析黑箱与周围环境的信息联系,了解其功能的一种方法。

根据系统的某种输入及要求获得某种输出的功能要求，从中寻找出某种物理效应或原理来实现输入-输出之间的转换，得到相应的解决方法，从而推求出“黑箱”的功能结构，使“黑箱”逐渐变成“灰箱”、“白箱”的一种方法。

7.系统化设计的步骤：8、评价的目标内容：（1) 技术评价目标——可行性，创造性，可靠性（2) 经济评价目标——成本，利润，市场潜力（3）社会评价目标——社会效益和影响9.技术-经济评价法（a)技术价Wt : Wt=(Piqi)/Pmax（Pi-各技术评分值；qi-加权系数；Pmax-最高分值5分或10分）（b)经济价Ww：Ww=Hi/H=0.7Hz/H （Hi-理想成本；H-实际成本）（c)技术-经济综合评价：均值法：W=（Wt+Ww)/2双曲线法：W= (Wt.Ww )10.产品价值V=F/C ( F-功能C-成本)11.寿命周期成本（要会画出它的曲线图，并做分析）C=C1+C2 C1-生产成本C2-使用成本12、提高V途径（分5种情况讨论）F ↑/C →=V ↑功能F →/C ↓=V ↑成本F ↑/C ↓=V ↑功能、成本F ↑↑/C ↑=V ↑功能F ↓/C ↓↓=V ↑成本第二章机械优化设计1.优化设计的数学模型统一形式描述：min f(x) x=[x1,x2,………xn]Ts.t. gi(x)<=0 i=1,2,3…mhj(x)=o j=1,2,……n(p<n)2. 迭代过程X（k+1）=x（k）+α（k）s（k）x（k）——第K步迭代点α（k）——第K步迭步长s（k）——第K步迭代方向3. 终止准则：（1）点距准则：(1)1 k k k ksαε+-=≤X X(2)下降准则：(3）梯度准则：4.一维搜索方法 : 对一维（也称一元或单变量）目标函数f(x)寻求其最优解x*的过得程称为一维优化，所使用的方法称为一维优化方法。

《现代设计方法学》课程简介课程内容：《现代设计方法学》课程是机械设计制造及其自动化专业本科的一门专业课，以研究产品设计为对象。

它以计算机为手段，运用工程设计的新理论和新方法，使计算结果达到最优化，使设计过程实现高效化和自动化。

现代设计方法学作为现代机械设计的有力工具，涉及到设计方法学、有限单元法、优化设计以及可靠性工程等内容。

本课程将根据机械设计和创新设计的需求，详细介绍了现代设计方法的的基本概念、常用方法和分析步骤等内容。

通过本课程的学习，使学生掌握先进的设计理念；掌握现代的设计方法；培养学生分析研究的能力。

Brief IntroductionCourse Description:Modern Design Theory and Methodology is a professional classes for the Mechanical Design, Manufacturing and Automation students. As a powerful analysis tool for mechanic design, Modern Design Theory and Methodology involves in design methodology, finite element method, optimization of design，reliability engineering and etc. This course aims to develop the students' appreciation of basic principles, common methods and analysis steps.After taking this unit, the student should be able to improve the advanced designing ideas, modern designing methods and analysis capabilities.《现代设计方法学》课程教学大纲一、教学内容第一章绪论1.1 设计的概念1.2 传统设计与现代设计1.3 部分现代设计方法简介1.4 学习现代设计方法的意义教学重点：近代设计学的发展及学科组成教学难点：部分现代设计方法第二章设计方法学2.1 概述2.2 设计系统2.3 技术系统及其设计类型2.4 产品规划方法2.5 方案的系统化设计2.6 创造性思维和方法2.7 TRIZ原理与计算机辅助创新2.8 设计中的评价与决策教学重点：设计系统及技术系统，设计的决策方法教学难点：创新设计第三章优化设计3.1 优化问题的数学描述3.2 优化方法的数学基础3.3 一维优化3.4 多维无约束优化方法3.5 多维约束化方法3.6 机械最优化设计中的其他相关问题3.7优化设计工具软件3.8优化设计实例教学重点：各种优化问题的数学描述及求解教学难点：实际问题的优化求解第四章可靠性设计4.1 概述4.2 可靠性的定义及度量指标4.3 可靠性工程中的常用概率分布4.4 可靠性设计原理4.5 机械强度可靠强度计算4.6 系统的可靠性设计4.7 故障树分析教学重点：可靠性设计原理及可靠性的度量指标教学难点：系统的可靠性设计第五章有限元法5.1 概述5.2 弹性力学的基本理论5.3 弹性力学有限元法5.4 等参数单元的原理及数值积分5.5 有限元分析中的若干处理方法5.6有限元分析软件5.7有限元方法应用实例教学重点：弹性力学有限元法教学难点：有限元分析中的若干处理方法二、教学要求第一章绪论教学要求：通过本章教学使学生了解现代设计方法的基本概念，熟悉现代设计方法的内容。

第一章1、产品的广义综合质量：包括Q质量、C成本、T时间、E环境、S服务等2、设计范畴在不断扩大如何理解：传统设计通常只限于方案设计和技术设计，然而计算机技术的飞速发展与广泛应用深刻影响着产品设计开发过程、制造过程、营销及售后服务过程，同时也促进着这些过程的交叉融合，使设计内容与边界不断扩展：产品规划——制造过程的工艺、检验、试验、包装、运输、营销、市场策划、产品运行、维护、使用、报废、回收——全过程全生命周期各个环节的设计（产品全生命周期设计）。

3、现代设计和传统设计的相对性：人们把当前认为先进的那部分系统称为“现代的”，而其余的都自然成为“传统的”；若干年后目前的现代部分就可能被新发展的东西所取代而成为传统的。

设计方法也一样，也有传统的和现代的之分，而且不断由传统走向现代。

例如：CAD技术，相对于可靠性设计、疲劳设计等，可以认为是一种现代设计方法；但也有传统CAD技术和现代CAD技术之分。

1）传统CAD技术，主要指计算机辅助绘图。

2）现代CAD技术中，计算机能够为设计提供图形支持以外的更多更广泛的支持，如概念设计、产品数据管理PDM、分析、决策、预测、仿真等。

3）现代CAD技术包括了CAD技术在集成化、网络化、智能化方面的最新成就。

如：CAD/CAM/CAE/CAPP/CAQ, ICAD (Integrated CAD)、网络化协同设计、智能设计。

4、网络化设计：一种新兴的产品设计方式。

目的：使分布在不同地点的产品设计人员以及其他相关人员，通过网络，采用各种各样的计算机辅助工具，协同地进行产品设计活动，实现产品信息的共享和交换、设计方案的讨论、设计结果的检查与修改，使产品设计工作能够跨越时空进行。

5、绿色设计：1）基本思想：在设计阶段就将环境性能作为产品设计目标和出发点，力求对环境的影响最小。

2）措施：通过合理的材料选择和结构设计等措施，使产品具有良好的可拆卸性、可维护性、可回收性、重复利用性。

前言第一章绪论第一节现代设计一、设计的概念二、现代设计的概念三、现代设计的特点第二节机械产品设计一、现代机械二、新产品开发三、机械产品设计的三个阶段四、机械产品设计的一般进程第三节部分现代设计方法简介一、价值工程二、工业产品艺术造型设计三、人机工程四、并行工程五、模块化设计六、相似性设计七、摩擦学设计八、三次设计九、反求工程设计习题参考文献第二章设计方法学第一节概述一、设计方法学的涵义二、设计方法学的研究对象第二节技术系统及其确定一、技术系统二、信息集约三、调研预测四、可行性报告第三节系统化设计一、功能分析二、功能元求解三、方案综合四、设计工具第四节评价决策一、评价目标树二、评分法三、技术-经济评价法四、模糊评价法第五节创新思维与技法一、创造力开发二、创新思维三、创新技法第六节设计实例一、现代设计的目标二、设计实例——专门化数控磨床方案设计习题参考文献第三章优化设计第一节概述一、优化设计的发展及应用二、传统设计与优化设计三、优化设计的数学模型四、优化设计的分类第二节一维搜索一、迭代算法及终止准则二、一维搜索第三节无约束优化算法一、共轭方向法二、梯度法三、共轭梯度法四、牛顿法五、变尺度法（DFP变尺度法）六、小结第四节约束优化算法一、复合形法二、惩罚函数法第五节应用实例一、OPB－1程序库概述二、OPB程序库的使用三、优化设计实例习题参考文献第四章可靠性设计第一节概述一、可靠性的概念和设计特点二、可靠性设计中常用的特征量第二节应力——强度干涉模型和零部件的可靠性设计一、应力——强度干涉模型二、可靠度的计算三、零部件的可靠性设计第三节系统的可靠性设计一、系统逻辑图二、系统的可靠性预测三、系统的可靠性分配第四节机械系统的故障树分析一、基本概念二、故障树的建立三、故障树的定性分析四、故障树的定量分析第五节可靠性试验概况一、寿命试验二、筛选试验三、环境试验四、现场使用试验第六节应用实例习题参考文献第五章有限元法第一节概述一、有限元法的基本思想二、有限元法的应用第二节有限元法的基本步骤一、引例二、有限元法的基本步骤三、总刚度矩阵的特性第三节二维线弹性问题一、单元划分二、形函数三、单元方程四、实现等参变换的条件第四节有限元程序的应用一、前处理二、有限元分析三、房处理习题参考文献第六章机械动态设计第一节概述第二节理论建模方法一、有限元建模法二、单元的动力学方程三、建立整体结构的动力学方程四、边界条件处理五、特征值问题的求解六、应用实例第三节传递矩阵建模法一、用传递矩阵法分析轴的横向振动二、计算固有频率和主振型三、应用实例第四节实验建模方法一、机械阻抗与频响函数二、振动系统频率响应函数图示法三、传递函数测量的模态分析四、不同激励方式的选用五、实模态和复模态的参数识别六、应用实例第五节机械结构动力修改一、结构动力修改准则二、应用应例习题参考文献第七章计算机辅助设计（CAD）第一节概述一、CAD的概念二、CAD系统的功能三、CAD的工作过程四、CAD的特点五、CAD的发展趋势第二节CAD系统的组成原理一、CAD系统的硬件二、CAD系统的软件三、CAD系统的类型及系统选择第三节工程数据的计算机处理一、数据组成二、数据公式化三、数据结构四、工程数据库及其管理系统第四节图形生成与变换一、坐标系、窗口与视区、图形剪裁二、几何造型三、二维图形变换四、三维图形变换第五节应用实例一、设计内容及要求二、CAD系统选择三、系统设计四、结构模块设计五、软件接口设计习题参考文献第八章人工神经元计算方法第一节概述一、什么是人工神经元计算二、人工神经元计算的特点三、人工神经元计算的应用第二节反向传播网络一、网络结构二、网络运算与传递函数三、误差反向传播四、网络训练与测试五、小结第三节应用实例一、人工神经元计算在金属成形中的应用（介面摩擦与材料流动应力的测定）二、人工神经元计算在机器人学中的应用（运动误差补偿）习题参考文献第九章工程遗传算法第一节概述一、什么是遗传算法二、遗传算法的特点三、遗传算法的应用第二节简单遗传算法一、遗传算法的基本算子二、遗传算法的一个简单算例三、遗传算法的数学描述四、参数编码与满足度函数第三节遗传算法的理论基础一、纲的术语二、纲的定理第四节应用实例一、桁架结构优化二、冗余机器人的运动学反向解习题参考文献第十章智能工程第一节概述一、智能工程的定义二、智能工程的基本概念和原则三、智能工程的研究内容和方法四、智能工程与人工智能、专家系统的区别与联系五、智能工程语言及环境第二节知识获取及表达一、知识的概念二、知识获取三、知识表述第三节知识的运用一、知识的推理二、推理实现的基本方法三、推理机的设计四、元推理机的设计第四节专家系统的结构一、基本结构二、元知识系统结构三、元知识在专家系统中的应用四、专家系统的类型第五节应用实例一、智能工程在齿轮减速箱设计专家系统（GBES）中的应用二、功能模块三、GBES系统结构四、GBES的主要功能特点习题参考文献。

现代设计方法学综述摘要：现代设计方法已经成为一个新的技术领域。

经阅读文献，本文从现代设计方法的基本定义出发，通过与传统机械设计方法的对比，阐述现代设计方法的特点及主要内容，特别是该方法体现的先进性,接着立足于其现状，展望其发展趋势。

关键字：现代设计方法；设计思想；传统机械设计方法；主要内容；趋势0 引言目前，随着科学技术的迅猛发展和计算机技术的广泛应用，市场竞争愈演愈烈，而且市场竞争已是国际化的、动态化的和多元化的。

当前, 我国国民经济各部门也迫切需要质量好、效率高、消耗低、价格便宜的先进的机电产品,而产品设计是决定产品性能、质量、水平和经济效益的重要环节。

传统的机电产品设计是一种以强度和低压控制为中心的安全系数设计、经验设计、类比设计和机电分离设计,也称常规设计。

而现代机电产品设计方法则是强调创造性，以电子计算机为手段, 运用工程设计的新理论和新方法, 使计算结果达到最优化, 使设计过程实现高效化和自动化。

因此, 运用现代设计方法可以适应市场剧烈竞争的需要, 提高设计质量和缩短设计周期。

1现代设计方法的定义及设计思想1. 1 现代设计方法的涵义现代设计方法（Modern Design Technigue）是新理论与计算机应用相结合的产物。

它是以思维科学、设计理论系统工程为基础,以方法论为手段,以计算机为工具的各种方案、图样和程序的总和。

对此定义作出以下解释:（1）迄今为止, 尚未阅读或检索到有明确给出过现代设计方法的定义, 尽管这种叫法、书名有很多, 或偶尔见到有对现代设计方法(技术)作过某种解释, 但很难视之为对这一概念的定义。

（2）虽有文献报道, 在机械设计理论、设计技术等方面出现的新领域中, 已有设计方法学---- 是研究科学的设计思想、设计步骤和设计组织等的方法；及设计系统学---- 是研究对于同一问题所能取得几种设计方案的科学方法, 可也未提到现代设计方法。

（3）于是, 借助于各种字词典, 对现代设计方法做出上述定义寻找依据:现代是个泊来词，是指现在这个时代(中国多指 1919 年至现在)。

现代设计方法学综述一、用户中心设计（UCD）用户中心设计是现代设计方法学的核心理念之一、它强调将用户需求置于设计的核心位置，并通过深入了解用户和与用户进行频繁的交流来指导设计过程。

UCD方法包括用户研究、用户需求分析、用户故事编写等，以确保设计能够满足用户的期望和需求。

二、迭代式设计（Iterative Design）迭代式设计是现代设计方法学中非常重要的一个方法。

它强调通过多次迭代设计和反馈循环来逐步改进设计。

设计师在每一次迭代中根据用户反馈和测试结果进行调整和优化，以提高设计的质量和用户体验。

三、原型设计（Prototyping）原型设计是现代设计中常用的一种方法。

它通过创建可交互的原型来模拟最终产品的功能和界面，以便设计师和用户能够更好地理解和评估设计。

原型设计可以有不同的形式，如纸质原型、线框原型、交互原型等，可以根据具体情况选择使用。

四、协同设计（Collaborative Design）协同设计是现代设计中越来越受重视的一种方法。

它强调设计师与其他团队成员（如开发人员、市场营销人员等）之间的紧密合作和信息共享，以确保设计能够在各个方面得到充分的考虑和支持。

协同设计可以通过使用协同设计工具和技术来实现，如在线协作平台、实时共享工作空间等。

五、敏捷设计（Agile Design）敏捷设计是现代设计中的一种灵活和快速的设计方法。

它强调通过快速迭代和紧密合作的方式来满足快速变化的需求。

敏捷设计通过将设计过程划分为多个短期迭代周期来实现，每个周期结束后都会进行评估和调整，以确保设计能够及时地满足用户需求。

六、用户测试（User Testing）用户测试是现代设计中的一种重要手段。

它通过让真实用户参与并评估设计，以获取真实的反馈和意见。

用户测试可以帮助设计师发现潜在的问题和改进的机会，以提高设计的质量和用户体验。

综上所述，现代设计方法学是一种基于用户需求和迭代改进的设计方法体系。

它强调用户中心设计、迭代式设计、原型设计、协同设计、敏捷设计和用户测试等方法的综合应用，以帮助设计师更有效地进行设计并满足不断变化的用户需求。