现代设计理论与方法2012
现代设计理论与方法（最终版）
现代设计理论与方法（最终版）现代设计理论与方法(最终版)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]T s、t、gi(x)<=0 i=1,2,3…mhj(x)=o j=1,2,……n(p（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：(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。
现代设计理论与方法(优化设计第二章)
1
致 1 结论：Q为正定矩阵的二次型 Y QY 的等值面是以 Y 0知 2 的同心椭球面族。原二次函数就是以 X Q b 为中 力 行 心的同心椭球面族，椭圆中心为极小值点。
0
f x2
f xn x
T
0
明 德x0
f i 1 xi
n
cos i f ( x0 )T d f ( x0 ) cos(f , d )
x0
多元函数的梯度的模：
f 1/ 2 f ( x0 ) [ ( ) ] i 1 xi x0
x2 1
该方向上的单位向量为
4 2 2 5 0 5 f ( x ) e 0 2 2 1 f ( x ) 4 (2) 5 5
2 2 1 0 5 5 5 5 新点 x x1 x 0 e 1 1 1 5 1 5 5 5
明 德 任 责
Q为对称矩阵，f ( X ) X T QX
二次型
f ( X ) 致 2QX
知 力 行
第二节 多元函数的泰勒展开
1、一元函数
f x 在
x x0
点处的泰勒展开为：
1 x0 x f x0 x 2 f x f x0 f 2
f x1 x x2 x 2 0
2 f x1x2 x1 2 x f 2 致 2 知 x2 x
0
明 德 任 责
力 行
2 f x12 令 G ( x0 ) 2 f x x 2 1
现代设计理论与方法(优化设计第四章总结)
为了使目标函数值沿搜索方向 f ( x ) 能够获得最大 的下降值，其步长因子 k 应取一维搜索的最佳步长。即有 明
k
得
'( ) f [ x k f ( x )] f ( x k ) 0
k k T
[f ( x )] f ( x ) 0
o
x1
最速下降方法特点
（1）初始点可任选，每次迭代计算量小，存储量少， 程序简短。即使从一个不好的初始点出发，开始的几步 迭代，目标函数值下降很快，然后慢慢逼近局部极小点。 （2）任意相邻两点的搜索方向是正交的，它的迭代路 径为绕道逼近极小点。当迭代点接近极小点时，步长变 得很小，越走越慢。
明 德 任 责 致 知 力 行
2 1 2
m max(1 , 2 )
d2
致 o F3 f ( x ) 知 x 力 ( 若 F F 和 F 2 F F )( F F ) 0.5 ( F F ) d1换em 行 否则，使用原来的方向组e1、e2，以F2、F3最小值点位新的起点
x00 e1 x10
该方法只需要计算目标函数值，无需求其导数，因此
计算比较简单，其几何概念也比较清晰，属于直接法的 无约束最优化方法。这类方法适用于不知道目标函数的 数学表达式而仅知其具体算法的情况。这也是直接法的 一个优点。
明 德 任 责 致 知 力 行
定义：单纯形 n维空间中的恰好有n+1个顶点（极点）的有界的凸多面体 明 称之为一个单纯形。 根据定义，可知，一维空间中的单纯形是线段，二维空间 德 中的单纯形是三角形，而三维空间中的单纯形则是四面体。 任 在单纯形替换算法中，从一个单纯形到另一个单纯形的迭 责 代主要通过反射、扩张、收缩和缩边这4个操作来实现。下面 以二维问题为例来对4种操作进行说明（参见下图）。
现代设计理论与方法 第1章绪论
4. 可靠性设计（reliability design） 可靠性设计（ ）
可靠性设计是保证系统及其零部件满足给定 的可靠性指标的设计方法。可靠性理论是在第二 次世界大战期间发展起来的。把可靠性理论应用 在机械设计方面的研究始于20世纪60年代，首先 应用于军事和航天等工业部门，随后逐渐扩展到 民用工业。对于一个复杂的产品来说，为了提高 整体系统的性能，都是采用提高组成产品的每个 零部件的性能来达到；这样就使得产品的造价昂 贵，有时甚至难以实现，例如对于由几万甚至几 十万个零部件组成的很复杂的产品。
因此它对开发新产品，改造旧产品和提高产品 的市场竞争能力有着十分重要的作用。 设计方法学的研究内容包括：分析设计过 程及各设计阶段的任务；研究解决设计问题的 逻辑步骤和应遵循的工作原则；研究并促进各 种创新技法在设计中的运用；通过各种现代设 计理论和方法在设计中的应用, 实现产品的科学 合理设计, 提高产品的竞争能力；深入分析各种 类型设计特点，有针对性地进行设计；利用系 统工程方法编制设计信息库等。
随后，出现了手动游标、图形输入板等多种形 式的图形输入设备。随着超大规模集成电路制 成的微处理器和存储器件的出现和计算机工作 站的问世，使CAD技术在中小型企业得到普 及。随着CAD技术向标准化、集成化、智能化 方向发展，出现了计算机集成制造系统。随着 固化技术、网络技术、多处理机、智能技术和 并行处理技术的应用，使CAD技术正在趋自动 化和智能化，并在机械设计、机器人、工厂自 动化、电子电气、软件开发、服装业、出版 业、土木建筑、地质等各个领域得到广泛应 用。
另外，可靠性设计利用概率论和统计学方法， 通过考虑载荷、材料性能、实验结果等随机性 进行可靠性设计，以解决载荷、应力和材料性 能不确定的问题，以取得高可靠性设计结果。 （3）系统性 设计方法学是通过从抽象到具体的发散的 思维方法，以产品的功能、原理、结构为构思 的模型，经过横向变异和纵向综合，由计算机 构造多种可行方案，经评价优选出最佳方案。 创造性设计学是运用创造技法，充分发挥想象 力进行创造性辩证思维，形成新的设计构思。
现代设计方法及理论
2009-2010 学年第二学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目：现代设计方法及理论学生所在院（系）：机电学院学生所在学科：机械制造及其自动化题目：机械产品方案的现代设计方法及发展趋势第1页（共6页）机械产品方案的现代设计方法及发展趋势科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期缩短，更新换代速度加快。
然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得力不从心，跟不上时代发展的需要。
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，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。
为此，作者在阅读了大量文献的基础上，概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法，并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的发展趋势。
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，可以将方案的现代设计方法概括为下述四大类型。
1、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 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，制订了设计的一般模式，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，制订出标准 VDI2221“技术系统和产品的开发设计方法。
制定的机械产品方案设计进程模式，基本上沿用了德国标准 VDI2221 的设计方式。
除此之外，我国许多设计学者在进行产品方案设计时还借鉴和引用了其他发达国家的系统化设计思想，其中具有代表性的是：(1)将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。
现代设计理论与方法
1.工业产品设计特征：需求特征、创造性特征、程序特征、时代特征2.现代设计方法与传统设计方法相比，主要完成了一下几个方面的转变：（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3.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、变型设计4.现代产品设计的进程：产品规划（决策）、原理方案设计、技术设计、施工设计5.优化设计：借助最优化数值计算方法和计算机技术，求取工程问题的最优设计方案6.优化设计过程：设计课题分析、建立数学模型、选择优化方法、上机计算择优7.优化数学模型三要素:设计变量X、目标函数f（X）、约束条件gu（X）≤0,hv（X）=08.要运用数值迭代法寻找到目标函数的极小值X，这里关键要解决三个问题：如何确定迭代步长a、怎样选定搜索方向S、如何判断是否找到了最优点，以中止迭代9.无约束优化问题采用迭代中止准则：点距足够小、函数下降量足够小、函数梯度充分小10.可靠性：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11.可靠性四要素：研究对象、规定的条件、规定的时间、规定的功能12.失效率：产品工作t时刻尚未失效的产品，在该时刻t以后的下一个单位时间内发生失效的概率13.机械可靠性设计和机械常规设计方法的主要区别：它把一切设计参数都视为随机变量，表现在：零部件的设计应力s是一个随机变量；零件的强度参数c也是一个随机变量14.CAD技术：利用计算机的软硬件辅助设计者对产品进行规划、分析、计算、综合、模拟、评价绘图和编写、技术文件等设计活动15.有限元法定义:基本思想：16.单元分析：连续体离散化后，即可对单元体进行特性分析，简称为单元分析主要工作：选择单元位移模式（位移函数）和分析单元的特性，即建立单元刚度矩阵。
16.有限元法的解题步骤：结构的力学模型简化、单元划分和插值函数的确定、单元特性分析、整体分析（单元组集）17.整体结构的节点力与节点位移之间的关系：18.工业造型的设计基本内容：产品的人机工程设计、产品的形态设计、产品的色彩设计、产品的铭牌、表识、字体等的设计19.反求工程（RE）：也称逆向工程、就是针对消化吸收先进技术的系列分析方法和应用技术的综合的一项新技术。
现代设计理论与方法
研究生课程教学大纲课程编号：00212710课程名称：现代设计理论与方法英文名称：Modern Design Theory and Method学时：32学分：2适用学科：机械设计及理论课程性质：学位课先修课程：机械设计、机械原理一、课程的性质及教学目标教学目的：“现代设计理论与方法”是一门新兴的综合性、交叉性学科。
现代机械设计理论与方法是机械设计理论与方法专业方向的一门重要的专业课程，旨在从总体的角度系统地向学生讲授现代机械设计的基本思想和方法。
教学要求：通过对本课程的学习，应达到如下要求：1.解国内外现代机械设计的最新理论和方法；了解现代设计的起源、发展和在现代工业中的具体应用。
2.掌握人现代设计理论与方法的基础理论、基本知识和基本的研究方法。
3.培养学生具有初步运用上述理论、知识和方法指导机械设计的能力。
4.掌握创造和设计思维过程；“人—机—环境”大系统观。
5.熟练运用可靠性设计、绿色设计、工业设计、人机工程设计、的理论和方法。
6.本课程是一门涉及知识面广，并且偏重于应用的课程。
学习中要重视理论联系实际，注重分析问题和解决问题的方法，学会综合运用本课程的知识来解决具体的设计问题。
二、课程的教学内容及基本要求教学内容1、绪论：了解运动生物力学的基本概念、课程要求和学习方法，了解现代设计及其重要性，掌握现代机械设计所研究的内容和我国机械工程的发展与机械设计的关系现代机械与传统机械的特点重点：现代机械设计所研究的内容。
难点：现代机械设计与传统机械设计的区别。
2、创造与设计思维原理和方法学和人-机—环境与大系统观重点：创造与设计思维原理和方法学难点：人-机—环境与大系统观3、可靠性设计：了解可靠性设计的发展过程、可靠性定义及指标的量化，掌握可靠性的数学模型和系统可靠性的综合与分解。
重点：可靠性定义及指标的量化、可靠性的数学模型。
难点：系统可靠性的综合与分解。
4、绿色产品设计：了解绿色产品设计的基本概念和设计原则，掌握绿色产品设计的主要内容、策略和原则；绿色产品设计的基本方法；绿色产品设计的评价工具和绿色产品案例。
现代设计理论与方法。
• 现代设计在工程设计中的应用具有以下特点：
• (1) 充分应用计算机、计算技术、应用数学和力 学等学科的新成就；
• (2) 在设计思想的现代化、 设计理论的科学化、 设计过程的智能化、设计手段的自动化、设计评 价的定量化等方面，已经吸收了现代科学技术的 最新成果，呈现出新的发展态势；
• (3) 现代设计理论与方法在工程机械领域的推广 和应用，必将极大地促进工程机械产品设计的现 代化，从而促进工程机械产品的现代化。
反求工程设计
本方法是消化吸收并改进国内外先进技术的一 系列工作方法和技术的总和。通过实物或技术资料 对已有的先进产品进行分析、解剖、试验，了解其 材料、组成、结构、性能、功能，掌握其工艺原理 和工作机理，以消化仿制、改进或发展、创造新产 品的一种方法和技术。
反求工程设计的流程示意：产品样件→数据采 集→数据处理CAD/CAE/CAM系统 →模型重构→制 造系统→新产品。
计机理以及关键零部件的设计研究，并随着经验 的积累，以及设计与工艺的结合的设计，称为传 统设计或者常规设计。
传统设计以经验为基础，运用力学、数学等 公式，图表等作为设计依据，通过经验公式或类 比的方式进行设计。
现代设计
继承了传统设计的精华，吸取了当代科技成果 和计算机技术。 与传统设计相比，主要完成了一下转变：
优化设计
优化就是采取措施不断改进当前的状态或过程， 其核心是达到改进的目的。
优化包含很多方面，主要是根据所需要求进行 优化，比如提升性能、降低成本、轻量化等，或者 需要进行材料或者结构等方面的改进优化。
优化设计是综合各方面的因素、指标、约束等 产生一个最优的设计方案。可用于方案选择、参数 匹配及优选、结构设计、机构设计及系统设计等方 面。
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山东科技大学2012—2013学年第一学期
《现代设计理论与方法》考试试卷
班级姓名学号
一、简述现代设计方法学概念，结合你自己所从事的专业和方向，说明现代机械设计方法与现代设计方法的联系和特点。
答：现代设计方法学概念指的是：
二、根据现代机械设计的内涵，通过查阅文献，以一个具体的机电产品为例，论述系统设计方法的功能设计、原理方案设计和总体布局。
应用以下10中常用设计方法中的至少5种进行该产品的设计，给出该方法的概念、原理和在产品设计中的应用，说明所选5种设计方法属于现代设计理论与方法中的哪一种。
（该题答案不少于3500字）
1、快速成型
2、有限元法
3、实物反求设计
4、面向拆卸设计
5、牛顿法
6、磨损设计
7、曲面造型
8、安全系数设计法
9、TRIZ法
10、仿生设计
所有答案必须采用小四，固定行距18单位排版，要求给出不少于5篇相关文献。