现代设计理论与方法(硬盘版)
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现代设计理论与方法
现代设计理论与方法现代设计理论与方法是指在当代社会背景下，对设计活动进行系统化、科学化地研究和总结的理论和方法。
随着科技的不断发展和社会的不断进步，现代设计理论和方法也在不断地完善和更新。
本文将从现代设计理论的发展历程、设计方法的创新以及未来发展趋势等方面进行探讨。
首先，现代设计理论的发展经历了从传统到现代的转变。
传统设计理论注重技艺和经验的积累，而现代设计理论更加注重科学化、系统化的研究。
现代设计理论不仅关注设计的外在表现，更注重设计背后的思维和理念。
例如，人机交互设计理论的提出，将人的需求和心理因素融入到设计中，使得设计更加贴近用户的实际需求。
其次，现代设计方法的创新是现代设计理论发展的重要方面。
传统的设计方法往往是基于经验和惯例，而现代设计方法更加注重科学化和系统化。
例如，用户体验设计方法的提出，通过科学的调研和分析，使得产品的设计更加符合用户的实际使用需求，提高了产品的市场竞争力。
此外，现代设计理论和方法的发展也受到了跨学科的影响。
现代设计不再局限于单一学科，而是涉及到多个学科的交叉融合。
例如，设计思维理论的提出，将设计的思维方式和方法论引入到其他学科领域，促进了不同学科之间的交流和合作。
最后，展望未来，现代设计理论和方法将继续朝着多元化、系统化、科学化的方向发展。
随着人工智能、大数据等新技术的不断发展，设计将更加注重个性化、定制化的需求，而设计方法也将更加注重数据驱动和智能化。
总之，现代设计理论与方法的发展是一个不断创新和完善的过程。
在未来的发展中，我们需要不断地学习和探索，将现代设计理论和方法应用到实际的设计实践中，推动设计领域的进步和发展。
希望本文能够对现代设计理论与方法有所启发，促进设计理论与实践的结合，推动设计领域的繁荣发展。
现代设计理论与方法(优化设计第一章)
1-3人字架优化设计的图解
引例2：货箱优化设计
问题描述： 现用薄板制造一体积为100m3，长度不小于 5m的无上盖的立方体货箱，要求该货箱的钢板耗费量最 少，试确定货箱的长、宽、高尺寸。
分析： （1）目标：用料最少，即货箱的表面积最小。 （2）设计参数确定：长x1 、宽x2 、高x3； （3）设计约束条件： （a）体积要求 （b）长度要求
行
设计变量
设计变量的全体实际上是一组变量，可用一个列 向量表示。设计变量的数目称为优化设计的维数 ，如n个设计变量，则称为n维设计问题。 设计变量的全体实际上是一组变量，可用一 x1 x 个列向量表示。设计变量的数目称为优化设 T x 2 x1 , x2 , , xn 计的维数，如n个设计变量，则称为n维设计 问题。 x
n
明 德 任 责 致 知 力 行
由n个设计变量 x1 , x2 , , xn 为坐标所组成的 实空间称作设计空间。一个“设计”，可用设计空间中 的一点表示。 按照产品设计变量的取值特点，设计变量可分为连续变 量（例如轴径、轮廓尺寸等）和离散变量（例如各种标 准规格等）。
设计变量
只有两个设计变量的二维设计问题可用图1中（a）所示 的平面直角坐标表示；有三个设计变量的三维设计问题 可用图1中（b）所表示的空间直角坐标表示。
致 知 力 行
设计变量
一个设计方案可以用一组基本参数的数值来 表示，这些基本参数可以构件几何量（如尺寸、 明 位置等），也可以是物理量（如质量、频率等）， 德 还可以是应力、变形等表示工作性能的导出量以 任 及非物理量（如寿命、成本等）。
责
在设计过程中进行选择并最终必须确定的各 项独立的基本参数，称作设计变量，又叫做优化 致 参数。在优化设计过程中设计变量是不断修改、 知 调整，一直处于变化状态。 力
现代设计理论与方法(优化设计第二章)
证明：作变换 X Y Q b 式中： (Y ) f (Y Q 1b)
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
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)
k 1 k k k k k a a
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）。
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。
现代设计理论与方法
武汉理工大学智能制造与控制研究所
§2机械设计的流程和特点（续）
机械设计的本质：
图
0-6
是功能到结构
机 械
的映射过程，是技
设 计
术人员根据需求进
作 业
行构思、计划并把流源自程设想变为现实可行
图
的机械系统的过程。
武汉理工大学智能制造与控制研究所
§2机械设计的流程和特点（续）
❖机械设计具有个性化、抽象性、多解性的 基本特征，如图0-7所示：
§3.2成型期
❖欧洲
1962年，在伦敦举行了第一届设计方法会议，主要围绕系统设计方法研 究，探讨设计过程的全面管理的系统方法和用于设计过程的系统技术。
1968年，在英国，The Design Council成立。
❖美国
1968年，在美国波士顿的MIT举行了“环境设计与规划中的新方法”会议， 着重探讨设计的复杂性问题，理解设计者如何用传统的设计方法解决设 计问题。
所引起，而80%的修改工作在产品制造阶段或后续阶段陆续 完成。
图0-4 设计与修改成本的比例
武汉理工大学智能制造与控制研究所
§1.1 设计在产品开发中的重要地位(续)
因此，可以得到这样的启示： 在设计越来越显示其重要性的今天，
掌握新的设计思想，应用新的设计方法和 技术，采用新的设计工具，对于提高企业 产品竞争力，具有非常重要的意义。
❖ 日本
1971年，由北乡薰等人编著的“设计工学系列丛书”出版发行，比较全面地论述了设 计方法和技术。
1979年，日本东京大学吉川弘之教授在日本精密机械杂志上发表“一般设计学序说” 一文，提出了一般设计学理论。
§1.1 设计在产品开发中的重要地位(续)
产品设计仅 需整个产品开 发过程中大约 8%的工时成本
§2机械设计的流程和特点（续）
机械设计的本质：
图
0-6
是功能到结构
机 械
的映射过程，是技
设 计
术人员根据需求进
作 业
行构思、计划并把流源自程设想变为现实可行
图
的机械系统的过程。
武汉理工大学智能制造与控制研究所
§2机械设计的流程和特点（续）
❖机械设计具有个性化、抽象性、多解性的 基本特征，如图0-7所示：
§3.2成型期
❖欧洲
1962年，在伦敦举行了第一届设计方法会议，主要围绕系统设计方法研 究，探讨设计过程的全面管理的系统方法和用于设计过程的系统技术。
1968年，在英国，The Design Council成立。
❖美国
1968年，在美国波士顿的MIT举行了“环境设计与规划中的新方法”会议， 着重探讨设计的复杂性问题，理解设计者如何用传统的设计方法解决设 计问题。
所引起，而80%的修改工作在产品制造阶段或后续阶段陆续 完成。
图0-4 设计与修改成本的比例
武汉理工大学智能制造与控制研究所
§1.1 设计在产品开发中的重要地位(续)
因此，可以得到这样的启示： 在设计越来越显示其重要性的今天，
掌握新的设计思想，应用新的设计方法和 技术，采用新的设计工具，对于提高企业 产品竞争力，具有非常重要的意义。
❖ 日本
1971年，由北乡薰等人编著的“设计工学系列丛书”出版发行，比较全面地论述了设 计方法和技术。
1979年，日本东京大学吉川弘之教授在日本精密机械杂志上发表“一般设计学序说” 一文，提出了一般设计学理论。
§1.1 设计在产品开发中的重要地位(续)
产品设计仅 需整个产品开 发过程中大约 8%的工时成本
现代设计理论与方法-优化设计
➢ 跳跃式的量，称为离散量，如齿轮的齿数、模数，丝 杆的螺距等。 对离散变量，在优化设计时，常常先看作连续量，在求 得连续量的优化结果后在进行圆整或标准化，以求得一 个实用的最优方案。
第五页，共58页。
一项设计，若有n个设计变量χ1，χ2，…，χn 可以按一定次序排列，用n维向量来表示：
χ=[χ1，χ2，…，χn]T χ∈Rn
1）概念
在设计中，通常用对设计性能指标有影响的一组 基本参数来表示某个设计方案，这组参数根据其特点 又分为
设计常量：可以根据客观规律或具体条件预先确定 的参数，如材料的力学性能，机器的工况系数等。
设计变量：在设计过程中不断变化，需要在设计过程 中进行选择的基本参数，称为设计变量，如几何尺寸、 速度、加速度、温度等。
值（最值）的过程，而求目标函数极大值的问题可 转化为求目标函数极小值的问题。优化设计数学 模型中通常规定求目标函数的极小值。故目标函 数统一描述为：
min F（χ）= F（χ1，χ2，…，χn ）
前例中密闭容器优化设计的目标函数可表示为：
min F（χ）=F（l, w, h）=2（lh+wh+lw）
（3）遗传算法直接以目标函数作为搜索信息。传统 的优化算法不仅需要利用目标函数值，而且需要目 标函数的导数值等辅助信息才能确定搜索方向。而 遗传算法仅使用由目标函数值变换来的适应度函数 值，就可以确定进一步的搜索方向和搜索范围，无 需目标函数的导数值等其他一些辅助信息
第三十二页，共58页。
遗传算法可应用于目标函数无法求导数或导数不存在的函 数的优化问题，以及组合优化问题等
第二十七页，共58页。
交叉体现了自然界中信息交换的思想。交叉有单
点交叉、多点交叉、还有一致交叉、顺序交叉和周 期交叉。单点交叉是最基本的方法，应用较广。它 是指染色体切断点有一处，例：
第五页，共58页。
一项设计，若有n个设计变量χ1，χ2，…，χn 可以按一定次序排列，用n维向量来表示：
χ=[χ1，χ2，…，χn]T χ∈Rn
1）概念
在设计中，通常用对设计性能指标有影响的一组 基本参数来表示某个设计方案，这组参数根据其特点 又分为
设计常量：可以根据客观规律或具体条件预先确定 的参数，如材料的力学性能，机器的工况系数等。
设计变量：在设计过程中不断变化，需要在设计过程 中进行选择的基本参数，称为设计变量，如几何尺寸、 速度、加速度、温度等。
值（最值）的过程，而求目标函数极大值的问题可 转化为求目标函数极小值的问题。优化设计数学 模型中通常规定求目标函数的极小值。故目标函 数统一描述为：
min F（χ）= F（χ1，χ2，…，χn ）
前例中密闭容器优化设计的目标函数可表示为：
min F（χ）=F（l, w, h）=2（lh+wh+lw）
（3）遗传算法直接以目标函数作为搜索信息。传统 的优化算法不仅需要利用目标函数值，而且需要目 标函数的导数值等辅助信息才能确定搜索方向。而 遗传算法仅使用由目标函数值变换来的适应度函数 值，就可以确定进一步的搜索方向和搜索范围，无 需目标函数的导数值等其他一些辅助信息
第三十二页，共58页。
遗传算法可应用于目标函数无法求导数或导数不存在的函 数的优化问题，以及组合优化问题等
第二十七页，共58页。
交叉体现了自然界中信息交换的思想。交叉有单
点交叉、多点交叉、还有一致交叉、顺序交叉和周 期交叉。单点交叉是最基本的方法，应用较广。它 是指染色体切断点有一处，例：
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。
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消除不必要的成本。 n 功能分析包括功能定义、功能分类、功能整理和功能评价。 l 创造新方案 l 分析与评价方案
轿车 VE 的价值工程 分析流程 (重点)
3
第 2.5 章 TRIZ 理论 2.5.1 TRIZ 理论体系 1、技术系统（八大）进化法则：预测技术系统进化模式和产品成熟度； 2、最终理想解：系统的进化总是向着更理想化的方向发展； 3、技术矛盾解决（40 个发明）原理：浓缩 250 万份专利背后所隐藏的共性发明原理； 4、物理矛盾分离方法：分离原理是针对物理矛盾的解决而提出的； 5、矛盾矩阵创新原理：为解决问题直接提供化解矛盾的发明工具； 6、物理效应和现象知识库：将物理现象和效应应用在问题解决过程中。 7、发明问题解决算法（ARIZ)：针对非标准问题而提出的一套解决算法 8、物场模型分析：用于建立与已存在的系统或新技术系统问题相联系的功能模型； 9、创新问题的标准解法：5 级共 76 个标准解法，可以将标准问题在一两步中快速进行解决； 2.5.2 技术系统（八大）进化法则： 1、技术系统的 S 曲线进化法则； 2、提高理想化法则； 3、子系统不均衡进化法则； 4、动态性进化法则； 5、向超系统进化法则； 6、子系统协调性法则； 7、向微观级和场的应用进化法则； 8、向自动化方向进化法则。 2.5.3 TRIZ 发明问题
(2)环境适应性。适应使用环境的湿度、温度、载荷、震动等特殊条件。
(3)人机友好性。满足使用者生理、心理等方面要求，使产品外形美观，色彩宜人，操作简单、方便、舒适。
(4)可维修性。使产品能够且易于维修，维修的停机时间、费用、复杂性、人员要求和差错尽可能最小。
(5)安全性。保证不对人的生命财产造成破坏。
这样将一个物理实体的复杂的三维加工离散成一系列层片的加工，大大降低了加工难度，且成形过程的难度与待成形的 物理实体形状和结构的复杂程度无关。快速成形过程示意图如图 5.1 所示。
5
2．RPM 技术的实现流程：
图 5.1 快速成形过程示意图
图 5.2 RPM 的离散/堆积成形流程 3．RPM 技术的特点 原理 （1）高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体； （2）CAD 模型直接驱动，设计制造高度一体化； （3）成形过程无需专用夹具或工具； （4）无需人员干预或较少干预，是一种自动化的成形过程； （5）成形全过程的快速性，适合现代激烈的产品市场； （6）技术的高度集成性，既是现代科学技术发展的必然产物，也是对它们的综合应用，带有鲜明的高新技术特征。
⑦组织模式的开放 网络技术的发展加快了数据通讯速度，缩短了企业之间的距离。传统的局限于企业内部的封闭设 计正在变为不受行政隶属关系约束的、多企业共同参与的异地设计。为完成一种设计任务形成的虚拟企业或动态联盟将实现 优势互补和资源共享，极大地提高设计效率和水平。
⑵ 以设计理论为指导
受科学技术发展水平的限制，传统设计是以生产经验为基础，以运用力学和数学形成的计算公式、经验公式、图表、手 册等作为依据进行的。随着理论研究的深入，许多工程现象不断升华和总结为揭示事物内在规律和本质的理论，如摩擦学理 论、模态分析理论、可靠性理论、疲劳理论、润滑理论等。现代设计方法是基于理论形成的方法，利用这种方法指导设计可 减小经验设计的盲目性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准确性。因此，现代设计是以理论指导为主、经验为辅的一 种设计。
(6)可安装性。保证产品使用前安装容易、可靠，且安装费用最小。
(7)可拆卸性。考虑产品的材料回收和零组件的重新使用。
(8)可回收性。考虑产品报废及回收方式。
1.4 现代设计理论、方法与技术
1.4.1 技术 ：
1）现代设计方法学
(1)系统设计 (2)价值工程 (3)功能设计 (4)并行设计 (5)模块化设计 (6)质量功能配置 (7) 反求设计 (8)绿
1.4.2 设计手段的精确化、计算机化、自动化与虚拟化
(1)精确化 (2)计算机化 (3)自动化 （4）虚拟化
1.4.3 现代设计的发展趋势展望
1)设计过程的数字化。2)设计过程的自动化和智能化研究 3)动态多变量优化和工程不确定模型优化 4)网络化并行设计及协 同设计技术 5)虚拟设计和仿真虚拟试验及快速成形技术 6)大力普及、推广与发展 CAD 技术的应用研究 7) 面 向 集 成 制 造 8)微型机电系统的设计
4
第 3 章 反求设计 3.1 反求工程的概念
在机械领域中，反求工程(Reverse Engineering)是在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有 CAD 模型的情况下， 按照现有零件的模型（称为零件原形），利用各种数字化技术及 CAD 技术重新构造原形 CAD 模型的过程。 3.2 反求工程的研究对象分析
反求工程的研究对象可以分为以下三大类：①实物类 ②软件类 ③影像类 （1）反求对象设计指导思想、功能原理方案分析 （2）反求对象材料的分析 （3）反求对象工艺、装配分析。 （4） 反求对象精度的分析。 （5）反求对象造型的分析。 （6）反求对象系列化、模块化分析。 3.3 反求工程的步骤
• 数据获取 Data Capture • 数据预处理 Preprocessing • 数据分块与曲面拟合 Segmentation and Surface fitting • CAD 模型生成 CAD model creation 3.4 测量机分类 接触式 三坐标测量机 机械手 非接触式 光学 磁学 声学 破坏式 自动断层扫描
(6)抗磨损性。要求零件在规定时间内材料的磨损量在规定值以内。
(7)抗腐蚀性。要求产品在恶劣环境下不被周围介质侵蚀的特征。
(8)抗蠕变性。要求高温环境工作的产品不发生蠕变或蠕变变形在规定值以内。
(9)动态特性。指在动载荷作用下产品具有良好的抗振特性，以保证产品的平稳和低噪声运行。
(10)平衡特性。指旋转产品具有良好的静平衡和动平衡特性。
现代设计理论与方法
第 1 章 现代设计技术概论
1.1 现代设计的特征
现代设计是传统设计的深入、丰富和完善，而非独立于传统设计的全新设计。虽然目前对现代设计尚无确切定义，但可 从以下特征来理解。
⑴ 以计算机技术为核心
这是现代设计的主要特征。计算机技术的飞速发展对设计产生了巨大影响，表现为以下几方面：
①设计手段的更新 计算机技术推动了设计手段从“手工”向“自动”的转变。
②产品表示的改变 计算机技术推动了产品表示从“二维”向“三维”的转变。
③设计方法的发展 促进了一些新的设计方法的出现，高性能的计算机硬件和先进的软件技术是这些方法实施的保 证。
一些先进的设计方法如有限元分析、优化、模态分析等都涉及大量复杂计算，只有计算机技术的发展才能推动这些方法 的进步和应用。新的设计方法如并行设计、虚拟设计、计算机仿真等。
快速原型制造技术是由 CAD 模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。 1．快速成形技术的基本过程： （1）由 CAD 软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型； （2）将三维模型沿一定方向（通常为 Z 向）离散成一系列有序的二维层片（习惯称为分层）； （3）根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码； （4）成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到三维物理实体。
(2)可靠性。指产品在规定的条件和规定时间内完成规定功能的能力。产品只有可靠性能才有实用价值，因此性能的发 挥依赖于可靠性。
(3)强度原则。要求产品零件具有抵抗整体断裂、塑性变形和某些表面损伤的能力。
(4)刚度原则。要求在外载作用下产品变形在规定的弹性变形之内。
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(5)稳定性。指产品在外载作用下能够恢复其平衡的特性。
(3)可测试性。指产品能够且容易通过适当方式进行有关测试，以评估设计、制造和装配。
1.3.4 经济合理原则
要求产品具有较低的开发成本和使用费用。表现行为，包括：
(1)环境友好性。保证产品产生尽可能少的废水、废气、噪声、射线等，符合环保法规，对生态环境破坏最小。
④工作方式的变化 计算机技术促进了设计方式从“串行”到“并行”的变化。
⑤设计与制造一体化 存在于计算机内的产品模型可直接进入 CAPP 系统进行工艺规划和 NC 编程，进而加工代码可直接 传入 NC 机床、加工中心进行加工。产品模型加强了设计与制造两个环节的连接，提高了产品开发的效率。
⑥管理水平的提高 产品设计是一个复杂的系统工程，设计过程中涉及大量设计数据和设计行为的管理。数据库技术 的发展改变了传统的手工管理模式，各种 MIS、PDM 系统的广泛应用大大提高了设计的管理水平，保证了设计过程的高效、 协同和安全。
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第 2 章 价值工程 2.1 价值工程的原理
价值工程是一项科学的管理方法，它用技术与经济相结合的科学方法，研究产品（系统或服务）的功能与生产成本的 关系，达到以最低成本取得必要的功能效果。
价值（Value）=功能（Function）/ 成本（Cost） 价值工程中一般将功能分为以下几类：
（1）按重要程度标志分为：基本功能和辅助功能。 （2）按满足要求性质的标志分为：使用功能和美观功能 （3）按用户用途标志分为：必要功能和不必要功能。 提高价值的 5 种基本途径：
1.2 现代设计的内涵 通过对其特征的分析，可以认为：“现代设计”就是以市场需求为驱动，以知识获取为中心，以现代设计思想、方法为
指导，以现代技术手段为工具，以产品的整个生命周期为对象，考虑人、机和环境相容性的设计。
1.3 现代设计原则
设计原则是为设计产品应满足的条件，也是对设计行为的约束。受设计水平、观念、体制等限制，传统设计所考虑的原 则着眼于产品的功能和技术范畴，而设计的影响贯穿产品整个生命周期，所以设计原则必须面向生命周期内的各个阶段。现 代设计原则是传统设计原则的扩充和完善，两者并无本质区别。可归纳为以下几类。
(11)热特性。保证产品具有要求的温度大小、温度分布和热流状态，以及热应力、热变形在规定值以内。
1.3.3 工艺优良原则
轿车 VE 的价值工程 分析流程 (重点)
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第 2.5 章 TRIZ 理论 2.5.1 TRIZ 理论体系 1、技术系统（八大）进化法则：预测技术系统进化模式和产品成熟度； 2、最终理想解：系统的进化总是向着更理想化的方向发展； 3、技术矛盾解决（40 个发明）原理：浓缩 250 万份专利背后所隐藏的共性发明原理； 4、物理矛盾分离方法：分离原理是针对物理矛盾的解决而提出的； 5、矛盾矩阵创新原理：为解决问题直接提供化解矛盾的发明工具； 6、物理效应和现象知识库：将物理现象和效应应用在问题解决过程中。 7、发明问题解决算法（ARIZ)：针对非标准问题而提出的一套解决算法 8、物场模型分析：用于建立与已存在的系统或新技术系统问题相联系的功能模型； 9、创新问题的标准解法：5 级共 76 个标准解法，可以将标准问题在一两步中快速进行解决； 2.5.2 技术系统（八大）进化法则： 1、技术系统的 S 曲线进化法则； 2、提高理想化法则； 3、子系统不均衡进化法则； 4、动态性进化法则； 5、向超系统进化法则； 6、子系统协调性法则； 7、向微观级和场的应用进化法则； 8、向自动化方向进化法则。 2.5.3 TRIZ 发明问题
(2)环境适应性。适应使用环境的湿度、温度、载荷、震动等特殊条件。
(3)人机友好性。满足使用者生理、心理等方面要求，使产品外形美观，色彩宜人，操作简单、方便、舒适。
(4)可维修性。使产品能够且易于维修，维修的停机时间、费用、复杂性、人员要求和差错尽可能最小。
(5)安全性。保证不对人的生命财产造成破坏。
这样将一个物理实体的复杂的三维加工离散成一系列层片的加工，大大降低了加工难度，且成形过程的难度与待成形的 物理实体形状和结构的复杂程度无关。快速成形过程示意图如图 5.1 所示。
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2．RPM 技术的实现流程：
图 5.1 快速成形过程示意图
图 5.2 RPM 的离散/堆积成形流程 3．RPM 技术的特点 原理 （1）高度柔性，可以制造任意复杂形状的三维实体； （2）CAD 模型直接驱动，设计制造高度一体化； （3）成形过程无需专用夹具或工具； （4）无需人员干预或较少干预，是一种自动化的成形过程； （5）成形全过程的快速性，适合现代激烈的产品市场； （6）技术的高度集成性，既是现代科学技术发展的必然产物，也是对它们的综合应用，带有鲜明的高新技术特征。
⑦组织模式的开放 网络技术的发展加快了数据通讯速度，缩短了企业之间的距离。传统的局限于企业内部的封闭设 计正在变为不受行政隶属关系约束的、多企业共同参与的异地设计。为完成一种设计任务形成的虚拟企业或动态联盟将实现 优势互补和资源共享，极大地提高设计效率和水平。
⑵ 以设计理论为指导
受科学技术发展水平的限制，传统设计是以生产经验为基础，以运用力学和数学形成的计算公式、经验公式、图表、手 册等作为依据进行的。随着理论研究的深入，许多工程现象不断升华和总结为揭示事物内在规律和本质的理论，如摩擦学理 论、模态分析理论、可靠性理论、疲劳理论、润滑理论等。现代设计方法是基于理论形成的方法，利用这种方法指导设计可 减小经验设计的盲目性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准确性。因此，现代设计是以理论指导为主、经验为辅的一 种设计。
(6)可安装性。保证产品使用前安装容易、可靠，且安装费用最小。
(7)可拆卸性。考虑产品的材料回收和零组件的重新使用。
(8)可回收性。考虑产品报废及回收方式。
1.4 现代设计理论、方法与技术
1.4.1 技术 ：
1）现代设计方法学
(1)系统设计 (2)价值工程 (3)功能设计 (4)并行设计 (5)模块化设计 (6)质量功能配置 (7) 反求设计 (8)绿
1.4.2 设计手段的精确化、计算机化、自动化与虚拟化
(1)精确化 (2)计算机化 (3)自动化 （4）虚拟化
1.4.3 现代设计的发展趋势展望
1)设计过程的数字化。2)设计过程的自动化和智能化研究 3)动态多变量优化和工程不确定模型优化 4)网络化并行设计及协 同设计技术 5)虚拟设计和仿真虚拟试验及快速成形技术 6)大力普及、推广与发展 CAD 技术的应用研究 7) 面 向 集 成 制 造 8)微型机电系统的设计
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第 3 章 反求设计 3.1 反求工程的概念
在机械领域中，反求工程(Reverse Engineering)是在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有 CAD 模型的情况下， 按照现有零件的模型（称为零件原形），利用各种数字化技术及 CAD 技术重新构造原形 CAD 模型的过程。 3.2 反求工程的研究对象分析
反求工程的研究对象可以分为以下三大类：①实物类 ②软件类 ③影像类 （1）反求对象设计指导思想、功能原理方案分析 （2）反求对象材料的分析 （3）反求对象工艺、装配分析。 （4） 反求对象精度的分析。 （5）反求对象造型的分析。 （6）反求对象系列化、模块化分析。 3.3 反求工程的步骤
• 数据获取 Data Capture • 数据预处理 Preprocessing • 数据分块与曲面拟合 Segmentation and Surface fitting • CAD 模型生成 CAD model creation 3.4 测量机分类 接触式 三坐标测量机 机械手 非接触式 光学 磁学 声学 破坏式 自动断层扫描
(6)抗磨损性。要求零件在规定时间内材料的磨损量在规定值以内。
(7)抗腐蚀性。要求产品在恶劣环境下不被周围介质侵蚀的特征。
(8)抗蠕变性。要求高温环境工作的产品不发生蠕变或蠕变变形在规定值以内。
(9)动态特性。指在动载荷作用下产品具有良好的抗振特性，以保证产品的平稳和低噪声运行。
(10)平衡特性。指旋转产品具有良好的静平衡和动平衡特性。
现代设计理论与方法
第 1 章 现代设计技术概论
1.1 现代设计的特征
现代设计是传统设计的深入、丰富和完善，而非独立于传统设计的全新设计。虽然目前对现代设计尚无确切定义，但可 从以下特征来理解。
⑴ 以计算机技术为核心
这是现代设计的主要特征。计算机技术的飞速发展对设计产生了巨大影响，表现为以下几方面：
①设计手段的更新 计算机技术推动了设计手段从“手工”向“自动”的转变。
②产品表示的改变 计算机技术推动了产品表示从“二维”向“三维”的转变。
③设计方法的发展 促进了一些新的设计方法的出现，高性能的计算机硬件和先进的软件技术是这些方法实施的保 证。
一些先进的设计方法如有限元分析、优化、模态分析等都涉及大量复杂计算，只有计算机技术的发展才能推动这些方法 的进步和应用。新的设计方法如并行设计、虚拟设计、计算机仿真等。
快速原型制造技术是由 CAD 模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体的技术总称。 1．快速成形技术的基本过程： （1）由 CAD 软件设计出所需零件的计算机三维曲面或实体模型； （2）将三维模型沿一定方向（通常为 Z 向）离散成一系列有序的二维层片（习惯称为分层）； （3）根据每层轮廓信息，进行工艺规划，选择加工参数，自动生成数控代码； （4）成形机制造一系列层片并自动将它们联接起来，得到三维物理实体。
(2)可靠性。指产品在规定的条件和规定时间内完成规定功能的能力。产品只有可靠性能才有实用价值，因此性能的发 挥依赖于可靠性。
(3)强度原则。要求产品零件具有抵抗整体断裂、塑性变形和某些表面损伤的能力。
(4)刚度原则。要求在外载作用下产品变形在规定的弹性变形之内。
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(5)稳定性。指产品在外载作用下能够恢复其平衡的特性。
(3)可测试性。指产品能够且容易通过适当方式进行有关测试，以评估设计、制造和装配。
1.3.4 经济合理原则
要求产品具有较低的开发成本和使用费用。表现行为，包括：
(1)环境友好性。保证产品产生尽可能少的废水、废气、噪声、射线等，符合环保法规，对生态环境破坏最小。
④工作方式的变化 计算机技术促进了设计方式从“串行”到“并行”的变化。
⑤设计与制造一体化 存在于计算机内的产品模型可直接进入 CAPP 系统进行工艺规划和 NC 编程，进而加工代码可直接 传入 NC 机床、加工中心进行加工。产品模型加强了设计与制造两个环节的连接，提高了产品开发的效率。
⑥管理水平的提高 产品设计是一个复杂的系统工程，设计过程中涉及大量设计数据和设计行为的管理。数据库技术 的发展改变了传统的手工管理模式，各种 MIS、PDM 系统的广泛应用大大提高了设计的管理水平，保证了设计过程的高效、 协同和安全。
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第 2 章 价值工程 2.1 价值工程的原理
价值工程是一项科学的管理方法，它用技术与经济相结合的科学方法，研究产品（系统或服务）的功能与生产成本的 关系，达到以最低成本取得必要的功能效果。
价值（Value）=功能（Function）/ 成本（Cost） 价值工程中一般将功能分为以下几类：
（1）按重要程度标志分为：基本功能和辅助功能。 （2）按满足要求性质的标志分为：使用功能和美观功能 （3）按用户用途标志分为：必要功能和不必要功能。 提高价值的 5 种基本途径：
1.2 现代设计的内涵 通过对其特征的分析，可以认为：“现代设计”就是以市场需求为驱动，以知识获取为中心，以现代设计思想、方法为
指导，以现代技术手段为工具，以产品的整个生命周期为对象，考虑人、机和环境相容性的设计。
1.3 现代设计原则
设计原则是为设计产品应满足的条件，也是对设计行为的约束。受设计水平、观念、体制等限制，传统设计所考虑的原 则着眼于产品的功能和技术范畴，而设计的影响贯穿产品整个生命周期，所以设计原则必须面向生命周期内的各个阶段。现 代设计原则是传统设计原则的扩充和完善，两者并无本质区别。可归纳为以下几类。
(11)热特性。保证产品具有要求的温度大小、温度分布和热流状态，以及热应力、热变形在规定值以内。
1.3.3 工艺优良原则