现代设计方法.docx

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现代设计方法

现代设计方法

现代设计方法

现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。

以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的,以计算机辅助设计技术为主体,以知识为依托,以多种科学方法及技术为手段,研究、改进、创造产品和工艺等活动过程所用到的技术和知识群体的总称。

1.并行设计2.虚拟设计3.绿色设计4.可靠性设计5.智能优化设计6.计算机辅助设计7.动态设计8.模块化设计9.计算机仿真设计10.人机学设计11.摩擦学设计12.疲劳设计13.反求设计14.无障碍设计15.共用性设计

一、并行设计

并行设计是一种对产品及其相关过程（包括设计制造过程和相关的支持过程）进行并行和集成设计的系统化工作模式。

强调产品开发人员一开始就考虑产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误、矛盾和冲突尽可能及早地发现和解决，以缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量。

并行设计作为现代设计理论及方法的范畴，目前已形成的并行设计方法基本上可以分为两大类:

基于人员协同和集成的并行化。

基于信息、知识协同和集成的并行化。

并行工程应用于整车项目开发案例研究

一般地，汽车整车产品开发共有4个大的阶段，即策划阶段、设计阶段、样品试制阶段和小批试制阶段。

以模、夹具的开发为例，运用并行工程，其与车身工程设计几乎同时进行，从整个计划第4个月开始介入，在整个开发周期的第22个月完成。

而运用串行工程，其在车身工程设计完成后进行，从整个计划第15个月才介入，在整个开发周期的第34个月才完成。

运用并行工程开发时间上节约近36%，整个产品开发周期可以缩短40%～50%。

设计部门不断预发布、评审、输出，相关部门评审、验证意见和建议不断反馈，然后设计不断更改，通过预发布和设计评审、修改若干个循环，这样可以把不必要的失误和不足消灭在设计阶段，同时优化设计。

在各系统设计输出评审的时候，相关部门的意见至关重要。

在产品开发的早期阶段解决设计问题，所冒的风险和损失最小。

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。

汽车车辆虚拟设计与制造技术应用实例

汽车研发典型流程中，首先利用虚拟产品开发技术和结构分析CAE软件确定产品设计方案，然后进行零部件详细设计、设计文档发放并实施加工过程。

（1）车身设计阶段使用One-Step仿真软件进行快速冲压成形性校核，可大大减少设计返回带来巨大损失。

（2）模具设计阶段采用Increment仿真软件进行冲压仿真分析，可大大减少模具调试时间。

实际工作中，经常出现某些车辆冲压件成形困难不不返回设计部门更改设计现象，不不牺牲总体性能来解决局部设计问题。

解决该问题最好办法是对车辆件设计后立刻进行成形性校核，发现问题及早解决。

由此产生了一步逆成形（One-StepForming）软件，如瑞士AutoForm.Eng.公司AutoForm/One-Step、加拿大FTI公司Fast3D、法国SIMTECH公司SIMEX以及我们自主开发KMAS/One-Step软件等。

汽车制造中瓶颈问题之一是车辆模具设计与制造，特别是拉延模设计。

为解决这一问题，近十年来国内外汽车模具行业广泛采用了虚拟设计技术，即采用增量分析软件进行冲压过程仿真。

这类软件如法国ESIPAM-STAMP、美国LS-DYNA、瑞士AutoForm.Eng.公司AutoForm/Increment和我们自行开发KMAS/Increment软件等。

三、绿色设计

绿色设计是指以环境资源保护为核心概念的设计过程，其基本思想就是在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳人产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小。

产品的绿色设计主要包括以下内容:

产品材料的选择和管理。

产品可拆卸性和可回收性设计。

绿色产品成本分析和设计数据库的建立。

产品的绿色包装设计。

产品设计的基本流程为：

市场调研--草图构思--方案设计。

具体到绿色设计在产品设计中的应用，其过程可分为四个阶段：

1、市场调研

在市场调研阶段，将产品的绿色因素作为调研时的一项重点内容。

在此阶段，对产品在人、资源与环境等方面存在的绿色缺陷做出调查研究，并进行分析，形成理性的调研报告。

2、概念设计

在具体的产品设计流程中，将通过市场研究所得来的绿色机遇，通过草图设计-方案筛选-方案设计流程，把功能、造型、色彩、人机等诸因素融入到产品设计中去。

3、方案确定

对概念设计方案进行评估，得到最终确立方案。

对方案的评估有两个方面，一是在设计、制造、包装、运输、消费、报废和回收过程中，废弃物的量作为衡量标准，尽可能的减少该过程中废弃物的量，二是看产品的在使用过程中，是否能够很好的让消费者感受到产品的绿色因素，可着重于考察产品的人机、形态和色彩。

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。

四、可靠性设计

机电产品的可靠性设计可定义为:

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。

可靠性设计是以概率论为数学基础，从统计学的角度去观察偶然事件，并从偶然事件中找出其某些必然发生的规律，而这些规律一般反映了在随机变量与随机变量发生的可能性（概率）之间的关系。

用来描述这种关系的模型很多，如正态分布模型、指数分布模和威尔分布模型。

可靠性常用的数值标准有:

可靠度（Reliability）、失效率（FailureRate）平均寿命（MeanUfe）。

通常机电产品的可靠性设计包括以下几个方面的内容:

1.明确机电产品中机械部件和电气部件的设计制造要求。

2.系统可靠性建模。

3.可靠性可预测。

4.可靠性的分配。

汽车可靠性设计的基本内容

（1）从系统方面考虑

确定整车的可靠性数据指标

确定汽车的工作环境

确定整车的系统的构成及配置

实施可靠性预测和分配

决定易操作性基本要求（人机可靠性）

决定维修性基本要求

决定安全性基本要求

可靠性设计评审

修改设计方案

确定整车或零部件的运输、包装以及保管要求

各项指标的综合平衡

（2）从零部件方面考虑

确定总成或零件的可靠性要求。

制定出零件可靠性一览表。

制定出高可靠性零件一览表。

指出可靠性不佳的零件。

确定零件寿命。

确定零件的失效率。

重要的零件采用概率设计方法。

关键零件的可靠性试验计划。

采用标准件和质量稳定、设计成熟、制造水平高的零部件。

贮备设计:

考虑采用冗余（贮备）设计法和备件的使用。

（3）从外购件方面考虑

收集外购件使用中的反馈信息，掌握外购件供应厂的设计和制造能力。

对外购件提出性能要求、可靠性要求以及相应的定量指标。

审查提供产品的工厂试验数据（或质量保证书）资料，其中包括可靠性数据、质量指标等等。

接收提供产品的工厂编制的产品设计、使用说明书。

对确定认购的产品作入库检验。

定期进行确认试验。

（4）从人机工程方面考虑

便于驾驶员操作具有良好的操纵性能和适宜的操作范围。

视野、灯光、反照镜等设计都要有利于提高驾驶员的辨清能力。

舒适性设计不易使驾驶员产生疲劳。

易于操作辨认，防止产生误操作采用易于操作，使用方便、失误动作较少的结构，设计防误操作的装置。

信息显示设计各种仪表（里程表、转速表、油量指示表等）、指示灯、巡航系统等等。

车内环境空调、灯光、制动、噪音、振动、音响等等。

色彩效果以及心理影响因素的考虑。

（5）从汽车产品制造方面考虑

选用先进的加工设备以及工具、量具、卡具。

正确的工艺设计以及工艺流程。

材料的可靠性试验或质量验收试验。

外协产品的接收试验。

制造人员的培训和教育。

制造过程的管理。

制定正确的操作规程。

制定正确的维修或安装调试规程。

具备适用的维修或安装调试设备和工具。

做好售后服务。

在生产线上作在线检查。

定期进行质量分析。

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。

实现的手段

（1）模糊设计。

模糊设计是以模糊数学为理论基础，它首先通过对设计对象的各项性能指标建立满足某些模糊集合的隶属度函数，并按其重要性乘以不同的加权引子，然后按一定的算法得到综合模糊集合的隶属函数，再通过优化策略，把模糊问题向非模糊化转化，从而实现寻优的过程。

现在机电产品中涉及到模糊理论的场合很多，如模糊冰箱、模糊洗衣机、模糊微波炉，它们正悄然地改变着人们的生活方式。

（2）神经网络优化设计。

神经网络是一种模仿人类大脑结构、功能的信息处理智能系统，一般由多输人单输出非线性单元组成神经元，各神经元按一定的模式连接，并构成各种连接模型。

它通过反复的训练和学习以及自身的适应能力来完成对复杂信息的处理，使输出达到最优。

为实现机电产品智能化的功能，还有一个途径就是利用专家系统的框架。

通过提取人类成熟的操作经验和知识，以知识库为核心，配以特征知识处理，并采用不同的匹配法则和推理机制，构成完整的最优决策系统。

轴类零件粗糙度设计模糊策略

粗糙度设计矩阵ROUGHD

ROUGHD=[F1…Fj…Fn]Tn×m]（3）其中:

Fj为第j个设计因素的置信矢量;n为设计因素数量;m为设计因素的最大状态数量,不足补零。

基于最小距离的择近原则是模糊技术中的主要模糊识别方式。

Distance（A,B）=1n{Σnj=1（μAj-μBj）2}

若令用户输入的粗糙度为:

RoughD:

RoughD=[F1…Fj…Fn]，则粗糙度模糊设计工作就是要将RoughD归于知识库{ROUGHD}中距离最小的一个ROUGHD,从而获得粗糙度参数大小。

六、计算机辅助设计

机械计算机辅助设计，是在一定的计算机辅助设计平台上，对所设计的机械零、部件，输入要达到的技术参数，由计算机进行强度，刚度，稳定性校核，然后输出标准的机械图纸，简化了大量人工计算及绘图，效率比人工提高几十倍甚至更多。

计算机辅助设计的过程,首先进行功能设计,选择合适的科学原理或构造原理,然后进行产品总图的初步设计、产品选型和外型的初步设计;从总图派生出零件,对零件的造型、尺寸、色彩等进行设计,对零件进行有限元分析,使其结构及