现代机械设计方法北京科技大学研究生结课考试Word文档下载推荐.docx
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要求设计者从产品规划、方案设计、技术设计、施工设计到实验、试制，按步骤有计划地进行设计。
1.2现代机械设计方法的特点和范畴
（1）信息论方法—如信息分析法，技术预测法等，它们是现代设计方法的前提。
（2）系统论方法—如系统分析法，人机工程等。
现代设计方法是科学方法论在设计中的应用，可归纳为下列具有普遍意义的方法：
（3）控制论方法—如动态分析法等。
（4）优化论方法—如有优化设计等，它是现代设计法的目标化。
（5）对应论方法—如相似设计等。
（6）智能论方法—如计算机辅助设计、计算机辅助计算等。
（7）寿命论方法—如可靠性和价值工程等。
（8）离散论方法—如有限元及边界元方法。
（9）模糊论方法—如模糊评价和决策等。
（10）突变论方法—创造性设计，它是在现代设计的基础上。
（11）艺术论方法—如艺术造型等。
1.3现代机械设计研究的概况
日本自1960年以来开始有关现代机械设计方法的研究，提高设计人员素质，开展工程技术教育。
现在日本在产品开发中的更新速度受到全世界的关注，其产品的竞争能力已给许多国家造成巨大压力和挑战。
在美国的设计工作中，产品设计图纸基本上由计算机绘制，设计者可以摆脱常规的技术工作，集中精力进行创造性设计。
美国的学者强调“创造性设计”，提倡设计中创造能力的开发，把设计活动分为创造—分析—决策三个步骤。
我国对现代机械设计方法的研究是从上世纪80年代开始的，通过派留学生到国外进修学习和请国外专家来讲学，组织各种类型的讲习班，培训班、开展国内外学术交流等，推广和普及现代设计的基本知识。
由于世界各国对设计方法的研究越来越重视，目前已成为一项国际性学术活动。
有关国家组织了关于现代设计方法的国际会议，比如国际工程设计会议（ICED）就是其中之一。
第2章创新设计
2.1创新设计的特点
（1）独创性
独创性体现为敢于提出与前人、众人不同的见解，敢于打破一般思维的常规惯例，寻找更合理的新原理、新机构、新功能、新材料，独创性能使设计方案标新立异，不断创新。
（2）实用性
实用性体现在对市场的适应性和可生产型两方面。
（3）突破性
人们往往从考虑某类问题获得成功的思维模式中寻求解题方案，受到“思维定式”的约束。
突破性敢于克服心理上的惯性，从思维定式的框框中解脱出来，善于从新的技术领域中接受有用的事物，提出新原理、创造新模式、贡献新方法，为工程技术问题打开新局面。
（4）多向性
善于从多种不同角度考虑问题，是创新设计的重要特征。
（5）连动性
创造性思维也是一种连动思维，它引导人们由已知探索未知，开阔思路。
连动思维包括纵向、横向、逆向思维。
纵向思维针对某现象和问题进行纵深思考，探寻其本质而得到新的启示。
横向思维通过某一现象联想到特点与它相似和相关的事物，从而发现新应用。
逆向思维针对现象、问题和解法，分析其相反的方面，从另一角度探寻新的途径。
（6）突变型
自觉思维、灵感思维是在创造性思维中对问题产生的一种突如其来的领悟和理解。
在思维过程中突然闪现出一种新设想、新观念，从而使问题得到解决。
如果阿基米德从洗澡时浴缸中水的溢出产生灵感而推出浮力定律。
又如美国工程公司杜里埃研究如何使汽油和空气均匀混合以保证内燃机有效工作的问题，一天他看到妻子喷洒香水而受到启发，创造了发动机的汽化器。
2.2创新设计的类型
（1）开发设计
在未知情况下，根据产品总功能和约束条件，提出新原理、进行技术设计。
（2）变异设计
在已有产品的基础上，针对产品的缺点和用户的要求，进行变型产品的开发，以适应市场需要。
（3）反求设计
针对已有的新进展产品和样机，分析其关键技术，在消化、吸收、引进先进技术的基础上，利用移植、组合、改造等方法，设计创新产品。
2.3创新设计方法
创新设计方法有很多种，下面简单介绍智力激励法、提问追溯法、联想类推法、返向探求法、系统分析法、组合创新法六种。
（1）智力激励法
人的创造性思维特别是直觉思维在受激发情况下能得到较好地发挥。
一批人集合在一起，针对某个问题进行讨论时，由于各人知识、经验不同，观察问题的角度和分析问题的方法各异，提出的各种主意能互相启发，填补知识空隙，启发诱导出更多创造性思想，通过激励、智慧交流和集智达到创新的目的。
（2）提问追溯法
提问追溯法是有针对性地、系统地提出问题，在回答问题过程中，便可能产生各种解决问题的设想，使设计所需要的信息更充分，解法更完善。
提问追溯法有奥斯本体温法、阿诺尔特提问法、希望点列举法、缺点列举法。
（3）联想类推法
通过由此及彼的联想和异中求同，同中求异的类比，寻求各种创新解法。
利用联想进行发明创新是一种常用而且十分有效的办法。
许多发明者都善于联想，许多发明创新也得益于联想的妙用。
类比联想由一事物或现象联想到与其有类似特点的其他事物或现象，从而找出创新解法。
（4）返向探求法
将人们通常思考问题的思路反转过来，从背逆常规的途径探寻新的解法，因此返向探求法亦称逆向思维法。
例如声音既是振动，那么振动为什么不能复现原声呢？
通过这样的反问，发明了留声机。
（5）系统分析法
对于技术系统，根据其组成所有影响其性能的全部参量，系统地依次分析搜索，以探索更多和解决问题的途径。
（6）组合创新法
组合创新法是将现有技术和产品通过功能、原理、结构等方面的组合变化形成新的技术思想和新产品。
组合法应用的技术单元一般是已经成熟和比较成熟的技术，不需要从头开始，因而可以最大限度地节约人力、物力和财力。
组合创新的类型很多，常用的有性能组合、原理组合、功能组合、结构重组、模块组合等。
3现代机械并行设计
3.1并行设计概念产生的背景和过程
质量、时间和成本是衡量产品开发成功与否的核心因素，一个企业要保持其市场竞争力，必须在尽可能短的时间内，将满足用户需求的高性价比产品投入市场。
随着全球化市场竞争的日益激烈，“在变得越来越生气勃勃的周围环境中，产品的寿命周期变得越来越短，所提供的产品不仅越来越复杂，而且越来越多样，而批量却越来越小。
在这样的周围环境中，将来所占的市场份额、内部的周转时间和创造价值的成本明显地取决于面向时间的开发设计”，在激烈的市场竞争中，“不再是大吃小，而是快吃慢”，充分表达了时间这个因素具有特别重要的意义。
世界工业发达国家都在大量采用先进的技术手段，努力缩短产品开发周期。
例如，一个新机型的飞机开发时间已由过去的七年缩短到两年，美国通用汽车公司将汽车车身覆盖件模具的开发周期由过去的两年缩短为一年，摩托罗拉公司甚至可以在2h内拿出满足用户需求的产品设计方案。
并行设计正是在市场激烈竞争的背景下，为缩短产品开发周期，同时提高产品质量、降低设计制造成本，而逐步形成和建立起来的新的设计思想和策略方法。
为了缩短产品开发时间，人们首先从“硬件”入手：
通过装备更先进的加工设备来提高加工效率，用计算机代替人工设计来提高设计效率。
在取得了预期的效果后，人们又进而认识到：
要想大幅度地缩短产品开发时间，还要从研究和改进产品开发过程本身入手，建立新的产品开发策略思想。
美国麻省理工学院一份题为“汽车工业的第二次革命”的研究报告首先提出了“精益开发（LeanDevelopment）”的思想。
以后在1992年6月日本东京CIRP国际会议上提出“并行工程”（ConcurrentEngineering或SimultaneousEngineering）的概念。
近年来，又进一步拓展为“快速产品开发（RapidProductDevelopment）”[3]。
并行工程是组织产品开发过程的一种新的工程哲理。
回顾人类社会发展的历史，当社会生产仍然处于手工作坊方式时，开发什么样的产品？
怎样设计这种产品？
怎样制造这种产品？
以及以什么样的价格销售这种产品？
所有这些问题都是由手工作坊的师傅个人综合考虑和操作的。
从这种意义上来说，那时的产品开发是“并行”的。
随着机器的应用和工业化社会大生产的形成，产品越来越复杂多样，与产品开发有关的技术越来越复杂，产品开发的任务不再可能由一人来承担了。
在众人参与的产品开发过程中出现了分工，逐步形成了市场营销、设计、工艺、制造这些与产品开发有关的相对独立的部门，并形成了一套被称之为“泰罗（Taylor）制”的工程哲理。
“泰罗制”的核心思想是：
将产品开发过程尽可能细地划分为一系列串联的工作步骤，由不同的工程技术人员承担，依次执行。
因此，“泰罗制”实质上是“串行工程”，应当承认，在相当长的历史时期内，“泰罗制”对科学地研究、合理地组织产品开发过程，对有效地保证产品开发过程中各个环节的实施和衔接都起了积极的指导和推动作用。
“泰罗制”产品开发进程
“泰罗制”也有其“先天性”的缺陷，即：
将产品开发过程划分为一系列串联步骤，忽视了各个步骤，特别是不相邻步骤之间的交流和协调。
每个工程技术人员只承担局部工作，影响了他对产品开发整体过程的综合考虑。
在任一步骤中发现问题，都要向上追溯到某一步骤中重新循环，致使设计周期冗长。
与产品开发有关的部门相对独立，各自业务的专业性相去甚远，考虑问题的角度不同，难免发生矛盾冲突，又不能及时得到协调，各自为政似有大墙阻隔，因而被称为“过墙工程”。
如果说“泰罗制”的这些缺陷在过去相当长的时期内并没有对产品开发的正常进行造成太大影响的话，那么，在全球化市场竞争日益激烈的今天，就成为制约产品开发速度、影响产品开发质量、增大产品开发成本的重要因素了。
一种以工作群组为组织形式，以计算机应用为技术手段，强调整体集成，强调交流和协调的并行工程就应运而生了。
3.2并行设计的技术特征
并行设计通过下列技术特征表现出它的具体内涵。
（1）产品开发过程的并行重组
产品开发是一个从市场获得需求信息，据此构思产品开发方案，最终形成产品投放市场的过程。
虽然在产品开发过程中并非所有步骤都可以平行进行，但根据对产品开发过程的信息流分析，可以通过一些工作步聚的平行交叉，大大缩短产品开发时间。
例如：
日本NEC公司将某种产品原本历时6－－8个月的开发过程，通过并行重组缩短为3个半月。
日本NEC公司某产品开发过程的并行重组
（2）支持并行设计的群组工作方式
在工业化社会大生产的环境下，设立供应、销售、设计、工艺、制造这些部门是必要的，但产品开发过程的并行化要求与产品开发有关各部门的工程技术不再是“你方唱罢我登场”，而是同时工作、共同工作，因而需要确立一种新的组织形式和工作方式，这就是由各有关部门工程技术人员组成的产品开发工作群（必要时还可分成若干小组）。
在产品开发过程中，有关人员同时在线，有关信息同时在线，工作步骤交叉平行，这是工作群组工作方式区别于传统串行工作方式的鲜明特点。
对产品开发过程的研究结果表明：
产品开发过程中众多的活动可归纳为“计划和构思”、“设计”、“样模制作”、“检验”、和“评价”五个环节，正是在这五个环节的不断循环中，将来自市场的需求信息转化为投向市场的产品。
当产品开发处于某一特定环节时，可能只是由一个或几个部门的工程技术人员进行操作，但此时来自其它部门的工程技术人员与产品开发过程并不脱离接触，而是时刻关注着工作进程，并随时可发表评价和建议，人人了解产品开发的全过程，设计工作在群组中有序进行。
（3）统一的产品信息模型
统一的产品信息模型是实施并行设计的基础，产品设计过程是一个产品信息由少到多、由粗到细不断创作、积累和完善的过程，这些信息不仅包含完备的几何形状、尺寸信息，而且包含精度信息、加工工艺信息、装配工艺信息、成本信息等。
二维几何模型显然不能满足这一要求，仅包含几何信息的三维模型也不能满足这一要求。
因此，并行设计的产品信息模型应能将来自不同部门、不同内容、不同表述形式、不同抽象程度、不同关系、不同结构的产品信息包容在一个统一的信息模型之中。
（4）具有人工智能处理不完备、不确定信息的功能
正因为产品设计过程是一个产品信息由少到多、由粗到细的过程，因此在设计初期，有关产品的信息往往是不完备，甚至是不确定的，同时，在产品设计的全过程中，要处理的信息是多种形式的，既有数字信息，又有非数字信息；
既有文字信息，又有图像信息；
还要涉及大量知识型信息（概念、规则等）。
因此，并行设计系统一定要具有能处理以上这些信息的人工智能。
（5）基于时间的决策
设计的过程是优化决策的过程，实施并行设计的首要任务就是大幅度缩短产品开发周期，因此要通过一系列的优化决策，组织、指导并控制产品开发过程，使之能以最短的时间开发出优质的产品，实践证明：
面对多个方案，特别是其属性（评判指标）多于4－5个时，完全依靠人为的“拍脑袋”已很难作出正确的决策。
因此，要应用多目标优化、多属性决策，其次是多目标群组决策的方法。
（6）分布式软硬件环境
并行设计意味着在同一时间内多机、多程序对同一设计总是并行协同求解，因此，网络化、分布式的信息系统是其必要条件、并行设计面向对象的软件系统，分布式的知识库、数据库，能够根据产品设计的要求动态编联成相互独立的模块在多台终端上同时运行，并利用网络的机间通信功能实现相互之间的同步协调。
（7）开放式的系统界面
并行设计系统是一个高度集成化的系统。
一方面应具有优良的可扩展性、可维护性，可能按照产品开发的需要将不同的功能模块组成完成产品开发任务的集成系统；
另一方面，并行设计系统又是整个企业计算机信息系统的组成部分，在产品开发过程中，必须与其他系统进行频繁的数据交换。
因此，开放式的系统界面对并行设计系统是至关重要的。
3.3并行设计中的关键技术
并行设计是一种系统化、集成化的现代设计技术，它以计算机作为主要技术手段，除了通常意义下的CAD、CAPP、CAM、产品数据管理系统（ProductDataManagementSystem——PDMS）等单元技术的应用外，还要着重解决以下一些关键技术问题：
（1）产品并行开发过程建模及优化
并行设计的思想是在研究产品开发过程的基础上形成的，要实现产品的并行设计，首先要建立起产品并行开发的信息模型。
对产品开发过程信息模型的研究始于60年代末70年代初，当时用一套符号及一些规约方法表示出产品开发中的信息流动，提出数据流动图建模技术。
美国软件技术公司通过类似的研究，提出了结构功能分析方法，把人员、机械、方法、材料、产品等组成的系统用图形、文字加以表示，建立了结构分析和设计技术系统，1978年被美国空军选作支持集成计算机辅助制造系统的软件技术，用于含有计算机及软件工程的系统、信息分析、动态分析和过程建模，在工业界得到应用。
产品开发是一个十分复杂的过程，以什么样的理论、策略和方法建立产品开发过程的数学模型，一直是并行设计技术的重要课题。
目前，这样一种观点已取得国内外学术界的认同，即：
产品开发过程是一个基于约束的技术创成和细化的过程，这些约束包括：
目标约束：
市场的需求，用户的要求，设计性能指标等；
环境约束：
可选材料，加工设备，工艺条件等；
耦合约束：
各子过程之间的约束。
按约束的性质又可分为数值型约束、逻辑型约束、刚性约束、柔性约束、模糊约束等。
在产品的并行开发中，工作群组从市场用户的需求（初始约束）出发开展设计工作，同时从不同专业的角度对设计活动提出约束，这些约束协调和优化后形成约束条件网络，对群组的设计工作施加影响，直至在设计空间中获得各种约束的最终设计结果。
（2）支持并行设计的计算机信息系统
信息交流对产品开发具有特别重要的意义。
根据国外的调查资料，产品开发工程师的全部工作时间中有30％～40％用于信息交流，产品开发过程由串行转变为并行后，对信息交流的直接性、及时性、透明度提出了更高的要求。
因此，计算机信息系统是支持并行设计的文体框架。
通信和协调是并行设计计算机信息系统的两个主要功能。
由于工作群组的成员不一定同处一地，不一定同时工作。
因此，并行设计要求计算机信息系统具有多种通信功能（同时同地、同时异地、异时同地、异时异地），并且能对产品开发中发生的冲突和分歧进行协调。
例如，分处两地的群组成员可以通过计算机通信会商有关问题，共同处理同一电子文件，或绘制同一张图样。
又如，工作群组的某个成员（或某个小组）根据强度校核计算的结果修改了某个尺寸，却没有意识到这一修改将对另一成员（或另一小组）的工作发生影响，约束条件网络发现了这一问题，马上向双方发出警告信息，提醒双方进行协调。
并行设计系统结构示意图
（3）模拟仿真技术
并行设计的含义不仅在于设计过程中某些工作步骤的平行交叉，而且还在于在产品设计阶段就能充分考虑加工、装配，甚至使用、维修这些与产品开发相关的后续过程。
传统的产品开发过程是“设计一样机制作——修改设计”的循环过程，不仅样机制作既费时 又费工，延长了产品开发周期，而且在样机制作后才发现设计存在的问题，将会造成巨大的浪费。
国外一份调查表明，为了纠正某一产品设计中的错误；
需增加的花费情况如下：
在设计阶段加以纠正，仅需花费35美元；
在零件加工之前加以纠正，需花费177美元；
在成批生产之前加以纠正，需花费368美元；
如等到产品投放市场后才加以纠正，则需花费59000美元；
因此，将设计中的错误和缺陷尽早发现并纠正在设计初期，提高产品开发的一次成功率，无论是对于提高产品设计质量，还是对于缩短设计周期、降低设计成本都是十分重要。
但是，并行设计中不是通过费时费工的样机制作来发现可能影响加工、装配、使用、维修的设计错误和缺陷，而是通过计算机模拟仿真（当然也可通过快速样模制作）来实现这一目的。
虚拟制造、虚拟装配、结构有限元计算、产品静动态性能仿真，直至应用虚拟现实技术，让用户“身临其境”地体验产品的各项性能。
（4）产品性能综合评价和决策系统
并行设计作为现代设计方法，其核心准则是“最优化”。
在对产品各项性能进行模拟仿真的基础上，要进行产品各项性能，包括可加工性、可装配性、可检验性、易维护性，以及材料成本、加工成本、管理成本的综合评价和决策系统是并行设计系统不可缺少的模块。
（5）并行设计中的管理技术
并行设计系统是一项复杂的人机工程，不仅涉及技术科学，而且还涉及管理科学。
目前的企业组织机构是建立在产品开发的串行模式基础上的，并行设计的实施势必导致企业的机构设置、运行方式、管理手段发生较大的改变。
3.4并行设计的技术经济效益
并行设计的技术经济效益体现在以下几个主要方面：
（1）提高企业对市场需求的响应速度
恰当地把握产品进入市场的时间是企业成功营销的诀窍，一旦通过市场预测看准了产品进入市场的最佳时间，关键就在于能否在那个时刻之前完成全部产品开发工作，如果做不到这一点，“那就可能意味着市场阶段要缩短，因而制造和开发成本回收所需的偿还期以及固有的、同等程度的盈利阶段也要缩短，这样一来，被推出的那种产品一下子突然成为给企业带来亏损的祸水”。
此外，目前市场对几乎所有产品的需求都在向多品种中小批量的方向发展，过去那种以少数定型产品满足不同需求的卖方市场，已基本完成了向用户需要什么就设计制造什么的买方市场的转变。
在这种情况下，企业的产品开发工作量剧增，产品开发时间冗长，已成为制约许多企业发展的技术瓶颈。
并行设计通过工作步骤的平行交叉、基于时间的决策等，恰恰在缩短产品开发时间、提高企业对市场需求的响应速度方面，为企业提供了可靠的技术保证。
（2）提高产品开发的一次成功率
所谓产品开发的一次成功，是指最大限度地减少产品开发后期及产品投放市场后对产品的修改和完善工作量，在一次循环中开发出满足市场及用户需求、具备产品全寿命周期优良性能的产品。
随着产品复杂程度的提高和用户对产品性能的“苛刻”要求，产品开发中所涉及的知识和信息越来越多样化、专业化，全面深入地掌握这些知识和信息，并应用于成功的产品开发，已不再是一两个工程技术人员所能胜任的。
根据统计[3]，产品开发后期（如加工过程中）对设计方案所作的修改，有50%归结于缺少整体的考虑。
这说明“泰罗制”下那种以部门和个人为中心的产品开发方式妨碍了产品开发中人员、部门间的合作和信息交流。
并行设计中的群组工作方式和计算机通信支持，可以有效地克服“泰罗制”的缺点。
此外，并行设计中大量使用的模拟仿真技术，也为尽量发现并克服设计缺陷提供了有力的技术手段。
（3）降低产品的开发成本
大量调查统计表明：
产品设计阶段决定了产品制造成本的75%～80%。
传统的做法是在开发设计工作结束后才对产品的成本进行核算，它只能回答“这种产品将花费多少成本”的问题。
如果发现核算出的成本超出了市场（用户）的承受能力，则要重新修改设计，不仅延误了产品开发时间，而且其本身也增大了产品的开发费用。
并行设计的实施提供了这样一种降低产品成本的途径，即：
在产品开发之前，首先考虑市场（用户）对该产品的价格承受能力，提出产品的所谓目标成本，然后将目标成本分解到每个零部件上，并作为约束条件加入约束条件网络，自始至终地制约整个设计过程，作为产品性能综合评价决策的重要内容，从而使产品开发成本得到主动积极的控制。
总之，并行设计能从质量、时间、成本三个核心因素方面，全面提高企业及其产品的市场竞争能力，在实践中也已显露出其巨大的技术经济效益。
美国三大汽车制造公司之一的克莱斯勒（Kreisler）公司在称为“最后的希望”的家用中型汽车开发中，组建了包括设计、制造、销售等部门专家的产品开发工作群组，按并行设计的模式运行，结果使所用工程技术人员减少了63%，开发时间减少了28%，制造中人工投入减少了42%。
在家用小型汽车的开发中，甚至吸收了合同装配工参加并行开发群组，结果是将汽车壳体冲压所需模具由597个减少至370个，仅此一项就节省了4200万美元；
将螺钉、螺母由530减少到358个，并尽可能统一规格；
所开发出的Neon小型车，以比日本同类车便宜4000美元的价格很快打入了市场。
DEC公司采用并行设计技术，使计算机产品开发时间减少了60%。
施乐（XROX）公司采用并行设计技术，使顾客对产品
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