摘要:第4章 现代机械设计方法的发展及其特点 1 现代机械设计方法的发展 许多科技工作者为了提高产品的设计质量，进行 了大量的研究工作。对各种设计方法进行了深人的研 究，在许多产品的设计中，取得了很好的效果。如果 在这个基础上，将宏观研究与微观研究很好结
第4章 现代机械设计方法的发展及其特点
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1 现代机械设计方法的发展
许多科技工作者为了提高产品的设计质量，进行
了大量的研究工作。对各种设计方法进行了深人的研
究，在许多产品的设计中，取得了很好的效果。如果
在这个基础上，将宏观研究与微观研究很好结合起
来，将在设计理论与方法的研究上有更大的突破。就
目前国内外的研究状况来看，产品的设计理论与方法
正在向图33.4-1所示的几个主导方向发展[3].这些
设计法各有各的特点和适用范围。但是这些设计方法
是以单一设计理论方法为基础，所以对单一设计方法
现代机械设计方法的发展：
在科学发展观和自主创新思想指导下的设计理论与方法
研究工作的深化是搞好综合设计法的基础。在现有研
究成果的基础上，所研究的设计理论与方法应该更加
突出地按照科学发展观的基本要求加以实施;方法应
该更有效地提高产品质量、降低成本和保证使用寿
命;应该考虑如何缩短设计和制造周期，更广泛采用
信息化技术;应该针对更复杂机械系统和更高难度
(如非线性系统等)的问题进行研究，应该在最大范
圈内来满足用户对产品广义质盘的要求;等等。
现代机械设计方法的发展趋势框图如图33.4-1
所示.详情见表33.4-1.
现代机械设计方法的发展：
在科学发展观和自主创新思想指导下的设计理论与方法
在科学发展观指导下的经济发展应该遵循协调、德定、持续和高速发展的落本原则，在科学发展观指
导下的产品设计理论与方法，自然也应遵循这一原则。环境的污染降低到最小程度;能抓的消耗达到最
少，而且所取得的功效达到最高。这样，人类与自然界始终处于协调与和谐地发展过程中，绿色设计是
绿色制造的延伸，也是科学发展观中特别强调的研究方向。人类社会发展过程必然会遇到人类与自然之
间出现相互矛盾的情况，人口的不断增加、资源总是的相对局限性和短缺、生产过程对人类与环境所造
成的污染，自然而然地出现人与自然之间的不协调性和矛盾。“绿色设计”是通过产品的设计来考虑人
类杜会与自然界在发展过程中趋于协调与和谐，既要考虑保护自然环境和资撅的合理利用，还要考虑保
护社会环境、生产环境，更要考虑劳动者及使用者的身心健康。绿色设计可以在较大范圈内实现上述目
标，这可使资稼获得合理和有效的利用。
创新设计也是在科学发展观指导下或新的设计思想和观念指导下的设计理论与方法，它不仅要贯申在
绿色设计的益个过程中，饭撅不断地给绿色设计增加活力.用创新设计的思想来完成绿色设什的全部内
容，也要在其他各种设计方法中加以贯彻，创新设计的荃础是实践，必须大大加强包含实践环节在内的
各种创新活动。
面向产品质量、成本或寿命的设计理论与方法
在这类设计法中有三次设计法、全性能优化设计法、功能质量展开的设计法‘如QFD设计法等)、全
生命周期优化设计等。三次设计法包括系统设计、参数设计和容差设计，这里所指的是设计工作的三方
面主要内容，在20世纪70年代提出的设计法应该说是先进的;全性能优化设计法强调的是产品的性
能，功能优化设计法所强调的是功能的优化，这种方法有它的优点;全生命周期优化设计的主要目标是
产品的寿命。以上这些方面各有优点，实施的好坏完全取决于设计者的经验和能力。在参考这些方法的
基础上，我们提出了墓于系统工程中的全功能和全性能优化综合设计法.
为加快设计进度和实现设计智能化的设计理论与方法
并行设计、协同设计、网络设计及智能设计等设计理论与方法，对于加快设计进度，缩短设计周期具
有重要的作用。在科学技术高速发展的今天，缩短产品的生产周期和产品的交货期，对于争取产品在国
内外的市场竞争中具有十分重要的意义。
针对复杂机械系统和非线性问题的设计理论和方法
①以复杂机械系统为研究对象的设什理论与方法:目前对复杂的机电辆合系统从理论上还要进行深人
研究。对于强栩合复杂机械系统、多目标、多约束的机械系统，均需建立新的设什理论与计算方法.
②以非线性动力学为基础的设计理论与方法:由于目前大型高速旋转机械蛋里发生毁机事故，这些事
故的发生多数是由非线性因素引起的，因此，以提高产品结构性能为主要目标，使机械获得优良的动力
学特性，防止严熏事故的发生，对大型旋转机械非线性动力学问题的研究迫在眉捷。建立以非线性振
动、非线性动力有限元和非线性多体系统动力学为墓础的非线性动态设计理论与方法是十分必要的.
单一目标和多目标设计法研究工作的深化
除前面所述的研究方向外，由于产品设计的理论与方法很多，例如，从设计思想和观念方面来看，有
概念设计、创新设计、绿色设计等，从设计的内容来看，有机构设计、结构设计、摩擦学设计、传动设
计等;从设计方法来看，有优化设计、智能设计、网络设计、数字化设计等。这些方法对提高产品质量
或加快设计进度等均会发挥其更要的作用。对这些单一目标或多目标设计法的研究，仍有其十分广宽的
发展空间，这些方法研究的深化可为以这些方法为蕃础的综合设计法的应用与发展提供必要的理论基础。
面向产品广义质量或产品全功能和性能的综合设计法
面向产品广义质量或产品全功能和性能的综合设计法
设计方法论正面向产品功能或性能的总体化方向发展，它是以产品的广义质泛为目标，即在最大范围
内来满足用户对产品广义质盈的要求。总功能和全性能综合设计法是功能优化、动态优化、智能优化和
可视优化为一体的广义优化的设计方法，由于单一方法通常只考虑产品质全或产品性能的某一方面或某
些方面。因此，产品总功能和全性能优化综合设计法将几种设计法综合在一起，以便在较大范围内来满
足用户对产品广义质盆的要求。该种综合设计法具体包含以下几个方面的内容:
①以滴足产品功能为主要目标的功能优化设计:任何产品都有其功能要求，要根据产品的功能，即以
改变产品几何形态、物理形J态、化学组成、信息状况、生理机能等对产品进行功能优化设计，以便达到
工效的实用，在此基础上，对主要参数和工作过程进行智能控制和优化，使产品技术指标更加优越.
②以提高产品结构性能为主要目标的动态优化设计:产品的结构性能包括工作安全可靠、结构紧凑、
有足够的寿命、造型艺术、对环境无害、设计经济等方面，通过产品的静动态设计和可靠性设计，特别
是对于大型高速旋转机械，还要考虑非线性动力学间题，这种动态优化设计，即动态设计和可靠性设计
都是保证产品结构性能的必要手段和措施。此外，还要考虑产品外形的造型艺术等.
③以提高产品工作性能为主要目标的智能优化设计:以提高产品工作性能为主要目标，使产品获得良
好的工作指标(或技术性能)，即产品的工作稳定性、工效实用性、性能优越性和操作宜人性等。智能
化设计是要设计出具有一定“智能”程度的产品，因而它不仅是手段，而且也是目标。这和一般书本
中定义的智能化设计有所不同。具体内容包括工作状态的智能监测、参数的智能控制及优化、工作过程
的智能控制及优化、故障的智能诊断等。智能优化设计通常是以非线性动力学理论和控制理论(包括非
稳态过程、滞后过程)为基础，以广义优化为手段.
④以提高产品工艺性能及广义质贵为目标的可视优化设计:以提高产品性能为主要目标，即检验产品
制造、装配和工作过程的可行性和合理性。通过装配可视化和工作过程可视化，可以对所设计产品的制
造工艺性、零部件的规范性、设备可装配性和可维修性等进行检验，获得相应的反馈信息，进而对设计
中不合理部分进行修改。可视优化设计和虚拟设计有所不同，它不仅是一种手段，同时为提高产品设计
质A发挥作用，因而也是一个追求的目标。它包括几何图形可视化、机器或机构运动过程可视化、机械
系统动力学状态的可视化、机械及其系统的各种工作过程的可视化等.
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