限制条件。 （4）数学模型
3、优化设计
已知：制造一体积为100m3，长度不小于
5m，不带上盖的箱盒，试确定箱盒的长x1 ，宽x2，高x3，使箱盒用料最省。
分析： （1）箱盒的表面积的表达式； （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；
3、优化设计
把要分析的连续体假想地分割成有限个单元组成 的组合体，再分析每个单元，得到一组方程，求 解方程得到连续体的解。
计算步骤
连续体的离散化——单元分析——整体分析
2、有限元法（ FEM ）
3.2.3 现代设计方法简介
3、优化设计（ Optimal Design ）
——在给定载荷或环境条件下，在机械产品 的形态、几何尺寸关系或其它因素的限 制范围内，以机械系统的功能、强度和 经济性等为优化对象，选取设计变量、 建立目标函数和约束条件，并使目标函 数获得最优值的一种设计方法。
3、优化设计
优化设计的数学模型：
（1）设计变量： 设计常量：一个工程设计方案，可以用一组参数
表示。这些参数中，根据设计对象预先 选定的参数。 设计变量：需要在设计过程中优选的参数。 （2）目标函数： 用来评价方案好坏的函数。 目标函数的最佳值就是它的最大值和最小值。
3、优化设计
（3）约束条件： 边界约束：限制设计变量变化范围 性能约束：由某种设计性能或设计要求推导出的
4、转向创新法
——某些计划、方法在实践中行不通 ，这时应根据实践过程提供的信息， 及时修正计划、修改方法，继续有效 地探索
例：金属易受腐蚀（缺点）
机械结构中的振动（缺点）
3.3.3 创新的技法
5、组合创新法
——按照一定的技术原理，通过将两个或 多个功能元素合并，从而形成一种具有新功 能的新产品、新工艺、新材料的创新方法。
3.2.3 现代设计方法简介
5、并行设计（Concurrent Design)
——在产品开发的初始阶段，就以并行的方式综
合考虑其寿命周期中所有后续阶段，降低产 品成本，提高产品质量。
并行设计过程：
（1）串行设计过程
5、并行设计（Concurrent Design)
（2）并行设计过程
•关键技术：
2、设问类技法
包括：检核表法、5W2H法、逆向追 问法
➢ 检核表法
——根据需要解决的问题或者进行创造发明 的对象列出有关问题（能否改进、引申、改变、 扩大、简化、替代、变换、颠倒、组合），逐个对 他们进行分析，从中获得解决问题的方法和 创造发明的设想。
2、设问类技法
➢ 5W2H法
“为什么”（why） • 问“是什么”、“做什么”（what） 问“谁”（who） 问有关“时间”的问题（when） 问在“什么地方”（where） 问“怎样”（how） • 问“数量”指标（how much）
2、设问类技法
➢ 逆向追问法
• ——指创新活动的个体或群体顺着 与已有事物的原理或结构相反的方 向进行追问，试图从中发现新的事 物过程。
3.3.3 创新的技法
3、联想类技法
——是指人们通过一件事情的触发而迁 移 或想到另一些事情上。
如：看到鸟想到了……
看到电灯想到……
3.3.3 创新的技法
（3）要求多功能设计小组更加接近和了解 用户，更加灵活和注重实际。
5、并行设计（Concurrent Design)
并行设计过程有两种模型：
（1）产品设计与相关过程设计实现并行
以影响产品质量为代价
（2）以联系方式对产品设计和与其相关过 程设计进行并行组织
有利于提高产品质量，但可能增加设计时间
3.2.3 现代设计方法简介
•1956年发表《发明创造心理学》提出 人•他类的历一史句上至十理分名重言要“的你发可现以，等即待发10明0年是获得顿悟，也可以利 从用对这问些题原的理分15析分中钟指解出决矛问盾题而。产” 生的。
3.3.4 发明问题解决理论TRIZ
基本设计过程：
•功
•机
•结
•能
•构
•构
3.1.3 机械设计的基本过程
具体设计过程：
•初步设计阶段 •技术设计阶段 •工作图设计阶段 •安装调试阶段
3.1.4 设计过程中的方法和理论
3.2 现代设计方法
3.2.1 设计发展的基本阶段
3.2 现代设计方法
3.2.2 传统设计与现代设计
传统设计
以生产经验为基础，运用经验、公式、图表、设 计手册等，着眼于产品的功能和技术规范，通过 经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。
第3章机械设计及现代设 计方法
2020年7月23日星期四
第3章 机械设计及现代设计方法
3.1 机械设计概述 3.2 现代设计方法 3.3 机械创新设计
3.1 机械设计概述
为什么要进行设计？
•为创造人类自身生存所需的条件， •不断地用自己的智慧和才能改造着自然
3.1.1 设计及机械设计
3.1.1 设计及机械设计
3.2 现代设计方法
3.2.3 现代设计方法简介
1、计算机辅助设计（CAD）
——把计算机技术引入设计活动中，利用计 算机完成计算、选型、绘图及其它作业 的一种现代设计方法。
CAD的基本流程：
构思、判断、决策—计算机处理—人机修改—确认，输出
3.2.3 现代设计方法简介
CAD系统的组成
硬件组成：
设计：为满足社会和人们对产品功能的需要，
运用知识、经验和方法，通过创造性思 维，经过规划、计算、分析和决策，产 生载有文字、数据、图形等信息的技术 文件的过程。
机械设计：以机械作为对象开展的设计活动。
3.1.1 设计及机械设计
设计的重要性：
1、产品的质量、性能、成本等在很大程度 上取决于设计的水平与质量。
7、绿色设计（GD：Green Design）
在传统产品设计过程中，设计人员主要根据 产品性能、质量和成本等指标进行设计，设 计指导原则是能经济方便地制造满足使用要 求的、市场需求的产品。
例：废旧电池 计算机 洋垃圾
7、绿色设计（GD：Green Design）
有关统计资料研究表明：产品性能70% -80%
主机 输入设备 输出设备 信息存储设备 网络设备 多媒体设备
CAD系统的组成
软件组成：
系统软件：与计算机硬件相关联的软件。 支撑软件：运行在系统软件之上的，实现CAD各
种功能的通用软件。
应用软件：为实现某个应用领域内特定任务而开
发的软件。
3.2.3 现代设计方法简介
2、有限元法（ FEM ）
基本思想
6、三次设计法
（1）系统设计（第一次设计）
对系统结构和功能进行设计，提出初始设计方案。
（2）参数设计（第二次设计）
在初始设计方案基础上，对各零部件参数进行优化组合。
（3）容差设计（第三次设计）
在最佳设计方案基础上，分析导致产品输出特性变动的原 因，找出关键零部件，确定合适的容差
3.2.3 现代设计方法简介
3.3 机械创新设计
•3.3.2 创新思维
➢形象思维与抽象思维：
形象思维：人脑对客观事物或现象的外在特点
和
具体形象的反映活动。
抽象思维：凭借概念、判断、推理而进行的反
映
客观现实的思维活动。
3.3.2 创新思维
➢发散思维和收敛思维：
发散思维：一种求出多种答案的思维形式。 •收敛思维：一种寻求某种正确答案的思维形式。 •在创造活动中，光有发散思维的活动并不能使问 题获得有效的解决，所以发散思维之后尚需进行 收敛思维。 •这两种思维的有效结合组成了创造活动的一个循 环过程。
1、产品
指作为单独研究和分别试验对象的任何元件、器 件、设备和系统。
4、可靠Байду номын сангаас设计
2、规定时间
产品的可靠性只能在一定的时间范围内达到目标 可靠度，故讨论产品的可靠性需要在一定的规定 时间内进行。
3、规定条件
指产品的使用条件、维护条件、环境条件和操作 技术。
4、可靠性设计
4、规定功能
一个产品往往具有若干项功能。完成规定的功能 是指完成这若干项功能的全体，而不是指其中一 部分。
传统设计的每一个环节都是依靠设计者用手 工方式来完成的：
方案设计
3.2 现代设计方法
分析计算 信息处理、经验或知识的存储和重复使用没有一 个理想有效的方法 传统设计是以静态分析、近似计算、经验设计、 手工劳动为特征的设计方法。
现代设计
实质上是新理论、新方法、新技术在设计中的应 用, 服从传统设计流程，克服传统设计的不足
3.3 机械创新设计
•自主创新是科技发展的灵 魂，是一个民族发展的不竭 动力，是支撑国家崛起的筋 骨。没有自主创新，我们就 难以在国际上争取平等地位 ，就难以获得应有的国家尊 严，甚至难以自立于世界民 族之林。
•
——温家宝
3.3 机械创新设计
• 人们对创新的误解
•创新 ？？？ •那应该是牛顿 、爱因斯坦、爱 迪生……名人伟 人的专利！ •与我无关
5、能力
产品发生故障具有偶然性，故不能仅看一个产品 的情况，而应观察大量同类产品或一定数量的样 品试验数据，方能确定其可靠性的高低。
4、可靠性设计
可靠性设计——以概率论和数理统计为基础
，为保证产品可靠采用的一系列分析与设计技术
机械产品的可靠性设计分为：
1、方案论证阶段：可靠性指标 2、审批阶段：可靠性的评价 3、设计研制阶段：可靠性预测、分配和故障模式 4、生产及试验阶段：规范生产、进行寿命试验等 5、使用阶段：收集可靠性数据
•并行设计的建模与仿真 •多功能团队的协同工作 •产品数据交换技术 •产品数据管理(PDM)