产品现代设计方法概论教学讲义

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1、65第1章 产品现代设计方法概论第1章 产品现代设计方法概论产品是多种多样的，现代设计方法也五花八门。本章概要讲述如下内容：q 产品的含义与设计原则q 产品的分类q 现代设计理论与方法q 现代模拟分析技术q 现代数字化设计与分析软件q 现代数字化造型技术与约束技术1.1 产品的含义与设计原则1.1.1 产品的含义从经济学上讲，产品是劳动生产物，是人类的劳动成果，是人们通过劳动手段对劳动对象进行加工所形成的，适合人类生产和生活需要的一定劳动成果。在市场经济条件下，产品流向市场就变成一种商品。从产品整体概念上讲，广义的产品是指向市场提供的、能满足人们某种需要和利益的物质产品及其非物质形态的服务。物

2、质产品主要包括产品的实体及其品质、特色如色泽、味道、成分等、式样、品牌和包装，它们能满足顾客对使用价值的需要；非物质形态的服务主要包括售后服务和保证、产品形象、销售声誉等。后者可以给顾客带来利益和心理上的满足、信任感，具有象征性价值，能满足人们精神及心理上的需要。从现代市场营销的角度看待产品，就满足消费者需求来说，作为整体产品必须包括3个层次的含义，即核心含义、形式含义和延伸含义。产品的核心含义是指产品提供给顾客的基本效用或利益，也可以说是产品的基本功能，这是消费者需求的核心内容；产品的形式含义是指产品向市场提供的实体和劳务的外观，是扩大化了的核心产品，也是一种实质性的东西，它由5个标志构成，

3、即产品的质量、款式、特点、商标及包装；产品的延伸含义是指顾客购买产品时所得到的附加利益，它能给顾客带来更多的利益 和更大的满足，如维修服务、咨询服务、贷款、交货安排、仓库服务等能够吸引顾客的东西。在现代营销环境下，企业销售的不仅是单纯的功能，而且是产品整体概念下的一个系统。在竞争日益激烈的市场环境下，扩大延伸含义的产品（即产品给顾客带来的附加利益）已经成为企业市场竞争的重要手段。没有产品整体概念，就不能建立现代营销观念。固守传统的产品概念，忽视消费者对一种产品的多样化的需求，就不可能获得经营上的成功。在现代市场营销学中，产品概念具有极其宽广的外延和深刻而丰富的内涵，它指通过交换而满足人们需要和

4、欲望的因素或手段。包括提供给市场，能够满足消费者或用户某一方面需求和欲望的任何有形物品和无形产品。产品的整体含义具体由以下5个基本层次构成。1核心产品核心产品是指向顾客提供的产品的基本效用或利益。从根本上说，每一种产品实质上都是为解决问题而提供的服务。例如，对旅馆来说，晚间宾客购买的就是“休息和睡觉”这一核心产品。2形式产品形式产品是指核心产品借以实现的形式或目标市场对某一需求的特定满足形式。形式产品由5个特征构成，即品质、式样、特征、商标及包装。例如，拥有许多客房的建筑物就是旅馆的基本形式。3期望产品期望产品是指购买者在购买该产品时期望得到的与产品密切相关的一整套属性和条件。例如，旅馆的客人

5、期望得到清洁的床位、洗浴香波、浴巾、衣帽间的服务等。因为大多数旅馆均能满足旅客这些一般的期望，所以旅客在选择档次大致相同的旅馆时，一般不是选择哪家旅馆能提供期望产品，而是根据哪家旅馆就近和方便而定。4延伸产品延伸产品是指顾客购买形式产品和期望产品时，附带获得的各种利益的总和，包括产品说明书、保证、安装、维修、送货、技术培训等。就拿旅馆来说，可以用提供电视、鲜花、快速结账服务、美味餐饮的优质房间服务来增加其产品的内涵。5潜在产品潜在产品是指现有产品包括所有附加产品在内的，可能发展成为未来最终产品的潜在状态的产品。潜在产品指出了产品可能的演变趋势和前景。产品整体概念的5个层次十分清晰地体现了以顾客

6、为中心的现代营销观念。这一概念的内涵和外延都是以消费者需求为标准的，由消费者的需求来决定的。可以说，产品整体概念是建立在“需求=产品”这样一个等式基础之上的。没有产品整体概念，就不可能真正贯彻现代营销观念。从一个物质产品的生命周期上讲，它要经过市场需求调查、概念酝酿形成、原理与技术创新、方案设计、详细设计、模拟分析、试制定型、批量生产、市场营销、运行维护、维修服务、回收再利用等阶段。本章讲的产品首先是指有形的物质产品，但是也包括满足人们精神和生理、心理需要的无形产品。1.1.2 产品的设计原则可将产品的设计原则归纳为如下8条：（1）使用方便，具有实用性。（2）造型美观，具有创造性。（3）价格便

7、宜，具有经济性。（4）线条简洁，具有细节内容。（5）结构合理，具有可制造性。（6）符合生态平衡和环境保护。（7）符合人机学原理与使用安全性。（8）颜色协调，具有观赏性。在具体的产品设计过程中，要努力使这8条和谐统一，不要顾此失彼，更不要以牺牲环境、破坏生态为代价。1.2 产品的分类如前所述，产品分为有形的物质产品和无形的精神产品。而有形的物质产品又可以分为机械产品、电子产品、航空航天产品、汽车、船舶、消费品等。其中每种有形产品还可以细分为很多子类，例如，中国机械网将“机械产品”细分的子类型为工具、模具、五金、风机、机械五金零件、包装机械、工程机械、建材机械、化工机械、石油机械、制药机械、医疗器

8、械、环保机械、农业机械、仪器仪表、木工机械、汽配、摩配、造纸机械、印刷机械、食品机械、机电设备、电厂设备、电热设备、喷射喷雾设备、烘箱燃烧炉、交通工具、泵及真空设备、电子电气机械、粮油加工机械等。1.3 现代设计理论与方法1.3.1 产品的现代设计理论与方法早期的制造业，以量产为特征，设计主要针对一种或一类产品，对创新程度要求不高，且允许较长时间和较大资金的投入。而随着市场竞争的日益激烈和经济全球化的发展，以及用户对产品的个性化和多样化的要求，产品创新的空间空前扩大，对创新程度的要求也越来越高。同时，产品的复杂程度、涉及的技术和科学领域以及竞争压力，迫使制造业对新创意、新技术的追求更为强烈，同

9、时也迫使产品开发周期缩短，更新频率加快，投入的资金也越来越少。也就是说，既没有足够的时间，也没有足够的资金来建设和运作资源。这就使设计必须依赖外源，即外部的智力资源。毋庸置疑，现代设计是以知识为基础的，以知识获取为中心，设计是知识的物化，新设计是新知识的物化。现代设计中的每个设计总是由许多不同利益方合作来完成的，对产品也应当有一种广义的理解：产品也可以是一个过程、一个软件或一个组织结构。因此，传统的设计理论与方法已经不能适应这样一种设计活动的要求，市场的变化和资源结构的变化，以及设计在制造业中的作用，也对设计理论与方法提出了新的命题。1产品的现代设计理论现代设计理论主要由设计过程理论、性能需求

10、驱动理论、知识流理论和多方利益协调理论4部分构成。（1）设计过程理论设计过程理论是研究设计过程构成及任务的理论。设计过程的复杂程度是与所设计的对象复杂程序、涉及的智力资源的复杂程度相关的。设计过程一般可以分为三个阶段，第一阶段是任务的提出，确定需求和潜在的需求；第二阶段是可理解的形成，即概念设计，包括扫描技术可能和产生矛盾统一设想；第三阶段是对可能解的评估、优选和确认，并产生最终解，称为结构设计和详细设计，包括经济和技术分析、设想的优选和确认、结构的优选和确认、材料的优选和确认、加工过程的优选和确认、综合评价和产生及表达最终解。设计过程示意图如图1-1所示。 图1-1 设计过程示意图然而，环境

11、变化会要求与过程构成任务相关的概念等发生相应的变化，但设计过程理论必须以“创新是设计的灵魂”作为原则，才能符合“制造业的竞争实际上是设计竞争”的时代特征。从竞争的角度来看，构成产品竞争力的要素有性能（包括功能和质量）、价格（包括成本、效益）、交货期、售后服务（包括维修、升级和培训）、环境（包括人、机）相容性和营销策略。确定竞争策略有多种选择，但从根本和长远的角度考虑，还是要制造具有别人不能制造的性能的产品。只有功能上的创意和质量上的保证，才能使产品具有全新的卖点和较强的竞争力。（2）性能需求驱动理论从竞争的角度看，设计的任务是要制造出别人不能制造的性能的产品，所以，性能或满足性能需求成为设计追

12、求的主要目标。也就是说，设计是由性能需求驱动的。性能是功能和质量的集成，质量是功能实现和保持性的度量。在全生命周期设计中，设计对象就是一个时变系统，功能和质量是时间函数，全生命周期设计要预测和控制这个函数，同时还要预测和控制与约束条件有关的变量。对于多数产品，真正意义上的全生命周期设计还做不到，但这是设计追求的目标。用户对产品的要求是从性能出发的，是设计的起点和完成标志，性能特征应当成为控制整个设计过程的基本特征。设计过程就是在“要达到什么（性能）”和“如何达到（即解决方案）”之间反复迭代的过程。性能驱动，有时是功能需求驱动，有时是质量需求驱动，有时则是功能需求和质量需求交替驱动；可能来自外源

13、，可能是知识服务，也可能是另一个设计或产品。所以，到外界去寻求服务和评估得到可能解，是性能需求驱动和满足性能需求的标准。（3）知识流理论现代设计是以知识为基础，以新知识获取为中心的。所以从某个角度看，设计的过程可以看成是知识在设计的各个节点和各个相关方面之间的流动过程。现在产品设计竞争的焦点之一就是如何尽快引进最新技术。在分布式智力资源的环境下，企业要进行产品开发，就必须直接面对知识流的问题。研究知识流实际上就是研究动态的知识，包括知识的分类、动态特征、运动机制、知识获取和流动控制，研究目标是为以知识获取为中心的设计活动作出清晰的描述，为研究实现方法和工具研发提供理论基础。从流动完成的任务及特

14、征看，知识流可以分为四类：第一类流动为知识融合并物化为解决方案，知识在这里流过所有设计过程主要决策节点；第二类流动为知识及知识获取服务，知识和知识获取是资源依赖的，知识和获取的新知识是由分布的智力资源汇集到设计的决策节点上的；第三类流动是信息到知识的转变，是在各个智力资源单元内部进行的，根据请求方的请求采集信息并加工成为可以支持设计的知识流动；第四类流动是信息采集，是各个智力资源单元根据需要采集信息过程中的流动。设计过程中知识流动的一般路径如图1-2所示。可以看出，设计活动就是各种不同类型知识的流动。图1-2 设计过程中知识流动的一般路径（4）多方利益协调理论由于一个设计是由不同的利益方完成的

15、，因此，设计的最终解释不能实现通常意义上的最优，而且也不能由通常优化算法得到。即使是多目标优化，也只能获取非意愿知识和实现非意愿决策。既然设计要由不同的利益方完成，那么设计的完成就体现了各参与方的主要利益。各参与方具有不同的利益属主，选择某种解决方案会给各方带来不同的利益，即参与各方对于决策会有不同意愿。所以，认识的统一和合作的进行，就要求各方在保证主要利益的前提下，在次要利益上让步。其中的规律就构成了多方利益协调理论。2产品的现代设计方法设计方法是设计理论的具体化和实用化。现代设计方法是基于现代设计理论形成的方法，是科学方法论在设计中的应用，它融合了信息技术、计算机技术、知识工程和管理科学等

16、领域的知识，借助理论指导设计可减少传统设计中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。产品的现代设计方法多达几十种，下面介绍其中的10种。（1）优化设计优化设计（Optimal Design）是一种规格化的设计方法，它首先要求将设计问题按优化设计所规定的格式建立数学模型，选择合适的优化方法及计算机程序，然后再通过计算机的计算，自动获得最优设计方案。（2）可靠性设计可靠性设计（Reliability Design）是指在规定时间内、规定的条件下，以概率论和数理统计为理论基础，以失效分析、失效预测及各种可靠性试验为依据，以完成产品规定功能为目标的现代设计方法。（3）模块化设计模块

17、化设计是指对于一定范围内的不同功能，或相同功能条件下的不同性能规格的产品，在进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块。通过模块的选择与组合，可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。（4）反求工程设计反求工程设计（Reverse Engineering Design）是将已经存在实物转变为CAD模型的一种工程设计方法。这种方法能将实物的形状转变成数据文件，然后在计算机屏幕上再现。所以说，它是数字化技术和几何模型重建技术的总称。这是狭义反求的概念，广义反求工程不仅有产品造型的反求，还有工艺反求、管理反求、材料反求等。反求工程的实施主要靠测量仪器完成。仪器的测量头在实物上扫描，获取

18、数据，然后经过处理成像。（5）绿色产品设计绿色产品设计是指在生态哲学的指引下，运用生态思维，将物的设计纳入到“人、机、环境”系统，既考虑满足人的需求，又注意生态环境的保护和可持续发展的原则，即既实现社会价值又实现自然价值，促进人与自然的和谐协调、共同繁荣。（6）工业造型设计工业造型设计是以工业产品为对象，从美学、自然科学、经济学等方面出发，专注于批量生产的三维空间的产品之美与有用性，进行材料、构造、加工方法、功能性、合理性、经济性、审美性的推敲和设计。（7）人机工程设计人机工程设计是从人机工程学的角度考虑机械设计、处理机械和人的关系，以便使设计满足人的需要。（8）创新设计创新设计是基于创新的设

19、计思维和创造技法以及“人、机、环境”大系统观探讨各种产品的新原理、新方案、新解法等。（9）并行工程并行工程是对产品设计和相关过程（包括制造过程和支持过程）进行集成，开展并行设计的一种系统化方法。换句话说，并行工程是产品设计阶段侧重于同时考虑产品全生命周期（从概念形成到产品回收或报废处理）中的各种主要性能指标，从而避免在产品研制后期出现不必要的返工与重复性工作。因此，并行工程有时表达为并行产品设计，有时表达为并行产品开发（本书认为两者是同一个含义）。（10）价值工程价值工程简称VE，亦称VA，它是技术与经济相结合分析产品和劳务价值的一种方法。其目的在于分析产品的功能与产品的成本，在保证产品功能的

20、条件下，降低产品的成本，或者在一定产品成本的条件下，提高产品功能，从而保证提高产品的价值。3关于计算机辅助工程和人工智能广义的计算机辅助工程CAE涵盖了狭义计算机辅助设计CAD、狭义计算机辅助工程分析CAE、计算机辅助工艺过程设计CAPP、狭义计算机辅助制造CAM、产品数据管理PDM和产品生命周期管理PLM，以及制造资源计划MRP II与企业资源计划ERP等，而广义的计算机辅助设计CAD则包括狭义的计算机辅助工程分析CAE，广义的计算机辅助制造CAM则包括计算机辅助工艺过程设计CAPP。本书讲述的是广义的计算机辅助设计，即CAD/CAE。计算机辅助设计（Computer A

21、ided Design）的高速发展使其边界越来越模糊，凡可以计算机化的设计内容均可列为CAD的范畴，如辅助绘图、仿真、多媒体、并行工程、网络远程设计等。但不管CAD内容多么丰富，它只是一种技术范畴，并不是前面所述的设计理论和设计方法。作为设计应用来说，它是一种强有力的手段，其能力和发展依赖于上述各项理论和科学技术的发展。人工智能（AI）的提出和发展改变了单纯靠脑力劳动来决策事物的思维方式，而是用计算机来模拟人，主要有专家系统和神经网络两大分支。人工智能（AI）仍属于技术范畴。技术不是理论或方法，但它的功能和解决问题的能力会超过某种理论和方法。理论、方法和技术是相辅相成的，成为现代产品

22、设计的实际应用。1.3.2 机械产品方案的现代设计方法与发展趋势根据目前国内外设计学者进行机械产品方案设计所用方法的主要特征，可以将机械产品方案的现代设计方法概括为以下4大类型。1系统化设计方法系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。系统化设计思想于20世纪70年代由德国学者Pahl和Beitz教授提出，他们以系统理论为基础，制定了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。德国工程师协会在这一设计思想的基础上制定出标准VDI2221技术系统和产品

23、的开发设计方法。制定的机械产品方案设计进程模式，基本上沿用了德国标准VDI2221的设计方式。除此之外，我国许多设计学者在进行产品方案设计时还借鉴和引用了其他发达国家的系统化设计思想，其中具有代表性的3个方面介绍如下：（1）将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。（2）将产品看作有机体层次上的生命系统，并借助于生命系统理论把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。同时采用了生命系统图符抽

24、象地表达产品的功能要求，形成产品功能系统结构。（3）将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题。一是把要设计的产品作为一个系统处理，最佳地确定其组成部分（单元）及其相互关系；二是将产品设计过程看成一个系统，根据设计目标，正确、合理地确定设计中各个方面的工作和各个不同的设计阶段。由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同，进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。诸如设计元素法、“构思”“设计”法、矩阵设计法、键合图法等。2结构模块化设计方法从规划产品的角度提出：定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品解（如通用零件部件等）描述设计任务，即分解任务时就考虑每个分任务是

25、否存在对应的产品解，这样，能够在产品规划阶段就消除设计任务中可能存在的矛盾，早期预测生产能力、费用，以及开发设计过程中计划的可调整性，由此提高设计效率和设计的可靠性，同时也降低新产品的成本。Feldmann将描述设计任务的功能化产品结构分为4层：产品功能组成主要功能组件功能元件，并采用面向应用的结构化特征目录，对功能元件进行更为具体的定性和定量描述。同时研制出适合于产品开发早期和设计初期使用的工具软件STRAT。认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具有新型解的专用功能只是少数，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、制造风险十分有利。提倡在产品功能分析的基

26、础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。理想的模块化基本结构应该具有标准化的接口（联接和配合部），并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和CAD技术，将变形设计与组合设计相结合，根据分级模块化原理，将加工中心机床由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级，并利用专家知识和CAD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块，再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。以设计为目录作为选择变异机械结构的工具，提出将设计

27、的解元素进行完整的、结构化的编排，形成解集设计目录，并在解集设计目录中列出评论每一个解的附加信息，非常有利于设计工程师选择解元素。根据机械零部件的联接特征，将其归纳为以下4种类型：（1）元件间直接定位，并具有自调整性的部件。（2）结构上具有共性的组合件。（3）具有嵌套式结构及嵌套式元件的联接。（4）具有模块化结构和模块化元件的联接。并采用准符号表示典型元件和元件间的联接规则，由此实现元件间联接的算法化和概念的可视化。在进行机械系统的方案设计中，用“功能建立”模块对功能进行分解，并规定功能分解的最佳“粒化”程度是功能与机构型式的一一对应。“结构建立”模块则作为功能解的选择对象以便于实现映射算法。

28、3基于产品特征知识的设计方法基于产品特征知识设计方法的主要特点是：用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验，建立相应的知识库及推理机，再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征，以及设计领域专家的知识和经验进行推理和决策，完成机构的型和数的综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计，必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。为此，国内外设计学者针对机械系统方案设计知识的自动化处理做了大量的研究工作，采用的方法可归纳为以下5种。（1）编码法根据“运动转换”功能（简称功能元）将机构进行分类，并利用代

29、码描述功能元和机构类别，由此建立起“机构系统方案设计专家系统”知识库。在此基础上，将二元逻辑推理与模糊综合评判原理相结合，建立了该“专家系统”的推理机制，并用于四工位专用机床的方案设计中。利用生物进化理论，通过自然选择和有性繁殖使生物体得以演化的原理，在机构方案设计中运用网络图论方法将机构的结构表达为拓扑图，再通过编码技术把机构的结构和性能转化为个体染色体的二进制数串，并根据设计要求编制适应值，运用生物进化理论控制繁殖机制，通过选择、交叉、突然变异等方式，淘汰适应值低的不适应个体，以极快的进化过程得到适应性最优的个体，即最符合设计要求的机构方案。（2）知识的混合型表达法针对复杂机械系统的方案设

30、计，采用混合型的知识表达方式描述设计中的各类知识尤为适合，这一点已得到我国许多设计学者的共识。在研制复杂产品方案设计智能决策支持系统DMDSS中，将框架、规则、过程和神经网络等知识表示方法有机地结合在一起，以适应设计中不同类型知识的描述。将多种单一的知识表达方法（框架、规则和过程）按面向对象的编程原则，用框架的槽表示对象的属性，用规则表示对象的动态特征，用过程表示知识的处理，组成一种混合型的知识表达形式，并成功地研制出“面向对象的数控龙门铣床变速箱方案设计智能系统GBCDIS”和“变速箱结构设计专家系统GBSDES”。（3）利用基于知识的开发工具在联轴器的CAD系统中，利用基于知识的开发工具N

31、EXPERT-OBJECT，借助于面向对象的方法，创建了面向对象的设计方法数据库，为设计者进行联轴器的方案设计和结构设计提供了广泛且可靠的设计方法谱。利用NEXPERT描述直线导轨设计中需要基于知识进行设计的内容，由此寻求出基于知识的解，并开发出直线导轨设计专家系统。（4）设计目录法构造了“功能模块”、“功能元解”和“机构组”三级递进式设计目录，并将这三级递进式设计目录作为机械传动原理方案智能设计系统的知识库和开发设计的辅助工具。（5）基于实例的方法在研制设计型专家系统的知识库中，采用基本谓词描述设计要求、设计条件和选取的方案，用框架结构描述“工程实例”和各种“概念实体”，通过基于实例的推理技

32、术产生候选解来匹配产品的设计要求。4智能化设计方法智能化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、智能化设计软件和虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、描述产品的结构。在利用数学系统理论的同时，考虑了系统工程理论、产品设计技术和系统开发方法学VDI2221，研制出适合于产品设计初期使用的多媒体开发系统软件MUSE。在进行自动取款机设计时，把产品的整个开发过程概括为“产品规划”、“开发”和“生产规划”3个阶段，并且充分利用了现有的CAD尖端技术虚拟现实技术。（1）产品规划构思产品。其任务是确定产品的外部特性，如色彩、形状、表面质量、人机工程等

33、，并用CAD立体模型表示出最初的设想，建立能够体现整个产品外形的简单模型，该模型可以在虚拟环境中建立，借助于数据帽和三维鼠标，用户还可在一定程度上参与到这一环境中，并且能够迅速地生成不同的造型和色彩。立体模型是检测外部形状效果的依据，也是几何图形显示设计变量的依据，同时还是开发过程中各类分析的基础。（2）开发设计产品。该阶段主要根据“系统合成”原理，在立体模型上配置和集成解元素，解元素根据设计目标的不同有不同的含义：可以是基本元素，如螺栓、轴或轮毂联接等；也可以是复合元素，如机、电、电子部件、控制技术或软件组成的传动系统；还可以是要求、特性、形状等。将实现功能的关键性解元素配置到立体模型上之后

34、，即可对产品的配置（设计模型中解元素间的关系）进行分析，产品配置分析是综合“产品规划”和“开发”结果的重要手段。（3）生产规划加工和装配产品。在这一阶段中，主要论述了装配过程中CAD技术的应用，提出用计算机图像显示解元素在相应位置的装配过程，即通过虚拟装配模型揭示造型和装配间的关系，由此发现难点和问题，并找出解决问题的方法，将CAD技术综合应用于产品开发的3个阶段，可以使设计过程的综合与分析在“产品规划”、“开发”和“生产规划”中连续地交替进行。因此，可以较早地发现各个阶段中存在的问题，使产品在开发进程中不断地细化和完善。我国利用虚拟现实技术进行设计还处于刚刚起步阶段。利用面向对象的技术，重点

35、研究了按时序合成的机构组合方案设计专家系统，并借助于具有高性能图形和交换处理能力的OpenGL技术，在三维环境中从各个角度对专家系统设计出的方案进行观察，如运动中机构间的衔接状况是否产生冲突等。将构造标准模块、产品整体构造及其制造工艺和使用说明的拟定称之为快速成型技术。建议在产品开发过程中将快速成型技术、多媒体技术以及虚拟表达与神经网络（应用于各个阶段求解过程需要的场合）结合应用。指出随着计算机软、硬件的不断完善，应尽可能地将多媒体图形处理技术应用于产品开发中，如三维图形（立体模型）代替装配、拆卸和设计联接件时所需的立体结构想象力等。利用智能型CAD系统SIGRAPH-DESIGN作为开发平台

36、，将产品的开发过程分为概念设计、装配设计和零件设计，并以变量设计技术为基础，建立了胶印机凸轮连杆机构的概念模型。从文献介绍的研究工作看，其概念模型是在确定了机构型综合和机械数综合的基础上，借助于软件SIGRAPH-DESIGN提供的变量设计功能，使原理图随着机构的结构参数变化而变化，并将概念模型的参数传递给下一级的装配模型、零件设计。5各类设计方法评述及发展趋势综上所述，系统化设计方法将设计任务由抽象到具体（由设计的任务要求到实现该任务的方案或结构）进行层次划分，拟定出每一层欲实现的目标和方法，由浅入深、由抽象至具体地将各层有机地联系在一起，使整个设计过程系统化，使设计有规律可循，有方法可依，

37、易于设计过程的计算机辅助实现。结构模块化设计方法视具有某种功能的实现为一个结构模块，通过结构模块的组合实现产品的方案设计。对于特定种类的机械产品，由于其组成部分的功能较为明确且相对稳定，结构模块的划分比较容易，因此，采用结构模块化方法进行方案设计较为合适。由于实体与功能之间并非是一一对应的关系，一个实体通常可以实现若干种功能，一个功能往往又可通过若干种实体予以实现。因此，若将结构模块化设计方法用于一般意义的产品方案设计，结构模块的划分和选用都比较困难，而且要求设计人员具有相当丰富的设计经验和广博的多学科领域知识。机械产品的方案设计通常无法采用纯数学演算的方法进行，也难以用数学模型进行完整的描述

38、，而需根据产品特征进行形式化的描述，借助于设计专家的知识和经验进行推理和决策。因此，欲实现计算机辅助产品的方案设计，必须解决计算机存储和运用产品设计知识、专家设计决策等有关方面的问题，由此形成基于产品特征知识的设计方法。目前，智能化设计方法主要是利用三维图形软件和虚拟现实技术进行设计，直观性较好，开发初期用户可以在一定程度上直接参与到设计中，但系统性较差，且零部件的结构、形状、尺寸、位置的合理确定，要求软件具有较高的智能化程度，或者有丰富经验的设计者参与。值得注意的是，上述各种方法并不是完全孤立的，各类方法之间都存在一定程度上的联系，如结构模块化设计方法中，划分结构模块时就蕴涵有系统化思想，建

39、立产品特征及设计方法知识库和推理机时，通常也需运用系统化和结构模块化方法。此外，基于产品特征知识的设计，同时又是方案智能化设计的基础之一。在机械产品方案设计中，视能够实现特定功能的通用零件、部件或常用机构为结构模块，并将其应用到系统化设计有关层次的具体设计中，即将结构模块化方法融于系统化设计方法中，不仅可以保证设计的规范化，而且可以简化设计过程，提高设计效率和质量，降低设计成本。网络技术的蓬勃发展，异地协同设计与制造，以及从用户对产品的功能需求设计加工装配成品，使这一并行工程的实现成为可能。但是，达到这些目标的重要前提条件之一，就是实现产品方案设计效果的三维可视化。为此，不仅三维图形软件、智能

40、化设计软件愈来愈多地应用于产品的方案设计中，虚拟现实技术以及多媒体、超媒体工具也在产品的方案设计中初露锋芒。目前，德国等发达国家正着力于研究超媒体技术、产品数据交换标准STEP，以及标准虚拟现实造型语言VRML（Internet上基于虚拟环境的标准交换格式）在产品设计中的应用。机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进，由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚，目前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计工具软件。作者认为，综合运用文中4种类型设计方法是达到这一目标的有效途径。虽然这些方法的综合运用涉及的领域较多，不仅与机械设计的领域知识有关，而

41、且还涉及系统工程理论、人工智能理论、计算机软硬件工程、网络技术等各方面的领域知识，但仍然是产品方案设计必须努力的方向。国外在这方面的研究已初见成效，我国设计学者也已意识到CAD技术与国际交流合作的重要性，及其应当采取的措施。1.4 现代模拟分析技术1为什么要分析在产品初步设计之后，用户可能需要回答如下问题：（1）零件会不会断裂？（2）它会如何变形？（3）能否使用较少材料而又不影响其性能？2产品开发周期缺少分析工具时，只有经过昂贵且费时的产品开发周期才能回答这些问题。产品开发周期通常包括以下6个步骤：（1）在某三维CAD系统中创建模型。（2）制作该设计的原型。（3）现场测试原型。（4）评估现场测

42、试的结果。（5）根据现场测试结果修改设计。（6）继续此过程，直至获得满意的解决方案。而有了现代模拟分析（又称为设计检查）工具之后，便可帮助用户完成以下工作：（1）使用计算机测试代替昂贵的现场测试，从而减少成本。（2）减少产品开发周期的次数，从而缩短产品问市时间。（3）快速模拟多个概念与情景，使用户在作出最终决定之前有更多思考新设计的时 间，从而优化所做的设计。3应力分析应力分析根据材料、约束及载荷计算零件中的位移、应变及应力。材料在应力达到某个程度时将失效。不同材料可承受不同程度的应力。4有限元分析有限元分析是一种计算机计算方法，根据分析对象是否断裂、疲劳或按设计意图起作用，从而预测现实世界中

43、的对象对压力、热量或振动等条件的反应行为。它称为分析，不过在产品设计周期中，有限元分析是用来预测产品在使用过程中将会发生的事情。有限元分析法将现实对象划分成大量的单元（如1000100000），如微小立方体。各个微小单元在形状上都是规则的，其行为很容易通过设定数学方程得以预知。计算机则会综合所有单元的行为，从而预测实际对象的行为。有限元分析的产生就来自于有限元模型中单元数目有限这个概念。在这之前，工程师都通过积分和微分进行计算，将对象划分成无限数目的单元。有限元分析法用来预测物体的行为，差不多与全部物理现象都有关，如机械应力（应力分析）、机械振动、热传递（传导、对流和辐射）、流体流动（液流和气

44、流）、各种电磁现象、声学等。这些物理现象，又可以分别称之为结构场、热场、电场、磁场、流场、声场等。在20世纪90年代以前，由于计算机的能力所限，有限元模拟只能局限于对单个物理场模拟。现在这种情况开始转变，随着计算科学的发展和计算机能力的提高，使得对多物理场的有限元模拟成为可能。例如，一种压电扩音器涉及3种不同的物理场，即结构场、电场及流体中的声场。对这种产品，只有用具有多物理场耦合分析能力的有限元软件才能求解。本书讲的用Pro/MECHANICA做的有限元分析仍然属于单个物理场，即结构场的分析。将连续实体划分为有限单元的过程称为网格化，有限元素分析程序将模型视为由相互连接的单元组成的网格，如图

45、1-3所示。网格化会生成3D四面实体单元（实体网格）和2D三角形外壳单元（壳网格）等，如图1-4所示。解的精度取决于网格的质量。一般而言，网格越精细，精度就越高。实体网格适用于大模型或复杂的3D模型。壳网格适合薄零件（如钣金）。图1-4（a）和图1-4（b）中所示的圆点称为节点。节点是在其中定义了自由度（DOF）的空间中的坐标位置。一个点的DOF表示该点因结构受载而产生的可能运动。DOF还表示从一个单元向下一单元传递何种力或力矩。有限元分析的结果（变形和应力）通常在节点处给出。支架的CAD模型 细分为小块（元素）的模型图1-3 将模型分为有限单元线性实体单元 抛物线实体单元（a）实体单元

46、60;   线性三角形外壳单元 抛物线三角形外壳单元（b）三角形单元图1-4 实体单元和三角形外壳单元在现实世界中，点可沿6个不同的方向运动，沿X、Y和Z轴向平动以及绕X、Y和Z轴的转动。在FEA中，因为各种原因，节点运动可能被限制。例如，对于2-D单元则无须计算平面外的平动；如果允许节点超出平面移动，则不是2-D单元。节点（建立在单元类型上）的DOF也与通过该节点向单元传递的力类型和约束类型相关。力（轴向力或切应力）与平动DOF等效，力矩与转动DOF等效。这样，要传递绕定轴的力矩，节点必须具有转动DOF。如果节点不具有转动DOF，则分析时该节点所受力矩不起作用。

47、同样地，用转动边界条件约束该节点也不起作用因为它不具备传递力矩的能力。元素共享称为节点的公共点。这些元素的性能在所有可能支持及加载的情景下都很清楚。每个节点的运动都通过X、Y及Z方向的说明来完整描述。这些称为自由度（DOF）。单元是有限元分析的基本建构块，有多种单元类型。有限元分析所使用的单元类型取决于对象类型（将为有限元分析建模）和分析类型（将被执行）。单元是定义节点自由度如何与下一节点相关的数学关系。这些单元可以是线（桁架或梁）、面（2-D或3-D平面和膜）或体（块体或四面体）。单元同样与变形产生应力的方式有关。现代机械设计分析工具以方程表示每个单元的性能，其中考虑了每个单元与其他单元的连

48、接。这些方程将位移与已知材料属性、约束及载荷相关联。然后，程序将方程组织为一个大的联立代数方程组。解之，则会求解出各个节点在X、Y及Z方向上的位移。程序使用这些位移计算各个方向上的应变。最后，程序使用数学表达式计算应力。5线性静态分析假设（1）线性假设所引发的反应与所应用的载荷成正比。例如，如果用户将载荷的量加倍，模型的反应（位移、应变及应力）也将加倍。如果以下条件满足，用户可以作线性假设。 最高应力在由从原点开始的直线所代表的应力-应变曲线的线性范围内，如图1-5 所示。图1-5 线性与非线性图示 计算的最大位移比零件的特性尺寸要小很多。例如，盘的最大位移必须比其厚度要小

49、很多，横梁的最大位移必须比其横截面的最小尺寸小很多。如果此假设未满足，用户需要使用非线性分析。（2）弹性假设如果载荷被移动，零件将返回到其原有形状（无永久变形）。如果此假设未满足，用户需要使用非线性分析。（3）静态假设所有载荷被缓慢且逐渐应用，直到它们达到其完全量值。在达到完全量值后，载荷保持不变（不随时间变化）。由于加速度和速度很小，可忽略不计，因此这种假设允许忽略惯性力和阻尼力。引起相当大的惯性力和（或）阻尼力的随时间变化的载荷可以使用动态分析。动态载荷随时间而变，在许多情况下会引起相当大的不能忽略的惯性力和阻尼力。注意： 验证静态假设很重要，因为动态载荷产生的应力可以高达相同量

50、值的静态载荷所产生的应力的1/（2x）倍，其中x是临界阻尼比。对于具有5%阻尼的轻阻尼结构，动态应力将比静态应力大10倍。共振时情况最坏。 用户可以使用静态分析计算以恒定速度旋转或以恒定加速度移动的物体的结构反应，因为所产生的载荷不随时间而变化。 用户可以使用在Pro/MECHANICA产品中提供的动态反应或非线性动态分析模块来计算动态载荷所引起的结构反应。动态载荷包括振动载荷、冲击、碰撞和随机载荷。6非线性分析（Nonlinear Analysis）在现实世界中，大多数工程问题都包含某种非线性效应。在过去，由于当时分析软件程序的局限性，使用非线性算法解决这些问题是不切实际

51、的。分析人员不得不使用简化的线性逼近作为更快捷、更高效的替代方法，但有时得到的解是无效的。当线性静态分析的假设无效时，用户需要使用非线性分析。例如，如果材料行为为非线性，且变形很大，或者载荷、约束随时间而变。7动态分析（Dynamic Analysis）在惯性或阻尼效应不能忽略时用户需要使用动态分析。用户可对承受动态载荷环境的系统（包括基准激发）进行线性和非线性动态分析。线性动态分析基于自然频率和模式形状。它通过添加不同模式的分布来计算结构的响应。用户可生成模态时间历史算例、谐波算例及无规则振动算例。非线性动态分析可用来处理非线性材料、接触条件及大型位移。8掉落测试分析（Drop Test A

52、nalysis）掉落测试研究评估设计丢落在硬地板上的效应。除引力外，用户指定丢落高度或撞击时的速度。程序解出动态问题为时间函数。在完成分析后，用户可将模型的反应作为时间函数而制作图解和图表。掉落测试功能可帮助工程师设计有可能掉落的产品。它可以显示 3D模型从不同高度掉落时所受冲击的影响。在计算机上为执行虚拟掉落测试提供了一种替代物理掉落测试的低成本方法。9疲劳分析（Fatigue Analysis）承受周期性机械载荷和热载荷的零件、结构会产生疲劳。无论用户设计的是引擎零件还是桥梁，Fatigue 模块都可帮助用户预测疲劳将如何影响产品的整体寿命并找到可能发生严重损坏的区域。要使建模过程更加快速

53、轻松，可以考虑使用之前通过载荷案例或时间步长计算出的与载荷条件相关联的应力。用户还可修改标准数据库中存储的应力或者指定自己的应力，以便为疲劳分析创建最真实的模型。即使引发的应力比所允许的应力极限要小很多，反复装卸载在过一段时间后就会削弱物体。疲劳分析评估模型上周期性装载的效应。10频率分析（Frequency Analysis）当实体从其静止状态受到干扰时，通常会以一定的频率振动，这一频率也称作固有频率或共振频率。对于每个固有频率，实体都呈一定的形状，也称作模式形状。频率分析就是计算固有频率和相关的模式形状。理论上，实体具有无限个模式。对于有限元素分析，理论上讲，有多少个自由度（DOF），就有

54、多少个模式。在多数情况下，只考虑其中的一些模式。如果实体承担的是动态载荷，且载荷以其中一个固有频率振动，则会发生过度反应。这种现象就称为共振。例如，如果一辆汽车的一个轮胎失去平衡，则在一定速度下，由于共振现象，这辆汽车会发生剧烈摇摆；而以其他速度行使时，这种摇摆现象就会减轻或消失。另一个范例是高音（如歌剧演唱者的声音）可能会导致玻璃震碎。频率分析可通过计算共振频率而帮助用户避免共振。它还提供了有关解决动态响应问题的信息。11屈曲分析（Buckling Analysis）受压缩性轴向载荷作用的细长模型（如图1-6所示）在承受一定程度的载荷时，会突然发生较大的横向变形，此现象称为屈曲。在某些情况下

55、，高应力导致材料失效之前会出现屈曲。屈曲可能发生于整个模型或模型局部。12热分析（Thermal Analysis）热分析使设计工程师和分析专家可以对简单模型或复杂的 3D 装配体执行传热分析。 通过热分析，工程师可以研究机械零件和结构在正常运行条件下所遇到的温度变化，进而确定其对产品性能的影响。传热是指热量因温差而从一个区域传输至另一个区域。有3种传热模式和两种传热分析类型。（1）3种传热模式q 传导：是通过材料内部的分子运动来传热，而不会产生材料的任何整体运动。传导是固体传热的主要模式。如果固体各个点的温度不同，热量将从温度较高的点传输至温度较低的点，形成热平衡。热传导示意图如图1-7所示

56、。   图1-6 受轴向载荷的细长模型 图1-7 热传导q 对流：是通过流体运动来传热。对流是固体表面与相邻流体之间传热的主要模式。流体粒子充当热量的载体。热对流示意图如图1-8所示。图1-8 热对流q 辐射：是通过电磁波来传热。辐射与传导及对流不同，它不需要介质，因为电 磁波可在真空中传输。温度越高，辐射的影响就更明显。热辐射示意图如图1-9所示。热分析计算物体中由于以上部分或全部传热模式所引起的温度分布。在上述3种模式中，热能从具有较高温度的介质流向具有较低温度的介质。传导和对流传热需要有中间介质，而辐射传热则不需要。图1-9 热辐射（2）两种传热分析类型q 稳态热分析

57、：此类分析侧重于实体在达到热平衡时的热状况。实体达到热平衡所用的时间则无关紧要。q 瞬态热分析：此类分析侧重于实体在不同时刻的热状况。（3）热应力分析温度变化可能会明显引发实体中的应力。热应力分析会计算热效应引起的应力、应变及位移。13优化分析（Optimization Analysis）对于机械设计专业人员来说，最佳设计应该是一个既节省材料，并且在生命周期内的正常运行过程中又不会损坏或过热的设计。在提出最佳设计的过程中，工程设计专业人员通常需要完成数个系列的样机。样机可以将实验室或现场测试与某些设想结合到一起。优化分析可自动搜索最佳设计。（1）优化分析需要输入的内容q 目标：指明用户的目标。

58、例如，材料用量最少。q 设计变量或几何约束：选择可变尺寸，并设置其范围。例如，孔的直径变化范围是0.51.0英寸，而草图伸长范围则为2.03.0英寸。q 性能约束：设置优化设计必须满足的条件。例如，应力、位移、温度应不超过一定的值，固有频率应处在指定的范围内。（2）优化分析的处理方式q 手工处理：搜索最佳设计时，用户需要尝试不同的几何构造、尺寸、材料、载荷及约束。如果无法自动进行优化分析，则需要手动尝试多种组合，以实现优化。每次更改时，用户都需要重新进行分析并检查结果。q 自动处理：优化分析可使特定构造的手动程序自动化。例如，COSMOSWorks 配备的技术可以快速测出趋势，然后通过最少的运

59、行次数确定最佳解决方案。（3）输出优化分析的结果现代机械设计分析工具，如COSMOSWorks 会设法查找满足几何与性能约束的最佳解决方案。14其他分析类型（Other Types of Analysis）其他分析类型是指液流分析、运动模拟、电磁分析等。15多物理场耦合分析多物理场耦合分析是计算机辅助工程分析CAE的发展方向。它的分析对象不是单一的物理场，而是多个物理场的耦合，如电和热、流体和热、流体和化学及热和结构之间的耦合模型。1.5 现代数字化设计与分析软件现代机械产品的设计与分析已经离不开数字化设计与分析软件的应用了。现代数字化设计与分析软件是以某种操作系统（如Windows、UNIX

60、）为平台的行业应用软件，其中用于机械产品设计与分析的软件介绍如下。 1中端的CAD/CAE集成软件（1）SolidWorksSolidWorks是全球领先的三维产品设计解决方案，提供机械设计、工程分析、运动仿真、数据管理和通信工具。SolidWorks有近100万的专业工程，是目前最流行的基于Windows的应用类型。其优异的性能、易用性和创新性，极大地提高了机械设计工程师的设计效率，在与同类软件的激烈竞争中已经确立了它的市场地位，成为三维机械设计软件的标准，在全球拥有近十万用户。SolidWorks软件的最新版本在设计创新、使用方便性和提高整体性能等方面都得到了显著的加强，包括增强了大装配处

61、理能力、复杂曲面造型能力，以及专门为中国市场的需要而进一步增强的中国国标（GB）内容等。SolidWorks应用程序是一套机械设计与分析自动化软件，它采用了大家所熟悉的Microsoft Windows图形用户界面。SolidWorks每一个新版的新增功能都有200多项，如2007版最重要的新增功能是推出了智能特征技术SWIFT，包含了FeatureXpert（特征专家）、MateXpert（配合专家）、SketchXpert（草图专家）和DimXpert（尺寸专家）4个专家级智能系统；而2008版又在用户界面、工业设计、草图绘制、特征与零件创建、运动算例、COSMOSWorks、尺寸与公差，

62、以及装配体和工程图等方面都有所增强。q SWIFT：让你专注于设计，而非CAD，如图1-10所示。图1-10 专注于设计q 设计重用：轻松安全地使用2D和3D数据，如图1-11所示。q 验证：唯一一款人人都能使用的集成分析工具，如图1-12所示。      图1-11 设计重用   图1-12 集成分析工具q 2D工程图：普通2D工程图创建，如图1-13所示。q 大型装配体：提高管理大型装配体的速度和灵活性，如图1-14所示。   图1-13 普通2D工程图创建   图1-14 大型装配体q 设计数据：通

63、过数据管理提高效率，如图1-15所示。q SolidWorks创新日活动：带领SolidWorks用户、非用户探索，如图1-16所示。    图1-15 设计数据 图1-16 SolidWorks创新日活动SolidWorks的集成分析工具即设计验证工具。使用SolidWorks设计验证工具模拟真实条件并测试多种“假设情形”，以优化产品设计。它包括如下产品。q COSMOSWorks：是完全嵌入SolidWorks软件内部的功能强大、简单易用的设计验证和优化软件。q COSMOSMotion：是完全嵌入SolidWorks软件内部的完整的运动模拟和运动学软件包。q

64、 TolAnalyst：允许直接在SolidWorks内执行公差叠加分析。设计者可以快速检查各种公差情形，以确保其设计合适而且可正确工作。q COSMOSFloWorks：使用通常在高端计算流体动力学程序中才提供的强大功能来重新定义流体分析。q COSMOSEMS：是一款3D现场仿真器，它允许电子产品设计人员仿真零部件暴露在低频电磁电流和电磁场中时的效果。q COSMOSDesignSTAR：设计人员可以通过COSMOSDesignSTAR对使用Autodesk Inventor、Solid Edge和SolidWorks创建的CAD模型进行分析，而不必在每次修改设计时都重新导入数据。（2）Solid EdgeSolid Edge是功能强大的、与SolidWorks齐名的中端三维CAD软件，允许制造公司转换它们的创新流程并取得竞争优势。Solid Edge