現(xiàn)代設計方法的主要內(nèi)容計算機輔助設計計算機輔助設課件

現(xiàn)代設計方法第一章緒論1.1現(xiàn)代設計的概念1.1.1設計的概念

設計是為了滿足人類與社會的功能要求，將預定的目標通過人們創(chuàng)造性思維，經(jīng)過一系列規(guī)劃、分析和決策，產(chǎn)生載有相應得文字、數(shù)據(jù)、圖形等信息的技術(shù)文件，以取得最滿意的社會與經(jīng)濟效益。

現(xiàn)代設計方法1.1.1設計的概念設計是為了滿足1.1.2設計發(fā)展的基本階段（1）直覺設計階段古代設計（2）經(jīng)驗設計階段17世紀初（3）半理論半經(jīng)驗設計階段20世紀初（4）現(xiàn)代設計階段近30年1.1.2設計發(fā)展的基本階段（1）直覺設計階段古代設計1.1.3現(xiàn)代設計與傳統(tǒng)設計

傳統(tǒng)設計是以經(jīng)驗總結(jié)為基礎，運用力學和數(shù)學而形成的經(jīng)驗、公式、圖表、設計手冊等作為設計的依據(jù)，通過經(jīng)驗公式、近似系數(shù)或類比方法進行設計。傳統(tǒng)設計在長期運用中得到不斷地完善和提高，是符合當代技術(shù)水平的有效設計方法。但由于所用的計算方法和參考數(shù)據(jù)偏重于經(jīng)驗的概括和總結(jié)，往往忽略了一些難解或非主要的因數(shù)，因而造型設計結(jié)果的近似性較大，也難免有不確切和失誤。此外，在信息處理、參量統(tǒng)計和選取、經(jīng)驗或狀態(tài)的存儲和調(diào)用等還沒有一個理想的有效方法，解算和繪圖也多用手工完成，所以不僅影響設計速度和設計質(zhì)量的提高，也難以做到精確和優(yōu)化的結(jié)果。傳統(tǒng)設計對技術(shù)與經(jīng)濟與美學也未做到很好的統(tǒng)一，使設計帶來一定局限性。1.1.3現(xiàn)代設計與傳統(tǒng)設計傳統(tǒng)設計是以經(jīng)驗總

隨著科技發(fā)展，新工藝、新材料的出現(xiàn)，微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)及控制技術(shù)等新技術(shù)對產(chǎn)品設計的滲透和有機結(jié)合，與設計相關(guān)的基礎理論的深化和設計新方法的涌現(xiàn)，都給產(chǎn)品設計開辟了新途徑。使產(chǎn)品設計跨上了現(xiàn)代設計的水平。在這一時期，國際上在設計領域相繼出現(xiàn)了一系列有關(guān)設計學的新興理論與方法。為了強調(diào)他們對設計領域的革新，以區(qū)別于傳統(tǒng)理論和方法，把這些新興理論與方法統(tǒng)稱為現(xiàn)代設計。當然，現(xiàn)代設計不僅指設計方法的更新，也包含了新技術(shù)的引入和產(chǎn)品的創(chuàng)新。目前現(xiàn)代設計所指的新興理論與方法主要包括：優(yōu)化設計、可靠性設計、設計方法學、計算機輔助設計、動態(tài)設計、有限元法、工業(yè)藝術(shù)造型設計、人機工程、并行工程、價值工程、相似設計、虛擬設計等。隨著科技發(fā)展，新工藝、新材料的出現(xiàn)，微電子技術(shù)1.2現(xiàn)代設計方法的主要內(nèi)容

1.2.1計算機輔助設計

計算機輔助設計（ComputerAidedDesign），簡稱CAD。它是把計算機技術(shù)引入設計過程，利用計算機來完成計算、選型、繪圖及其他作業(yè)的一種現(xiàn)代設計方法。CAD是設計中應用計算機進行設計信息處理的總稱。

1.2現(xiàn)代設計方法的主要內(nèi)容1.2.1計算機輔助設計

它應包括產(chǎn)品分析計算和自動繪圖兩部分功能，甚至擴展到具有邏輯能力的智能CAD。計算機、自動繪圖機及其他外圍設備構(gòu)成CAD的系統(tǒng)硬件，而操作系統(tǒng)、文件管理系統(tǒng)、語言處理程序、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和應用軟件等構(gòu)成CAD的系統(tǒng)軟件。通常所說的CAD系統(tǒng)是指由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件組成，兼有計算、圖形處理、數(shù)據(jù)庫等功能，并能綜合地利用這些功能完成設計作業(yè)的系統(tǒng)，CAD是產(chǎn)品或工程的設計系統(tǒng)。它應包括產(chǎn)品分析計算和自動繪圖兩

CAD系統(tǒng)應支持設計過程各個階段，即從方案設計入手，使設計對象模型化；依據(jù)提供的設計技術(shù)參數(shù)進行總體設計和總圖設計；通過對結(jié)構(gòu)的靜態(tài)或動態(tài)性能分析，最后確定技術(shù)參數(shù)；在此基礎上，完成詳細設計和產(chǎn)品設計。所以，CAD系統(tǒng)應能支持包括：分析、計算、綜合、創(chuàng)新、模擬及繪圖等各項基本設計活動。

CAD的基礎工作是建立產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)庫、圖形庫、應用程序庫。CAD系統(tǒng)應支持設計過程各個階段，即從方案設計入1.2.2優(yōu)化設計

優(yōu)化設計（OptimalDesign）是把最優(yōu)化數(shù)學原理應用于工程設計問題，在所有可行方案中尋求最佳設計方案的一種現(xiàn)代設計方法。進行工程優(yōu)化設計，首先需要將工程問題按優(yōu)化設計所規(guī)定的格式建立數(shù)學模型，然后選擇合適的優(yōu)化計算方法在計算機上對數(shù)學模型進行求解，得到工程設計問題的最優(yōu)設計方案。1.2.2優(yōu)化設計優(yōu)化設計（Optima

在建立優(yōu)化設計數(shù)學模型的過程中，把影響設計方案選取得那些參數(shù)稱為設計變量；設計變量應當滿足的條件稱為約束條件；而設計者選定來衡量設計方案優(yōu)劣并期望得到改進的指標表現(xiàn)為設計變量的函數(shù)，稱為目標函數(shù)。設計變量、目標函數(shù)和約束條件組成了優(yōu)化設計問題的數(shù)學模型。優(yōu)化設計需要數(shù)學模型和優(yōu)化算法放到計算機程序中用計算機自動尋優(yōu)求解。在建立優(yōu)化設計數(shù)學模型的過程中，把影響設計方案1.2.3可靠性設計

可靠性設計（ReliabilityDesign）是以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為基礎，以失效分析、失效預測及各種可靠性試驗為依據(jù)，以保證產(chǎn)品的可靠性為目標的現(xiàn)代設計方法?？煽啃栽O計的基本內(nèi)容是：選定產(chǎn)品的可靠性指標及量值，對可靠性指標進行合理的分配，在把規(guī)定的可靠性指標設計到產(chǎn)品中去。1.2.3可靠性設計可靠性設計（Reliab可靠性的定義：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力；產(chǎn)品的可靠性受“規(guī)定的條件”所制約，不同條件下產(chǎn)品的可靠性可能截然不同，離開了具體條件談論可靠件是毫無意義的。所謂“規(guī)定的條件”是指：①環(huán)境條件(如溫度、濕度、氣壓等)；⑦上作條件(如振動、沖擊、噪音等)；③動力、負載條件(如供電電比、輸出功率等)；④工作方式(如連續(xù)工作、間斷工作等)；⑤使用和維護條件等。同樣，產(chǎn)品的可靠性只能在一定的時間范圍內(nèi)達到目標可靠度，不可能永遠保持目標可靠度而不降低。因此，討論產(chǎn)品的可靠性還需要在一個規(guī)定的時間內(nèi)進行；

可靠性的定義：產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能

可靠性工程是一門綜合運用多種學科知識的工程技術(shù)學科，工作的內(nèi)容也較為廣泛，可靠性設汁基本內(nèi)容有以下幾方面：

(1)根據(jù)產(chǎn)品設計要求確定采用什么可靠性指標并確定可靠性指標及其量值。

(2)進行可靠性預測?？煽啃灶A測是指在設計開始時，運用以往的可靠性數(shù)據(jù)資料計算機械系統(tǒng)可靠件的特征量外進行詳細設計。在不同的階段，系統(tǒng)的可靠性預測需反復進行幾次；

可靠性設計的基本內(nèi)容可靠性設計的基本內(nèi)容(3)對可靠性指標進行合理的分配：將可靠性指標分配到各子系統(tǒng)，并與各子系統(tǒng)能達到的指標相比較，判斷是否需要改進設計。再把改進設計后的可靠件指標分配到各子系統(tǒng)、根據(jù)同樣的方法，可把可靠件指標進一步分配到各個零件。

(4)把規(guī)定的可靠度直接設計到零件中去。(3)對可靠性指標進行合理的分配：將可靠性指標分配到

有限元法（FiniteElementMethod）是以電子計算機為工具的一種現(xiàn)代數(shù)值計算方法

1.2.4有限元法有限元法（FiniteElementMet

機械設計中的一個重要環(huán)節(jié)是研究機械棗部件的應力和變形問題，為強度和剛度等的設計計算提供依據(jù)。眾多的機械零部件通?？梢钥醋魇怯蓷U件、板塊、殼休、塊體等或由它們的組合所組成的結(jié)構(gòu)，在彈性范圍內(nèi)，對于這類構(gòu)件的應力、應變和位移等，可通過彈性力學的方程予以描述和求解。引伸一步來講，從數(shù)學角度看，一個工程問題往往可以通過一個或一系列偏微分方程來描述，如彈性力學基本方程組、塑性力學基本方程組、流體力學基本方程組等。機械設計中的一個重要環(huán)節(jié)是研究機械棗部件的應力但是，由于方程本身的復雜程度和求解域及邊界條件的復雜性，常使對上述偏微分方程(組)的精確求解(解析解)變得十分困難或無法進行。在這種情況下，尋求上述問題的數(shù)值解法以獲取滿足工程精度要求的近似解．就顯得十分重要和必要了。目前，已成功地找到了一些有效和可行的方法，如有限差分法、有限元法及邊界元這等。其中，有限元法目前在工程中的應用最為廣泛，它是一種伴隨著使用高速電子計算機而發(fā)展起來的高效數(shù)值計算方法。但是，由于方程本身的復雜程度和求解域及邊界條件的復雜性，常使基本思路

1．連續(xù)體離散化2．單元分析3．整體分析1．連續(xù)體離散化

有限元法先將連續(xù)體劃分為有限個具有規(guī)則形狀的微小塊體，把每個微小塊體稱為單元，兩相鄰單元之間只通過若干點互相連接．每個連接點稱為節(jié)點。再把作用于各單元上的外載荷，按照虛功原理等效化成各單元的節(jié)點載荷。用劃分后由有限個單元組成的集合體代替原來的連續(xù)體，這一步稱為連續(xù)體的離散化。圖6—1是一懸臂保梁劃分為許多三角形單元的例子，三角形單元的三個頂點部足節(jié)點。基本思路

1．連續(xù)體離散化2．單元分析3．整體分析1．

有限元法是以節(jié)點參數(shù)為基本未知量，根據(jù)所取基本未知量不同，可分為三類：①位移法；以節(jié)點位移作為基本未知量；⑦力法：以節(jié)點力作為基本未知量；⑦混合法：以部分節(jié)點位移利部分節(jié)點力作為基本未知量：由于位移法易于實現(xiàn)計算自動化，因而在工程上得到廣泛采用。有限元法是以節(jié)點參數(shù)為基本未知量，根據(jù)所取基本2．單元分析

如采用位移法計算，首先要針對所選定的單元類型選擇一簡單多項式函數(shù)近似表達單元內(nèi)各位移分量的分布規(guī)律．并把單元內(nèi)任意點位侈分量寫成統(tǒng)一形式的位移插值函數(shù)式，從而通過單元節(jié)點位移，表達出單元內(nèi)任意點的位移、應變和應力。其次，利用虛功原理或變分原理建立單元節(jié)點力與節(jié)點位移之間的特性關(guān)系，稱為單元有限元方程式。該方程式可用矩陣形式表示為{F}i=[K]i。{q}i，其中{F}i是單元節(jié)點載荷分量組成的列陣；{q}i是由基本未知量節(jié)點位移分量組成的列陣；[K]i稱為單元剛度矩陣，它反映了單元節(jié)點力與節(jié)點位移之間存在的特性關(guān)系。不難看出，建立單元剛度矩陣比[K]i是單元分析中的核心．事實上它也是整個有限元分析中的關(guān)鍵性步驟。2．單元分析如采用位移法計算，首先要針對所選定3．整體分析這一步驟也稱作單元綜合。它是通過結(jié)構(gòu)力平衡條件和邊界條件把各個組成整體特性關(guān)系，即建立整體各節(jié)點載荷與節(jié)點位移之間的關(guān)系，形成整體有限元方程式。該方程式仍可用矩陣形式表示為F=Kq，其中F是由全部節(jié)點的載荷分量組成的列陣，q是由全部節(jié)點的位移分量組成的列陣；而K稱為整體剛度矩陣，它是由各單元剛度矩陣[K]i疊加而成的。這表明，最后得到的是一組以全部節(jié)點位移分量為未知量的線性方程組。在引入邊界條件后求解上述聯(lián)立方程組，就可得到連續(xù)體力學問題的數(shù)值解(包括位移、應力和應變等)。3．整體分析這一步驟也稱作單元綜合。它是通過結(jié)構(gòu)力平衡條件和通過以上介紹，不難看出，有限元法是由整體到分塊，又從分塊組集整體的分析方法。通常，劃分單元越多，問題的求解精度也就越高，但是計算量也會隨之迅速增大。由于劃分的單元是有限的，而得到的解也局限在有限的節(jié)點上，因此這種方法被稱作“有限(單)元法”，其“有限”性是相對于解析法中解的無限性而言的。通過以上介紹，不難看出，有限元法是由整體到分塊，又從分塊組集同時還可以看出，有限元法的實際應用要借助兩個重要工具：矩陣算法和電子計算機。有限元法在理論上是將難于直接求解的偏微分方程(組)化解為一系列的線性代數(shù)方程組(對線性問題)或非線性代數(shù)方程組(對非線性問題)，而上述代數(shù)方程組在采用矩陣算法進行處理時其性質(zhì)和解法都是比較完善和成熟的。而大量的線性或非線性方程組的求解，在實際應用中靠人工完成是相當困難的，因此有限元法是在大容量電子計算機出現(xiàn)以后才獲得了飛速發(fā)展。同時還可以看出，有限元法的實際應用要借助兩個重要工具：矩陣算機械系統(tǒng)動態(tài)設計是一項正在發(fā)展中的新技術(shù)．它包含的內(nèi)容十分豐富，涉及現(xiàn)代動態(tài)分析方法、計算機技術(shù)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)動力學理論、設計方法等眾多學科范圍。目前，還沒有形成完整的動態(tài)設計理論、方法和體系，許多問題尚需進行深入廣泛的研究。機械系統(tǒng)動態(tài)設計的大體過程是：對滿足工作性能要求的產(chǎn)品初步設計圖樣，或?qū)π枰倪M的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實物進行動力學建模，并作動態(tài)特性分析。然后，根據(jù)丁程實際情況，給出其動態(tài)特性的要求或預定的動態(tài)設計目標，再按動力學方法直接求解滿足設計日標的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設計參數(shù)，或進行結(jié)構(gòu)修改設計與修改結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性預測，這種修改與修改預測反復多次，直到滿足機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的設計要求，即最后設計出滿意的機械產(chǎn)品。1.2.5動態(tài)設計

機械系統(tǒng)動態(tài)設計是一項正在發(fā)展中的新技術(shù)．它包含的內(nèi)容十分豐內(nèi)容土要包括動態(tài)設計的基本概念；動態(tài)分析中常用的建模方法，包括有限元建模法、傳遞矩陣建模法和實驗建模法。內(nèi)容土要包括1.2.6機電產(chǎn)品造型設計（工業(yè)設計）

工業(yè)藝術(shù)造型設計是工程技術(shù)與美學藝術(shù)相結(jié)合的一門新學科。它是指在保證產(chǎn)品實用功能的前提下，用藝術(shù)手段按照美學法則對工業(yè)產(chǎn)品進行造型活動，對工業(yè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸、體面形狀、色彩、材質(zhì)、線條、裝飾及人機關(guān)系等因素進行有機的綜合處理，從而設計出優(yōu)質(zhì)美學的產(chǎn)品造型。實用和美觀的最佳統(tǒng)一是工業(yè)藝術(shù)造型的基本原則。最終應使產(chǎn)品在保證實用的前提下，具有美的、富有表現(xiàn)力的審美特性。

1.2.6機電產(chǎn)品造型設計（工業(yè)設計）工業(yè)一、造型與形式法則

1．形態(tài)要素及其視覺效果點、線、面、立體、色彩、肌理是構(gòu)成一切形態(tài)的基本要素，稱為形態(tài)要素。產(chǎn)品造型是由形態(tài)要素構(gòu)成的，因而有必要研究形態(tài)要素的構(gòu)成及兵性格。形態(tài)要素造型美的形式法則。

內(nèi)容主要包括：2．造型美的形式法則工業(yè)產(chǎn)品所具有的美的形式是多種多樣的，這些肯定的、實際存在的美的形式具有內(nèi)在的、共同的特性和規(guī)律，就是形式美。形式美是對大量事物的美的形式進行研究、歸納、總結(jié)出來的。它包含反映多種審美要求的若干方面，也就是形式美的若干法則。這些法則有其內(nèi)在的聯(lián)系，造形設計中，并不能依據(jù)一條或幾條法則．經(jīng)純粹的邏輯推理而直接獲得答案；而是要根據(jù)具體情況，靈活地融會貫通，綜合運用這些法則。一、造型與形式法則內(nèi)容主要包括：2．造型美的形式法則二．人機工程

人機工程學簡稱人機學，是研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學、生理學和心理學等方面的各種因素；研究人、機器及環(huán)境的相互作用；研究工作中、家庭生活中與閑暇時怎樣考慮人的健康、安全、舒適和工作效率等問題的學科。

比較人與機器的能力，機器適合于承擔笨重、快速、單調(diào)、精細、規(guī)律性強，大量或復雜的運算和惡劣環(huán)境下的工作。人更適合承擔程序編制、監(jiān)護、故障排除、意外情況處理等工作。二．人機工程人機工程學簡稱人機學，是