现代设计方法-6.现代设计方法前沿.ppt

第六讲 现代设计方法前沿,主要内容,概述 创新设计快速响应设计智能设计全寿命周期设计并行设计面向制造的设计绿色产品设计现代设计技术特点,现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的,以计算机辅助设计技术为主体,以知识为依托,以多种科学方法及技术为手段,研究、改进、创造产品和工艺等活动过程所用到的技术和知识群体的总称。,概述,创新与创新方法,一、创新的概念,1、发现：是指原本早已存在的事物，经过人们不断 努力和探索后被人们认知的具体结果。,4、创新：是指提出或完成具有独特性、新颖性和实 用性的理论或产品的过程。,2、发明：是指人们提出或完成原本不存在的、经过 人们不断努力和探索后提出的或完成的具 体结果。,3、创造：也是一种完成新成果的过程，但可能具有一定的 参照物，而不强调原本不存在的事物。,创新设计技术,5、创新与创造关系：无本质差别，创新是创造的具体 实现。但创新更强调创造成果的 新颖性、独特性和实用性,6、创新分类：,7、创新方式：其一是由无到有的创新，其二是由有 到新的创新,知识创新,技术创新,应用创新,人们认识世界、改造世界的基本理论的总结,针对具体的事物，提出并完成具有新颖性、独特性和实用性的新产品的过程,把已存在的事物应用到某个新领域，并发生很大的社会与经济效益的具体实现过程,创新设计技术,二、创新设计的概念1、设计的概念：是指根据社会或市场的需要，利用已有的知识和经验，依靠人们思维和劳动，借助各种平台（数学方法、实验设备、计算机等）进行反复判断、决策、量化，最终实现把人、物、信息资源转化为产品的过程。,创新设计技术,2、创新设计：是指在设计领域中，提出的新的设计理念、新的设计理论或设计方法，从而得到具有独特性和新颖性的产品。,创新设计技术,1、创造性思维与潜创造能力,逻辑思维,灵感思维,知识,三、创造性思维与创造能力的培养,创新设计技术,2、创新的涌动力,存在于人类自身的潜创造能力，只有在一定压力和一定条件下才会释放出能量。,创新设计技术,四、创新方法简介1、群智集中法：群智集中法又称头脑风暴法 2、仿生创新法3、功能设计创新法4、移置技术创新设计法5、类比求优创新设计法6、反求创新法,创新设计技术,常规设计、现代设计与创新设计,创新设计技术,1、常规机械设计 常规机械设计方法是依据力学和数学建立的理论公式和经验公式为先导，以实践经验为基础，运用图表和手册等技术资料，进行设计计算、绘图和编写设计说明书的过程。,创新设计技术,该方法强调以成熟的技术为基础，目前常规机械设计方法仍然是机械工程中的主要设计方法。各高等工科学校的机械设计教科书主要讲授这种方法。,创新设计技术,轴的结构设计过程,按功率计算出轴的最小直径根据轴上零件的周向固定和轴向固定查阅设计手册结构设计,创新设计技术,2、现代设计方法 现代设计方法强调以计算机为工具，以工程软件为基础，运用现代设计理念进行的机械设计。,可靠性设计、优化设计、有限元设计、计算机辅助设计、虚拟设计等都是常用的现代设计方法。,创新设计技术,现代设计方法在强调运用计算机、工程设计与分析软件和现代设计理念的同时，其基本的设计内容是建立在常规设计的基础上。在强调现代设计方法的时候，不可忽视常规设计方法的重要性。,创新设计技术,3、创新设计方法 机械创新设计是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术知识，进行创新构思、设计出具有新颖性、创造性及实用性机械产品的一种实践活动。,创新设计技术,结论：无论设计方法如何，常规设计仍然是最基本的设计方法，是机械设计课程的根本内容。有关常规设计的基本理论、基本方法与基本技能不应减少。,创新设计技术,快速响应设计简介：上世纪末，在市场快速变化导致的产品快速升级趋势下，基于快速响应工程理论以缩短产品研发周期为目标而形成的设计理念和方法,快速响应设计,一、产生背景,全球买方市场形成,上世纪末以来，生产力高度发展总供给大于需求,产品按用户需求定制生产,、社会背景,用户需求驱动下产品竞争日益激烈,产品不断更新升级换代加快,快速响应设计,、技术背景,科技日新月异信息技术自动化技术计算机技术广泛应用普及,技术更新加快产品技术含量不断提高技术落后产品迅速淘汰,新产品的研制、出现周期缩短现有产品的换代、淘汰加快,快速响应设计,新产品研制周期变化趋势,快速响应设计,、市场背景,市场全球化经济全球化,竞争全球化,围绕T、Q、C、S、E的竞争焦点转移,时间（快速响应客户需求，缩短交货期）成为产品竞争第一要素,快速响应设计,“快速响应市场需求，缩短产品交货期”成为竞争第一要素,快速响应工程,加快产品研制,快速响应设计,全球买方市场社会总供给远大于需求量科技进步，产品更新换代不断加快市场竞争加剧，竞争焦点转移,加快产品设计,快速响应设计,二、快速响应工程的内涵,市场需求的快速捕捉和分析决策产品的快速设计产品的快速制造、试验和定型产品的快速响应制造机制和生产体系,快速响应设计,三、快速响应工程的本质 以时间为评判标准，在从技术角度保证产品设计功能全面技术先进同时以用时少为原则和目标进行产品的设计、研制和开发。,快速响应设计,四、快速响应工程的核心问题,有效利用产品信息资源,市场需求变化及时准确识别,快速设计,快速制造定型,产品客户信息特点、爱好,产品设计信息方法、方案,产品制造信息技术、过程、组织,快速响应工程,获取、识别,重用、重组、更新,重用、交流、共享,快速响应设计,针对快速发展变化的用户需求，及时准确地设计对应产品或实现产品快速更新，满足用户的最新需求 快速响应设计就是快速响应工程在设计领域的体现,五、快速响应设计的概念和内涵,快速响应设计,六、快速响应设计的目标和特点,目标：缩短产品开发周期,特点：在保证产品功能、原理、结构优化同时，将时间作为设计要素实现对设计的进一步优化。,快速响应设计,七、快速响应设计的基本原则对先前设计的重用,1）通过对己有设计（原理、方法、方案、结构）的引用实现问题求解 2）尽量采用标准化、成熟化的零部件来完成新产品设计,快速响应设计,、产品设计相关信息资源有效重组,产品设计信息的归类及规范化、标准化描述,、关系型的产品模型产品功能、原理、结构、材料、工艺、用户）等设计信息资源基于产品自身属性能够建立准确的逻辑关联,八、快速响应设计的核心问题,快速响应设计,、产品设计相关信息资源有效管理实现产品设计相关数据信息动态记录存储和一致性维护的数据库,、快速响应设计产品数据管理平台实现产品设计相关数据信息准确查询检索以及共享重用的软件系统,一、智能设计简介：采用智能工程理论方法研究利用计算机代替人进行设计思维和决策，提高设计自动化水平而对应形成的设计技术和方法。,智能设计,二、智能设计产生背景,CAD、CAM技术普及，快速响应工程开展,产品设计制造过程的高度信息化,设计问题综合优化求解,用户需求、设计数据、制造数据,产品设计制造数据信息的集成分析决策,模仿,专家凭经验,计算机,智能设计,三、智能设计的内涵和目标,内涵：在基于计算机实现绘图、计算等设计自动化的基础上实现更高层次的设计自动化目标：设计问题的分析求解和决策自动化,智能设计,四、智能设计的本质,在记录产品设计相关数据信息的基础上，基于智能工程理论通过对其中所隐含知识的挖掘整理，基于计算机自动实现产品设计中原本由人完成的分析、推理、决策工作,智能设计,五、智能设计与设计技术的对应关系,智能设计,六、智能设计的关键技术,、设计信息的集成、设计知识的表示和挖掘、多方案的并行设计和综合评优、多系统的协同工作及信息处理、再设计与自学习机制、多种推理机制的综合运用、智能化人机交互、适合计算机处理的设计方法和过程模型,智能设计,一、全寿命周期设计概念 在设计阶段就考虑产品生命周期后续制造、使用、回收等环节，使产品全寿命周期所有相关因素在设计阶段就能得到综合规划和优化的设计方法,全寿命周期设计,二、全寿命周期设计内涵在以功能、结构为对象开展设计同时综合考虑可制造、可维修、可回收、无污染等属性实现产品设计优化,三、全寿命周期设计的本质在传统设计基础上的面向“制造、使用维护、回收利用”的设计,四、全寿命周期设计的目标在产品功能、结构、技术优良同时，保证产品可在当前制造、使用环境等客观条件下设计、制造、交付使用一次成功，全面满足用户需求没有反复。,全寿命周期设计,五、全寿命周期设计的内容：并行设计：面向制造的设计：面向环境设计（绿色设计）：面向能源设计：面向材料设计：人机工程设计,全寿命周期设计,集成,全寿命周期设计,六、全寿命周期设计的特点1、集成性（并行、绿色等设计方法的综合应用）2、各部门工作人员分工协作3、分布式环境（设计工作由不同领域设计人员异地合作完成）,全寿命周期设计,七、全寿命周期设计的意义和价值,、缩短产品投放市场的时间、提高质量、降低成本、增强市场竞争力,并行设计定义：是一种对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行和集成设计的系统化工作模式。设计过程中各种活动之间的基本联系和相互作用：串行依赖、并行独立和交互耦合。并行设计过程的基本特征：集成性，反映了产品寿命周期各环节间的耦合作用。组织并行设计进程的两种模式：产品设计与相关过程设计实现并行。以联系方式对产品设计及其相关过程设计进行联系。,并行设计,概念设计,结构设计,工艺设计,工装设计,检验设计,需求分析,产品设计,反馈,串行工程示意图,概念设计,结构设计,工装设计,工艺设计,检验设计,分析评估,需求分析,产品设计,并行设计,并行设计的关键技术,并行环境下的信息抽象与建模技术 产品数据交换标准STEP：保证产品信息在各个环节的转换过程中保持完整性和一致性。质量功能配置QFD：将客户的需求分别转移到产品功能构思、结构和零件设计、工艺规划及作业控制等四个阶段。,并行设计,计算机辅助设计评价和决策 DFMA和RPM DFMA设计公理：设计中必须保持产品及零部件功能的独立性 在设计中必须使产品及零部件的信息量为最少支持并行设计的分布式计算机环境 CSCW（远距离医疗诊断系统）,并行设计,零件的可加工性,零部件加工和装配质量的可检测性,广义可制造性所含内容,部件和整机的可装拆性,零部件和整机性能的可试验性,零部件和整机的可维修性,零部件及材料的可回收性,面向制造的设计,现行的产品开发大都是串行的，设计师的重点考虑实现产品的功能和性能指标。对产品的可制造性和经济性评价较少考虑的原因：设计完成以前产品的可制造性和经济信息不够全面；设计师对企业的制造工艺和制造资源及产品的经济性缺乏全面的了解。广义的DFM包括：面向装配的设计（DFA）面向加工的设计（DFF）,面向制造的设计,技术发展特点,经验方法大多采用少量几个指标来定性评价零件的可制造性，而且凭经验确定权值，不能正确反映产品的可制造性。定量方法一般采用经验公式评价可制造性，只能近似估计。上述DFM系统大多基于零件进行DFM研究。产品可制造性包括的因素很多，各个因素的影响程度也不尽相同。近年来，先进技术的发展为DFM研究提供了有力的技术支持。,面向制造的设计,关键技术,DFM是并行设计的核心，此技术关键在于：集成产品设计和工艺设计目的：使设计的产品易于制造、易于装配，在满足用户要求的前提下降低产品成本，缩短产品开发周期。DFM关键技术包括：计算机辅助概念设计CACD 集成产品信息模型是为产品生命周期的各个环节提供产品的全部的信息。它是开发活动共享信息和并行设计制造的基础。产品可制造性模型及其评价方法的研究并行设计过程建模 并行设计过程的管理、协调、控制是实现DFM的关键。设计试验技术,面向制造的设计,技术发展突破点,面向制造的设计,绿色产品的定义：可以拆卸、分解的产品；原材料使用合理化，并能处理回收的产品；从生产、使用、回收过程对生态环境无害或危害小产品；可翻新和重新利用的产品；综合定义：在产品全生命周期内，节约资源和能源，对生态环境无危害或少危害，对生产者及使用者具有良好保护性的产品。,绿色产品设计,绿色产品的内涵：优良的环境友好性最大限度地利用材料资源最大限度地节约能源可持续发展的定义：“人类应享有以与自然相和谐的方式过健康而富有生产成果的生活的权力”，并“公平地满足今世后代在发展与环境方面的需要”。,绿色产品设计,绿色产品设计概念及其评价标准,绿色产品设计概念：一个核心：是以环境保护为核心概念的设计过程；一个结合：在产品的整个寿命周期内把产品的基本属性和环境属性紧密结合 两个满足：在进行设计决策时，除满足产品的物理目标外，还应满足环境目标，以达到优化设计要求。绿色产品评价标准：产品在设计过程中用少量能源和资源且不污染环境；产品在使用过程中不污染环境且能耗低及产品使用后可以易于拆卸、回收和翻新或能够安全废置并长期无虑。,绿色产品设计,绿色产品设计的主要内容及方法,1、绿色产品设计的材料选择与管理具体在选择时应遵循以下几个原则：首选可再生利用材料，尽量选用回收材料，提高资源利用率;尽量选用低能耗、无毒、少污染、无腐蚀性的材料;尽量选择环境兼容性好的材料及零部件，同一产品单元尽量选用较少的材料种类，以便于产品废弃后的有效回收；为便于回收，材料上要标注出其型号、种类、等级等。如在冰箱生产过程中选用环保性制冷剂，以减少对臭氧层的破坏。,设计思想和方法 在产品设计初期充分考虑其零件材料的回收可能性、回收价值大小、回收处理方法、回收处理结构工艺性等与回收性有关的一系列问题，最终达到零件材料资源、能源的最大利用，并对环境污染为最小。可回收性设计的主要内容：可回收材料及其标志；可回收工艺与方法；可回收性经济评价；可回收性结构设计。,2、产品的可回收性设计,绿色产品设计,良好的可拆卸性是产品维护性好、零件材料可回收、可再生 的重要保证，只有良好的拆卸才能实现完全的材料回收和可能的零部件再利用，从而达到节省成本，减少污染，保护环境的目的。一些做法：首先，应从观念上重视可拆卸性设计。设计人员应经常与用户、产品维护及资源回收部门取得联系，获取产品结构在拆卸方面存在的不足，并为可拆卸性设计的发展准备有关数据资料。其次，为便于拆卸，产品在整机设计时，就要从结构上考虑拆卸的难易程度，提出相应的设计目标、结构方案。对模块间、部件间的连接方式等问题要进行细致的研究与设计：在产品的设计中应尽量避免采用焊接、胶粘、铆接等不可拆卸连接方式，而尽可能优先选择易于分离的搭扣式连接。,3、产品的可拆卸性设计,4、绿色产品的成本分析 包括污染物的替代、产品拆卸、重复利用成本、特殊产品相应的环境成本等。5、绿色产品设计数据库 应包括产品寿命周期中环境、经济等有关的一切数据，如：材料成分，人工降解时间、费用等。,绿色产品设计,绿色产品设计特点,传统设计：主要考虑产品功能、质量和成本属性；绿色设计：除上述之外，重视资源、能源合理利用，重视环境和劳动者保护。,绿色产品设计,绿色产品设计的关键技术,面向环境的设计技术,DFE的技术内涵、发展特点、关键技术见P82,绿色产品设计,面向能源的设计技术,面向材料的设计技术,绿色产品设计,设计范畴的扩展化设计手段计算机化设计过程的并行化设计过程的智能化设计手段的拟实化分析手段的精确化多种手段综合应用,强调设计的逻辑性和系统性进行动态多变量的优化强调产品的环保性强调产品的宜人性强调用户参与强调设计阶段的质量控制设计和制造一体化强调产品全寿命周期的最优化,现代设计技术特点,