创新设计第一章.ppt
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1、创 新 工程,武汉理工大学物流工程学院物流自动化系,第 一 章 概 论,引言,引言,新华网北京2月9日电 国务院9日发布 国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)。纲要确定,到2020年,全社会研究开发投入占国内生产总值的比重提高到2.5%以上,力争科技进步贡献率达到60%以上,对外技术依存度降低到30%以下,本国人发明专利年度授权量和国际科学论文被引用数均进入世界前5位。纲要指出,到2020年,中国科技发展的总体目标是:自主创新能力显著增强,科技促进经济社会发展和保障国家安全的能力显著增强,为全面建设小康社会提供强有力的支撑;基础科学和前沿技术研究综合实力显著增强,取得一批在世
2、界具有重大影响的科技成果,进入创新型国家行列,为在本世纪中叶成为世界科技强国奠定基础。,引言,2004年10月9日,由武汉理工大学设计制造的武汉首款概念车实体“热望”,正式启程赴上海参加2004年米其林必比登国际汽车挑战赛。,创新案例,引言,引言,2004年10月1日在武汉国际会展中心开幕的第二届华中汽车展上,一款长2.85米、宽1.7米、高1.65米的造型独特名叫“Aspire”(热望)的黄色电动汽车吸引了不少目光。热望是汉产首辆“概念车”实体,它的设计者是武汉理工大学汽车工程学院车辆工程专业99级的学生李一。,引言,李一的设计灵感来源于2000年悉尼奥运会的会标。2003年的一天他在街头漫
3、步,无意间印在一副巨型体育用品广告边角的这个标志闯入了他的眼球,他立刻被其波浪型的曲线所吸引,灵感油然而生。回到学校后,李一在草稿本上画出两条曲线,从此开始了Aspire的创作历程。,引言,先期的概念设计完成后,李一又从车身造型设计、总体设计、底盘总布置设计、车身总布置设计、车身结构分析、车身材料选择和动力性、经济性计算等方面进行了更加深入的理论分析,并按1:5的比例制作了油泥模型。短短的几个月,Aspire便由两条曲线变成了色彩斑斓的效果图、布置紧凑合理的总布置图和造型准确的油泥模型。2003年8月,Aspire的设计成功入围了“2003米其林国际汽车设计挑战赛”决赛。2004年1月,作为唯
4、一受邀的中国参赛者,李一携Aspire油泥模型来到美国底特律,参加了已有87年历史的北美国际汽车展(NAIAS)。,引言,李一的这款概念车具有节能、无污染、造型优美等诸多优点。有关专家认为,如果这款概念车能成功制成原型车,将拉近我国汽车行业与国际前沿科技的距离。,正因如此,2004年3月武汉理工大学作出决定,拿出50万元科研经费,在李一设计的基础上继续研究,将Aspire从小小的油泥模型变成样车,参加2004年10月在上海举行的“米其林必比登挑战赛”。,引言,武汉理工大学5名在校生在国内首创的“轻型自平衡组装式小车天桥”。,创新案例,引言,小汽车天桥由标准单元钢桁架和斜拉索组装而成,无需大型支
5、撑装置,路面接触面小。采用的疏导方式,直行小汽车经小汽车天桥通过,不受红灯限制;直行大车和左转小汽车由中间车道通过;右转车辆由最外侧车道通过。此举能把施工路口的通行效率提高40%以上。另外,它可在24小时内快速组装完成,白天不影响路面交通。据悉,搭建这样一座小汽车天桥的费用约在150万-200万之间。,引言,该项目继今年6月摘得湖北省第七届挑战杯大学生课外学术科技作品竞赛一等奖后,又获得了第十一届挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛三等奖。桥梁专家、中铁第四设计勘察院教授级高工金福海表示,这一设计创新性地提出了因施工导致交通堵塞问题的一种新思路,在城市应用道路改造中具有应用前景。中铁大桥局武汉
6、桥梁科学研究院教授级高工陈*也认为,它具有实用性,值得推广。,西楚霸王项羽年青时,叔叔项梁问他想学什么,一开始项羽努力学习武艺,但过了一段时间觉得用处不大,于是要项梁教他其他的东西,项梁就问为什么,项羽回答说:剑,一人敌,匹夫之勇,不足学,须学万人敌。剑术只是一种“技”艺,“万人敌”指兵法或者称“道”,于是项羽勤钻兵法,后项羽率领楚军击败仇人,灭亡了秦朝。,引言,引言,引言,引言,“技”与“道”的关系“技”,相当于“术”也属于“器”,是马克思主义的“具体实践”,或“物质性的劳动”。“道”,法也,即规律。韩非子.解道:“道者,万物之所然也,万理之所稽也”,也指出“道”是万物万理的规律所在。这里的
7、“道”,小而言之是理论方法,大而言之,是掌握“技”之后获得的大智慧。从设计角度讲,设计上的“道”,就是在对设计理念的深刻理解后所进行的创造性地解决问题的方法。设计上的“技”在这里指的是技术和技巧。一是表达的技术,二是造型处理的技巧。,引言,方法是人类思维的财富,是探索科学真理的钥匙。认识事物、解决问题都需要正确的方法。培根(F.Bacon)说过:“没有一个正确的方法,犹如在黑暗中摸索行走”。巴甫洛夫也曾指出:“好的方法将为人们展开更广阔的图景,使人们认识更深层次的规律,从而更有效地改造世界。”,引言,工业革命开始以来的300年中,科学技术以前所未有的速度达到了惊人的水平。人类已经在月球上漫步,
8、正在把空间探测器送到别的行星。记忆芯片可以在单个芯片中存储一百年前全部知识,用来制造这些芯片的装备可以把微电子器件做在很小的集成电路芯片上。这些都是不可思议的科学技术突破。尽管有这些和其他辉煌的成就,我们仍然被许多技术和社会问题包围着,而这些问题正是由不良设计造成的。,设计的现状,引言,有一些设计错误造成的重大问题已广为人知。同时还有许多“小”问题,它们仅仅使用户不便或恼怒。所有不好的设计或产品,不论大小,都可能是危险的、费钱的,如许多产品被召回。一些产品的保修成本在销售价格中占很大比重。有的失误导致财产甚至生命的损失。更有甚者,许多构思和设计有缺陷的开发项目严重推迟、超支,在有些情况下甚至完
9、全失败。虽然有的失败是因为科学知识的缺乏,但是大部分这类问题来源于设计不良的产品、过程、软件和系统。,设计的现状,引言,今天仍产生如此多的设计错误的一个原因是:设计依然是在试凑的基础上靠经验来做的。这个问题并不限于某个国家或某个公司,它到处可见。全世界的大学都没有给予他们工程学的学生以通用化、规范化和系统化的设计知识。反之,设计却曾经被认为是不能用科学办法处理的主题。也就是,设计是依靠直觉和天赋的推理而不是严密的科学研究。幸好设计领域并不必须停留在这个经验的阶段。正如许多技术领域已经经过相同的发展阶段那样,设计领域也将进化为一个具有科学基础的实在的学科。,设计的现状,引言,过去,许多工程师根据
10、多年的经验、聪明才智及创造性,经历了许多的尝试和错误,然后迭代地、经验地、直觉地设计了他们的产品(或过程、系统等)。虽然经验是重要的,因为它产生实际设计的知识和信息。但是仅仅依赖经验知识是不充分的,因为它并不总是可靠的,特别是在应用背景发生变化时。经验必须由系统的设计知识加以补充,反之亦然。虽然设计是一门古老的技能,但是它已被逐渐归纳为通用化、规范化和系统化的知识,以便使工程师设计师可以成为好的设计师。设计方法学的一个目的就是通过提供基本理论、原理和方法来补充设计师的经验,使得他们能充分发挥自己的创造性。,引言,应当如何设计?,设计与设计方法,设计的定义,简单理解:设计=设想+计算设想即是构思
11、设计对象的原理方案与结构方案计算是验证方案是否成立的详细设计,设想:探索性的抽象设计(特点:快速的、粗糙的、整体的、平行的)计算:决定性的具体设计(特点:谨慎的、仔细的、有细节的、有序列的)由此可见,设计过程实际是从模糊通向明确的工作周期。,设计与设计方法,确切定义:设计是指通过分析、综合、创造与决策达到满足某种特定功能系统的一种活动过程。,功能系统:在科学和日常生活里,我们常常谈到的一些系统。工业系统,理论系统,生态系统,组织系统等等,这些都是具有某种特定功能的系统。,设计与设计方法,例,概括归纳:美国威斯康星大学ASeireg教授归纳:设计由三种基本活动组成创造、分析和决策。创造发展基本原
12、理;分析产生一个预定的、模拟所设计系统的模型;(即形成方案)决策则用来评选最优方案和确定最优设计参数。,设计与设计方法,不同领域可以用各种不同方式对设计进行定义。机械工程师经常设计产品,因此当他们讲到设计时,他们通常是指产品设计。制造工程师把设计想成是新的制造过程和系统(即构造工厂和制造单元)。对于电气工程师而言,设计意味着开发模拟或数字电路,通讯系统和计算机硬件。,设计与设计方法,设计的内涵,尽管有些软件工程师,认为他们主要的工作是写计算机代码,但是除非首先设计好软件的构架,否则他们难以生成好的软件。企业的经理们则设计组织机构以达到组织的目标。在一个较小范围里,室内装饰设计师为了能给住宅或建
13、筑营造良好的情调而选择和布置家具以及装饰事项。即使你所在城市的市长也必须设计一个有效且有影响的政府机构,并且制定战略规划以达到他对城市的设想。,设计与设计方法,尽管以上活动的内容以及达到设计目标所需要的知识随着领域而异,但是所有这些都是设计活动。虽然各个领域使用不同的数据库和有不同的设计实践,然而它们共享许多设计特征。所有这些活动的共同点是设计师必须做下面的事:,1)知道或理解用户的需要。2)确定为满足需要所必须解决的问题。3)进行分析以优化所提出的解决方案。4)通过综合使解决方案具体化。5)检查所得的设计解决方案是否满足用户的原始需要。,设计与设计方法,工程设计(Engineering de
14、sign),英国Fielden委员会给出的工程设计的定义是:“工程设计是利用科学原理、技术知识和想象力,确定最高的经济效益和效率实现特定功能的机械机构、整机和系统。”工程设计是在各种制约条件下最好的实现给定的具体目标,制订出机器、系统或工艺过程的具体结构或者抽象体系。工程设计是对工程技术系统进行构思、计划并把设想变为现实的技术实践活动。,设计与设计方法,设计与设计方法,工程设计的内容大致可分为两类:一类是数值计算型的工作,包括大量的计算、分析、绘图、编写说明书和填写各种表格;另一类是基于符号性知识模型和符号处理的推理型工作,主要是方案设计工作,例如初始方案的拟定、最优方案的选择、结构设计、工艺
15、方案的规划等。,设计的目的是保证系统的功能,建立性能好,成本低,价位最优的技术系统。技术系统:简单地说,就是要设计的产品。,系统功能:就是产品的用途或系统能独立完成的任务。,工程设计的发展简史,自然界中,人类是唯一的智能动物,设计是伴随着人类不断走向文明而发展的。工程设计大致经历了三个阶段:直觉设计阶段 十七世纪以前,人类从自然界中得到启示或全凭直观感觉来设计机械,制作工具。鲁班上山伐木,被茅草划破手指,从而发明了锯。树枝漂在水面而发明了船。最初只知道这些工具能省力,提高工效,但不知道其所以然。这就驱使一些人去分析研究各种现有工具和装置的工作机理,并将其与数学结合起来,逐步产生了力学和机械学。
16、这就为改进设计方法提供了必要的理论基础。,例,设计与设计方法,经验设计阶段 十七世纪到上世纪末。当时还不可能提供更多的设计理论与方法来指导人们设计。此阶段设计特点:主要依靠个人的才能和经验,运用一些基本设计计算理论,借助类比,模拟和试凑等设计方法进行的。一般而言,经验设计只能满足基本的功能要求,在成本,性能,质量诸方面都有很大局限性。它的完善周期长,一个产品从发明到实际应用往往需要几十年甚至上百年的演变过程。车床:经过牛拉车圆皮带车床普通变速车床,设计与设计方法,例,数控车削中心,半理论半经验设计阶段 二十世纪以来,由于加强了设计理论方法研究,与经验设计阶段相比,此阶段大大减少了设计的盲目性,
17、有效地提高了设汁效率和质量并降低了设计成本。1采用了图纸设计法,替代了试凑法;2加强设计基础理论和各种专业产品设计机理的研究;设计基础理论:材料力学;理论力学;磨擦磨损理论等。专业产品设计机理:内燃机原理与设计;机床、汽车设计等。3加强关键零部件的设计研究;曲轴;连杆;齿轮等。4加强了“三化”研究,零件标准化;部件通用化;产品系列化。现在,把这一阶段采用的设计方法称为传统设计法。至今,这种设计方法仍被广泛采用。随着社会的发展,科技的进步,传统设计法已明显地感到不能适应形势的需求。,设计与设计方法,例,例,设计面临的形势 上世纪70年代末,国际形势的发生了很大的变化,世界两大阵营从敌对转向对话,
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- 创新 设计 第一章
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