现代设计方法：优化你的创作过程

1.7.2.1　现代设计方法内涵

现代设计方法是综合应用现代各个领域科学技术的发展成果于机械设计领域所形成的设计方法，同时又是在传统设计方法的基础上发展形成的。它包含哲学、思维科学、心理学和智能科学的研究成果，解剖学、生理学和人体科学的研究成果，社会学、环境科学、生态学的研究成果，现代应用数学、物理学与应用化学的研究成果，应用力学、摩擦学、技术美学、材料科学的研究成果，以及机械电子学、控制理论与技术、自动化的研究成果。特别是电子计算机的广泛应用和现代信息科学与技术的发展，极大且迅速地推动了现代设计方法的发展。与传统设计方法相比，现代机械设计方法具有如下一些特点：①以科学设计取代经验设计；②以动态的设计和分析取代静态的设计和分析；③以定量的设计计算取代定性的设计分析；④以变量取代常量进行设计计算；⑤以注重“人-机-环境”大系统的设计准则，如人机工程设计准则、绿色设计准则，取代偏重于结构强度的设计准则；⑥以优化设计取代可行性设计；⑦以自动化设计取代人工设计。

1.7.2.2　现代设计方法种类

随着科学技术的迅速发展及计算机技术的广泛应用，在机械设计传统设计方法的基础上又发展了一系列新兴的设计理论与方法，如设计方法学设计、优化设计、可靠性设计、摩擦学设计、计算机辅助设计、有限元方法、动态设计、模块化设计、参数化设计、价值分析或价值工程、并行设计、虚拟产品设计、工业造型设计、反求工程设计、人机工程设计、智能设计、网上设计等。现代设计方法种类繁多，内容十分丰富，这里仅简略介绍几种在国内机械设计中应用较为成熟、影响较大的方法，具体使用时应进一步参考有关资料。

1）计算机辅助设计

计算机辅助设计（CAD）是利用计算机运算快速准确、存储量大、逻辑判断功能强等特点进行设计信息处理，并通过人机交互作用完成设计工作的一种设计方法。一个完备的CAD系统由科学计算、图形系统和数据库三方面组成。与传统设计方法相比，该方法具有以下优点：①显著提高设计效率，缩短设计周期，有利于加快产品的更新换代，增强市场竞争能力；②能获得一定条件下的最佳设计方案，提高设计质量；③能充分应用其他各种先进的现代设计方法；④随着CAD系统的日益完备和高度自动化，设计工作越显得易学易用，设计人员从烦琐的重复性工作中解脱出来，可从事更富创造性的工作；⑤可与计算机辅助制造（CAM）结合形成CAD/CAM系统，再与计算机辅助检测（CAT）、计算机管理自动化结合形成计算机集成制造系统（CIMS），综合进行市场预测、产品设计、生产计划、制造和销售等一系列工作，实现人力、物力和时间等各种资源的有效利用，有效促进现代企业生产组织、管理和实施的自动化、无人化，使企业总效益最高。

2）机械优化设计

机械优化设计是将最优化数学理论（主要是数学规划理论）应用于机械设计领域而形成的一种设计方法。该方法先将设计问题的物理模型转化为数学模型，再选用适当的优化方法并借助计算机求解该数学模型，经过对优化方案的评价与决策后，从而求得最佳设计目标（如经济性最好、重量最轻、体积最小、寿命最长、刚度最大、速度最高等）下结构参数的最优解。采用优化设计方法可以在多变量、多目标的条件下，获得高效率、高精度的设计结果，极大地提高了设计质量。

近些年来，优化设计还与可靠性设计、模糊学设计等其他一些设计方法结合起来，形成了可靠性优化设计、模糊优化设计等一些新的设计方法。

3）机械可靠性设计(www.xing528.com)

机械可靠性设计是将概率论、数理统计、失效物理和机械学相结合而成的一种设计方法。其主要特点是将传统设计方法中视为单值而实际上具有多值性的设计变量（如载荷、应力、强度、寿命等）如实地作为服从某种分布规律的随机变量来对待，用概率统计方法定量设计出符合机械产品可靠性指标要求的零部件和整机的主要参数及结构尺寸。机械可靠性设计的主要内容：①从规定的目标可靠度出发，设计零部件和整机的有关参数及结构尺寸，这是可靠性设计最基本的内容；②可靠性预测，即根据零部件和机器（或系统）目前的状况及失效数据，预测其实际可能达到的可靠度，预报它们在规定条件下和在规定时间内完成规定功能的概率；③可靠度分配，即根据确定的机器（或系统）的可靠度，分配其组成零部件或子系统的可靠度。这对复杂产品和大型系统来说尤为重要。

4）机械系统设计

机械系统设计是应用系统的观点进行机械产品设计的一种设计方法。与传统设计相比，传统设计只注重机械内部系统设计，且以改善零部件的特性为重点，对各零部件之间、内部与外部系统之间的相互作用和影响考虑较少；机械系统设计则遵循系统的观点，研究内外系统和各子系统之间的相互关系，通过各子系统的协调工作和取长补短来实现整个系统最佳的总功能。

机械系统设计的一般过程包括计划、外部系统设计（简称外部设计）、内部系统设计（简称内部设计）和制造销售四个阶段。

5）有限元方法

有限元方法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代设计计算方法。它的基本思想是：把连续的介质（如零件、结构等）看成是由在有限个节点处连接起来的有限个小块（称为元素）组合而成的，然后对每个元素通过取定的插值函数，如线性函数，将其内部每一点的位移（或应力）用元素节点的位移（或应力）来表示，再根据介质整体的协调关系，建立包括所有节点的未知量的联立方程组，最后用计算机求解该联立方程组，以获得所需要的解答。当元素足够“小”时，可以得到十分精确的解答。

有限元方法适用性极广，不仅可用来计算一般零件（二维或三维）及杆系结构、板、壳等问题的静应力或热应力，还可计算它们的弹塑性、蠕变、大挠度变形等非线性问题，以及振动、稳定性等问题。

现代设计方法的应用将弥补传统设计方法的不足，从而有效地提高设计质量，但它并不能离开或完全取代传统设计方法。现代设计方法还将随着科学技术的飞速发展而不断发展。