机械产品方案的现代设计方法及发展趋势[样例5]

第一篇：机械产品方案的现代设计方法及发展趋势

机械产品方案的现代设计方法及发展趋势

摘要：根据目前国内外设计学者进行机械产品设计时的主要思维特点，将产品方案的设计方法概括为系统化、结构模块化、基于产品特征知识和智能四种类型。指出四种方法的特点及其相互间的有机联系，提出产品方案设计计算机实现的努力方向。

关键词：机械产品；方案设计方法；发展趋势。

引言：科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期缩短，更新换代速度加快。然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得力不从心，跟不上时代发展的需要。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。为此，作者在阅读了大量文献的基础上，概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法，并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的发展趋势。

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，可以将方案的现代设计方法概括为下述四大类型。

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，制订了设计的一般模式，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，制订出标准VDI2221“技术系统和产品的开发设计方法。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，其中具有代表性的是：

(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。

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四层，(1)产品→(2)功能组成→(3)主要功能组件→(4)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，将其归纳成四种类型：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连接规则，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。

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量和决策，完成机构的型、数综合。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下述几种。

3.1 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、突然变异等手段，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。

3.2 知识的混合型表达法

针对复杂机械系统的方案设计，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，将规则、框架、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(规则、框架和过程)，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型式，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”。

3.3 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术产生候选解来配匹产品的设计要求。

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。

利用智能型CAD系统SIGRAPH-DESIGN作为开发平台，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、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，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。

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，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和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。

值得一提的是：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含有系统化思想，建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。

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，综合运用文中四种类型设计方法是达到这一目标有效途径。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，而且还涉及到系统工程理论、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。

参考文献 [1] 梅顺齐，何雪明主编，‘《现代设计方法》[M]华中科技大学出版社 2009

[2] 吴宗璞，《机械设计》[M]北京:高等教育出版社2001

[3] 崔炳哲主编，《电子控制入门--电子机械控制的基础知识》[M] 科学出版社 2003

[4] 中国机械工程学会等主编，《机械设计手册》[M]电子工业出版社 2007年版

[5] 何希才主编，《数字电路入门》[M]科学出版社 2003

[6] 唐余勇主编，《机械制造虚拟实境研究的几何反算》[M] 哈尔滨工业大学出版社 2004

[7] 焦振学主编，《机床电气控制技术》[M] 北京理工大学出版社 1992

[8] 谢桂林主编，《电力拖动与控制》[M] 中国矿业大学出版社 1997

[9] 王良贵，赵亚楠，《机械设计(第七版)》[M]北京：高等教育出版社 2004

[10]王大康,《计算机辅助设计及制造技术》[M]机械工业出版社2005

[11]王中杰,柴天佑,《智能控制综述》[J]基础自动化 2006(6)

[12]蔡春元，王杰，《机械零件设计手册（第二版）》[M] 北京：冶金工业出版社1994

[13]章浩，张西良，周士冲，《机电一体化技术的发展与应用》[J] 农机化研究 2006(7)

[14]梁俊彦，李玉翔，《机电一体化技术的发展及应用》[J]科技资讯 2007(9)

[15]李凡，《管理百业谈现代科技对现代设计发展的作用》[J]1997年第17卷第5期

第二篇：机械产品展销会方案

XX市首届机械产品展销会

活 动 方 案

市委、市政府定于2005年8月5日~ 12日在第二届中国〃XX微山湖湿地红荷节暨经济贸易洽谈会期间，举办首届机械产品展销活动，为组织筹备好这次活动，特制定本方案。

一、指导思想

坚持以党的十六届四中全会精神为指导，认真贯彻落实全市经济工作会议精神，以举办第二届红荷节为平台，通过举办机械产品展销活动，展示XX机械工业发展的新成就，扩大XX机械工业及机械产品在国际、国内市场的影响，塑造我市全国机械制造业，特别是中小机床加工基地的品牌，促进XX经济持续快速健康发展。

二、时间、地点和任务目标

1、时

间：2005年8月5日~ 8月12日，共8天。

2、地

点：鼎源汽车广场（市经济开发区益康大道西侧）

3、任务目标：通过举办机械产品展销活动，展示我市机械工业改革发展的新成就，宣传、推介我市机械名优产品，寻求 国内、外合资合作伙伴，通过与中外客商的交流洽谈，吸引一批客商来我市投资建设机械制造企业，签约一批机械产品销售合同，销售一批机械产品，力争签订机械产品贸易合同金额2亿元人民币、销售金额1亿元人民币、合同利用外资7000万元人民币。

三、活动形式和内容

（一）活动形式

政府举办节会搭台与企业唱戏相结合，观光旅游与商贸洽谈相结合，展示机械产品与拓展国内外市场相结合，吸引外资与引进技术相结合，以产品展销为主线，通过组织国内、外客商参观、旅游、经贸洽谈，达到开拓机械产品市场和扩大我市机械产品影响的目的。

（二）活动内容

1、举办XX市首届机械产品展销会

主要内容：通过举办机械产品展销会及大型开幕式，集中宣传XX市投资环境和优势，充分展示我市机械制造业发展成果。

2、组织参会国内、外客商参观我市部分机械制造企业

⑴组织参观7家骨干龙头企业：衡达、威达、鲁机、腾达、三合机械、大地机床、同锐

⑵参观路线：XX饭店——衡达——威达——鲁机——腾达——三合机械——大地机床——同锐——XX饭店

内容：组织国内外客商参观我市部分机械制造企业生产现场，宣传和展示我市机械制造企业发展成果和水平，加深国内外客商对我市机械制造业的了解。

3、开展经贸洽谈

主要内容：⑴开展机械产品购销洽谈；⑵洽谈企业合资合作事宜；⑶技术咨询与技术合作；⑷组织参会客商游览红荷湿地。

四、参会人员（约200人）

（一）XX市参会人员(160人)

1、市委、市政府、人大、政协等领导同志

2、市委办公室、市政府办公室、经贸局、民经局、外经贸局（招商局）、发改局、土管局、财政局、公安局、机电工业管理办公室、机械制造业协会主要负责人及有关人员。

3、部分机械制造企业负责人。（共100人）

4、报社、电台、电视台、信息化管理中心等新闻部门记者。

5、大会工作人员。

（二）外地客商（约40余人）

五、参展企业及产品

参展企业约16家，其中：市直7家、镇 街9家。参展产品主要有：数控加工中心、数控导轨磨床、数控钻铣床、锻压机床、挖掘机、建筑机械、筑路机械、电动工具、旋转接头、金属软管、基础件、仪器仪表等二十大类100多个品种，参展面积1800平方米。

六、活动日程安排 7月1日（星期五）

市政府召开首届机械产品展销会筹备工作会议，下发筹备工作方案，分解产品征集和客商邀请任务，发放展区平面分配图，确定各企业参展区位，对举办首届机械产品展进行全面部署。

7月12日（星期二）

召开全市机械制造业产品展销筹备工作调度会议，各镇街、部门主要负责人逐一汇报各项筹备工作落实情况。主要汇报企业产品参展准备和参会人员落实情况。

7月5日~ 7月25日

展厅设计与展位制作，25日前展厅、展位制作达到设计效果。其中，室内展位布置由参展企业负责，室外装饰及广告栏制作由市机电办负责。

7月26日~ 7月31日 企业广告制作及展位装饰。

7月31日~ 8月1日 组织参展企业布展

召集各镇街各部门主要负责人，机械协会有关负责人，召开筹备小组全体成员会议。

主持人：市政府副市长远义彬

主要内容：⑴调度会议筹备情况；⑵参展产品到位情况；⑶工作人员到位情况；⑷活动保障措施落实情况，细化责任到人；⑸检查会场布置情况；⑹客商到位情况；⑺活动安排准备情况。

8月2日（星期二）

市有关领导到展厅检查各企业产品布展情况，企业根据领导所提意见进行调整参展产品。

8月4日（星期四）

参会客商全天报到，集中住XX饭店。

8月5日（星期五）

上午9：30，举行XX市首届机械产品展销会开幕式

地点：鼎源汽车广场。

参会人员：我市参会人员（约160人），具体包括：市四大班子主要领导、分管领导、市直有关部门主要负责人、有关镇（街）书记、镇长（主任）、骨干机械企业主要负责人、分管负责人、新闻单位记者。

邀请客商（约40人）。

展销会开幕式由市长杜永光同志主持。

主要议程：

1、远义彬副市长介绍XX市机械工业发展概况及优惠政策；

2、中共枣庄市委副书记、XX市委书记牛启忠同志致词；

3、客商代表致贺词；

4、有关领导为展销会剪彩

上午 10:30，组织中外客商参观机械产品。

中午 12:00，市委、市政府宴请与会中外客商。

下午 3:00，组织客商参观我市部分骨干机械制造企业。6:30，晚餐。

8月6日（星期六）

上午8:00，组织中外客商统一乘车到红荷广场参加第二届中国〃XX微山湖湿地红荷节暨经洽会开幕式，并游览红荷湿地。下午2:30，组织与会客商及我市机械制造企业主要负责人，参加经贸洽谈会及签约仪式。

8月7日（星期日）

上午，组织我市机械制造企业与中外客商，继续跟踪洽谈。

下午，客商返程。

七、组织领导及职责

（一）成立XX市首届机械产品展销会筹备工作领导小组

组 长：远义彬

市政府副市长

副组长：周天民

市人民政府副秘书长、经贸局局长

马昭玺 市民经局局长 龙敦虎 市公安局副局长

王怀超 市机械工业协会会长

马 峰 木石镇镇长 张铁耀 洪绪镇镇长 王正平荆河街道办事处主任 姜广涛 龙泉街道办事处主任 孙 剑 北辛街道办事处主任 杨修常 善南街道办事处主任

成 员：王思平市政府办公室副主任

牛广林

市经贸局副局长

孔祥台 市经贸局党委副书记、副局长

胡祥忠 市经贸局副局长

韩建华 市经贸局副局长

王志来 市机电工业管理办公室主任

颜景周 市高新技术产业办公室主任

领导小组下设综合组、秘书组、经贸洽谈组、会务接待组、安全保卫组。

（二）各工作组的组成、职责及时间要求

1、综合组

组 长：周天民

副组长：王志来、张善秋、孙梅

成 员：张雷、韩巨华、夏广松

职责：⑴负责整个活动的组织协调；⑵负责客商及上级领导的邀请；⑶负责参观路线的安排；⑷负责整个活动的预算开支；⑸负责会场的布置。

时间要求：⑴7月10日前报邀请客商及上级领导名单；⑵7月20日前落实客商、领导邀请情况。

2、秘书组

组 长：牛广林

副组长：颜景周、徐殿涛

成 员：雷祥斌、马良、王雷、王涛

职 责：⑴负责整个展销活动的宣传；⑵负责展销会领导讲话、致辞等材料起草；⑶负责展厅前言的起草及企业宣传材料的把关；⑷产品宣传资料的征集。

时间要求：⑴7月20日前各项文字材料起草完毕，并报送市政府有关领导审阅；⑵7月25日前资料征集完毕。

3、经贸洽谈组

组 长：胡祥忠

副组长：王志来、冯仁广 成 员：任广泉、李楠、金珍淑、夏广松

职责：⑴负责组织筛选参展产品；⑵负责组织展厅的设计、装饰、产品的征集及布展；⑶负责调度落实拟签约合同，组织项目洽谈；⑷负责组织统计汇总签约成果。

时间要求：⑴7月10日前展厅设计完毕；⑵7月15日前初步确定拟签合同，并与市红荷办进行衔接；⑶7月25日前展厅制作完毕；⑷7月31日开始布展。

4、会务接待组

组 长：韩建华

副组长：钱守云、张洪光

成 员：李树军、孙继德、金珍淑、夏广松

职责：⑴负责组织参会人员报到和食宿安排，并印制参会人员名单；⑵负责会议车辆安排及重点客商的接送站；⑶组织参会客商游览红荷景区；⑷与市红荷办接待组搞好衔接；⑸准备会务用品。

时间要求：⑴7月10日前制订出具体接待方案；⑵7月25日前确定会务用车；⑶7月25日前确定纪念品方案，并购置到位；⑷8月2日前所有资料、纪念品分装200份。

5、安全保卫组

组 长：孔祥台

副组长：善南派出所一名副所长、黄兆彬 成 员：朱峰、孙景东、周广庆、善南所部分干警（3人）

职责：⑴负责机械产品展销会的安全保卫；⑵负责维持展厅秩序及展品安全；⑶负责参观现场路线的安全、畅通。

八、工作措施

（一）提高思想认识、强化组织领导。本次机械产品展销会是我市历史上首次举行的专业产品展销会。会议办得成功与否，直接影响到我市的形象，因此各有关部门、镇街主要领导要亲自挂帅，靠上抓落实、确保每项工作，每个环节，工作到位。

（二）完善保障措施，层层抓好落实。各有关镇街、部门和参展企业，要制定切实可行的活动方案。要列出时间表，划出责任范围，详细分工，明确责任，做到个个部门有任务，人人肩上有担子，层层抓好任务目标的落实。

（三）加强工作调度，确保时间进度。从现在起，各职能部门和镇街要高度重视，成立工作协调领导小组，列出各自的时间表和工作进度。除方案列出的活动时间外，市领导小组要坚持每半月召开一次协调会，确保工作顺利进行。

（四）明确分工，强化责任。各镇街、部门及参展企业及各工作小组，要抽出专人负责展会筹备工作，要明确责任分工，细化工作任务，强化工作责任。各责任部门，要做到超前规划，狠抓落实，确保筹备工作圆满完成。

九、经费概算（略）

二OO五年五月二十四日

第三篇：现代设计方法总结

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。

现代设计方法有:并行设计、虚拟设计、绿色设计、可靠性设计、智能优化设计、计算机辅助设计、动态设计、模块化设计、计算机仿真设计、人机学设计、摩擦学设计、反求设计、疲劳设计

一、并行设计

并行设计是一种对产品及其相关过程(包括设计制造过程和相关的支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模式。强调产品开发人员一开始就考虑产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误、矛盾和冲突尽可能及早地发现和解决，以缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量。并行设计作为现代设计理论及方法的范畴，目前已形成的并行设计方法基本上可以分为两大类:(l)基于人员协同和集成的并行化。就是把组成与产品方面有关的，针对给定设计任务的专门的、综合性的设计团体(企业)协同起来。

丰田的 产品开发过程有四个主要内容： ●一个产生主要设计的概念论文的规划阶段 ●同步设计的系统设计阶段 ●一个具有设计标准的详细设计阶段 ●一个精益生产的样机模具阶段。

●广泛地协调，不仅仅在设计而且还有生产以及销售 ●协调从概念到市场完整的项目 ●概念创造以及概念支持者

●规格、成本目标、设计以及主要部件选择，确信产品概念精确地被转换为车型的技术细节 ●直接地、经常地与设计师以及工程师交流

●建立与顾客直接接触（产品经理办公室实施它自己的市场调查，除了通过市场营销进行的定期市场调查）。

前端设计

设计环节与供应商实现设计的集成 多部门协调研发 以客户为中心 降低批量规模

(2)基于信息、知识协同和集成的并行化。该方法基于计算机网络来实现，各零部件的设计人员通过计算机网络对机电产品进行设计，并进行可制造性、经济性、可靠性、可装配性等内容的分析及时的反馈信息，并按要求修改各零部件的设计模型，直至整个机电产品完成为止。可以采用面向制造(DFM)和面向装配(DFA)的设计方法，涉及CAX技术、产品信息集成(PDM)技术以及与人员协同集成有关的信息技术。

当然，这两种机电产品并行设计方法并不是相互独立的。在实际应用过程中，它们往往是紧密结合在一起的。实例：

并行工程应用于整车项目开发案例研究

在组织机构上，建立一支跨部门矩阵式的开发团队，团队全体成员共同对团队的目的和目标负责，每一个成员都能理解其职责。它确定团队活动的焦点，包括服务和产品。全体成员相互依赖，在协同环境中工作，实施信息预发布、设计评审及反馈，定期组织团队会议，进行信息交流、讨论，进行团队决策，确保团队计划向前推进。结构上可将开发团队划分成若干小组（IPT）。

并行工程所需的体系结构通常由工程设计、质量管理、过程管理、软件环境和生产制造等5个系统组成（见图1）。

一般地，汽车整车产品开发共有4个大的阶段，即策划阶段、设计阶段、样品试制阶段和小批试制阶段。

并行工程在实施过程中对设计进度和质量控制都可分多级并行循环体，对开发进行协同、配合、反馈和修改的循环工作。设计部门与技术支持、工艺、质量、制造、销售、计算机仿真和供应商等部门形成一个大的循环体，各部门内部又有各专业小组之间的小循环体，根据需求不同可建立不同的循环体（见图2）。

1.在整车项目开发周期管理中的作用

图3所示为整车开发过程的大计划，纵向列出全部工作内容，横向列出整体开发的时间，在什么时间完成什么内容，是什么部门完成一目了然。大计划通过各部门充分讨论，达成共识、会签，并经总经理签字下发。各部门再根据大计划编制各部门更详细的计划，然后按计划并行实施。

从图中可以看出，大部分工作下游部门都提前几个月介入，这是缩短开发周期的关键，即所谓的并行，而传统的开发流程总是需要上游部门完成后再进行下游部门的工作。

以模、夹具的开发为例，运用并行工程，其与车身工程设计几乎同时进行，从整个计划第4个月开始介入，在整个开发周期的第22个月完成。而运用串行工程，其在车身工程设计完成后进行，从整个计划第15个月才介入，在整个开发周期的第34个月才完成。运用并行工程开发时间上节约近36%，整个产品开发周期可以缩短40%～50%。

设计部门不断预发布、评审、输出，相关部门评审、验证意见和建议不断反馈，然后设计不断更改，通过预发布和设计评审、修改若干个循环，这样可以把不必要的失误和不足消灭在设计阶段，同时优化设计。在各系统设计输出评审的时候，相关部门的意见至关重要。在产品开发的早期阶段解决设计问题，所冒的风险和损失最小。

各系统的设计和预发布评审都需相关部门的工程师参加，反馈意见马上修改。

造型设计，预发布评审需邀请设计部门的领导、设计总师、设计工程师、工艺工程师、模具工程师、制造工程师和销售人员等。

总布置设计，需邀请车身、底盘、电器以及内外饰各系统工程师、整车安全法规工程师等参与预发布评审。

小批试制阶段，小批试制是批产前的关键过程，所有的问题必须在此阶段解决，无论是技术性的还是生产性的问题，设计、工艺、模具、夹具、制造和质量工程师必须全程跟踪，发现问题及时修改、验证。公告认证、安全气囊匹配验证和ABS匹配验证等的验证工作大都选用这阶段生产的车，因为时间上可以提前，可并行完成，车况上与量产车非常接近。

总之，在整车开发的各个过程中，相关的部门都是提前渗入、协同工作、及时反馈、及时修改，使开发全过程方案更改次数减少50%以上，质量达到最佳，为质量的“零缺陷”打下基础。

二、虚拟设计

在达到产品并行的目的以后，为了使产品一次设计成功，减少反复，往往会采用仿真技术，而对机电产品模型的建立和仿真又属于是虚拟设计的范畴。所谓的虚拟制造(也叫拟实制造)指的是利用仿真技术、信息技术、计算机技术和现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，发现制造过程中可能出现的问题，在真实制造以前，解决这些问题，以缩减产品上市的时间，降低产品开发、制造成本，并提高产品的市场竞争力。

虚拟设计能实现在产品加工制造之前，建立产品的功能、结构模型，并能对其进行修改和评审，以满足不同客户的要求。它不仅继承了传统CAD设计的优点也具备了仿真技术可视化的特点，更能支持协同工作和并行设计，从而缩短了产品开发周期并通过各先进技术的利用和补充，使产品保持技术上的优势。

汽车车辆虚拟设计与制造技术应用实例

(1)车身设计阶段使用One-Step仿真软件进行快速冲压成形性校核，可大大减少设计返回带来巨大损失。

(2)模具设计阶段采用Increment仿真软件进行冲压仿真分析，可大大减少模具调试时间。

汽车研发典型流程中，实际工作中，经常出现某些车辆冲压件成形困难不得不返回设计部门更改设计现象，不得不牺牲总体性能来解决局部设计问题。解决该问题最好办法是对车辆件设计后立刻进行成形性校核，发现问题及早解决。由此产生了一步逆成形（One-Step Forming）软件，如瑞士AutoForm.Eng.公司AutoForm/One-Step、加拿大FTI公司Fast3D、法国SIMTECH公司SIMEX 以及我们自主开发KMAS/One-Step软件等。

一步成形也称逆成形法（Inverse Approach-I.A.）。与传统增量法由坯料到冲压件成形顺序相反，它是由制件逆成形方向反推到坯料。它可以模拟一步或多步成形、翻边等成形过程。一步成形计算速度非常快（中等件小于20分钟），能够比较准确预示制件成形性，为结构和碰撞分析提供真实信息（厚度、应力等），将它作为预警系统用于车型开发早期阶段。

汽车制造中瓶颈问题之一是车辆模具设计与制造，特别是拉延模设计。为解决这一问题，近十年来国内外汽车模具行业广泛采用了虚拟设计技术，即采用增量分析软件进行冲压过程仿真。这类软件如法国ESIPAM-STAMP、美国LS-DYNA、瑞士AutoForm.Eng.公司AutoForm /Increment和我们自行开发KMAS/Increment软件等。

三、绿色设计

绿色设计是指以环境资源保护为核心概念的设计过程，其基本思想就是在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳人产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小

产品的绿色设计主要包括以下内容:(l)产品材料的选择和管理。产品的材料不仅要满足传统设计的使用和性能要求，也包括对环境约束准则的考虑。

(2)产品可拆卸性和可回收性设计。可拆卸性设计是将废弃淘汰产品的连接按照需要和回收目标拆开而将零部件相互分离，及用利于产品拆卸的连接方式代替传统的连接方式;可回收性设计则是将产品中的可重用零部件及材料按照其性质进行分类，以便实现零部件重用或材料循环的一种设计思想和方法。

(3)绿色产品成本分析和设计数据库的建立。对产品的成本分析不仅包括了产品原始成本的分析，还包括产品环境成本的分析，以便设计出更绿色、成本更低的产品。而产品绿色设计数据库包括与产品寿命周期中环境、经济等有关的基础数据，以及各类评判标准。

(4)产品的绿色包装设计。除了设计出能满足客户要求和喜爱的产品造型和样式之外，还要充分考虑包装对环境的影响因素。

产品设计的基本流程为：市场调研--草图构思--方案设计。具体到绿色设计在产品设计中的应用，其过程可分为四个阶段：

1、市场调研

在市场调研阶段，将产品的绿色因素作为调研时的一项重点内容。在此阶段，对产品在人、资源与环境等方面存在的绿色缺陷做出调查研究，并进行分析，形成理性的调研报告。通过市场调研，可以发现产品中所蕴含的绿色机遇。可以利用前文所述的产品绿色因素，对市场做出合理的关于绿色因素的调研。同时评估出未来产品的绿色设计需求，指出现有产品与目标产品的差距。

2、概念设计

在具体的产品设计流程中，将通过市场研究所得来的绿色机遇，通过草图设计-方案筛选-方案设计流程，把功能、造型、色彩、人机等诸因素融入到产品设计中去。使产品满足绿色设计的三大要求：Reduce(节约)Reuse（回收利用）Recycle（循环）；二是通过产品设计中的造型、色彩、人机等因素的协调设计，使得用户在使用绿色产品的时候，能够感受到产品的绿色因素。

3、方案确定

对概念设计方案进行评估，得到最终确立方案。对方案的评估有两个方面，一是在设计、制造、包装、运输、消费、报废和回收过程中，废弃物的量作为衡量标准，尽可能的减少该过程中废弃物的量，二是看产品的在使用过程中，是否能够很好的让消费者感受到产品的绿色因素，可着重于考察产品的人机、形态和色彩。

4、详细设计

在产品的详细设计阶段，继续深化产品的绿色因素，进行详细的产品设计。细致分析产品的生命周期，从其加工的原材料，制造、销售、使用到回收利用的每一个阶段，该产品所有与人、资源、环境相关的因素都要经过细致的分析与设计。在此设计阶段可以借助虚拟技术进行产品开发，可以在虚拟的环境下，进行产品设计，生成软产品模型以进行形态和功能的评价与测试，这样就可避免生成硬模型带来的能源和资源上的浪费，有利于缩短产品开发周期，降低成本，减少污染。

四、可靠性设计

机电产品的可靠性设计可定义为:产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性设计是以概率论为数学基础，从统计学的角度去观察偶然事件，并从偶然事件中找出其某些必然发生的规律，而这些规律一般反映了在随机变量与随机变量发生的可能性(概率)之间的关系。用来描述这种关系的模型很多，如正态分布模型、指数分布模和威尔分布模型。可靠性常用的数值标准有:可靠度(Reliability)、失效率(FailureRate)平均寿命(MeanUfe)。机电系统的可靠性不仅与组成系统单元(机械单元、电气单元或混合单元)的可靠性有关，还与组成该系统各单元间的组合方式和相互匹配有关。通常机电产品的可靠性设计包括以下几个方面的内容:(l)明确机电产品中机械部件和电气部件的设计制造要求。

(2)系统可靠性建模。系统常用的可靠性建模方式有:串联系统建模、并联系统建模、混联系统建模、k/n系统建模和储备系统建模。可通过这些数学模型并采适当的算法来计算出机电系统的可靠性。

(3)可靠性可预测。预测单元(机械单元、电气单元或混合单元)的可靠性，首先要确定单元的基本失效率，它们是在一定的环境条件下得出的，设计时可以从相关的手册、资料中查得。然后根据公式入=k入b来确定各单元的应用失效率，k为修正系数，可由专门的资料中查得。对于不同的机电系统，其可靠性预测的方法也不同，常用的有元器件统计法、数学模型法和故障树分析法等方法。

(4)可靠性的分配。根据机电产品各单元技术水平、复杂程度、重要程度以及相关费用等条件来决定，总的来说都是为了获取系统最高的可靠性。现在常用的分配方法有等分发、再分发、Agree分配法和相对失效法和相对概率法。

五、智能优化设计

随着与机电一体化相关技术不断的发展，以及机电一体化技术的广泛使用，我们面临的将是越来越复杂的机电系统。解决复杂系统的出路在于使用智能优化的设计手段。智能优化设计突破了传统的优化设计的局限，它更强调人工智能在优化设计中的作用。智能优化设计应该以计算机为实现手段，与控制论、信息论、决策论相结合，使现代机电产品具有自学习、自组织、自适应的能力，其创造性在于借助三维图形，智能化软件和多媒体工具等对产品进行开发设计。

而实现的手段有:(l)模糊设计。模糊设计是以模糊数学为理论基础，它首先通过对设计对象的各项性能指标建立满足某些模糊集合的隶属度函数，并按其重要性乘以不同的加权引子，然后按一定的算法得到综合模糊集合的隶属函数，再通过优化策略，把模糊问题向非模糊化转化，从而实现寻优的过程。现在机电产品中涉及到模糊理论的场合很多，如模糊冰箱、模糊洗衣机、模糊微波炉，它们正悄然地改变着人们的生活方式。

(2)神经网络优化设计。神经网络是一种模仿人类大脑结构、功能的信息处理智能系统，一般由多输人单输出非线性单元组成神经元，各神经元按一定的模式连接，并构成各种连接模型。它通过反复的训练和学习以及自身的适应能力来完成对复杂信息的处理，使输出达到最优。神经网络的重要特征就是具有很强的自适应、自组织、自学习的能力和强容错性。为实现机电产品智能化的功能，还有一个途径就是利用专家系统的框架。通过提取人类成熟的操作经验和知识，以知识库为核心，配以特征知识处理，并采用不同的匹配法则和推理机制，构成完整的最优决策系统。

.六、计算机辅助设计

机械计算机辅助设计（机械CAD）技术，是在一定的计算机辅助设计平台上，对所设计的机械零、部件，输入要达到的技术参数，由计算机进行强度，刚度，稳定性校核，然后输出标准的机械图纸，简化了大量人工计算及绘图，效率比人工提高几十倍甚至更多。

计算机辅助设计的过程,首先进行功能设计,选择合适的科学原理或构造原理,然后进行产品总图的初步设计、产品选型和外型的初步设计;从总图派生出零件,对零件的造型、尺寸、色彩等进行设计,对零件

进行有限元分析,使其结构及尺寸与应力状态相适应;对零件进行加工模拟,对其性能做出评价、分析和优化,最终完成零件的工作图;在计算机上制定零件制造工艺,在相应的设备上制造出零件。

如各种建模软件，solidworks proE AutoCAD等 现代CAD系统的功能包括:

(1)设计组件重用(Reuse of design components)

(2)简易的设计修改和版本控制功能(Ease of design modification and versioning)

(3)设计的标准组件的自动产生(Automatic generation of standard components of the design)

(4)设计是否满足要求和实际规则的检验(Validation/verification of designs against specifications and design rules)

(5)无需建立物理原型的设计模拟(Simulation of designs without building a physical prototype)

(6)装配件(一堆零件或者其它装配件)的自动设计

(7)工程文档的输出，例如制造图纸，材料明细表(Bill of Materials)

(8)设计到生产设备的直接输出

(9)到快速原型或快速制造工业原型的机器的直接输出

七、动态设计

动态设计法是在计算参数难以准确确定、设计理论和方法带有经验性和类比性时，根据施工 中反馈的信息和监控资料完善设计，是一种客观求实、准确安全的设计方法。

传统的机械设计主要是依据静态条件下强度、刚度、稳定性及结构要求和材料选择来进行设计的，动态设计则以系统论，控制论为依据，在一定的位移，速度，力和力矩的干扰下对影响整机性能非常重要的战术指标（包括响应速度、跟踪精度和动态稳定性等）进行设计。

对初步设计产品(或需要进行改进的产品)进行机械结构或系统动力学建模和动态特性分析，根据工程实际要求，给出所要求的动态特性设计目标，按结构动力学“逆问题”分析法求解结构参数，从而得到一个具有良好动静态特性的产品，即不仅具有良好的工作工艺指标，而且机械设备本身还能够安全、可靠地工作，并满足相应的工作寿命要求。

机械动态设计的理论与方法主要包括以下四个方面：动力学建模、动态特性、计算实物试验、模型试验与试验建模、机械结构动力修改

基坑支护动态设计应用实例

动态设计通过建立监测系统和信息反馈有利于控制施工安全，并不断地将现场地下水及地质变化情况反馈到设计单位，调整完善设计。这一设计方法很适合用于基坑开挖支护、边坡治理等岩土工程。现以广东省某试验研究中心基坑设计为例，简要地介绍了动态设计的内容及方法。

动态设计过程

根据基坑周边环境及场地土情况，本基坑位移的最大预警值为 4cm（0.004h，h 即为开挖深 度）。为确保基坑施工的安全和开挖顺利进行，在整个施工过程中进行全过程监测，实施信息化施 工，并根据监测反馈的信息进行动态设计。下面仅以该工程实例Ⅰ区支护设计为例，详细介绍根 据监测结果及施工信息进行动态设计的全过程：

（1）基坑施工过程中，在Ⅰ区开挖第五层土及施工第五排锚杆时，14 号测点的水平位移由 2cm 突增至4.6cm，超过本基坑位移最大预警值。设计接收到监测预警后，立即修改原支护设计，要求在开挖面补打一排长3m 的?48 注浆花管做超前支护，并将第六排锚杆改为预应力锚杆，预应 力为80kN，以控制该区域基坑水平位移。至地下室底板浇筑完成，该测点的水平位移量仅增加 0.6cm，设计采用注浆花管超前支护及预应力锚杆控制位移是正确的，这两项措施成功地控制住了 开挖引起的水平位移。

（2）施工放线发现：Ⅰ区支护的部分锚杆将碰倒临近的高层住宅的地下室侧壁。设计根据现 场情况，将原第一、二排锚杆倾角由20°调整为30°。

动态设计在整个施工期中根据实际情况不断地调整原设计剖面。

八、模块化设计

结构模块化设计主要是以功能化的产品结构为基础，分解现有的产品，在分解中考虑到各个要素的可行性，从而在早期就预测到设计中可能会出现的矛盾，提高设计的可行性和可靠性，降低产品的成本。

模块化设计在齿轮减速器中的应用 市场调查分析与参数范围的确定

模块化设计的一个重要前提是必须对产品的品种和规格以及市场对同类产品的需求量有充分的了解，只有这样才能开展模块的划分、创建、组合$ 根据市场调查，为满足冶金、矿山、建筑、化工、轻工等行业的需要，拟设计中小功率的通用齿轮减速器系列

齿轮减速器主要有圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、圆柱—圆锥齿轮减速器三种结构，为了使齿轮减速器通过单元模块组合，实现系列产品内传动件互换，拟定产品的装配形式共 减速器各级齿轮传动中心距的确定主要考虑两个因素：一是尽可能实现各级齿轮等接触 强度传动；

减速器整机结构具有明显的分级特性，在进行模块化设计时，以产品的功能分析为基础，将产品的总功能分解为若干层次较高的综合性功能单元，如图然后根据不同的需

求，将这些综合性功能单元分别细化为若干层次较低的、可互换的、独立的基础单元，如齿轮、轴承的分级分解如图

对一定界限内的不同产品的性能、规格进行分析得出的一系列的功能模块，这些模块成为基础，通过对它的选择，重新组合构成不同的产品，以满足市场需求。根据各部件的位置及功能不同，设计为一个个独立的模块，模块之间又可以组成一个大单元，如机械液力变矩器、变速器和中央传动一体化单元等，使整机的装配和维护更为方便。从工程机械的传动方式看，传统的“液力变矩十动力换档变速箱+两级最终传动”方式，逐步向模块化的传动方式转变。如采用典型模块化设计的传动系统为：外分流式液力变矩器+传动轴+动力换档变速器与中央传动的组合+离合器与盘式制动器的组合+行星最终传动。

九、计算仿真设计

根据工程机械不同的作业功能，在计算机上模拟各种作业过程，以分析和确定各种状态下的作业参数，研究工程机械各系统主要部件的结构合理性，借助数学实验等方法预估工程机械的作业效果，从而可大大减少设计上的失误，避免或减少走弯路。

空调系统计算机仿真设计实例李锐

计算机控制程序用Visual Basic 语言编写, 其中用到重要的通信控件———MSComm。该控件使各自控设备与计算机得以沟通, 实现了计算机对空调房间内温度、湿度、CO2 浓度的监测及对电动调节风

阀、电加湿器、新风口的自动控制。

空调系统的计算机监控原理

如图1 所示,被控变量(温度、湿度、CO2 浓度)由传感器测 得的电压模拟量先经过变送器转换成0～5V 的电压, 然后经过A/D 控制器转换(A/D 转换)成CPU 能够处理的数字量(0～255)。当计算机 接收了给定量和被控变量的反馈量后, 运用微处理器的各种指令, 对 该偏差值进行控制规律的运算, 再经过A/D 控制器转换(D/A 转换), 把数字信号转换成电压模拟控制信号去驱动电动执行器(如电动调节 风阀的电动机), 或直接输出开关量电信号通过继电器来驱动开关(如 电加湿器、新风口的开关), 从而实现自动控制作用。

界面的设计包括一个主窗体、五个子窗体、一个“关于”对话框和一个标准模块。见图2。①主窗体, 即“空调系统的计算机仿真”窗体。②“控制”子窗体。③“系统图”子窗体。④“历史记录”子窗体。⑤“曲线图”子窗体。⑥“帮助”子窗体。

⑦“关于我的应用程序”对话框。⑧标准模块。

监视与控制子窗体分“输入”“输出”两大块。“输入”指采集到的各参数的现时值, 为监测部分;“输出”指经程序运算后要给各执行器输出的控制值, 为控制部分。

十、人机学设计

应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数；还提供人体各部分的出力范围、以及动作时的习惯等人体机能特征参数，分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性；分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力；探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等.所谓人性化产品，就是包含人机工程的的产品，只要是“人”所使用的产品，都应在人机工程上加以考虑，产品的造型与人机工程无疑是结合在一起的。

在现行的上机条件下，笔直坐立时，操作员常常是手臂向前悬空着来操作键盘和鼠标的。手臂的悬空形成了肩颈部的静态疲劳，放弃维持直坐姿势而塌腰驼背，或者是把手腕摩擦桌面 电脑椅,学生电脑椅人机工程学设计说明

设计方案:

l 人的身体姿势与腰椎形状的关系:

⑴ 人的背后仰和放松时，椎间盘内压力最小。(2)靠背倾斜角越大，肌肉负荷越小。

(3)5cm厚的短靠腰（靠住腰部，也叫地靠腰），与最简单的面的靠背相比，可降低椎间盘压力，减轻肌肉负荷。

⑷ 靠背最佳倾斜角（与程度面夹角）为120°，坐面最佳角度（与程度面夹角）为14°，靠背应力5cm厚的地靠背支撑着身体上部分的重量，从而减小了椎间盘内压力。

根据人的身体姿势与腰椎形状的关系确定学生座椅的具体人机设计要素：

学生电脑椅使用时人身体前倾，凹缘支撑住腰部，而放松休息时，人的身体后靠，靠背又保持了脊柱的自然“S”形曲线。因此应具有高靠背垫腰凹缘。⑴高度可调。办公椅的高度调节范围为38-53cm。

(2)可防止座椅滑动和翻倒。椅脚应设计5个，等分在直径为40-45cm的圆周上。

(3)给人留有足够的活动空间。需要时常站起来的座椅应采用小脚轮。⑷应保证腿的活动空间，以减轻腿的疲劳。

(5)坐面应为40～45cm宽，38～42cm长，坐面中部稍微下凹，前缘呈弧球面，坐面后倾4°～6°。(6)坐面的材料应透气而且不出溜(例如毛料)，以增加坐面的舒服感。

（7）在座椅右侧扶手旁边设置一个可以上翻后旋转的键盘和鼠标的操作台，使座椅与显示器荧幕之间的间隔有更大的自由度同时利于腾出电脑桌空间。此附带加上装置可配合电脑桌拥挤时使用，观看视频或图片（画手绘就利便了）。

用电脑，把台面分为可别离调整高度的两部分，保证适合的显示器高度和键盘高度。

十一、摩擦学设计

摩擦学是研究相对运动的作用表面间的摩擦、润滑和磨损，以及三者间相互关系的理论与应用的一门边缘摩擦学系统过程研究学科。以减小摩擦为目的的设计，即为摩擦学设计。

世界上使用的能源大约有1/3～1/2消耗于摩擦。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗，便可大量节省能源。另外，机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的，如果能控制和减少磨损，则既减少设备维修次数和费用，又能节省制造零件及其所需材料的费用。

人类对摩擦现象早有认识，并能用来为自己服务，如史前人类 的钻木取火。《诗经·邶风·泉水》中有“载脂载宣，还车言迈”的诗句，表明中国在春秋时期已应用动物脂肪来润滑车轴。

摩擦学研究的对象很广泛，在机械工程中主要包括动、静摩擦，如滑动轴承、齿轮传动、螺纹联接、电气触头和磁带录音头等；零件表面受工作介质摩擦或碰撞、冲击，如犁铧和水轮机转轮等；机械制造工艺的摩擦学问题，如金属成形加工、切削加工和超精加工等；弹性体摩擦，如汽车轮胎与路面的摩擦、弹性密封的动力渗漏等；特殊工况条件下的摩擦学问题，如宇宙探索中遇到的高真空、低温和离子辐射等，深海作业的高压、腐蚀、润滑剂稀释和防漏密封等。

此外，还有生物中的摩擦学问题，如研究海豚皮肤结构以改进舰只设计，研究人体关节润滑机理以诊治风湿性关节炎，研究人造心脏瓣膜的耐磨寿命以谋求最佳的人工心脏设计方案等。地质学方面的摩擦学问题有地壳移动、火山爆发和地震，以及山、海，断层形成等。在音乐和体育以及人们日常生活中也存在大量的摩擦学问题。

十三、疲劳设计

疲劳

材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。

发展趋势 飞机、船舶、汽车、动力机械、工程机械、冶金、石油等机械以及铁路桥梁等的主要零件和构件，大多在循环变化的载荷下工作，疲劳是其主要的失效形式。因此，疲劳理论和疲劳试验对于设计各类承受循环载荷的机械和结构，成为重要的研究内容。疲劳有限寿命设计中进行寿命估算，必须了解材料的疲劳性能，以此作为理论计算的依据。由于疲劳寿命的长短取决于所承受的循环载荷大小，为此还必须编制出供理论分析和全尺寸疲劳试验用的载荷谱，再根据与各种疲劳相适应的损伤模型估算出疲劳寿命。疲劳理论的工程应用，经历了从无限寿命设计到有限寿命设计，有限寿命设计尚处于完善阶段。发展趋势是：①宏观与微观结合，探讨从位错、滑移、微裂纹、短裂纹、长裂纹到断裂的疲劳全过程，寻求寿命估算各阶段统一的物理-力学模型。②研究不同环境下的疲劳及其寿命估算方法。③概率统计方法在疲劳中的应用，如随机载荷下的可靠性分析方法，以及耐久性设计等。

十四、反求设计

反求设计（也称逆向设计），是指设计师对产品实物样件表面进行数字化处理(数据采集、数据处理)，并利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物的CAD模型(曲面模型重构)，并进一步用CAD/CAE／CAM系统实现分析、再设计、数控编程、数控加工的过程。

逆向设计的流程示意：产品样件 → 数据采集 → 数据处理CAD/CAE/CAM系统 → 模型重构 → 制造系统 → 新产品。

概念车车身造型设计方法的研究，2004年国际工业设计研讨会暨第9届全国工业设计学术年会 本文运用反求工程的基本原理,通过电动概念车车身的研发,从汽车概念设计的角度,提出了一种新的造型设计方法,它以反求工程为基础,将正向设计和反向设计相互结合起来,利用计算机辅助进行车身造型设计.该方法通过建立车身特征曲线框架来进行概念车车身模型的构建,代替了传统反求工程制作实物模型的步骤,有效地提高了设计效率、降低了研制成本和缩短了研发周期.最后,以完成的电动概念车样车实例证明了该方法的正确性和有效性.十四、无障碍设计（barrierfreedesign）

这个概念名称始见于1974年，是联合国组织提出的设计新主张。无障碍设计强调在科学技术高度发展的现代社会，一切有关人类衣食住行的公共空间环境以及各类建筑设施、设备的规划设计，都必须充分考虑具有不同程度生理伤残缺陷者和正常活动能力衰退者（如残疾人、老年人）群众的使用需求，配备能够应答、满足这些需求的服务功能与装置，营造一个充满爱与关怀、切实保障人类安全、方便、舒适的现代生活环境。

无障碍设计首先在都市建筑、交通、公共环境设施设备以及指示系统中得以体现，例如步行道上为盲人铺设的走道、触觉指示地图，为乘坐轮椅者专设的卫生间、公用电话、兼有视听双重操作向导的银行自助存取款机等，进而扩展到工作、生活、娱乐中使用的各种器具。

十五、共用性设计UD(Universal Design)是指，在商业利润的前提下河现有生产技术条件下，产品（广义的，包括器具﹑环境﹑系统和过程等）的设计尽可能使不同能力的使用者（例如残疾人﹑老年人等），在不同的外界条件下能够安全﹑舒适地使用的一种设计过程。

实例：日本松下电器公司一直在潜心研究和开发的“共用设计”理念产品NA-V80GD斜式滚筒洗衣机，在外观方面创造性地将滚筒洗衣机的前开门倾斜了30°，变为斜向开门，它可以让不同年龄﹑身高﹑性别和特殊人群（包括残疾人）都能安全﹑方便的使用。

第四篇：现代设计方法感想

《现代设计方法》

学习心得体会

姓

名：

张

湉

序

号：

班

级：

09级机自2班

学

好：

24091901612

系

别：

机械与电子工程系

指导教师：

张晓红老师

日

期：

2012年4月7日

《现代设计方法》学习心得体会

——09机自2班 张湉（45号）

进入大三，迎接我们的是真正的专业课，不再是以前的公共课或者是专业基础课，而《现代设计方法》作为专业课中的必修课，即是非常重要的一门课，同时也是一门结合机械类各科目知识的一门综合性课程。在近一学期的学习中，我不仅仅是学到了比较多的综合性设计方法同时也很好的认识了我们的好老师-张老师。张老师的课堂教学非常幽默且具有非常强的科学性。张老师基本上是每20分钟左右便给我们一定的时间休息会儿，这样听课就不会非常疲惫，做到劳逸结合，确实学习效果也非常好。

这门课程给我们讲解了设计方法学、优化设计、可靠性设计、有限元法、机械动态设计、计算机辅助设计、人工神经元计算方法、工程遗传算法、智能工程等九种现代设计方法。可以说是设计学的一个大综合。虽然课程还没有讲解完，但是通过已经学的知识和预习的相关知识我对这一课程有了一定程度的认识。纵观世界机械类设计发展历史，从19世纪中叶英国工业革命至今，机械工业不断革新其要求也不断改变，现今对各个设计员的要求不断提升，由以前的单一机械结构设计到后来的机电一体化再到如今的机、电、计算机三位一体的设计要求，这样对于我们大学生尤其是三本院校的大学生，本身基础较薄弱，学习现代设计要求也不断提高、相应的难度也在提升。

通过这半个学期的学习，自己对现代设计方法有了一定的认知和掌握。我觉得开设本课程要达到的主要目的是：通过对机械优化设计和有限元分析中的基本概念、理论和方法的学习，对工程设计实例分析的了解和熟悉，我们可以拓宽视野，增强创新设计意识，掌握现代设计方法的基本思想和基本方法，初步具有解决机械优化设计与有限元分析问题的能力。学校的图书馆也有许多相关的书籍期刊，通过课本的学习和课外知识的学习以及《机械设计》课程学习的基础，我对设计过程的复杂性和相关基础过程有了一定的认识，其过程主要为首先是任务的提出，确定需求和潜在的需求；然后是可理解的形成，即概念设计，包括扫描技术可能和产生矛盾统一设想；最后是对可能解的评估、优选和确认，并产生最终 2 解。通过这门课程的学习我还解决了另一个问题，对机械设计的现代设计方法的相关类型有了一定的认识。通过课程中的设计方法学、优化设计、计算机辅助设计等方面的学习我深刻的认识到现代设计方法主要基于以下四个类型开展设计方案的。主要是结构模块化设计方法、基于产品特征知识的设计方法、系统化设计方法、智能化设计方法四个方面的设计方法，我的学习提纲也就是从这四个方面铺开的。

这半个学期的学习使我受益匪浅，不仅仅是解决了这两个问题，跟重要的是对现代设计方法有了个总的认识，对自己的专业能力有了很大的提高，这将是将来工作以及学习更广阔的专业知识的夯实基础，也为我将来的考研以及更远的就业提供了很好的基础，只有你专业知识学的好，将来工作上才能够游刃有余，才能够在人生的道路上走的更加平稳、快速，取得人生的辉煌。最后，感谢张老师对我们的教导与教诲，您的辛勤工作给我们带来的将是我们无尽的人生财富，助我们扬帆人生。谢谢您！

参考文献：

《现代设计方法》 梅顺齐 何雪明主编 华中科技大学出版社；

第五篇：铜合金线材产品发展趋势及要求

简介：铜以其良好的导电和导热能力成为电子和电力工业领域里的首选和主要材料。为了达到所要求的性能标准，使用的几乎都是高纯度的铜。这篇文章主要讨论了这样做的原因，同时还特别关注了一些根本的冶炼原则。其目的是要针对过去十年铜线领域里的相关发展展开进一步的讨论。

2．导体要求：

近年来在解释贵重金属（即铜、银和金）的电子属性上已经取得了巨大的进步。这些元素显示出了很高的导电性能，因为它们的导电电子对于电场的运动几乎没有什么抵抗力。铜尤其是一种优良的导体，因为最外围的电子之间有很大的自由空间，以致于不会发生任何碰撞。而它的电阻率则与这宽大的空间成反比。

有几种导电金属都比铜轻，但是输送同样多的电流，它们所要求的横截面更大，所以如果要求节约空间的话，这些金属是不可取的。（例如：在一些小型电力马达）。所以当超重成为问题时，人们就开始使用铝。铜具有商业应用所需要的最好的性能特征，因此银就因为它昂贵的价格而不被采用。

3．应用：

铜是以其纯净形式而不是合金形式而具有最广泛用途的稀有金属之一。大约有五十多种不同的锻压合金中铜的最小含量是 99.3%，虽然只有一小部分在工业上用作电导体。这些低合金中最常用的是电解韧铜，它由这纯度的金属构成，这种金属可与氧在100-650ppm的范围内结成合金。但是在氢气环境中人们建议不要使用ETP铜，因为当它暴露于这些温度时会受到氢脆裂的影响。在这样的环境下，要么使用无氧铜，要么就使用无氧电子铜。含银铜中电源电压器中的应用相当有限，因为它在温度提高时具有较高的强度和较弱的抵抗力

铜棒和铜线的生产：

二十世纪七十年代以前，几乎所有的铜都是通过分批法生产的，分批法的具体步骤是：将熔化铜浇注并凝固成为叫做“线锭”的特种铸块，然后在稍微受到限制的保护氛围将棒再加热，而后在通过热压法在空气中将这一铸造的树形结构分解成棒的形式。接下来，就将其投放在10%的硫酸里来清除上面的氧化物，通过将一端对接在另一端而形成较长的线圈。现在，实际上所有的铜棒都是通过连续铸造和轧制程序制成的。连续铸造的好处是：较小的杂质微分离、减少了表面的铜氧化物颗粒、在与轧辊接触的过程中钢含量减少、几乎避免了所有的焊缝、降低了整个加工成本。刻意地将氧和铜制成合金，作为溶解氢和硫磺的净化剂，从而在熔化中形成H2O和SO2这两种气体。如果氧成分有一定控制的话，那么就会形成小型汽泡，在合适的条件下，这些汽泡会抵消从液态向固态转变过程中约4%的收缩量。如果所形成的毛孔不十分大的话，它们完全可以在热压期间被消除掉。

大部分连续铸造和轧制的产品都装有非破坏性设备，而这些设备往往都进行在线应用来检测表面诸如裂缝和氧化物等缺陷。对于某种高质量的应用，通常要通过机械修整来将表面好多层金属清除掉。

大部分圆形和方形铜产品都是通过用传统的人工多晶拉模或天然单晶拉模进行拉丝而生产的。铜具有良好的成形性，铜棒可以很容易地制成比较细的铜丝，而不需要任何中间的退火过程。尽管它具有这种比较理想的特性，但是磁线工业中的一般做法是在拉丝过程中将减面率降到90%左右，之后还要进行退火。除了减面率以外，金相结构也可能会发生变化，从而削弱了铜线的机械特性。磁线经常是通过所谓的“在线过程”来进行生产的，这一过程包括：“慢速”拉丝，接着进行连续退火，同时还要上涂料。最终的铜线产品是通过将退火之间的减面率降低到90%而得到改善的。

5．杂质的作用：在高导电率形成过程中化学性质是最重要的变量之一。这些成分中最有害的东西能够降低导电率、提高退火线的机械强度、避免再结晶、有时在生产铜棒的热压过程中还会导致热脆。无数的研究调查表明：极少数量的溶解物都会一次性地提高铜的电阻率。许多杂质都会阶段性地提高其半硬再结晶温度。然而，当杂质与沉淀物或氧化物而不是溶解物混合在一起时，对导电率的有害影响就会降到最低。表2表明了各种各样的单一元素添加到只含有200ppm氧的高纯度ETP铜所产生的影响。一般来说，每百万分之一杂质中的前半部分与相同剂量的后半部分相比影响力更大。然而，需要注意的是，自从建立于1913年的铜电力标准由 100%IACS导电率表示以来，商业铜的纯度就得到了极大地改善。如今，大部分商业铜负极的导电率都超过101%IACS。

6．氧成分的影响：氧是为了改善铸造铜的坚固性通过对燃汽——金属反应的控制而采用的一种合金成分。同样重要的是，氧在与大部分杂质反应的过程中都起到了一个清除器的作用，而这些杂质当它们溶解在铜基质中时对其特性和退火反应都有巨大的影响作用。相反，当这些杂质与不可溶解的氧化物混合在一起的时候，这些坏作用就被抵消了。从表3可以看出，ETP铜导电率的最大值是200ppm。因而，ETP铜中氧的含量大致在175和450ppm之间。由于分散杂质容易引起热裂，所以通常都尽量避免低氧值。相反，超于这一最佳限制的氧气值并不常见，因为这对可成形性具有附作用。实际的氧含量应是既要有较好退火过程，还要避免可能出现的可塑性问题。

7．热机械可调变量的重要性：除了由金属杂质形成的氧化物之外，氧化物还可以通过改变热力史从铜基质中溶解或沉淀出氧化物。这些固体反应可能会影响最终的粒子大小，因为铜氧化物成分在再结晶的过程中能帮助形成大小统一的粒子。然而，二次再结晶（不正常的粒子成长）通常都与一个双重的颗粒结构有关，而这一颗粒结构是在高温退火过程中由氧化物的溶解形成的。粒子粗化和孪晶的出现主要是由于溶液温度超过了500摄氏度，且氧的浓度低于600ppm.拉丝之前形成 的粗粒子在接下来的低温退火之后并没有被消除掉。从高温冷却下来的冷却速率也会影响到高温机械性能，尤其是杂质成分相当地大时。快速淬火会导致固态溶液中高浓度、不均匀的杂质成分。从另一方面讲，慢速冷却会增强杂质和氧之间的相互作用，这又有利于杂质从固态溶液中沉淀下来。在退火期间通过拉丝或轧制所作的冷加工对于商业磁线来说是有限制的。在最终冷却之前为了得到比较好的顺应性（即铜线在成形或弯曲过程中以最小的回弹性保持形状的能力），最好要限制一下冷加工的数量。高模数和低屈服强度都是比较理想的性能，因为它们都是最小回弹性的标志。

8．退火过程：铜的退火性是个非常复杂的特性，这一特性是由一系列的其他属性组成，而这些属性又会随着变形、热过程、金属纯度和氧成分的多少而发生变化。当杂质沉淀下来以后，它们对退火过程的影响是比较小的，这与固态溶液中的情形是截然不同的。退火温度与溶剂（这里指的是铜）和溶质（这里指的是杂质）之间原子大小的区别有一定的关系。溶质元素的化合价也是影响退火性的一个重要参数。然而，由于多种物质之间热动力的相互作用所形成的复杂状况，退火性并不只是简单地与一些可能的参数，如：原子量或溶质的化合价有关。

9．表面影响：在外界温度下，铜线总是有一个残留的氧化膜，而这一氧化膜是当铜线进入热杆轧制阶段时从高温的、连续铸造的铜杆上形成的。现在在铜业中通过一种电量分析控制检测手段来测量残留的表面氧化膜的厚度已成为一种比较标准的作法。氧化膜可能会相当地有害，因为它们可能会在拉丝过程中引发许多缺陷、使拉丝膜过度磨损、可焊性变差、搪瓷膜和裸导体之间的附着力变弱。

铜杆的缺陷之处往往是源于连续铸造过程和轧制过程，这包括：残渣、铜氧化夹杂物、热裂、裂块、铜杆表面氧化颗粒的形成。大部分金属间化合的夹杂物都比较脆，因而都成为拉丝过程中裂纹发生和蔓延的场所。相对于缺陷而言，较细的磁线和成形线是最主要的生产产品。

唯一最大的表面缺陷源于拉丝，往往是以拉模划痕、机械损伤、弧口凿或裂片的形式出现在裸导体的表面。因为拉丝问题而形成的裂片往往与所捕获的氧化物没有太大关系。表面损伤通常是由于拉丝机内移动线未对准或拉丝膜炉口内铜精炼的压制力太大则形成的。

10．未来的挑战：

人们对于更好表面质量、更大包装型号的需求在不断地上升，而且越来越期望生产出一种“无疵点”并少断折的铜杆（即有很好的可拉性）。满足这些需求的推动力将会是： 更好的能源效率、愈加激烈的全球竞争、更多的家居应用、在地价上涨的情况下所使用的小型电动机，比如汽车中使用的马达。因而人们会越来越愿意使用比较小的计量尺寸。

随着电解冶金法的出现和电解精炼所取得的不断进步，目前商业铜负极的纯度似乎已经达到了大家都可以接受的水平，而且已经没有必要进一步限制杂质的数量。然而，在易切削黄铜工业中，铋已经被用来代替铅作为一种合金元素。因为铋对于电力铜导体具有很大的毒性作用，因此人们要求黄铜碎片应与铜碎片完全地分割开来。

铜线工业面临的一个问题是在拉丝过程中，由于研磨或分层而造成了许多表面的疵点。为了解决这一问题，关健是要在以下几个方面有所改进：铜杆的表面质地、拉丝润滑剂、固体颗粒的过滤、单一合成晶体钻石拉丝膜的生产。

一个十分重要的未来挑战就是开发出更多敏感的传感器，通过用一种非接触检测手段来检测铜棒、铜杆和铜线上的非破性疵点。这些疵点中的大部分由于太小而用现在的漩涡流检测设备是根本检测不到的。此外，还需要开发一种在线检测设备来轻易地检测大孔隙和其他的内部疵点。影响线状电力铜导体性能、加工和运行的因素从很大程度上讲是建立在现存的冶炼原则基础之上的。然而，杂质和退火温度及电阻率之间的关系还需要在数量上进一步改进一下。

11．总结：

常用作电线导体的是纯铜，而不是铜合金。与此同时，通常还要加少量的氧气来控制杂质，并改进导电性。最终特性和加工过程与杂质和氧成分都有着非常密切的关系，并且用一些基本的冶炼原理是完全可以解释的。

趋势。ASTM B 370规格，即工程建筑所使铜条和铜块，以其多种型号和多种厚度，成为规格和购买的基础。铜金属的竞争性数量以及对铜的信心不断推动了这个健康市场的发展。最近认可的规格是ASTM B882，是一种在建筑中应用的预先生锈铜。长期以来，建筑师和工程师们都期望生产使用这种产品，因为他们急切地想用铜制屋顶和建筑横木来发展这种值得称赞的绿色。

12.低铅和无铅锻造和铸造铜合金：

滤沥到水里的铅对人体健康的影响引起了人们对于现有铜合金及开发一种饮用水用的新合金的重新思考。铸件的耐压紧密度以及由铅附属物提供的锻造和铸造部件的上等机械加工性都是必须要达到的要求。含合金的锻造和铸造无铅铋必须具有以下特性： 符合ANSI/NSF 61的健康要求以及饮水系统成分健康要求。现在人们已经开始用一种酸化钠醋酸洗涤剂来清除机器上的铅污渍。但是这一行业的某些部门提出了对混合碎屑的顾虑，因为他们认为在这些混合碎屑中，铋的微量会导致在加工过程中金属的热脆。碎屑回收工业学院（ISRI）和黄铜与青铜铸造生产商（BBIM）正在研究一种碎屑回收严格的控制程序和分割程序。

13.家用产品：

在家用产品中，人们选择铜是因为铜具有以下特点： 优美的外形、可靠的质量、很高的商誉、良好的设计因素、较好的物质和机械性能以较长的使用寿命。电力照明器材和火炉设备一起成为主要的家用产品范畴。

14.服务：

用来确定铜原料对于应力腐蚀破裂敏感度的传统方法是硝酸亚汞试验。（ASTM B154）为了响应来自ASME 锅炉和压力容器编码和美国海岸巡逻队的要求, B-5 委员会将应力腐蚀免疫的IS0 6957铜合金氨测试转换为ASTM形式。这完全出于他们对于测试溶液和样品处理的考虑。ASTM B858M，即在铜合金中用一种氨蒸汽来确定其对于应力腐蚀破裂的敏感度的方法现在是官方使用的一种方法。这种测试方法刺激了服务条件的发展，在这些条件下，可能会出现应力腐蚀破裂，并克服硝酸亚汞试验的缺点。

15．未来展望：

世界经济变得越来越全球化了。随着二十一世纪的到来，第三世界国家正在建立电讯链路，变成电力的主要消费者，他们在建造家园、工厂和商业建筑，这样就需要大量的铜来满足他们的需求。铜被用作工程原料已有一万年的历史了，它对人类的贡献是呈金字塔式的，与日俱增。如果没有铜，真不敢想象未来的世界将会是什么样子。