1.3 支持产品开发的现代设计方法

1.3.1 设计与现代设计

“设计”这个词有两种概念。广义的概念指的是发展过程的安排，包括发展的方向、程序、细节及达到的目标。狭义的概念指的是将客观需求转化为满足该需求的技术系统的活动，各种产品包括机械产品的设计即属此种。

人类要改造自然，就要进行设计。把预定的目标经过一系列规划、分析和决策，产生相应的文字、数据、图形等信息，这就是设计。然后，或通过实践转化为某项工程，或通过制造成为产品。产品设计过程从本质上是一个创新过程，是将创新构思转化为有竞争力的产品的过程。

现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，是随着设计实践经验的积累，由个别到一般，由具体到抽象，由感性到理性，逐步归纳、演绎、综合而发展起来的。由于科技进步的速度日益加快，特别是计算机的高速发展，人们在掌握事物的客观规律和人的思维规律的同时，运用相关的科学技术原理，进行过去长期以来难以想象的综合集成设计计算，使设计工作包括机械产品的设计工作产生了质的飞跃。

现代设计涉及众多要素，可以归结为4大类，分别是人的要素、技术要素、市场环境要素和审美形态要素，如图1-3所示。

（1）人的要素 人是产品设计中最基本的要素，是产品设计活动得以形成、实施的关键。产品设计要素以人为核心，具体体现在设计出的产品要满足人的多方面的要求。

（2）技术要素 产品设计时必须考虑产品结构、生产、材料、加工工艺、表面处理等各种技术问题，才能使产品设计构想变为现实。

（3）市场环境要素 是指设计师在进行设计时的周围情况和条件。按照系统论的设计思想，产品设计成功与否不仅取决于设计师的能力、水平，还受到企业和外部环境要素的制约与影响，如政治、经济、社会、文化、科学技术、自然、国际等环境。此外，任何产品都不是独立的，总是存在于一定环境中，并参与组成该环境。

（4）审美形态要素 美可以唤起人的心灵和精神，给人感官以愉悦。“形态”中的“形”指物体的外形或形状，“态”指蕴涵在物体内的“神韵”或精神“态势”。审美形态是物体的“外形”与“神韵”的结合，是将某种“神”的精髓融入产品外在的“形”中。

从20世纪60年代末开始，设计领域中相继出现了一系列新兴理论与方法。为了区别于过去常用的传统设计理论与方法，把这些新兴理论与方法统称为现代设计。目前，现代设计所指的新兴理论与方法主要如表1-1所示。

现代设计主要有下列特点。

（1）系统性 现代设计方法是逻辑的系统的设计方法。目前有两种体系，一种是德国倡导的设计方法学，用从抽象到具体的发散的思维方法，以“功能-原理-结构”框架为模型的横向变异和纵向综合，用计算机构造多种方案，评价选出最优方案；一种是美国倡导的创造性设计学，在知识、手段和方法不充分的条件下，运用创造技法，充分发挥想象，进行辩证思维，形成新的构思和设计。

传统设计方法是经验、类比的设计方法。用收敛性的思维方法，过早地进入具体方案，功能原理分析既不充分，又不系统，不强调创新，也很难得到最优方案。

（2）社会性 现代设计开发新产品的整个过程，从产品的概念形成到报废处理的全寿命周期中的所有问题，都要以面向社会、面向市场为指导思想全面地考虑解决。设计过程中的功能分析、原理方案确定、结构方案确定、造型方案确定，都要随时按市场经济规律进行尽可能定量的市场分析、经济分析、价值分析，以并行工程方法指导企业生产管理体制的改革和新产品设计工作。

传统设计是由专业技术主管指导设计，设计过程中注意技术性，设计试制后进行经济分析、成本核算，很少考虑社会性问题。

（3）创造性 现代设计强调激励创造冲动，突出创新意识，力主抽象的设计构思、扩展发散的设计思维、多种可行的创新方案、广泛深入的评价决策，集体运用创造技法，探索创新工艺试验，不断寻求最优方案。

传统设计一般是封闭收敛的设计思维，过早地进入定型实体结构，强调经验类比和直接主观的决策。

（4）最优化 现代设计重视综合集成，在性能、技术、经济、制造工艺、使用、环境等各种约束条件下，在广泛的学科领域之间，通过计算机以高效率综合集成最新科技成果，寻求最优方案和参数。

传统设计属于自然优化。在设计评定-再设计的循环中，凭借有限的设计人员的知识、经验和判断力选取较好方案。受人和效率的限制，难以对多变量系统在广泛的影响因素下进行定量优化。

（5）动态化 现代设计在静态分析的基础上，考虑载荷谱、负载率等随机变量，进行动态多变量最优化。根据概率论和统计学方法，针对载荷、应力等因素的离散性，用各种设计方法进行可靠性设计。

传统设计以静态分析和少变量为主，将载荷、应力等因素进行集中处理，由此需要考虑安全系数，与实际工况相差较远。

（6）宜人性 现代设计强调产品内在质量的实用性，外观质量的美观性、艺术性、时代性，在保证产品物质功能的前提下，要求对用户产生新颖舒畅等精神功能。从人的生理和心理特征出发，通过功能分析、界面安排和系统综合，考虑满足人-机-环境之间的协调关系，发挥系统潜力，提高效率。

传统设计往往强调产品的物质功能，忽视或不能全面考虑精神功能。凭经验或自发地考虑人-机-环境之间的关系，强调训练用户来适应机器的要求。

（7）智能化 现代设计认为，各种生物在自己的某些领域里具有极高的水平，其中人的智能最高，通过知识和信息的获取、推理和运用，能解决极其复杂的问题。在已认识的人的思维规律基础上，以计算机为主，模仿人的智能活动，能够设计出高度智能化的产品。

传统设计在局部上自发地运用了某些仿生规律，但这很难达到高度智能化的要求。

（8）CA化 现代设计广泛使用计算机使设计计算、绘图、制造、改进一体化，日新月异的功能强大的软件使设计工作面貌不断更新，能够包容的影响设计的因素也日益增多，大大提高了设计的精度、稳定性和效率。修改设计也极为方便。

传统设计是人工计算绘图，使用简单的工具，设计的精度、稳定性和效率都受限制。修改设计也不方便。

1.3.2 机械产品设计

现代机械是在传统机械的基础上，去芜存菁，吸收了各种新出现并发展起来的先进技术，在机械发展史上形成了新的发展阶段的新型机械。表1-2列出了各个发展阶段的机械产品的典型组成部分。

目前，对现代机械的看法是：由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动、物质流和能量流在内的动力学任务的、机械和电子部件相互联系的伺服系统。

机械产品设计有以下三个方面的主要任务。

1.功能原理设计

1）任务 功能是某一产品的特定工作能力的抽象化描述。产品的功能原理设计是针对某一确定的功能要求，寻求一些物理效应，并借助于某些作用原理来求得一些实现该功能目标的解法原理。

2）重点 创新构思，思维发散，多解评优，简图示意。

3）特点 （1）以新的物理效应代替旧的物理效应，使机器的工作原理发生根本变化；（2）开发人员有新概念、新构思，引入新技术、新材料、新工艺；（3）机器的品质发生质的变化。

4）工作要点 （1）明确所要设计任务的功能目标；（2）调查分析已有的解法原理；（3）创新构思，寻求更合理的解法；（4）初步预想实用化的可能性；（5）认真进行原理性试验。

2.实用化设计

1）任务 使原理构思转化为具有实用水平的机器。完成从总体设计、部件设计、零件设计到制造施工的全部技术资料。

2）重点 性能价格比，结构设计（零部件形状、装配关系、材料、加工要求、表面处理、总体布置、安装等）。

3）特点 （1）工作具体精细；（2）既先进又符合国情；（3）经济合理；（4）易造便修。

4）工作要点 （1）总体设计：定工艺方案，定基本参数，定传动机构简图，绘制工作循环图，满足技术、经济、文化要求。（2）结构设计：结构方案应当可靠、明确、简单，要满足的原理有① 等强度原理；② 合理力流原理；③ 变形协调原理；④ 力平衡原理；⑤ 任务分配原理；⑥ 自补偿、自增强、自平衡、自保护原理；⑦ 稳定性原理等。（3）执行件设计：进行执行件设计的方法有① 可靠性设计；② 动态设计；③ 抗磨损设计；④ 人机学设计；⑤ 热变形设计；⑥ 抗疲劳设计。

3.商品化设计

1）任务 产品不只在技术上成功，要保证产品在市场竞争中成功。

2）重点 商品化设计的核心是产品功能原理的新颖性，基础是产品技术性能的先进性，包装是对市场要求的适应性。

3）特点 （1）销售策略：市场调查，广告宣传，售后服务；（2）经营策略：提高产品质量，增加技术储备，树立企业信誉；（3）设计策略：性能的适用性变化（标准化、系列化、通用化、模块化），艺术造型、价值分析。

4）工作要点 （1）性能的改变：① 适应不同条件（国家、民族、地区、气候等）；② 开发新功能；③ 增添附加功能。（2）产品性能尺寸系列化，零部件标准化，非标零部件通用化，零部件设计模块化：可减小设计工作量，便于安排批量生产，减少重复出现的技术过失，增大互换性，有利于增加品种扩大生产。（3）工业产品艺术造型：以先进的科技功能为基础，设计美观适用的外型和布局，满足精神功能要求。（4）价值分析：价值分析是产品达到物美价廉的有效的现代管理技术，研究如何以最低寿命周期费用可靠地实现必要的功能，其目标是提高产品的价值。

【点评1-3】 现代设计方法的作用与意义