现代设计方法学
A. 求介绍现代设计方法有哪些
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涉及领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。它是以设计产品为目标的一个总的知识群体的总称。目前它的内容主要包括：优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、工业艺术造型设计、虚拟设计、疲劳设计、三次设计、相似性设计、模块化设计、反求工程设计、动态设计、有限元法、人机工程、价值工程、并行工程、人工神经元计算方法等。在运用他们进行工程设计时，一般都以计算机作为分析、计算、综合、决策的工具。本节以计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、有限元法、工业艺术造型设计、设计方法学、三次设计等为例来说明现代设计方法的基本内容与特点。
1、计算机辅助设计
计算机辅助设计（Computer Aided Design)，简称CAD。他是把计算机技术引入设计过程并用来完成计算、选型、绘图及其他作业的一种现代设计方法。计算机、绘图积极其他外围设备构成CAD硬件系统，而操作系统、语言处理系统、数据库管理系统和应用软件等构成CAD的软件系统。通常所说的CAD系统是只由系统硬件和系统软件组成，兼有计算、图形处理、数据库等功能，并能综合利用这些功能完成设计作业的系统。典型的CAD工作过程如图1-3所示。
2、优化设计
优化设计（Optimal Design）是把最优化数学原理应用于工程设计问题，在所有可行方案中寻求最佳设计方案的一种现代设计方法。
在进行工程优化设计时，首先把工程问题按优化设计所规定的格式建立数学模型，然后选用合适的优化计算方法在计算机上对数学模型进行寻优求解，得到工程设计问题的最优设计方案。
在建立优化设计数学模型的过程中，把影响设计方案选取的那些参数称为设计变量；设计变量应当满足的条件称为约束条件；而设计者选定来衡量设计方案优劣并期望得到改进的指标表示为设计变量的函数，称为目标函数。设计变量、约束函数、目标函数组成了优化设计问题的数学模型。优化设计需要把数学模型和优化算发放到计算机程序中用计算机自动寻优求解。常用的优化算法有：0.618法、鲍威尔（Power）法、变尺度法、复合型法、惩罚函数法。
3、 可靠性设计
可靠性设计（Reliability Design）是以概率论和数理统计为理论基础，是以失效分析、失效预测及各种可靠性试验为依据，以保证产品的可靠性为目标的现代设计方法。
可靠性设计的基本内容是：选定产品的可靠性指标及量值，对可靠性指标进行合理的分配，再把规定的可靠性指标设计到产品中去。
4、有限元法
有限元法（Finite Method）是以电子计算机为工具的一种数值计算方法。目前，该方法不仅能用于工程中复杂的非线性问题、非稳态问题（如结构力学、流体力学、热传导、电磁场等方面的问题）的求解，而且还可以用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力学分析，并能准确地计算复杂零件的应力分布和变形，成为复杂零件强度和刚度计算的有利分析工具。
5、工业艺术造型设计
工业艺术造型设计时工程技术与美学艺术相结合的一门新学科。他是旨在保证产品使用功能的前提下，用艺术手段按照美学法则对工业产品进行造型活动，包括结构尺寸、体面形态、色彩、材质、线条、装饰及人际关系等因素进行有机的综合处理，从而设计出优质美观的产品造型。实用和美观的最佳统一是工业艺术造型的基本原则。
这一学科的主要内容包括：造型设计的基本要素、造型设计的基本原则、美学法则、色彩设计、人机工程学等。
6、反求工程设计
反求工程设计（Reverse Engineering）是消化吸收并改进国内外先进技术的一系列工作方法和技术的总和。它是通过实物或技术资料对已有的先进产品进行分析、解剖、试验，了解其材料、组成、结构、性能、功能，掌握其工艺原理和工作机理，已进行消化仿制、改进或发展、创造新产品的一种方法和技术。它是针对消化吸收先进技术的系列分析方法和应用技术的组合。
B. 机械工程常用现代设计理论方法有哪些
1）信息论方法,
如信息分析法、技术预测法等。它是现代设计方法的前提。
2）系统论方法,
如系统分析法、人机工程以及面向产品生命周期的设计。
3）控制论方法,
如动态分析法等。
4）优化论方法,
它是现代设计方法的目标。
5）对应论方法,
如相似设计、反求工程设计等。
6）智能论方法,
如CAE
、并行工程、人工智能等是现代设计方法的核心。
7）寿命论方法,
如可靠性设计、价值工程和稳健性设计等。
8）离散论方法,
如有限元和边界元方法。
9）模糊论方法,
如模糊评价和决策等。
10）突变论方法,
如创造性设计等。它是现代设计方法的基础。
11）艺术论方法
,
如艺术造型等。
C. 设计方法学主要包括科学论方法
设计方法学是研究产品设计规律、设计程序及设计中思维和工作方法的一门综合性学科。设计方法学以系统工程的观点分析设计的战略进程和设计方法、手段的战术问题。在总结设计规律、启发创造性的基础上促进研究现代设计理论、科学方法、先进手段和工具在设计中的综合运用。对开发新产品, 改造旧产品和提高产品的市场竞争能力有积极的作用。
设计方法学的研究内容包括以下几方面:
1. 分析设计过程及各设计阶段的任务, 寻求符合科学规律的设计程序。将设计过程分为设计规划(明确设计任务)、方案设计、技术设计和施工设计四个阶段, 明确各阶段的主要工作任务和目标, 在此基础上建立产品开发的进程模式, 探讨产品全寿命周期的优化设计及一体化开发策略。
2. 研究解决设计问题的逻辑步骤和应遵循的工作原则。以系统工程分析、综合、评价、决策的解题步骤贯彻于设计各阶段, 使问题逐步深入扩展, 多方案求优。
3. 强调产品设计中设计人员创新能力的重要性, 分析创新思维规律, 研究并促进各种创新技法在设计中的运用。
4. 分析各种现代设计理论和方法如系统工程、创造工程、价值工程、优化工程、相似工程、人机工程、工业美学等在设计中的应用, 实现产品的科学合理设计, 提高产品的竞争能力。
5. 深入分析各种类型设计如开发型设计、扩展型设计、变参数设计、反求设计等的特点, 以便按规律更有针对性地进行设计。
6. 研究设计信息库的建立。用系统工程方法编制设计目录——设计信息库。把设计过程中所需的大量信息规律地加以分类、排列、储存, 便于设计者查找和调用, 便于计算机辅助设计的应用。
7. 研究产品的计算机辅助设计。运用先进理论,建立知识库系统, 利用智能化手段使设计自动化逐步实现。
D. 现代设计方法是指什么
现代设计方法是以研究产品设计为对象的科学。它以电子计算机为手段运用工程设计的新理论和新方法，使计算结果达到最优化，使设计过程实现高效化和自动化。产品的质量和经济效益取决于设计、制造和管理的综合水平，而产品设计则是关键，没有高质量的设计就不可能有高质量的产品，而要达到高质量的设计，就必须采用先进的设计方法和手段。
现代设计方法是研究产品设计方法的综合类科学，他涉及的科学范围非常广泛，是多学科交叉融合的产物，是人们把相关科学技术综合应用于设计领域的产物。而其中一个具体的设计方法，同样也是若干学科的交叉与融合。例如，优化设计是数学规划的方法与计算机编程的有机结合，计算机辅助设计可以看作是数学建模、计算机软件和硬件技术、工程图形学等的有机结合；同时现代设计是传统设计技术的继承、延伸和发展。从传统设计发展到现代设计，都有着时序性、继承性。例如，传统的运动学、动力学、结构学，以及强度理论等基本原理与方法，是现代设计方法的数学建立模型及许多分支学科（如可靠设计、健壮设计、疲劳设计）的基础，另外许多现代设计方法是在吸收了传统设计方法中的思想、观点、方法的精华而发展起来的，如模块化设计、优化设计、并行设计等。本节介绍几个常用的现代设计方法。
E. 什么是现代设计方法
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，是以设计产品为目标的一个知识群体的统称。
F. 1.试论述现代设计理论与方法的特点。
1)程式性现代设计方法研究设计的全过程，要求设计者从产品规划、方案设计、技术设计、施工设计到试验、试制进行全面考虑，按步骤有计划地进行设计。强调设计、生产与销售一体化。设计不是单纯的科学技术问题，要把市场需求、社会效益、经济成本、加工工艺、生产管理等间题统一考虑，最终反映到质高价廉的产品上。
(2)创造性现代设计突出人的创造性，发挥集体智慧，运用各种创新技法，通过直觉想象和推理思维，力求探寻更多的突破性方案，开发新产品。
(3)系统性现代设计强调用系统工程方法处理技术系统问题，设计时分析各娜分的有机联系，力求系统整体优化·同时考虑技术系统与外界的联系，即人一机一环境三者之间的相互协调关系。在设计过程中对于功能、评价目标等较复杂的具体问题，都可视作系统按先分解后组合的方法使问题化繁为简，解法由少变多，进而从中选取较合理的解。
(4)优化性设计的目的是得到功能全、性能好、成本低、价值优的产品。现代设计通过优化理论与方法运用计算机工具进行方案优选、参数优化、结构优化等，争取产品技术系统的整体最优。
(5)综合性现代设计突破传统、经验、类比的设计，采用逻辑、理论、系统的设计方法，在静态分析的基础上考虑载荷谱等随机参量进行更合理全面的动态分析。在强度设计时不是一味加大安全系数，而是从概率论和统计学出发考虑载荷和应力的离散性进行可靠性设计。
现代设计在系统工程、创造工程基础上运用信息论、相似论、模糊论、可靠性、有限元、人机学等自然科学理论及价值工程，决策论、预测论等社会科学理论，同时采用集合、矩阵、图论等数学工具和电子技术，以便更科学地解决设计间题.
{6)计算机辅助设计(CAD)计算机更全面地引入设计，通过设计者和计算机的密切配合，采用先进设计方法，提高设计质量和速度。对于许多设计对象可先建立设计模型，将参数输入计算机进行计算或绘图，使设计准确、高效且便于修改。计算机辅助设计不仅用于计算和绘图，而且在信息储存、预测、评价决策、动态模拟，特别是人工智能方面，将发挥更大作用
G. 简述现代设计理论及其方法
1现代设计理论与方法是一门基于思维科学、信息科学、系统工程、计算机技术等学科，研究产品设计规律、设计技术和工具、设计实施方法的工程技术科学。
2设计的概念，广义概念是指对发展过程的安排，包括发展的方向、程序、细节及达到的目标。狭义概念是指将客观需求转化为满足需求的技术系统(或技术过程)的活动。
3设计的含义：为了满足人类与社会的功能要求，将预定的目标通过人们创造性思维，经过一系列规划、分析和决策，产生载有相应的文字、数据、图形等信息的技术文件，以取得最满意的社会与经济效益，这就是设计。
4设计的特征：需求特征、创造性特征、程序特征、时代特征。
5设计的四个发展阶段：直觉设计阶段、经验设计阶段、半理论半经验设计阶、现代设计阶
6现代设计与传统设计的区别:
传统设计：以经验总结为基础，运用力学和数学而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。传统设计方法基本上是一种以静态分析、近似计算、经验设计、手工劳动为特征的设计方法。
现代设计：是一种基于知识的，以动态分析、精确计算、优化设计和CAD为特征的设计方法。
7现代设计方法与传统设计方法相比，主要完成了以下几方面的转变：
1）产品结构分析的定量化；2）产品工况分析的动态化；3）产品质量分析的可靠性化；4）产品设计结果的最优化；5）产品设计过程的高效化和自动化。
8现代产品设计按其创新程度可分为：开发性设计、适应性设计、变形设计三种类型。
第二章
1功能分析组合方法：求总功能（黑箱法）分功能求解方法（调查分析法、创造性方法、设计目录法）原理解组合（形态分析法）
第三章
1创造技法：（一）集体激智法：(专题会议法，德尔菲法，635法)通过多人的集体讨论和书面交流，互相启迪，并发灵感，进而引起创造性思维的连锁反应，形成综合创新思路的一种创新技法。（二）提问追溯法：（奥斯本提问法，阿诺尔特提问法，5W-1H提问法）是通过对问题进行分析和推理来扩展思路，或将复杂的问题加以分解，找到各种影响因素，从而扎到问题的解决方案的一种创造性技法。（三）联想类比法：（联想发明发，类比发明发，仿生法，综摄法）通过启发、联想、类比、综合等手段，创造出新的想法，这种创造技法就称联想类比法（四）组合创新法：（性能组合，原理组合，功能组合，结构组合）利用事物间的内在联系，用已有的知识和现有的成果进行新的组合。从而产生新的方案。
第四章
1优化设计的数学模型三要素：设计变量、目标函数和约束条件
设计变量X=[]目标函数
约束条件根据形式不同分为不等式约束和等式约束根据性质分为边界约束(是设计变量的约束）和性能约束（是对原料工时约束）
2数值迭代公式（可行性）且满足（适用性）
3一维优化方法：直接法（斐波那契法和黄金分割法）间接法（牛顿法和二次插值法）
无约束优化方法：间接（梯度法、牛顿法、变尺度法、共轭方向法、共轭梯度法）。直接法：坐标轮换法、鲍威尔法。
常用的约束优化方法：（直接法）复合形法、可行方向法，（间接法)拉格朗日乘子法和惩罚函数法
4黄金分割法的算法原理：黄金分割法亦称0.618法。它是通过对黄金分割点函数值的计算和比较，不断缩小初始区间得到极小点的一维搜索算法。黄金分割法的特点每次区间缩小的比率都是相等的为0.618.
5二次插值法的算法原理：二次插值法又称抛物线法，是多项式逼近法的一种，它是利用目标函数在单峰区间的两个端点和其间一点（3个点），构成一个与目标函数相接近的二次插值多项式，以该多项式的极小点作为新的中间插入点，进行区间缩小的一维搜索算法。
6梯度法的基本思想：以迭代点的负梯度方向作为每次迭代的搜索方向，直至找到极小点。
H. 现代机械设计方法有哪些
机械设计的现代设计方法：
一、专业现代
由机械设计和计算机专业人员共同开发的计算机软件，能够反映和描述机械产品在实际工况下的各种损伤、失效和破坏的机理，可以定量分析和计算机械零件和机械的动态行为，并形成固定的设计程序，这就是专业的现代设计方法，如：振动分析和设计，摩擦学设计，热力学传热设计，强度、刚度设计，温度场分析等等。这些软件都是在传统的设计方法基础上，应用计算机技术开发出来的。例如：用Pro/M软件分析机械装置的动态特性，用ANSYS软件分析应力都是这方面很好的例子，为准确判断装置的可靠性和选择设计参数奠定了基础。
二、通用现代
为了满足机械产品性能的高要求，在机械设计中大量采用计算机技术进行辅助设计和系统分析，这就是通用的现代设计方法。常见的方法包括优化、有限元、可靠性、仿真、专家系统、CAD等。这些方法并不只是针对机械产品去研究，还有其自身的科学理论和方法。
1、优化设计
机械优化设计是最优化技术在机械设计领域的移植和应用，其基本思想是根据机械设计的理论，方法和标准规范等建立一反映工程设计问题和符合数学规划要求的数学模型，然后采用数学规划方法和计算机计算技术自动找出设计问题的最优方案。它是机械设计理论与优化数学、电子计算机相互结合而形成的一种现代设计方法。
2、仿真与虚拟设计
计算机仿真技术是以计算机为工具“建立实际或联想的系统模型”并在不同条件下对模型进行动态运行实验的一门综合性技术。而虚拟技术的本质是以计算机支持的仿真技术为前提，在产品设计阶段，实时地并行地模拟出产品开发全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造性、产品的可维护性和可拆卸性等，从而提高产品设计的一次成功率。这种方法不但缩短产品开发周期，也实现了缩短产品开发与用户之间的距离。
3、有限元设计
这种方法是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。它不仅能用于工程中复杂的非线行问题、非稳态问题的求解，而且还可用于工程设计中进行复杂结构的静态和动力分析，并能准确地计算形状复杂零件的应力分布和变形，成为复杂零件强度和刚度计算的有力分析工具。
4、模糊设计
它是将模糊数学知识应用到机械设计中的一种设计方法。机械设计中就存在大量的模糊信息。如机械零部件设计中，零件的安全系数往往从保守观点出发，取较大值而不经济，但在其允许的范围内存在很大的模糊区间。机械产品的开发在各阶段常会遇到各种模糊问题，虽然这些问题的特点、性质及对计策的要求不尽相同，但所采取的模糊分析方法是相似的。它的最大特点是，可以将各因素对设计结果的影响进行全面定量地分析，得出综合的数量化指标，作为选择决断的依据。
机械设计是机械工程的重要组成部分，是机械生产的第一步，是决定机械性能的最主要的因素。机械设计的努力目标是：在各种限定的条件(如材料、加工能力、理论知识和计算手段等)下设计出最好的机械，即做出优化设计。优化设计需要综合地考虑许多要求，一般有：最好工作性能、最低制造成本、最小尺寸和重量、使用中最可靠性、最低消耗和最少环境污染。这些要求常是互相矛盾的，而且它们之间的相对重要性因机械种类和用途的不同而异。设计者的任务是按具体情况权衡轻重，统筹兼顾，使设计的机械有最优的综合技术经济效果。过去，设计的优化主要依靠设计者的知识、经验和远见。随着机械工程基础理论和价值工程、系统分析等新学科的发展，制造和使用的技术经济数据资料的积累,以及计算机的推广应用,优化逐渐舍弃主观判断而依靠科学计算。
I. 现代设计方法的内容简介
本书在对多种现代设计方法进行概括介绍的基础上，重点讲述了在实践中获得广泛应用的四种设计方法，其具体内容包括设计方法学、机械最优化设计、可靠性设计和有限元方法。通过对本书的学习，读者可以了解现代设计方法与传统设计方法的联系与区别，掌握现代设计方法的原理，开拓设计思路，提高设计水平。
本书可作为高等学校“机械设计制造及自动化”及相关专业本科高年级学生和研究生的教材，亦可供从事机电设计的工程技术人员参考。
J. 什么叫现代设计方法与传统设计方法相比，有什么优点
“现代设计方法”就是以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最有为目的，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、创造产品活动过程用到的技术群体的总称。
与“传统设计方法”相比，“现代设计方法”具有系统性、社会性、创造性、宜人性，设计过程智能化，设计与制造一体，设计周期短等优点。
(10)现代设计方法学扩展阅读：
传统设计师以经验总结为基础，运用长期设计实践和理论计算而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。