现代设计技术之内涵及其体系

天气

2.2 现代设计技术的内涵及其体系

    2.2.1 现代设计技术的内涵

    工程设计的历史与人类科技发展史同步。随着人类文明、科学技术的发展，工程设计这门古老的学科已逐渐演进为一门科学，形成一门综合性的现代工程技术学科。工程设计的最终目的是创造满足用户需求的产品，其范围几乎涉及到人类活动的各个领域。从人们的衣、食、住、行所需要的生活资料、用品和工具，到各种工业机器、仪器、设备和装置，如机床、飞机、汽车、舰船、宇航工具、计算机硬件与软件、机器人、发电设备、通信装置、医疗器械等等，无不是人的创造与智慧的结晶。这些科技成果可以看作是人各种器官的一种加强与延伸，用以辅助人们日益增长的物质与文化的需要，也是推动社会物质文明与精神文明的建设的重要因素。但是，所设计的产品能否满足预想的要求，满足的程度如何，即产品所达到的质量、性能、价格/成本、寿命等综合指标如何，主要是由设计阶段决定的。据有关资料介绍，设计阶段决定了产品制造成本的75%～80%，而且也极大地影响着产品的运行、维修费用。因此，高度重视研究、发展设计技术，具有十分重要的意义。

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    在本篇尚未展开阐述现代设计技术内容之前，首先需要回答一些有关现代设计技术的涵义、体系及其特点等总体认识问题，而这又需简略回顾一下人们在长期的设计活动中，对工程设计的涵义与内容的认识。

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    在传统的工程设计中，从工作性质与内容看，将设计过程划分为方案设计、技术设计和工艺设计。随着计算机、信息技术的发展，工程设计的范畴，从传统的设计内容已扩扩展到产品规划、制造、检测、实验、营销、运行、维护、报废、回收等全过程的全方位设计。

    从设计的过程与方法看：

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    1）设计是一种工程活动。设计师的任务就是运用自然科学的知识与法则去创造物质文明，它几乎涉及到人类生活、生产的全部方面。

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    2）设计是一种创造性的智力活动。设计的全过程，需要设计师提出各种不同的构思和设想，具有灵活运用知识和经验处理技术、经济等问题的能力和优良的品质、作风，能创造性地寻求设计目标和任务的实现。

    3）设计是一个综合、决策、迭代、寻优的过程。设计流程就是输入信息→处理加工→综合、判断、决策→输出信息，是寻求满意的设计目标、方案、参数、结构等最优的过程。设计过程也是一个信息综合、反馈（或迭代）、交流的过程。由于设计要求和约束条件及多种约束之间相互制约，甚至是相互矛盾的，虽经优化，也只能综合、权衡各方面因素取得相对满意的结果。

    从设计任务的要求来划分，通常有三种不同类型的设计。

    1）开发性设计。运用成熟的科学技术，从工作原理和结构上设计过去没有的新型产品，这是一种完全创新的设计。

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    2）适应性设计。在原理、方案基本保持不变的前提下，对产品作局部的变更设计，使之更能满足用户的需求。

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    3）变型设计。在功能和工作原理不变的情况下，变更现有产品的结构配置、布置方式和尺寸，使之适应多方面的使用要求。

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    据德国机械制造工作者协会调查表明，在机械制造业中产品的55%属于适应性设计，25%为开发性设计，20%为变型设计^[1]。显然，上述设计类型划分之界限有时并不十分明确，不过为适应先进制造技术的进步与发展趋势，当今不论何种设计都有必要应用计算机辅助设计（Computer Aided Design——CAD）技术及其他行之有效的现代设计技术，使设计的产品能在激烈的市场竞争中取胜。

    尽管人们对工程设计之涵义与内容有过上述种种论述，现代设计技术与方法这一述语的概念也已提出多年，但是，由于现代设计技术是一门新兴的科学，迄今为止国内外文献对此尚无普遍公认的严格定义，也没有明确的边界。我们认为，现代设计技术与其他科学技术一样，都有其产生、发展的客观要求与实际背景，是生产斗争、社会斗争和科学研究发展到一定程度的必然产物，也是自然科学方法论和科学哲理发展到一定阶段的必然产物。当今科技，有一个非常明显的发展趋势，这就是科学技术的重心正在由材料（物质）和能量转向信息，它意味着电子信息科学技术的崛起和信息技术时代的到来。信息技术的渗透影响着产品和制造业的变革，也影响着设计技术的变革与发展，并为设计技术的发展提供了条件，同时，对设计技术也提出了要求。在许多先进发达国家，近10年先进制造技术的应用与发展都与信息技术紧密相关，而且 在实施先进制造技术的过程中，不仅应用了许多现代设计技术，如优化设计、并行设计等，而且总结与提出了许多新的设计理论和技术，如模糊设计（Fuzzy Design）、健壮设计（Robust Design）、虚拟设计（Virtual Design）等。另一方面，我们认为，随着社会生产力与科技的发展，现代设计技术与其它科学技术一样，其内涵与外延是变化的、动态的，如传统的机械力学已发展演变为理论力学、材料力学、弹性力学、塑性力学、断裂力学等；优化设计已发展为普通优化设计和模糊优化设计等。这些均是学科边界的扩展与交叉。

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    鉴于上述分析与基本认识，我们给现代设计技术下的定义为：

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    以满足应市产品的质量、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、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。

    从以上定义可以看出，现代设计技术有一系列特点，这将在下节予以论述。这里值得说明的是以下两点：

    （1）现代设计技术是多学科交叉融合的产物 就目前现代设计技术所涉及的理论、方法的范畴来看，可以认为它是由现代设计方法学、计算机辅助设计技术、可信性设计技术、试验设计技术等多种学科的交叉与融合。而其中每一个具体的设计技术，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、工程图学等的有机结合；模糊优化设计是模糊方法与优化技术的结合等等。在这个现代设计技术群体各学科之间既相对独立又相互联系、相互渗透。根据设计对象与任务的不同，以及设计各个阶段的特点，宜采用其中某些适宜的、有效的方法和技术，以解决设计中的总体和各个具体问题。

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    （2）现代设计是传统设计技术的继承、延伸和发展 从传统设计发展至现代设计，都有着时序性、继承性，并在一定时间和一定的对象中它们共存于一体。例如，传统的运动学、动力学、机构学、结构力学、强度理论等基本原理与方法是现代设计技术的数学建模及许多分支学科（如可靠性设计、疲劳设计、防断裂设计、健壮设计等）的基础；另外，许多现代设计技术与方法是在吸收了传统设计技术中的思想、观点、方法之精华而发展起来的，如系统设计、功能设计、模块化设计、优化设计、并行设计等等。因此，介绍与应用现代设计技术与方法时，不应片面夸大，成为玄而又玄的万能法宝，而应当认识到，它们的许多内容是传统设计技术的继承、延伸和发展。

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    2.2.2 现代设计技术的体系

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    现代设计技术内容广泛，分支学科繁多，有人按分支学科的特征分类，有人从方法论对其聚类归纳，有人按学科的任务、作用分类，以期说明现代设计任务的内容与体系。这些工作对人们全面了解、认识现代设计技术与方法起到了一定的效果。鉴于本篇不是专门研究设计程序、规律、思维与方法本身的详细内容，而是面向21世纪科技发展的趋势，着眼于了解与掌握一些行之有效的现代设计技术，为此，选编了现代设计方法学、计算机辅助设计技术、产品可信性设计技术、现代试验设计技术等方面内容，共三十多节，相当于三十多篇有机联系的现代设计技术专题，以对促进我国工程设计水平的提高，促进与支撑我国先进制造技术的发展，起到应用的作用与效果。有关这些设计技术的具体内容是由各专家分另专门撰写，并按章、节次序作了编排。这里仅就现代设计技术的体系框架及其与其他学科的关系，用图3所示框图描述，并予以说明。

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图3  现代设计技术的体系及与其他学科的关系

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    现代设计技术的整个体系好比一棵大树，由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个层次组成。

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    （1）基础技术 基础技术是指传统的设计理论与方法，特别是运动学、静力学与动力学、材料力学、结构力学、热力学、电磁学、工程数学的基本原理与方法等方面。它不仅为现代设计技术提供了坚实的理论基础，也是现代设计技术发展的源泉。我们认为，任何科学技术的发展如同社会的发展一样，都离不开以自身长期形成的传统构架为基础，同时又都不能固守于传统，而要使之涵容时代和未来的特征。也就是说，传统的科学与技术也和社会的进步一同发展。现代设计技术也可以说是在传统设计技术的基础上，以新的形式和更丰富的内涵发扬光大传统设计技术中的优秀内核与精华。

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    （2）主体技术 现代设计技术的诞生和发展与计算机技术的发展息息相关、相辅相成。可以毫不夸张地说，没有计算机科学与计算机辅助技术（如计算机辅助设计、智能CAD（Intelligent CAD——ICAD）、优化设计、有限元分析程序、模拟仿真、虚拟设计和工程数据库等），便没有现代设计技术；另一方面，没有其他现代设计技术的多种理论与方法，计算机技术的应用也会大大受到限制，因为运用优化设计、可靠性设计、模糊设计等理论构造的数学模型，来编制计算机应用程序，可以更广泛、更深入地模拟人的推理与思维，从而提高计算机的“智力”。而计算机辅助设计技术正是以它对数值计算和对信息与知识的独特处理能力，成为现代设计技术群体的主干。

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    （3）支撑技术 无论是设计对象的描述，设计信息的处理、加工、推理与映射及验证，都离不开设计方法学、产品的可信性设计技术及设计试验技术所提供的多种理论与方法及手段的支撑。其中现代设计方法学涉及的内容很广，如平行设计、系统设计、功能设计、模块化设计、价值工程、质量功能配制、反求工程、绿色设计、模糊设计、面向对象的设计、工业造型设计等。可信性设计技术可看作广义可靠性设计内容的扩展，主要指可靠性与安全性设计、动态分析与设计、防断裂设计、疲劳设计、耐腐蚀设计、减摩和耐磨损设计、健壮设计、耐环境设计、维修性设计、人机工程设计等。设计试验技术不仅指通常的产品性能试验，还应包括可靠性试验、环保性能试验与控制，以及运用计算机技术的数字仿真试验和虚拟试验等。因此，设计方法学、可信性设计技术及试验设计技术所包含的种种内容，可视为现代设计技术群体的支撑技术。

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    （4）应用技术 应用技术是针对实用目的解决各类具体产品设计领域的技术，如机床、汽车、工程机械、精密机械的现代设计内容，可以看作是现代设计技术派生出来的丰富多彩的具体技术群。现代设计技术在各类产品设计领域的广泛应用，促进了产品质量与性能的提高。

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    现代设计已扩展到产品规划、制造、营销、运行、回收等各个方面，除了必要的传统设计理论与方法的基础知识外，相关的学科与技术，尤其是制造工艺、自动化技术、系统管理技术、材料知识与经验及广泛的自然科学知识等也是十分必要的。此外，设计产品总是以满足社会需求为目的，因此，设计人员还应具备政治、经济、法律、人文社会、艺术等方面知识与素养。

    值得一提的是，现代设计技术体系框架的划分只是相对的，而不是绝对的；主体技术、支撑技术、应用技术、基础技术之间并不存在截然的界限。主体技术所包含的计算机辅助设计的有关技术本身往往就是应用技术。在特定情况下，某些支撑技术也可以成为主体技术，例如变载荷及随机干涉下零件的疲劳设计和稳定性设计，这时疲劳设计、健壮设计就是相应情况下的主体技术。有些设计支撑技术本来就是由传统的强度、变形及失效理论“繁衍”出来的多种设计理论，如疲劳设计、防断裂设计、可靠性设计等，所以，这些设计支撑技术，也可看作基础技术。

hcyrrr

谢谢,下了看看.

qwqw

新技术有几个人在使用啊！

xqw1982

搞技术的就得迅速了解.掌握最新最前沿的科技~

雪绒花

先收藏了,以后有时间再学习,看题目很吸引人呢