现代设计理论与方法

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作者：陈定方

出版社：华中科技大学出版社

本类榜单：工业技术

分类：工业技术 > 一般工业技术

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ISBN：9787568062022
装帧：60g胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
开本：16开
页数：258
出版时间：2020-08-27
条形码：9787568062022 ; 978-7-5680-6202-2

本书特色

本书全面系统地介绍了现代设计理论（计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计、有限元分析、智能设计、虚拟设计、创新设计、绿色设计、全生命周期设计，以及摩擦学设计、工业设计、动力学设计、表面设计等），通过工程应用实例，加强学生对相关设计理论的理解与设计方法的掌握与运用，以提高大学生的创新设计能力，培养学生勇于探索，勇于开拓的精神和严肃认真，实事求是的科学作风。本书同时配套数字资源，方便学生自学。

内容简介

本书是一本介绍现代设计理论与方法的教材，介绍“现代设计”的概念、基本规律和使能技术。内容包括：优化设计、可靠性设计、计算机辅助设计、有限元法、智能设计、创新设计，工业设计、表面设计、绿色设计、动态设计，内容丰富，具有系统性、先进性和实用性。本书全面系统地介绍了现代设计理论，通过工程应用实例，加强学生对相关设计理论的理解与设计方法的掌握与运用，以提高大学生的创新设计能力，培养学生勇于探索，勇于开拓的精神和严肃认真，实事求是的科学作风。本书可作为高等学校机械工程类及相关专业高年级本科生的教材，也可作为工程技术人员继续教育的培训教材或研究生的参考书。

第1章计算机辅助设计(1)
1.1计算机辅助设计概述(1)
1.1.1基本概念(1)
1.1.2产品集成开发流程(2)
1.1.3CAD/CAM发展历程(2)
1.1.4CAD/CAM系统简介(3)
1.1.5CAD系统的种类(7)
1.2计算机辅助设计技术(8)
1.2.1图形系统与图形标准(8)
1.2.2图形几何变换(9)
1.2.3几何造型(10)
1.3协同设计(16)
1.3.1协同设计的基本概念(17)
1.3.2协同设计的支撑技术(17)
1.3.3协同设计的工作环境(19)
1.3.4设计实例——超声波电动机的实时协同设计(21)
第2章优化设计(22)
2.1概述(22)
2.2一维优化方法(22)
2.2.1搜索区间的确定(23)
2.2.2一维搜索的试探方法(24)
2.3无约束优化方法(27)
2.3.1坐标轮换法(28)
2.3.2牛顿法(29)
2.4约束优化方法(31)
2.4.1遗传算法(31)
2.4.2惩罚函数法(34)
2.4.3复合形法(39)
2.5多目标优化方法(42)
2.5.1多目标优化问题(43)
2.5.2主要目标法(44)
2.5.3统一目标法(44)
2.6工程优化设计应用(45)
2.6.1工程优化设计的一般步骤(45)
2.6.2工程优化设计实例(45)
第3章可靠性设计(50)
3.1机械失效与可靠性(50)
3.1.1可靠性定义及要点(50)
3.1.2失效的定义(50)
3.1.3产品可靠性寿命指标(51)
3.1.4可靠性特征量(51)
3.2可靠性设计流程(53)
3.2.1机械可靠性设计的基本特点(53)
3.2.2可靠性设计的主要内容(53)
3.2.3机械可靠性设计流程(54)
3.3零件静强度可靠性设计(54)
3.3.1应力强度干涉模型(55)
3.3.2可靠度计算方法(55)
3.3.3应力和强度分布都为正态分布时的可靠度计算(57)
3.3.4应力和强度分布都为对数正态分布时的可靠度计算(58)
3.3.5已知应力幅水平、相应的失效循环次数的分布和规定的寿命要求时零件的
可靠度计算(59)
3.3.6已知强度分布和大应力幅在规定寿命下的零件可靠度计算(60)
3.3.7疲劳应力下零件的可靠度计算(60)
3.4零件疲劳强度可靠性设计(61)
3.4.1疲劳强度可靠性设计基础(61)
3.4.2稳定变应力疲劳强度可靠性计算(61)
3.4.3不稳定变应力疲劳强度可靠度计算(62)
3.5机械系统可靠性设计(64)
3.5.1可靠性预测(65)
3.5.2系统可靠性分配(70)
3.6典型机械零件可靠性设计举例(72)
3.6.1机械零件可靠性设计概述(72)
3.6.2螺栓连接的可靠性设计(73)
3.6.3轴的刚度可靠性设计(76)
第4章有限元设计(78)
4.1有限元法的基本思想与工程应用(78)
4.1.1有限元法的基本思想(78)
4.1.2有限元法的工程应用(78)
4.2弹性力学有限元法的基本理论(80)
4.2.1弹性力学中的基本假设(80)
4.2.2弹性力学的基本方程(80)
4.2.3弹性力学的基本原理(82)
4.3弹性力学有限元的一般方法(83)
4.3.1结构离散化(85)
4.3.2单元位移模式和形函数(85)
4.3.3单元特性分析(86)
4.3.4坐标变换(86)
4.3.5建立整个结构的平衡方程(87)
4.3.6边界条件的处理(87)
4.3.7求解未知节点位移和计算单元应力(88)
4.4有限元设计分析中的若干问题(91)
4.4.1有限元离散模型的有效性确认(92)
4.4.2缩小解题规模的常用措施(92)
4.5有限元分析软件应用(93)
4.5.1有限元分析软件简介(93)
4.5.2有限元分析软件的基本组成(94)
4.5.3有限元分析软件的工作流程(96)
第5章智能设计(101)
5.1智能设计概述(101)
5.1.1智能设计的产生与领域(101)
5.1.2智能设计系统的功能构成(102)
5.2知识处理(103)
5.2.1知识的表示(103)
5.2.2知识获取(105)
5.2.3知识的应用(107)
5.2.4知识处理应用实例(116)
5.3智能设计系统构造方法(120)
5.3.1智能设计系统的复杂性(120)
5.3.2智能设计系统建造过程(121)
第6章虚拟设计(124)
6.1虚拟现实技术概述(124)
6.1.1虚拟现实的定义、特征及组成(125)
6.1.2虚拟现实VR、增强现实AR与混合现实MR(127)
6.1.3虚拟现实技术的主要应用领域(128)
6.1.4虚拟现实技术发展趋势及重点应用领域(130)
6.2虚拟现实技术体系结构(132)
6.2.1虚拟现实技术与计算机仿真的关系(132)
6.2.2虚拟现实技术体系结构(133)
6.2.3虚拟现实系统的分类(135)
6.2.4虚拟设计/制造系统的体系结构(135)
6.3虚拟现实硬件基础(137)
6.3.13D位置跟踪器(137)
6.3.2传感手套(140)
6.3.3三维鼠标(141)
6.3.4数据衣(141)
6.3.5触觉和力反馈的装置(141)
6.3.6立体显示设备(142)
6.3.73D声音生成器(145)
6.4虚拟设计建模基础(145)
6.4.1建模概论(145)
6.4.2几何建模(146)
6.4.3基于图像的虚拟环境建模(151)
6.4.4图像与几何相结合的建模技术(154)
6.5虚拟设计应用实例(156)
第7章创新设计(161)
7.1创新方法与TRIZ(161)
7.1.1创造性思维(161)
7.1.2创新方法(161)
7.1.3TRIZ的产生与发展(162)
7.1.4TRIZ的基本内容(163)
7.2设计冲突及其消解(164)
7.2.1设计中的冲突(164)
7.2.2技术矛盾及其解决(165)
7.2.3物理矛盾及其解决(172)
7.3基于TRIZ的创新设计实例(173)
第8章绿色设计(176)
8.1绿色设计概述(176)
8.1.1绿色设计基本概念(176)
8.1.2绿色设计与传统设计的区别(176)
8.1.3绿色设计的特点(176)
8.1.4绿色设计的主要内容(176)
8.1.5绿色设计的实施步骤(177)
8.2绿色设计中的材料选择(177)
8.2.1绿色材料选择的原则(178)
8.2.2绿色材料的选择(179)
8.2.3绿色材料的评价(179)
8.3面向拆卸的绿色设计(181)
8.3.1可拆卸设计的概念(181)
8.3.2可拆卸设计原则(181)
8.3.3可拆卸连接结构设计(182)
8.3.4卡扣式结构设计(185)
8.3.5拆卸设计评价(186)
8.4面向回收的设计(188)
8.4.1面向回收设计概念(188)
8.4.2产品回收的主要内容(189)
8.4.3面向回收的设计准则(189)
8.4.4回收方式(189)
8.4.5回收经济性分析(190)
8.5面向包装的绿色设计(191)
8.5.1绿色包装设计的概念(191)
8.5.2绿色包装设计内容(191)
8.5.3绿色包装评价标准(193)
8.6面向节约能源的绿色设计(194)
8.6.1能效标识与标准(194)
8.6.2产品能量消耗模型(195)
8.7绿色设计的关键技术(198)
8.8绿色设计应用实例——液压系统的绿色设计(200)
第9章全生命周期(203)
9.1全生命周期设计概念(203)
9.1.1全生命周期与寿命的区别(203)
9.1.2全生命周期设计的目的(203)
9.2全生命周期设计的主要内容(204)
9.2.1面向材料及其加工成形工艺的设计(204)
9.2.2面向制造与装配的设计(205)
9.2.3面向功能的设计(205)
9.2.4安全使用寿命设计(206)
9.2.5经济寿命设计(206)
9.2.6安全可监测性设计(206)
9.2.7面向资源环境的设计(206)
9.2.8事故安全设计(207)
9.3全生命周期设计的关键技术(207)
9.3.1产品全生命周期集成模型的建立(207)
9.3.2全生命周期的集成技术(208)
9.3.3支持整个生命周期的数据库和知识库(208)
9.3.4全生命周期评价(LCA)(208)
9.4产品全生命周期管理(209)
9.4.1面向产品全生命周期的需求管理(209)
9.4.2产品全生命周期管理系统需求信息管理模型(209)
第10章其他设计方法(213)
10.1摩擦学设计(213)
10.1.1摩擦学设计的概念(213)
10.1.2磨损类型(213)
10.1.3影响疲劳磨损主要因素(214)
10.1.4磨损控制(215)
10.2工业设计(217)
10.2.1工业设计定义(217)
10.2.2工业设计的原则(218)
10.2.3产品设计(219)
10.2.4一般产品设计流程(219)
10.2.5产品设计表达方式(220)
10.3动力学设计(221)
10.3.1动力学设计概述(221)
10.3.2机械动力学设计数学方程(221)
10.3.3动力学设计的一般过程及方法(222)
10.3.4常见的动力学设计系统(223)
10.4表面设计(226)
10.4.1产品表面形貌建模(226)
10.4.2产品曲面设计(228)
10.4.3计算机纹理辅助设计(229)
参考文献(231)

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节选

现代设计方法经过几十年发展，已成为一门多元综合的新兴交叉学科，成熟的方法已有不少，同时还不断有新的理论和方法出现。本书将对目前常用的一些方法进行介绍。（1）计算机辅助设计。利用计算机及其图形设备辅助人们进行设计，其内容主要包括：通过计算机对不同方案进行计算、分析和比较，以决定优方案；各种设计信息在计算机中的有效存储并能快速地检索；计算机自动产生的设计结果，可以快速地进行图形显示，使设计者能及时做出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工，并能完成将设计人员的草图变为工作图的繁重工作。计算机辅助设计能够减轻设计人员的劳动强度，缩短设计周期和提高设计质量。计算机辅助设计的更高阶段是向智能设计方向发展，因为只有很好地理解人类自身的设计行为规律，才有可能开发出更为实用的CAD技术和工具。（2）优化设计。从多种设计方案中选择佳方案的方法，以数学中的优化理论为基础，以计算机为手段，根据设计所追求的性能目标，建立目标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求优的设计方案。通常设计方案可以用一组参数来表示，这些参数有些已经给定，有些没有给定，需要在设计中优选，称为设计变量。如何找到一组合适的设计变量，在允许的范围内（即约束条件），能使所设计的产品结构合理、性能好、质量高、成本低、有市场竞争能力（即目标函数），这就是优化设计所要解决的问题。（3）可靠性设计。可靠性是指产品在规定的时间内和给定的条件下，完成规定功能的能力。它直接反映产品各组成部件的质量，影响整个产品质量性能的优劣。可靠性设计是保证机械及其零部件满足给定的可靠性指标的一种机械设计方法，所要解决的问题就是如何从设计入手对系统和结构进行可靠性分析和预测，采用简化系统和结构、余度设计和可维修设计等措施以提高系统和结构可靠度；包括对产品的可靠性进行预计、分配、技术设计、评定等工作。可靠性分为固有可靠性、使用可靠性和环境适应性。可靠性的度量指标一般有可靠度、无故障率、失效率3种。可靠度的分配是可靠性设计的核心。（4）有限元分析。对于机械产品而言，在常规设计中可依据材料力学或弹性力学原理来计算一些形状相对简单的零件，对于复杂结构则往住无能为力。有限元方法就是利用假想的线和面将连续的介质内部和边界分割成有限大小、有限数目、离散的单元来研究。其基本思想：连续系统被假象的分割成数目有限的单元，单元只在数目有限的节点处相互连接，构成一个单元集合体，来代替原来的连续系统。在节点上引进等效载荷，代替实际作用于系统上的外载荷，并以节点位移为基础，建立起各个节点的弹性力学平衡方程，然后，再把它们综合起来，并与外加载荷及边界条件相联系，从而得到该物体各个单元体力学分量（如应力、应变、位移、速度等）的数值解。即是“分—合”过程——将很难的微分方程问题变成很繁的甚大规模方程组问题，交给“不怕繁，不易出错”的计算机去完成。（5）智能设计。传统设计与现代设计的区别在于其支持体系Knowledge（知识），在现代设计中重要的是对已有知识（经验）的创新，即新知识。我国长期以来技术大都靠引进，而在制造业更多的人是研究如何把它做出来，很少有人真正从事前期开发设计，更新知识。智能设计系统是以知识处理为核心的CAD系统，将知识系统的知识处理与一般CAD系统的计算分析、数据库管理、图形处理等有机结合起来，从而能够协助设计者完成方案设计、参数选择、性能分析、结构设计、图形处理等不同阶段、不同复杂程度的设计任务。（6）虚拟设计。虚拟现实设计是一种新技术，它可以在虚拟环境中用交互手段对在计算机内建立的模型进行修改，模拟产品原型设计，使设计者在设计早期阶段对设计方案作重要的和决定性的分析，如机械产品的设计、制造、装配、拆卸等；它可以充分利用已有的CAD系统的资源，在一种自然的状态下，在一个近乎实际的环境下与设计对象交互，并可对设计对象作一个全面的评价，记录设计过程。虚拟设计缩短了产品开发周期，提高了产品设计质量和一次设计成功率。一个虚拟设计系统具备三个功能：3-D用户界面；选择参数；数据表达与双向数据传输。虚拟设计具有以下优点：①虚拟设计继承了虚拟现实技术的所有特点（3I）；②继承了传统CAD设计的优点，便于利用原有成果；③具备仿真技术的可视化特点，便于改进和修正原有设计；④支持协同工作和异地设计，利于资源共享和优势互补，从而缩短产品开发周期；⑤便于利用和补充各种先进技术，保持技术上的领先优势。（7）创新设计。机械创新设计是充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术成果（含理论、方法、技术原理等）进行创新构思，设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品的一种实践活动。在这个过程中，原理方案设计是机构创新设计的关键内容，包括：确定系统的总功能；进行功能分解；功能原理方案的确定；方案的评价与决策。机械创新设计依赖一定的创新技法，其中TRIZ理论是基于知识的、面向人类的解决发明问题的系统化方法学，也是实现发明创造、创新设计、概念设计的有效方法之一。（8）绿色设计。资源、环境问题是当今社会面临的主要问题，人们越来越关注对环境问题的研究。绿色设计概念应运而生，并成为国内外现代设计方法的研究热点和主要内容。传统的产品设计通常仅考虑产品的基本属性，而不考虑或较少考虑环境属性。与传统设计相比，产品的绿色设计体现在产品的生命周期全过程，在满足环境目标的同时，保证产品应有的功能、使用寿命和质量，在设计阶段就设计出符合要求的绿色产品。绿色设计的主要内容包括绿色产品设计的材料选择、面向拆卸的绿色设计、面向回收的绿色设计、面向产品包装的绿色设计、面向节约能源的绿色设计、绿色设计的评价等方面。（9）全生命周期设计。面向产品全生命周期全过程的设计，要求设计者应以系统的观点和方法，全面地从市场需求识别开始就要考虑产品生命周期的各个环节，从方案论证、设计开发、制造、装配、销售、使用、服务、环境影响、回收处理等，以确保缩短新产品上市时间、提高产品质量、降低成本、改进服务、加强环境保护意识，实现社会可持续化发展。（10）其他设计方法。包括摩擦学设计、工业设计、动力学设计、表面设计等。摩擦学设计是从摩擦学的观点来设计机械零部件和产品，使其达到正确的润滑、有控制的摩擦和预期的磨损寿命。摩擦学设计不仅是摩擦副结构的设计，而且是摩擦学系统的设计，即同时要考虑摩擦副的表面性质、润滑等问题。摩擦学设计在机械设计过程中具有重要的价值，已经逐渐成为整个机械设计过程中不可缺少的一个组成部分。工业设计是指以工学、美学、经济学为基础对工业产品进行设计。工业设计分为产品设计、环境设计、传播设计、设计管理4类；包括造型设计、机械设计、电路设计、服装设计、环境规划、室内设计、建筑设计、UI设计、平面设计、包装设计、广告设计、动画设计、展示设计、网站设计等。工业设计又称工业产品设计学，涉及到心理学，社会学，美学，人机工程学，机械构造，摄影，色彩学等。工业发展和劳动分工所带来的工业设计，与其它艺术、生产活动、工艺制作等都有明显不同，它是各种学科、技术和审美观念的交叉产物。动力学设计方法是在设计、制造、管理的各阶段，采取综合性技术措施，直接地、早期考虑动力学问题。例如，高速旋转机械可以用静态方法设计，制造出来以后通过动平衡减小振动，还要使运转速度避开共振的临界转速。但是随着转速的提高和柔性转子的出现，不仅在设计时要进行动力学分析，而且在运行过程中还要进行状态监测和故障诊断，及时维护，排除故障，避免重大事故。机械系统的动力学分析的数学模型是微分方程，这种微分方程一般无法得到显式解，需要在计算机上用数值叠代算法求解，所以，动力学设计也只是在计算机获得较普遍的应用后才能发展起来。表面设计全称为表面工程技术设计，为表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状况，以获得所需表面性能的系统工程；包括表面结构设计、表面建模与纹理设计、表面材料设计、表面工艺设计、表面仿生设计。

作者简介

中国人工智能学会智能制造专业委员会副主任兼学术委员会主任、湖北省机械设计与传动专业委员会理事长、湖北省机械制造自动化副理事长、湖北省机电一体化专业委员会副理事长；中国科学院计算技术研究所智能处理开放研究实验室客座研究员；南昌大学、江苏大学、广西大学、长沙理工大学、三峡大学、上海第二工业大学、温州大学、南昌工程学院、湖北理工学院、福建三明学院等大学兼职教授；《中国机械工程》、《计算机辅助设计与图形学学报》、《振动、测试与诊断》、《工程图学学报》、《装备制造技术》、《武汉理工大学学报》等学术刊物的编委。担任2008-2010国家科学技术奖励评审专家、国家自然科学基金委员会第十一届、第十二届工程与材料科学学部专家评审组成员。

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