現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)之內(nèi)涵及其體系

天氣

2.2 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的內(nèi)涵及其體系 8 J. _: l3 ^* E

    2.2.1 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的內(nèi)涵

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    工程設(shè)計的歷史與人類科技發(fā)展史同步,。隨著人類文明,、科學技術(shù)的發(fā)展,，工程設(shè)計這門古老的學科已逐漸演進為一門科學,，形成一門綜合性的現(xiàn)代工程技術(shù)學科,。工程設(shè)計的最終目的是創(chuàng)造滿足用戶需求的產(chǎn)品,，其范圍幾乎涉及到人類活動的各個領(lǐng)域,。從人們的衣,、食、住,、行所需要的生活資料,、用品和工具，到各種工業(yè)機器,、儀器,、設(shè)備和裝置，如機床,、飛機,、汽車、艦船,、宇航工具,、計算機硬件與軟件、機器人,、發(fā)電設(shè)備,、通信裝置、醫(yī)療器械等等,，無不是人的創(chuàng)造與智慧的結(jié)晶,。這些科技成果可以看作是人各種器官的一種加強與延伸，用以輔助人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)與文化的需要，也是推動社會物質(zhì)文明與精神文明的建設(shè)的重要因素,。但是,，所設(shè)計的產(chǎn)品能否滿足預(yù)想的要求，滿足的程度如何,，即產(chǎn)品所達到的質(zhì)量,、性能、價格/成本,、壽命等綜合指標如何,，主要是由設(shè)計階段決定的。據(jù)有關(guān)資料介紹,，設(shè)計階段決定了產(chǎn)品制造成本的75%～80%,，而且也極大地影響著產(chǎn)品的運行、維修費用,。因此,，高度重視研究、發(fā)展設(shè)計技術(shù),，具有十分重要的意義。

    在本篇尚未展開闡述現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)內(nèi)容之前,，首先需要回答一些有關(guān)現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的涵義,、體系及其特點等總體認識問題，而這又需簡略回顧一下人們在長期的設(shè)計活動中,，對工程設(shè)計的涵義與內(nèi)容的認識,。

    在傳統(tǒng)的工程設(shè)計中,，從工作性質(zhì)與內(nèi)容看,，將設(shè)計過程劃分為方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和工藝設(shè)計,。隨著計算機,、信息技術(shù)的發(fā)展，工程設(shè)計的范疇,，從傳統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容已擴擴展到產(chǎn)品規(guī)劃,、制造、檢測,、實驗,、營銷、運行,、維護,、報廢、回收等全過程的全方位設(shè)計。

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    從設(shè)計的過程與方法看：

    1）設(shè)計是一種工程活動,。設(shè)計師的任務(wù)就是運用自然科學的知識與法則去創(chuàng)造物質(zhì)文明,，它幾乎涉及到人類生活、生產(chǎn)的全部方面,。

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    2）設(shè)計是一種創(chuàng)造性的智力活動,。設(shè)計的全過程，需要設(shè)計師提出各種不同的構(gòu)思和設(shè)想,，具有靈活運用知識和經(jīng)驗處理技術(shù),、經(jīng)濟等問題的能力和優(yōu)良的品質(zhì)、作風,，能創(chuàng)造性地尋求設(shè)計目標和任務(wù)的實現(xiàn),。

    3）設(shè)計是一個綜合、決策,、迭代,、尋優(yōu)的過程。設(shè)計流程就是輸入信息→處理加工→綜合,、判斷,、決策→輸出信息，是尋求滿意的設(shè)計目標,、方案,、參數(shù)、結(jié)構(gòu)等最優(yōu)的過程,。設(shè)計過程也是一個信息綜合,、反饋（或迭代）、交流的過程,。由于設(shè)計要求和約束條件及多種約束之間相互制約,，甚至是相互矛盾的，雖經(jīng)優(yōu)化,，也只能綜合,、權(quán)衡各方面因素取得相對滿意的結(jié)果。

    從設(shè)計任務(wù)的要求來劃分,，通常有三種不同類型的設(shè)計,。

    1）開發(fā)性設(shè)計。運用成熟的科學技術(shù),，從工作原理和結(jié)構(gòu)上設(shè)計過去沒有的新型產(chǎn)品,，這是一種完全創(chuàng)新的設(shè)計。

    2）適應(yīng)性設(shè)計,。在原理,、方案基本保持不變的前提下，對產(chǎn)品作局部的變更設(shè)計，使之更能滿足用戶的需求,。

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    3）變型設(shè)計,。在功能和工作原理不變的情況下，變更現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)配置,、布置方式和尺寸,，使之適應(yīng)多方面的使用要求。

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    據(jù)德國機械制造工作者協(xié)會調(diào)查表明,，在機械制造業(yè)中產(chǎn)品的55%屬于適應(yīng)性設(shè)計,，25%為開發(fā)性設(shè)計，20%為變型設(shè)計^[1],。顯然,，上述設(shè)計類型劃分之界限有時并不十分明確，不過為適應(yīng)先進制造技術(shù)的進步與發(fā)展趨勢,，當今不論何種設(shè)計都有必要應(yīng)用計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design——CAD）技術(shù)及其他行之有效的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù),，使設(shè)計的產(chǎn)品能在激烈的市場競爭中取勝。

    盡管人們對工程設(shè)計之涵義與內(nèi)容有過上述種種論述,，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)與方法這一述語的概念也已提出多年,，但是，由于現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)是一門新興的科學,，迄今為止國內(nèi)外文獻對此尚無普遍公認的嚴格定義,，也沒有明確的邊界。我們認為,，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)與其他科學技術(shù)一樣,，都有其產(chǎn)生、發(fā)展的客觀要求與實際背景,，是生產(chǎn)斗爭,、社會斗爭和科學研究發(fā)展到一定程度的必然產(chǎn)物，也是自然科學方法論和科學哲理發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物,。當今科技,，有一個非常明顯的發(fā)展趨勢,，這就是科學技術(shù)的重心正在由材料（物質(zhì)）和能量轉(zhuǎn)向信息,，它意味著電子信息科學技術(shù)的崛起和信息技術(shù)時代的到來。信息技術(shù)的滲透影響著產(chǎn)品和制造業(yè)的變革,，也影響著設(shè)計技術(shù)的變革與發(fā)展,，并為設(shè)計技術(shù)的發(fā)展提供了條件，同時,，對設(shè)計技術(shù)也提出了要求,。在許多先進發(fā)達國家，近10年先進制造技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展都與信息技術(shù)緊密相關(guān)，而且 在實施先進制造技術(shù)的過程中,，不僅應(yīng)用了許多現(xiàn)代設(shè)計技術(shù),，如優(yōu)化設(shè)計、并行設(shè)計等,，而且總結(jié)與提出了許多新的設(shè)計理論和技術(shù),，如模糊設(shè)計（Fuzzy Design）、健壯設(shè)計（Robust Design）,、虛擬設(shè)計（Virtual Design）等,。另一方面，我們認為,，隨著社會生產(chǎn)力與科技的發(fā)展,，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)與其它科學技術(shù)一樣，其內(nèi)涵與外延是變化的,、動態(tài)的,，如傳統(tǒng)的機械力學已發(fā)展演變?yōu)槔碚摿�學、材料力學,、彈性力學,、塑性力學、斷裂力學等,；優(yōu)化設(shè)計已發(fā)展為普通優(yōu)化設(shè)計和模糊優(yōu)化設(shè)計等,。這些均是學科邊界的擴展與交叉。

    鑒于上述分析與基本認識,，我們給現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)下的定義為：

    以滿足應(yīng)市產(chǎn)品的質(zhì)量,、性能、時間,、成本/價格綜合效益最優(yōu)為目的,，以計算機輔助設(shè)計技術(shù)為主體，以知識為依托,，以多種科學方法及技術(shù)為手段,，研究、改進,、創(chuàng)造產(chǎn)品活動過程所用到的技術(shù)群體的總稱,。

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    從以上定義可以看出，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)有一系列特點,，這將在下節(jié)予以論述,。這里值得說明的是以下兩點：

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    （1）現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)是多學科交叉融合的產(chǎn)物 就目前現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)所涉及的理論、方法的范疇來看,，可以認為它是由現(xiàn)代設(shè)計方法學,、計算機輔助設(shè)計技術(shù),、可信性設(shè)計技術(shù)、試驗設(shè)計技術(shù)等多種學科的交叉與融合,。而其中每一個具體的設(shè)計技術(shù),，同樣也是若干學科的交叉與融合。例如優(yōu)化設(shè)計是數(shù)學規(guī)劃的方法與計算機編程的有機結(jié)合,，計算機輔助設(shè)計可以看作是數(shù)學建模,、計算機軟件和硬件技術(shù)、工程圖學等的有機結(jié)合,；模糊優(yōu)化設(shè)計是模糊方法與優(yōu)化技術(shù)的結(jié)合等等,。在這個現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)群體各學科之間既相對獨立又相互聯(lián)系、相互滲透,。根據(jù)設(shè)計對象與任務(wù)的不同,，以及設(shè)計各個階段的特點，宜采用其中某些適宜的,、有效的方法和技術(shù),，以解決設(shè)計中的總體和各個具體問題。

    （2）現(xiàn)代設(shè)計是傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的繼承,、延伸和發(fā)展 從傳統(tǒng)設(shè)計發(fā)展至現(xiàn)代設(shè)計,，都有著時序性、繼承性,，并在一定時間和一定的對象中它們共存于一體,。例如，傳統(tǒng)的運動學,、動力學,、機構(gòu)學、結(jié)構(gòu)力學,、強度理論等基本原理與方法是現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的數(shù)學建模及許多分支學科（如可靠性設(shè)計,、疲勞設(shè)計、防斷裂設(shè)計,、健壯設(shè)計等）的基礎(chǔ),；另外，許多現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)與方法是在吸收了傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)中的思想,、觀點,、方法之精華而發(fā)展起來的，如系統(tǒng)設(shè)計,、功能設(shè)計,、模塊化設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計,、并行設(shè)計等等,。因此，介紹與應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)與方法時,，不應(yīng)片面夸大,，成為玄而又玄的萬能法寶，而應(yīng)當認識到,，它們的許多內(nèi)容是傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的繼承,、延伸和發(fā)展。

    2.2.2 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的體系

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    現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)內(nèi)容廣泛,，分支學科繁多,，有人按分支學科的特征分類，有人從方法論對其聚類歸納,，有人按學科的任務(wù),、作用分類，以期說明現(xiàn)代設(shè)計任務(wù)的內(nèi)容與體系,。這些工作對人們?nèi)�面了��,、認識現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)與方法起到了一定的效果。鑒于本篇不是專門研究設(shè)計程序,、規(guī)律,、思維與方法本身的詳細內(nèi)容，而是面向21世紀科技發(fā)展的趨勢,，著眼于了解與掌握一些行之有效的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù),，為此，選編了現(xiàn)代設(shè)計方法學,、計算機輔助設(shè)計技術(shù),、產(chǎn)品可信性設(shè)計技術(shù)、現(xiàn)代試驗設(shè)計技術(shù)等方面內(nèi)容,，共三十多節(jié),，相當于三十多篇有機聯(lián)系的現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)專題，以對促進我國工程設(shè)計水平的提高,，促進與支撐我國先進制造技術(shù)的發(fā)展,，起到應(yīng)用的作用與效果。有關(guān)這些設(shè)計技術(shù)的具體內(nèi)容是由各專家分另專門撰寫,，并按章,、節(jié)次序作了編排。這里僅就現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的體系框架及其與其他學科的關(guān)系,，用圖3所示框圖描述,，并予以說明。

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圖3  現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的體系及與其他學科的關(guān)系

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    現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的整個體系好比一棵大樹,，由基礎(chǔ)技術(shù),、主體技術(shù),、支撐技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)四個層次組成。

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    （1）基礎(chǔ)技術(shù) 基礎(chǔ)技術(shù)是指傳統(tǒng)的設(shè)計理論與方法,，特別是運動學,、靜力學與動力學、材料力學,、結(jié)構(gòu)力學,、熱力學、電磁學,、工程數(shù)學的基本原理與方法等方面,。它不僅為現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)提供了堅實的理論基礎(chǔ)，也是現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)發(fā)展的源泉,。我們認為,，任何科學技術(shù)的發(fā)展如同社會的發(fā)展一樣，都離不開以自身長期形成的傳統(tǒng)構(gòu)架為基礎(chǔ),，同時又都不能固守于傳統(tǒng),，而要使之涵容時代和未來的特征。也就是說,，傳統(tǒng)的科學與技術(shù)也和社會的進步一同發(fā)展�,，F(xiàn)代設(shè)計技術(shù)也可以說是在傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)上，以新的形式和更豐富的內(nèi)涵發(fā)揚光大傳統(tǒng)設(shè)計技術(shù)中的優(yōu)秀內(nèi)核與精華,。

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    （2）主體技術(shù) 現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的誕生和發(fā)展與計算機技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān),、相輔相成�,？梢院敛豢鋸埖卣f,，沒有計算機科學與計算機輔助技術(shù)（如計算機輔助設(shè)計、智能CAD（Intelligent CAD——ICAD）,、優(yōu)化設(shè)計,、有限元分析程序、模擬仿真,、虛擬設(shè)計和工程數(shù)據(jù)庫等）,，便沒有現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)；另一方面,，沒有其他現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的多種理論與方法,，計算機技術(shù)的應(yīng)用也會大大受到限制，因為運用優(yōu)化設(shè)計,、可靠性設(shè)計,、模糊設(shè)計等理論構(gòu)造的數(shù)學模型，來編制計算機應(yīng)用程序,，可以更廣泛,、更深入地模擬人的推理與思維,，從而提高計算機的“智力”。而計算機輔助設(shè)計技術(shù)正是以它對數(shù)值計算和對信息與知識的獨特處理能力,，成為現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)群體的主干,。

    （3）支撐技術(shù) 無論是設(shè)計對象的描述,，設(shè)計信息的處理,、加工、推理與映射及驗證,，都離不開設(shè)計方法學,、產(chǎn)品的可信性設(shè)計技術(shù)及設(shè)計試驗技術(shù)所提供的多種理論與方法及手段的支撐。其中現(xiàn)代設(shè)計方法學涉及的內(nèi)容很廣,，如平行設(shè)計,、系統(tǒng)設(shè)計、功能設(shè)計,、模塊化設(shè)計,、價值工程、質(zhì)量功能配制,、反求工程,、綠色設(shè)計、模糊設(shè)計,、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計,、工業(yè)造型設(shè)計等�,？尚判栽O(shè)計技術(shù)可看作廣義可靠性設(shè)計內(nèi)容的擴展,，主要指可靠性與安全性設(shè)計、動態(tài)分析與設(shè)計,、防斷裂設(shè)計,、疲勞設(shè)計、耐腐蝕設(shè)計,、減摩和耐磨損設(shè)計,、健壯設(shè)計、耐環(huán)境設(shè)計,、維修性設(shè)計,、人機工程設(shè)計等。設(shè)計試驗技術(shù)不僅指通常的產(chǎn)品性能試驗,，還應(yīng)包括可靠性試驗,、環(huán)保性能試驗與控制，以及運用計算機技術(shù)的數(shù)字仿真試驗和虛擬試驗等,。因此,，設(shè)計方法學,、可信性設(shè)計技術(shù)及試驗設(shè)計技術(shù)所包含的種種內(nèi)容，可視為現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)群體的支撐技術(shù),。

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    （4）應(yīng)用技術(shù) 應(yīng)用技術(shù)是針對實用目的解決各類具體產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù),，如機床、汽車,、工程機械,、精密機械的現(xiàn)代設(shè)計內(nèi)容，可以看作是現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)派生出來的豐富多彩的具體技術(shù)群�,，F(xiàn)代設(shè)計技術(shù)在各類產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,，促進了產(chǎn)品質(zhì)量與性能的提高。

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    現(xiàn)代設(shè)計已擴展到產(chǎn)品規(guī)劃,、制造,、營銷、運行,、回收等各個方面,，除了必要的傳統(tǒng)設(shè)計理論與方法的基礎(chǔ)知識外，相關(guān)的學科與技術(shù),，尤其是制造工藝,、自動化技術(shù)、系統(tǒng)管理技術(shù),、材料知識與經(jīng)驗及廣泛的自然科學知識等也是十分必要的,。此外，設(shè)計產(chǎn)品總是以滿足社會需求為目的,，因此,，設(shè)計人員還應(yīng)具備政治、經(jīng)濟,、法律,、人文社會、藝術(shù)等方面知識與素養(yǎng),。

    值得一提的是,，現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)體系框架的劃分只是相對的，而不是絕對的,；主體技術(shù),、支撐技術(shù)、應(yīng)用技術(shù),、基礎(chǔ)技術(shù)之間并不存在截然的界限,。主體技術(shù)所包含的計算機輔助設(shè)計的有關(guān)技術(shù)本身往往就是應(yīng)用技術(shù)。在特定情況下，某些支撐技術(shù)也可以成為主體技術(shù),，例如變載荷及隨機干涉下零件的疲勞設(shè)計和穩(wěn)定性設(shè)計,，這時疲勞設(shè)計、健壯設(shè)計就是相應(yīng)情況下的主體技術(shù),。有些設(shè)計支撐技術(shù)本來就是由傳統(tǒng)的強度,、變形及失效理論“繁衍”出來的多種設(shè)計理論，如疲勞設(shè)計,、防斷裂設(shè)計,、可靠性設(shè)計等，所以,，這些設(shè)計支撐技術(shù),，也可看作基礎(chǔ)技術(shù),。

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