现代设计方法

1、现代产品设计在产品开发中的地位。

随着制造科学的提出和先进制造工艺、制造装备的导入，使得现在产品设计在产品开发中的作用已经比以前任何时期都更加突出，到目前为止，已经形成一个重要的研究热点，并且设计理论和方法的研究，也不仅仅停留在学术讨论和实际问题的个别解决上，而是面向全局的现代产品设计理论。作为产品整个生命周期中最重要的一个环节——产品设计占据极为重要的地位。在产品全生命周期中，产品设计阶段决定了整个成本约70％左右的成本，而制造阶段及后续其他相关阶段只决定约30％的总成本。并行工程的研究与实践也表明：约85％的产品开发费用由产品设计阶段的工作决定，而这一阶段本身所耗费的成本却不到总成本的7％。正因如此，对产品设计阶段的研究，尤其是概念设计过程的研究，愈来愈受到国内外广大设计研究人员、企业和学术团体的高度重视。积极开展现代产品设计理论方法与实践方面的研究，并在我国制造业中推广这种策略，对于提高企业的竞争能力，具有重要的意义。当前现代产品设计理论的研究主要包含以下三大部分，即现代设计理论、产品设计过程、产品设计求解和产品设计过程中的功能，因此现代产品设计是产品开发的重要环节，无论是制造新产品，还是改造老产品，产品设计都是一项复杂而又细致的工作。它是决定产品质量的关键，直接影响产品的制造成本、生产周期、工艺准备、物资供应、生产组织等。在技术上决定着产品的前途和命运。

2、现代机电产品的文化特点并举例。

1) 文化的普遍性，指它是一种社会现象，是社会和群体的纽带，具有极强的共性，正是基于这种特性，才使企业了解和把握消费成为可能。如林肯汽车机械设备生产线生产的汽车的贵族文化、由机电设备生产出的“阿迪达斯”运动产品的运动文化、由酿酒机械设备生产的“孔府家酒”的家文化等，都在产品中注入了贵族、吉祥、浪漫、亲切等众多的人类情感，使人产生联想、回味、感慨等许多美好的感觉，使机电产品接近消费者的情感，征服消费者的心灵，受到消费者的喜爱。

2) 文化的相对稳定性。一种文化现象一旦形成具有极大的稳定性，并且对大多数在其环境中的人有着普遍的影响力，不会因为某些外在因素的加入而改变，正是这种稳定性使得企业把握消费群的特点，制定相应的产品战略和营销战略具有实际意义。全球化商品总是依

靠在文化的创造性工作，这创造性可以表现在令人喜爱产品的设计、优秀的品质、崭新的市场观念和有效的成本降低等而使产品风靡全球。如德国人严谨和理性能从他们的机电产品如宝马汽车、西门子生产的数控机床等能使人感受到德国人的一丝不苟的民族文化传统。

3) 文化的差异性。由于地域环境、社会经济、民族习惯的不同，一个民族有其自身的风俗人情、生活方式、审美情趣和文化精神，这种民族的文化精神在设计机械设备产品中体现出不同的文化风格。比如：德国人严谨和理性，使他们的设计风格体现出严密的科学性和逻辑性；法国人追求艺术和情调，使他们的设计风格体现出的浪漫和时尚。而中华民族稳重、含蓄、和谐的民族传统文化精神，在设计中体现出的使深沉、储蓄、平稳、圆满的文化风格。

4) 文化的可变性。文化是相对稳定的，又不是固定不变的，它会伴随着社会生产力的发展而变化，表现就是人们新的价值观念、审美观念、生活态度、消费观念等，这种变化有一定的偶然因素和不确定性。如中国的海尔集团积极的国际化模式不断丰富企业文化内涵，如今海尔的节能、人性化的设计深层地昭示着中国人乐善、仁厚的儒家思想。提高企业文化层次和品位才能在不久的将来赶上或超过世界名牌产品。

3、现代产品设计中的数字化与并行化特点并举例。

数字化设计特征。具有统一的产品定义模型。数字化设计与制造主要包括用于企业的计算机辅助设计数字化仿真及其相应文档的建立。数字化设计的内涵是支持企业的产品开发全过程、支持企业的产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持企业产品开发流程的控制与优化等，归纳起来就是产品建模是基础，优化设计是主体，数控技术是工具，数据管理是核心。数字

化设计技术通过建立从产品设计到制造的单一数字化产品定义模型，也是面向产品生命周期管理的基础。

例子：

利用计算机进行三维建模，在产品的开发设计阶段就对其生命周期全过程中的各种因素考虑周全，排除某些设计的不合理性，最终形成数字样机。数字样机作为制造依据，能够实现精确设计，最大限度地减少了工程更改，节省了大量工装模具和生产准备时间。很显然，与传统的设计方法相比，采用三维数字化设计不仅使设计对象几何形状得以直观显示，而且被赋予物理属性的三维模型可以为其后的进行的设计分析、验证、模拟与仿真提供保障。

并行化设计特征。一项设计工作可由多个设计队伍在不同的地域分头并行设计、共同装配，形成一个可完成强度、可制造性、成本和功能测试的完整的数字化模型。(由于面向产品生命周期的产品模型信息的完备性，数字化设计有助于实现产品的面向装配的设计、面向制的设计和面向维修的设计等的DFX 设计，在提高产品设计质量与速度方面具有重要的意义。)(在产品的设计开发期间，将概念设计、结构设计、工艺设计、最终需求等结合起来，保证以最快的速度按要求的质量完成。各项工作由与此相关的项目小组完成。进程中小组成员各自安排自身的工作，但可以定期或随时反馈信息并对出现的问题协调解决。依据适当的信息系统工具，反馈与协调整个项目的进行。利用现代CIM 技术，在产品的研制与开发期间，辅助项目进程的并行化。并行工程则) 强调设计要面向整个过程或产品对象，因此它特别强调设计人员在设计时不仅要考虑设计，还要考虑这种设计的工艺性、可制造性、可生产性、可维修性等等，工艺部门的人也要同样考虑其他过程，设计某个部件时要考虑与其他部件之间的配合。所以整个开发工作都是要着眼于整个过程和产品目标。并行工程则强调系统集成与整体优化，它并不完全追求单个部门、局部过程和单个部件的最优，而是追求全局优化，追求产品整体的竞争能力。

例子：飞机研制是一项涉及众多学科和专业，耗资、耗时而且复杂的系统工程。在传统模式下，飞机设计和制造各专业串行分立地完成各自的工作，由于设计知识和经验所限，不能在设计初期就考虑到产品的可制造性、可装配性以及质量保证等因素，导致在后期的产品制造中暴露出许多问题，造成设计周期长、返工多、质量不易保证等弊端，对飞机研制周期和质量造成显著的影响，也增加了研制成本。随着数字化技术的发展和应用，新产品开发方式已经从顺序工程向并行工程转变，面向并行工程的产品设计方法成为研究热点。因此在现代飞行器研制过程中开展并行产品数字化定义研究，使设计制造各有关专业可以组成协同工作团队，并行的进行产品数字化定义工作就显得尤为重要。

4、现代产品设计中协同设计方法及特点并举例。

协同设计是指为了完成某一设计目标，由两个或两个以上设计主体(或称专家) ，通过一定的信息交换和相互协同机制，分别以不同的设计任务共同完成这一设计目标。

协同设计是先进制造技术中并行工程运行模式的核心。传统设计是串行迭代的模式，即瀑布式的设计方法，就是说按产品寿命周期的各个过程顺序执行。在使用阶段发现问题后，在前面各阶段中找原因加以解决。并行工程则是在产品设计阶段尽早考虑产品寿命周期中各种因素的影响，全面评价产品设计，以达到设计中的最优化，最大限度消除隐患。因此涉及产品整个生命周期的各个不同部门的专家必须协同工作，在产品的设计阶段，不仅设计专家要进行讨论，协调产品的设计任务，而且工艺、制造、质量等后续部门也要参与产品设计工作，对产品设计方案提出修改意见。

协同设计也是快速制造、动态联盟的重要方法和手段，当今，市场形势日趋多变，产品生命周期短、更新换代快、品种增加、批量减小，顾客对产品的交货期、价格和质量的要求越来越高，企业往往依靠其特有的一些技术构成的新产品以赢得市场份额，获取高额利润。在这种情况下，如何及时地提供可利用的知识和技术，快速开发新产品，重组资源，组织生产，

满足用户“个性化产品”的需要，就成为企业能否赢得竞争、不断发展的关键。快速制造认为，以信息技术为基础，在全球一体化或地区一体化的金融环境和政治环境中，通过临时联合那些能适应环境变化的企业，组成动态联盟，共同承担风险，分担义务，共享成果，才能迅速开发新产品，响应市场需求。

(1)横向协同：横向协同充分体现了快速制造哲理下的企业间动态联盟。它适应了现代企业向专业化方向发展的趋势，即越来越多的制造企业从“大而全”或“小而全”的模式中走了出来，专注于自己的核心能力和核心产品。面向市场机遇，和具有其他专业技术的企业合作，从而拥有技术、资金、成本、速度等综合优势，形成“团体化”的竞争方式。

(2)纵向协同：纵向设计体现了并行工程的原理。这种工作模式使得开发者从一开始就考虑到产品全生命周期中的所有因素，尽可能保证产品设计、工艺设计、制造的一次成功．从而缩短产品开发周期、提高质量和降低成本。根据并行工程原理，通过计算机网络将产品寿命循环各个方面的专家，甚至包括潜在的用户都集中在一个工作环境下，形成专门的工作小组，协同工作。

横向和纵向的协同设计在具体设计中没有严格区分，常常是互相交织在一起。即动态设计联盟采用并行的设计过程，在并行的设计过程中设计团体人员是企业内外专业人员的组合。 协同设计涉及的关键技术有：

(1)协同工作管理技术。包括项目管理和工作流程管理技术；

(2)分布式数据管理技术。包括支持分布环境、版本控制管理和权限管理等技术；

(3)网络数据库技术。它是数据库技术与网络技术两者的有机结合，使数据库技术与网络技术的优点集于一体，支持CSCD 对大量信息的调用和传输；

(4)面向对象技术。该技术把某一产品数据和相关产品或操作的集合在一起进行封装，便于网上传输和共享；

(5)安全技术。它包括访问控制和数据安全传输；

(6)异地协同工作技术。如Netmeeting 、e-mail 、Agent 技术、CORBA 技术等；

(7)协同工作中的冲突消解。

此外，还包括标准化技术、网络基本技术等。在这些关键技术中，有的研究理论已比较完善，如网络数据库技术、面向对象技术以及网络基本技术等，但协同设计的管理技术、协同工作中的冲突消解技术还处于探索阶段。

例子：为了适应越来越激烈的全球化市场竞争，快速响应客户定制产品的需求，计算机支持的协同工作理论在产品设计中的应用研究工作已经开展了好多年? 。协同设计是一个以知识为基础的计算过程，不仅需要不同领域的知识和专家的经验，更重要的是要有综合和协调这些经验知识的有效机制和知识来耦合不同专家的设计任务。

目前，协同设计和知识管理在传统制造业的革新中正被广泛实施，但是在协同设计系统或知识管理系统中都存在功能单一的问题。协同设计和知识管理应该是互相协调发展，这样能够为制造业智力资产的管理提供新的拓展空间。这既需要信息集成、过程集成，更需要知识集成。

5说明现代设计方法的共性关键研究内容。

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。以满足市场产品的质量、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、创造产品和工艺等活动过程所用到的技术和知识群体的总称。

系统性：强调用系统工程处理技术系统问题。设计时应分析各部分的有机关系，寻求多目标兼顾、系统整体最优。同时考虑技术系统与外界的联系，即人—机—环境的大系统关系。 综合性：现代设计方法是建立在系统工程、创造工程基础上，综合运用信息论、优化论、相

似论、模糊论、可靠性理论等自然科学理论和价值工程、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计算机技术，总结设计规律，提供多种解决设计问题的科学途径。

计算机化：将计算机全面地引入设计。通过设计者和计算机的密切配合，采用先进的设计方法，提高设计质量和速度。计算机不仅用于设计计算和绘图，同时在信息贮存、评价决策、动态模拟、人工智能等方面将发挥更大作用。

设计中的共性技术与方法，如数学描述、建模、仿真和优化及试验方法等，也是设计中的关键技术，它涉及到CAD 、可靠性设计、安全性设计、模糊设计、绿色设计、反求工程、图像处理、专家系统、人工神经网络等信息和知识的获取、组织、传递及使用共享

6、举例说明现代设计技术与智能制造的关联性。

智能制造（Intelligent Manufacturing ，IM ）是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，它在制造过程中能进行智能活动，诸如分析、推理、判断、构思和决策等。通过人与智能机器的合作共事，去扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。它把制造自动化的概念更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化。

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。

现代设计与工业制造是相辅相成的，不可分割的，首先，现代设计是制造业发展的先导行业。现代设计是为制造工业产品所进行的设计，它包含产品外部和内部设计的整个过程，对产品的外观和性能，生产技术的发挥，以及品牌建设产生最直接的影响。现代设计创新水平直接影响技术创新水平，好的设计创意能极大地推动企业技术创新的发展；现代设计是制造业发展的龙头。由于现代设计在制造业中的核心地位和关键性作用，世界各国在发展制造业的过程中往往把它作为龙头，通过加速现代设计的发展带动整个制造业的发展。

好的设计创意虽然能推动企业技术创新的发展，但是没有发达的制造业，也就没有优秀的现代设计。因为工业制造技术是设计的功能基础，好的现代设计要依托功能技术来实现。以汽车为例，进口的汽车就比国产汽车漂亮很多，为什么？就是因为国内的生产工艺达不到，设计师可以做出漂亮的设计方案，但没技术，一切都是空谈，比如A 面的光顺要求，一体成模，一些漂亮的渐消面等。现代设计对产品制造有指导作用，可以引导制造技术更贴合人机关怀，向能生产出更美好的产品的方向发展。现代设计技术的发展方向是不断吸收现代科学技术，使其实现数字化，智能化，和网络化

7、阐述产品设计中的“功能分析法”并结合实例表述应用过程。

功能分析法是自然科学和社会科学用来分析自然现象和社会现象的一种方法。任何事物和现象都是由两个或两个以上的部分、方面、因素所组成的，这些部分、方面和因素之间形成一种相对稳定的联系，这种相对稳定的联系称之为结构。相互联系的各个部分、方面和因素之间总是相互依存、相互作用的，这种事物或现象内部各个部分、方面和因素之间的相互作用和影响以及该事物或现象对于外部其他事物或现象的影响和作用，称之为功能。分析事物或现象的结构和功能的方法，称之为功能分析方法。

举例：设计一台颜料灌装机，能够对4 mL单体塑料瓶快速、准确地进行颜料灌注，并完成合盖要求. 基于对机器原型的性能分析，实现颜料的精确灌注以及合盖的技术已经非常成熟，改进设计的关键在于如何提高生产效率，实现快速灌装的生产要求. 根据用户这一需求，对系统的上料、灌注、翻盖和压盖等功能进行抽象，确定了该产品设计的总功能为“快速灌装并合盖”. 有了这一抽象化的总功能，设计者的思路就不再局限于原来的上料和灌注方式. 按照工艺功能分解的步骤，首先对提高灌装效率的各种工艺方法进行了分析，

讨论了可能引发的问题以及解决的方案，最后优选出使用多连体塑料瓶进行灌注的工艺方法. 然后确定了产品的输人约束功能:输人塑料瓶为4mL 的10连体塑料瓶黏稠度为均匀的颜料; 压缩空气压力为0.3-0.5 MPa; 电压为380 V.随后按照总工艺流程以及辅助工艺流程进行分解，并根据客户需求表进行核查和补充，最后得到功能结构图。

8、说明新产品的“攻势战略”和“守势战略”的内涵和方法。

9、说明新产品开发中的“阶段~门”方法及应用。

10、说明机械产品可靠性设计的特征意义以及可靠性指标。

11、说明可靠设计中“系统可靠性”分配的作用及方法。

系统可靠性分配：是根据一定的原则和方法，将系统可靠性指标自上而下逐级分配到下属各级产品的过程，也是人力、物力、财力合理试用的过程。目的在于将可靠性指标层层落实，使各级设计者明确自己的目标以便采取响应的措施，将可靠性设计进去。

可靠性分配可靠性分配是在可靠性预测的基础上，把经过论证确定的系统可靠性指标，自上而下地分配到各分系统再到整机直到元器件，来确定对于系统各组成部分的可靠性定量要求，从而保证整个系统可靠性指标的最后实现。其本质是一个工程决策问题，是人力、物力的统一调度运用问题。

可靠性分配的目的：①落实系统的可靠性指标; ②落实对各个分系统或者部件的可靠性要求;

③通过分配，暴露系统的薄弱环节，为改进设计提供依据; ④通过分配优化可以节约实现系统可靠性指标的研制时间和经费。

可靠性分配的方法有等比例分配法、AGREE 法、努力最小算法等。

当预测的可靠性值小于设计目标值时，为实现目标值，需要向组成系统各单元合理分配可靠度，称为可靠性分配。

(1)可靠性分配的目的

①合理地确定系统中每个单元的可靠度指标，以便在单元设计、制造、试验、验收时切实地加以保证。反过来又将促进设计、制造、试验、验收方法和技术的改进和提高。

②通过可靠性分配，帮助设计者了解零件、单元 (子系统) 、系统(整体) 间的可靠度相互关系，做到心中有数，减少盲目性，明确设计的基本问题。

③通过可靠性分配，使设计者更加全面地权衡系统的性能、功能、重量、费用及可用性等与时间的关系，以期获得更为合理地系统设计，提高产品的设计质量。

④通过分配，使系统所获得的可靠度值比分配前更加切合实际，可节省制造的时间及费用。

(2)可靠性分配的原则：

①技术水平。对技术成熟的单元，能够保证实现较高的可靠性，或预期投入使用时可靠性可有把握地增长到较高水平，则可分配给较高的可靠度。

②复杂程度。对较简单的单元，组成该单元的零部件数量少，组装容易保证质量或故障后易于修复，则可分配给较高的可靠度。

③重要程度。对重要的单元，该单元失效将产生严重的后果，或该单元失效常会导致全系统失效，则应分配给较高的可靠度。

④任务情况。对整个任务时间内均需连续工作及工作条件严酷，难以保证很高可靠性的单元，则应分配给较低的可靠度。此外，一般还要受费用、重量、尺寸等条件的约束。总之，最终都是以最小的代价来达到系统可靠性的要求。

为了问题的简化，一般均假定各单元的故障是互相独立的。由于R=1—F ，对指数分布，当F 不大时，F ≈λt ，因此，可靠性分配可按情况将系统的可靠度Rs 分配给各i 单元Ri ，当Fs 很小时，可将不可靠度Fs 分配给各i 单元Fi ，或者将系统的失效率λs 分配给各i 单元λi 。

(3)分配方法：

⒈等分配法，等分配法是对系统中的全部单元配以相等的可靠度的方法。

⒉ AGREE 分配法，因为考虑了系统的各单元或各子系统的复杂度、重要度、工作时间以及它们与系统之间的失效关系，故又称为按单元的复杂度及重要度的分配法。与等分配法相比，显得更为合理，适用于各单元工作期间的失效率为常数的串联系统。

⒊拉格朗日乘数法，该方法的思路是建立一个拉格朗日函数，使它包含可靠性目标函数，约束条件函数。将有约束条件求极值问题转化为无约束条件求极值问题。

⒋失效率加权分配法，在寿命服从指数分布的串联系统中，采用失效率加权的方法进行可靠性分配。 ⒌动态规划分配法，是解决在满足规定的系统可靠性指标条件下，使费用或重量，或者尺寸等最小的优化问题。12、说明面向新产品开发的企业技术开发能力及其评定问题。

企业技术开发能力是指创造和应用新技术、新材料、新工艺、新方法, 开发新产品的能力。它具有以下三方面的特征、从组成上看, 技术开发能力是一整体性能力, 是技术开发的资金能力、情报收集能力、设计能力、试验能力、检测能力的综合表现。这些能力要素相互紧密联系, 构成一个串联系统, 制约和影响企业技术开发能力的强弱。评价和提高企业技术开发能力, 是整顿企业基础工作、提高企业技术素质和实力的当务之急, 也是影响企业乃至整个工业未来发展的一项重要战略措施。评价企业技术开发能力必须科学化, 既要有定性分析, 也要有定量测算要根据其整体性特点建立一套完整的指标体系, 进行系统评价在单项分析的基础上建立模型, 进行综合的比较和评价。通过评价, 要使宏观管理部门及时掌握企业的技术开发能力状况, 以制定相应的政策和措施实行指导性管理使企业看到先进水平和目标, 明确自身存在的问题和差距, 加重紧迫感, 从而积极地、有针对性地培植和强化。技术开发能力评估的主要内容有：①针对某项技术或为解决某一问题而设计的方案和提出的政策，考察采用或限制该技术时将引起的广泛社会后果，尽可能科学地客观地对正负影响特别是非容忍影响作全面充分的调查分析，建立综合评估指标体系。②研究相应于上述后果的政策选择，如拟定法律、税收或优惠政策，实施控制，以达到趋利避害的目的。在进行技术评估时必须注意下列原则：①系统性原则。②需要性原则③预测性原则。④可行性原则。⑤动态性原则。