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2.2 現代設計技術的內涵及其體系
. l0 k$ \7 q: G7 l: h; T3 }1 W% f 2.2.1 現代設計技術的內涵
( n+ A' m$ }# P: y! Y 工程設計的歷史與人類科技發展史同步。隨著人類文明、科學技術的發展，工程設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代工程技術學科。工程設計的最終目的是創造滿足用戶需求的產品，其范圍幾乎涉及到人類活動的各個領域。從人們的衣、食、住、行所需要的生活資料、用品和工具，到各種工業機器、儀器、設備和裝置，如機床、飛機、汽車、艦船、宇航工具、計算機硬件與軟件、機器人、發電設備、通信裝置、醫療器械等等，無不是人的創造與智慧的結晶。這些科技成果可以看作是人各種器官的一種加強與延伸，用以輔助人們日益增長的物質與文化的需要，也是推動社會物質文明與精神文明的建設的重要因素。但是，所設計的產品能否滿足預想的要求，滿足的程度如何，即產品所達到的質量、性能、價格/成本、壽命等綜合指標如何，主要是由設計階段決定的。據有關資料介紹，設計階段決定了產品制造成本的75%～80%，而且也極大地影響著產品的運行、維修費用。因此，高度重視研究、發展設計技術，具有十分重要的意義。
3 K+ w. z1 T4 k' V0 s" r8 _. I 在本篇尚未展開闡述現代設計技術內容之前，首先需要回答一些有關現代設計技術的涵義、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計活動中，對工程設計的涵義與內容的認識。 $ |& h5 w* B; w( T) a& q0 E# r
在傳統的工程設計中，從工作性質與內容看，將設計過程劃分為方案設計、技術設計和工藝設計。隨著計算機、信息技術的發展，工程設計的范疇，從傳統的設計內容已擴擴展到產品規劃、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計。 + k- l5 ?2 | w2 R3 ~" U
從設計的過程與方法看：
i/ I) I0 @) v3 A% I 1）設計是一種工程活動。設計師的任務就是運用自然科學的知識與法則去創造物質文明，它幾乎涉及到人類生活、生產的全部方面。 / d$ c9 F ]# v
2）設計是一種創造性的智力活動。設計的全過程，需要設計師提出各種不同的構思和設想，具有靈活運用知識和經驗處理技術、經濟等問題的能力和優良的品質、作風，能創造性地尋求設計目標和任務的實現。
, Q8 r5 L/ n7 x3 o* ` 3）設計是一個綜合、決策、迭代、尋優的過程。設計流程就是輸入信息→處理加工→綜合、判斷、決策→輸出信息，是尋求滿意的設計目標、方案、參數、結構等最優的過程。設計過程也是一個信息綜合、反饋（或迭代）、交流的過程。由于設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，雖經優化，也只能綜合、權衡各方面因素取得相對滿意的結果。 - j" v9 o7 ^/ A' u# T
從設計任務的要求來劃分，通常有三種不同類型的設計。 5 g; W0 ~( Y2 R0 y
1）開發性設計。運用成熟的科學技術，從工作原理和結構上設計過去沒有的新型產品，這是一種完全創新的設計。 , o; e, T& D2 b: @1 I
2）適應性設計。在原理、方案基本保持不變的前提下，對產品作局部的變更設計，使之更能滿足用戶的需求。 7 P4 [! O! j1 r/ x
3）變型設計。在功能和工作原理不變的情況下，變更現有產品的結構配置、布置方式和尺寸，使之適應多方面的使用要求。
) E# e% t O7 g0 T! _ 據德國機械制造工作者協會調查表明，在機械制造業中產品的55%屬于適應性設計，25%為開發性設計，20%為變型設計[1]。顯然，上述設計類型劃分之界限有時并不十分明確，不過為適應先進制造技術的進步與發展趨勢，當今不論何種設計都有必要應用計算機輔助設計（Computer Aided Design——CAD）技術及其他行之有效的現代設計技術，使設計的產品能在激烈的市場競爭中取勝。
/ p& E7 M0 F0 b7 z 盡管人們對工程設計之涵義與內容有過上述種種論述，現代設計技術與方法這一述語的概念也已提出多年，但是，由于現代設計技術是一門新興的科學，迄今為止國內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，現代設計技術與其他科學技術一樣，都有其產生、發展的客觀要求與實際背景，是生產斗爭、社會斗爭和科學研究發展到一定程度的必然產物，也是自然科學方法論和科學哲理發展到一定階段的必然產物。當今科技，有一個非常明顯的發展趨勢，這就是科學技術的重心正在由材料（物質）和能量轉向信息，它意味著電子信息科學技術的崛起和信息技術時代的到來。信息技術的滲透影響著產品和制造業的變革，也影響著設計技術的變革與發展，并為設計技術的發展提供了條件，同時，對設計技術也提出了要求。在許多先進發達國家，近10年先進制造技術的應用與發展都與信息技術緊密相關，而且 在實施先進制造技術的過程中，不僅應用了許多現代設計技術，如優化設計、并行設計等，而且總結與提出了許多新的設計理論和技術，如模糊設計（Fuzzy Design）、健壯設計（Robust Design）、虛擬設計（Virtual Design）等。另一方面，我們認為，隨著社會生產力與科技的發展，現代設計技術與其它科學技術一樣，其內涵與外延是變化的、動態的，如傳統的機械力學已發展演變為理論力學、材料力學、彈性力學、塑性力學、斷裂力學等；優化設計已發展為普通優化設計和模糊優化設計等。這些均是學科邊界的擴展與交叉。
" r" U5 Y1 s9 N# h0 v. p' R 鑒于上述分析與基本認識，我們給現代設計技術下的定義為：
+ [9 o# E0 _6 x: ]( \ 以滿足應市產品的質量、性能、時間、成本/價格綜合效益最優為目的，以計算機輔助設計技術為主體，以知識為依托，以多種科學方法及技術為手段，研究、改進、創造產品活動過程所用到的技術群體的總稱。
5 o4 D) f- [- U' d1 z$ r 從以上定義可以看出，現代設計技術有一系列特點，這將在下節予以論述。這里值得說明的是以下兩點： / K7 T1 _) c( r. W( F
（1）現代設計技術是多學科交叉融合的產物 就目前現代設計技術所涉及的理論、方法的范疇來看，可以認為它是由現代設計方法學、計算機輔助設計技術、可信性設計技術、試驗設計技術等多種學科的交叉與融合。而其中每一個具體的設計技術，同樣也是若干學科的交叉與融合。例如優化設計是數學規劃的方法與計算機編程的有機結合，計算機輔助設計可以看作是數學建模、計算機軟件和硬件技術、工程圖學等的有機結合；模糊優化設計是模糊方法與優化技術的結合等等。在這個現代設計技術群體各學科之間既相對獨立又相互聯系、相互滲透。根據設計對象與任務的不同，以及設計各個階段的特點，宜采用其中某些適宜的、有效的方法和技術，以解決設計中的總體和各個具體問題。 ' |0 l) L% T; j- N( l9 O6 [* G
（2）現代設計是傳統設計技術的繼承、延伸和發展 從傳統設計發展至現代設計，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，傳統的運動學、動力學、機構學、結構力學、強度理論等基本原理與方法是現代設計技術的數學建模及許多分支學科（如可靠性設計、疲勞設計、防斷裂設計、健壯設計等）的基礎；另外，許多現代設計技術與方法是在吸收了傳統設計技術中的思想、觀點、方法之精華而發展起來的，如系統設計、功能設計、模塊化設計、優化設計、并行設計等等。因此，介紹與應用現代設計技術與方法時，不應片面夸大，成為玄而又玄的萬能法寶，而應當認識到，它們的許多內容是傳統設計技術的繼承、延伸和發展。 & `; U0 V X2 Z J1 {
2.2.2 現代設計技術的體系
& s8 j+ B2 k1 R! s: W 現代設計技術內容廣泛，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、作用分類，以期說明現代設計任務的內容與體系。這些工作對人們全面了解、認識現代設計技術與方法起到了一定的效果。鑒于本篇不是專門研究設計程序、規律、思維與方法本身的詳細內容，而是面向21世紀科技發展的趨勢，著眼于了解與掌握一些行之有效的現代設計技術，為此，選編了現代設計方法學、計算機輔助設計技術、產品可信性設計技術、現代試驗設計技術等方面內容，共三十多節，相當于三十多篇有機聯系的現代設計技術專題，以對促進我國工程設計水平的提高，促進與支撐我國先進制造技術的發展，起到應用的作用與效果。有關這些設計技術的具體內容是由各專家分另專門撰寫，并按章、節次序作了編排。這里僅就現代設計技術的體系框架及其與其他學科的關系，用圖3所示框圖描述，并予以說明。 . q2 t8 S3 Y# e% \
& G! A( y/ G, F( W- s圖3 現代設計技術的體系及與其他學科的關系 ) M4 e( a4 z0 O( x
現代設計技術的整個體系好比一棵大樹，由基礎技術、主體技術、支撐技術和應用技術四個層次組成。
/ h/ ~- X7 T3 x2 }. C （1）基礎技術 基礎技術是指傳統的設計理論與方法，特別是運動學、靜力學與動力學、材料力學、結構力學、熱力學、電磁學、工程數學的基本原理與方法等方面。它不僅為現代設計技術提供了堅實的理論基礎，也是現代設計技術發展的源泉。我們認為，任何科學技術的發展如同社會的發展一樣，都離不開以自身長期形成的傳統構架為基礎，同時又都不能固守于傳統，而要使之涵容時代和未來的特征。也就是說，傳統的科學與技術也和社會的進步一同發展。現代設計技術也可以說是在傳統設計技術的基礎上，以新的形式和更豐富的內涵發揚光大傳統設計技術中的優秀內核與精華。 5 R, `# h& A: E. Z, O
（2）主體技術 現代設計技術的誕生和發展與計算機技術的發展息息相關、相輔相成。可以毫不夸張地說，沒有計算機科學與計算機輔助技術（如計算機輔助設計、智能CAD（Intelligent CAD——ICAD）、優化設計、有限元分析程序、模擬仿真、虛擬設計和工程數據庫等），便沒有現代設計技術；另一方面，沒有其他現代設計技術的多種理論與方法，計算機技術的應用也會大大受到限制，因為運用優化設計、可靠性設計、模糊設計等理論構造的數學模型，來編制計算機應用程序，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”。而計算機輔助設計技術正是以它對數值計算和對信息與知識的獨特處理能力，成為現代設計技術群體的主干。
3 B$ V) y7 r& E （3）支撐技術 無論是設計對象的描述，設計信息的處理、加工、推理與映射及驗證，都離不開設計方法學、產品的可信性設計技術及設計試驗技術所提供的多種理論與方法及手段的支撐。其中現代設計方法學涉及的內容很廣，如平行設計、系統設計、功能設計、模塊化設計、價值工程、質量功能配制、反求工程、綠色設計、模糊設計、面向對象的設計、工業造型設計等。可信性設計技術可看作廣義可靠性設計內容的擴展，主要指可靠性與安全性設計、動態分析與設計、防斷裂設計、疲勞設計、耐腐蝕設計、減摩和耐磨損設計、健壯設計、耐環境設計、維修性設計、人機工程設計等。設計試驗技術不僅指通常的產品性能試驗，還應包括可靠性試驗、環保性能試驗與控制，以及運用計算機技術的數字仿真試驗和虛擬試驗等。因此，設計方法學、可信性設計技術及試驗設計技術所包含的種種內容，可視為現代設計技術群體的支撐技術。
) ~8 J) @" q: B! `4 O( x* { （4）應用技術 應用技術是針對實用目的解決各類具體產品設計領域的技術，如機床、汽車、工程機械、精密機械的現代設計內容，可以看作是現代設計技術派生出來的豐富多彩的具體技術群。現代設計技術在各類產品設計領域的廣泛應用，促進了產品質量與性能的提高。
* V1 a( e$ V: a; W( ~. t5 C+ E 現代設計已擴展到產品規劃、制造、營銷、運行、回收等各個方面，除了必要的傳統設計理論與方法的基礎知識外，相關的學科與技術，尤其是制造工藝、自動化技術、系統管理技術、材料知識與經驗及廣泛的自然科學知識等也是十分必要的。此外，設計產品總是以滿足社會需求為目的，因此，設計人員還應具備政治、經濟、法律、人文社會、藝術等方面知識與素養。 0 F' I! I/ O3 v- V
值得一提的是，現代設計技術體系框架的劃分只是相對的，而不是絕對的；主體技術、支撐技術、應用技術、基礎技術之間并不存在截然的界限。主體技術所包含的計算機輔助設計的有關技術本身往往就是應用技術。在特定情況下，某些支撐技術也可以成為主體技術，例如變載荷及隨機干涉下零件的疲勞設計和穩定性設計，這時疲勞設計、健壯設計就是相應情況下的主體技術。有些設計支撐技術本來就是由傳統的強度、變形及失效理論“繁衍”出來的多種設計理論，如疲勞設計、防斷裂設計、可靠性設計等，所以，這些設計支撐技術，也可看作基礎技術。 | 
發表于 2006-8-15 23:14:01
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