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1、现代设计方法100111 金松哲 20100399摘要：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。现代设计方法有如下设计方法：（1）并行设计（2）虚拟设计（3）绿色设计（4）智能优化设计（5）计算机辅助设计（6）动态设计（7）模块化设计（8）计算机仿真设计（9）人机学设计（10）摩擦学设计（11）疲劳设计（12）反求设计（13）无障
2、碍设计（14）共用性设计本论文主要介绍了绿色设计方法和可靠性设计方法。关键词：现代设计方法；绿色设计；可靠性设计；1 引言随着社会的发展和科学技术的进步，使人们对设计的要求发展到了一个新的阶段，具体表现为设计对象由单机走向系统、设计要求由单目标走向多目标、设计所涉及的领域由单一领域走向多个领域、承担设计的工作人员从单人走向小组甚至大的群体、产品设计由自由发展走向有计划的开展。与人们对设计的要求相比现阶段的设计确实是落后的，主要表现为：对客观设计的研究不够，尚未很好的掌握设计中的客观规律；当前设计的优劣主要取决于设计者的经验；设计生产率较低；设计进度与质量不能很好控制；实际手段与设计方法有待改进
3、；尚未形成能被大家接受，能有效指导设计实践的系统设计理论。 面对这种形势，唯一的解决方法就是设计必须科学化。这就意味着要科学的阐述客观设计过程及本质，分析与设计有关的领域及其地位，在此基础上科学的安排设计进程，使用科学的方法和手段进行设计工作，同时也要求设计人员不仅有丰富的专业知识，而且要掌握先进的设计理论、设计方法及设计手段，科学地进行设计工作，这样才能及时得到符合要求的产品。2.绿色设计§2.1 概述绿色设计 （Green Design）是20世纪80末出现的一股国际设计潮流，绿色设计反映了人们对于现代科技文化所引起的环境及生态破坏的反思，同时也体现了设计师道德和社会责任心的回归
4、。绿色设计的兴起和广泛应用正逐步改变着一贯以来以大量消耗资源为主的经济增长方式，改变着人们的生活方式和消费观念，它为人们提供了一种解决人-机-环境关系协调的系统设计方法，是可持续发展的必然要求。§2.2 绿色设计的概念绿色设计是指在产品及其寿命周期全过程的设计中，要充分考虑对资源和环境的影响，在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，更要优化各种相关因素，使产品及其制造过程中对环境的总体负面影响减到最小，各项指标符合绿色环保的要求。其基本思想是：在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小。
5、7;2.3 绿色设计的原则与方法§2.3.1 绿色设计与传统产品设计绿色设计是这样一种设计，即在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性（可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等），并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的基本功能、使用寿命、质量等。绿色设计要求在设计产品时必须按环境保护的指标选用合理的原材料、结构和工艺，在制造和使用过程中降低能耗、不产生毒副作用，其产品易于拆卸和回收，回收的材料可用于再生产。表2.3-2 绿色设计与传统设计的比较比较因素传统设计绿色设计设计目的为需求而设计为需求和环境而设计，满足可持续发展的要求设计依据依据用户对产品提出的功
6、能、性能、质量及成本要求来设计依据环境效益和生态环境指标与产品功能、性能、质量及成本要求来设计设计人员设计人员很少或没有考虑到有效的资源再生利用及对生态环境的影响要求设计人员在产品的构思及设计阶段，必须考虑降低能耗、资源重复利用和保护生态环境设计技术或工艺在产品设计、制造和使用过程中很少考虑产品回收处理（有也仅是有限的材材料回收），采取“末端治理”措施在产品设计、制造和使用过程中充分考虑可拆卸、易回收，不产生或产生最少的废弃物，从根本上消除了污染物的产生产品特性传统意义上的一般产品绿色产品或绿色标志产品§2.4绿色设计的原则绿色设计与传统设计相比较应遵循以下原则：（1）资源最佳利用原
7、则（2）能量消耗最少原则（3）最小污染原则（4）零损害原则（5）技术先进原则（6）生态经济效益最佳原则§2.5产品绿色设计的关键技术在进行绿色产品方案设计时，设计师必须要了解到绿色设计是一种与技术结合很紧密的设计。目前的绿色设计方法主要有生命周期设计，模块化设计，面向拆卸的设计，面向回收的设计、长寿命设计、节能设计、虚拟设计等。我们这里只介绍面向拆卸的设计表2.5-1可拆卸性设计准则目标设计准则减少拆卸的工作量减少所用材料的种类、采用互相兼容的材料、尽量将各部件结合成模块、将有害材料组装成特定模块、有价值及可重复使用的零件应容易拆卸产品可预见性避免易老化及腐蚀材料的连接、避免零部件被
8、污染和腐蚀易于拆卸减少紧固件数量、尽量采用相同的紧固方法、易于接近拆卸点、避免在塑料部件中嵌入金属件易于分离尽量避免二次处理（油漆、涂层、电镀等）、对不同材料进行标识或用颜色加以识别减少多样性利用标准零部件、最大程度的减少紧固件类型§2.6产品绿色设计的内容产品的绿色设计主要包括以下内容:（1）产品的绿产品材料的选择和管理。（2）产品可拆卸性和可回收性设计。（3）绿色产品成本分析和设计数据库的建立。（4）产品的绿色包装设计。§2.7产品绿色设计的流程及过程产品设计的基本流程为：市场调研-草图构思-方案设计。具体到绿色设计在产品设计中的应用，其过程可分为四个阶段：1、 市场调
9、研在市场调研阶段，将产品的绿色因素作为调研时的一项重点内容。在此阶段，对产品在人、资源与环境等方面存在的绿色缺陷做出调查研究，并进行分析，形成理性的调研报告。2、 概念设计 在具体的产品设计流程中，将通过市场研究所得来的绿色机遇，通过草图设计-方案筛选-方案设计流程，把功能、造型、色彩、人机等诸因素融入到产品设计中去。3、方案确定对概念设计方案进行评估，得到最终确立方案。对方案的评估有两个方面，一是在设计、制造、包装、运输、消费、报废和回收过程中，废弃物的量作为衡量标准，尽可能的减少该过程中废弃物的量，二是看产品的在使用过程中，是否能够很好的让消费者感受到产品的绿色因素，可着重于考察产品的人机
10、、形态和色彩。4、详细设计在产品的详细设计阶段，继续深化产品的绿色因素，进行详细的产品设计。细致分析产品的生命周期，从其加工的原材料，制造、销售、使用到回收利用的每一个阶段，该产品所有与人、资源、环境相关的因素都要经过细致的分析与设计。绿色设计融入工业设计是工业设计发展的必然趋势，它会使工业设计理论更为充实，使工业设计更加符合人类社会发展的要求。在产品设计中提出绿色设计绝非偶然，它是工业产品设计发展的要求，是符合新世纪绿色消费浪潮的。§3可靠性设计§3.1可靠性设计的主要内容可靠性作为产品质量的主要指标之一，随产品所使用时间的延续在不断变化。可靠性设计的任务就是确定产品质量
11、指标的变化规律，并在其基础上确定如何以最少的费用来保证应有的工作寿命和可靠度，建立最优的设计方案，实现产品的设计要求。因此可靠性设计的内容主要包括：故障机理和故障模型研究；可靠性实验技术研究；可靠性水平的确定等。§3.2可靠性设计的常用指标表示可靠性水平高低的指标体系如下图，主要包括五个方面：可靠性、维修性、有效性、耐久性和安全性。产品可靠性指标可靠性累积失效概率可靠度失效率可靠寿命稳态有效性平均寿命修复率维修度瞬时有效性平均修复时间平均有效性维修性有效性安全性耐久性图3.1 可靠性设计的常用指标§3.3可靠性设计常用方法（1）冗余技术冗余技术又称为储存技术。它是利用系统的
12、并联模型来提高系统可靠性的一种手段。冗余有工作冗余和后备冗余两类。工作冗余：又称为工作储备和掩蔽储备，是一种两个或两个以上单元并行工作的并联模型。平时，由各个单元平均分担工作压力，因此工作能力有冗余。只有当所有单元都失效时系统才失效，如果还有任何一个单元未失效，系统就能可靠地工作，不过这个单元要负担额定的全部工作应力。后备冗余：又称为非工作储备或待机储备。平时只需一个单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用。这种系统必须设置失效检测装置和转换装置并保证绝对可靠，则后备冗余的可靠度比工作冗余法高。如果不绝对可靠，就宁肯采用工作冗余法，因工作冗余系统还有一个优点，就是由于冗余单元分担了工作应力，
13、各单元的工作应力都低于额定值，因此其可靠度比预定值高。选择冗余法必须考虑产品性能上的要求，如果由多个单元同时完成同一工作显著影响系统的工作特性时，就不能采用工作冗余法。产品设计必须考虑环境条件和工作条件的影响，例如，如果多个工作单元同时工作，因每个单元的温升而产生系统所不能容许的温升时，最好采用后备冗余法。又如系统的电源有限，不足以使冗余单元同时工作，也以采用后备冗余法为好。决定是否采用冗余技术时，要分析引起失效的可靠原因。当失效真正是随机失效时，冗余技术就能大大提高可靠度，但如果是由于过应力所引起的，冗余技术就没有用。如果某一环境条件是使并联各单元失效的共同因素，则冗余单元也并不可靠。（2）
14、诊断技术从本质上来看，诊断技术是一种检测技术，用来取得有关产品中产生的失效（故障）类型和失效位置信息。它的任务有两个：一是出现故障时，迅速确定故障的种类和位置，以便及时修复；二是在故障尚未发生时，确定产品中有关元器件距离极限状态的程度，查明产品工作能力下降的原因，以便采取维护措施或进行自动调整，防止发生故障。诊断的过程是：首先对诊断对象进行特定的测试，取得诊断信号（输出参数）。再从诊断信号中分离出能表征故障种类和位置的异常性信号，即征兆；最后将征兆与标准数据相比较，确定故障的种类和故障的位置。测试：通常有两种测试，一是在故障出现之后，为了迅速确定故障的种类和故障的位置，对诊断对象进行试验性测试
15、，这时诊断对象处于非工作状态，这种情况称为诊断测试；二是在故障发生前，诊断对象处于工作状态，为了预测故障或及时发现故障而进行的在线测试，这种情况称为故障监测。征兆：征兆是有利于判断故障种类和故障位置的异常性诊断信号，可分为直接征兆和间接征兆两类。直接征兆是在检测产品整机的输出参数或可能出现故障的元部件输出参数时，取得的异常性诊断信号。例如，产品的主要性能参数异常或有关机械零件的磨损量、变形量等参数变化的信号。间接征兆是从那些与产品有关工作能力存在函数关系的间接参数中取得的异常性诊断信号。例如，产品的音响信号、温度变化、润滑油中磨损产物、系统动态参数（幅频特性），都可作为取得间接征兆的信号。采用
16、间接征兆进行诊断的主要优点是，可以在产品处于工作状态及不作任何拆卸的情况下，评价产品的工作能力。其缺点是，间接征兆与产品输出信号之间往往存在某种随即关系，此外，一些干扰因素也会影响间接征兆的有效性。尽管如此，间接征兆在诊断技术中还是得到了广泛的应用。诊断：诊断就是将测试取得的诊断信号与设定的标准数据相比较，或利用事先确定的征兆与故障之间的对应关系，来确定故障的种类与部位。标准数据是根据产品或元部件输出参数的极限值来设定的。征兆与故障之间的对应关系，可根据理论分析或模拟仿真试验来建立，这种关系用列表形式来表示时，称为故障诊断表。参考文献1 绿色设计 刘志峰 刘光复著 机械工业出版社，2000年2 绿色设计与绿色制造 刘光复等著 机械出版社，2000年3 可靠性设计国防科技网 引用日期2013-02-3 4 现代设计方法梅齐顺等著华中科技大学出版社，2009年5 黄邦彦.现代设计方法基础M.北京：中国人民大学出版社，2000 并行设计 虚拟设计 绿色设计 可靠性设计 智能优化设计 计算机辅助设计 动态设计 模块化设计年8 / 8文档可自由编辑打印