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1、常规、现代与创新设计 【摘要】 机械设计是机械工程的重要组成部分，设计水平的高低直接关系到产 品的质量性能、研制周期和经济效益等。设计方法包括常规设计、现代设计、创 新设计，他们之间有区别，也有共同性。只有了解了三种设计方法的特点，并相 互配合运用， 才能将机械设计出的产品性能达到最高。本文通过生活中一些具体 的实例分析，阐述了三种设计给人们的生活带来了巨大便利。 【关键词】 常规设计 ；现代设计 ；创新设计 1.机械设计的三种方法的特点: 在知识经济发展的时代，创新是国民经济可持续发展的基石，对于一个和国 家，一个民族而言，拥有持续的创新能力就意味着发展经济具有巨大的潜能。对 于机械专业设计
2、人员而言， 应当看到全球制造业面临前所未有的挑战， 缩短产品 开发周期、提高产品质量、降低生产成本、增加产品的核心竞争力已成为制造业 的共识。如何加强机械创新设计，挖掘创造性思维，显得尤为重要。 1.1常规设计方法又称传统设计方法，其发展过程包含三个阶段：（1）直觉设计阶段 古代的设计是一种直觉设计。当时人们或是从自然现象中直接得到启示，或是全凭人的直观感觉来设计制作工具。设计方案存在于手工艺人头脑之中，无法记录表达，产品也是比较简单的。直觉设计阶段在人类历史中经历了一个很长的时期，17世纪以前基本都属于这一阶段。（2）经验设计阶段 随着生产的发展，单个手工艺人的经验或其头脑中的构思已很难满足
3、这些要求。于是，手工艺人联合起来，互相协作。一部分经验丰富的手工艺人将自己的经验或构思用图纸表达出来，然后根据图纸组织生产。图纸的出现，即可使具有丰富经验的手工艺人通过图纸将其经验或构思记录下来，传与他人，便于用图纸对产品进行分析、改进和提高，推动设计工作向前发展；还可满足更多的人同时参加同一产品的生产活动，满足社会对产品的需求及提高生产率的要求。因此，利用图纸进行设计，使人类设计活动由直觉设计阶段进入到经验设计阶段。（3）半理论半经验设计阶段 20世纪以来，由于科学和技术的发展与进步，设计的基础理论研究和实验研究得到加强，随着理论研究的深入、实验数据及设计经验的积累，已形成了一套半经验半理论
4、的设计方法。这种方法以理论计算和长期设计实践而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。依据这套方法进行机电产品设计，称为传统设计。1.2.现代设计方法的产生背景：近30年来，由于科学和技术迅速发展，对客观世界的认识不断深入，设计工作所需的理论基础和手段有了很大进步，特别是电子计算机技术的发展及应用，对设计工作产生了革命性的突变，为设计工作提供了实现设计自动或和精密计算的条件。例如CAD技术能得出所需要的设计计算结果资料、生产图纸和数字化模型，一体化的CAD/CAM技术更可直接输出加工零件的数控代码程序，直接加工出所需要的零件，从而使人类设计
5、工作步入现代设计阶段。此外，步入现代设计阶段的另一个特点就是，对产品的设计已不是仅考虑产品本身，并且还要考虑对系统和环境的影响；不仅要考虑技术领域，还要考虑经济、社会效益；不仅考虑当前，还需考虑长远发展。例如，汽车设计，不仅要考虑汽车本身的有关技术问题，还需考虑使用者的安全、舒适、操作方便等。此外，还需考虑汽车的燃料供应和污染、车辆存放、道路发展等问题。现代设计方法因时代的发展应运而生。1.3创新设计 创新性设计是指充分发挥设计者的创造力，利用人类已有的相关科学技术 知识，进行创新构思，设计出具有新颖性的，创造性及实用性机械产品的一种实 践活动。创新设计强调发挥创造性，提出新方案，提供新颖而且
6、独特的设计。其 特点是运用创造性思维，强调产品的创新性和新颖性。 创新设计方法分为智力 激励法，提问追溯法，联想类推法，返向探索法，系统分析法，组合创新发六种。 创新设计没有局限性，创新成果是知识、智慧、勤奋和灵感的结合，生活中 一些看似很简单的机械都是机械创新设计的结果。2.对比可以发现常规设计与现代设计方法的异同点如下：2.1传统设计的特点：传统设计是以经验总结为基础，运用长期设计实践和理论计算而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。传统设计在长期运用中得到不断完善和提高，是符合当代技术水平的有效设计方法。分析传统的设计过程，可以看出
7、传统设计的每一个环节都是依靠设计者用手工方式来完成的。首先凭借设计者直接的或间接的经验，通过类比分析或经验公式来确定方案，由于方案的拟定很大程度上取决于设计人员的个人经验，即使同时拟定几个方案，也难于获得最优方案。由于分析计算受人工计算条件的限制，只能用静态的、近似的方法，参考数据偏重于经验的概括和总结，往往忽略了一些难解或非主要的因素，因而造成设计结果的近似性较大，有时不符合客观实际。此外，信息处理、经验或知识的存储和重复使用方面还没有一个理想的有效方法，解算和绘图也多用手工完成，这不仅影响设计速度和设计质量的提高，也难以做到精确和优化的效果。传统设计对技术与经济、技术与美学也未能做到很好的
8、统一，使设计带有一定的局限性。这些都是有待于进一步改进和完善之处。总之，传统设计方法是一种以静态分析、近似计算、经验设计、手工劳动为特征的设计方法。显然随着现代科学技术的飞速发展、生产技术的需要和市场的激烈竞争以及先进设计手段的出现，这种传统设计方法已难以满足当今时代的要求，从而迫使设计领域不断研究和发展新的设计方法和技术。2.2现代设计的特点：现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，是传统设计的深入、丰富和完善。随着设计实践经验的积累，设计理论的发展以及科学技术的进步，特别是计算机技术的高速发展，设计工作包括机械产品的设计过程产生了质的飞跃。为区别过去常用的传统设计理论与方法，人们把这
9、些新兴理论与方法称为现代设计。“现代设计技术”就是以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最有为目的，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、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。现代设计不仅指设计方法的更新，也包含了新技术的引入和产品的创新。目前现代设计方法所指的新兴理论与方法主要包括优化设计、可靠性设计、设计方法学、计算机辅助设计、动态设计、有限元法、工业艺术造型设计、人机工程、并行工程、价值工程、反求工程设计、模块化设计、相似性设计、虚拟设计、疲劳设计、三次设计、摩擦学设计、绿色设计等。2.3现代设计与传统设计的关系如下：继承关系。
10、现代设计是过去长期的传统设计活动的延伸和发展，它继承了传统设计的精华，克服了传统设计的一些不足。共存于突破的关系。设计方法的发展，都有着时序性、继承性，两种方法在一定时间内还会共存。当前的现代设计方法正处在发展之中，可以预见，随着科学技术的进步必将有新的突破。传统设计以经验、试凑、静态、定性分析、手工劳动为特征，导致设计周期长，设计质量差，设计费用高，产品缺乏竞争力。随着现代科学技术的发展，机械产品设计领域中相继出现了一系列新型理论与方法。这些新兴理论与方法统称为现代设计方法。2.4现代设计与传统设计的比较：系统 方法 手段传统设计 静态 经验 手工现代设计 动态 科学 计算机 3.常规性设计
11、与创新性设计的特征与原则无论常规性设计、现代设计还是创新性设计。机械系统设计，一般具有三个基本特征。(1) 约束性机械系统设计是在多种因素的限制和约束下进行的，其中包括科学、技术、经济等发展状况和水平的限制，也包括生产厂家所提出的特定要求和条件，同时还涉及环境、法律、社会心理、地域文化等因素。这些限制合要求构成了一组边界条件，形成了设计人员进行谋划和构思的“设计空间”。(2)多解性一般来说，解决同一技术问题的办法是多种多样的，要满足一定目的的设计方案通常也并不唯一的，任何设计对象本身都是包括各种因素构成的功能系统，其参数的选择、尺寸的确定、结构形式的构思等都有很强的可选择性，有很大的思维空间。
12、(3)相对性设计结论或结果都是相对准确的，而不是绝对完备的。比如，利用优化技术对某一系统进行求解，其结果也只是近似的，得到该系统的局部最优化或全局最优化，而且模型的建立会因人而异，也可能因条件而异，其结果都会有差异。同时，设计者还会经常处于一种相互矛盾的情境之中，比如既要降低成本，又要增加安全性、可靠性等。这种相互矛盾的要求给设计工作增加了难度，加上事先难以预料的影响，使得设计者在对设计方案的选择和判定时，只能做到一定条件下的相对满意和最佳。 总的来说，常规设计方法是一切方法的基础，现代设计方法是在常规设计方法基础上，提高设计效率，产品的可靠性和质量的设计方法，创新设计的要素是强调创造性的设计
13、思维，其结果具有巨大效益。 创新设计与常规设计，现代设计相比，则更有独创性，实用性，突破性，多向性，连动性，突变性。独创性体现为敢于提出与前人，众人不同的见解，敢于打破一般思维的常规惯性，寻找更合理的新原理，新机构，新功能，新材料，独创性能使设计方案标新立异，不断创新。实用性体现在对市场的适应性和可生产型两方面。创新设计的突破性则是敢于克服心理上的惯性，从思维定式的框框中解脱出来，善于从新的技术领域中接受有用的事物，提出新原理，创造新模式，贡献新方法，为工程技术问题打开新局面。多向性则表现为从不同的角度考虑问题，这是创新设计的重要特征。4. 实例展示：自行车的演变与创新设计（1） 常规设计方法：1888年以前，人们采用的是两腿交替蹬地来前进的方法，然后又演变成后轮驱动，并不断加大前轮直径，采用链传动自行车。但是缺点还是很明显，其携带不方便，受路面状况的影响大，车身震动大等（2）创新设计方法：将车身设计成可折叠式，折叠后可以背在肩上，携带方便。增大车轮宽度和与地面的摩擦，可以适应雨雪天气的路况。