现代设计方法概述
王康 机制专1002 103280220
摘要：现代设计就是以社会需求为驱动，以现代设计理论和思路为指导，以知识获取为中心，以现代技术手段为工具，考虑产品的生命周期和人、机，环境相容性等因素的设计。现代设计方法主要包括计算机辅助设计、优化设计和可靠性设计等，能够运用这些方法解决工程实际中的一些基本问题，提高产品的设计水平和质量，推动人类设计事业的进步。
关键词：现代设计方法，优化设计，可靠性设计，计算机语言 引 言
目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算，加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，使得各个工程领域的设计工作从形式到效果都发生了根本性的变化，产生了巨大的经济效益和社会效益。
现代设计方法这里主要介绍以下三个方面： 优化设计
优化设计是指，将工程设计问题转化为最优化问题，利用数学规划方法，借助电子计算机高速度、高精度和大储存量的运算处理能力，从满足设计要求的一切可行方案中自动寻求最佳设计方案的设计方法。
优化设计部分主要包括优化设计的数学模型、优化方法的数学基础、一维搜索法、无约束优化方法、线性规划方法约束优化方法等。
优化设计过程是以计算机自动设计选优，其设计过程一般分为如下四步： (1)设计课题分析：首先确定设计目标，它可以是单项指标，也可以是多项设计指标的组合。从技术经济观点出发，就机械设计而言，机器的运动学和动力学性能、体积与重量、效率、成本、可靠性等，都可以作为设计所追求的目标。然后分析设计应满足的要求，主要的有：某些参数的取值范围；某种设计性能或指标按设计规范推导出的技术性能；还有工艺条件对设计参数的等。
(2)建立数学模型：将实际设计问题用数学方程的形式予以全面、准确地描述，其中包括：确定设计变量，即哪些技术参数参与优选；构造目标函数，即评价设计方案优劣的设计指标；选择约束函数，即把设计应满足的各类条件以等式或不等式的形式表达。
(3)选择优化方法：根据数学模型的函数性态、设计精度要求等选择适用的优化方法，并编制出相应的计算机程序。
(4)上机电算择优：将所编程序及有关数据输入计算机，进行运算，自动解
得最优值，然后对所算结果作出分析判断，得到设计对象的最优设计方案。
这种设计是设计方法上的一项很大的变革，它使许多较为复杂的问题得到最完善的解决，而且它可以提高设计效率缩短设计周期，还可以为设计人员提供大量的设计分析数据，有助于考察设计结果，从而可以提高工业产品的设计质量，获得显著的经济效益。 可靠性设计
可靠性设计是指一项工程或产品在规定的时间内、在规定的条件下完成规定功能的能力。可靠性设计是与常规设计不同的设计方法，它将设计变量看作随机变量，将可靠度作为设计目标之一，应用可靠性理论对零部件、系统或工程进行设计。可靠性设计部分主要包括系统的可靠性预测、故障树分析法、机械零件的可靠性设计方法等。在此主要介绍系统的可靠性设计。
如电路一样，机械零件、部件组合的形式基本上有两种：一种是串联方式；另一种是并联方式。其他更复杂的元器件的组合，基本就是以上两种的组合和延伸。
（1）串联系统
所谓串联系统，就是系统中零部件之间的失效时间互为时，如有某一零件发生故障，则引起了整个系统失效。
1 2 -------- n
串联系统逻辑图
n系统可靠度：
（2）并联系统
Rs(t)R1(t)R2(t)Rn(t)i1Ri(t)并联系统也称并联冗余系统，就是为了完成某一工作目的所设置的设备，除了满足运行要求以外还有一定的冗余系统。
并联系统又可分为工作贮备系统和非工作贮备系统。工作贮备系统就是使用多个零件来完成同一组任务的组合。在系统中，零件的某一个或多个处于工作状态，其他部分处于待命状态，当某一零部件出现故障后，处于待命的部分就会处于工作状态。
系统可靠度：
n1 2 --------- n 并联系统逻辑图
Rs(t)1Fs(t)1(1Ri1i(t)) (3)有限元分析
有限元分析，利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
有限元分析可分成三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。前置处理是建立有限元模型，完成单元划分；后置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。
纵观国际上CAE软件的发展状况，可以看出有限元分析的发展趋势：
1) 与CAD软件的无缝集成 2) 更为强大的网格处理能力
3) 由求解线性问题发展到求解非线性问题 4) 程序面向用户的开放性
结语：
通过学习《现代设计方法》学习了解到，随着科学技术的发展机械产品的设计正朝着计算机辅助实现智能化设计的方向迈进，现代设计方法在其中发挥着不可替代的作用。使异地协同设计与制造以及从用户对产品的功能需求→设计→加工→装配→成品这一并行工程的实现成为可能。通过对现代设计方法有所全面了解，使我掌握了目前比较成熟的现代设计方法的基本原理与应用方法，扩充了知识面，提高了应的综合技能，培养了灵活运用现代设计方法解决工程实际问题的能力，为今后从事工程技术工作、科学研究以及开拓新技术领域，打下了坚实的基础。
参考资料：
【1】 陈继平，李元科.现代设计方法.武汉：华中科技大学出版社，1997 【2】 吴运新 现代设计方法 ：中南大学
【3】 黄邦彦.现代设计方法基础[M].北京：中国人民大学出版社，2000
