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2.2.1 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的內(nèi)涵

工程設(shè)計(jì)的歷史與人類科技發(fā)展史同步,。隨著人類文明,、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工程設(shè)計(jì)這門古老的學(xué)科已逐漸演進(jìn)為一門科學(xué)，形成一門綜合性的現(xiàn)代工程技術(shù)學(xué)科,。工程設(shè)計(jì)的最終目的是創(chuàng)造滿足用戶需求的產(chǎn)品,，其范圍幾乎涉及到人類活動的各個(gè)領(lǐng)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(yè)機(jī)器,、儀器,、設(shè)備和裝置，如機(jī)床,、飛機(jī),、汽車、艦船,、宇航工具,、計(jì)算機(jī)硬件與軟件、機(jī)器人,、發(fā)電設(shè)備,、通信裝置、醫(yī)療器械等等，無不是人的創(chuàng)造與智慧的結(jié)晶,。這些科技成果可以看作是人各種器官的一種加強(qiáng)與延伸,，用以輔助人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)與文化的需要，也是推動社會物質(zhì)文明與精神文明的建設(shè)的重要因素,。但是,，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能否滿足預(yù)想的要求，滿足的程度如何,，即產(chǎn)品所達(dá)到的質(zhì)量,、性能、價(jià)格/成本,、壽命等綜合指標(biāo)如何,，主要是由設(shè)計(jì)階段決定的。據(jù)有關(guān)資料介紹,，設(shè)計(jì)階段決定了產(chǎn)品制造成本的75%～80%,，而且也極大地影響著產(chǎn)品的運(yùn)行、維修費(fèi)用,。因此,，高度重視研究、發(fā)展設(shè)計(jì)技術(shù),，具有十分重要的意義。

在本篇尚未展開闡述現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)內(nèi)容之前,，首先需要回答一些有關(guān)現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的涵義,、體系及其特點(diǎn)等總體認(rèn)識問題，而這又需簡略回顧一下人們在長期的設(shè)計(jì)活動中,，對工程設(shè)計(jì)的涵義與內(nèi)容的認(rèn)識,。

在傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中，從工作性質(zhì)與內(nèi)容看,，將設(shè)計(jì)過程劃分為方案設(shè)計(jì),、技術(shù)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī),、信息技術(shù)的發(fā)展,，工程設(shè)計(jì)的范疇，從傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容已擴(kuò)擴(kuò)展到產(chǎn)品規(guī)劃,、制造,、檢測、實(shí)驗(yàn),、營銷,、運(yùn)行、維護(hù),、報(bào)廢,、回收等全過程的全方位設(shè)計(jì),。

從設(shè)計(jì)的過程與方法看：

1）設(shè)計(jì)是一種工程活動。設(shè)計(jì)師的任務(wù)就是運(yùn)用自然科學(xué)的知識與法則去創(chuàng)造物質(zhì)文明,，它幾乎涉及到人類生活,、生產(chǎn)的全部方面。

2）設(shè)計(jì)是一種創(chuàng)造性的智力活動,。設(shè)計(jì)的全過程,，需要設(shè)計(jì)師提出各種不同的構(gòu)思和設(shè)想，具有靈活運(yùn)用知識和經(jīng)驗(yàn)處理技術(shù),、經(jīng)濟(jì)等問題的能力和優(yōu)良的品質(zhì),、作風(fēng)，能創(chuàng)造性地尋求設(shè)計(jì)目標(biāo)和任務(wù)的實(shí)現(xiàn),。

3）設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合,、決策、迭代,、尋優(yōu)的過程,。設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)目標(biāo)、方案,、參數(shù),、結(jié)構(gòu)等最優(yōu)的過程。設(shè)計(jì)過程也是一個(gè)信息綜合,、反饋（或迭代）,、交流的過程。由于設(shè)計(jì)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(jīng)優(yōu)化，也只能綜合,、權(quán)衡各方面因素取得相對滿意的結(jié)果,。

從設(shè)計(jì)任務(wù)的要求來劃分，通常有三種不同類型的設(shè)計(jì),。

1）開發(fā)性設(shè)計(jì),。運(yùn)用成熟的科學(xué)技術(shù)，從工作原理和結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)過去沒有的新型產(chǎn)品,，這是一種完全創(chuàng)新的設(shè)計(jì),。

2）適應(yīng)性設(shè)計(jì)。在原理、方案基本保持不變的前提下,，對產(chǎn)品作局部的變更設(shè)計(jì),，使之更能滿足用戶的需求。

3）變型設(shè)計(jì),。在功能和工作原理不變的情況下,，變更現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)配置、布置方式和尺寸,，使之適應(yīng)多方面的使用要求,。

據(jù)德國機(jī)械制造工作者協(xié)會調(diào)查表明，在機(jī)械制造業(yè)中產(chǎn)品的55%屬于適應(yīng)性設(shè)計(jì),，25%為開發(fā)性設(shè)計(jì),，20%為變型設(shè)計(jì)^[1]。顯然,，上述設(shè)計(jì)類型劃分之界限有時(shí)并不十分明確,，不過為適應(yīng)先進(jìn)制造技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展趨勢，當(dāng)今不論何種設(shè)計(jì)都有必要應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design——CAD）技術(shù)及其他行之有效的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù),，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能在激烈的市場競爭中取勝,。

盡管人們對工程設(shè)計(jì)之涵義與內(nèi)容有過上述種種論述，現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)與方法這一述語的概念也已提出多年,，但是,，由于現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)是一門新興的科學(xué)，迄今為止國內(nèi)外文獻(xiàn)對此尚無普遍公認(rèn)的嚴(yán)格定義,，也沒有明確的邊界,。我們認(rèn)為，現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)與其他科學(xué)技術(shù)一樣,，都有其產(chǎn)生、發(fā)展的客觀要求與實(shí)際背景,，是生產(chǎn)斗爭,、社會斗爭和科學(xué)研究發(fā)展到一定程度的必然產(chǎn)物，也是自然科學(xué)方法論和科學(xué)哲理發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物,。當(dāng)今科技,，有一個(gè)非常明顯的發(fā)展趨勢，這就是科學(xué)技術(shù)的重心正在由材料（物質(zhì)）和能量轉(zhuǎn)向信息,，它意味著電子信息科學(xué)技術(shù)的崛起和信息技術(shù)時(shí)代的到來,。信息技術(shù)的滲透影響著產(chǎn)品和制造業(yè)的變革，也影響著設(shè)計(jì)技術(shù)的變革與發(fā)展,，并為設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展提供了條件,，同時(shí)，對設(shè)計(jì)技術(shù)也提出了要求。在許多先進(jìn)發(fā)達(dá)國家,，近10年先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展都與信息技術(shù)緊密相關(guān),，而且在實(shí)施先進(jìn)制造技術(shù)的過程中，不僅應(yīng)用了許多現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù),，如優(yōu)化設(shè)計(jì),、并行設(shè)計(jì)等，而且總結(jié)與提出了許多新的設(shè)計(jì)理論和技術(shù),，如模糊設(shè)計(jì)（Fuzzy Design）,、健壯設(shè)計(jì)（Robust Design）、虛擬設(shè)計(jì)（Virtual Design）等,。另一方面,，我們認(rèn)為，隨著社會生產(chǎn)力與科技的發(fā)展,，現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)與其它科學(xué)技術(shù)一樣,，其內(nèi)涵與外延是變化的、動態(tài)的,，如傳統(tǒng)的機(jī)械力學(xué)已發(fā)展演變?yōu)槔碚摿W(xué),、材料力學(xué)、彈性力學(xué),、塑性力學(xué),、斷裂力學(xué)等；優(yōu)化設(shè)計(jì)已發(fā)展為普通優(yōu)化設(shè)計(jì)和模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)等,。這些均是學(xué)科邊界的擴(kuò)展與交叉,。

鑒于上述分析與基本認(rèn)識，我們給現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)下的定義為：

以滿足應(yīng)市產(chǎn)品的質(zhì)量,、性能,、時(shí)間、成本/價(jià)格綜合效益最優(yōu)為目的,，以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)為主體,，以知識為依托，以多種科學(xué)方法及技術(shù)為手段,，研究,、改進(jìn)、創(chuàng)造產(chǎn)品活動過程所用到的技術(shù)群體的總稱,。

從以上定義可以看出,，現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)有一系列特點(diǎn)，這將在下節(jié)予以論述,。這里值得說明的是以下兩點(diǎn)：

（1）現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)是多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物就目前現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)所涉及的理論,、方法的范疇來看,，可以認(rèn)為它是由現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù),、可信性設(shè)計(jì)技術(shù),、試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)等多種學(xué)科的交叉與融合。而其中每一個(gè)具體的設(shè)計(jì)技術(shù),，同樣也是若干學(xué)科的交叉與融合,。例如優(yōu)化設(shè)計(jì)是數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法與計(jì)算機(jī)編程的有機(jī)結(jié)合，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)可以看作是數(shù)學(xué)建模,、計(jì)算機(jī)軟件和硬件技術(shù),、工程圖學(xué)等的有機(jī)結(jié)合；模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)是模糊方法與優(yōu)化技術(shù)的結(jié)合等等,。在這個(gè)現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)群體各學(xué)科之間既相對獨(dú)立又相互聯(lián)系,、相互滲透。根據(jù)設(shè)計(jì)對象與任務(wù)的不同,，以及設(shè)計(jì)各個(gè)階段的特點(diǎn),，宜采用其中某些適宜的、有效的方法和技術(shù),，以解決設(shè)計(jì)中的總體和各個(gè)具體問題,。

（2）現(xiàn)代設(shè)計(jì)是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的繼承、延伸和發(fā)展從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展至現(xiàn)代設(shè)計(jì),，都有著時(shí)序性,、繼承性，并在一定時(shí)間和一定的對象中它們共存于一體,。例如,，傳統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué),、機(jī)構(gòu)學(xué),、結(jié)構(gòu)力學(xué)、強(qiáng)度理論等基本原理與方法是現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的數(shù)學(xué)建模及許多分支學(xué)科（如可靠性設(shè)計(jì),、疲勞設(shè)計(jì),、防斷裂設(shè)計(jì)、健壯設(shè)計(jì)等）的基礎(chǔ),；另外,，許多現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)與方法是在吸收了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)中的思想,、觀點(diǎn),、方法之精華而發(fā)展起來的，如系統(tǒng)設(shè)計(jì),、功能設(shè)計(jì),、模塊化設(shè)計(jì),、優(yōu)化設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)等等,。因此,，介紹與應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)與方法時(shí)，不應(yīng)片面夸大,，成為玄而又玄的萬能法寶,，而應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，它們的許多內(nèi)容是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的繼承,、延伸和發(fā)展,。

2.2.2 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的體系

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)內(nèi)容廣泛，分支學(xué)科繁多,，有人按分支學(xué)科的特征分類,，有人從方法論對其聚類歸納，有人按學(xué)科的任務(wù),、作用分類,，以期說明現(xiàn)代設(shè)計(jì)任務(wù)的內(nèi)容與體系。這些工作對人們?nèi)媪私�,、認(rèn)識現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)與方法起到了一定的效果,。鑒于本篇不是專門研究設(shè)計(jì)程序、規(guī)律,、思維與方法本身的詳細(xì)內(nèi)容,，而是面向21世紀(jì)科技發(fā)展的趨勢，著眼于了解與掌握一些行之有效的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù),，為此,，選編了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù),、產(chǎn)品可信性設(shè)計(jì)技術(shù),、現(xiàn)代試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)等方面內(nèi)容，共三十多節(jié),，相當(dāng)于三十多篇有機(jī)聯(lián)系的現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)專題,，以對促進(jìn)我國工程設(shè)計(jì)水平的提高，促進(jìn)與支撐我國先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展,，起到應(yīng)用的作用與效果,。有關(guān)這些設(shè)計(jì)技術(shù)的具體內(nèi)容是由各專家分另專門撰寫，并按章,、節(jié)次序作了編排,。這里僅就現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的體系框架及其與其他學(xué)科的關(guān)系，用圖3所示框圖描述,，并予以說明,。

圖3 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的體系及與其他學(xué)科的關(guān)系

現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的整個(gè)體系好比一棵大樹,，由基礎(chǔ)技術(shù)、主體技術(shù),、支撐技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)四個(gè)層次組成,。

（1）基礎(chǔ)技術(shù) 基礎(chǔ)技術(shù)是指傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論與方法，特別是運(yùn)動學(xué),、靜力學(xué)與動力學(xué),、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué),、熱力學(xué),、電磁學(xué)、工程數(shù)學(xué)的基本原理與方法等方面,。它不僅為現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ),，也是現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的源泉。我們認(rèn)為,，任何科學(xué)技術(shù)的發(fā)展如同社會的發(fā)展一樣,，都離不開以自身長期形成的傳統(tǒng)構(gòu)架為基礎(chǔ)，同時(shí)又都不能固守于傳統(tǒng),，而要使之涵容時(shí)代和未來的特征,。也就是說，傳統(tǒng)的科學(xué)與技術(shù)也和社會的進(jìn)步一同發(fā)展�,，F(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)也可以說是在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上,，以新的形式和更豐富的內(nèi)涵發(fā)揚(yáng)光大傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)中的優(yōu)秀內(nèi)核與精華。

（2）主體技術(shù) 現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的誕生和發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān),、相輔相成,。可以毫不夸張地說,，沒有計(jì)算機(jī)科學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),、智能CAD（Intelligent CAD——ICAD）、優(yōu)化設(shè)計(jì),、有限元分析程序,、模擬仿真、虛擬設(shè)計(jì)和工程數(shù)據(jù)庫等）,，便沒有現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù),；另一方面，沒有其他現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)的多種理論與方法,，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用也會大大受到限制,，因?yàn)檫\(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì),、模糊設(shè)計(jì)等理論構(gòu)造的數(shù)學(xué)模型,，來編制計(jì)算機(jī)應(yīng)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(jì)算機(jī)的“智力”。而計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)正是以它對數(shù)值計(jì)算和對信息與知識的獨(dú)特處理能力,，成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)群體的主干,。

（3）支撐技術(shù) 無論是設(shè)計(jì)對象的描述，設(shè)計(jì)信息的處理,、加工,、推理與映射及驗(yàn)證，都離不開設(shè)計(jì)方法學(xué),、產(chǎn)品的可信性設(shè)計(jì)技術(shù)及設(shè)計(jì)試驗(yàn)技術(shù)所提供的多種理論與方法及手段的支撐,。其中現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)涉及的內(nèi)容很廣，如平行設(shè)計(jì),、系統(tǒng)設(shè)計(jì),、功能設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì),、價(jià)值工程,、質(zhì)量功能配制、反求工程,、綠色設(shè)計(jì),、模糊設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì),、工業(yè)造型設(shè)計(jì)等,。可信性設(shè)計(jì)技術(shù)可看作廣義可靠性設(shè)計(jì)內(nèi)容的擴(kuò)展,，主要指可靠性與安全性設(shè)計(jì),、動態(tài)分析與設(shè)計(jì)、防斷裂設(shè)計(jì),、疲勞設(shè)計(jì),、耐腐蝕設(shè)計(jì)、減摩和耐磨損設(shè)計(jì),、健壯設(shè)計(jì),、耐環(huán)境設(shè)計(jì)、維修性設(shè)計(jì),、人機(jī)工程設(shè)計(jì)等,。設(shè)計(jì)試驗(yàn)技術(shù)不僅指通常的產(chǎn)品性能試驗(yàn)，還應(yīng)包括可靠性試驗(yàn),、環(huán)保性能試驗(yàn)與控制,，以及運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的數(shù)字仿真試驗(yàn)和虛擬試驗(yàn)等,。因此，設(shè)計(jì)方法學(xué),、可信性設(shè)計(jì)技術(shù)及試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)所包含的種種內(nèi)容,，可視為現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)群體的支撐技術(shù)。

（4）應(yīng)用技術(shù) 應(yīng)用技術(shù)是針對實(shí)用目的解決各類具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù),，如機(jī)床,、汽車、工程機(jī)械,、精密機(jī)械的現(xiàn)代設(shè)計(jì)內(nèi)容,，可以看作是現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)派生出來的豐富多彩的具體技術(shù)群。現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)在各類產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,，促進(jìn)了產(chǎn)品質(zhì)量與性能的提高,。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)已擴(kuò)展到產(chǎn)品規(guī)劃、制造,、營銷,、運(yùn)行、回收等各個(gè)方面,，除了必要的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與方法的基礎(chǔ)知識外,，相關(guān)的學(xué)科與技術(shù)，尤其是制造工藝,、自動化技術(shù),、系統(tǒng)管理技術(shù)、材料知識與經(jīng)驗(yàn)及廣泛的自然科學(xué)知識等也是十分必要的,。此外,，設(shè)計(jì)產(chǎn)品總是以滿足社會需求為目的，因此,，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)具備政治,、經(jīng)濟(jì)、法律,、人文社會,、藝術(shù)等方面知識與素養(yǎng)。

值得一提的是,，現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)體系框架的劃分只是相對的,，而不是絕對的；主體技術(shù),、支撐技術(shù),、應(yīng)用技術(shù)、基礎(chǔ)技術(shù)之間并不存在截然的界限。主體技術(shù)所包含的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的有關(guān)技術(shù)本身往往就是應(yīng)用技術(shù),。在特定情況下,，某些支撐技術(shù)也可以成為主體技術(shù)，例如變載荷及隨機(jī)干涉下零件的疲勞設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性設(shè)計(jì),，這時(shí)疲勞設(shè)計(jì),、健壯設(shè)計(jì)就是相應(yīng)情況下的主體技術(shù)。有些設(shè)計(jì)支撐技術(shù)本來就是由傳統(tǒng)的強(qiáng)度,、變形及失效理論“繁衍”出來的多種設(shè)計(jì)理論，如疲勞設(shè)計(jì),、防斷裂設(shè)計(jì),、可靠性設(shè)計(jì)等，所以,，這些設(shè)計(jì)支撐技術(shù),，也可看作基礎(chǔ)技術(shù)。

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