现代武器系统设计方法概要.docx
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现代武器系统设计方法概要
现代武器系统设计方法概述
一、概念
现代武器系统设计的方法依赖一般化现代设计技术,是现代设计技术在武器这一领域的具体体现。
现代设计技术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。
为区别于过去常用的传统设计理论与方法,人们把这些新兴理论与方法称为现代设计。
现代设计方法就是以满足产品的质量、性能、时间、成本、价格等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。
二、设计的内涵
设计是把一种计划、规划、设想通过视觉的形式传达出来的活动过程,是具有高级思维能力的人的本能。
人类为了适应生存环境和发展自身,出现了各种精神上和物质上的需求,为了满足这些需求,人们需要通过创造性的思维产生构思,并采取一定的技术途径实现这些构思,改造世界,创造文明,创造物质财富和精神财富,这个过程就是设计。
因此,可以说从人类诞生之日,就孕育了设计的萌芽,设计活动就是人类文明的创造活动,它不论是在精神财富还是在物质财富的创造中都起到了重要作用。
人类最基础、最主要的创造活动是造物。
设计便是造物活动进行预先的计划,可以把任何造物活动的计划技术和计划过程理解为设计。
设
计的领域非常广阔,按照人与社会、自然之间的关系,将设计分为三类——产品设计、传播设计和环境设计。
(1)产品设计是指人与自然关系中为维持与发展自身、征服自然、改造自然过程中所需的工具、机器的设计,如发动机、汽车、机床的设计等。
(2)传播设计是实现人与社会之间信息的传递表达的设计,如广告设计、路标设计、印刷设计等。
(3)环境设计则是指处于自然界中的人类社会所必需的物质环境装备的设计,如城市规划,以及房屋、道路、桥梁的设计等
上述三类设计的侧重点各不相同,但并不是完全分离的,而是有着密切的联系甚至重叠。
比如服装设计是一种产品设计,但如果它着眼于文化、时尚等元素的话,则又是一种传播设计。
许多建筑物的设计也同时是环境设计和传播设计。
早期,人们是从自然现象中获得启示,或凭直观感觉来进行设计的。
到了17世纪,人们除了依靠个人的才能和经验外,开始运用数学、力学等方面的知识来解决设计中的一些问题,进行一些基本的设计计算。
随着工业革命的到来,生产方式发生了巨大变化,促使人们加强了设计基础理论和各种专业产品设计的研究,以提高设计水平;同时还加强了零件的标准化、部件的通用化以及产品的系列化研究,以进一步提高设计的速度、质量,降低设计成本。
在计算机出现以前,人们就已经把各种产品设计的经验总结成有关的设计理论、设计步骤和设计手册等,这种设计通常称之为传统设计。
三、现代设计分类
传统设计理论发展时期,由于受机械生产水平的制约、客观条件的限制以及当时计算手段的局限等一系列原因, 人们的思维还未被充分开发。
同时,社会对机械生产的要求不象今天这样向高速、高效、精密、轻量化、自动化方向发展武器系统和产品结构也不象今天这样日趋复杂。
传统设计在进行理论分析时,基于其观念的制约和所确定的力学—数学模型的需要,常将复杂的具体问题作了一些等效处理,使理论分析的目的性和问题的本质更加明确,也使分析的过程得。
传统的设计方法主要分为根据理论公式进行设计、与根据经验公式进行设计。
根据理论设计是根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计称为理论设计。
根据经验公式设计是根据某类零件已有的设计方法与经验关系式,或根据设计者个人的工作经验
用类比办法所进行的设计叫经验设计。
随着设计产品的技术系统越来越复杂,技术含量不断提高产品更新发展速度加快,经验类比的设计方法已不能满足市场需要。
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并行设计、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、价值工程、逆向工程设计、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。
并行设计是充分利用现代计算机技术、现代通信技术和现代管理技术来辅助产品设计的一种现代产品开发模式。
它站在产品设计、制造全过程的高度,打破传统的部门分割、封闭的组织模式,强调多功能团队的协同工作,重视产品开发过程的重组和优化。
并行设计又是一种集成产品开发全过程的系统化方法,它要求产品开发人员从设计一开始即考虑产品生命周期中的各种因素。
它通过组建由多学科人员组成的产品开发队伍,改进产品开发流程,利用各种计算机辅助工具等手段,使产品开发的早期阶段能考虑产品生命周期中的各种因素,以提高产品设计、制造的一次成功率。
可以缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本,进而达到增强企业竞争能力的目的。
第二次世界大战期间,美国在军事上首先应用了优化技术。
1967年,美国的R.L.福克斯等发表了第一篇机构最优化论文。
1970年C.S.贝特勒等用几何规划解决了液体动压轴承的优化设计问题后,优化设计在机械设计中得到应用和发展。
随着数学理论和电子计算机技术的进一步发展,优化设计已逐步形成为一门新兴的独立的工程学科,并在生产实践中得到了广泛的应用。
通常设计方案可以用一组参数来表示,这些参数有些已经给定,有些没有给定,需要在设计中优选,称为设计变量。
如何找到一组最合适的设计变量,在允许的范围内,能使所设计的产品结构最合理、性能最好、质量最高、成本最低(即技术经济指标最佳),有市场竞争能力,同时设计的时间又不要太长,这就是优化设计所要解决的问题。
可靠性设计是指保证机械及其零部件满足给定的可靠性指标的一种机械设计方法。
包括对产品的可靠性进行预计、分配、技术设计、评定等工作。
所谓可靠性,则是指产品在规定的时间内和给定的条件下,完成规定功能的能力。
它不但直接反映产品各组成部件的质量,而且还影响到整个产品质量性能的优劣。
可靠性分为固有可靠性、使用可靠性和环境适应性。
可靠性的度量指标一般有可靠度、无故障率、失效率3种。
设计方法学是研究产品设计规律、设计程序及设计中思维和工作方法的一门综合性学科。
设计方法学以系统工程的观点分析设计的战略进程和设计方法、手段的战术问题。
在总结设计规律、启发创造性的基础上促进研究现代设计理论、科学方法、先进手段和工具在设计中的综合运用。
对开发新产品,改造旧产品和提高产品的市场竞争能力有积极的作用。
逆向工程,是一种产品设计技术再现过程,即对一项目标产品进行逆向分析及研究,从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素,以制作出功能相近,但又不完全一样的产品。
逆向工程源于商业及军事领域中的硬件分析。
其主要目的是在不能轻易获得必要的生产信息的情况下,直接从成品分析,推导出产品的设计原理。
所谓人机工程学,亦即是应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等学科的研究方法,对人体结构特征和机能特征进行研究,提供人体各部分的尺寸、重量、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体结构特征参数;还提供人体各部分的出力范围、以及动作时的习惯等人体机能特征参数,分析人的视觉、听觉、触觉以及肤觉等感觉器官的机能特性;分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力;探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等。
虚拟设计技术是由多学科先进知识形成的综合系统技术,其本质是以计算机支持的仿真技术为前提,在产品设计阶段,实时地并行地模拟出产品开发全过程及其对产品设计的影响,预测产品性能、产品制造成本、产品的可制造性、产品的可维护性和可拆卸性等,从而提高产品设计的一次成功率。
它也有利于更有效更经济灵活地组织制造生产,使工厂和车间的设计与布局更合理更有效,以达到产品的开发周期及成本的最小化、产品设计质量最优化、生产效率的最高化。
所谓的模块化设计,简单地说就是将产品的某些要素组合在一起,构成一个具有特定功能的子系统,将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合,构成新的系统,产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品。
模块化设计是绿色设计方法之一,它已经从理念转变为较成熟的设计方法。
将绿色设计思想与模块化设计方法结合起来,可以同时满足产品的功能属性和环境属性,一方面可以缩短产品研发与制造周期,增加产品系列,提高产品质量,快速应对市场变化;另一方面,可以减少或消除对环境的不利影响,方便重用、升级、维修和产品废弃后的拆卸、回收和处理。
四、设计流程及特点
现代设计的流程图如下图所示。
由传统设计方法与现代设计方法的比较可以看出,现代设计方法的基本特点如下:
(1)程式性———研究设计的全过程,要求设计者从产品规划、方案设计、技术设计、施工设计到试验、试制进行全面考虑,按步骤有计划地进行设计;
(2)创造性———突出人的创造性,发挥集体智慧,力求探询更多突破性方案,开发创新产品;
(3)系统性———强调用系统工程处理技术系统问题,设计时应分析各部分的有机关系,力求使系统整体最优。
同时考虑技术系统与外界的联系,即人—机—环境的大系统关系;
(4)最优化———设计的目的是得到功能全、性能好、成本低的价值最优的产品,设计中不仅考虑零部件参数、性能的最优,更重要的是争取产品的技术系统整体最优;
(5)综合性———现代设计方法是建立在系统工程、创造工程基础上,综合运用信息论、优化论、相似论、模糊论、可靠性理论等自然科学理论和价值工程、决策论、预测论等社会科学理论,同时采用集合、矩阵、图论等数学工具和电子计算机技术,总结设计规律,提供多种解决设计问题的科学途径;
(6)计算机化———将计算机全面地引入设计,通过设计者和计算机的密切配合,采用先进的设计方法,提高设计质量和速度,计算机不仅用于设计计算和绘图,同时在信息储存、评价决策、动态模拟、人工智能等方面将发挥更大作用。
五、现代设计方法的意义
现代设计技术是现代制造技术的主体技术之一,也是先进制造技术的核心与灵魂,必将伴随着先进制造技术的发展,计算机和信息技术的进步,制造业生产模式的变革。
竞争与合作的全球化,人们对生态环境、资源的关切和对产品品质多样化等方面的要求,而发生着深刻的变化。
以计算机辅助设计在机械设计中的应用为例,它借助计算机进行信息处理,利用计算机具有运算速度快且准确、存储量大、逻辑判断功能强等特点,通过人机交互作用完成设计工作。
其相对于传统的设计方法有以下优点:
(1)显著提高了设计效率,缩短了设计周期;加快了机械零件和机械产品的更新换代,增强了产品的市场竞争能力;
(2)可以存储大量的设计信息和设计经验,使缺乏设计经验的新手也能顺利完成设计任务;
(3)能在短时间内给出很多设计方案,并进行分析比较,从而获得最佳设计方案;
(4)使机械设计人员从繁重的重复性工作中得以解脱,而将更多的时间和精力集中到创造性的工作上;
(5)与计算机辅助制造(CAM)计算机管理自动化结合起来形成计算机集成制造系统(CISM);从企业总效益最高出发,综合进行市场预测、产品设计、生产计划、制造和销售等一系列工作,由此实现人力、物力和时间等各种资源的有效利用。
从哲学的角度来分析,设计方法是设计领域的世界观与方法论。
它的基本问题是自始至终围绕正确的、科学的处理设计思维和设计现实之间的关系。
因此,设计方法具有辩证性、规律性、定量性和可接受性等特征,其他如动态化、优化、计算机化等具体特征都是其派生的产物。
设计师不仅需要有相当深厚的专业知识,还需要有广博的科学知识。
同时,设计师还要眼光开阔,思想敏锐,勇于创新,具有开拓精神。
要善于吸收新的东西,不故步自封,而且还要有良好的心态,敢于面对挫折与失败,有勇往直前的坚毅精神品质。
设计方法学来自于设计实践,是设计智慧的结晶,为设计实践提供了成功的可能性,是使设计师具有现代设计意识的现代设计师必备的理论武器,是现代设计开发的捷径。
参考资料:
[1]薄玉成.武器系统设计.北京:
北京理工大学出版社,2010
[2]李国忠.现代设计.武汉:
中国地质大学出版社,2006
[3]王受之.现代设计史.北京:
中国青年出版社,2016
[4]陈定方,卢定国.现代设计理论与方法.武汉:
华中科技大学出版社,2010
[5]互联网相关资料.
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