产品创新设计理论、方法及工具

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产品创新设计理论、方法及工具

    一、技术概述    产品创新设计理论、方法与工具是基于现代设计理论和方法，应用微电子、信息、管理等现代科学技术，以提高产品质量、用户满意的价格和款式（造型色彩）、提高产品的功能、缩短产品开发周期为目的的一切设计技术的总称。产品创新理论、方法与工具技术研究的宗旨是从产品的工作特性和功能目标出发，在特定技术、经济和社会等具体条件下，根据相邻学科的原理，创造性地设计产品，并使它在技术及经济上达到最佳水平。该技术鼓励设计人员，从原来固有的常规设计模式中跳出来，用新观点、新原理、新方法来设计新产品。在发明了新产品后，在技术领先的有利条件下，将该技术领域扩展，并形成此方面的技术优势。
    产品创新设计理论、方法与工具的研究范围大体可分为：产品创新设计、降低成本设计、快速设计、仿真与虚拟设计、智能设计、广义优化设计等设计技术。    二、现状及国内外发展趋势    二战以后的几十年来，各主要发达工业国家先后开始重视起对设计技术的研究，如英国从60年代开始，就以国家政策和财力来支持发展与推广设计新技术；德国提出“设计就是科学”，且其设计学的发展已初具规模；美国成立有“设计委员会”。日本同样也非常重视设计技术的发展，将设计看作是技术、经济、美学和人机学的一体化整体，并极力推广和采用新技术，从而大大提高了机械产品在国际市场的竞争力。近年来，在国际上每年召开一次与设计有拳国际会议，探讨设计的新理论和新方法。
    我国工业产品设计的发展经历了一个曲折的过程。以前都是凭借设计者的经验，以模仿为主，故局限性大。从60年代开始，加强了新产品的开发设计与实验研究工作，从而使设计从仿制和经验设计逐渐走向实验研究和计算分析阶段。到了80年代，开始在国内介绍一些国际上的先进技术与方法。同时将计算机引入设计领域，对设计工作的发展起了很大的推动作用。
    但是，我国在设计领域中仍存在很大问题，主要是对设计研究不够，已有的成果得不到有效的推广和应用，资金投入少，人员培训工作跟不上发展的需要，一直没形成开发新产品或更新老产品的设计和应变能力，对引进的先进技术和产品，更没有从设计的角度进行消化。
    在创新设计方面，随着科技和经济的迅速发展，计算机在设计领域的应用已越来越广阔，创新也由原来的仿生法、智爆法、联想法、形象思维法和阵列法等基于认知的方法（Cognitive Approach）过渡向基于系统的方法（System Approach）方向发展，对设计进程和设计对象进行建模、模拟人类的认知思维模式，极大地推进了创新设计的自动化，并且利用系统论和信息论的研究成果，创新设计开始向智能化发展。
: s' I" ~! g$ S' g4 M( {6 ]2 ?    在降低成本设计方面，国内外专家对成本估算及降低成本的方法进行了大量的研究。德国学者提出了成本结构和分类，用相对成本概念来实现不同设计方案之间的对比评价，同时利用设计方法学和控制成本的设计思想研究成本特征与设计特征之间的转化，提出了面向用户的目标成本核算法；美国学者（在面向报价方面）对已有或生产过的产品作回归统计的结果，建立了成本模型；日本、瑞士、英国等学者也均对制造阶段的成本估算进行了较多的研究。国内的许多学者也对这一课题进行了数年的研究，但由于工厂数据可靠性较差，研究经费和人力不足，工作量和难度大等原因，进展缓慢，从上述可看出对产品降低成本的设计长期以来还一直停留地局部阶段的理论分析和计算，尚未把它纳入到贯穿设计全过程一体化的CAD系统中，且分析结果大多是定性的，少数定量分析又是基于统计分析基础上的，因此，建立支持设计全过程尤其是原理方案和总体结构设计阶段的成本信息模型已成为实现低成本设计的关键和迫切需要解决的难题。
5 ]" V. Q! Z9 @2 C6 H    在快速设计方面，1992年6月，在东京国际会议上正式提出并行工程技术，在此基础上发展成旨在缩短产品设计周期的快速设计技术（Rapid Design Technology, RDT），目前国际上在针对快速设计的并行设计技术、快速原型技术、系列化模块化技术和虚拟制造技术等发展均较为迅速。
    在仿真与虚拟设计技术方面，国内外的研究均较为活跃，在机械产品设计的仿真建模中，目前应用最广泛的包括有限元方法（FEM），有限差分法等。在一些实际应用领域，希望从仿真系统中得到在真实世界中无法亲身体验到的感受，从而能突破物理空间和时间的限制，也就是说需要仿真系统具有超越现实的虚拟性，这些客观需求推动了一种新兴的技术——虚拟现实（VR-Virtual Reality）技术的发展；同时，在计算机虚拟现实系统（VRS）环境中的虚拟设计（Virtual Deign-VD）技术方面的研究也越来虎受到人们的重视。
    在智能设计技术方面，各主要工业发达国家正从传统的CAD技术不断向智能CAD（ICAD）和人机智能化设计系统方向发展，对设计型专家系统的研究也正逐渐走向纵深，智能设计技术向着不但提供知识处理自动化，而且实现决策自动化，以支持大规模的多学科多领域知识集成设计全过程的自动化。
, F$ }+ I2 H+ Y$ n  z    广义优化设计方面，国内的数值优化技术约在70年代初应用于工程设计，且目前离形和随机变量优化、结构优化、智能优化、优化建模和复杂系统优化方法学等领域的研究已取得具有相当水平的理论和应用成果，但对向前扩展到建立模型、处理模型，向后扩展到优化结果显示的全过程的研究还很不够，与主要工业发达国家有着一定差距。    三、“十五”目标及主要研究内容    1.目标
" I8 O8 D9 U- @    研究并掌握产品创新设计的理论与方法，并有重点地应用于一批产品设计中，提高产品综合设计技术，使自己的产品能够在产品质量、价格、交货期及功能、款式（造型色彩）等方面满足用户不断发展的需求，在激烈的市场竞争中占据较多的份额。
    2.主要研究内容
    （1）创新设计技术
    开展对产品功能原理创新、结构创新和形态创新等方面理论及技术基础研究，为此着重研究创新设计技术中的原理方案设计目录（PCDC）、创新问题求解理论（TIPS）、材料选择，从而通过对原理方案的优选、分解和组合来产生新的原理方案；利用求解理论解决工程系统中新的需求与不能满足要求的旧系统之间的冲突问题，以及利用不同的材料选择来达到完全创新的设计结果。
    （2）降低成本设计技术
    在产品设计过程中采用面向成本设计技术和并行的成本估算技术是使产品成本降低的关键，其中重点要研究的是成本结构分析技术和价值工程分析技术，且需要构造多种专用的设计知识库来精确地并行估算成本。同时，目标成本控制技术和成本优化技术及对降低成本的知识基系统技术也是降低产品成本、提高产品竞争优势所要重点研究的内容。
. q9 b5 ]/ W  z, \    （3）快速设计技术
% v6 I. g  X( ?6 J/ {, ~0 @2 Q    开展基于网络的协同（异地）设计技术、并行工程技术研究，可以缩短产品的开发周期。其中，系列化模块化设计技术、人工智能技术、快速原型成形技术和虚拟制造技术也是快速设计的所要研究的重要内容。
+ e2 r" w. c+ n2 j) G# d/ r    （4）仿真与虚拟设计技术
    建模/仿真方法学、仿真计算机、CAE和仿真软件是计算机仿真技术中的重要研究课题，对科学计算的可观化研究，分布仿真系统以及在将专家系统模糊决策和人工神经网络等技术引入仿真系统的研究将有助于形成一个高效的、智能仿真系统。开展虚拟现实（VR）技术的研究，使多种仿真技术具有一个更加真实方便的输入输出系统，并能使用户根据仿真结果快捷地作出各种决策。
( w2 l) m/ K* [, T/ w) I9 B    （5）智能设计技术研究
3 ~: h: X* Y* f$ g/ P. ^, R' x    智能CAD（ICAD）技术和人机智能化设计系统技术的研究，使得面向CIMS的智能设计走向智能设计的高级阶段，原理方案智能设计、协同求解、基于实例的推理、知识获取、表达和利用等技术也是智能设计技术所要研究的重要内容。
    （6）广义优化技术
0 a' W' j  Q$ c/ s* U& f" f    企业建模和规划策略技术、复杂系统优化算法、工程数据技术等均是广义优化技术所要研究的重要技术，对这些技术的研究使得人们能够从模型的建立、处理、一直到优化结果显示等全过程进行优化。

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创新是生存和发展的必要条件