第1章計算機輔助設計(1)
1.1計算機輔助設計概述(1)
1.1.1基本概念(1)
1.1.2產品集成開發流程(2)
1.1.3CAD/CAM發展歷程(2)
1.1.4CAD/CAM繫統簡介(3)
1.1.5CAD繫統的種類(7)
1.2計算機輔助設計技術(8)
1.2.1圖形繫統與圖形標準(8)
1.2.2圖形幾何變換(9)
1.2.3幾何造型(10)
1.3協同設計(16)
1.3.1協同設計的基本概念(17)
1.3.2協同設計的支撐技術(17)
1.3.3協同設計的工作環境(19)
1.3.4設計實例——超聲波電動機的實時協同設計(21)
第2章優化設計(22)
2.1概述(22)
2.2一維優化方法(22)
2.2.1搜索區間的確定(23)
2.2.2一維搜索的試探方法(24)
2.3無約束優化方法(27)
2.3.1坐標輪換法(28)
2.3.2牛頓法(29)
2.4約束優化方法(31)
2.4.1遺傳算法(31)
2.4.2懲罰函數法(34)
2.4.3復合形法(39)
2.5多目標優化方法(42)
2.5.1多目標優化問題(43)
2.5.2主要目標法(44)
2.5.3統一目標法(44)
2.6工程優化設計應用(45)
2.6.1工程優化設計的一般步驟(45)
2.6.2工程優化設計實例(45)
第3章可靠性設計(50)
3.1機械失效與可靠性(50)
3.1.1可靠性定義及要點(50)
3.1.2失效的定義(50)
3.1.3產品可靠性壽命指標(51)
3.1.4可靠性特征量(51)
3.2可靠性設計流程(53)
3.2.1機械可靠性設計的基本特點(53)
3.2.2可靠性設計的主要內容(53)
3.2.3機械可靠性設計流程(54)
3.3零件靜強度可靠性設計(54)
3.3.1應力強度干涉模型(55)
3.3.2可靠度計算方法(55)
3.3.3應力和強度分布都為正態分布時的可靠度計算(57)
3.3.4應力和強度分布都為對數正態分布時的可靠度計算(58)
3.3.5已知應力幅水平、相應的失效循環次數的分布和規定的壽命要求時零件的
可靠度計算(59)
3.3.6已知強度分布和大應力幅在規定壽命下的零件可靠度計算(60)
3.3.7疲勞應力下零件的可靠度計算(60)
3.4零件疲勞強度可靠性設計(61)
3.4.1疲勞強度可靠性設計基礎(61)
3.4.2穩定變應力疲勞強度可靠性計算(61)
3.4.3不穩定變應力疲勞強度可靠度計算(62)
3.5機械繫統可靠性設計(64)
3.5.1可靠性預測(65)
3.5.2繫統可靠性分配(70)
3.6典型機械零件可靠性設計舉例(72)
3.6.1機械零件可靠性設計概述(72)
3.6.2螺栓連接的可靠性設計(73)
3.6.3軸的剛度可靠性設計(76)
第4設計(78)
4.法的基本思想與工程應用(78)
4.1.法的基本思想(78)
4.1.法的工程應用(78)
4.2彈性力法的基本理論(80)
4.2.1彈性力學中的基本假設(80)
4.2.2彈性力學的基本方程(80)
4.2.3彈性力學的基本原理(82)
4.3彈性力的一般方法(83)
4.3.1結構離散化(85)
4.3位移模式和形函數(85)
4.3特性分析(86)
4.3.4坐標變換(86)
4.3.5建立整個結構的平衡方程(87)
4.3.6邊界條件的處理(87)
4.3.7求解未知節點位移和應力(88)
4.設計分析中的若干問題(91)
4.4.離散模型的有效性確認(92)
4.4.2縮小解題規模的常用措施(92)
4.分析軟件應用(93)
4.5.分析軟件簡介(93)
4.5.分析軟件的基本組成(94)
4.5.分析軟件的工作流程(96)
第5章智能設計(101)
5.1智能設計概述(101)
5.1.1智能設計的產生與領域(101)
5.1.2智能設計繫統的功能構成(102)
5.2知識處理(103)
5.2.1知識的表示(103)
5.2.2知識獲取(105)
5.2.3知識的應用(107)
5.2.4知識處理應用實例(116)
5.3智能設計繫統構造方法(120)
5.3.1智能設計繫統的復雜性(120)
5.3.2智能設計繫統建造過程(121)
第6章虛擬設計(124)
6.1虛擬現實技術概述(124)
6.1.1虛擬現實的定義、特征及組成(125)
6.1.2虛擬現實VR、增強現實AR與混合現實MR(127)
6.1.3虛擬現實技術的主要應用領域(128)
6.1.4虛擬現實技術發展趨勢及重點應用領域(130)
6.2虛擬現實技術體繫結構(132)
6.2.1虛擬現實技術與計算機仿真的關繫(132)
6.2.2虛擬現實技術體繫結構(133)
6.2.3虛擬現實繫統的分類(135)
6.2.4虛擬設計/制造繫統的體繫結構(135)
6.3虛擬現實硬件基礎(137)
6.3.13D位置跟蹤器(137)
6.3.2傳感手套(140)
6.3.3三維鼠標(141)
6.3.4數據衣(141)
6.3.5觸覺和力反饋的裝置(141)
6.3.6立體顯示設備(142)
6.3.73D聲音生成器(145)
6.4虛擬設計建模基礎(145)
6.4.1建模概論(145)
6.4.2幾何建模(146)
6.4.3基於圖像的虛擬環境建模(151)
6.4.4圖像與幾何相結合的建模技術(154)
6.5虛擬設計應用實例(156)
第7章創新設計(161)
7.1創新方法與TRIZ(161)
7.1.1創造性思維(161)
7.1.2創新方法(161)
7.1.3TRIZ的產生與發展(162)
7.1.4TRIZ的基本內容(163)
7.2設計衝突及其消解(164)
7.2.1設計中的衝突(164)
7.2.2技術矛盾及其解決(165)
7.2.3物理矛盾及其解決(172)
7.3基於TRIZ的創新設計實例(173)
第8章綠色設計(176)
8.1綠色設計概述(176)
8.1.1綠色設計基本概念(176)
8.1.2綠色設計與傳統設計的區別(176)
8.1.3綠色設計的特點(176)
8.1.4綠色設計的主要內容(176)
8.1.5綠色設計的實施步驟(177)
8.2綠色設計中的材料選擇(177)
8.2.1綠色材料選擇的原則(178)
8.2.2綠色材料的選擇(179)
8.2.3綠色材料的評價(179)
8.3面向拆卸的綠色設計(181)
8.3.1可拆卸設計的概念(181)
8.3.2可拆卸設計原則(181)
8.3.3可拆卸連接結構設計(182)
8.3.4卡扣式結構設計(185)
8.3.5拆卸設計評價(186)
8.4面向回收的設計(188)
8.4.1面向回收設計概念(188)
8.4.2產品回收的主要內容(189)
8.4.3面向回收的設計準則(189)
8.4.4回收方式(189)
8.4.5回收經濟性分析(190)
8.5面向包裝的綠色設計(191)
8.5.1綠色包裝設計的概念(191)
8.5.2綠色包裝設計內容(191)
8.5.3綠色包裝評價標準(193)
8.6面向節約能源的綠色設計(194)
8.6.1能效標識與標準(194)
8.6.2產品能量消耗模型(195)
8.7綠色設計的關鍵技術(198)
8.8綠色設計應用實例——液壓繫統的綠色設計(200)
第9章全生命周期(203)
9.1全生命周期設計概念(203)
9.1.1全生命周期與壽命的區別(203)
9.1.2全生命周期設計的目的(203)
9.2全生命周期設計的主要內容(204)
9.2.1面向材料及其加工成形工藝的設計(204)
9.2.2面向制造與裝配的設計(205)
9.2.3面向功能的設計(205)
9.2.4安全使用壽命設計(206)
9.2.5經濟壽命設計(206)
9.2.6安全可監測性設計(206)
9.2.7面向資源環境的設計(206)
9.2.8事故安全設計(207)
9.3全生命周期設計的關鍵技術(207)
9.3.1產品全生命周期集成模型的建立(207)
9.3.2全生命周期的集成技術(208)
9.3.3支持整個生命周期的數據庫和知識庫(208)
9.3.4全生命周期評價(LCA)(208)
9.4產品全生命周期管理(209)
9.4.1面向產品全生命周期的需求管理(209)
9.4.2產品全生命周期管理繫統需求信息管理模型(209)
第10章其他設計方法(213)
10.1摩擦學設計(213)
10.1.1摩擦學設計的概念(213)
10.1.2磨損類型(213)
10.1.3影響疲勞磨損主要因素(214)
10.1.4磨損控制(215)
10.2工業設計(217)
10.2.1工業設計定義(217)
10.2.2工業設計的原則(218)
10.2.3產品設計(219)
10.2.4一般產品設計流程(219)
10.2.5產品設計表達方式(220)
10.3動力學設計(221)
10.3.1動力學設計概述(221)
10.3.2機械動力學設計數學方程(221)
10.3.3動力學設計的一般過程及方法(222)
10.3.4常見的動力學設計繫統(223)
10.4表面設計(226)
10.4.1產品表面形貌建模(226)
10.4.2產品曲面設計(228)
10.4.3計算機紋理輔助設計(229)
參考文獻(231)

工業時代產品競爭有以下規律：當產品短缺時——以數量占領市場；當產品富餘時——以質量占領市場；當產品成本成為競爭因素時——以規模競爭市場；當產品數量與質量都不同時——以創新占領市場。知識時代的產品競爭規律是：品牌戰略、專利戰略、標準戰略；產品設計的數字化、智能化、網絡化、個性化。可以說，“制造業的競爭實際上是產品設計的競爭，設計是制造業的靈魂，創新是設計的靈魂。”而現代設計理論與方法正是支撐工業時代產品競爭和知識時代產品競爭的有力武器。近四十年來，現代設計理論與方法經歷了逐漸形成和不斷發展的歷程。今天，計算機輔助設計設計、優化設計和可靠性設計已經得到迅速普及，可以說是不再“現代”了。同時，計算機輔助設計的更高階段——智能設計、虛擬設計，可靠性設計的更高階段——穩健設計，以及創新設計、綠色設計、動態設計、表面設計等的出現，極大地豐富了現代設計方法的內涵。現代設計方法既有理論，也有方法，既是科學，又是技術。對於機械、電子類高年級學生而言，在掌握了常規機械設計方法後，學習現代設計理論與方法，了解其內涵，掌握其應用，非常必要。本書的大量內容源自編者所在的武漢理工大學智能制造與控制研究所的研究成果。研究所長期致力於現代設計方法的研究與應用，在計算機輔助設計、機械設計專家繫統、虛擬設計、表面設計、協同設計等領域承擔了一批國*級、省部級科研項目，取得了一繫列研究與應用成果，並曾先後編寫了《機械的CAD與專家繫統》（陳定方、倪篤明，北京科技出版社，1985），《機械CAD基本教程》（餘俊、陳定方、周濟、倪篤明，機械工業出版社，1986），《機械設計專家繫統研究與實踐》（吳慧中、陳定方、萬耀青，中國鐵道出版社，1992），《機械設計大典》（餘俊主編）之計算機輔助設計篇、智能設計篇、虛擬設計篇（陳定方等，江西科技出版社，2002），《虛擬設計》（陳定方、羅亞波，機械工業出版社，2002第1版，2007第2版），《分布交互式虛擬汽車駕駛訓練模擬繫統》（陳定方、尹念東、李勛祥，科學出版社，2009），《現代機械設計師手冊》（陳定方主編，孔建益、楊家軍、李勇智副主編，譚建榮主審，機械工業出版社，2014），《五彩繽紛的虛擬現實世界》（陳定方主編，中國水利水電出版社，2015）、《Galfenol合金磁滯非線性模型與控制方法》（舒亮、陳定方，國防工業出版社，2016）等。本書以上述專著為主要參考，在編者多年相關教學實踐的基礎上，按照本科生教材的要求編寫而成，本書於2010出版第1版，2012-2018年曾多次印刷，受到廣大讀者的喜愛，現應讀者要求，在第1版的基礎上進行修訂，出版第2版。本書根據重應用、重綜合的需要安排章節，側重實例教學，以培養學生的學習興趣。在具體內容的編排上，注重先進性與實用性的結合，並遵從由淺入深的教學規律。同時，本書也借鋻了國內外諸多現代設計方法領域知名學者的成果，特別是餘俊教授、謝友柏院士、譚建榮院士、聞邦椿院士、邬賀銓院憲教授、陳立周教授、萬耀青教授、趙汝嘉教授、騰弘飛教授、檀潤華教授、殷國富教授、張鄂教授、鐘毅芳教授、賓鴻贊教授、吳昌林教授、楊家軍教授等。在此，深表感謝並致以深深的敬意。本書共有11章，由陳定方、盧全國等編著。其中，緒論由陳定方、盧全國編寫，第1章由張爭艷、郭蘊華、陳定方編寫，第2章由吳雋、李寧、陳定方編寫，第3章由梅傑、陳定方編寫，第4章由由陳昆、魏國前、陳定方編寫，第5章由盧全國、劉方晨、陳定方編寫，第6章由陶孟侖、陳定方編寫，第7章由由盧全國、苑慶傑、陳定方編寫，第8章由郭菁、高震東、陳定方編寫；第9章由譚建榮、李波、陳定方編寫，第10章由劉瑩、李文鋒、梅傑、石端偉、李勛祥、劉坤、梅傑、陳定方編寫。另外，在編寫過程中，楊珠敏、趙亞鵬、瀋琛林、劉哲、張波、張晶華、車暢、肖銳、楊公波、李濤濤、張鴻翔、聶少文參與了部分內容的校對工作。全書由陳定方、盧全國擔任主編並統稿。本書的編寫得到了湖北省高等學校省級教學研究項目“借鋻美國斯坦福大學與硅谷的經驗，探索我國理工科大學教學改革道路”（20040080）的支持，另外，第7章的編寫還得到了江西省高等學校教學改革研究項目“TRIZ理論在機械類學生創新設計能力培養中的應用研究”（JXJG081811）的支持。同時，得到一批高等學校、研究所和制造企業在現代設計方法研究與實踐方面的大力支持。華中科技大學出版社機械分社為本書的策劃、寫作和編輯出版作了很好的工作。在此，一並表示感謝。本書適用於機械類高年級本科生，建議學時數為40學時，使用本書的高校可根據具體情況進行調整。同時，本書也可供相關專業的研究生、技術人員和企業管理人員參考。由於現代設計方法在不斷發展，加之作者水平所限，書中難免有疏漏和不足，望廣大讀者不吝指正。

陳定方  盧全國
2020年於武漢