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概念设计论文范文

概念设计论文

概念设计论文范文第1篇

3DSMAX是目前世界上最畅销、最流行的三维造型软件,动画和渲染解决方案,大幅增加的3dsmax4其最新版本。它广泛应用于视觉效果,人物动画和新一代的游戏开发领域。

3dsmax的赢得了超过65项行业大奖,和3dsmax4将继承以往的成果和增加对下一代游戏设计的新角色动画IK的系统交互的图形界面。业界的3dsmax4是最广泛使用的模拟平台,并集成了新的分级别会议(细分)表面和多边形几何建模,而且是动态的新颜色(ActiveShade)及元素渲染(渲染元素)集成功能的渲染工具。

同时提供了先进的3dsmax4渲染和连接,如精神射线和RenderMan中,产生更好的渲染,如全景光,重点和分布式渲染功能。该软件主要有四个特点:一是功能强大,扩展性好,建模功能强大,在角色动画方面具备很强的优势,另外丰富的插件也是其一大亮点;二是操作简单,容易上手,与强大的功能相比,3dsmax可以说是最容易上手的3D软件;三是和其它相关软件配合流畅;四是做出来的效果非常的逼真。

33DMAX在概念设计中的建模方法最大R2中,有三种建模方法,即,多边形,NURBS的补丁和建设。采用三种不同的技术处理,结果是无止境的。每个方法作品以及该方法的优点和不足之处将帮助您做出正确的设计选择。虽然三种建模技术在功能上是不同的,但在MAX不应该把它们当作彼此独立的部分。最好的模式建设过程中,尝试结合几种方法。例如,混合使用的多边形建模和NURBS建模权力不会产生任何错误。应将重点放在了建模方法的结果,只要效果好适应。多边形建模及其不足之处。

可以使用任何事情多边形建模。在现实中,几乎没有什么不能使用多边形建模。使用足够的细节,你可以创建任何表面。其中一些型号,使用多边形方法更合适。例如,在建筑模型是最常见的多边形模型。

概念设计论文范文第2篇

该案项目位于深圳和香港的交界处,莲塘/香园围口岸联检大楼的建设用地有两块,西侧是香园围口岸,东侧是莲塘口岸,中间深圳河穿流而过,周边有部分住宅用地。整体建筑用地规划合理,分区明确,联检大楼功能齐全,周围还设有货检设施、配套政府办公设施、停车场及园林绿化等必要设施。道路系统完整流畅,交通便利。EDA建筑的设计者对基地分析研究后发现深港双方基地成一定的夹角关系,正交柱网无法妥善处理平面布局关系,因此突破性地多引入一个向量;同时通过对条状薄片进行打结试验,发现在极限状态下,结形成的几何形体水平投影为正五边形,由此确定采用正五边形作为该项目的核心设计元素。此次建筑表皮设计手法是在五边体中交叉叠加的特点基础上进行数字变换,形成立体编织的视觉效果(图3),与屋面呈一定角度的片状太阳能构件可以提高太阳能转换效率,建筑外墙材料采用绿色建材金色铜板和灰色钛锌板。由于此方案设计造型及外表皮相对复杂,因此整个设计运用了数字设计的手段,从概念创作到最终成图,一气呵成。

2技术手段

2.1金属材料建筑表皮技术优势

金属表皮已经成为当下十分流行的趋势,铝合金、钛锌合金、铜等材料等在建筑设计上得到了广泛的应用。金属具有稳定的物理性能,正如金属具有延展性,能被弯曲、扭转以及变形,却不影响本身特性。同样金属表皮耐久且具有自洁性能,并且规模化车间的生产减少了现场施工量,易于加工,促进了生产效率提高。金属本身的耐腐蚀、耐久性都较其他材料要强,以金属构建形成的建筑表皮甚至能够获得与建筑主体结构同步的生命周期。预装配化施工,缩短施工周期。金属的材料性质决定了其可以在工厂中大规模加工生产,进而在工地进行组装,极其便于施工,能够大大的缩短施工周期,降低了人工成本。现代技术不仅能让金属表皮能够创造新颖的外部形象外,而且又能起到保护与创新的双重作用。透过金属表皮,原有建筑透过金属表皮传达出历史的信息,视线又会被其所表现出的不确定性所吸引,传统与现代在轻薄的表皮上得到同时呈现。

2.2金属材料建筑表皮的节能与环保

莲塘/香园围口岸联检大楼概念设计是通过大量的节能设计计算的,例如辐射计算、对铜、锌板角度的模拟测试等,该设计力求符合当今低碳节能的设计潮流,达到一个绿色建筑应有金属表皮的拆卸或重新安装比较方便,能回收循环再利用起到生态节能的作用。环保在材料的应用上也尤为重要,金属表皮能够减少污染的产生,可以有效地过滤太阳辐射,并且能够配合自然通风、太阳能照明取热等节能技术(图5),保证了室内实现向外渗透地最大可能性。与此同时,金属材料的可重复利用性减少了材料的浪费,并且采用预处理技术减少二次污染。金属材料是回收率最高的建筑材料,常用的金属制品废弃之后有75%可以回收再利用,而铜的回收率则达到了100%。另外,金属材料不会对环境造成污染,可谓是名副其实的绿色环保材料。

3技术美学

3.1新美学基础

20世纪以来,建筑表皮逐渐地从结构的束缚中解脱出来,在建筑师们的不断的尝试与创新中,通过运用新型的建造技术拓宽金属的材料形式并挖掘材料更深层次的表现潜力,形成金属材料多元化的建筑语言。如今,金属早已成为一种重要的表皮材料,引领着当下十分流行的表皮发展趋势。各种新型的合金、冲孔、板网、格栅或编织网形式的金属材料在幕墙及建筑屋面系统中得到广泛地应用。我国对技术美学的研究不断地拓展和深化,在借鉴与吸收国外研究成果的基础上,探索一条符合中国当代技术美学理论与内容的体系。目前国内认为技术美是技术美学的最高范畴,它是技术活动和产品所表现的审美价值,是一种综合性的美。从构成来看,技术美主要内容是功能美,也包括形式美和艺术美。新美学的基础必须建构自己独特的观念及范畴体系,揭示其自身研究领域的审美规律。

3.2技术美学产生根源

目前国内技术美学研究大多是关于基本原理的研究,对技术美学思想史的研究还很少。并且,对西方技术美学思想产生、发展的介绍也只限于西方工业革命以后,如新艺术运动、包豪斯及工业设计的兴起、发展过程等等。其实,技术美的创造不只是大机器生产出现以后才有,技术作为人类改造自然的手段和方法,它不仅包括机械化工业技术,也包括工业革命之前的手工技术。因此,技术美的创造及其思想也不只是工业革命以后才出现的。正如竹内敏雄所指出的:“一般意义上的技术同人类历史一道自古以来就存在着,古代的手工艺也好,现代的工程技术也好,都包括在内。只是在它们之间,功能的效率相差悬殊,而只要随着那一种产品都符合各自的目的,并伴随着那种程度的美的效果。那么,在它的技术美的结构上就没有本质的差异。”

3.3技术美学发展趋势

现如今,建筑师越来越认识到技术对象的审美价值。他们试图在自己的美学理论中对此加以分析,扩大研究视野,为理论体系纳入新的内容。技术美学作为一门应用学科不能停留在形而上的抽象议论层次,而应具有强烈的实践性和可操作性,用于指导当代物质审美文化建设。技术美学作为一门应用学科不能停留在形而上的抽象议论层次,而应具有强烈的实践性和可操作性,用于指导当代物质审美文化建设。技术美学对实践的介入主要通过设计活动来进行,它不仅为最佳而合理的设计观提供思想基础,也为设计活动提供理论指导。技术美学不只是美学自身的逻辑发展和延伸,更是人类实践过程中审美创造智慧的结晶和运用。技术美学对实践的介入主要通过设计活动来进行。它不仅为最佳而合理的设计观提供思想基础,也为设计活动提供理论指导。技术美学不只是美学自身的逻辑发展和延伸,更是人类实践过程中审美创造智慧的结晶和运用。当代技术美学研究不应只是告诉人们什么是技术美,更重要的是使人们懂得怎样才能创造和实现技术美。技术美学研究不仅要解决带有普遍意义的设计观念、方法等宏观问题,也应该关注设计实践中的具体问题,把技术美学的基本观点微观化、具体化,用于解决物质生产和生活领域审美创造中的许多复杂的问题。这样,技术美学才具有强大的生命力。

4技术美学应用案例及总结

4.1半透明的金属表皮

现代建筑重要特征是技术在建筑艺术中的觉醒,注重发挥建筑结构和建筑材料的性能特点,不去掩饰它们,而是将其作为建筑造型的表现要素之一。建筑中的支撑结构与表皮的分离使表皮成为一个相对独立的膜结构,这种分层构造,为表皮材料提供了可能性,例如瑞士建筑师赫尔佐格及德梅隆在美国旧金山deYoungMuseum中铜穿孔板的使用。穿孔板的纹理重现了阳光下斑驳的树影意向,创造出诗意的建筑(图6)。

4.2承重的金属表皮

OMA为PRADA旧金山店设计的建筑表皮,采用横隔板结构,将钢骨架安装在与基础同标高的支撑结构上,使建筑结构更加牢固。不锈钢厚度为25mm,使之满足结构要求,并且在295mm宽交错栅格上打圆孔从而减轻自重并扩大建筑内外视野(图7)。这些圆孔由水柱切成,从栅格、孔的分布和大小中,能够反映出不锈钢板可以承受的来自侧向力的压力,在压力较小的区域可以只留下满足结构需求的材料。

4.3金属表皮对旧建筑的保护

Peripheriques建筑事务所设计改造了巴黎历史中心附近校园的一栋建筑。策略是在原有建筑框架概念的基础上进行改动,将原来的一个庭院改造为两个,其中一个用ETEE膜加以覆盖,十几种不同图案的穿孔铝板构成了外部表皮,用一个Z型的斜面引导着人流和视线的到达。改造后的建筑色彩丰富,在不同区域的颜色有助于空间方向感的定位。

5结语

概念设计论文范文第3篇

概念书籍设计将书籍艺术形态设计转换成有效表现思想创造性设计,旨在充分展现设计者的创造力,启发创新思维意识。概念书籍设计是根据书籍内容对视觉想象的内涵进行提升,探寻可以参与其中的文化元素,对原有信息内容进行再创造的意识。使受众在与书籍交流的过程中,对语言、时间等多方面因素形成更深刻的、多元化的、全新的认识。

在概念书中,文字既是文章的一部分,又是插图的一部分,被赋予了双重身份。文字作为有意味的图形,表达文字以外的内涵。独立创作的原创插画为主要表现内容,书籍的文字、用纸、折手和装订等都围绕插图来进行设计。这里赋予了传统意义上的插图新的意义。插图可作为书籍的主体出现,兼有表达书籍内容的功能。既是书籍具体内容的体现,又是抽象意念的表达。在概念书中可以围绕插图进行模切、拉页以及页与页之间连接关系的特殊设计。概念书的设计是图形摆放方式和图形处理方式的研究。一直以来,由于的技术和成本问题,没有得到充分的重视,目前书籍的装订方法还是以经济、简便的胶订和骑马订为主。但也有很多设计师在书籍的装订上下了很大的功夫,线装、铆订、胶订辅以织物等,方法多种多样、灵活巧妙。概念书中可以利用现有的装订形式进行形态上的创新,也可以设计、实验新的装订方法。

在概念书的设计中,纸张的质感、纹理、透明度、柔韧度、反光度等都可以成为概念书设计的亮点。概念书的纸张不再局限于目前印刷常用的铜版纸等纸张,还包括用于包装的纸张、用于工业产品过滤的纸张、砂纸等。可以用一些现有的纸张或其他材料进行再加工,制成新品种的纸张。概念书印刷的方法可以颠覆传统意义上的印刷方法,可以通过丝网、铜板、木板印刷等办法来创作,也可以通过喷画、烙印、粘贴等手段进行创作。随着技术的更新,未来也有可能成为新的印刷方法,推动装帧艺术的发展。

随着电脑和网络的普及,电子媒体成为一股不可忽视的力量,电子图书成为书籍设计中的重要部分。总之,概念书籍的设计充分体现了书籍思维方式上的未来性。现在国外的概念书籍,在形态上已经摆脱了书籍的传统模式。以独特书籍设计语言来传达书籍的思想内涵,并体现强烈的个性。从表现形式、材料工艺上进行前所未有的尝试,并且在人们对书籍艺术的审美和对书籍的阅读习惯以及接受程度上寻求未来书籍的设计方向。

2概念书多元设计

在进行概念书的设计时,应从外到内,由于书籍语言的多元体现,为阅读过程带来无限拓展的可能性,书籍设计不仅仅属于平面设计范畴,还存在空间设计等领域的设计概念,以构成三维的空间关系,从而形成可观、可触、可感的艺术形态。它包括形态的写实感,如质感的表现和结构的准确表达;另一方面也依赖娴熟的技术和对材料特性的把握,以实现艺术模仿与创造。就艺术而言没有观察、没有借鉴、没有对比,就没有认识,没有创新,只有观察到的才可能有表现,这就是观察的意义,这就是设计创新的基础。

在现实生活中,我们要通过观察进行思考,没有深入的观察就很难激发灵感,产生真正的设计;没有认真的观察,就很难产生具有创造力的设计。通常自然形态以人物、动物、植物等自然界中具象形态为依据,通过观察、归纳或夸张、变形等手段创造出艺术形态,它与超级写实主义相比为设计者提供了一份自我表现的空间。概念书的设计具有同样的特点,运用适当的“跨界”语言去表现另外一种事物,会得到一个全新的、充满想象力的创作物象。概念设计通过抽象的形态表现丰富的内容,使读者可从与作品有关的蛛丝马迹中展开一系列思考、联想和欣赏过程。当你处在抽象的环境中,你会不由自主地展开想象、联想,在抽象艺术作品面前自然会心随其动,展开美的想象。由于概念书籍设计材料,常可以木、布、金属、塑料等为媒质进行设计,这种概念书,看到的似乎不是书籍,而是立体的、建筑艺术的观念,是设计师心中浪漫的书籍之梦。总之,不同的材料,能为书籍灌注特殊的精神气质与内涵。在不游离书籍主题的前提下,借助材料的特性引申出与众不同的创意,表达出更深层广泛的含义,为读者提供阅读想象的畅游空间。

概念设计论文范文第4篇

以等离子工作腔为分界面,次临界包层被分为内包层和外包层两部分[9],考虑能在ITER装置上实现包层便利地安装拆卸,在总体结构上,次临界包层在环向360°被设计成36瓣。单瓣包层分别由第一壁(FirstWall,简称FW)结构、支承结构、燃料区结构、产氚区结构、锆包壳结构和出入口汇管结构等组成,环向张角为10°,径向厚度为0.47m,极向高度为10.24m,在三维空间上呈“D”字型结构,如图1所示。

2第一壁结构

第一壁结构是次临界包层的重要功能部件,它需要承受热载荷、14MeV高能中子和带电粒子辐照的同时作用。为了提高第一壁材料抗辐照损伤的能力,选用低活化铁素体/马氏体(RAFM)F82H钢材料。第一壁结构如图2所示,在第一壁的上下端及中间部位设计有燕尾结构,其目的是使第一壁与燃料区一侧的锆包壳相互嵌合以固定第一壁,第一壁径向厚度为10mm,内外包层面向等离子体面积分别为7.55m2和13.89m2,结构体积为0.21m3,质量为1.69t。

3支承结构

支承结构由极向纵骨、加强筋板、周向筋骨、径向筋骨等结构组成。经分析,次临界包层结构在运行工况下受力复杂,共需承受重力、系统压力和热应力三种主要外载荷,单瓣包层重量约30t,系统压力是燃料区内嵌冷却剂管道所承受的15.5MPa水压,热应力为燃料区中大量U-10Zr合金的裂变释能而产生的沿极向和径向的温度梯度分布。为了实现对整个内外包层在极向的结构支承,在内外包层中分别设计有4根极向纵骨,纵骨在内外包层截面中的设计位置示意如图3所示。在周向和径向设计加强筋板、周向筋骨、径向筋骨以提高包层的稳定性以及整个支承结构的刚性。支承结构是由具有优良抗弯和抗压性能的SS316L(00Cr17Ni14Mo2)不锈钢通过焊接加工制成,它是整个包层的支承和固定结构[10]。以内包层为例。

4燃料区结构

燃料区结构由裂变燃料U-10Zr合金、内嵌冷却剂压力管和支承结构中的加强筋板及部分径向筋骨组成[11]。4.1燃料区燃料区是组成次临界包层活性区的基本结构单元,其主要功能是实现中子倍增和通过核反应而产生大量裂变能,它是包层的主要释热部件。燃料采用U-10Zr合金,这主要是由于U-10Zr合金燃料铀密度高,Zr对中子吸收少,实现能量输出与放大性能好;二是合金燃料导热系数大,利用内嵌冷却剂压力管能够及时地带走活性区核热;三是合金燃料可以更容易地进行“简单干法”后处理,可把燃料加热到1700℃左右,达到沸点的裂变碎片便可去除燃料区。加强筋板和部分径向筋骨承担作用在燃料区的外载荷并把这些载荷传递到支承结构上,同时加强筋板还兼顾对内嵌冷却剂压力管的定位与导向作用。4.2内嵌冷却剂压力管燃料区中6层内嵌冷却剂压力管道被设计成由底至顶完全贯通的结构,且按照三角形交错排列。由于受ITER装置本体结构空间的约束,内外包层随着极向位置的变化而引起了管间距离和铀-水体积比变化。外包层6层冷却剂管道按48根与47根相间排布,共有285根,内包层6层冷却管道按32根与31根相间排布,共有189根。

5产氚区结构

产氚区是整个聚变-裂变混合能源系统实现氚自持的关键功能结构,产氚区结构由氚增殖剂小球区、慢化冷却水管、管间连接板、“蛇形”氦气回路和支承结构中部分径向筋骨组成[12]。产氚区中的慢化冷却剂管道和氚增殖剂小球区在空间上是互相独立的单元。在结构上,为了保证燃料区中富余的中子进入产氚区后进一步被慢化再与锂-6反应而生产氚,并及时带走一部分多余的核热,产氚区中慢化冷却管道被设计成由底至顶完全贯通的结构,由慢化冷却管和管间连接板把产氚区分成9层,各层之间的空间便构成了氚增殖剂小球填充区。为了形成“蛇形”氦气回路,管间连接板的高度不等,形成高低错位设计以便控制氦气流动方向,部分径向筋骨承担作用在产氚区外载荷和传递来自燃料区的外载荷到支承结构上。同样,由于受ITER装置本体结构空间的约束,内外包层随着极向位置的变化而引起了慢化冷却层和氚增殖剂厚度的相应变化。

6锆包壳结构

锆包壳是核燃料裂变产物的主要屏障,燃料区和产氚区均有锆包壳完全包覆,从而防止裂变产物泄漏到活性区或整个包层,燃料区和产氚区的锆包壳为一种箱匣式密封结构。对于燃料区锆包壳,由于在第一壁的上下端及中间部位设计有燕尾结构(图2),相应地在燃料区径向内侧的锆包壳上设计有对应的燕尾槽,如图7所示。为了保证锆包壳的结构密封,在燃料区径向内侧锆包壳的周向侧设计有金属型挤压密封卡槽,如图8所示。从图3可以看出,有2根极向纵骨设计在燃料区和产氚区包壳层顶角部位,相应地在燃料区径向外侧锆包壳顶角处设计有极向纵骨半槽。对于产氚区锆包壳,由于有2根极向纵骨设计在燃料区和产氚区包壳层顶角部位(图3),相应地在产氚区径向内侧锆包壳顶角处设计有极向纵骨的另一半槽。同时由支承结构可以看出,在周向两侧和径向外侧设计有径向和周向筋骨,相应地在产氚区周向两侧和径向外侧的锆包壳上设计有筋骨贯穿槽。

7出入口汇管结构

由于受ITER装置本体结构空间的约束[13-14],次临界包层的出入口汇管只能在有限空间中实现各类功能管道的汇总,其中包括燃料区中的大量内嵌冷却剂压力管、产氚区中慢化冷却水管和氦气管。考虑大量冷却剂压力管与汇总管之间焊接的可操作性,在燃料区的上下端部先设计一个焊接顶盖。燃料区的内嵌冷却剂压力管先汇入上下环形总管中,该汇总管再与ITER上下端口出入口总管相接并引出到外面的主回路系统。在产氚区中,慢化冷却管和氚载带管均采用“蛇形”流气结构设计,这样9层慢化冷却管只需要汇总一次后连接慢化冷却总管,再经ITER上下端口出入口总管引出到外面的氚回路系统。对于氚载带管,先在产氚区上下端设计有出气和进气槽,然后再通过氚载带管把进出气槽的载带气体引入到氚载带气总管内,再经ITER上下端口出入口总管引出到外面的氚回路系统,以出口为例燃料区和产氚区汇管结构如图11所示。

8结论

概念设计论文范文第5篇

中国20世纪的社会变革影响了书籍出版业的发展。迈入21世纪,随着出版业的繁荣发展,无论是出版社的美术编辑,还是工作室的设计师,都以巨大的热忱不断学习,使得书籍设计艺术呈现前所未有的繁荣景象。除此之外,国内与国外的书籍设计师的学术交流更为频繁,使得人们对书籍设计的概念有了新的认识。国内的书籍设计大师吕敬人先生曾说过:“书籍装帧设计应该逐步地走向书籍整体设计。”这也是全球著名的书籍设计师共同的认识。日本设计师杉浦康平也曾针对书籍设计提出了“新设计论”的概念:用感性和理性构筑视觉传达媒体的思维方式和运作规则,使设计达到其原构想定位的平方值、立方值以至达到多次方值的增值设计效果。以往书籍只被认为是平面的视觉载体,因而走不出陈旧的设计思维。书籍设计在现代社会已经不仅仅是装帧设计,而是类似于建筑设计的复杂的整体设计。

二、如何理解概念书

概念书是充分体现书籍内涵,但又与众不同、令人耳目一新、独具个性特征的形态书籍。设计师将创作灵感发挥到极致,而不受书籍本身形态、材料的限制。并不是所有概念书都能投入大规模的印刷生产,将概念书的设计方式运用于高校视觉传达专业书籍设计课程的训练中,能更好地激发学生的创意思维。学生的概念书作品《星座》(图1),将十二星座用折纸做出的立体星形作为贯穿书籍的设计点,令人耳目一新。读者能够通过每页不同的镂空看到不同的星座位置,学生很好地运用了空间的概念。学生概念书作品《美容日记》(图2),封面采用镜面的形式,,与主题贴合,根据不同的美容章程选择的不同材料。如,护发篇用黑色毛线模拟发丝,让读者在阅读的同时可以直观感受质感,也更生动有趣。脸部按摩篇更是用不同的装帧手法表现不同的按摩手法,读者可以切换了解按摩的位置和手法,达到与读者互动的目的。

三、从概念书看书籍设计发展的趋势

1.书籍设计从平面走向空间的多元化书籍设计发展最典型的变化就在于书籍设计师已经不再拘泥于装帧设计,更多的人开始关注书籍的整体结构。书籍除了封面、封底、书脊,还有环衬、扉页、内页、书口、腰封、外函等,这些也需要设计师精心进行设计规划。《彼得潘》(图3)立体书是由美国著名立体书设计师罗伯特·萨布达设计的。他所设计的书籍趣味十足,书中层层叠叠的云朵、建筑和灯光效果,既保留了原著内容的原汁原味,又以形象生动的立体效果得到了儿童的喜爱。这种立体空间设计的书籍打破了人们对于书籍设计的传统理解,丰富而饱满,阅读完整本书后印象深刻,整本书更像是一座建筑物,让人回味无穷。2.书籍设计从阅读走向互动更可贵的是,设计师们开始追求情感诉求,也就是探索如何设计出能让读者感动的书,使读者在阅读的时候更投入,更能被书籍的设计所触动。如,图4是一本宣传拯救濒危野生动物的公益书籍,也是一本可以和读者进行互动的手工书籍。读者通过阅读书籍,不仅可以了解野生动物的知识,而且可以通过手工缝纫制作这种动物。通过这样的形式可以让人们更珍爱动物,从而达到了设计师的设计宗旨。

四、书籍设计的发展趋势

概念设计论文范文第6篇

可变功能机械系统由不同的分功能组成,且功能间会发生耦合。笔者基于FBS概念设计模型对可变功能机械系统进行研究,先将各分功能独立,分别建立自顶向下的设计模型,即先对功能进行分解,由功能-行为映射求解得到相应的行为层级结构,分析相应的行为模型,得出映射层结构方案。可变功能机械的FBS模型详解如图1所示。在研究可变功能机械系统时,本研究将分功能到行为和行为到结构的映射并行研究,功能总和代表了各分功能不同模型的集合,系统实现其中一个功能时,另一个分功能处于待用模式,为加以区分,用功能符号“F”+“i”(数字)代表分功能序号,用“or”(或者)连接各分功能。之后本研究建立分功能的层级结构及相应的功能分解模型、行为过程层级结构及其行为过程模型,最后进行映射求解。这种并列的设计过程存在交集,即这些分功能间具有耦合性,系统的功能分解有部分相似,例如当农用拖车的连接器连接不同的耕作设备可以完成不同的生产功能,施肥机可以进行移动施肥,洒水机完成浇灌工作等,系统的动力功能和传动功能并未发生改变,改变的仅是执行端的功能。本研究将相似的功能结构和行为结构以及方案层的具体实施构件组合用虚线连接,代表它们之间存在的特殊联系。为具体表达该设计过程中的模型联系,基于经典相似理论中对序结构的定义,本研究将系统要素按一定组成规律、一定顺序出现的序列结构称为序结构,序结构与系统有着紧密的联系。根据可变功能机械系统概念设计层次,笔者对序结构进行特征分析,分为功能序结构、行为序结构以及方案序结构。由于篇幅原因,本研究仅对功能分解和行为结构的序结构表达进行描述,并构建相似模型。

2相似模型构建

2.1功能序结构和行为序结构模型相似包括功能相似以及行为相似,功能具有相同的效果不代表行为也具有相似性。研究系统相似度时需要衡量功能相似度和行为相似度不同的权重值,建立相似模型,从系统的角度将不同的功能及其行为映射用序结构表达出来,用系统要素的方式进行模型构建。功能是表达系统特性最抽象的方式,功能的表达需满足:(1)能根据给定要求表示设计者的意图;(2)能准确描述满足设计要求的设计对象;(3)能被定性或者定量地评价,并可以测定设计意图的满意度。功能的系统要素为能量、物质和信息,每个功能要素都有其输入和输出,因此可以运用“输入流-输出流”的方法进行功能描述。功能要素在时间和空间上有一定的顺序,即功能序。本研究将功能序的关系进行分类,分别有组成关系、时序关系和因果关系如图2、图3所示。时序关系又有顺序关系,并存关系。功能序是功能序结构的基础组成。在概念设计模型中,功能是一个模糊而粗糙的概念,而行为相对而言更为具体,能激发设计者的灵感,引导设计者保证三大流(即物质、能量、信息)的有序流动,不违背自然规律。行为的系统要素包括运动学要素、力学要素和能量要素。结合目前行为结构的表达方法,本研究统一用“输入流-输出流”的方式表达行为序结构。行为可以分为基本行为和组合行为。基本行为对应基本结构,较为简单;组合行为由基本行为构成,包括运动转换行为、执行行为、检测行为、控制行为等,这些基本行为通过一定的顺序连接起来形成组合行为。行为序就是指这些基本行为和组合行为间的连接,行为序结构则表达了行为序间的连接关系。行为序结构分类如图4所示。行为序的关系有以下几种:①串联顺序关系;②并联同时关系;③选择发生关系。

2.2基于序结构的相似模型构建由相似第一定律即序结构定律可知,不同类型、不同层次系统存在一定的序结构,当系统序结构存在共同性时,系统之间出现相似特性,相似性大小随序结构的共同性程度增大而上升,反之则下降。上节已将可变功能机械系统概念设计中的功能层和行为层用序结构进行表达来探索功能和行为的相似性,本节在此基础之上运用数学建模对相似度进行计算。可变功能机械系统具有一定的相似性,即相似度大于零,某些功能或行为能通过改变一些系统组成就能形成新的功能系统,若是没有相似性即相似度为零,那么整个分功能系统就转变成了多功能的单个系统的集合,不在本研究的研究范围之内。本研究将系统或者系统的一部分进行序结构构建和分析之后,为每个序进行编码,用eik表示序要素的集合,要素包含属性和特征值,属性由所属功能或者行为的输入输出流决定,i是分功能编号,k是序的编号。相似序的概念是将分功能序结构的要素和特征联系形成两两组合的有序偶,用(e1k,e2k)表示。相似度由相似序的个数和相似序对相似的影响权重所决定,相似度以q表示,相似序个数决定的相似度为q1,影响权重决定的相似度。权重的分配也是相似度量的重要环节之一,主要包括主观权重分配方法和客观权重分配方法。相似序模型分析之后根据经典相似理论进行数学建模,系统的总相似度由功能、行为和结构的相似度综合得出。本研究根据所建立的序结构进行系统知识表达,计算可变功能间的相似性,设机械系统共有两个可变分功能,特征参数取自输入输出流的类型和数值,如功能的能量类型和所代表的数值等,对整个系统进行相似模型构建,并计算相应的相似度数值。相似求解模型如图5所示。建模的一般步骤可表述如下:(1)分别对分功能系统进行层次划分,建立基于功能或者行为结构的模型。可用输入流输出流的方式按2.1节所述分别建立分功能的具体模型,对应的序结构统计如表1所示。

3实例分析

笔者选取典型的可变功能机械系统进行研究,选取如图6所示的机床作为研究对象,通过更换不同的刀具执行机构可以获得钻孔,扩孔和铰孔3个不同的功能。可以看出,这是一种通过改变系统执行机构达到改变功能的情况。本研究按上文所述的步骤进行分析,首先由系统的可变功能得到功能的序结构模型,所建立的模型如图7所示。表3所示机床的可变功能由更换执行机构来实现,在系统层面上达到了改变功能的要求。本研究按上文所述,根据所建立的序结构模型,通过分析相似要素应用公式(1~3)得到系统功能级的相似度数值。

4结束语

概念设计论文范文第7篇

空地导弹多学科分析模型

1子学科分析模型

推进模型选用2种方案:单推力固体火箭发动机和间隔时间可调的双脉冲固体火箭发动机(简称双脉冲发动机)。推进学科分析模型认为发动机工作于理想状况下,省略了热力计算和性能损失计算部分,特征速度大小参照原基准发动机值,学科分析主要采用零维内弹道计算方程组和发动机质量工程估算模型。假定等截面燃烧,发动机性能参数如发动机平均推力、比冲等计算可参考文献。

气动学科分析模型的任务是根据基准导弹弹体、弹翼的初始输入外形参数、气动学科设计变量和导弹实时飞行状态,采用基于部件组合和细长体理论的工程估算方法计算气动力系数。该模型认为导弹整体外形下的气动力是由单独部件的气动力在考虑部件相互干扰下合成的,通过估算翼-体-尾组合体的升力系数斜率、零升阻力系数和诱导阻力系数,叠加得到关于攻角α、飞行马赫数Ma、飞行高度h的初始升力系数Cy0和阻力系数Cx0矩阵,然后结合实际风洞试验数据采用修正系数对估算的升力系数和阻力系数进行修正,得到最终的气动力系数:式中Cy、Cx分别为修正后的升阻力系数;χCy、χCx分别为对应的修正系数,认为是α,Ma,h和外径D的函数。

本文中修正系数的计算基于文献方法,以χCy为例,通过比较变量空间内一定数量样本点处升力系数工程估算值Cy0和风洞试验结果,可以获取对应样本点上的修正系数,采用二次响应面函数模型拟合出χCy与4个变量的函数关系:弹道学科分析模型的任务是根据气动、推进等子学科设计结果对应的状态变量和设定的飞行程序,完成导弹全过程飞行仿真,并根据仿真结果对目标函数和各学科约束条件进行评估。本文采用“瞬时平衡”假设,结合发射坐标系下导弹在铅垂平面内的质心运动方程组计算弹道参数。

对于空地导弹系统,决定弹道轨迹和能量利用率的程序攻角规律是关键,考虑攻角变化的连续性并在导弹概念设计阶段给予攻角规律较大的设计空间,本文弹道学科选取一定数量攻角设计点作为设计变量,弹道计算中以设计点为节点,用三次样条插值得到每个计算点上的攻角大小(为了简化爬升段初期采用定攻角飞行)。最后,为了得到具体的攻角控制律表达式,变攻角爬升-转弯-滑翔-机动变轨-俯冲段按傅里叶函数来拟合攻角规律。

综上所述,最终的导弹攻角控制律表达式如下

2目标函数及约束条件

由于导弹的主要作战任务是摧毁敌方地面大型固定目标,所以射程是其主要性能指标。另外,优化中涉及的气动、推进、弹道等子学科参数对总体性能中射程的影响最大。因此,本文选取导弹质量一定前提下的射程作为优化的目标函数。设计优化的约束条件如下:

导弹多学科集成设计优化

1单推力发动机导弹多学科一体化设计优化

在上述学科分析模型基础上,与单推力发动机导弹各学科相关的设计变量包括:公共变量弹体外径D,推进学科选取喷管扩张比εA,喷管喉径rt,燃面面积Sp,装药肉厚hp,推进剂质量mp;气动学科选取弹翼梢弦长c1、根弦长c2,尾翼梢弦长c3、根弦长c4;弹道学科选取15组攻角设计点αi(ti)。图3所示的导弹多学科一体化设计优化流程给出了推进、气动、质量、弹道计算模型的组织调用关系。一体化优化采用一种自适应交叉变异概率的实数编码混合遗传算法(GA),本文中对该算法进一步改进。

(1)个体适应值计算引入与杂交代数有关的动态范围惩罚函数策略,对第i个不等式约束条件,惩罚函数具体形式如下:式中g为该个体对应的目标函数值;m为不等式约束的个数。

(2)赌选择机制,结合最优个体保存策略。

(3)模拟二进制杂交算子,即两个父代个体的同一基因位依概率分别加上和减去同一个数,以保证总会产生新的基因片段,增大全局搜索范围。

(4)基本位变异算子,并随着进化代数的增加而减少变异位数。在Matlab下编写各学科分析和遗传算法优化程序,种群规模200。遗传算法迭代至17代达到收敛,GA迭代历史如图4所示;设计变量取值范围及优化结果如表1所示;优化后的弹道学科15组程序角设计点见式(4);在Matlab工具箱cftool下经5阶傅里叶函数拟合,得到攻角规律表达式如式(5)所示;对应攻角曲线如图5;图6为最优参数方案下发动机推力曲线。

2双脉冲发动机导弹多学科设计优化

鉴于本文采用跳跃式弹道,目前已有很多文献证明双脉冲发动机在发挥跳跃弹道的高突防性上优势明显,因此推进方案改用双脉冲发动机并进一步进行空地导弹总体参数MDO研究。设计变量如下:弹体外径D;推进学科取喷管扩张比εA、双脉冲发动机两段推进剂质量燃速R1、R2(推进剂质量固定为单推力发动机的设计上限220kg)、第一段推力工作时间t1、两段推力时间间隔tj、喷管喉径rt;气动、弹道学科同样取c1、c2、c3、c4及15组攻角设计点αi(ti)。

求解策略是MDO的核心,在前述多学科一体化设计优化研究基础上,为加强学科自主性并实现分布式设计,选择基于响应面近似的并行子空间优化算法(ResponseSurfacebasedConcurrentSubspaceOptimization,RSCSSO)实现数据传递,以遗传算法实现系统级及各子学科级内部优化,并用径向基神经网络响应面实现各学科的模型近似。

由于弹道学科设计变量和状态变量均过多,且包含目标函数和大部分约束条件状态量,采用近似模型后会增大设计误差。另外,太多的状态变量导致近似模型工作量过大,相对于弹道学科精确分析模型,计算效率并未提高太多。因此,本文结合实际问题对标准RSCSSO算法的优化模型作了小幅变动:整个优化问题分解为气动、推进学科并行参数优化和系统级协调优化,弹道学科仅参与系统分析而不做单独优化,其设计变量(即攻角设计点)仅参与系统级优化、状态变量均精确计算得到。

气动子学科优化问题:在Matlab环境下编写以下代码模块:系统分析模块(含气动力计算、推力计算、弹道计算等)、神经网络近似模块、遗传算法优化模块、CSSO驱动模块。优化算法中各参数设置如下:学科级优化器种群规模100,系统级优化器种群规模300,神经网络隐单元个数取20,20个基函数中心采用K-均值聚类算法循环计算得到,CSSO主程序中初始样本点80组,且由均匀试验设计表给出。经程序调试及运行,算法迭代至第七代后逐渐收敛,总体参数最优方案如表2所示;优化得到的弹道学科15组程序角设计点见式(6);在曲线拟合工具箱cftool下经傅里叶函数拟合,得到攻角规律表达式如式(7)所示;对应的攻角曲线如图7;图8为最优参数方案下双脉冲发动机推力曲线。

3结果分析

图9为2种推力方案下优化结果对应的主要弹道参数曲线。表3为设计优化前后弹道性能参数对比,其中tfly为导弹飞行时间;L为射程;mmotor为发动机质量;Isp为比冲;P为发动机平均推力;tp为发动机工作时间;(nx)max、(ny)max分别为横向和纵向最大需用过载。从表1、表2及图5~图8看出,导弹气动外形参数、程序角规律及发动机设计参数相比原基准导弹参考值变化明显,说明气动外形、弹道轨迹、发动机推力方案对射程影响较大,而单推力导弹外径变化则相对不明显。因此,今后的工作需要进一步引入系统灵敏度分析研究。

表3数据表明,单推力方案优化结果与优化前相比,在飞行时间、比冲等变化不大的条件下,尽管发动机质量增加,跳跃幅度减小了21.1%,但是射程增加了6.0%,发动机平均推力减小,落点马赫数增加,总体上提高了空地导弹性能。

双脉冲推力方案优化结果和单推力方案相比,导弹飞行时间增加了7.3%,但射程进一步增加了2.9%,跳跃幅度增加了13%,飞行高度显著降低,这些对于提高导弹突防性具有重要意义;此外,双脉冲推力方案在第一脉冲工作结束后,降低了飞行速度的增长速度,从而降低最大飞行马赫数,这有利于导弹的结构和气动防热设计;通过合理调节推力间隙,控制推进剂能量释放,保证导弹在高空攻角较小阶段工作,能有效地减少气动阻力速度损失,这也是双脉冲发动机能够增加导弹射程的一个原因。

结论

概念设计论文范文第8篇

起落架接地点参数设计

起落架接地点的设计要根据飞机的重量、重心包线、几何外形、执行任务等来确定。在给定输入条件后,要使得接地点的设计满足飞机结构、漂浮特性和使用特性的需求。

1起落架布局形式

现代民用航空运输飞机大多选用“前三点”式起落架布局形式。与“后三点”式起落架布局形式相比,这种布局形式可以使得飞机在地面状态时,客舱基本呈水平状态,有利于改善驾驶员视界,减小起飞滑跑初期的高阻力。由于主起落架在飞机重心之后,飞机在刹车、地面操纵时具有很好的稳定性,同时在飞机着陆时,主起落架会产生一个使飞机低头的力矩,帮助飞机减小着陆攻角,有利于减小着陆场长。该种布局的缺点主要集中在主起落架接地点的选取,即如何处理好在最大限度满足各种使用特性的前起下,使得主起落架在收藏空间、结构形式上合理、可行。

2起落架接地点参数设计

起落架接地点的设计原则是在满足飞机使用安全性的前提下,依据飞机的重量重心、几何外形等特征参数,最大限度地满足飞机在滑跑、起飞和着陆阶段的使用要求。同时,还要考虑飞机系列化发展的需求。

2.1主起落架纵向接地点设计

(1)飞机起降特性限制

主起落架纵向接地点参数包含接地点的纵向站位(用%MAC表示)和接地点距飞机客舱地板高度的距离。其参数的选取主要受到飞机起降所需求的迎角θ的限制。为了满足飞机的正常起降要求,飞机的起飞迎角要求不小于飞机的着陆迎角,对于干线飞机,一般在8°~10°。同时,要重点考虑飞机单发起飞时的极限迎角需求,一般是在正常起飞迎角的基础上增加1°左右。

在初始设计阶段,如果有足够的数据支持,也可以通过计算分析的手段,将飞机腾空时的迎角θLOF作为输入条件,其计算公式如下:其中,αLOF为正常起飞时预期的最大迎角,VLOF为正常腾空时空速,CLLOF为对应VLOF的升力系数,为升力线斜率。l1和l2参数如图2所示,分别表示主起落架全伸长状态接地点与飞机尾擦点连线与停机状态地面线相交的两段线长度。对于干线客机,飞机抬头率一般取4°/s。此外,还需要考虑飞机系列化发展的需求,给系列化家族中的加长型飞机在起落架布置上留有必要的空间。对于干线客机,基本型飞机最终确定的起降迎角一般是在其起降需用迎角的基础上增加2°~4°,要视客舱增加长度和机身后体修行的具体情况进行分析确定。

(2)飞机结构设计限制

现代民用运输机大多采用高气动效率的超临界机翼,其外形的一个显著特点是后缘部分收缩剧烈,这就给下单翼布局形式飞机的主起落架收藏带来了较大的空间限制。另外,采用较后的主起落架接地点,可能会出现主起落架的转轴较长,主支柱后倾角较大,主起落架转轴偏角较大等设计情况,这些都会造成主起落架重量和寿命上的损失。所以在设计之初,要依据飞机的结构特点,主起落架的接地点不能过于靠后。

(3)翼下吊大涵道比发动机限制

现代民机的另外一个特点就是普遍采用油耗小、噪声小的大涵道比喷气发动机,而随着民航业环保、节能要求的提高,发动机会采用更大的涵道比,其对应的短舱直径也有较大增加。目前下一代新研发的发动机涵道比已经增大到12左右。为了满足短舱与地面的间隙要求,就需要起落架有一定的长度来支撑飞机。对于翼吊布局的飞机,其短舱与地面的最小间隙为458mm(18in)。

(4)地面维修高度限制

飞机机体表面设有许多检查、维护口盖,根据机场现有的维修程序和维修设备的需要,同时考虑人机工效学,需要对飞机的高度有一定的限制。

(5)主起落架纵向接地点参数选取限制

基于上述分析,可以绘出主起落架纵向接地点参数选取区域限制图,如图3所示。对于采用放宽静稳定技术的飞机,其重心后限位置较后,在考虑加长型发展空间的基础上,基本型飞机不可能在狭小的参数选择区域内选取到防倒立角大于飞机擦地角的主起落架纵向接地点位置,这也是现代民机主起落架布局设计的一大特点。在可选域的参数选取中,要考虑在最严重的重量、重心组合的情况下,使得选取参数对应的飞机防倒立角能尽可能的比飞机运营过程中起降的最大迎角θ大。

2.2主起落架横向接地点设计

主起落架横向接地点即表示飞机的主轮距(用%SPAN表示),其参数的选取也受到多重因素的制约,如图4所示。

(1)主起落架收藏空间的限制

在选取主起落架纵向接地点参数后,就需要开展主起落架横向接地点的设计,即在飞机上进行合理的空间布置,满足主起落架对收藏空间的需求。

在起落架收藏的概念设计中,需要考虑轮胎的膨胀、膨胀轮胎与收藏路径上各种结构件的间隙等影响主起落架收藏的主要因素。轮胎主要考虑充气膨胀间隙和由转动引起的形变间隙,在名义轮胎尺寸的基础上,加上这两部分间隙变化尺寸,构成起落架收藏设计中的“协调用轮胎”尺寸。由于“协调轮胎”所考虑的膨胀和转动形变间隙均为最小间隙,加之飞机后继机对特殊机场适应性要求的需要,因此对于“协调用轮胎”在径向方向与收藏路径上各种结构件的间隙就需要留有足够的空间。

(2)主起落架转轴结构布置空间限制

主起落架的展向位置设计被限制在机翼后部由后梁和襟翼辅助梁所形成的“三角区”,如见图5所示,主起落架过分的沿展向靠外布置,会过分挤压起落架转轴的布置空间,给起落架转轴设计增大难度。其具体限制条件可依据机翼后梁走向、机翼kink位置、主起落架接头形式、襟翼舱布置空间、管线布置空间需求等确定,见图4中条目2。

(3)侧风与单发着陆限制

飞机在侧风或单发着陆的过程中,会带有一定的滚转角Φ,一般在5°~8°。在主起落架横向接地点位置选取时,就需要考虑由于飞机带滚转角着陆,发动机短舱与地面之间的最小安全间隙,一般要大于152.4mm(6in),见图4中条目3。

(4)机场使用限制

飞机机场适应性所包含的内容很广,其中有一条是根据机场的不同分类对飞机的几何参数进行限制,具体限制如表1所示。

2.3前起落架接地点设计

(1)操纵稳定性限制

前起落架和主起落架的接地点构成一个平面,有效地支撑住飞机的重量,当飞机的重心及主起接地点确定后,需要合理的选取前起落架接地点的位置,以确保飞机在侧风及地面转弯时的稳定性,一般用侧翻角Ψ表示,如图5所示。对于民用飞机,该角度不应大于63°。

(2)载荷分配限制

合理地选取前起落架的接地点位置,能较好地分配起落架所承受的载荷。一般情况下,前起落架的载荷系数为8%~15%,见图5。当前起落架接地点过于靠前,前起落架的载荷较小,会使得飞机在小重量状态下,前轮丧失部分或全部操纵性。相反,当前起落架接地点过于靠后,前起落架的静态载荷较大,在刹车产生的附加载荷作用下,很可能超过前起落架的设计强度。因此,需要合理地安排前起落架接地点的位置。

(3)结构设计考虑

起落架上的载荷需要传到飞机机身,为了减少飞机重量,需要使载荷的传力路径最短,最合理的方式是在靠近加强框的位置进行布置。

(4)飞机停机角设计考虑

由于飞机在停机时其重量、重心会有不同的组合,因此飞机的停机角是一个范围,目前民用飞机的停机角范围是-1°~1°。可以根据停机时客舱地板水平或是有轻微低头的需要来选择前起落架的长度。

飞机地面180°转弯检查

飞机起落架接地点确定后,在地面操纵时,除了要满足之前所述的安全性、稳定性和操纵性要求之外,还需要满足在预期的最低运营机场跑道宽度的条件下,实现飞机180°转弯的要求,如图6所示。对于超大型民用客机,会对飞机的接地点设计产生一定的影响。ICAO附件14卷Ⅰ中机场跑道宽度要求和起落架距跑道边界安全间隙要求分别见表2和表3。式中,b表示飞机的前主轮距,t表示飞机的主轮距,β表示飞机前起落架的转弯操纵角,s1表示主起落架图6飞机地面180°度转弯外侧双轮间距,s2表示前起落架外侧双轮间距。

当选定最低跑道宽度和对应的安全间隙后,根据公式(2)计算出前起落架转弯操纵角β。一般情况下,还需要考虑轮胎的侧滑现象,即在求出的前起落架转弯操纵角β上加3°~5°,该值以不大于45°为宜。