优缺点分析-公理设计-刘力萌201421202042

1、公理设计的优缺点分析 概念设计 产品概念设计设计是由分析用户需求到生成概念 产品的一系列有序的、可组织的、有目标的设计 活动，它表现为一个由粗到精、由模糊到清晰、 由抽象到具体的不断进化的过程。 概念设计阶段最主要有两个任务:（1）根据设计 任务建立系统的功能结构;（2）选择相应于功能 结构中的每个功能的功能载体,并组合这些功能 载体形成最优的设计方案。 概念设计的优点 概念设计即是利用设计概念并以其为主线贯穿全 部设计过程的设计方法。概念设计是完整而全面 的设计过程，它通过设计概念将设计者繁复的感 性和瞬间思维上升到统一的理性思维从而完成整 个设计。 概念设计对设计人员的约束最少,具有较大的

2、创 新空间,最能体现设计者的经验、智慧和创造性。 因此,概念设计被认为是设计过程中最重要、最 关键、最具创造性的阶段。 概念设计的缺点 （1）概念设计过程模型 该模型主要 考虑从功能到结构的单向映射,很少 考虑从结构到功能的回溯,即各个设 计层次之间难以互通信息,缺乏有效 的反馈和协调机制,使得设计过程缺 乏柔性,并导致不合理方案增多,尤其 是不能适应设计要求的变更需要。 概念设计的缺点 (2)概念设计信息表达 主要集中在功 能、行为和结构的单一信息描述上, 缺乏统一的集成信息表达模型,导致 不同信息的集成和映射能力不足,尤 其是难以实现概念设计与后续结构设 计、详细设计、工艺设计的无缝集成。

3、 概念设计的缺点 (3)方案生成研究 多采用单一推理方 法,较少采用综合推理方法;研究对象 主要集中在不太复杂的领域产品上, 复杂产品研究较少。对于复杂产品, 目前的模型演化能力不足,缺乏生成 方案的有效方法,尤其缺少能够实现 有效映射的综合推理方法。 概念设计的缺点 (4)概念设计创新研究 目前集中在各类创 新技术和方法的应用上,设计系统与方法 的创新能力不足。主要原因是缺少符合设 计者思维习惯的表达与操作模型,设计者 对设计过程的参与较少,其智慧和创造性 得不到充分发挥。 自行车例子 在自行车的概念设计过程中对自行车进行功能分析首先 定义自行车总功能为完成人和物的快速移动的总功能， 然后对

4、总功能进行分解得到子功能，再对子功能进行分 解直到得到功能元，然后对于每个功能元找到其功能元 解，得到其形态学矩阵。 自行车功能分解图 自行车例子 功能元解功能元解 功能元功能元 1234 产生动 力 人力 传递动 力 链传动 齿轮传 动 带传动 蜗杆传 动 加速脚踏板变速器 减速手刹脚刹变速器 控制执 行 车把方向盘陀螺仪 支撑人 和物 减震 液压减 震 气垫减 震 橡胶减 震 弹簧减 震 自行车功能的形态学矩阵 分析 根据上述自行车功能上形态学矩阵能够看 出，其每个功能元对应的功能元解数量上很多可 能不止一个，通过不同的排列组合其得到最终组 合方案就有很多种，大大拓展了我们概念设计方 案的

5、思路。但是如果对其每一种方案进行评价从 而得到最终方案，工作量会很大，还有分解过程 复杂，可能造成遗漏。 公理设计 公理设计理论通过对大量成功设计实例进行分析 归纳，抽象出设计过程本质。它包含的主要概念： 域、层次结构、映射和两条设计公理及若干条定 理和推论。该理论认为设计是一个自顶向下的过 程，可以从设计抽象概念的高层次到详细细节的 低层次逐步展开，并在各个域中曲折进行设计问 题的求解。它通过之字型(Zigzagging)展开和映 射矩阵的构建，可大大减少方案搜索的随机性， 缩短设计中的迭代过程，减弱设计过程之间的耦 合，提高设计过程并行度，使设计更具创新性。 公理设计 产品的设计过程实际上

6、就是4个域之间的映射过 程。4个域之间可以建立3种映射关系，建立用户 域和功能域之间映射关系的过程相应于产品定义 阶段；建立功能域和结构域之间映射的过程相应 于产品设计阶段；建立结构域和过程域之间映射 关系的过程相应于过程设计阶段。 公理设计 层级(Hierarchy)指的是公理设计中某个域的层 次结构树，层级的概念表示r在每一个域中自顶 向下的层次结构。公理设计的整个过程就是从功 能域到结构域，结构域再到过程域之间的映射、 分解过程。层级展开需要相邻域之间自顶向下地 进行“之”字形映射，充分考虑两者之间的相互 关系，域问的层级展开具有相互依赖性。1个层 次在各个域中一定是“之”字形映射的，通

7、过这 种映射，在每一个设计域中就创建了FRs，Dps。 和Pvs层次。 公理设计 设计就是在各个域中曲折进行设计问题的求解， 直到分解的子问题都已经解决为止。图2所示为 功能域和结构域的层次结构，以及它们之间的 “之”字形映射关系，结构域与过程域之间存在 同样的关系。FRs和DPs（PVs也是如此）必须 分解成为若干层次直到得到一个完整详细的设计 或完成设计，并且他们不能停留在一个域中分解， 必须在这些域之间反复 迭代分解FRs、DPs和 PVs通过反复迭代建立 每个设计域中FRs，DPs 和PVs的层次。 例如自行车总功能为代步，可分下级子功能支撑人和物 和产生移动，定为FR1和FR2，在结

8、构域中未选定相应 的DP1和DP2之前，我们不能对FRs进行下一步分解， 在选定DPs满足FRs之后就可以返回到功能域并分解 FR1。如此反复进行得到最终方案。如果最终有多个 DPs满足FRs可通过计算信息含量选择最优方案。 在层次分解中，（以功能域到结构域为例）每一层分解 都要对上一层的分解进行评价，判断设计是非耦合设计、 准耦合设计还是耦合设计，也即是判断功能需求是否相 互独立。该评价可以通过设计矩阵A进行判断，A可能为 对角阵、三角阵和一般阵分别对应非耦合、准耦合和耦 合设计。 公理设计的优点 （1）公理设计理论创建了一种理性的设计方法， 为在设计早期阶段评价设计合理性、优化设计路 径、

9、作出最佳设计决策提供了有效手段。运用公 理设计准则，使得设计过程层次分明，思路清晰， 很多看起来复杂的问题都可以在理性设计的基础 上得到解决。 公理设计理论是一种设计的科学准则，能指导设 计者在设计过程中做出正确决策，为创新设计或 改进已有设计提供良好的思维方法。 公理设计的优点 （2）公理设计理论采用一套公理化的形式逻辑系统演绎 设计过程，逻辑性强，结构化表达是其优势，为设计者 提供了描述设计过程的框架（域、层次分解、Z字形映 射），以及评估设计方案的准则和方法（独立公理和信 息公理）。借助这一设计框架和评估设计方案的准则及 方法，使设计决策建立在一种理性基础之上，可以实 时辨别设计目标分解

10、及其设计解确定的合理性，同时能 够针对设计过程中的每一个设计环节进行设计质量评估。 设计框架和两个基本公理是设计的指导方针，使各个域 中元素的层次分解和设计过程中的决策行为建立在一个 理性、可控的基础之上。 公理设计的优点 （4）逻辑化的设计框架提供了描述设计思路的工具， 使经验性的设计活动和设计思路清楚地展示给每一个设 计者，不同的设计者能够方便、迅速地理解设计目标和 设计解之间的关系，为积累设计知识奠定了良好基础。 公理设计理论提供的产品知识表达方式，同时重现出产 品的开发过程，比较全面地攫取了产品知识及其设计过 程知识，几乎可以全面记载产品开发、设计和制造过程 中的所有知识，为积累产品开发、设计和制造的方面的 经验奠定了良好的基础。 公理设计的缺点 公理设计虽然提供了指导设计活动的理论框架, 但是其距离完善的理论体系和实用尚有一定的差 距。一方面,按照独立公理的要求,当有多个功能 要求必须同时满足时,必须设法得到无耦合设计 或者准耦合设计。然而在多数产品设计中,由于 技术或其他条件的限制,要想得到无耦合或者准 耦合设计是非常困难的。因此,要进一步探讨对 于耦合问题处理的策略,包括对耦合设计的解耦 方法、耦合的测度评定和现实的耦合设计问题的 迭代寻优。 谢 谢！ 矩阵变换作业 10100 01000 00101 11110 00001 01010 0