第二章 设计方法学-原理方案设计

1、第二章 原理方案设计 2-1 创造性思维与方法 2-2 系统功能分析法2-1 创造性思维与方法1.创新性设计创新性设计 创造性设计创造性设计就是要在设计中采用新的技术手段，技术原理及非常规方法，目的是提供具有社会价值的，新颖而独特成果的设计。原因：原因：l 市场竞争：要求降低生产材料及能源消耗，改进加工工艺等。l 产品平均寿命：国际市场平均寿命只3年，要求加快设计更新速度。l 消费需求：新产品的大量问世，使人们对产品需求层次越来越高。l 生产特点：小批量、多品种、多规格、生产工艺及工作环境显著变化。2. 工程设计的基本特征(1) 约束性约束性 即设计是由一定的环境限制，如科学技术水平、经济发展

2、状况、社会心理、地域文化以及生产厂家提出的要求等，这要求一个优秀的设计师能充分发挥创造力，在该“设计空间”内协调这些关系，来完成设计。(2)多解性多解性 达到同一设计要求的方法和方案都是很多的，同一种方案下，技术系统的参数，尺寸及结构也有很多种选择。(3)相对性相对性 设计结果总是相对优秀的，如:降低成本和安全性可靠性，功能全与体积小等问题都是矛盾的统一体，这些矛盾的出现给设计带来了困难，因此，设计者对设计结果的评价，只能达到一定条件下的相对满意和最优。3. 3. 创造力创造力 构成：构成：由智力因素与非智力因素构成，智力因素是创造力的基础，非智力因素是创造力的导向、催化与动力因素，同时也促进

3、创造力由潜变显的制约因素。智力因素主要有思考力、观察力、记忆力、想象力、表达力及自控能力。非智力因素有理想信念、兴趣和爱好、意志、性格等。观察力观察力记忆力记忆力自控力自控力想像力想像力思考力思考力表达力表达力智力结构图 创造力的开发创造力的开发 (1)破除对发明创造的神秘感，增强自信心，认识到创造是一种人人可为的活动。积极去创造。 (2)要树立创新意识，经常保持创造冲动。 (3)加强创造性思维的训练，掌握必要的创造技法。4. 4. 创造性思维部分思维类型创造性思维部分思维类型 形象思维与抽象思维 例如例如行星轧压法行星轧压法的提出 和 伽利略设想伽利略设想的提出 发散思维与集中思维 直达思维

4、与旁通思维 逻辑思维与非逻辑思维信息各种可能答案问题答案信息(a)发散思维(b)集中思维5. 5. 创造性方法与技法创造性方法与技法 (1)创造性原理创造性原理 主动原理，保持有问题意识，勇于探索，打破传统束缚。 刺激原理(触发原理)，建立大脑知识库，对外来刺激有积极反映。 希望原理(发散原理)，不要安于现状，追求产品的完美化与理想化。 环境原理，有自由良发好的心境，有允许失败的社会环境。 多多益善原理，即创造性设想越多，成功率越大。(2)(2)创造性技法创造性技法 智力激励法:基于:1.人人都有创造力，集体的智慧高于个人；2.创造性思维需要引发，互相激励能够活化思维；3.摆脱定势和框架有助于

5、新想法的出现，过早的判断会扼杀新想法。智暴法(群体集智法，头脑风暴) :（a）准备问题（b）确定人选（c）明确会议规则（d）启发思维，充分发散，畅所欲言（e）整理和评价635法:6个人，3种方案，5分钟为一轮。书面方式的头脑风暴，避免争论和遗漏。德尔菲法（函询法）：（a）选择专家（b）整理征询内容（c）设计调查表，发函征询（d）整理回函，得到新的意见和问题（e）再次函询（共三到四轮）（f）整理结果(2)(2)创造性技法创造性技法 系统探求法 用系统的提问方式打破思维定势，寻找同常被忽视的思路设问探求法(5W2H)：why, what, who, when, where, how to do,

6、how much;奥斯本设问法（检核表法，分项检查法）：能否它用，能否借用，能否改变，能否增扩，能否缩减，能否代用，能否调整，能否颠倒，能否组合；缺点探求法：现有哪些缺点？这些缺点有哪些影响？这些缺点是如何产生的？如何消除或回避这些缺点？消除或回避缺点会带来哪些新的问题？(2)(2)创造性技法创造性技法组合创新法:组合法，综摄法组合法：性能组合，功能组合，结构组合，原理组合（组合机床、瑞士军刀）综摄法（类比法）：外部事物或已有的发明成果为媒介，并将它们分成若干要素，对其中的元素进行讨论研究，综合利用激发出来的灵感，来发明新事物或解决问题的方法。1）拟人类比（挖掘机）2）直接类比（扑翼飞行器）

7、3）象征类比2-2 系统功能分析法一、技术系统 其实质是产品，即以一定的技术手段来实现社会特定需求的人造系统。技术系统的任务是将输入量(包括能量、物料、信号)经过转换和变化后输出(包括能量、物料、信号)。 系统的输入与输出 1)物料：如材料、毛坯、半成品、液体、气体等 2)能量：如机械能、电能、热能、光能、化学能、核能、生物能等 3)信号：体现为数据和控制信号，如数字量、模拟量、测量值、指示值、控制信号等 4)此外还存在伴生输入与伴生输出,如振动、温度、噪声、灰尘、边角料等。 技术系统物料能量讯号对外界影响环境条件物料能量讯号例1:电动磨粉机,将小麦磨成面粉,则用上述技术系统图可表示为技术系统

8、振动、噪声和热量输入小麦电能控制信号面粉麸皮输出例2:汽车内燃机的技术系统图可表示为技术系统振动、噪声和热量空气燃油控制信号输入机械能废气冷却液、润滑油输出（a）(b)衣物介质能量控制信号黑黑箱衣物含污物介质黑黑箱箱液体能量压力液体黑箱特点：要求设计者不从产品结构着手，而是从产品功能出发，这是设计方法的转变，它有利于抓住设计本质，扩大思路，摆脱传统思想，而取得更有突破性的设计方案。例：台钳的功能表述对解法的影响如下表 4)功能定义的关键：问题的抽象化。抽象目的：使问题求解有更多的思路，得到更多的求解方法。 气动机构，液压机构 形成加压 偏心机构 机械加压 螺旋丝杆 螺旋加压 解 法 功能表述适

9、度抽象化 由表可以看出，功能表述愈具体思路愈窄，如描述为螺旋加压，必然暗示出采用螺旋机构。若描述为机械加压思路就在机械范围内扩开，若抽象为形成加压，即只要能形成压力均可，必然使思路更为开阔。因此在构思技术系统方案时，从功能观点来研究有利于抓住问题的本质。 例：砸开核桃壳取出果仁的功能描述，若用“砸”则已暗示了解法，而用“分离壳仁”的抽象表达，则可能得到思路更开阔的解答 功能分析法：步骤如图。 功能分解 1)分解原因：一般系统比较复杂,难以直接求得,常把总功能分解为较简单的分功能。 2)分解原则：输入量与输出量所需的物理原理比较单一,结构简化后零件少,而且较易求解。 3)分解方法 (1)按解决问

10、题的因果关系或手段,目的关系来分解。 (2)按生产的空间顺序或时间顺序来分解 。明确设计任务总体功能黑箱法功能元功能载体功能原理解功能树创造性方法解法目录最佳功能原理方案解分析综合评价与决策形态学矩阵评价方法 4)分解结果 功能元:分解的能直接找到解法的分功能称为功能元，它是功能的基本单位。 功能元分类 (1)物理功能元：反映系统中能量、物料、信号转换的基本物理动作7个： 转变复原，缩小放大，结合(混合)分离，接合分开 导通断开，存贮提取，变向变向 在机械零件中有很多典型零件都可以用上述功能表示，如 齿轮传动：转速和转矩的缩小放大 螺旋弹簧：能量的存贮提取 (2)数学功能元：反映基本的数学动作

11、 加、减、乘、除及一些符号运算，如行星齿轮机构和正弦机构等。 (3)逻辑功能元：主要用于控制功能。 “与”，”或”，”非”等逻辑运算，如自锁、互锁机构 5)分解结果的表示 (1)功能树：功能分解的结果用功能树的形式平表达比较直观.功能树中前级是后级的目的功能,后级是前级的手段功能.其末端是功能元。 (2)功能结构图 功能之间的关系可以用功能结构图来表示,它有以下三种基本结构形式 A. 串联结构 B.并联结构 C.环形结构1F2F3F1F2F3F1F2F3F条件2F1F条件1F2F（a）(b)(c)(d)(e)(a) 串联机构；（b）、(d)并联机构；（c）、(e)环形机构 例.材料拉伸试验机的

12、功能分析及功能结构图试件电能信号变形测量总功能力-变形测量试件加载能量大小的调节能量转化为力和位移能量转化获取力信号试件装卡信号放大试件加载信号显示获取变形信号信号放大信号显示力测量动作控制材料拉伸试验机试件电能信号变形后试件力信号变形信号黑箱图变形后试件力信号变形信号能量转化试件加载测变形测变形功能结构图功能树例：汽车内燃机的功能结构图油门进气通道燃烧室曲柄滑块机构控制齿轮排气门进气凸轮排气凸轮机械能废气燃油空气信号尾气净化空气滤清燃油过滤 分功能分功能(功能元功能元)求解求解 分功能求解就是寻求完成分功能的技术实体-功能载体。从基础科学研究揭示的一般科学原理开始，通过应用研究探明具体的原理

13、，然后寻求实现该技术原理的技术手段和主要结构。 1)基本思路 功能工作原理(科学原理和技术原理) 功能载体超越式离合器摩擦式离合器柱销式离合器功能载体,用途斜面效应摩擦原理剪切原理技术模型 Ntan N S工作原理过载载荷信息扭矩过程保护装置零载荷功能分析maxFmaxFmaxF 2)常见求解方法 1)直觉法 直觉法是设计师凭借个人的智慧、经验和创造能力，包括采用几种创造性思维方法加智暴法、类比法和综合法等，充分调动设计师的灵感思维，来寻求各种分功能的原理解。 2)调查分析法 设计师要了解当前国内外技术发展状况，大量查问文献资料，包括专业书刊、专利资料、学术报告、研究论文等，掌握多种专业门类的

14、最新研究成果。这是解决设计问题的重要源泉。3)知识库检索法 (1)物理效应和现象库 (2)功能-载体词典 (3)解法原理目录4) TRIZ理论(发明问题解决理论 )(1)无论是一个简单产品还是复杂的技术系统，其核心技术的发展都是遵循着客观的规律发展演变的，即具有客观的进化规律和模式。(2)各种技术难题、冲突和矛盾的不断解决是推动这种进化过程的动力。(3)技术系统发展的理想状态是用尽量少的资源实现尽量多的功能。 物理效应和现象库功能载体词典解法原理目录：物料分离功能解法原理目录求系统原理解求系统原理解 1)形态学矩阵形态学矩阵 组合系统原理解的基本方法，即：将系统的功能元列为纵坐标, 各功能元的

15、解法作为横坐标,构成形态学矩阵,从每个功能元中取一 种解法进行有机组合,则可得到一个系统解,最多可以得到N种方案: N = n1 n2 ni nm 其中:m为功能元个数, nm为第i个功能元的解个数功能元功能解(功能载体)1234A墨库刚性管可折叠的笔纤维物质B装填机构部分真空毛细作用可更换的储液器墨注入储液器C笔尖墨液输出裂缝笔尖圆珠-粘性墨纤维物质的笔尖例例1. 液墨书写器的方案求解液墨书写器的方案求解 2) 组合时的注意事项组合时的注意事项 (1)相容性。分功能解之间必须相容，不得互相排斥，否则不得组合。 (2)优先选用主要分功能的最佳解，由该解出发,选择与它相容的其它分功能解。 (3)剔除对设计要求及约束条件不满足，或不令人满意的解。如：成本偏高，效率低,污染严重，不