第一章 设计方法学-绪论

机械设计方法学目录第一章概论第二章原理方案设计第三章结构方案设计和总体设计第四章方案评价方法第五章价值设计第六章相似设计法

第一章概述

§1-1基本概念§1-2设计系统§1-3设计类型及设计原则§1-1基本概念

一、什么是设计

设计是一种具有一创造性的劳动，其实质是创新（即在设计工作中努力采用新原理、新方案、新结构、新材料及新工艺等），其最高境界是创造具有极端市场竞争力的产品。例1)鸿运扇2)割草机3)虚拟轴机床普通机床vs虚拟轴机床电风扇割草机二、什么是设计方法学二、什么是设计方法学机械设计方法学二、什么是设计方法学机械设计方法学行为二、什么是设计方法学机械设计方法学行为方法二、什么是设计方法学机械设计方法学思维方法（方法论）二、什么是设计方法学

设计方法学是研究产品设计规律、设计程序及设计中思维和工作方法的一门综合性学科。设计方法学以系统工程的观点分析设计的战略进程和设计方法、手段的战术问题。在总结设计规律、启发创造性的基础上促进研究现代设计理论、科学方法、先进手段和工具在设计中的综合运用。三、学科产生的原因

①开发新产品的需要：世界市场竞争的加剧，使得各先进工业国家首先在设计过程中总结规律，以提高设计质量和设计效率。从这个角度来讲，“设计学”和“机械学”是两个不同的概念。

②改进旧产品的需要：随着工业产品的复杂程度的提高，直观的工作方法很难对产品提出有效的改进措施，因此功能分析和价值分析为改进旧产品提供了强有力的工具。③应用工具的产生：计算机和信息技术的发展，为设计方法学的研究提供了物质基础条件。四、设计方法学的发展简史

①第一阶段(直觉设计)：由于生产、生活和战争的需要，推动了各种简单工具及武器的发明，为实现某种功能目标而发明的某种器械，其中所用知识涉及初步的材料力学和力学原理，这一时期的设计体现个人设计艺术的天才。如：中国的水排，指南车等。

②第二阶段（经验设计）：1854年德国的劳登莱克(Rodenacker)提出将力学和机械制造作为机械设计学的基础，这一时期作为机械学各分支学科如(机械原理与零件、机构学、磨擦学、疲劳寿命等)发展迅速，这一时期的设计方法实质上就是机械学，而忽略了其核心内容“功能”。当然，这一时期机械学的发展为以后机械设计方法学的发展提供了坚实的理论基础。

③第三阶段(现代设计)：以1947年美国的麦尔斯(L.D.Miles)重新提出“功能”的概念为起点，这一时期，对设计学有深远影响的三个重要学科内容被提出，并逐渐发展和成熟。即：(1)“功能”思想的重新提出和发展，(2)“人机工程学”思想的形成与发展，(3)“工业设计”学术体系的发展和成熟。从此开始，人们逐渐研究设计方法的内涵，并成立了一些世界性组织，如欧洲设计研究组织（WDK），从此，设计方法学作为一门新兴学科，快速发展起来。五、设计方法学的作用及目的

①研制物美价廉的产品

②使设计过程合理化，并为设计自动化创造条件

③创造一种又快又好地培养设计师的理论。

④创造一种机械系统的一般设计理论及方法，使其适应日益拓展的机械工程学科。

切记:(1)再好的设计方法，也不能代替天赋很高或一般的工程师的作用。

(2)科学的设计方法可以显著提高设计效率和创新水平。

(3)如果设计按死板的模式进行，则设计工作必被市场淘汰，且毫无个性和魅力。六、设计方法学在各发达工业国家的研究特点

①德国偏重于设计过程和设计规律的研究，采用系统化设计方法进行逻辑分析，并形成了相应的技术标准；

②英、美注意创造性开发及计算机在设计中的应用；

③日本重视研究创造工程学、自动设计及价值工程等。§1-2

设计系统一、设计系统的概念

①设计系统是一个信息处理系统，其处理过程如下：②从系统工程的观点分析，设计系统是一个由时间维、逻辑维、方法维组成三维系统，时间维反映按时间顺序的设计工作阶段，逻辑维是解决问题的逻辑步骤，方法维是指设计中的各种思维方法和工作方法，设计过程中的每一个行为都反映此三维空间中的一个点。需求知识方法理论

设计设计结果反馈信息输入输出产品规划技术设计方案设计施工设计时间维分析综合评价决策形态学矩阵模糊评价方法维逻辑维设计系统输入设计系统输出设计三维系统图示二、各维具体内容

①设计进程模式(时间维)

四个阶段:产品规划、原理方案设计、技术设计和施工设计

(1)产品规划

思路：需求分析→调查研究→可行性论证→详细设计任务书

1)需求分析：是人类对于饮食、衣着、健康、居住、旅行、信息及交谈等方面的需求与愿望，总之，人类希望更加文明的生活是一切产品需求的起源。产品开发是由某种需求识别开始的，需求可能由用户、经营人员或设计者提出。

A、需求的识别，需有问题意识，如：车用ABS系统等

B、要注意潜在需求，如：棉被烘干机

C、要抓住问题实质，如：粮仓驱鼠2)调查研究：针对一个特定任务，对有关情报进行收集和分析，并提出研究结果，做到“知彼知已，百战不怠”，主要有以下几个方面：

A、市场调研包括市场的显式需求与潜在需求，产品销售对象及可能销售量，用户对产品质量、价格、包装、使用维护方面的需求，竞争产品的种类及特点，市场占有率及竞争企业实力状况等。

B、技术调研包括行业技术及技术发展动态，产品技术现状及发展动态，新型元器件及新材料的发展动态，竞争产品技术特点分析，竞争企业开发动向等。

C、社会环境调研包括面向的社会环境及目标市场所处环境，有关经济技术政策，产品种类分布及规模，风俗习惯，社会人员构成，消费水平及心理，购买能力等。3)可行性分析：在调查研究的基础上，分析技术、经济及社会环境上的可行性，并作出可行性报告。

A、技术分析

(1)先进性。大量搜集情报，了解现状及产品的今后发展方向

(2)适用性。明确界定产品的服务对象及服务环境

(3)可靠性。

B、经济分析将经济目的与技术手段结合，力求以最少人力、物力和财力消耗达到满意的功能。

C、社会环境分析随着生产的发展和生产项目的大型化、综合化，生产项目与社会关系日益密切，因此必须严格分析有关项目对社会环境的影响。例：协和式飞机的开发3)可行性分析：在调查研究的基础上，分析技术、经济及社会环境上的可行性，并作出可行性报告。

A、技术分析

(1)先进性。大量搜集情报，了解现状及产品的今后发展方向

(2)适用性。明确界定产品的服务对象及服务环境

(3)可靠性。

B、经济分析将经济目的与技术手段结合，力求以最少人力、物力和财力消耗达到满意的功能。

C、社会环境分析随着生产的发展和生产项目的大型化、综合化，生产项目与社会关系日益密切，因此必须严格分析有关项目对社会环境的影响。例：协和式飞机的开发D、可行性报告

(1)从市场需求预测出发，论述设计项目的必要性

(2)该产品目前国内、外现状水平

(3)确定产品的技术规格，性能参数及约束条件

(4)提出该产品的KnowHow及解决途径

(5)预期达到的技术、经济及社会效益

(6)预算投资费用及项目进度、期限等。4)详细设计任务书(包括研制工作必需的全部重要数据)，其内容有：

A、用途描述

M=F(目的)，其中：M为满足目的的所有解的个数例：传动，可用齿轮、链、皮带等。产品=F(目的，接口条件，G1B1，G2B2，…GnBn)。

B、要求、条件及限制(建议在实际工作中列表，以免疏漏)(a)市场条件(见下页)1、产品的工作名称及用途描述12、尺寸、结构大小(体积)2、市场及用户范围类型(工业国，发展中国家)13、日期(研制开始和结束、试验、出厂交货)3、制造成本、价格14、寿命4、运转费用15、维修条件、维修费用5、每年件数及总件数16、使用特性、舒适程序、自动化程度6、可靠性17、运转条件，如位置、气候、振动7、外形结构18、系统结构或用户专门要求结构8、功率、速度及其它参量19、模块组合式结构或其它类型结构9、精度、测量精度及重复生产性20、附加装置10、效率21、特殊结构11、重量、质量(b)系统属性条件（接口条件）

Ⅰ当机器或仪器与电源或数据网联接时，考虑电参量、电压、电流、比特率及频率等。

Ⅱ几何数据、尺寸，如：使用插座、接头、相机胶片、运输装置等。

Ⅲ重量，如：车辆与桥梁，机器与建筑物等。

Ⅳ人机系统工效数据，如汽车、打字机等。(c)环境条件

Ⅰ环境对研制系统提出条件。

Ⅱ研制系统对外界环境提出条件。(d)法律、规定及标准有关安全、防止事故、允许噪声及射线保护，无线电发射等方面的法律规定。(e)公司结构企业内部工作人员能力、组织情况、基础结构，及该企业或该国生产手段，是否需外协加工等。(2)方案设计：常用系统化设计法即功能分析法思路：抽象出总功能（功能分解）→分功能、功能元（功能元求解）→功能载体（功能综合）→系统级原理方案解（评价）→最优系统原理方案解→原理方案图其具体内容在第二章讲述。原理方案设计有时必须进行原理实验，对主要参数和基本工艺进行分析，最终结果用原理方案图表述。在原理方案设计阶段注意新原理、新技术的应用，有时会带来突破性的结果。如：超声马达、石英表、椭圆车削机床、风力发电机等。内燃机运动简图(3)技术设计：将原理方案解物化为具体零件或机器思路：总体设计→构形设计(结构设计)→商品化设计→模型试验→机器装配草图、计算说明及程序

1)总体设计：机器各部件总体布置，运动配合关系及人-机-环境的合理配置。

2)构形设计：广泛利用各种物理效应，合理设计各功能单元结构和材料，确定参数和尺寸，考虑加工和装配，使结构简单可靠、实用合理。

3)商品化设计：提高产品的附加值和市场竞争能力，主要工作是：进行价值分析，保证功能，提高性能，降低成本；人-机工程设计，提高产品的舒适性；工业造型设计，提高产品的美学价值。

4)模型试验：主要检查产品的功能及性能，以便改进，满足原设计要求。(4)施工设计思路：机器可生产图纸、各类设计文档→工艺文件→转向制造过程②设计的步骤（逻辑维）思路：分析→综合→评价→决策，该过程是一个循环往复的过程

(1)分析：明确问题的本质要求，这是解决问题的第一步。

(2)综合：在一定条件下，对未知系统探求解法的创造性过程，用“抽象”，“发散”，“探索”等创造性思维方法尽量找到较理想最佳解。

(3)评价：筛选的过程，从技术、经济、社会等多个方面，用科学方法进行多方案比较和评定，同时针对某些方案的弱点进行调整和优化，直到获得满意的结果。

(4)决策：在评价的基础上根据已定的多目标找出解决问题的最佳解法。③方法维：凡是在设计中可采用的技术方法都是方法维的内容，一些新的单项设计技术正成为设计中有力的方法与工具。具体参考教材P9表1-2。问题分析要求综合求解评价决策最佳解§1—3设计类型及设计原则

一、产品设计类型

①开发型设计：设计原理方案未知，根据功能及约束条件全新设计，也称创新型设计②适应型设计：原理方案基本不变，变更部分零件或结构，使产品广泛满足要求。③变参数型设计：功能原理方案不变，改变性能参数、尺寸，满足不同工作需要。

注：测绘与仿制，确切来讲并不算设计，但也是当前产品开发中的一个重要内容。二、产品设计原则①创新原则：设计中利用创造性思维，提倡在继承基础上创新。②可靠原则：使用中的可靠性、无故障运行时间是产品的一项重要指标。③效益原则：技术、经济和社会效益满足用户要求。④审核原则：设计是一种信息加工、处理、分析、判断、决策及修正过程，每一过程都必须严格审核，尽量减少错误信息流入下一过程“协和”飞机主要参数翼展：25.56米机长：62.10米机高：