现代设计方法(第1章)

《现代设计方法》教材：现代设计方法

梅顺齐何雪明主编

2009年华中科技大学出版社第一章现代设计方法学教学目的：

产品设计的一般过程、设计的一般原则；技术系统的确定方法；方案设计阶段的系统化设计方法的基本思路及功能分析设计法的原理、方法和步骤；设计决策的基本原则；评价目标和方法。重点：技术系统及其确定的一般方法；功能分析设计法的基本原理、方法和步骤。难点：功能分析设计法的基本原理、方法和步骤。德国：侧重于设计进程、步骤和规律的研究；英国：侧重于创造性开发的分析和计算机的应用；美国：侧重于设计理论体系的研究和设计方法的应用；日本：在智能设计和价值工程方面颇为突出；俄罗斯：侧重于发明与创新活动的方法问题；中国：侧重于理论吸收和应用研究。

设计是一种创造性活动，设计方法学是以系统的观点来研究产品的设计程序、设计规律和设计思维及其方法的综合性学科。1.1.1设计方法学的含义1.1

设计方法学概述1.1.2设计方法学的研究内容(1)设计对象：是一个能实现一定技术过程的技术系统。满足特定需要，具有特定功能的技术系统并非唯一；影响某个技术系统的因素多种多样。(2)设计过程和程序：思维过程和活动规律。设计活动的实现过程（思维过程和活动规律）。它将产品(即设计对象）视为由输入、转换、输出三要素组成的系统，重点研究将功能要求转化为产品结构图纸的这一设计过程。需求设计活动产品1.1

设计方法学概述(5)设计信息管理：设计活动中涉及到的知识体系和各种信息的综合管理及其应用。(6)现代设计理论与方法的应用：上述设计学研究内容的工程应用，以及如何在设计过程中提高设计质量和设计效率。(4)设计评价：设计指标体系和评价方法。设计质量的评定方法。(3)设计思维：创造性思维的一般规律和方法。1.1.2设计方法学的研究内容1.1

设计方法学概述1.2.1

产品设计的一般过程产品设计活动受到市场需求和设计主体对社会效益或经济效益的追求两个因素的驱使。其一般过程为：产品规划原理方案设计技术设计施工设计需求分析可行性分析技术要求设计规划功能分析原理方案经济学评估原理择优原理实现详细设计结构和造型技术文献工艺规划经济性分析制造过程设计说明1.2

产品设计过程与设计原则3、技术设计阶段是把新产品的最优原理方案具体化。首先是总体设计，然后分为同时进行实用化设计和商品化设计两条设计路线。总体设计实用化设计：商品化设计：结构设计→结构方案→结构设计技术文件、总体布置草图、结构装配草图。造型设计→外观方案造型设计→外观方案→造型设计技术文件、总体效果草图、外观构思模型。1.2

产品设计过程与设计原则对于企业来讲，产品设计是三大核心任务之一。开发设计生产制造1.2

产品设计过程与设计原则市场营销阶段步骤方法主要指导理论产品规划设计方法预测技术设计方法学技术预测理论市场学信息学机械产品设计一般过程信息集约可行性报告、设计要求项目表产品设计任务预测调研可行性分析明确任务要求阶段步骤方法主要指导理论原理方案设计系统化设计法创造技法评价决策方法系统工程学形态学创造学思维心理学决策论模糊数学总功能分析原理参数表、方案原理图功能分解功能载体组合功能原理方案(多个)功能元求解原理试验评价决策最优原理方案阶段步骤方法主要指导理论技术设计价值设计优化设计可靠性设计宜人性设计产品造型设计系列化设计机械性能设计工艺性设计自动化设计价值工程学最优化方法、工程遗传算法可靠性理论与实验人机工程学工业美学模块化设计、相似理论有限元法、动态设计、摩擦学设计、高等机构学机械设计的工艺基础控制理论、智能工程、人工神经元计算方法、专家系统结构方案(多个结构价值分析试验模型试验总体设计结构设计造型设计造型价值分析外观方案(多个评价决策评价决策最优结构方案最优造型方案最优技术设计方案总体布置图、装配草图、技术文件总体效果图、外观效果模型阶段步骤方法主要指导理论施工设计各种制造、装配、造型、装饰、检验等方法各种工艺学批量生产计算机辅助制造销售反馈控制法零件工作图外观件加工工艺、面饰工艺规程部件装配图效果图、检验标准技术文件造型工艺文件试制修改批量生产技术服务用户访问产品设计四大类型：

开发性设计、适应性设计、变参数设计、测绘和仿制。（1）开发性设计。在设计原理、设计方案全部未知的情况下，根据产品总功能和约束条件，进行全新的创造。如专利产品、发明性产品。1.2

产品设计过程与设计原则1.2.2

产品设计的类型和一般原则介绍：现代新产品开发模式开发性设计1.2

产品设计过程与设计原则开发性设计介绍：新产品开发的一般模式1.2

产品设计过程与设计原则介绍：某集团公司技术准备和生产准备流程开发性设计1.2

产品设计过程与设计原则（2）适应性设计。在总的方案和原理不变的条件下，根据生产技术的发展和使用部门的要求，对产品结构和性能进行更新改造，使它适应某种附加要求。如电冰箱从单开门变双开门、洗衣机由单缸变双缸再到全自动等。（3）变参数设计。在功能、原理、方案不变的情况下，只是对结构设置和尺寸加以改变，使之满足功率、速比等不同要求。如不同中心距的减速器系列设计、排量不同的发动机设计等。1.2

产品设计过程与设计原则1.2.2

产品设计的类型和一般原则适应性设计与变参数设计单门—双门—对开门—三门—多门109升—181升—201升—231升—249升—310升—450升介绍：美菱冰箱系列产品适应性：方案原理不变的条件下，根据使用要求对结构和性能进行改进。变参数：大多对功率或尺寸（体积）进行更新。（注：大型制造和为制造中的尺寸改变可能会导致原理的根本性变化。）1.2

产品设计过程与设计原则（4）测绘和仿制按照国内外产品实物进行测绘，变成图纸文件，其结构性能不改变，只进行统一标准和工艺性改动。1.2

产品设计过程与设计原则1.2.2

产品设计的类型和一般原则介绍：反求逆向设计测绘与仿制1.2

产品设计过程与设计原则测绘与仿制1.2

产品设计过程与设计原则产品设计遵循四个基本原则：

创新原则、可靠原则、效益原则、审核原则。（1）创新原则。

设计本身就是创造性思维活动。（2）可靠原则。

无故障运行时间的长短，是评价产品质量优劣的一个重要指标。（3）效益原则。

在可靠的前提下，力求做到经济合理，创造较高的技术经济效益和社会效益。（4）审核原则。1.2

产品设计过程与设计原则1.2.2

产品设计的类型和一般原则具有特定功能或职能的事物集合，简称为技术系统——通常构成产品。产品市场调研可行性报告方案设计及优化方案设计、优化及其评估是设计工作及其重要的环节……1.3

技术系统及其确定1.3.1

技术系统技术系统所具有的功能，是完成技术过程的根本特性。从功能的角度分析，技术系统应具有下列能完成不同分功能的单元。（1）作业单元，完成转换工作；

（2）动力单元，完成能量的转换、传递与分配；

（3）控制单元，接受、处理和输出控制信息；

（4）检测单元，检测技术系统各种功能的完成情况并反馈给控制单元；

（5）结构单元，实现系统各部分的连接与支承。1.3.1

技术系统1.3

技术系统及其确定图CNC机床内部功能构成

技术系统（黑箱）物料M能量E信号S物料M′能量E′信号S′输入边界伴生输出伴生输入图1-1技术系统与环境1.3.1

技术系统1.3

技术系统及其确定未知已知黑色白化机电一体化产品（黑箱）物料能量信息物料′能量′信息′伴生输出伴生输入功能载体求解即：黑箱法的表达工程设计中常用的抽象方法是“黑箱法”1、黑箱法的基本原理：

将所要实现给定功能的技术系统看作为一个未知内部功能结构、功能载体的“黑箱”，通过对输入量和输出量的分析，逐步掌握输入和输出的基本特征和转换关系，寻求能实现这种基本特征和转换关系的工作原理和功能载体。物料：固体、液体、气体等任何物体；能量：机械能、电能、热能、化学能、光能等；信息：数据、指示值、测量值、控制信号、波形等。物料的转换指：如何将毛坯、半成品转换成成品；能量的转换指：如何将其它形式的能量转换成机械能或机械能变成其它形式能量；信息的传输或转换指：将物理量测量和显示、控制信号的传递等。1.3

技术系统及其确定图1-1中：传递信号流的技术系统称为仪器，

传递能量流与物料流的技术系统称为机器。机器分为机械和器械：

机械以能量流和能量变换为主，如电动机、汽轮机；

器械以物料流和物料变换为主，如加工中心、管道运输系统等。

确定技术系统的主要方法包括信息集约、调研预测、可行性分析等。1.3.1

技术系统1.3

技术系统及其确定信息集约旨在对产品相关信息进行搜集整理、分析加工，一般应由企业各部门共同完成。

（1）情报部门

（2）开发部门

（3）制造部门

（4）营销部门

（5）公关部门

（6）社会部门1.3.2

信息集约1.3

技术系统及其确定

调研预测一般从市场、技术、社会环境及企业环境四个方面进行。

（1）市场调研

（2）技术调研

（3）社会环境调研

（4）企业环境调研1.3.3

调研预测1.3

技术系统及其确定

由企业内所有业务部门参加的并行设计组和用户共同进行可行性分析，提出可行性报告，可行性报告一般包括下列内容：（1）产品开发的必要性和可能性；（2）目前国内外该产品的现状及发展水平；（3）确定产品的技术规格、性能参数和约束条件；（4）提出该产品的技术关键和解决途径；（5）预期达到的技术、经济、社会效益；（6）预算投资费用及项目进度、期限。1.3.4

可行性报告1.3

技术系统及其确定明确设计要求、拟定设计目标、确定技术参数功能分析与原理实现对比分析与择优（经济性要求）设计任务书调研报告可行性报告设计说明书制造工艺编制1.4

方案的系统化设计功能分析设计法是系统化设计中探寻功能原理方案的主要方法。设计任务求总功能求功能元解原理解组合总功能分解为功能元评价与决策最佳原理方案形态学矩阵法创造性方法、目录法、调查分析法黑箱法

分析综合设计要求表功能树、功能结构图各种评价方法评价决策图1-2功能分析设计法原理方案设计步骤1.4

方案的系统化设计总功能功能元解功能原理方案最佳功能原理方案明确任务黑箱法功能树创造技法形态学矩阵评价法功能元功能分析法(Functionanalysis)，将机械产品的总功能分解成若干功能元(Functionelement)，求解功能元，将其组合，得到满足总功能要求的多种解决方案供评价选择。1.4

方案的系统化设计设计要求主要内容功能要求功能是系统的用途或完成的任务。使用性能要求精度、效率、生产能力、可靠性等。工况适应性要求指工况在预定范围内变化时，产品适应的程度和范围，包括作业对象特征和工作状况等的变化，如物料的形状、尺寸、温度等，提出为适应这些变化的设计要求。宜人性要求系统符合人机工程学要求，适应人的生理和心理特点，操作简单、准确、方便、安全、可靠。1.4

方案的系统化设计1.4.1

明确设计要求表1-1主要设计要求设计要求主要内容外观要求包括外观质量和产品造型要求、产品形体结构、材料质感和色彩的总和。环境适应性要求指环境在预定的范围内变化时，产品适应程度和范围，如温度、粉尘、电磁干扰、振动等在指定范围内变动时，产品应保持正常运行。工艺性要求为保证产品适应企业的生产条件，应对毛坯和零件加工、处理和装配工艺性提出要求。法规和标准化要求对应遵守的法规和采用的标准以及系列化、通用化、模块化等提出要求。1.4

方案的系统化设计表1-1主要设计要求设计要求主要内容经济性要求对研究开发费用、生产成本以及使用经济性提出要求。包装和运输要求包括产品的保护、装潢以及起重、运输方面的要求。供货计划要求包括研制时间、交货时间。1.4

方案的系统化设计表1-1主要设计要求技术系统由构造体系和功能体系构成。建立构造体系是为了实现功能要求。

1.功能的含义功能是对于某一产品的特定工作能力的抽象化描述。功能就是一个技术系统在以实现某种任务为目标时，其输入输出量之间的关系。输入和输出可以抽象为能量、物料和信息三要素。1.4.2

功能分析1.4

方案的系统化设计能量：机械能、热能、电能、光能、化学能、核能、生物能等；物料：材料、毛坯、半成品、固体、气体、液体等；信息：数据、控制脉冲、测量值等。

实现预定的能量、物料和信息的转换就体现了机械系统的功能。1.4

方案的系统化设计1.4.2

功能分析

2.功能分析确定总功能，将总功能分解为分功能，并用功能结构来表达分功能之间的相互关系，这一过程称为功能分析。1）总功能分析将设计的对象系统看成一个不透明的、不知其内部结构的“黑箱”，只集中分析比较系统中三个基本要素（能量、物料、信息）的输入输出关系，就能突出地表达系统的核心问题——系统的总功能。

2）功能分解总功能可以分解为分功能，分功能可继续分解，直至功能元。1.4.2

功能分析1.4

方案的系统化设计图1-3黑箱模型1.3

技术系统及其确定1.4.2

功能分析自走式谷物联合收割机（黑箱）谷物驱动能驱动信号谷粒工作机构能量显示信号噪声废气温度茎秆谷壳振动土壤湿度风力1.3

技术系统及其确定1.4.2

功能分析图1-4功能树示例支承物支承人自支承传动驱动光报警声报警防盗制动转向变速夹紧物定位物支承位移安全报警控制转移人和物在陆地上的位置功能系统和功能单元；主要功能和附加功能；总功能和独立功能。功能的层次性：底盘发动机变速器悬架系转向系车载空调系统车架底盘总成功能元：不可再分的最小功能单元。功能树：1.4

方案的系统化设计功能结构图可用来表示各分功能之间的关系。（1）链式结构，各分功能按顺序相继作用；F1F2F3F1F2F3（2）并列结构，各分功能并列作用，例如，车床需要工件与刀具共同运动来完成加工工件的任务；1.4.2

功能分析1.4

方案的系统化设计图1-5功能结构的基本形式（3）循环结构，各分功能组成环状循环回路，体现反馈作用。F1F2F31.4.2

功能分析1.4

方案的系统化设计夹紧工件旋转工件夹紧刀具送进刀具图1-5功能结构的基本形式

把总功能分解成一系列分功能（功能元）之后，即可确定各个功能元的原理方案。在确定各功能元的原理方案时应按以下方式进行：（1）用不同的技术过程来实现同一种功能；（2）选用不同的运动规律来对应不同的功能；（3）选用不同的工作原理、不同的机构来满足同一种功能要求；（4）选用、创造不同的机构及组合来实现同一种工作原理；（5）将以上求得的分功能（或功能元）的原理解按照功能结构组合成总功能原理解；（6）从多个可行总功能原理解中选出最佳原理方案。1.4.3

功能原理设计1.4

方案的系统化设计功能原理设计的落脚点：是为不同的功能、不同的工作原理、不同的运动规律匹配不同的机构，这就是通常所说的型、数综合，而且通过上述的排列组合，会出现非常多的功能原理解，产生很多的技术方案，这就为优选方案提供了基础。功能元求解是方案设计中重要的“发散”、“搜索”阶段，功能元求解的方法有以下三种：（1）参考有关资料、专利或相似产品求解；（2）利用各种创造性方法开阔思路探寻解法；（3）利用设计目录求解。1.4.3

功能原理设计1.4

方案的系统化设计

将各功能元的局部解合理组合，可以得到多个系统原理解。一般采用形态矩阵法进行组合，即将系统功能元和局部解分别作为纵、横坐标，列出形态矩阵。1.4.3

功能原理设计1.4

方案的系统化设计表1-3挖掘机的形态学矩阵分功能解法12345动力源电动机汽油机汽轮机液压马达气动马达移位传动齿轮传动蜗杆传动带传动链传动液力耦合器移位轨道及车轮轮胎履带气垫取物传动拉杆绳传动汽缸液压缸取物挖斗抓斗钳式斗

设计过程中每个问题得以解决都需要评价和决策。评价过程：是对各方案的价值进行比较和评定；决策：是根据目标，