基于系统工程的综合设计法在产品研究与开发中的应用

基于系统工程的综合设计法在产品研究与开发中的应用基于系统工程的综合设计理论与方法在产品研究与开发中的应用

0、引言1、产品的设计质量及功能与性能的含义2、产品的设计理论与方法的分类3、产品设计三个阶段及7D总体设计规划模型4、面向产品广义质量的1+3+X综合设计法

5、以非线性理论为基础的深层次综合设计法6、理论与方法的具体应用00、结语Date20.引言0.1装备制造业在国民经济发展中的地位

装备制造业是国民经济的物质基础和产业主体，是富民强国之本，是推进信息化的主导产业,是科学技术的基本载体，是实现技术创新的主要舞台,是国家竞争力的重要体现，是国防建设的“装备部”，它决定着我国在国际分工中的地位。

我国是制造大国,是世界工厂,但还不是制造强国。Date3表1我国GDP与制造业工业增加值(表2)年份当年价（亿元）GDP制造业工业增加值制造业的比重（%）19526798913.0719783624127935.2919858964284031.681995584782057835.202000894423225536.0620021023983615135.30Date4图1中德日美四国制造业增加值变化情况

Date50.2我国制造业的优势、劣势、机遇、威胁分析优势●较低的劳动力成本●广阔的潜在消费市场●比较完善的制造业体系●经济持续健康协调快速增长●以改革开放为核心的政府政策支持劣势●技术创新能力薄弱●市场经济发育不完善●国有企业总体活力不足●缺少具有国际竞争力的大型企业包括具有总承包能力的工程公司机遇●发达国家的制造业向发展中国家转移步伐加快●以信息技术为代表的高技术与制造业的融合提供了制造业水平提升的机遇●城市化建设加快，人民生活水平和消费能力持续提高威胁●资源短缺、水资源危机、生态环境恶化●国际贸易保护主义加剧，技术壁垒加重●庞大的人口带来巨大的就业压力●国内市场与国际市场接轨，竞争加剧Date60.3我国装备制造业存在的不足

新中国成立50多年来,我国制造业得到了长足的发展,已取得了重大成就,目前我国已成为制造业的大国、世界制造工厂。但我国与制造强国相比还有较大差距。原因是多方面的，以下几点应引起重视：

(1)目前我国许多重大装备还大量依赖进口;(2)许多难度较大产品的质量与性能与国外的相比,还有较大差距;(3)自主开发的产品还较少,有的还不能制造;(4)总的来看,产品的技术含量有待提高。

本世纪初我国正在依靠科学技术进步，开拓出一条发展制造业及通向制造强国之路。Date70.4应该采取的措施

（1）掌握国内外需求情况和产品开发的切入点

（2）把握产品国内外的发展水平及国际前沿（3）建立强有力的产品研究和开发的队伍（4）在产品研发中开展自主创新设计

（5）创建试验研究的良好条件和环境

（6）重视产品研究开发过程中的五大要素（7）把提高产品设计质量放到首要的地位

（8）采用先进的产品设计理论与方法Date8

近几年,我对产品的设计理论与方法进行了研究,提出了一种基于系统工程的产品设计理论与方法，该方法的特点是：以用户需求为前提，以多科学的理论与技术的交叉融合为基础，以科学发展观的思想和产品自主创新思想做指导，以提高产品广义质量（五大要素）为目标，以功能设计和结构、使用和制造性能设计的内容，以功能优化动态优化、智能优化和可视优化及数字化为方法，提出了一种基于系统工程的产品设计理论与方法。

在我写的多部著作中已做了叙述:

(1)面向产品广义质量的综合设计理论与方法，科学出版社,2006(2)产品的全功能和全性能的综合设计，共６本，机械工业出版社,2008,（已出版３本）Date9

1、产品的设计质量及功能与性能的含义

主功能转变加工对象（被加工物件、物体或物质）的几何形态、物理状态、化学组成、生理机能和进行信息的传输与处理等工作。

辅助功能为实现基本功能需完成的辅助工作，例如，加工对象（物件、物体或物质）的转运、装卸和固定等；工作机构需获得所需的运动形式；系统需获得所需的动力；操纵指令信号的发出及执行；工况信息的采集、测试与系统的控制等。运动传输信息传输能量传输物质输出指令传递能量输入信息采集物质输入运动输入指令输入图1产品的主功能与辅助功能1.1产品的主功能与辅助功能Date10

1.1产品功能的内涵及主要特性

图2.2功能结构简图和对功能的要求及其主要特性图2产品功能要求及主要特性1、结构布置实现主、辅功能所对应的结构2、机构驱动、2动、工作机构3、参数

几何参数、工艺参数运动参数、动力参数4.系统物质转运系统、运动形式转换系统、能量传输系统、指令输入系统、状态控制系统功能设计四项内容用1、2、3、4加以概括Date111.2产品的三大性能图3现代机械产品的三大性能系统可靠性

工作可靠性人机安全性材质造应性工作耐久性结构紧凑性环境无害性造型艺术性设计经济性结构性能Q狭义质量C价格T生产周期E环境S售后服务机械产品设计质量工效实用性工作稳定性指标优越性设备动力性状态测控性故障可诊性操作宜人性使用经济性制造工艺性零件规范性容差合理性生产时间性设备维修性装运可行性废品回收性制造经济性

工作性能

工艺性能Date12

1.3产品质量与设计质量的定义

早期把产品质量理解为产品技术特征符合规定要求的程度(质量的“符合性”定义).20世纪60年代，美国质量管理专家朱兰提出了“质量是满足顾客需求的程度”的观点，被称为质量的“适用性”定义。ISO于1986将质量定义为“产品或服务满足规定或潜在需要的特征和特性的总和”。ISO于1994质量定义:反映实体满足明确和隐含需求的能力的特性总和。ISO于2000质量定义:一组固有特性满足要求的程度。作者认为产品质量的定义因不同的前提条件而有所区别，产品质量分为产品的使用质量、设计质量、制造质量和包装质量等。产品使用质量，或产品的质量Q的定义应是:执行或完成使用的工作要求所能表现的能力(或所能达到的水平)。产品设计质量的定义应是:执行产品设计的工作要求所能表现的能力(或所能达到的水平),产品设计质量=功能+性能.Date132产品设计理论与方法及其分类

2.1产品的设计方法（多数采用分析思维模式）

(1)比较著名的设计理论与方法:

1)前苏联的TRIZ理论

2)德国普适理论(物质流、能量流、信息流)

3)美国的四个映射域公理设计理论(需求域、功能域、

物理域、过程域)

4)日本的QFD设计法和三次设计法等

我国也进行了大量研究，取得了许多重要成果。

(2)最近发展的主要设计理论与方法:

1)创新设计,概念设计

2)数字化设计,虚拟设计

3)全生命周期和全性能优化设计

4)材料与结构等一体化设计,多学科交叉综合设计Date14

3、产品的设计方法及其分类

2.2产品的设计方法的分类（分析思维模式与综合思维模式的结合）图4现代机械设计方法的分类方案设计结构设计机构设计几何参数设计工艺参数设计造型设计传动设计摩擦学设计运动学设计动力学设计可靠性设计强度设计试验设计工艺设计监测系统设计诊断系统设计容差设计控制系统设计基础设计三化综合设计1+3+X设计面向产品结构性能的动态优化设计面向产品工作性能的智能优化设计面向产品工艺性能的可视优化设计三次设计全生命周期优化设计面向产品总体质量的广义优化设计创新设计基于系统工程的设计概念设计ＴＲＩＺ发明解决问题稳健设计改型设计优化设计智能设计虚拟设计网络设计反求设计并行设计可视化设计协同设计相似性设计数字化设计快速反应设计集成设计柔性化设计融合设计模块化设计模糊设计优势设计CAＥＱＦＤ设计公理化设计系统化设计过程常规设计过程和谐设计绿色设计面向产品质量的设计基于价值工程的设计功能设计全性能设计现代机械设计方法汇总表设计过程设计方法设计思想组合型设计设计目标设计环境设计内容Date15

3产品设计的三个阶段与7D总体设计规划设计思想域DI设计环境域DE设计目标域DO

设计过程域DＰ

设计内容域DC设计方法域DM质量检验域DA主观能动效应客观环境要求用户信息获取功能需求实现

功能与性能的需求实现功能性能评价全局性态规划一规划阶段二

实施阶段三

检验阶段图5产品设计的三个阶段3.1产品设计的三个阶段：规划、实施与检验阶段Date16

基于系统工程的产品全功能和全性能的设计规划面向产品广义质量或全功能全性能优化设计思想以科学发展观和自主创新思想作指导。贯彻绿色设计、创新设计或基于系统工程的设计思想设计目标产品广义质量（功能+性能）Q、C、T、E、S拟选用全功能设计法、全性能设计法或QFD设计法等。设计质量检验拟选用产品质量可靠性评估方法、模糊评估法、价值评估法或系统工程评估法等设计方法拟选用优化设计、可视化设计、虚拟设计、数字化设计、智能设计、协同设计、并行设计、网络设计或集成设计等设计环境要充分考虑产品的设计环境对产品设计提出的要求如政治、经济、社会、人文和法律环境的要求设计内容拟选用功能设计、结构设计、参数设计、动态设计、强度设计、传动设计、造型设计、摩擦学设计或控制系统设等设计过程由用户需求、产品功能优化、性能优化、工艺优化及产品检验等组成的五个过程图6产品设计的7D总体规划模型(60多设计法都可以找到它们自己的位置)Date17

3.2产品设计的7D总体规划

（1）明确设计思想：在科学发展观和自主创新思想指导下完成产品设计工作；

（2）考虑设计环境：如政治、经济、人文环境、法律环境、社会环境（指国际与人际环境）、生态环境、技术环境的要求等；

（3）确定设计目标：也就是本书所指的面向产品的广义质量和实现产品功能和性能的优化

（4）拟订设计步骤：设计过程和步骤是用户需求获取、制订设计任务书、产品概念设计、详细设计、工艺设计；Date18

（5）规划设计内容：设计内容就是面向产品功能和三大性能的功能优化设计、动态优化设计、智能优化设计和可视优化设计等；

（6）选择设计方法：如选择广义优化设计法、可视优化设计法、数字化设计法等；

（7）检验设计质量：建立产品质量的可靠性评估体系，采用模糊评价法、价值工程评价法等对产品设计质量进行评估，克服产品设计工作中的随意性，进而可提高产品的设计质量，使企业产品的设计质量得到有效的保证。此外，还要通过试验及在产品使用过程中来检验产品质量。Date193.3产品设计规划应是一个完整的技术系统产品设计总体规划的7个映射域与产品设计的7D总体规划模型:(1)明确设计思想；(2)考虑设计环境；(3)确定设计目标；(4)拟订设计过程；(5)规划设计内容；(6)选择设计方法；(7)检验设计质量.。产品设计应是一个完整的技术系统：

(1)对产品设计工作进行全面系统的规划；(2)对具体的设计过程制出订完整细致的计划；(3)对设计结果进行评价与检验。完整的技术系统可以保证技术工作得到全面、系统、协调、稳定、高速、可持续地实现．克服产品设计工作中常常出现的随意性、片面性、主观性、盲目性等。非完整的技术系统会产生许多不良的结果，如设计目标未能实现，设计延期，反工，误工，造成浪费等。Date20序号1234567规划内容设计思想设计环境设计过程设计目标设计内容设计方法设计质量检验正面效应全面性、系统性、思想性协调性客观性计划性规范性目的性具体性科学性有效性结果清晰性负机

效应片面性盲目性主观性随意性缺乏计划性盲目性内容空洞抽象缺乏科学性失效性模糊性可能出现的问题

1、功能和性能达不到要求；2、反工，误工，延期；3、产品出厂后出现问题；4、产品经济性差，造成不必要的浪费。完整系统与非完整系统结果的比较(表3)Date21

完整系统与非完整系统的理论分析

设一完整的技术系统由

个元素所组成，其中为必要元素,因此,可以写成：

很明显,不必要元素对系统不会产生影响,所以在设计开始时,应该找出那些不必要的元素,并删去,这样可以简化设计系统的复杂性,减少技术工作的难度。

非完整的技术系统(缺少

个必要元素)可表示为如果该系统是线性的话，那么，完整系统与非完整系统的关系是

Date22

技术工作中的各元素在整个系统中所起的作用是不相同的,它们有不同的权重,因此,可以用权重影响系数乘以各元素,使各个元素在系统中根据其作用大小实现其等价性的原则。完整系统与非完整系统的质量可分别表示为

完整系统与非完整系统质量之差为

完整的技术系统可以使技术工作得到全面、系统、协调、稳定、高速、可持续地开展。

非完整的技术系统会产生许多不良的结果，如功能和性能达不到要求、返工、误工、延期、产品出厂后出现问题、产品经济性差、造成不必要的浪费等(表3)。Date233.4设计目标、设计内容与设计方法的关联性。产品设计目标设计内容与设计方法之间的关系：F为设计目标矩阵,；D为设计内容矩阵；A为方法矩阵，如果产品设计含有老3个设计目标的话，则设计方法矩阵为

由前式可以求得设计内容的元素：

对于线性系统

A，A为常数，对于非线性系统Ａ不为常数.，

如果A是对角矩阵，那么这个求未知元素的方程是独立的，未知元素与已知功能或性能的关系是1对1的关系。Date24

4.面向产品广义质量的综合设计法

综合设计法：考虑单一设计方法的局限性，从宏观角度或系统工程角度，在现有的一些主要的方法中找出对产品总体质量有重要影响的3、4或更多种方法，在设计中加以综合。

A、三种设计方法综合在一起的设计法：如动态优化设计、智能化设计和可视化设计等3种方法综合在一起的设计方法，称为三化或三优综合设计法。B、四种设计方法综合在一起的设计法：如“产品质量功能化设计、动态优化设计、智能化设计和可视化设计等4种方法综合在一起的设计方法，可以称为四化综合设计法或称为1+3综合设计法，其中1为产品的方案设计，后面的3是三化综合设计法。

C、更多种设计方法的综合：如（1+3）+X

设计法，1+3和前面的相同，而X考虑一些产品的特殊要求而采用的设计方法。Date25机械产品深层次的（1+3）+X综合设计法的内容与特点现代机械动态优化设计动态优化设计动态可靠性设计工作参数智能控制工作过程智能控制产品装配可视化设计工作过程可视化图7现代机械产品的1+3+X综合设计法的内容与特点

产品的1+3+X综合设计法X：依据产品特点而应该采用的设计方法，如轿车，要考虑造型设计等现代机械智能优化设计现代机械可视优化设计以功能优化设计为先导的设计Date26

4.1产品的功能优化设计功能优化设计指令输入系统工况控制系统能量输入系统改变物质几何形态改变物质物理状态改变物质化学组成转换信息表示形式改变物质生理机能物质输送功能运动形式转变物件装夹功能系统能量输入指令信号输入控制信息转换辅助功能主功能目标内容

图8功能设计的目标、内容与方法方法与步骤优化设计智能设计可视化设计机器整体结构物质输送系统运动学参数动力学参数工艺参数几何参数驱动机构型式传动机构型式工作机构型式运动输入系统辅助功能部结构主功能部结构设计思想设计环境Date27

4.2产品的动态优化设计

图9动态优化设计的目标、内容与方法内容方法与步骤目标动态优化设计方案设计结构设计机构设计运动学设计摩擦学设计动力学设计强度设计可靠性设计造型设计参数设计驱动系统设计传动系统设计优化设计智能设计可视化设计有限元设计数字化设计CAE设备创新性工作耐久性安全可靠性材质适应性结构紧凑性环境协调性造型艺术性设计经济性设计思想设计环境

结构性能Date284.3产品的智能优化设计

图10控制系统及智能优化设计的目标、内容与方法工效实用性指标优越性工作稳定性设备动力性状态测控性故障可诊性操作宜人性使用经济性设备创新性环境协调性方案设计结构设计机构设计运动学设计试验设计动力学设计参数设计监测系统设计控制系统设计诊断系统设计方法与步骤目标使用性能内容控制系统及智能优化设计优化设计虚拟设计智能设计数字化设计CAE设计思想设计环境Date294.4产品的可视优化设计优化设计智能设计可视化设计有限元设计数字化设计CAＥ目标工结使艺构用性性性能能能方法与步骤图11可视优化设计的目标、内容与方法可视优化设计容差设计方案设计结构设计机构设计运动学设计动力学设