《现代设计方法》课件第2章

第2章项目策划及功能分析设计方法2.1概述2.2设计计划及组织2.3功能分析设计方法

2.1概述

在开展一项产品（技术系统）设计工作时，首先要进行项目策划及规划，明确设计任务及目标。项目策划是一项至关重要的工作，策划不当会造成人力、物力、财力以及时间上的极大损失。确定项目及设计任务后，即可根据设计要求进行原理方案设计。开发一项全新的技术系统，其原理方案往往是未知数，即便是开发非全新的一般系统，要获得市场的认可，设计人员也要花费很大的心血。为此，需要设计师开展创造性思维和技术活动，充分应用现代设计方法、设计原理，广纳成熟的、先进的科学技术成果，尽力使设计在原理上新颖、正确，在实践中可行，在技术上先进，在经济上合理，富有时代感。设计的核心是创意、构思、规划原理方案以及通过什么样的技术途径获得特定功能的系统。

2.2设计计划及组织

2.2.1设计计划

1．设计任务的提出

认识事物要经过提出、分析和解决问题三个阶段。显然，提出问题是最重要的，只有敢于而且能够提出问题，才能剖析并解决问题。

开发设计一项产品首先要提出一种需求，这种需求可以由使用者或生产者提出，也可以由设计者提出。由使用者或生产者提出的设计称为合同（或任务）设计。由设计者提出的设计称为自主开发性设计。据统计，大约80%的新产品的开发是市场驱动的。因此可以说，市场（消费需求）或者潜在市场需求是开发设计的最直接诱因和原动力。要从市场中获得因“需求”而“设计”的思想火花，那么开发设计人员的思维要灵活，注意培养各方面的能力，特别应具备以下能力：

（1）洞察、辨识能力。要细致地观察社会，深入生活，在了解事物的现状和人的渴望之后，才能发现某项需求并抓住问题的本质。

（2）感觉、领悟能力。以直觉预感到某种社会需要，特别是潜在的市场需求。

（3）捕获、解读及评判信息的能力。产品设计一般有两种情况：其一是全新原创设计，获得这种需求的关键是信息，应充分掌握产品及市场情况；其二是再设计（或重新设计），当市场对某产品不满意时，可通过重新设计来解决其存在的问题，例如提高产品质量，降低成本，减少或根治环境污染，采用最新技术等。对于重新设计，提出需求的关键是明确存在的问题是什么，为什么要重新设计。

总之，认识一种需求本身就是一件创造性的工作，有时提出设计并不比完成设计容易，应努力探求有价值的创意与构思。

2．产品开发需求分析方法

需求分析可按照市场调查和预测来进行。

1）市场调查

市场调查是指根据具体的目的和任务，通过市场调研员与消费者面对面的交流访谈，或充分利用现代信息技术，展开广泛的市场需求调研，以获得社会需求的大量数据和信息。市场调研有许多方法，常用的有直接观察法、统计法和中心小组法。

（1）直接观察法：通过调研员观察顾客使用现有产品的过程或顾客的行为，取得相关数据和信息，一般适用于重新设计的产品。

（2）统计法：将设计好的调查问卷通过邮件、电话或者座谈等方式征集特定的信息和意见，适用于有了初步设计意向的产品。

（3）中心小组法：采用召集有代表性的人员，举行产品开发研讨会的方式来获得所需要的信息。在举行会议前，一般没有设计意向，而是通过会议找出设计意向。设计意向可能针对原创产品，也可能是再设计产品征求设计意见。对搜集到的数据及信息，可从技术（例如新颖性、先进性、实用性及适用性等）、经济和社会（拟开发产品与社会和环境之间的相互影响）三方面进行项目开发可行性分析，最后形成可行性报告。可行性报告一般包括以下内容：

（1）市场需求状况，开发该项目的必要性。既要看到现实需求，还要看到潜在的、未来的需求。

（2）国内外发展现状及水平。是否有同类同功能的产品？技术先进程度如何？特别是其存在的不足或问题。

（3）拟开发产品的性能特点、技术规格和参数。对市场中已经存在的同类产品，特别要注意拟开发产品的独到之处。（4）要解决的关键问题及解决途径，技术的难易程度及需要的技术条件。

（5）项目开发投资预算。

（6）技术、经济、社会效益分析与预估。

（7）项目实施计划。

2）预测

预测是对市场调查结果的理性分析。通过对数据和信息进行科学的分析与计算，可正确地判断出或有把握地预测出社会需求，所以预测对开发潜在市场需求产品非常重要。目前，预测的方法很多，美国斯坦福研究所统计列举的预测方法就多达150种，其中常用的有12～15种，主要分为定性预测法（直观预测）和定量预测法（包括约束外推预测和模拟模型预测）两大类。适合于产品开发的预测方法有：定性预测中的先行指标法、用户需要直接调查法，定量预测中的趋势外推法和联立方程法。

3．编制设计技术文件（设计任务书）

在产品设计中，应形成一整套技术文件，这些文件是设计过程中每一步工作的总结及结果，同时作为制造、验收鉴定、使用、维护等的依据及说明。设计文件一般包括：设计任务书，合同书，方案设计说明书及评定书，结构设计计算说明书，图纸，系统可靠性、经济性、安全性说明及评定书，施工设计文件，使用说明书，维护说明书等。当可行性报告获得批准并确定立项后，需要编制的第一份技术文件是设计任务书。任务书中一般应包含下列内容：

（1）设计题目、编号、设计提出单位、设计单位、批准部门、设计周期和日期。

（2）设计产品的功能及用途，被加工对象的特性、规格及要求。

（3）设计产品的性能、质量指标。

这部分是设计任务书的主要内容，包括生产纲领、工作速度、压力、功率、规格、适应范围（如机器工作幅宽）、产品设计寿命、可靠性、质量指标、精度及精度保持性、密封与润滑、振动及噪音指标、卫生标准、自动化程度、控制要求、检测方式等。（4）结构形式、外形尺寸、体积、质量、与相关设备的配合关系及接口、外观色彩、人机工程要求等。

（5）使用性能及工作条件，包括照明、温度、湿度、大气压力、毒害、日辐射、浸蚀介质、灰尘等。

（6）加工条件、制造要求、测量和检验的特殊要求等。

（7）运输、保存、包装、安装、使用，以及维修中保证安全的要求等。

（8）其它方面的要求，如军用、民用、保密级别以及对环境的影响等。

（9）设计中必须用到的其它参考资料目录，主要包括图纸、示意图、论证书、设计手册、有关工艺装备目录、厂规和厂标等。表2－1家用绞肉机的设计任务书

设计任务书必须提出初步的或最终的有关技术性能、规格参数等方面的技术指标，这是方案设计的依据及条件。制定设计指标时要综合考虑各个方面的因素。若有些指标定得过低，则可能使所设计的机器处于较低的水平，或者影响所加工产品的质量。若指标定得过高，则可能造成机器能力过剩及浪费，或者给制造带来许多麻烦，增加成本。制定设计指标要注意解决好以下几个问题：（1）必须满足所加工产品的要求，就高不就低，留有余地。

（2）根据工作要求进行初步计算，以确定设计数据。

（3）正确处理需要与可能的关系。

（4）正确处理需要与经济性的关系。

（5）正确处理需要与产品复杂性的关系。2.2.2设计团队及工作组织

现代产品的功能、性能日趋多样化，结构越来越复杂，同时竞争也越来越激烈，这样单人独立是很难完成一个项目的完整开发设计工作的，所以，建立设计小组或团队，靠集体的力量，发挥众人的智慧，分工协作来完成设计任务是十分必要的。能否保质、保量、按时完成设计任务，在一定程度上也取决于设计组织工作的合理、完善程度。

设计团队一般根据具体的设计任务由若干个掌握不同知识及技能并能互补的人员组成，按照同一目的、同一行动目标、同一工作进程进行协同工作。美国著名产品设计师大卫G.乌尔曼认为，一个有成效的设计团队应包括以下成员：

（1）产品设计工程师：主要负责产品的开发、计划、概念及原理设计工作，其专业知识要全面，设计经验要丰富，创造及分析能力要强。

（2）产品经理：负责开发产品以及产品设计与顾客之间的联系，是项目的经营者。

（3）制造及工业工程师：负责产品设计完成后的制造工作，他必须了解本企业和整个制造业的制造水平及能力。（4）细节设计员、制图员、技术员：细节设计员根据产品设计工程师的设计意图及设计原理，完成产品的结构设计以及制定相关技术文件；制图员主要完成绘图工作；技术员协助设计工程师开发测试仪器设备，进行相关实验，处理产品开发数据。

（5）材料工程师：主要负责选择制造产品所需要的材料。

（6）质量控制和保证工程师（或称为品质工程师）：进行材料、产品的检验，以及相关规范和标准的确认。（7）分析员：主要进行相关的数学建模及分析计算，软件的使用及开发。

（8）工业设计师：进行产品外观造型、色彩、人机工程的设计工作。

（9）装配经理：根据制造工程师制作的零部件，负责产品的组装。

（10）供货商（代表）。

2.2.3质量功能展开法

关于如何搜集需求并细化需求，在20世纪70年代中期，日本兴起了一种“质量功能展开法”（QualityFunctionDeployment，QFD），被认为是搜集需求、细化要求并形成设计任务书的最好方法之一，20世纪80年代后期美国也采用了此法。QFD方法由八个步骤构成。

第一步，确定顾客：他们是谁？

要明确产品为谁设计，顾客的消费背景（例如国籍、民族、性别、年龄等）是什么？特别要注意将要购买产品并传播产品质量信息的顾客。

第二步，确定顾客的需求：顾客想要什么？

按照确定的顾客来确定设计目标，即顾客需要什么样的产品。产品顾客满意度的Kano模型认为：找到需求的目标是不仅使顾客满意，而且要刺激顾客去购买并向别人宣传。产品是以基本特征、性能特征和刺激特征来满足顾客需要的。基本特征是顾客对产品的基本功能的需求，是产品必须具备的。性能特征主要表征产品的质量，高质量的产品当然会受到顾客的喜爱。刺激特征往往是产品具有的与其它产品不同的、独特的、新奇的、附加的功能，有了刺激特征，顾客对产品的反应、关注、喜爱程度就会大大增加。第三步，确定各需求的相对重要性：谁对应什么？

不同顾客有不同的需求，从众多需求中要找到重要需求，可采用权重打分的方法，对需求进行排队。

第四步，辨别并评价竞争力：目前是如何满足顾客要求的？

你要开发的产品可能别人也在开发，要了解竞争对手为产品所做的一切，做到知己知彼。

第五步，生成工程任务书：如何使顾客的需求得到满足？

围绕确定的设计对象，形成一系列工程设计要求，制定出相应的性能技术指标体系。第六步，工程任务书中顾客需求的关系：如何测定顾客需求？

按照需求关系，分析并测定技术指标体系能否满足顾客要求。

第七步，设置开发目标：多少就足够好？

确定技术指标体系中各个指标的值，并评价产品的功能满足顾客需求的程度。

第八步，确定工程需求之间的关系：它们之间是如何相互依赖的？

确定的设计要求一般不是独立的，而是相互关联的，各个要求不应矛盾而应互补。

可将QFD方法的步骤构建为图2－1所示的质量属性结构图（简称QFD图）。图2－1质量属性结构图在图2－1中，设计所需要的信息从第一步“谁”是顾客开始，第二步顾客想要“什么”，第三步“谁”需要“什么”，第四步“当前”怎样满足顾客“什么”，第五步“怎样”设定产品功能满足顾客，第六步“怎样”测定顾客需求“什么”，第七步设计目标的度——“多少”，第八步需求关系“怎样”。每一个步骤里都可设置若干定性、定量的问题，每一个步骤可看做一间充满问题的房子，合起来形成设计任务的大房子。

QFD方法看起来和做起来似乎繁琐，但只要在设计之初科学设计质量属性结构图以及所要解决的问题，实践证明该方法是非常有效的。例如，丰田汽车公司运用QFD法，使得开发新型汽车的成本降低了60%以上，开发周期缩短了1/3，并大大提高了产品质量及受欢迎程度。事实上，QFD方法可保证在设计之初选定正确的设计方向，是一种理性的、科学的设计决策方法。

2.3功能分析设计方法

2.3.1系统、功能与功能分析设计步骤

原理方案设计指根据设计任务书提出的设计要求及目标，找出实现预定设计目标的最佳原理方案。原理设计方案是整个设计的关键环节，具有战略性和方向性。

产品设计是抽象－具体、分解－组合、发散－收敛的过程，设计内容错综复杂，完成同一设计任务往往会有许多差异很大的方案。如果孤立地分析设计某方面的问题，则仅由设计人员画几张方案图，从中选择一个，便可进行具体的设计。显然，这种设计方法的盲目性大，易受知识经验影响，在原理方案构思之前就形成了某种框框，妨碍了思维，束缚了创造力，所得到的设计方案往往是片面的、局限的，缺乏新意及创造性。现代设计方法是指有意识地按照设计活动自身的内在规律进行，提倡发散式的、以功能设计为主的设计思维，自始至终寻求各种可行方案，全面系统地确定设计过程的起始条件和最佳结果，并在此基础上强调抽象的设计构思，使结果既在系统的工作原理和结构本质上有所创新，又能结合实际，达到预期的设计目标。例如，建立在系统工程基础上的原理方案设计是把设计对象看做一个整体系统，从系统的功能要求出发，通过技术过程的分析确定相应的技术系统，然后寻求解决的途径，这样就把复杂的设计要求通过功能关系的分析抽象为简单的模式，以便寻求能满足设计对象的主要功能关系的原理方案。系统是由元素组成的，具有整体性和可分解性。整体性是指系统具有整体目标和整体功能。可分解性是指系统可按照组成元素分解、分析、研究元素的特性及关系，在分解中可使复杂问题化繁为简。可分解必可再组合，通过不同方式方法的组合，便可形成若干具有特定要求的系统，从而为解决系统问题提供广阔的选择空间。所谓功能，是对技术系统或产品的输入量与输出量之间因果关系（特有工作能力）的抽象描述。功用、用途、作用、能力、任务等可称为产品的具体功能。例如，电动机的功能是能量转化（电能－机械能），其功用是原动机，用途是驱动机。所以，功能揭示物理等自然科学实质，功用、用途等揭示技术本质。产品所具有的功能可分为基本功能和附加功能两部分，基本功能是体现产品价值必需的功能，附加功能是基本功能的延伸与补充，可体现产品的独特性。

具有确定功能的任何技术系统（例如一部机器）都是由总系统、分系统、子系统、各种零件、部件、机构装置等，通过一定方式组合而成的，每个子系统、零件、部件都有自身承担的任务，这就为功能分析设计方法创造了便利条件。功能分析设计方法的基本思想是：先避开具体的结构方案，将设计任务及要求抽象为功能，通过功能分解（便于得到功能解）、分功能求解、功能解组合、方案评价等设计步骤求得最佳设计结果，如图2－2所示。图2－2功能分析方法的设计步骤2.3.2确定总功能的方法

1．设计任务抽象化

一般来说，根据设计任务书提出的要求就可初步确定所要设计产品应具有的功能，但这样容易就事论事，只看到问题的表面现象，并受到设计者思维的限制，得不到理想的设计方案。认识事物的关键是透过现象看本质，本质抓住了，就会有许多解决问题的途径和办法。设计任务抽象化就是对设计任务进行由外向内、由表入里的分析与抽象，找出设计问题的主要矛盾和核心。例如，设计一辆自行车，可能立刻想到“由前、后两轮组成，由脚踏链条传动”，深入分析后得知，最基本的要求是“以人为动力的运输工具”，按此进行“抽象化”后便会产生各式各样的设计方案。再例如，水果削皮问题，现象是削皮，那只能用刀具来完成，实质是“果皮与果肉分离”问题，那么，除了用刀具这种机械方法外，也可以采用溶解果皮的化学方法等。因此，要从自然科学原理出发，抽象出问题的本质，并准确、简洁地描述功能。因人的思维方式及程度不同，故即便对同一个问题，也会有不同的抽象结果，一名优秀的设计师应努力探索最有价值的抽象结果。设计任务抽象化有助于激发设计者摆脱具体的东西，而在更为广阔的设计领域中寻求更多、更新、更好的设计方案，这在开发原创技术系统或产品创新设计中尤为重要。设计任务抽象化的最终目的是明确设计对象的功能和约束条件。

2．黑箱法

关于功能的概念也可以这样定义：功能是能量、物质、信息在载体（物体）之间的合理流动，能量、物质和信息流入载体，使得物体的状态（形态、性态）发生改变后，再从载体中流出。在这里，我们所看到的是能量、物质和信息的流入、流出及变化，而物体是如何变化的，事前是未知的，犹如不透明、不知内部结构的“黑箱”，如图2－3所示。图2－3功能与黑箱物质流、能量流、信息流都有量和质的差异，例如数目、体积、消耗量、功率以及允许偏差、质量等级、性能、效率等。那么，通过外部观测，分析比较黑箱与输入、输出量及周围环境之间的变化和关系，即可获得黑箱（设计系统）的功能及特性，从而就可进一步探求系统的机理和结构，逐步使“黑箱”透亮，直至设计方案拟定。

对于产品设计来说，确定总功能并寻求解就如同开“黑箱”，例如自动取款机（ATM）的黑箱，如图2－4所示。图2－4自动取款机的黑箱输入量为卡载信息、银币（大量），输出量为卡载信息（变化）和部分银币（所需），ATM读取信息后，从其预存的大量银币中取出所需的部分银币，所以ATM的功能可描述为“读信息取银币”。至于如何读取、识别信息并从大量银币中分离出所要求的部分银币，则是实现功能的具体技术方法。

又如计算机数控（CNC）齿轮测量中心的黑箱，如图2－5所示。图2－5

CNC齿轮测量中心的黑箱左边的输入量有驱动能、待测工件、测量要求（信息），右边的输出量为测量结果（数据信息），上边为该测量中心对外界环境的影响，下边为环境对测量中心的影响因素。输入、输出量通过黑箱进行处理转换，总功能是测量工件的几何尺寸，打开黑箱完成测量中心的设计。

运用黑箱方法时，头脑中要想象“黑箱”存在，然后抽象其功能，再求解，这有利于拓展设计思路，求得多种设计方案，特别适宜于解决全新创新设计问题。

2.3.3功能结构分析与分解

确定了总功能后，就可寻求功能解，即实现功能的技术物理效应及功能载体。但是，一般情况下，设计系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的解决方案，即便可以求得，也可能难以实现，或者造成后续设计的结构方案过于复杂，带来一系列其它问题。系统分析法根据系统的可分解性把系统的总功能分解成复杂程度较低、较简单的分功能，通过找出各分功能的解和解的组合即可探求整个系统的原理方案解。那么，总功能如何分解？分解到何种程度？这主要取决于在哪个层次上能找到相应的技术物理效应及功能载体。对于复杂的技术系统，往往要将其总功能分解为一级、二级等若干级分功能，有的甚至要分解到最后不能再分解的基本单位——功能元。同级分功能组合起来应能满足上一级分功能的要求，最后组合成的整体应能满足总功能的要求，这种功能的分解和组合关系称为功能结构。常用功能结构的基本组合方式有串联、并联和回路式三种。依此组合关系绘制的图形称为功能结构图，也称为功能树。功能树既显示各功能元、分功能与总功能之间的关系，又可通过各功能元解的有机组合求总功能，同时又为后续的工艺方案设计创造了条件和依据。例如食盐包装机的功能分析与分解过程，其总功能是定量包装。若采用卷纸带，则总功能可分解为取出（分离）食盐、供袋（卷纸袋）、定量（称重）、装袋。若此时能找到各分功能的实现方法，则可不必再分解；若找不到，则需要进一步分解。例如，没有纸袋就没法供袋，所以供袋过程可分解为送纸、切纸、制袋，装袋过程也可分解为送盐、送袋、将盐装入袋、封口、输出袋等。依次分解，即可绘出食盐包装机的功能树，如图2－6所示。例如食盐包装机的功能分析与分解过程，其总功能是定量包装。若采用卷纸带，则总功能可分解为取出（分离）食盐、供袋（卷纸袋）、定量（称重）、装袋。若此时能找到各分功能的实现方法，则可不必再分解；若找不到，则需要进一步分解。例如，没有纸袋就没法供袋，所以供袋过程可分解为送纸、切纸、制袋，装袋过程也可分解为送盐、送袋、将盐装入袋、封口、输出袋等。依次分解，即可绘出食盐包装机的功能树，如图2－6所示。图2－6食盐包装机的功能树图2－7材料拉伸试验机的黑箱图图2－8试验机的功能结构图由上例可看出，功能分解过程实质上是细化功能，逐步打开黑箱求解问题的过程。在功能结构分解中，应把握以下几点：

（1）总功能可分解为分功能和功能元。分功能、功能元可通过删减、合并等由下级向上一级缩减。

（2）分解、合并必须遵循功能关系，止于找到功能解。

（3）过小的分功能在有些情况下是没有必要的，甚至影响方案设计的技术水平，因为过小的分功能解可能比较简单，这容易使设计者采用较低水平的技术手段。（4）过多的分功能可能使原理方案复杂化，有时也不利于后续的结构方案设计工作（每个分功能解的结构载体数目多，彼此还需要联结，这必然会增加结构设计工作量并使工作繁琐），并有可能造成结构方案的复杂化。

（5）有些技术系统本身由许多子系统组成。例如，机器一般由供料机构、执行机构、传动装置、控制系统、检测装置等组成，那么，可先按照子系统分解，再将各子系统逐步一一分解。在功能结构分解中应遵循如下原则：

（1）能量必须守恒。

（2）按照逻辑或时间顺序分解。

（3）系统外的功能应被排除。2.3.4功能元求解

1．寻求功能解

确定实现各功能元可能运用的原理即为求功能解。将物理学原理通过一定的结构形式在工程技术上加以利用，这就是所谓的技术物理效应。实现技术物理效应的具体构件称为功能载体。功能解实质上是用来实现能量、物质和信息的转换的，所以寻求功能解应围绕实现“三流”转换的方式来进行，关键是掌握科学技术原理以及技术原理的实现方法。功能元求解是原理方案设计的搜索阶段，常用的搜索方法如下所述。

（1）检索法。根据具体的设计对象，查阅与此问题相关的技术资料、专利等，从中获得解法或者解题思路。（2）设计目录法。把设计所需要的信息有规律地分类、排列、存储，建立一种设计信息库。设计目录的内容可分为通用信息、操作信息和解法信息三类。通用信息目录不针对具体设计问题，而是提供一般性的信息，例如各种技术物理效应、材料技术性能、物体几何信息等。操作信息目录用于提供各种设计方法、准则、步骤等。解法信息目录针对具体设计功能及任务，提供问题的原理解。产品的基本功能元可归类为物理功能元、逻辑功能元和数学功能元三类。物理功能元反映系统中能量、物质、信息变化过程中的物理基本作用，特征是大小、数量、位置、时间的变化。常用的物理功能元有变换、放大、缩小、联结、分离、传导、离合、存储。逻辑功能元为“与”、“非”、“或”三元，主要用于对系统功能的控制。数学功能元可分为“加减”、“乘除”、“开乘方”、“微积分”四组。另外还有化学效应、生物效应、自然效应（如太阳能加热、自然冷却）等。由此可建立不同功能元的解法信息目录表（库），以供设计时查找调用。（3）创新及创造技法。用于求得全新解法，见第3章的详细介绍。

当设计问题比较简单时，可根据经验、类比和一般设计知识确定适当的技术物理效应和相应的功能载体。

当问题比较复杂时，一要尊重科学，从科学原理中找答案；二要充分借鉴前人的成果及有关文献；三要发挥众人的智慧；四要开阔思路，大胆创新，发挥奇思妙想；五要从实际出发，进行必要的科学技术试验。我们知道，同一种技术物理效应可以实现各种功能（例如，杠杆可以实现力的放大或缩小、换向等功能），同一种功能可以用不同的技术物理效应来实现（例如机械力、电磁力、流体力），同一种技术物理效应也有不同的技术表现方式（例如力、力矩）。为了选出最佳的功能解，应针对功能的要求，尽可能多地提出几种技术物理效应和功能载体，特别是不要漏掉创新解，通过比较、评价、决策来获得满意的设计方案。

2．功能解的扩充技法——变异与组合

在获得基本的功能元解后，可以此为线索，根据现有的技术条件进行解的变异与组合，从而扩大解的方案数，为方案的优选创造条件。常用的变异与组合方法如下：

（1）扩大与缩小：将功能载体的几何参数通过放大或缩小，使其朝大型化或者小型化两极方向发展，以得到不同规格的载体。例如收音机、电子计算机、移动通信工具等就经历了由大型化向小型化发展的过程。（2）增减、组分：增减参数数量可实现单功能与多功能的转换，或改善性能获得特殊功能。例如，在照明台灯上增加报时器，在洗衣机上增加烘干装置等就扩大了原产品的功能，在机械零件上加肋板、开孔开槽等可增加零件的强度、刚度或减轻重量等。

不同功能的组合与分解可得到新的功能或性能。例如，电动机与变频器组合可形成变频电动机，以及各种复合件、复合材料等。（3）反向、置换：改变功能之间的位置、层次关系，正负效应反用，要素相互置换。例如，机械机构设计中的各种运动副的互换互代、加热与冷冻干燥、正压与负压（真空）效应、废弃物的综合利用等。

为了理解功能解的变异原理及过程，总结变化规律，勾勒出变化全貌，可采用变体分析图来进行变体分析。变体分析图的基本形式如图2－9所示。图2－9变体分析图的基本形式图2－9中，☆（星号）表示某功能解的科学技术原理，作为出发点；—（实线）表示采用某原理的产品开发方向；●（实心圆圈）表示实现原理的功能载体；○（空心圆圈）表示依据某科学原理在技术实现上有较大、较重要的突破；—（虚线）表示改进、变异、变体开发方向；△（空心三角形）表示改进、变异、变体的方式。

例如，自行车的变体分析过程如图2－10和图2－11所示。图2－10自行车变体分析图（Ⅰ）图2－11自行车变体分析图（Ⅱ）从传动原理上划分，有人力作用、电力作用、风力作用、太阳能作用等，其中，人力作用的实现方式可分为链条传动、齿轮传动、带传动等。在常用的链条传动中，可按照功能、类型、结构、材料等方面进行变异，例如变异轮数可得到两轮、三轮自行车等，变异着力肢体可得到手摇、脚踏自行车等。得到一系列的变体后，再通过这些变体的组合就形成了各种各样的自行车设计方案。2.3.5确定设计方案——功能解组合方法

1．关联树图

将总功能分解成的分功能作为树干，将分功能解作为树枝，即可绘制出功能－功能解的关联树图。例如，机械设计中运用的关联树图如图2－12所示。图2－12机械设计中运用的关联树图

2．功能－技术矩阵

若将总功能用U表示，实现总功能的各个分功能用Ui表示，则总功能与分功能的关系可表示为U=(Ui)

i=(1,…,m)用tij(j=1,2,…,n)表示实现某分功能的可能的功能解，则全部分功能解可用集合Ti来表示:Ti=(ti1,ti2,…,tij)

j=(1,…,n)以功能为行，以功能解为列构成的矩阵称为功能－技术矩阵，如下所示：

3．形态学矩阵

形态学矩阵是功能与功能解之间关系的表格表示形式。

若功能元用F表示，总功能可分为m个功能元，功能解用L表示，每个功能元有n个可能的功能解，则可组成如表2－2所示的形态学矩阵。表2－2功能解的形态学矩阵

在形态学矩阵中每一行任取一个解，组合起来即为实现总功能（或分功能）的一种方案。假设各功能元的解法数目相同，则全部方案数为N=m×n

例如，机器运动导轨的形态学矩阵如表2－3所示。表2－3机器运动导轨的形态学矩阵

由表2－3可知，可能组合的方案数为4×5×6=120个。

若按A2+B2+C3组合，则得到步进电机驱动蜗轮传动的滚动导轨。

运用形态学矩阵可以得到许多方案，这对设计者有很大的帮助和启发，但并不是所有的方案都具有实际意义，也不是所有的结构元件都能互相匹配和相互适应，所以在组合时，可根据经验、借鉴类似设计和前期构思中形成的初步设想，舍弃一些明显不合理或意义不大的方案。选中几个合理的、可行的、有希望的方案，然后从物理上的相容性、技术经济效益等方面对这些方案进行深入分析、评价和优选。例如，功能结构中的能量、物流、信息流能否不受干扰地连续流过，功能元之解在几何学和运动学上是否有矛盾，可以对以上问题进行直觉判断，从而剔除那些不相容的方案。必要时应采用计算机技术、专家系统、人工智能等现代科技来选优。2.3.6原理方案的实施过程设计

得到原理设计方案后，只是得到了所设计问题的功能解，这些功能解应按照什么样的程序及其顺序进行实施呢？例如，水果削皮问题，可以先把水果夹持住再用刀切削，也可以边夹持边切削，可以使水果保持不动让刀运动切削，也可以让刀不动使水果运动实现切削。显然，采用不同的原理方案实施过程，得到的最终结果可能无差异，但作用过程千差万别，会影响到产品的加工质量、生产率、成本、劳动条件等。

事实上，一项功能（特别是较大、较复杂的功能）往往不是一步或一次作用就能实现，而是分步按照一定的顺序依次逐步实现的。对于具有多项功能的设计问题更是如此。把功能解实施的程序及顺序称为实施功能解的技术过程（路线），简称为技术路线或工艺路线。技术路线设计主要是解决各个分功能解的排列与组合的方式以及顺序。设计的基本依据是原理方案设计中确定的功能结构关系。当然，有些功能结构是唯一的、固定的、不可变更的。例如，机床加工零件只能先粗加工再精加工才能保证零件的表面粗糙度；产品多层包装只能由内向外一层一层进行。实现这种功能结构的技术路线是唯一的，只能严格按照功能结构关系设计方案。而生产中多数功能结构是松散的、可变的，某个功能解既可提前实施，亦可推后进行。例如，盘类零件（法兰、轴承盖等）可以先加工两个平面再加工外圆、内圆，亦可反之，这就为技术路线设计提供了条件。为了简化技术路线，应做好以下几项工作。

（1）合理选择原材料及毛坯状态，并提高产品结构的工艺性。合理选择