第1章科学发展观指导下产品研究与开发

第10章科学发展观指导下的产品研究与开发==产品设计方法学的新发展==2/12/20251科学发展观指导产品研发的意义科学发展观指导产品研发的特点是:1.全面性与系统性

产品设计的要求是多方面的,用单一方法设计很难满足各方面要求,系统和综合运用各种设计方法进行设计是任务的需要,要克服设计中的片面性和随意性。

2.科学性与实践性

实践是检验真理的唯一标准;产品设计要重视其科学性,遵循其客观规律,克服设计上的主观性和任意性。

3.继承性与创新性应在继承前人研究成果的基础上创新,并予以发展,。在继承基础上开展创新,克服设计中的遵循守旧思想。2/12/20252科学发展观指导产品研发的意义4.协调性与稳定性

产品要和其外部环境及内部各单元保持协调关系,企业才能稳定发展,不少产品设计常常忽视这个问题。5.可持续性与长期性

做好环境保护和资源合理利用,建设一个环境友好型和资源节约型的社会.当前我国许多生产过程资源浪费严重,能耗及碳的排放过高,造成极大浪费和污染。6.以人为本

产品的研究与开发是为人类服务的，要依赖人来完成。设计要有人本设计的思想和发挥人的积极作用。

在以上原则的指导下,产品研发及设计能全面、协调,稳定和可持续的开展,要特别重视科学发展的指导。2/12/20253科学发展观指导产品研发的意义

人类已进入知识经济时代，以知识为依托的经济发展模式正在形成与逐渐推广,生产方式正由粗放型向集约型转变。

成功地进行产品的研究与开发是企业争得市场的重要条件，也是企业生存与发展的关键因素。产品的设计可赋于产品“先天特优、先天良好、先天一般和先天不足”的本质特性，产品设计是产品质量的“灵魂”，研究产品设计方法学具有十分重要意义。产品设计方法学研究已有一百多年的历史,已提出了数十种产品设计方法,为产品研发提供了重要参考，但多数研究是局部性的。尚未从宏观方面和设计方法体系上下功夫,长期以不未对70多种方法进行分类。2/12/20254科学发展观指导产品研发的意义产品设计已由传统设计向现代设计方向转变:传统设计的特点是:用手工操作、近似计算、串行作业、污染环境、依托经验、局部考虑。现代设计的特点是:计算机操作、精确计算、串并结合、考虑环境、依托智力、全局考虑。2/12/20255图1传统设计与现代设计的对比

图1传统设计与现代设计的对比科学发展观及其对指导产品研发的意义ＩQCTESCAD数字化网络化绿色性智能化系统化2/12/20256创建科学发展观指导的产品综合设计理论与方法所介绍的内容主要引自以下两部著作：面向产品广义质量的综合设计理论与方法.科学出版社，2006

基于系统工程的产品设计理论与方法系列著作，机械工业出版社1产品的全功能与全性能综合设计,2008

2产品的主辅功能与功能优化设计,20083产品的结构性能与动态优化设计,20084产品的使用性能与智能优化设计,20095产品的制造性能与可视优化设计,20106机械产品设计质量的检验与评估,2010照片2基于系统工程的产品综合设计理论与方法专著（共六种）2/12/20257创建科学发展观指导的产品综合设计理论与方法用将近两年时间，由我负责主编的、有170人参加的、共2000万字、

融入1000多个国家标准的、内容最丰富、最新的６卷本的最新版《机械设计手册》，2010年1月。手册中也编入了我们提出的产品综合设计理论和方法。照片3新编的机械设计手册（共六卷）2/12/20258科学发展观指导的产品综合设计方法的特点：这种设计理论和方法有十大创新点：

1适应时代的发展，首先对70多种方法进行了分类2以科学发展观做指导，创建了产品设计方法学的新体系3明确提出了产品设计的六大要求和目标：ＩＱＣＴＥＳ4详细规划了产品研发的四个阶段：调研规划实施检验5详细论述了产品的主辅功能和三大性能6首次提出了产品和谐设计的新概念及具体内容7研究并提出了难度较大的产品深层次设计的要点和内容8研究并提出了产品技术系统的完整性理论，产品设计目标、内容和方法关联方程式，产品质量（使用质量）与设计质量的理论表达式等三大理论公式，并用来指导产品研发和设计9研究并提出了产品顶层设计的概念和具体内容10详细研究和发展了产品系统化设计的目标、内容和方法2/12/20259

1.用产品设计的六大要求:I（思想）,Q,C,T,E,S来代替五大要求:Q,C,T,E,S。2.确定了内涵更实际和更具体的产品设计四个理想阶段:I调研、7D规划、1+3+X实施和3A检验。

3.提出了产品顶层设计的新概念，构建了其宏观设计框架、产品7D设计规划、设计流程为主要内容。

４.丰富了产品系统化设计的内涵:六项要求、四个理想设计阶段，增加了和谐设计、深层次设计等内容。5.用和谐设计取代绿色设计，产品设计既要考虑人与自然的和谐，还要考虑人和社会的协调和和谐。6．用深层次设计取代常规的设计，产品设计不仅考虑常规的线性因素，还要考虑那些非线性因素。科学发展观指导下的产品设计方法的重点内容：2/12/202510科学发展观指导下的产品设计方法学的内涵

0科学发展观指导的产品研发及设计的重要意义

科学发展观指导的产品设计方法学的建立

1产品功能与性能内涵2产品设计方法分类3产品设计的四个阶段

3.1产品设计的第一准备阶段：3I产品设计调研

3.2产品设计的第二规划阶段:7D设计总体规划

3.3产品设计的第三实施阶段:1+3+X系统设计

3.4产品设计的第四检验阶段:3A设计质量检验

4顶层设计、系统化设计、和谐设计、深层次设计

５产品项层设计及系统设计在某些产品设计中的应用2/12/202511针对我国装备制造业存在的若干不足

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。

本世纪我国正在走新型工业化道路,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。0科学发展观指导产品研发的意义2/12/2025121产品功能与性能的含义

1.1产品的主辅功能1.2产品的三大性能

2/12/2025131.1产品的主功能的辅助功能

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6产品的主功能与辅助功能2/12/202514

主功能通常是用来改变物质的状态，具休地说，用来改变被处理物质、物体或物件的几何形态、物理状态、化学组成、生理机能或信息表现形式等各方面的工作，所以在机械产品中要出现物质形态的转变过程，常常呈现物质流的形式，也就是将输入物质的初始形态改变为新的形态。例如，车床的主功能是加工零件，用来改变工件的几何形态，它要将毛坯加工到所要求尺寸精度的零件。

辅助功能是为了实现主功能而需要完成的一些辅助工作，常常包括物质的转移、所需运动形式的转换、所需能量的输入、操纵指令的输入、信息的获取及处理等，也就是常常出现物质流、运动形式流、能量流、指令信号流和控制信息流等。2/12/202515实现产品功能的具体内容

图2.2功能结构简图和对功能的要求及其主要特性图7产品功能要求及主要特性1、一组结构2、两个方面的结构实现主、辅功能所对应的结构3、三种机构驱动、传动、工作机构4、四类参数

几何参数、工艺参数运动参数、动力参数５五大系统物质转运系统、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

功能设计五项内容

用1、2、3、4、5加以概括2/12/202516图8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1.2产品三大性能:结构性能、使用性能、制造性能2/12/202517

2产品设计理论与方法的分类

2.1产品的设计理论与方法简介2.2产品的设计理论与方法的分类

2/12/2025182.1产品设计理论与方法简介(多达数十种)

产品的设计方法的种类

(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2/12/202519

3.3产品的设计理论与方法的分类

2.2产品的设计理论与方法的分类

概念设计绿色设计ＴＲＩＺ发明解决问题功能设计全性能设计系统化设计过程常规设计过程设计目标设计环境现代机械设计方法汇总表设计过程设计方法设计思想图9现代机械设计方法的分类和谐设计创新设计面向产品质量的设计基于价值工程的设计基于系统工程的设计稳健设计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ＱＦＤ设计公理化设计组合型设计三化综合设计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CAＥ全生命周期优化设计面向产品总体质量的广义优化设计设计内容2/12/2025202.4设计理论与方法的7种分类

分为七大类(1)设计思想类:TRIZ发明解决问题、创新设计、概念设计(2)设计环境类:绿色设计、和谐设计(3)设计过程类:常规设计、公理化设计、QFD设计(4)设计目标类:QFD设计、功能设计、全性能设计、

基于价值工程的设计(5)设计内容类:动态设计、控制系统设计、工艺设计(6)设计手段或方法类:优化设计、智能设计、虚拟设计、可视化设计、网络设计、协同设计(7)综合类:综合设计

、结构与材料一体化设计、多学科交叉融合设计2/12/2025213.产品设计的4个阶段设计目标域DO

用户信息获取功能需求实现

设计内容域DC设计方法域DM功能与性能的需求实现设计思想域DI设计环境域DE设计过程域DＰ

主观能动效应客观环境要求全局性态规划2规划阶段3实施阶段质量检验域DA功能性能评价4检验阶段产品调研域DA功能环境风险1调研阶段2/12/2025223.1产品的设的第一阶段:调研阶段调研的三项内容：

（1）用户需求：要了解用户对所设计产品的需求，对产品的功能要求。

（2）产品环境：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、资金环境、市场环境与政策环境的要求等。

（3）风险调查：产品投产的风险大小，产品投产处于产品的上升阶段，还是处在下降时期。2/12/2025233.2产品的设的第二阶段:规划阶段规划的七项内容：

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）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；2/12/202524

3.2

产品设计的第二阶段:规划阶段

4）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

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：如通过评估、产品试验、用户试用等.2/12/202525

(1)产品的设计目标

产品设计可以六大要素为目标：即正确指导思想Ｉ、产品的使用质量Ｑ、制造成本Ｃ、生产周期Ｔ、环境保护Ｅ和售后服务Ｓ。图11以产品六大要素为设计目标的5个映射域和６O设计规划模型使用质量制造成本生产周期环境保护售后服务使用质量制造成本生产周期环境保护售后服务ＵＱＭＣＭＰＧＥＡＳ指导思想正确思想ＣＩ2/12/202526产品设计可以功能和性能为技术目标：即主功能、辅助功能、结构性能、使用性能和制造性能。

图12以产品功能与性能为设计目标的5O设计规划模型主要功能辅助功能结构性能使用性能制造性能基本功能辅助功能结构性能使用性能制造性能ＭＦＳＦＣＰＵＰＭＰ2/12/202527

(2)产品的设计思想

产品的设计思想1指导思想:在科学发展观及自主创新的思想指导下开展设计;2设计理念:设计产品的主观意图及力图实现的全部理想;3设计规划:按照系统工程的思想进行产品设计总体规划.

图13产品的设计理念模型如以科学发展观和自主创新设计的思想做指导如设计产品的主观意图及企图实现的全部理想如按照系统工程的思想进行产品设计总体规划设计理念指导思想设计规划2/12/202528

(3)产品的设计环境

政治环境经济环境研发队伍环境保护人文环境法律环境产品设计图14产品的设计环境模型人际环境国际环境资源利用试验条件资金环境市场环境自然环境社会环境技术环境产品的设计环境1社会环境:包括政治、经济、人文、法律、国际、人际环境等;2自然环境:环境保护（环境友好）、资源合理利用（节约）等;3其它环境:技术环境、资金环境、市场环境等。政策环境2/12/202529

(4)产品的设计过程

产品设计过程规划：包括用户需求获取、功能方案设计、性方案设计、工艺设计、产品设计质量检验。质量检验域工艺性能优化（可视优化设计）产品功能优化功能优化设计工作性能优化智能优化设计结构性能优化动态优化设计面向产品的广义质量（功能+性能）功能与性能检验设计质量检验工艺设计实现工艺需求1+3+X综合设计获取用户信息制订设计任务书提出功能需求产品方案设计实现功能需求产品详细设计实现功能与性能需求功能域性能域工艺域用户需求域图15产品设计过程的5个映射域及5S设计过程模型2/12/202530

(５、６)产品的设计内容和方法

3

X动态优化设计智能优化设计可视优化设计面向产品的广义质量（功能+性能）1+3+X综合设计法++工作性能优化（智能优化设计）功能优化设计1特殊要求优化设计产品功能优化(功能优化设计)满足某种特殊要求(某种特殊设计法）工艺性能优化(可视优化设计)结构性能优化(动态优化设计)

图16以产品功能与性能为设计目标的5O设计规划模型主辅功能结构性能使用性能制造性能特殊性能主辅功能结构性能使用性能制造性能特殊要求ＭＳＦＣＰＵＰＭＰOP2/12/202531

(7)产品的设计质量的检验

产品设计质量检验评价法对设计质量进行评估通过试验工作检验设计质量通过用户使用检验产品质量如通过用户使用如对产品进行试验如采用模糊评价法图17产品设计质量的评估及检验模型2/12/2025323.3产品设计的第三阶段:深层次综合设计法机械产品深层次的（1+3）+X综合设计法的内容与特点以功能优化设计为先导的设计现代机械动态优化设计现代机械智能优化设计现代机械可视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1+3+X综合设计法的内容高维非线性不确定时变强耦合深层次的1+3+X综合设计法的特点图18现代机械深层次的1+3+X综合设计法的内容与特点多变量2/12/202533

3.3产品的设计的第三阶段:设计目标

设计目标图19为贯彻产品设计目标的设计法全性能设计全功能设计正确设计思想的设计面向环境的设计基于系统工程的设计面向综合目标的设计面向生产周期的设计面向维修的设计面向产品成本的设计环境目标技术目标综合目标思想目标售后目标时间目标经济目标设计目标类2/12/202534

设计内容设计内容类图20以设计内容命名的设计法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操纵系统设计工艺设计监测系统设计诊断系统设计造型设计控制系统设计容差设计参数设计传动机构设计驱动机构设计试验设计工装设计工作机构设计满足制造性能要求满足使用性能要求满足结构性能要求满足主辅功能要求

3.3

产品的设计的第三阶段:设计内容2/12/2025353.3产品的设计的第三阶段:设计手段

设计手段设计内容类图25以设计内容命名的设计法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操纵系统设计工艺设计监测系统设计诊断系统设计造型设计控制系统设计容差设计参数设计传动机构设计驱动机构设计试验设计工装设计工作机构设计满足制造性能要求满足使用性能要求满足结构性能要求满足主辅功能要求图21以设计方法命名的设计法CAＥ虚拟设计智能设计数字化设计网络设计并行设计协同设计可视化设计设计手段类综合集成方向设计要求方向信息化智能化方向优化设计方向集成设计模块化设计综合设计相似性设计改型设计反求设计柔性化设计融合设计模糊设计优化设计稳键设计快速反应设计优势设计2/12/202536

3.4

产品设计的第四阶段：检验阶段

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。

产品设计质量的检验：以试验方法为依据，以用户需求为驱动，以理论方法为参考。

例如，最近发生的有含三聚氰胺有毒奶粉事件，有数千名儿童受害，由于没有严格的检验制度，生产奶粉的厂家只顾企业自己的利益。2/12/202537

产品设计质量的检验

产品设计质量检验用评价法对设计质量进行评估通过试验工作检验设计质量通过用户使用检验产品质量如通过用户使用如对产品进行试验如采用专家系统评价法图22产品设计质量的评估及检验模型

3.4

产品设计的第四阶段：检验阶段2/12/202538

4.

什么是顶层设计、系统化设计、和谐设计、

深层次设计

顶层设计的特点是：

1）顶层设计是对产品设计进行宏观控制所制订的规划

2）其主要内为产品设计的理论框架和设计内容3）机器及其主要零部件设计流程:目标、内容和方法

4）编制产品及其主要零部件的设计流程软件5）机器及其关键零部件的设计目标、设计内容和设计方法，以及产品设计中的难点和重点

2/12/202539

4.

什么是顶层设计、系统化设计、和谐设计、

深层次设计

系统化设计或综合设计的特点是：

1）系统化设计是经科学发展观做指导的和以系统工程思想对产品设计进行全面系统设计的一种方法

2）其主要内容在产品设计六项要求的前提下完成产品3I调研、7D规划、1+3+X设计和3A检验和评估3）3I调研是需求调研、产品环境调研和风险调研

4）7D规划是目标、思想、环境、内容、步骤和方法5）1+3+X设计是功能优化、结构性能、使用性能和制造性能优化，Ｘ是特殊性能优化

6）3A检验是理论方法、试验方法和用户用户信息

2/12/202540

4.

什么是顶层设计、系统化设计、和谐设计、

深层次设计

和谐设计的特点是：

1）和谐设计是要考虑产品与自然之间的协调与和谐,还要考虑与社会、技术、资金、市场、政策等

2）和社会环境协调与和谐包括政治环境、经济环境、人文环境、法律环境、国际环境和人际环境等3）和技术环境协调与和谐要采用既用又先进的技术

4）和资金环境协调与和谐要融资历渠道及资金利用5）和市场环境协调与和谐要对市场进行分析，争取获得良好的市场环境

6）和政策环境的协调与和谐即要适应政策环境

2/12/202541

4.

什么是顶层设计、系统化设计、和谐设计、

深层次设计

深层次设计的特点是：

1）深层次设计是要考虑产品运行过程中的非线性振动等问题而采用难度更大深层次的设计方法

2）由于目前一些机械设备处在高速的运行状态下，如汽轮机、离心压缩机、高速旋转的机床主轴等，运行时都会出现严惩的非线性振动问题，必须要用非线性的动力学和理论才能解决3）还有高维强耦合问题

4）还有非稳态的非线性动力学问题5）还有随机不确定问题

6）还有多变量和多约束的问题等这些问题称为深层次问题，要用非线性动力学方法来解决．2/12/202542

5.

综合设计理论与方法的应用

5.1已应用于大型离心压缩机的设计中

5.2已应用于香港华建公司振动桩机的设计中5.3已应用于河南某厂3090振动筛的设计中

5.4已应用于新型振动压路机的设计中5.5将在京沪高速铁路动车的设计中应用

2/12/202543

5.

综合设计理论与方法的应用

5.1已应用于大型离心压缩机的设计中

图23沈阳鼓风压缩机股份有限公司4.8万kW煤液化用大型气体离心压缩机轴系的扭振、弯曲振动与弯扭耦合振动