设计方法学 Design Methodology 主要内容 第一章 绪论 第二章 设计程序和一般方法 第三章 创造性思维及设计方法 第四章 合理构型设计 第五章 评价与决策 第六章 降低成本的设计方法 第七章 相似原理及相似性设计 第八章 设计与人体工程学 第一章 绪论 1.1 设计和《设计方法学》(Design and Design Methodology) 1.1.1 设计的概念 设计：是创造性的建立满 足功能要求技术系统的活 动过程 设计的目的： 满足一定的功能要求 促进设计发展的动力： 不断提出新的功能要求 例：自行车的发展和改型 防火隔离带人力专用锯 设计是创造性的劳动，它实现人们预想的思维任何天才 的思维只有通过设计才能变为现实 设计是人类生产活动的重要组成部分，是组织生产的基本 依据据调查，一个产品生产成本的75～80％是由设计阶段决 定的设计中的失误及缺陷会造成严重的损失，某些方案性的 错误会导致产品的彻底被否决 因此，在设计时必须充分考虑科学、社会学及经济学等因 素当前对设计提出的要求是： 1) 三性统筹：适用性、经济性、可靠性三方面辩证地统一 考虑； 可靠性：可靠地达到功能要求； 适用性：满足不断提出的新的功能要求； 经济性：在保证功能的基础上有效地节约能源、人力、物 力，成本低。
2) 多方兼顾：与社会（市场）需要、生产制造、管理、使 用各方面一体化兼顾； 3) 人机协调：将产品和有关人的因素看作一个系统，合理 协调，使人操作、使用时方便、舒适； 4) 博采众长：吸取一切先进技术 1.1.2 《设计方法学》的研究内容及目的 科学的方法论对技术的发展起着很重要的作用人们在认 识世界的过程中，大量的实践只有在正确的方法指导下才能实 现和上升到理论在改造世界的活动中，知识只有与合理的方 法结合才能形成分析和解决问题的能力 一般来讲，设计方法学是研究设计过程的一般规律、合理 的设计程序及程序中各阶段、各步骤采用的方法的一门学科， 其目的是在给定条件下实现省时、优质的设计 《设计方法学》研究的内容： 1) 研究设计过程，寻求符合设计规律的设计程序； 2) 研究设计中解决问题的逻辑程序； 3) 研究设计中的科学思维方法，调动设计者的主观能动性及创 造性； 4) 研究设计过程中的具体方法及方法论； 5) 研究设计过程中应遵循的工作原则 研究《设计方法学》的目的： 1) 设计出符合功能要求、高质量、低成本的产品； 2) 采用先进技术、理论和方法使设计过程自动化、合理化； 3) 总结设计规律，更快、更好地培养设计人员。
1.2.3 “ 设计方法学”的理论基础及与其它学科的关系 设计、设计过程及设计中的许多问题都可看作复杂的系统 来分析和综合系统工程理论是设计方法学的一个重要理论基 础 自然科学理论基础：物理、化学、力学、材料科学、机械 零件的设计理论、计算方法、信息论、模糊论和相似论等； 社会科学理论基础：工业经济学、价值工程、决策理论、 人机工程等 思维心理学、集合论方法、矩阵分析、计算机中的设计系 统、智能系统等都是开展研究设计方法学不可缺少的思维方法 和手段 1.2 设计者的基本能力 (1) 技术基本能力：计算能力、结构设计能力、绘图能力、实验 能力、图文表达能力、基本工具的使用能力； (2) 创造性能力：表现在善于探索、解决问题的新途径，塑造新 形象和发现新关系等； (3) 掌握信息能力：通过调研、自学、实验等方式掌握新技术、 新方法及一切有用信息的能力； (4) 决策能力：在各种方案中，通过充分分析各方面因素，合理 评价作出正确的决策以求得最佳方案； (5) 集体工作能力：分工密切合作，共同配合完成任务 1.3 设计方法学的发展和应用 1.3.1 设计方法学出现及发展的条件 (1) 国际市场产品竞争日趋激化； (2) 科学技术发展促使设计科学化； (3) 随科学技术的进步，要求设计工作总结规律上升到理论高度 ，更快地培养高质量设计人才。
1.3.2 国外设计方法学的发展和应用情况 (1) 德国（3个特点）：a) 按步骤，有规律地进行设计；b) 系统 化和逻辑分析；c) 成熟的设计模式、设计目标，编成规范和 资料以供使用 (2) 美国：a) 强调创造性设计；b) 在实践中培养设计能力；c) 广 泛应用计算机技术 (3) 日本：在引进技术的基础上吸收各家长处； (4) 俄罗斯：开放、变性、收敛 第二章 设计程序和一般方法 2.1 产品开发的程序分析 2.1.1 产品开发的合理程序（表2－1） 整个开发的步骤可分为设计、生产、使用三个大阶段及针对 某一目标的许多小阶段 2.1.2 设计类型 (1) 开发性设计：新产品的 开发，根据功能要求进行全新设计； (2) 适应性设计：保留原理、方案不变，根据功能要求，对结构 或尺寸进行新设计； (3) 变参数设计：功能、原理、方案、结构型式不变，仅改变部 分结构尺寸大小及布局 2.2 设计系统的结构 最本质反映设计系统的三个因素： 时间－按时间顺序的工作阶段； 逻辑－各阶段解决问题的逻辑步骤； 方法－设计过程中各种思维和设计方法 2.2.1 设计工作阶段 (1) 计划阶段：确定任务，给出详细的设计任务书； (2) 方案阶段：通过发散－收敛，搜索多种符合功能要求的方案 ，进而从中筛选出最佳方案； (3) 技术设计阶段：进行定性和定量设计、计算，最后得到系统 的合理参数及总体（装配）结构草图； (4) 制定技术文件阶段：完成所有的可实现设计的细节及各种设 计说明书、使用说明书等全部技术文件； (5) 试验阶段：通过小试、中试、生产试验来验证所设计的产品 是否和用。
方案设计阶段的主要工作就是原理综合原理没有一个统一 的规律可遵循，其方案解是发散的，有很多可行解，需 要根据实用性、经济性、可靠性等各项性能指标进行评 定推出其中一种方案因此方案设计的过程是一个发散 ---收敛的过程，是创新的过程，是最富有创造性的阶 段 A．设计中的技术冲突 pTRI认为发明问题的核心是解决冲突 设计人员在设计过程中不断发现冲突， 并利用相应的发明原理解决这些冲突，使 产品向理想化方向进化 pTRI研究人员通过对世界上250万项专 利的详细研究提出了39个通用工程参数来 描述的技术冲突问题这些工程参数见表 技术冲突解决原理（TRI） B．发明原理 p在对全世界专利分析研究的基础上，TRIZ 理论的研究人员在抽象层次上提出了40条 发明原理，用于指导冲突的解决和产品的 创新 ü39项参数描述了问题的空间，40条 发明原理则填充了问题解的空间 ü必须找出问题与解的对应关系 ü矩阵的行表示冲突恶化的的参数， 矩 阵的列表示冲突改善的参数， 矩阵中的元素则为第i个恶化的参 数与第j个改善的参数构成的技术 冲突的原理解 ü该解用发明原理的序号表示其中 若 i与j相同，则该元素为空 C. TRI——冲突矩阵 冲突矩阵 5运动物体的面积和3运动物体的长度的矛盾，原理解15-动 态化、7-套装和4-不对称 Go to 例题： 2.2.2 解决问题的逻辑步骤 目标分析－系统综合－分析、评价－决策 目标分析：找到目标，明确任务要求； 系统综合：借助“ 抽象”、“ 发散”、“ 搜索”等方法寻求符合功 能要求的、尽可能多的解法； 分析评价：将每一种解法具体化并进行评价； 决策：最后进行选择和决策，得到一个最佳的解法。
综合与分析是两种不同处理问题的方法： 分析：已知技术系统，根据分析可以得到一个确定的技术 系统； 技术系统 输入（已知） 分析 ？ 综合：仅知输入条件和输出要求，要寻找符合功能要求的 技术系统 ？输入（已知） 综合 输出（已知 ） 2.2.3 设计方法 设计方法是指达到规定的设计目标所采用的途径 工程设计方法：是以前很长一段时间内的主要设计方法，以 古典力学和数学为基础，大量采用经验数据的半经验性设计法 设计中反复多、周期长，如蒸汽机从设计到应用花了近100年时 间 现代设计法：充分应用现代理论和技术的设计方法如仿真 、并行工程等的设计方法，极大限度地缩短了产品开发的周期 并行工程：是一种先进的制造模式或设计模式. 并行：是指一个以上的事件在同一时刻或同一时段内发生 ，与串行设计相比，并行设计中同一时刻内可容纳更多的设 计活动，使设计活动尽可能并行进行，以此来减少整个设计 过程的时间 2.3 设计中的思想方法 2.3.1 从抽象到具体的思维方式 抽象：略去次要的、特殊的部分，突出技术系统主要的、 一般的功能、要求和限制条件，抓住问题的核心和任务的本质 例1：割草机的设计，把草剪断可以抽象成“ 细长柔韧固体的分 离”，就可能去寻找不受框框限制的更多的解法方案。
例2：洗衣机的设计，就是污物与衣物的分离；减速器就是缩小 例3：轴的支承 抽象功能在相对对运动动表明传递传递 力的系统统 传传力关系 机械 直接接触传传力 液 液体动压动压 液体静压压 气 气体动压动压 气体静压压 磁 电电磁 永磁 有效运动动轴转动轴转动 ，支承静止支承转动转动 ，轴轴静止 支承与轴轴以不同转转速相对对运 动动 有效表面圆圆柱圆锥圆锥椭圆椭圆 柱球面多楔 支承材料钢钢铜铜合金巴氏合金多金属复合材料橡胶塑料 摩擦状态态滑动动滚动滚动 具体组组合得各种材料、各种结结构的滑动轴动轴 承及滚动轴滚动轴 承 2.3.2 黑箱法 对一些复杂的系统和问题，难以一下子认识、模拟和控制， 尤如一个不透明、不知其内部结构的“黑箱”对于这类问题采用 “黑箱法”进行研究，即不打开“黑箱”，利用外部观测，分析“黑 箱”与周围环境的信息联系了解其功能、特性，寻求其内部机理 及结构的方法 孤立法：把所研究的对象看作一个整体系统，将它相对从环 境中孤立出来研究对象受环境的影响看作“输入”，而其对环境 的影响看作“输出”，根据输入和输出的关系分析“黑箱”系统的性 能和特征； 干预法：主动在输入端加上已知信号，然后对输出端进行测 试，从其变化中获取“黑箱”性能和特征的信息（例：利用人静 止或运动后的心电图可分析心脏的健康状况）； 模型法：以系统的输入、输出为依据，建立“黑箱”的模型， 对系统功能进行分析和预测，在不了解具体结构的条件下作系 统的功能模拟（例：人工心脏，计算机对人脑功能的模拟等） 。
2.3.3 技术系统的特征 1) 定义：执行特定功能而达到特定目的、互相制约有关联的元 素称为系统； 2) 系统的组成：系统由元件及元件间的关系、边界条件、输 入及输出来描绘； 3) 系统的特征： a) 分解性：系统由较小的子系统有机结合而成，而子系统又是 由更小二级子系统组成…，依此类推直至组成系统的最小单 位－不可再分的系统元； b) 整体性：只有从整体的角度才能全面认识系统整体功能不 是子系统或系统元功能的简单叠加，在各种组合中有最佳的 组合如齿轮，在减速器中起传递运动和扭矩的作用；在齿 轮泵中低压液体变为高压液体的增压作用；而在宇宙飞船中 与其它零件构成飞船上天、登月的卓越功能； c) 关联性：系统本身与周围的系统有密切的关联，分析问题时 不能忽略周围系统边界条件对系统的影响 4） 系统的处理对象 技术系统处理的对象是能量、物料及信号 能量：机械能、热能、电能、光能、化学能、生物能等； 物料：各种物资、材料，包括固体、液体和气体； 信号：体现为数据、控制脉冲、显示等 主要传递信号流的技术系统称为仪器； 主要传递能量流和物料流的技术系统称为机器其中系统元 件间有相互运动的为“ 机”，没有相对运动的为“ 器”。
机 器仪仪器 主要传递传递 对对象 能量及物料 信号 机（系统统元件间间有相对对运动动）器（系统统元件间间无相对对运动动） 主要性能强度、刚刚度、寿命、磨损损静强度、刚刚度精度 实实例 电电机、燃气轮轮机 机床、交通工 具、运输输机等 锅锅炉、冰箱高炉、管道系统统 各种测测量仪仪器 、计计算机等 主要转换。