现代设计方法---设计方法学讲述

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1、现代设计方法 第二章 设计方法学 1 方法：是关于人们认识世界与改造世界的目的、途径、策略、 工具与操作技能这五个层次有机组合的一个选择性系统。 方法学：关于方法的规律的理论。就是对方法的合理性、有效 性、效率与效果进行系统的研究、讨论、分析。 方法论的意义：它不但使你明白什么时候用和如何用锤子或螺 丝刀，它还指导你在面对新的难题时，如何创造新的工具。 第一节 概述 一、设计方法学一、设计方法学(Design methodology)(Design methodology)的涵义的涵义 Know Why Know What “认识论” Know How“方法论” “本体论” “实践” 2 n设

2、计方法学：是用系统的观点，考虑自然科学、社会科学、 经济科学等各种现代因素，为获得质优价廉有创新的产品，研 究产品的一般设计进程、设计规律、设计思维和工作方法、设 计工具的综合性学科。 n特点：目的性、实践性、规律性 n意义： l研制物美价廉的产品 l使设计过程合理化，并为设计自动化创造条件 l提高设计人员素质、改善设计质量 l减少设计失误、加快设计进度 我们对待设计的态度形成我们自己的设计的方法论 3 n 产生与发展： l1875年德国的FReuleaux在理论运动学中第一次提出了“进 程规划”的模型，这是最早对程式化设计的探讨奠基人。 l19世纪中后期，随着工业革命的发展, 人们开始注意总

3、结工程设 计的规律和方法。 l20世纪60年代，随着科学技术的飞速发展和产品竞争的日益剧烈 ，各国普遍重视设计环节， 推动了设计方法学的研究。慕尼黑 大学的Rodenacker是世界上第一个被任命为从事设计方法学研 究的教授“设计方法学之父”。 l 20世纪70年代末，出现了由Huhka博士、Andeasen博士及Eder 教授组成的WDK组织。此后，WDK发起并组织了一系列ICED ，参加会议的人员和范围逐渐扩大。 l1981年，中国机械工程学会机械设计学会首次排代表参加ICED 罗马会议，此后在国内宣传，并在1983年5月在杭州召开全国设 计方法学讨论会，并成立设计方法学研究组。 4 n

4、n 各国设计方法学研究侧重点各国设计方法学研究侧重点 l l 德国：德国：设计的进程、步骤和规律，进行系统化的逻辑分析，并设计的进程、步骤和规律，进行系统化的逻辑分析，并 将成熟的设计模式、解法等编成规范和资料供设计人员参考。将成熟的设计模式、解法等编成规范和资料供设计人员参考。 l l 英美：英美：创造性开发和计算机在设计中的应用。创造性开发和计算机在设计中的应用。 l l 日本：日本：创造工程，自动设计，价值工程。创造工程，自动设计，价值工程。 n切记: (1)再好的设计方法，也不能代替天赋很高或一般的工程师的 作用。 (2)科学的设计方法可以显著提高设计效率和创新水平。 (3)如果设计按

5、死板的模式进行，则设计工作必被市场淘汰， 且毫无个性和魅力。 5 l设计对象 设计对象是一个能实现一定技术过程的技术系统。 l设计进程 设定技术过程及划定技术系统的边界，确定技术系统的 总功能，包括物质功能和精神功能。 l设计评价 先根据一定的准则和方法对各方案作出评价，然后按正 确的原则和步骤进行决策，逐步求得最优方案。 l设计思维 设计是一种创新，设计思维应是创造性思维。创造性思 维有其本身的特点和规律，并可通过一定的创造技术方法来激发人们 的创造性思维。 l 设计工具 把分散在不同学科领域的大量设计信息集中起来，按设 计方法学的系统程式分类列表，建立各种设计信息库，通过计算机等 先进设备

6、方便快速地调用参考。 l 现代设计理论与方法的应用 把成批涌现且不断发展的各种现代 设计理论与方法应用到设计进程中来，使设计方法学更臻完善。 二、设计方法学的研究对象二、设计方法学的研究对象 6 技术人们在变革自然的过程中，为了满足特定的社会需要 而运用的知识、技能、物质手段、规则、方法的总和。 技术系统完成某个特定功能或职能的各个事物的集合，简 称为系统。技术系统可以由子系统组成，也可以由超系统组成 第二节第二节 技术系统及其确定技术系统及其确定 一、技术系统 子系统 系统 超系统 7 设计的目的是为满足一定的需求。例如，为得到某种复杂形状的 金属零件，可通过编程在加工中心上对坯料进行加工。

7、坯料是作 业对象，加工中心是技术系统，所完成的加工过程是技术过程。 设计是为对作业对象完成某种技术过程，产品就是人造技术系统 。 n作业对象： 物料、能量和信息。 只有在技术过程中转换了状态，满足了要求，才是作业对象。 满足一定需求的技术过程不是唯一的，因而相对应的技术系统也 是不同的。 例：生产某种形状的金属零件 切削机床 精密铸机 精密锻机 冷轧机 切削 铸造 锻造 轧制 激光成型机激光成型 8 n技术过程的确定步骤 根据信息集约和调研预测的资料，分析确定作业对象及其主 要转换要求 分析比较传统的和现代的理论和实践，确定实现主要转换的 工作原理 明确实现技术过程的环境和约束条件环境是与技术

8、系统发 生联系的外界的总和，包括经济条件、生产条件、技术条件， 社会条件等 确定主要技术过程和其他辅助过程 根据高效、经济、可靠、美观、使用方便等原则，初步划定 技术系统的边界即工作范围。 9 n技术过程的完成 人技术系统环境。划定了技术系统的两方边界，就确 定了技术系统应实现的功能。 n技术系统的单元 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： 作业单元，完成转换工作 动力单元，完成能量的转换、传递与分配 控制单元，接受、处理和输出控制信息 检测单元，检测技术系境各种功能的完成情况，反馈给控制 单元 结构单元，实现系统各部分的联接与支承 10 11 二、技术系统的确定 (

9、一) 信息集约 1. 情报部门 产品的技术资料及发展趋势，专利情报，行业技术经济 情报等。 2. 研究部门 性能试验，新材料、新工艺，新技术等。 3. 设计部门 产品性能、规格、造型，各种标准法规，设计方法等。 4. 制造部门 生产能力，工时，制造工艺，设备，技术数据等。 5. 销售部门 国家计划、政策，产品寿命周期分析，市场调查，需求 预测经营销售等。 6. 供应部门 材料和外购件的价格与供应情况，协作厂质量与供货能 力等。 7. 服务部门 老产品用户意见分析，事故与维修情况分析等。 8. 公关部门 产品和企业的社会形象，同行的竞争与联合等。 9. 社会部门 产品与环境污染、节能、资源、动力

10、供应等的关系，产 品进入和退出社会、报废消失、升级换代等的效应等。 12 (二)调研预测 l1. 市场调研 (1)用户对象：如市场面、用户分类、购买力、采购特点等。 (2)用户需求：如品种规格、数量、质量、价格、交货期、心理与生理 特点等。 (3)产品的市场位置：如质量、品种、规格统计对比、新老产品情况、 市场满足率、产品寿命周期等。 (4)同行：如竞争对手分析，销售情况与方法，市场占有率等。 (5)外购件供应；如原材料、元器件供应质量、价格、期限等。 l2. 技术调研 (1)现有产品的水平、特点，系列、结构、造型、使用情况、存在问题 和解决方案等。 (2)有关的新材料、新工艺、新技术的发展水

11、平、动态与趋势。 (3)适用的相关科技成果。 (4)标准、法规、专利、情报。 13 l3社会环境调研 (1)国家的计划与政策。 (2)产品使用环境。 (3)用户的社会心理与需求。 l4. 企业内部调研 (1) 开发能力：如各级管理人员的素质与管理方法，已开发产品的水平 与经验教训，技术人员的开发能力，开发的组织管理方法与经验教训 ，掌握情报资料的能力和手段，情报、试验、研究、设计人员的素质 与数量。 (2) 生产能力：如制造工艺水平与经验，动力、设备能力、生产协作能 力。 (3) 供应能力：如开辟资源与供货条件的能力，选择材料、外购件和协 作单位的能力，信息收集能力，存储与运输手段。 (4)

12、销售能力：如宣传和开辟市场的能力和经验，联系与服务用户的能 力，信息收集能力，存储与运输能力。 14 (三)可行性报告 *一般包括下列内容： l用户的需求，包括产品的功能，质量，外观，价格等 l 新产品的功能、类型、技术指标、市场寿命周期和对社会 环境的影响，新产品的经济效益和社会效益预测，国内外市 场上同类产品的生产情况和发展趋势等 l待解决的关键设计、工艺问题 l开发进度、投资估算和经济分析 l产品开发的必要性和可能性 作为可行性报告附件的设计项目表中列出尽可能定量的 设计要求和设计参数，包括保证产品基本功能的要求与参数 ，以及希望达到的附加要求与参数。 15 第三节 系统化设计 一、功能

13、分析 功能概念：是对技术系统中输入和输 出的转换所作的抽象化描述。 意义：只有用抽象的概念来表述系统 的功能，才能深入识别需求的本质 ，辨明主题，发散思维，启发创新 。从技术系统的功能出发进行功能 原理设计，还可防止设计人员知识 经验的局限和过早地进入具体方案 。 概念：是将工程设计任务或机电产品看做技术系统， 用系统工程方法进行分析和综合。 例 车床加工零件 把多余材料从毛坯 上分离出去 获得合格表面 车削 强力磨削 激光加工 成型挤压 冷轧 16 总功能的描述要准确、简洁，合理抽象，抓住本质，这样便于 使设计目的明确，思路开阔。 一般工程系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的系统解 。按

14、照系统分解的原则进行功能分解，可通过较简单的功能元去 求解。总功能可分解为分功能、二级分功能功能元(能直接求 解)，并用树状的功能关系图（功能树）表达。 图图2-2 2-2 丝杠冷轧机的功能树丝杠冷轧机的功能树 17 二、功能元求解 功能元的求解过程是选择实用的科技工作原理，构思实现 工作原理的技术结构即功能载体。(关键) n1. 选择工作原理 设计人员在选择工作原理时、思维发散是关键。机械设备 的设计不应局限于机械学的范围，电子学、磁学、光学、热 学、仿生学等科技工作原理都应在考虑之列。 选择先进的工作原理：如磁力轴承代替液压轴承，带编码器 的伺服电机代替带交流电机的齿轮轴系，激光器代替切削

15、机 床对高硬度材料进行加工，电子表代替机械表等。 分析工作条件：是常规的还是非常规的，功能载体在不同的 工作条件下表现出来的特性是一般的显特性，还是某种内在 的潜特性。例如：普通钢材在超低温的冷脆性使强度大大降 低，而在超高压下的高塑性使硬度大大降低。 18 n2构思功能载体 (1)检索 在各种设计目录、信息库、手册等设计工具中进行 检索，寻求最优功能载体。 (2)集成 把不同的特性、功能、技法等综合集成，产生创新 功能载体。 (3)缩放 由于材料、集成电路及其工艺等的发展，机器人已 可缩小到从血管进入心脏完成手术，这只是缩小的微机械的一 例。相反的例子有放大到数百平方米的电视屏幕。 (4)变

16、换 电动机的部分矽钢片变换为永磁材料，产生了响应 特性大大提高的控制电动机。弹簧质量系统变换为压电晶体， 电阻丝变换为半导体，使传感器和应变片的性能大大提高。相 反，利用永磁材料的特性，用大惯量转子变换小惯量转子，大 大提高了伺服电动机的特性； “吹灰”吸灰”发明了吸尘器 ，是逆向变换的成功实例。 19 三、方案综合 功能原理方案综合常用形态学矩阵。矩阵的行数n为功能元数 ，矩阵列数为实现一个功能元的不同功能载体数中最多的载体 数m，见表2-l。 表2-1 功能原理方案的形态学矩阵 nm的形态学矩阵名义上有nm个解即nm个方案，实际有 akblnm个方案。方案数太大难以寻优，一般先按以下方法 淘汰大部分一般方案。各功能元解必须相容，不相容者淘汰 淘汰与国家政策民族习性有矛盾的、经济效益差的解 优先 选择主要功能元