《精编》综合设计理论与方法在产品开发中的应用

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1、综合设计理论与方法在产品研究与开发中的应用 东北大学机械工程与自动化学院闻邦椿 综合设计理论与方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 0 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

2、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 表1我国GDP与制造业工业增加值 表2 图1中德日美四国制造业增加值变化情况 0 2我国制造业的优势 劣势 机遇 威胁分析 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 0 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

3、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 0 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 近几年 我对产品的设计理论与方法

4、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 本 机械工业出版社 2008 已出版 本 1 产品的设计质量及功能与性能的含义 图1产品的主功能与辅助功能 1 1

5、产品的主功能与辅助功能 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 1 2产品的三大性能 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

6、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 2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

7、著名的设计理论与方法 1 前苏联的TRI2 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 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 3产品设计的三个阶段与7D总体设计规划 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 基于系统工程的

8、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

9、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 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 5 规划设计

10、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 3 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

11、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 完整系统与非完整系统结果的比较 表3 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

12、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 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

13、经济性差 造成不必要的浪费等 表3 3 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 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 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

14、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 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

15、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 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 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 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

16、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 4 2产品的动态优化设计 4 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 4 4产品的可视优化设计 图12深层次的综合设计法 理论与方法的具体应用 原始创新和集成创新 可以采用由十方面创新内容组成的创新体系 1 发现新原理 2 研究新结构 3 发明新机构 4 拓展新系统 5 建立新模型 6 发展新理论 7 研发新技术 8 提出新工艺 9 开拓新方法 10 研制新机器最终目标 在国际上研究和开发出新机器和新产品 综合设计法在产品创新设计中的作用 理论与方法的具体应用 研究轿车振动与噪声消减措施 已完成该项目的测试 分析和计算 提出了若干具体措施 图14发动机声强测试网格分布 图13吉利自由舰轿车外形 图15后备箱振动频谱随转速变化颜色索引图 图16左B柱振动阶次谱随转速变化颜色索引图 理论与方法的具体应用 研究轿车振动与噪声消减措施 已完成该项目的测试 分析和计算 提出了若干具体措施 图20白车身第8阶模态振型在Z方向投影图 图17白车身第1阶模态振型在Y方向投影图 图18白车身第3