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1、第二章 产品设计过程模型,第一节 概 述,公理设计主要特点： 发挥设计者的创造力； 帮助设计者进行合理的设计决策，减少设计的重复性； 合理的进行设计评价； 完全主观个人行为的设计具有一定的客观性,公理设计的设计过程不仅仅是选择恰当的设计方案来实现设计目标，还包括从基本的产品功能要求出发，利用“之字形”映射变换方法，进行功能分解、确定设计参数和工艺变量的一个从抽象到具体的设计过程，也是解决设计问题的过程以及设计信息组织成有机体的过程。 设计公理只提供了在分解的每一级如何选择恰当的设计参数来满足功能要求的方法，但是并没有从理论上指导设计者进行分解活动。,设计过程模型将设计者的活动、工具以及设计理论
2、有机组合在一起，保证设计者在设计分解过程中能够做出合理一致的设计决策。 设计过程模型涉及产品设计过程、设计决策规则和标准以及特殊领域设计工具和方法三个方面内容，它提供正确的设计方法并以设计公理等理论为依据，帮助设计者清楚的记录自己的设计活动，做出正确的设计决策，得到合理设计结果。,2.1 设计需要思考的问题,在每一级的分解过程中，设计者都应该考虑以下几个问题： 设计是不是需要进行下一级的分解？ 如果分解，分解的顺序又是如何，即哪对FR-DP应该先分解？ 什么样的子功能要求来实现父功能要求？ 如何将父设计参数转换成下一级的子功能要求？ 在考虑到设计约束的限制条件下，如何选择正确的子设计参数？ 选
3、择的设计参数是否能够将物理结构合并成一个整体？,2.2 设计活动,公理设计定义的产品设计过程为设计者开发或选择合适的方法实现一定目标，并满足约束要求的设计活动集合。 产品的设计过程就是设计者的人为的设计活动行为，实质上是设计者从事的一系列设计活动，通过思考、计算等脑力体力劳动，实现设计目标的过程，产品是设计者活动的结果。 公理设计将设计活动分为两类：,分解设计活动； 分析设计活动；,2.2.1 分解设计活动,子功能要求的生成； 设计参数的物理合并； 设计过程的分解顺序的确定； 设计参数的描述（设计参数的位置布置和尺寸链的定制）； 设计约束向下一级的转化和生成； 功能要求、设计参数、设计矩阵、设
4、计约束的一致性判断； 相应的用户需求的确定。,2.2.2 设计分析活动,设计参数的综合分析； 根据设计约束比较设计参数； 耦合设计的降耦； 耦合设计中设计参数的优化； 非耦合与准耦合设计中的设计参数值的调整和设定。,公理设计的整个设计过程可以概括为相互结合在一起而形成的整体人为设计活动的过程。各个设计活动不是相互独立的，它们之间有一定的因果关系和先后顺序，按照这种因果关系并按照一定的顺序结合成一个有机整体。 每一个设计活动都有自己的评判标准或行为准则，从整体上来讲，分解活动首先要考虑的就是设计的“一致性”，如果设计分解低一级的设计决策和上一级的设计决策保持一致，就减少了设计的重复，提高了工作效
5、率，短时间就能得到一个比较好的设计结果。,2.3 设计过程模型特征,设计决策：设计过程的目的就是进行设计决策，找到实现设计目标或是完成设计任务的解决方案。因此，在设计的过程中，设计者应该能够得到设计决策要点和设计决策标准和规则。 性能检测：设计过程的性能是通过对资源（时间、价值、人力等参数）的数量进行评估间接检测的，这些参数通常用来表示实现设计目标或是解决设计问题、完成设计任务的程度。,设计活动的顺序：从整个设计过程来看，设计的活动是相同的，设计者在各个设计等级重复这些活动，但是在每一个设计等级，设计活动具有先后顺序的，它们之间存在因果关系，设计必须按照这种先后设计顺序进行才能得到正确的设计结
6、果。,重复性：设计过程本身就是一个重复工作的过程。在设计的过程中，相同的工作在不同的设计等级节点上重复进行，完成不同设计任务。设计者应该清楚地确定出必要的重复工作，避免那些不必要的重复工作，这样就减少了设计的时间。,设计等级的范围和抽象程度：设计过程中设计者在每一个设计等级完成如下两个设计任务，设计等级的范围：此级别的工作对整个设计的影响程度；设计的抽象程度：设计在此级别是概念阶段还是详细阶段或者说是从抽象到具体的程度。,信息管理：设计者通过对设计项目的数据收集、分析，进行设计的决策。设计信息在确定性、数量和相关性方面的变化都会对设计产生影响，设计信息管理便于设计者及时根据变化对设计进行更改。
7、,2.4 设计过程模型规则,设计过程模型制定分解规则，在进行设计分解活动时帮助设计者进行设计决策，以便正确地进行分解。从公理设计的角度来讲，设计过程主要实现两个功能要求： FR1：实现预期功能要求； FR2：最少限度的使用资源。 整个设计过程中采用两种设计决策来进行实现上述两个功能要求。即设计的决策包括两种： DP1：设计中每一级的设计决策； DP2：设计级别之间的设计决策。,两个功能要求和设计参数之间的关系可以通过下面的公式表示：,一、 设计规则的描述,设计过程模型的规则用来指导设计者在分解过程中的活动，选择合适的方法来实现设计者的设计目标。这个规则包括以下几个方面：确定设计者的每一个设计活
8、动、设计者的设计目标、设计者可以选择的方法以及如何应用这些方法实现设计的目标。,设计目标的描述：设计目标描述阐明了设计者设计目的，即设计者既要满足整个设计的要求又要满足设计过程中某个特定的设计要求。,设计者可选择方法的描述：描述说明设计者可以获得的方法，例如确定实现某一个特定目标的方法或者确定进行下一个设计活动的可能性 。,选用方法实现结果的标准描述：此描述和目标、方法的描述相关联。它确定了在设计者可以获得方法中哪一个最有可能实现预期的设计目标。,2.5 设计过程模型与系统设计,系统是指具有特定功能的、相互间具有有机联系的若干要素构成的、达到规定目的的一个整体。一般认为，由两个或两个以上的要素
9、组成的、具有一定结构和特定功能的整体都可看作是一个系统。 系统设计就是设计者在给定的条件（称为约束条件）下，设计出满足需要的最佳系统。 因此，公理设计的设计活动相当于构建一个系统，设计者可以把设计参数看成作用在一起实现设计中高级别功能的不同元素的组合。高级别的设计参数本身就可以看成一个完整的系统单元，通过分解、提炼得到低级别的设计参数，这些参数表示了上一级设计参数的一些特征 。,2.5.1 系统特性,整体性：系统是由若干要素构成的有机整体，对内呈现各要素之间的最优组合，使信息流畅、反馈敏捷，对外则呈现出整体特性。要研究系统内各要素发生变化对整体特性的影响。 相关性：构成系统的要素之间是有机联系
10、的，即相关的，它们之间相互作用、相互影响而形成特定的关系。这意味着其中的一个要素发生变化，都将对其他要素产生影响。因此，应研究影响范围、影响方式和影响程度。,目的性：系统的价值体现在其功能上，完成特定的功能是系统存在的目的。一个系统可以是单一目的，也可以是多个目的。这些目的往往是相互矛盾的，因此就必须应用运筹学中的多目标优化设计法，求出各目标的折衷最优解。 环境适应性：任何一个系统都存在于一定的物质环境中，外部环境的变化，会使系统的输入发生变化，甚至产生干扰，引起系统功能的变化。,2.5.2 系统设计与公理设计的关系,一个大的系统可由若干小的系统组成，这些小的系统常为子系统。子系统又可由它所属
11、的更小的子系统组成。系统本身也可以是别的更大系统的组成部分。 公理设计的分解过程其实质和系统设计完全一致，并为系统的分解提供一个合理的依据，得到比较合理的系统组成，并建立了系统组成之间的联系。从解决问题的角度，是问题被不断地细化、然后分别解决，从而实现整个系统的功能。,系统设计不只是关心系统各组成部分的工作状态和性能，这是由于系统各组成部分的性质并不能代表整个系统的性质，整个系统的性质也不是它们的简单叠加。系统设计必须考虑整个系统的运行状态和性能，系统设计的侧重点是系统，是系统作为一个整体所表现出的性能和运行状态。,通过公理设计的分析过程得到系统的组成等级结构，即叶设计参数组成了系统的基本构成
12、元素，并表示了系统的特征，此外设计方程以及完整设计矩阵从整体的角度建立了系统组成之间的内在联系。,2.5.3 系统的公理设计,系统的公理设计从确定基本功能要求入手，然后选择可能的设计参数，并将设计参数合并成一个系统。并应用设计过程模型，对系统进行功能结构分解，建立系统的功能结构等级结构树。 在这种情况下，充分理解不同的功能要求和设计参数之间的关系（设计矩阵和等级结构表示）尤为重要，如果设计者不能很好地处理这些关系，那么设计过程就会陷入一种混乱境地。此外，系统设计在整个设计过程中尽量使用相同设计过程，相同设计方法可以在整个设计过程中循环使用。,2.5.4 系统设计中的变化,系统的本质是动态变化的
13、，在设计过程中完全控制变化对设计产生的影响，才能保证设计质量，提高设计的工作效率。系统设计中的变化主要包括以下几个方面：,设计参数值的变化：在设计的过程中，功能要求的值在工作时通过调整设计参数的值来确定； 功能要求值的变化：许多设计的功能要求在系统工作时或设计过程中，目标值发生变化； 设计参数的变化：在某些设计中，可以选择不同设计参数满足某一个特定功能要求，主要是考虑设计约束和设计公理的要求，选择比较合适的设计参数；,设计约束或约束值的变化：设计约束的变化对整个产品设计产生影响。虽然功能要求定义为相互独立的，但是，设计约束可是相互联系的。如果某一个设计约束发生变化，不仅受其影响的设计参数发生变
14、化，可能对其他设计约束也产生影响，相应地对其他设计参数产生影响。,功能要求的变化：功能要求发生变化就需要一个新的设计参数来满足它。在某些情况下，设计者需要根据当前功能要求做适当的调整，如果得不到设计方案，需要重新进行上一次的设计分解；,这些变化不是相互独立的，它们之间有着一定因果关系，某一种设计元素（功能要求、设计参数、设计约束的本身或值）发生变化，与之相关联的设计元素也要发生变化。如果父设计参数的子功能要求发生变化，相当于它本身也发生变化，或者是它某些细节或特性值发生变化。设计参数发生变化，设计矩阵中与它相关联的设计矩阵的元素值需要重新判断。 一组子功能要求发生变化，相当于选择了一个新的父设
15、计参数，在这种情况下，设计者不但要选择新的子设计参数来满足变化后的子功能要求，同时需要确定新的设计矩阵，重新判断上一级设计矩阵与父设计参数相关联的矩阵值。,2.5.5 系统设计的结果描述,公理设计的系统等级结构树是一个帮助设计者进行设计决策和记录设计过程的设计工具。它包括了设计的要求和结果、组成以及它们之间的关系。设计要求以功能要求和设计约束的形式表示，结果组成是设计参数的形式表示，两者之间的关系用设计矩阵和设计的等级结构树来描述。 系统等级结构树只能帮助设计记录分解结果和在设计中保持设计一致性，保证下一级设计决策和上一级的设计决策不发生冲突。,系统的布局； 系统的操作说明（特殊功能要求和设计
16、参数的工作时间）； 系统的构成； 系统的约束。,设计过程模型还提供设计参数资源的分配、合并以及动态功能要求的描述和评价的工具。,设计过程模型提供了系统设计的其他信息：,2.6 设计过程中的一致性,一致性定义 一致性分类 一致性分析,2.6.1 一致性定义,一致性定义为：设计的子功能要求以及其他的设计变量（设计参数、功能要求、设计约束等）的设计分解必须和设计的决策以及等级结构树上一级的表示内容相符合。 在分解的过程中，好的设计决策能够帮助设计者在等级结构树每一级中抽象地描述一个设计目标，但是，设计的整个等级结构树描述了同一个设计的目标。,在一个设计分解过程中主要包括功能要求分解、设计参数选择、设计矩阵确定以及设计约束精炼，一致性在这几种情况下都有可能发生。所以设计过程中的一致性分析大致可以概括为：,根据各种情况发生前后矛盾的不同具体情况，采用不同方法进行判断。,功能要求一致性分析； 设计参数一致性分析； 设计矩阵一致性分析； 设计约束一致性分析。,功能要求的前后矛盾：子功能要求与父功能要求设计参数对所要求的功能不符；功能要求分解后，产生多余或不必要的子功能要求；子功能要求没
