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1、创新设计第三章Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望第 三 章 系统化设计方法（计划与原理方案设计）机械创新设计第三章 系统化设计方法 系统化设计法系统化设计法是将设计对象看作一个系统，是将设计对象看作一个系统，用系统工程的方法进行分析与综合，按用系统工程的方法进行分析与综合，按设计进设计进程程有条理有步骤地进行设计，以求得有条理有步骤地进行设计，以求得价值最优价值最优的最佳方案的一种方法的最佳方案的一种方法。 计划计划是设计进程模式中的第一阶段内容是设计进程模式中的第一阶
2、段内容； 原理方案设计原理方案设计是设计进程模式中的第二阶是设计进程模式中的第二阶段中第一步的内容段中第一步的内容。 这二者决定了这二者决定了整个设计的方向整个设计的方向和基本构思和基本构思。机械创新设计第三章 系统化设计方法 明确设计任务明确设计任务 （计划阶段的主要内容计划阶段的主要内容） 如果把一次设计看作是进行一次战役的话如果把一次设计看作是进行一次战役的话，那么计划阶段的任务就是要确立此次战役的那么计划阶段的任务就是要确立此次战役的战战略目标略目标，制定战略思想。制定战略思想。此阶段有三项具体内容：此阶段有三项具体内容： 需求识别需求识别（确立此次战役的战略目标）（确立此次战役的战略
3、目标） 调查及可行性研究调查及可行性研究 产品设计任务书产品设计任务书明确设计任务明确设计任务机械创新设计第三章 系统化设计方法 任何产品的开发都是从某种任何产品的开发都是从某种需求的识别需求的识别开始的。如衣食住行视听说方面的产品。开始的。如衣食住行视听说方面的产品。 所谓所谓需求识别需求识别就是决定开发什么样的产就是决定开发什么样的产品。品。( (当然是指能进入市场，占领市场的产品当然是指能进入市场，占领市场的产品) )需求识别需求识别 上世纪七十年代初，日本人从上世纪七十年代初，日本人从 “人民日报人民日报”， “中国建设中国建设”， “人民中国人民中国“ 等公等公 开发行的报刊杂志上逐
4、渐地收集，积累信息，从字里行间窥探出有关大庆油开发行的报刊杂志上逐渐地收集，积累信息，从字里行间窥探出有关大庆油田的准确信息。由此，田的准确信息。由此， 日本石油机械公司作出决策，增加生产炼油设备，等待中日本石油机械公司作出决策，增加生产炼油设备，等待中国的订购。国的订购。 果然，由于日本距中国较近，运输方便，产品价格尚能接受，经过贸易谈判，果然，由于日本距中国较近，运输方便，产品价格尚能接受，经过贸易谈判，中国于中国于1973年进口了日本的炼油成套设备。年进口了日本的炼油成套设备。 这就是采用这就是采用需求识别确立战略目标需求识别确立战略目标的典型范例。的典型范例。例明确设计任务明确设计任务
5、机械创新设计第三章 系统化设计方法 需求识别需求识别应列入设计的进程模式中，因为认识到一种需求，应列入设计的进程模式中，因为认识到一种需求，本身就是一个创造过程。本身就是一个创造过程。 爱因斯坦说过：爱因斯坦说过：“ 提出一个问题往往比解决一个问题更重提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅是一个科学上的实验技能而已，要，因为解决一个问题也许仅是一个科学上的实验技能而已，而提出新问题，新的可能性，以及从新的角度看旧的问题，却而提出新问题，新的可能性，以及从新的角度看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。”
6、 有一位软件设计人员说：只要你想得出的（即有一位软件设计人员说：只要你想得出的（即认识到某种认识到某种需求需求），他就能设计得出。），他就能设计得出。 有很多产品出自于生产实践和生活，而设计者是一些门外有很多产品出自于生产实践和生活，而设计者是一些门外汉。为什么不是专家或内行设计的呢汉。为什么不是专家或内行设计的呢? ? 这是因为不能他们认识这是因为不能他们认识到这种需求，没有参与这一创造过程。到这种需求，没有参与这一创造过程。 目前，社会上有许多人或单位有资金，有技术，有场地，目前，社会上有许多人或单位有资金，有技术，有场地，就是没有产品，这就是因为不能识别需求。就是没有产品，这就是因为不能
7、识别需求。 明确设计任务明确设计任务机械创新设计第三章 系统化设计方法 需求有两种：一种为需求有两种：一种为显需求显需求，一种为，一种为隐需求隐需求。 显需求显需求是人们都知道的，说得出来的明显需求。是人们都知道的，说得出来的明显需求。如衣食住行的产品：各种衣服，食品，房屋及交通如衣食住行的产品：各种衣服，食品，房屋及交通工具等。工具等。 隐需求隐需求是人们还没有意识到的潜在需求。是人们还没有意识到的潜在需求。 显然，今天的许多显需求，在昨天还是隐需求。显然，今天的许多显需求，在昨天还是隐需求。 如微波炉，在推向市场之前，人们对它只是一种隐需求，进入如微波炉，在推向市场之前，人们对它只是一种隐
8、需求，进入 市场后，人们使用起来觉得很方便，它才变成一种显需求。市场后，人们使用起来觉得很方便，它才变成一种显需求。 设计者的任务不仅仅是去不断改进，提高那些满足人们设计者的任务不仅仅是去不断改进，提高那些满足人们显需求显需求的产品，更重要的是要去开发那些满足人们的产品，更重要的是要去开发那些满足人们隐需求隐需求的产品。的产品。 ( (显需求显需求一般为适应性设计与改进性设计，一般为适应性设计与改进性设计，隐需求隐需求一般为创造一般为创造性设计性设计) )例明确设计任务明确设计任务机械创新设计第三章 系统化设计方法 一次战役的胜负不取决于局部战术，决定的一次战役的胜负不取决于局部战术，决定的因
9、素在于因素在于明确的战略目标明确的战略目标和和正确的战略思想正确的战略思想。一。一次产品开发的成败，最困难的不一定是采用科学次产品开发的成败，最困难的不一定是采用科学技术手段的高低，而是技术手段的高低，而是确定需要什么样的产品确定需要什么样的产品。 如果一个产品开发出来以后，不能被市场所如果一个产品开发出来以后，不能被市场所接受，则说明开发它的战咯目标和战略思想不正接受，则说明开发它的战咯目标和战略思想不正确，或者市场调查不够深入。确，或者市场调查不够深入。 所以说，所以说，需求识别需求识别的结果就是确立了此次的结果就是确立了此次战役的战略目标。战役的战略目标。明确设计任务明确设计任务机械创新
10、设计第三章 系统化设计方法 此阶段是在需求识别所确定的产品构思基础此阶段是在需求识别所确定的产品构思基础上，从市场需求，技术，经济，社会以及法律政上，从市场需求，技术，经济，社会以及法律政策等方面进行全面的调查与分析，并论证该产品策等方面进行全面的调查与分析，并论证该产品构思是否有效。如果可行，那么构思出一套可行构思是否有效。如果可行，那么构思出一套可行的方案，并提出可行性研究报告，作为本阶段的的方案，并提出可行性研究报告，作为本阶段的输出，进入下一设计阶段。输出，进入下一设计阶段。明确设计任务明确设计任务2 2调查及可行性研究调查及可行性研究 现在国际国内都比较重视项目现在国际国内都比较重视
11、项目的可行性研究，以尽量避免或减少的可行性研究，以尽量避免或减少失误造成的经济损失。对于一些大失误造成的经济损失。对于一些大项目，更是慎之又慎。项目，更是慎之又慎。机械创新设计第三章 系统化设计方法 可行性研究报告包括以下主要内容：可行性研究报告包括以下主要内容： (1) (1)从市场需求预测出发，论述该设计项目从市场需求预测出发，论述该设计项目的必要性；的必要性； (2) (2)该产品目前国内外现状及水平；该产品目前国内外现状及水平； (3) (3)确定产品的技术规格确定产品的技术规格、性能参数和约束性能参数和约束条件；条件； (4) (4)提出该产品的技术关键和解决途径；提出该产品的技术关
12、键和解决途径； (5) (5)预期达到的技术预期达到的技术、经济经济、社会效益；社会效益； (6) (6)预算投资费用及项目进度预算投资费用及项目进度、期限。期限。明确设计任务明确设计任务机械创新设计第三章 系统化设计方法 3 3产品设计任务书产品设计任务书 拟定产品设计任务书即为明确系统的拟定产品设计任务书即为明确系统的功能功能，输入与输出输入与输出，确定系统的，确定系统的边界及约束条件边界及约束条件。 任务完成后可根据产品设计任务书提出的设任务完成后可根据产品设计任务书提出的设计要求，作为评价的依据。计要求，作为评价的依据。 (1)(1)拟定原则拟定原则 * *全面全面：尽可能列出全部设计
13、要求；：尽可能列出全部设计要求； * *定量定量：设计要求尽可能定量化；：设计要求尽可能定量化； * *适度适度：设计要求定得不高不低：设计要求定得不高不低： * *先进先进：与同类产品相比能体现出先进性。：与同类产品相比能体现出先进性。明确设计任务明确设计任务机械创新设计第三章 系统化设计方法 (2)(2)设计要求设计要求 产品设计要求是设计产品设计要求是设计、制造制造、试验和鉴定的依据。试验和鉴定的依据。 设计要求一般包括以下几方面：设计要求一般包括以下几方面： 必达要求必达要求 根据设计任务规定，必须无条件达到的要求。根据设计任务规定，必须无条件达到的要求。 如机械产品的功能，生产率，精
14、度，安全性与可靠如机械产品的功能，生产率，精度，安全性与可靠性等指标。性等指标。 最低要求最低要求 主要反映设计的主要反映设计的边界及边界及约束条件（即系统的环境）。约束条件（即系统的环境）。 如机械产品的工作环境，空间尺寸，噪声大小，维如机械产品的工作环境，空间尺寸，噪声大小，维修可达性等。修可达性等。 尽量满足的要求尽量满足的要求( (即希望即希望) ) 在可能条件下希望考虑的要求。在可能条件下希望考虑的要求。明确设计任务明确设计任务机械创新设计第三章 系统化设计方法(3)(3)设计任务书的格式设计任务书的格式 目前目前设计任务书设计任务书没有统一的格式，没有统一的格式，它可用明细表，合同
15、书等方式表达。它可用明细表，合同书等方式表达。 产品设计要求拟定后产品设计要求拟定后, 必须以必须以设计任务书设计任务书的形式固定下来的形式固定下来。 设计任务书设计任务书是设计师进行是设计师进行产品设计的路标产品设计的路标,是产品是产品鉴定和验收的依据鉴定和验收的依据,是是解决设计单位和委解决设计单位和委托单位之间矛盾的准绳托单位之间矛盾的准绳。明确设计任务明确设计任务机械创新设计第三章 系统化设计方法 1919世纪世纪4040年代，美国通用电气公司的工程师迈尔斯年代，美国通用电气公司的工程师迈尔斯首先提出首先提出功能功能的概念，并把它作为的概念，并把它作为价值工程价值工程研究的核心研究的核
16、心问题。他认为，顾客购买的不是产品本身，而是产品的问题。他认为，顾客购买的不是产品本身，而是产品的功能功能。 在设计科学的研究过程中，人们也逐渐认识到产品在设计科学的研究过程中，人们也逐渐认识到产品机构或结构的设计往往首先由工作原理确定，而机构或结构的设计往往首先由工作原理确定，而工作原工作原理构思的关键理构思的关键是是满足产品的功能要求满足产品的功能要求。 机械产品的机械产品的常规设计常规设计是从结构件开始，而是从结构件开始，而功能分析功能分析则则是从对机械结构的思考是从对机械结构的思考转为转为对它的对它的功能思考功能思考，从而做，从而做到不受现有结构的束缚，以便形成新的设计构思，提出到不受
17、现有结构的束缚，以便形成新的设计构思，提出创造性方案。创造性方案。 功能分析设计法功能分析设计法功能分析设计法功能分析设计法机械创新设计第三章 系统化设计方法明确设计任务明确设计任务 在产品创新设计中在产品创新设计中, ,由于只有在由于只有在认清问题本质认清问题本质的同时的同时, ,才能得才能得到根本性的创造到根本性的创造。而产品而产品概念设计的主要目的概念设计的主要目的是产生满足所需是产生满足所需功功能能要求的设计解要求的设计解, ,设计过程受设计过程受功能功能制约制约, ,也就是说也就是说, ,设计由设计由功能功能引引导导, ,所以所以功能功能在概念设计中起着十分重要的作用在概念设计中起着
18、十分重要的作用。 功能功能根据不同的研究领域和不同的研究对象有不同的定义根据不同的研究领域和不同的研究对象有不同的定义。当当功能功能与组件相联系时与组件相联系时, ,它表现出一种相关性它表现出一种相关性; ;在实际运作上在实际运作上, ,功功能能是组件在能量是组件在能量、材料材料、信息之间输入和输出的一种关系信息之间输入和输出的一种关系; ;在实施在实施目标上目标上, ,功能功能又是设计目的和组件行为之间的一种纽带又是设计目的和组件行为之间的一种纽带; ;对具体产对具体产品来说品来说, ,功能功能是指产品的效能是指产品的效能、用途和作用用途和作用。人们购置的是产品人们购置的是产品功能功能, ,
19、人们使用的也是产品人们使用的也是产品功能功能。 当当功能功能与原始问题相联系时与原始问题相联系时, ,功能功能成为描述设计问题的行为成为描述设计问题的行为和结果和结果。 功能分析设计思路功能分析设计思路机械创新设计第三章 系统化设计方法明确设计任务明确设计任务 产品设计产品设计过程的出发点是来自于过程的出发点是来自于产品设计任产品设计任务书务书, ,也就是说也就是说, ,产品设计产品设计是要在是要在设计任务书设计任务书要求要求的条件下达到预定的目的的条件下达到预定的目的, ,实现系统的目的实现系统的目的功能功能。 而而产品概念设计产品概念设计是根据是根据任务书任务书的要求产生设的要求产生设计概
20、念计概念, ,它的目的是为设计系统寻找一个或一组它的目的是为设计系统寻找一个或一组满足满足设计任务书设计任务书要求的原理解要求的原理解, ,它的过程是将它的过程是将抽抽象的功能象的功能转化为转化为具体结构具体结构。 设计方法学中提出了从给定的设计任务书中设计方法学中提出了从给定的设计任务书中产生一个设计的全局产生一个设计的全局功能功能, ,然后对此然后对此功能功能分解成分解成一系列相互独立的一系列相互独立的子功能子功能, ,再由此再由此子功能子功能形成一形成一个层状的个层状的可映射到结构解可映射到结构解的的功能功能结构。结构。 机械创新设计第三章 系统化设计方法 技术系统的技术系统的功能功能即
21、产品的用途。即产品的用途。 功能功能是产品所具有的能够满足用户某种需要的特性。是产品所具有的能够满足用户某种需要的特性。 按功能的重要程度按功能的重要程度，功能功能分为两类：分为两类：基本功能基本功能与与辅辅助功能助功能。 基本功能基本功能是实现产品使用价值必不可少的；是实现产品使用价值必不可少的； 辅助功能辅助功能即产品的即产品的附加功能附加功能。 如闹钟：如闹钟：基本功能基本功能是指示时间，是指示时间，辅助功能辅助功能是提示注意。是提示注意。 系统具有的系统具有的功能功能一般总是以成本作为代价的，多余一般总是以成本作为代价的，多余的的功能功能会使用户付出更多的代价，所以会使用户付出更多的代
22、价，所以附加功能附加功能要根据要根据技术条件进行取舍或改变。技术条件进行取舍或改变。例功能分析设计法功能分析设计法功能概念功能概念功能分类功能分类机械创新设计第三章 系统化设计方法 按用户要求的性质分按用户要求的性质分，有，有使用功能使用功能与与外观功能外观功能。 使用功能使用功能是指产品的是指产品的实际使用价值实际使用价值，即能够满足用，即能够满足用户使用要求的功能。户使用要求的功能。 齿轮加工机床的齿轮加工机床的“加工齿轮加工齿轮”的功能：的功能： 载重汽车的载重汽车的“运输货物运输货物”的功能：的功能： 手表的手表的“指示时间指示时间”的功能等，都是使用功能。的功能等，都是使用功能。 外
23、观功能外观功能是指在使用功能的基础上，对产品起是指在使用功能的基础上，对产品起美化美化，装饰作用，装饰作用的功能。的功能。 外观功能具有外观功能具有吸引顾客吸引顾客的作用。的作用。 同类产品中，在价格，性能相同的条件下同类产品中，在价格，性能相同的条件下 外观最外观最受顾客欢迎者，必能取得竞争的优势。故在设计产品时受顾客欢迎者，必能取得竞争的优势。故在设计产品时，在，在保证实现产品的使用功能保证实现产品的使用功能的前提下，还必须注意重的前提下，还必须注意重视产品的视产品的外观功能外观功能。例功能分析设计法功能分析设计法机械创新设计第三章 系统化设计方法 按用户的需要划分按用户的需要划分，有，有
24、必要功能必要功能与与不必要功能不必要功能。 必要功能必要功能是指凡是用户所需要的功能。是指凡是用户所需要的功能。 不必要功能不必要功能是指凡是用户不需要的功能，包括是指凡是用户不需要的功能，包括多余多余功能功能及及过剩功能过剩功能。 多余功能多余功能是由于不根据实际情况分析而盲目照搬已是由于不根据实际情况分析而盲目照搬已有设计形成的。有设计形成的。 吉普车过去在战场或恶劣环境中越野行驶，具有前后轴分别驱动的功吉普车过去在战场或恶劣环境中越野行驶，具有前后轴分别驱动的功 能在城市中行驶前轴驱动功能就成为多余的功能。能在城市中行驶前轴驱动功能就成为多余的功能。 过剩功能过剩功能是指有的功能属必要，
25、但超过产品所需的是指有的功能属必要，但超过产品所需的适宜程度。适宜程度。 产品的功率，速度，寿命等性能超过实际需要；采用过分贵重的原材产品的功率，速度，寿命等性能超过实际需要；采用过分贵重的原材 料；不必要地提高加工精度等。料；不必要地提高加工精度等。 使用普通车床加工批量很大的零件（已成为专用机床）时，车床的变使用普通车床加工批量很大的零件（已成为专用机床）时，车床的变 速功能则成为多余的。速功能则成为多余的。例例例功能分析设计法功能分析设计法机械创新设计第三章 系统化设计方法 采用功能分析法进行原理方案设计时，按下列步骤采用功能分析法进行原理方案设计时，按下列步骤进行工作：进行工作： (1
26、) (1)确定总功能确定总功能 (2) (2)总功能分解总功能分解( (分析分析) ) (3) (3)功能元求解功能元求解 寻求完成功能元的技术实体寻求完成功能元的技术实体功能载体功能载体 (4) (4)求整体方案解求整体方案解( (综合综合) ) ( (将分功能解组合成整体方案解将分功能解组合成整体方案解) ) (5) (5)评价评价与与决策决策 ( (对得到的多种方案优选出最优解对得到的多种方案优选出最优解) ) 此过程中，用到了解决问题的逻辑步骤：此过程中，用到了解决问题的逻辑步骤：分析分析综合综合评价评价决策决策功能分析设计法功能分析设计法功能分析设计步骤功能分析设计步骤机械创新设计第
27、三章 系统化设计方法 (1)(1)功能定义功能定义 一要一要抽象抽象，二要，二要准确准确，二要，二要简洁简洁。 抽象抽象： 确定总功能时应首先使设计问题确定总功能时应首先使设计问题抽象化抽象化 抽象抽象与与具体具体对应了两种思维方式。问题越对应了两种思维方式。问题越具体具体思维思维就会越就会越收敛收敛，问题越，问题越抽象抽象则思维就越则思维就越发散发散，发散思维才，发散思维才有创造性。有创造性。 确定总功能确定总功能 不论是开发性设计不论是开发性设计( (设计全新产品设计全新产品) )，还是适应性设计，还是适应性设计( (改造已改造已有产品有产品) )，都要求设计人员能够跳出已有产品结构原理的
28、框框，去，都要求设计人员能够跳出已有产品结构原理的框框，去探索，开拓实现新产品功能的新思路，新方法。探索，开拓实现新产品功能的新思路，新方法。 由于思维的惯性作用，人们的思维易被已有产品结构，原理由于思维的惯性作用，人们的思维易被已有产品结构，原理所局限，依循着老的设计思路兜圈子。要使设计者产生新思路，所局限，依循着老的设计思路兜圈子。要使设计者产生新思路，就必须把就必须把问题抽象化问题抽象化，其目的就是为了有利于，其目的就是为了有利于开拓设计思路开拓设计思路。确定总功能确定总功能机械创新设计第三章 系统化设计方法破破壳取仁壳取仁壳仁壳仁分离分离砸：锤（冲击）砸：锤（冲击）夹：夹： （杠杆）（
29、杠杆）压：压： （静压）（静压）扔：核桃向硬靶扔：核桃向硬靶 取出核桃仁的功能描述取出核桃仁的功能描述功能定义功能定义作用于核桃作用于核桃原理解法原理解法钻孔后，向壳内充气钻孔后，向壳内充气整体加压：整体加压：外压骤减，内压破壳外压骤减，内压破壳除以上考虑外除以上考虑外反作用于核桃反作用于核桃外外部部施施力力内内部部施施力力抽抽象象化化还原法则逆逆向向思思维维例确定总功能确定总功能机械创新设计第三章 系统化设计方法确定总功能确定总功能 中国古代哲学家老子认为我们中国古代哲学家老子认为我们所见的万物之所见的万物之本隐入不可见之中本隐入不可见之中。 人的本质不在肉体的外貌。人的本质不在肉体的外貌。
30、 产品的功能也不在可见的结构。产品的功能也不在可见的结构。 实际的设计问题千变万化，多种多样且各实际的设计问题千变万化，多种多样且各具特色。具特色。 设计师必须善于设计师必须善于简化问题简化问题，提炼出，提炼出本质的本质的要素要素，揭示整个体系的内在结构或者形式即是，揭示整个体系的内在结构或者形式即是抽抽象化象化的过程。的过程。机械创新设计第三章 系统化设计方法 功能定义务求准确，避免失真，要客观地反映产品功能定义务求准确，避免失真，要客观地反映产品的真实功能。的真实功能。 自来水笔通常用来写字或绘图自来水笔通常用来写字或绘图 功能定义只能表达产品的基本效用，没有说明实现功能定义只能表达产品的
31、基本效用，没有说明实现效用的具体条件。如果没有具体条件的约束，能达到定效用的具体条件。如果没有具体条件的约束，能达到定义所规定功能的产品将会有很多种。义所规定功能的产品将会有很多种。 能够完成能够完成“加工孔加工孔”的功能的机床的功能的机床 确定总功能确定总功能准确准确例例 ，如果定义为，如果定义为“写字写字”就会失它自身并不能就会失它自身并不能完成这个功能。它的功能应该定义为完成这个功能。它的功能应该定义为“存和出墨水存和出墨水”。 就有钻床就有钻床、镗床镗床、铣床铣床、车床车床、拉床拉床、内园磨床等等。内园磨床等等。因此在设计之前，必须根据用户需要确定实现功能的约束条件，因此在设计之前，必
32、须根据用户需要确定实现功能的约束条件，才能设计出完全符合用户要求的产品。才能设计出完全符合用户要求的产品。 钻床的功能定义应为钻床的功能定义应为“在无孔处加工出孔在无孔处加工出孔”。机械创新设计第三章 系统化设计方法 定义功能应用最简单的语句，一般用一个定义功能应用最简单的语句，一般用一个动词动词加上加上个个名词名词来表示。来表示。 千斤顶的功能就是千斤顶的功能就是 顶起重物；顶起重物； 洗衣机的功能就是洗衣机的功能就是 除去污迹除去污迹； 钟表的功能就是钟表的功能就是 指示时间指示时间。确定总功能确定总功能简洁简洁 使用简明确切的语句反映产品或零部件的使用简明确切的语句反映产品或零部件的基本
33、效用，使人一看就能明了该产品的作用或基本效用，使人一看就能明了该产品的作用或用途。用途。例机械创新设计第三章 系统化设计方法确定总功能确定总功能 黑箱法黑箱法的特点：的特点： 便于摆脱具体的结构只按功能来思考，通过便于摆脱具体的结构只按功能来思考，通过“黑箱黑箱”与与输入量输入量和和输出量输出量及及周围环境的信息周围环境的信息联系，了解其联系，了解其功功能能特性，进一步探求系统的机理和结构逐步使特性，进一步探求系统的机理和结构逐步使“黑箱黑箱”透亮，直至透亮，直至方案方案拟定。拟定。 一般的一般的黑箱黑箱示意图如下：示意图如下：系统分析方法系统分析方法 - - 黑箱法黑箱法待设计的技术系统待设
34、计的技术系统（黑箱）（黑箱）物料物料物料物料能量能量能量能量信号信号信号信号环境对系统的影响环境对系统的影响系统对环境的影响系统对环境的影响机械创新设计第三章 系统化设计方法 值得注意的是：黑箱法并不能确定系统的值得注意的是：黑箱法并不能确定系统的总功能总功能，它只能通过它只能通过“黑箱黑箱”与输与输入量和输出量及周围环境的入量和输出量及周围环境的信息联系，探求系统内部的结构，对分析系统的总功信息联系，探求系统内部的结构，对分析系统的总功能由哪些能由哪些分功能分功能组成是较好的。组成是较好的。确定总功能确定总功能机械创新设计第三章 系统化设计方法 (1)(1)功能分解树功能分解树 为了更好地寻
35、求解答，应当把技术系统的总功能为了更好地寻求解答，应当把技术系统的总功能分解为比较简单的分解为比较简单的分功能分功能或或功能元功能元，一般分解到能直，一般分解到能直接接找到解法找到解法的的功能元功能元为止。为止。 功能分解功能分解不只是问题求解的手段，而且是深刻认不只是问题求解的手段，而且是深刻认识事物的方法，即识事物的方法，即化整为零化整为零。 分功能或功能元的输入量和输出量之间的关系更分功能或功能元的输入量和输出量之间的关系更为明确，所需的物理原理比较单一，较易求解。为明确，所需的物理原理比较单一，较易求解。 功能分解功能分解的结果用的结果用功能分解树功能分解树的形式表达比较简的形式表达比
36、较简单，易于掌握。单，易于掌握。 功能分解树功能分解树的末端的末端树叶树叶即是即是功能元功能元。总功能分解总功能分解机械创新设计第三章 系统化设计方法总功能分解总功能分解例单桶全自动洗衣机的单桶全自动洗衣机的功能分解树功能分解树除去除去污迹污迹容器容器动力动力控制控制联结与支承联结与支承容纳衣物和水容纳衣物和水传递与转换传递与转换进水进水波轮旋转波轮旋转桶体旋转桶体旋转搅水搅水脱水脱水排水排水定时：波轮正反转定时：波轮正反转脱水启停脱水启停电源开关电源开关总功能总功能机械创新设计第三章 系统化设计方法总功能分解总功能分解例电风扇的电风扇的功能分解功能分解使空气使空气流动流动驱动驱动执行执行控制
37、控制联结与支承联结与支承电能电能 机械能机械能能量传递能量传递变速变速空气流动空气流动改变风向改变风向照明照明闪烁闪烁定时定时启停启停辅助辅助能量转换能量转换传动机构传动机构喷水喷水总功能总功能改变风速改变风速机械创新设计第三章 系统化设计方法总功能分解总功能分解 (2) (2)功能结构功能结构 任何功能结构，都可由以下三种基本结构形式组成。任何功能结构，都可由以下三种基本结构形式组成。 串联结构串联结构又称顺序结构，它反映了分功能或功能元之间的又称顺序结构，它反映了分功能或功能元之间的因果关系或时间，空间顺序关系。因果关系或时间，空间顺序关系。 ， 车床上的走刀机构，转动手柄，螺杆转动，然后
38、带动刀架移动。车床上的走刀机构，转动手柄，螺杆转动，然后带动刀架移动。 并联结构并联结构又称又称选择结构选择结构，几个分功能作为手段共同完成一，几个分功能作为手段共同完成一个目的，或同时完成某些分功能后才能继续执行下一个分功能，个目的，或同时完成某些分功能后才能继续执行下一个分功能，则这几个分功能处于并联关系。则这几个分功能处于并联关系。 车床上的走刀机构，横向走刀和纵向走刀共同完成的复合运动。车床上的走刀机构，横向走刀和纵向走刀共同完成的复合运动。 环形结构环形结构又称又称循环结构循环结构，输出反馈为输入的结构。按逻辑，输出反馈为输入的结构。按逻辑条件分析，满足一定条件而循环进行的结构。条件
39、分析，满足一定条件而循环进行的结构。 发动机中的曲轴发动机中的曲轴- -连杆连杆- -活塞即是循环结构，活塞输出的力传到曲轴上，活塞即是循环结构，活塞输出的力传到曲轴上， 又反馈到活塞，再作为输入。又反馈到活塞，再作为输入。 例例例机械创新设计第三章 系统化设计方法总功能分解总功能分解 (3)(3)功能结构图功能结构图 把把功能元功能元按按因果关系因果关系，时空顺序关系时空顺序关系或或逻辑关系逻辑关系组织起来，组织起来，得到得到功能结构图功能结构图。 建立建立功能结构图功能结构图时应由粗到细，首先考虑主要功能和主要流，时应由粗到细，首先考虑主要功能和主要流，建立功能结构的雏形，再逐步解决辅助功
40、能和次要流的问题，逐建立功能结构的雏形，再逐步解决辅助功能和次要流的问题，逐步完善功能结构。步完善功能结构。 功能结构图功能结构图的建立是使技术系统从抽象走向具体的第一步，的建立是使技术系统从抽象走向具体的第一步，它体现了功能元或分功能之间的它体现了功能元或分功能之间的顺序关系顺序关系，这一点也就是，这一点也就是功能结功能结构图构图与与功能分解树功能分解树之间的重要区别。之间的重要区别。 值得注意的是，对于同一个技术系统来说，值得注意的是，对于同一个技术系统来说，功能分解树功能分解树只有只有一个一个，而，而功能结构图功能结构图则根据选用工作原理的不同可能有则根据选用工作原理的不同可能有多个多个
41、。 所以，改变功能结构可发展新的产品：所以，改变功能结构可发展新的产品：功能分解树功能分解树反映了总功能与其所属功能元之间的隶属关系，只反映了总功能与其所属功能元之间的隶属关系，只有一个，具有唯一性。有一个，具有唯一性。功能结构图功能结构图反映了功能元之间相互位置与反映了功能元之间相互位置与顺序顺序的关系，存在多的关系，存在多种选择，具有多解性。种选择，具有多解性。比较机械创新设计第三章 系统化设计方法总功能分解总功能分解例单桶全自动洗衣机的单桶全自动洗衣机的功能结构图功能结构图容器容器动力动力控制控制联结与支承联结与支承传递与转换传递与转换进水进水波轮旋转波轮旋转桶体旋转桶体旋转脱水脱水排水
42、排水定时：波轮正反转定时：波轮正反转脱水启停脱水启停电源开关电源开关信信号号污衣污衣能量能量清水清水净净衣衣污污水水机械创新设计第三章 系统化设计方法总功能分解总功能分解 同样的分功能由于解法不同，可得到不同的同样的分功能由于解法不同，可得到不同的功能结构。功能结构。例任务：设计汽水瓶盖同向排列运送装置任务：设计汽水瓶盖同向排列运送装置 瓶盖码齐机瓶盖码齐机设计要求：把不规则放置的汽水瓶盖排列成内侧向上，单列输出。设计要求：把不规则放置的汽水瓶盖排列成内侧向上，单列输出。瓶盖码齐机瓶盖码齐机（黑箱）（黑箱）总功能：总功能：瓶盖同向排列瓶盖同向排列A：输入：输入B：测向：测向C：分拣：分拣D：翻
43、转：翻转E：输出：输出把反向把反向瓶盖翻转瓶盖翻转检测检测瓶盖向上还是向下瓶盖向上还是向下拣出向上的拣出向上的瓶盖瓶盖机械创新设计第三章 系统化设计方法总功能分解总功能分解A：输入：输入B：测向：测向C：分拣：分拣D：翻转：翻转E：输出：输出总功能：总功能：瓶盖同向排列瓶盖同向排列方案一方案一方案二方案二方案三方案三ABCDEABCDEABCE分分 功功 能能AEBCD机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解 功能元是功能元是功能的基本单位功能的基本单位。 功能元求解功能元求解有两种途径：有两种途径： 功能元功能元原理探索原理探索求解求解 功能元功能元组合方法组合方法求解。求解。
44、 功能元的技术原理功能元的技术原理未知未知，需要选择或探求，需要选择或探求，采用采用前者前者； 功能元的技术原理功能元的技术原理已知已知，在此基础上变异，在此基础上变异改进，则采用改进，则采用后者。后者。 功能元求解功能元求解机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解 (1) (1) 功能元功能元原理探索求解原理探索求解基本思路基本思路 功能元求解功能元求解的完整过程是从基础科学研究的完整过程是从基础科学研究揭示的一般科学原理开始，经过应用研究探明揭示的一般科学原理开始，经过应用研究探明具体的技术原理，然后寻求实现该技术原理的具体的技术原理，然后寻求实现该技术原理的技术手段，主要结
45、构技术手段，主要结构( (即功能载体即功能载体) )。基础科学研究基础科学研究一般科学原理一般科学原理应用研究应用研究技术原理技术原理技术手段（功能载体）技术手段（功能载体）实用探索实用探索原理探索求解机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解 由于技术系统的难易程度不同，功能元求由于技术系统的难易程度不同，功能元求解不一定表现出上述全部的典型过程，为了简解不一定表现出上述全部的典型过程，为了简单起见，把单起见，把科学原理科学原理与与技术原理技术原理一起称作一起称作工作工作原理原理。 这样，功能元求解的基本思路可以简明地这样，功能元求解的基本思路可以简明地表达为：表达为：功能载体功
46、能载体工作原理工作原理功能功能 构思技术原理是技术设计中最关键，最富于构思技术原理是技术设计中最关键，最富于创造性的一环。创造性的一环。蜗轮蜗杆蜗轮蜗杆、齿轮副、带传动等、齿轮副、带传动等机械原理机械原理变速变速例原理探索求解机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解 构思技术原理的基本途径有三条：构思技术原理的基本途径有三条： 把把科学原理科学原理转化为转化为技术原理技术原理；原理探索求解 从从技术经验技术经验中发现中发现隐含的内在机制隐含的内在机制，提炼，提炼成成技术原理技术原理； 对对现有的技术原理现有的技术原理通过改进通过改进、变换或移植变换或移植形成形成新的技术原理新的技
47、术原理。机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解热管的发明与应用热管的发明与应用原理探索求解例 热由高温物体向低温物体传导热由高温物体向低温物体传导这一普遍原理，在不同场合这一普遍原理，在不同场合获得技术上的应用，完全取决于所设计的功能载体。获得技术上的应用，完全取决于所设计的功能载体。 美国阿拉斯加油田建设输油管要穿过冻土带，输油管保温美国阿拉斯加油田建设输油管要穿过冻土带，输油管保温十分困难。设计者通过调查了解到，冻土层只有十分困难。设计者通过调查了解到，冻土层只有1m左右，深处左右，深处温度较高，深处的热量如能恰当利用，可就地解决输油管保温问温度较高，深处的热量如能恰当利用
48、，可就地解决输油管保温问题。题。 从原则上确定这一技术措施后，从原则上确定这一技术措施后，关键则是确定技术手段来实关键则是确定技术手段来实现热量传导现热量传导。 一位技术人员提出了一位技术人员提出了“导热管导热管”的构想。的构想。 把把科学原理科学原理转化为转化为技术原理技术原理；机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解原理探索求解 导热管导热管是一根两端封闭的管子，衬里为数层金属丝网，管内是一根两端封闭的管子，衬里为数层金属丝网，管内封装了一定量的液体，在地下高温处吸热蒸发，蒸气沿管中心流封装了一定量的液体，在地下高温处吸热蒸发，蒸气沿管中心流动，在另一端低温处冷凝放热，冷凝后
49、的液体通过金属丝网因毛动，在另一端低温处冷凝放热，冷凝后的液体通过金属丝网因毛细管作用而流向热端。细管作用而流向热端。 沿输油管支架安装导热管试验，证明这一构想是正确可行的。沿输油管支架安装导热管试验，证明这一构想是正确可行的。导热管导热管重量轻、导热性能高，不需安装动力装置，是突破传统思重量轻、导热性能高，不需安装动力装置，是突破传统思想的优秀设计，因而在其它领域也获得了应用。想的优秀设计，因而在其它领域也获得了应用。 如人造卫星面向太阳和背向太阳两侧温差很大，为保持仪器如人造卫星面向太阳和背向太阳两侧温差很大，为保持仪器最佳工作温度，应用了最佳工作温度，应用了导热管导热管技术。技术。冷冷端
50、端热热端端机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解 从从技术经验技术经验中发现中发现隐含的内在机制隐含的内在机制，提炼，提炼成成技术原理技术原理； 在热力学出现之前已根据在热力学出现之前已根据经验经验找到了热和功的转化规律，找到了热和功的转化规律，制造出蒸气机。制造出蒸气机。原理探索求解例瓦特制造的蒸气机瓦特制造的蒸气机机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解原理探索求解例 对对现有的技术原理现有的技术原理通过改进通过改进、变换或移植形变换或移植形成成新的技术原理新的技术原理。 二十世纪初，爱因斯坦提出受激辐射理论奠定了激光技术的理论基础，微波波谱学的成果进而为激光
51、应用提供了技术原理。由此，60年代制成厂激光器。激光器的出现，使激光技术迅速在各个部门得以应用，从一个领域推广移植到另一个领域。 激光作为高密度能源，可用于对材料进行热加工：表面热处理，焊接，切割，打孔，划线等。 利用光源很好的相干性，可用于测量： 激光的方向性用于大型结构质量检验，地下工程施工中的准直测量。同步带同步带的产生的产生 同步带同步带就是就是平皮带平皮带与与链链传动的综合体。传动的综合体。例机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解原理探索求解例 1983年，西班牙建成一座太阳热气流（即温室烟囱太阳热能发电站），发电功率50kW，用于进行探索性试验研究。 利用太阳能气流
52、发电的装置则刚刚起步，它首先在西班牙马德里门泽乃立斯建成并发电。 一座用透明塑料板盖成的巨大温度顶棚中心竖立着198米高的风筒，太阳能通过透明的塑料板将巨大温室内的空气加热，比外面气温高1820华氏度.外面的冷空气推压着温室内的热空气使它沿着长长的筒管上升，形成一股强大的气流,推动安装在风筒上的叶轮带动发动机发电.这座太阳能温室的直径有244米，能发电5070千瓦。 意大利的一座太阳能气流发电站太阳能气流发电站的大风筒高215米，筒内气流速度达13米/秒，使叶轮以每分钟150转的速度旋转，发电量为500100千瓦，可供一座城镇用电。 西班牙打算再建造几座这种发电站，其中一座风管高762米，温室
53、直径1000米，发电量可达40万干瓦。太阳能气流发电站的建成太阳能气流发电站的建成发电机发电机机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解原理探索求解 功能载体功能载体是具有可以完成某一是具有可以完成某一功能属性功能属性的物体。的物体。 物体的属性物体的属性是多方面的，人们可以在一定条件下利用物体的是多方面的，人们可以在一定条件下利用物体的某种属性来完成某些特定的功能。某种属性来完成某些特定的功能。 物体的属性物体的属性包括物理属性、化学属性、运动特性、几何特性、包括物理属性、化学属性、运动特性、几何特性、机械特性等。机械特性等。 例如，利用一对渐开线齿轮例如，利用一对渐开线齿轮瞬时
54、传动比恒定瞬时传动比恒定的特性，可以实的特性，可以实现定传动比传动的功能；现定传动比传动的功能； 利用一对齿轮的齿廓与包容这对齿轮的机壳间利用一对齿轮的齿廓与包容这对齿轮的机壳间容积的变化容积的变化这这一特性，可制成齿轮泵或齿轮马达，实现泵或马达的功能。一特性，可制成齿轮泵或齿轮马达，实现泵或马达的功能。 因此，功能元求解的因此，功能元求解的关键关键是在科学原理的基础上寻找尽可能是在科学原理的基础上寻找尽可能多的多的功能载体功能载体。功能元求解功能元求解的最终目的是得到相对应的最终目的是得到相对应功能载体功能载体。机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解原理探索求解 人类已知的科
55、学原理总数约人类已知的科学原理总数约50005000多个，要多个，要在这样庞大的范围内搜寻具有某些特定功能的在这样庞大的范围内搜寻具有某些特定功能的载体显然是十分困难的。载体显然是十分困难的。 因此，建立因此，建立功能载体知识库功能载体知识库成为近年来世成为近年来世界各国的设计师研究的重要工作内容之一。界各国的设计师研究的重要工作内容之一。机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解 技术原理的选择与探寻的方法主要是检索资料，所以建立包技术原理的选择与探寻的方法主要是检索资料，所以建立包括科学原理和功能载体的括科学原理和功能载体的知识库知识库就显得极为重要。就显得极为重要。 知识库知
56、识库的形式主要有：的形式主要有： 物理效应与现象库物理效应与现象库( (前苏联马里工学院建前苏联马里工学院建) ) 设计目录设计目录：( (西德西德) ) 原理解法目录原理解法目录编排了特定功能的解法，有的还附带一定边编排了特定功能的解法，有的还附带一定边界条件。界条件。 对象目录对象目录包括了通用机构的一般性信息，不针对具体功能包括了通用机构的一般性信息，不针对具体功能任务。任务。功能功能载体词典载体词典（日本）（日本） 设计目录不同于一般手册和资料，它是密切结合设计过程和设计目录不同于一般手册和资料，它是密切结合设计过程和需要而编制的，范围十分广泛，如解法目录、原理目录、对象需要而编制的，
57、范围十分广泛，如解法目录、原理目录、对象目录目录每种目录的目的明确，提供信息面广、内容清晰、条每种目录的目的明确，提供信息面广、内容清晰、条理性强、提取方便。理性强、提取方便。机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解原理探索求解原苏联学者建立的物理效应与现象库原苏联学者建立的物理效应与现象库机械创新设计第三章 系统化设计方法功能功能 载体词典载体词典（日本）（日本） 该词典把本专业常用功能编为词典的条目，该词典把本专业常用功能编为词典的条目，如如伸缩。伸缩。 一般来说，一般来说，这种关键词是一个动词这种关键词是一个动词，再增再增加限制性形容词加限制性形容词，如，如双折；双折；并按
58、并按抽象程度抽象程度编排，编排，如如双折双折比比张收张收限制更大，然后把技术知识（相限制更大，然后把技术知识（相当于功能载体）作为素材，归入适当条目之下，当于功能载体）作为素材，归入适当条目之下，供启发联想及类比推理使用。供启发联想及类比推理使用。 词典按词典按关键词检索，关键词则依相近程度关键词检索，关键词则依相近程度分类排列。分类排列。功能元求解功能元求解原理探索求解机械创新设计第三章 系统化设计方法例折折尺尺圆形圆形折叠折叠伸缩伸缩以以伸缩伸缩为关键词的词条为关键词的词条胀缩胀缩张收张收曲折曲折屈伸屈伸双折双折双双连连梯梯栅栅门门三三脚脚架架轨轨道道气气球球拉拉杆杆天天线线折折扇扇手手风
59、风琴琴百百叶叶门门卷卷尺尺分分规规上下上下滑动滑动水平水平滑动滑动卷入卷入功能功能 载体词典载体词典（日本）（日本）伞伞功能元求解功能元求解原理探索求解机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解 设计是获取信息和处理信息的过程。如何合理地存储信息、设计是获取信息和处理信息的过程。如何合理地存储信息、更快捷地提供信息，是提高设计效率的有效措施。更快捷地提供信息，是提高设计效率的有效措施。 设计目录设计目录是一种是一种设计信息库设计信息库。它把设计过程中所需的大量。它把设计过程中所需的大量信息有规律地加以分类信息有规律地加以分类、排列排列、储存，以便于设计者查找和调用。储存，以便于设计
60、者查找和调用。在在计算机辅助自动化设计计算机辅助自动化设计的专家系统和智能系统中，科学、完的专家系统和智能系统中，科学、完备的设计信息库是解决问题的重要基本条件。备的设计信息库是解决问题的重要基本条件。 设计目录设计目录不同于一般手册和资料，它密切结合设计的过程不同于一般手册和资料，它密切结合设计的过程和需要编制，每个目录的目的明确，提供信息面广，内容清晰和需要编制，每个目录的目的明确，提供信息面广，内容清晰有条理，提取方便。有条理，提取方便。 为达到这样的要求，必须采用系统工程方法建立目录，针为达到这样的要求，必须采用系统工程方法建立目录，针对有关对象进行系统分析和系统搜索。对有关对象进行系
61、统分析和系统搜索。设计目录设计目录机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解 逻辑功能元为逻辑功能元为“与与”、“或或”、“非非”三元，主要用于三元，主要用于控制控制功能。功能。 基本逻辑关系如表。基本逻辑关系如表。 用功能设计法进行原理方案设计，功能元解是组合原理方用功能设计法进行原理方案设计，功能元解是组合原理方案的基础。案的基础。 工程系统的基本功能元可归结为工程系统的基本功能元可归结为物理功能元物理功能元、逻辑功能元逻辑功能元和和数学功能元数学功能元三类。三类。原理解法的设计目录原理解法的设计目录机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解 由机械、强电、电子、射
62、流、气体、液体等领域可寻找相应的由机械、强电、电子、射流、气体、液体等领域可寻找相应的“与与”、“或或”、“非非”逻辑动作的各种解法。逻辑动作的各种解法。逻辑功能逻辑功能的解法目录的解法目录对应上述功能元的功能载体对应上述功能元的功能载体机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解 数学功能元数学功能元分为加减、乘除、乘方和开方、积分和微分四组，分为加减、乘除、乘方和开方、积分和微分四组，也可按机、强电、电子各领域列出有关解法目录。也可按机、强电、电子各领域列出有关解法目录。 物理功能元物理功能元反映系统中反映系统中能量、物料能量、物料及及信号信号变化的物理基本作变化的物理基本作用，
63、常用的基本物理功能元有变换、缩放、联接分离、传导、离用，常用的基本物理功能元有变换、缩放、联接分离、传导、离合、储存等合、储存等6 6类。类。 功能元功能元“变换变换”包括各种类型能量或信号形式的转变，运动包括各种类型能量或信号形式的转变，运动形式转变，物态的转变等。形式转变，物态的转变等。 功能元功能元“缩放缩放”指各种能量、信号向量（力、速度等）或物指各种能量、信号向量（力、速度等）或物理量的缩小和放大。理量的缩小和放大。 功能元功能元“联接联接”、“分离分离”包括能量、物料、信号、同质或包括能量、物料、信号、同质或不同质数量上的结合和分离。不同质数量上的结合和分离。 功能元功能元“传导传
64、导”和和“离合离合”反映能量、物料、信号的位置变反映能量、物料、信号的位置变化。化。 功能元功能元“储存储存”体现一定时间范围内对能量、物料、信号保体现一定时间范围内对能量、物料、信号保存的功能。存的功能。机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解物理功能元物理功能元用物理效应求解，工程系统中常用的物理效应有：用物理效应求解，工程系统中常用的物理效应有：力学效应力学效应：重力、弹性力、惯性力、离心力、摩擦力等；：重力、弹性力、惯性力、离心力、摩擦力等； 液气效应液气效应：流体静压、流体动压、毛细管效应、帕斯卡效应、：流体静压、流体动压、毛细管效应、帕斯卡效应、虹吸效应、负压效应等；
65、虹吸效应、负压效应等； 电力效应电力效应：静电、压电效应，电动力学等；：静电、压电效应，电动力学等； 磁效应磁效应：电磁效应、永磁效应等；：电磁效应、永磁效应等； 光学效应光学效应：反射、折射、衍射、光干涉、偏振、激光效应：反射、折射、衍射、光干涉、偏振、激光效应等；等； 热力学效应热力学效应：膨胀、热传导、热存储、绝热效应等；：膨胀、热传导、热存储、绝热效应等； 核效应核效应：辐射、同位素效应等。：辐射、同位素效应等。机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解 同一同一物理效应能完成物理效应能完成不同不同功能。如物体回转的功能。如物体回转的离心效应离心效应可可以产生离心力（能量转
66、换）、分离不同液体（物料分离）或测以产生离心力（能量转换）、分离不同液体（物料分离）或测转速（信号转换）。转速（信号转换）。功能元可通过多种物理效应搜索求解。功能元可通过多种物理效应搜索求解。部分物理功能元的解法目录。部分物理功能元的解法目录。机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解 在一定的物理效应下进一步采用多种机构求解，如在一定的物理效应下进一步采用多种机构求解，如力的放大力的放大功能元解可用功能元解可用基本增力机构基本增力机构和和二次增力机构二次增力机构来表达。来表达。基本增力机构基本增力机构机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解二次增力机构二次增力机构机
67、械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解 设计目录的编设计目录的编制要采用系统工程制要采用系统工程分析的方法和系统分析的方法和系统搜索的思路，在此搜索的思路，在此用机械传动系统的用机械传动系统的设计目录编制为例设计目录编制为例加以说明。加以说明。设计目录的编制设计目录的编制机械传动系统的功能分析机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解 针对每项功能元去搜索尽可能多的解，如针对每项功能元去搜索尽可能多的解，如“运动方向变化运动方向变化”、“运动形式变化运动形式变化”可列出下表的可列出下表的基本机构目录基本机构目录，通过基本机构的，通过基本机构的组合还可得到更多的解。组合
68、还可得到更多的解。 设计目录设计目录是计算机辅助设计系统中是计算机辅助设计系统中知识库知识库的重要内容，为了的重要内容，为了更好地描述知识还有必要将每个基本机构作为特定的更好地描述知识还有必要将每个基本机构作为特定的功能模块功能模块列列出其出其基本性能基本性能特点（如传动比、功率范围等）、特点（如传动比、功率范围等）、特殊性能特殊性能（如远（如远距离传动、自锁等）、距离传动、自锁等）、评价数据评价数据（如对性能、成本、工艺性等基（如对性能、成本、工艺性等基本评价目标的评分或隶属度）等。每个本评价目标的评分或隶属度）等。每个功能模块功能模块也列为一个基本也列为一个基本目录，这将是具体选择并确定方
69、案的依据。目录，这将是具体选择并确定方案的依据。机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解(2) (2) 功能元功能元组合方法求解组合方法求解基本思路基本思路 如机构的变异变异：当所选机构不能全面满足对机械提出的运动和动力要求时，或为了改善改善所选机构的性能或结构时，可以通过改变改变机构中某些构件的结构形状、运动尺寸、更换更换机架或原动件、增加增加辅助构件等方法以获得新的机构或特性。 功能元的技术原理功能元的技术原理未知未知，需要选择或探求，采用，需要选择或探求，采用原理探索原理探索求解；求解； 功能元的技术原理功能元的技术原理已知已知，在此基础上，在此基础上变异变异改进，则采用改
70、进，则采用组组合方法合方法求解求解。 功能元组合方法求解功能元组合方法求解就是在就是在技术原理技术原理已知已知的情况下，首先的情况下，首先通过对现有的通过对现有的工作原理工作原理、功能载体、功能载体进行信息检索和选择，然后进行信息检索和选择，然后对它们进行对它们进行变异变异改进，以满足需要改进，以满足需要。机械创新设计第三章 系统化设计方法求总体方案解求总体方案解 求总体方案解求总体方案解 求总体方案解就是把求总体方案解就是把分功能的解分功能的解合成为一合成为一个个整体整体以实现总功能的过程。以实现总功能的过程。 在此过程中在此过程中, ,应用应用形态分析法形态分析法对对分功能解法分功能解法进
71、行排列组合进行排列组合, ,可产生多个总体方案。可产生多个总体方案。 然后然后, ,在此基础上在此基础上, ,挑选几个较好的方案进挑选几个较好的方案进行评选。行评选。 形态分析形态分析是对创造对象进行是对创造对象进行因素分解因素分解和和形形态综合态综合的过程。的过程。 在此过程中在此过程中, ,发散思维和收敛思维起着非常发散思维和收敛思维起着非常重要的作用。重要的作用。机械创新设计第三章 系统化设计方法求总体方案解求总体方案解 第二次世界大战期间，美国情报部门探听到第二次世界大战期间，美国情报部门探听到法西斯德国正在研制一种新型巡航导弹，但费尽法西斯德国正在研制一种新型巡航导弹，但费尽心机也难
72、以获得有关技术情报。心机也难以获得有关技术情报。然而，火箭专家然而，火箭专家兹维基博士却在自己的研究室里，轻而易举地搜兹维基博士却在自己的研究室里，轻而易举地搜索出法西斯德国正在研制并严加保密的带脉冲发索出法西斯德国正在研制并严加保密的带脉冲发动机的巡航导弹。动机的巡航导弹。兹维基博士能够坐在研究室里获得技术间谍兹维基博士能够坐在研究室里获得技术间谍都难以弄到的技术情报，是因为运用了他称之为都难以弄到的技术情报，是因为运用了他称之为“形态分析形态分析”的思考方法。的思考方法。例机械创新设计第三章 系统化设计方法求总体方案解求总体方案解 形态分析法形态分析法，是一种以，是一种以系统搜索系统搜索观
73、念为指导，观念为指导，在对问题进行系统在对问题进行系统分析和综合分析和综合基础上用基础上用网络方式网络方式集合各因素设想的方法。集合各因素设想的方法。 兹维基博士运用此法时，先将导弹兹维基博士运用此法时，先将导弹分解分解为若干相互为若干相互独立的基本独立的基本因素因素，这些基本因素的，这些基本因素的共同作用共同作用便构成任何便构成任何一种导弹的效能，然后针对每种基本一种导弹的效能，然后针对每种基本因素因素找出实现其功找出实现其功能要求的能要求的所有可能的所有可能的技术形态技术形态。在此基础上进行排列组。在此基础上进行排列组合，结果共得到合，结果共得到576576种不同的导弹方案。经过一一过筛分
74、种不同的导弹方案。经过一一过筛分析，在排除了已有的、不可行的和不可靠的导弹方案后，析，在排除了已有的、不可行的和不可靠的导弹方案后，他认为只有几种新方案值得人们开发研究，在这少数的他认为只有几种新方案值得人们开发研究，在这少数的几种方案中，就包含有德国法西斯正在研制的方案。几种方案中，就包含有德国法西斯正在研制的方案。机械创新设计第三章 系统化设计方法求总体方案解求总体方案解 战后战后, ,苏联有人对当时的方案进行了分析苏联有人对当时的方案进行了分析, ,认为这一数字反映认为这一数字反映了该方案对许多因素的忽略了该方案对许多因素的忽略, ,如果把情况全面考虑如果把情况全面考虑, ,当时应得到的
75、当时应得到的可能的火箭结构方案将达到一万多种可能的火箭结构方案将达到一万多种。 以后以后, ,人们把他所开发的这一技法加以精确化和系统化人们把他所开发的这一技法加以精确化和系统化, ,形成形成了当代创造技法中的一种了当代创造技法中的一种, ,即即形态分析法形态分析法。 这一技法这一技法, ,至今在许多技术设计部门仍被广泛应用至今在许多技术设计部门仍被广泛应用。 因素因素与与形态形态是是形态分析形态分析中的两个基本概念。中的两个基本概念。 因素因素是指构成某种事物的特性因子是指构成某种事物的特性因子, ,在此将分解后的在此将分解后的功能元功能元作为作为形态分析形态分析中的基本中的基本因素因素。
76、实现各实现各功能元功能元相对应的相对应的技术手段技术手段称为称为形态形态, ,形态形态对应着表示对应着表示功能元功能元的的功能载体功能载体。机械创新设计第三章 系统化设计方法求总体方案解求总体方案解因素因素功能元功能元形态形态 功能载体功能载体123JA1A2A3B1B2B3BKN1N2N3ABN形态分析法是利用形态学矩阵寻求总体方案解形态分析法是利用形态学矩阵寻求总体方案解。 形态矩阵实际上就是一种表格形态矩阵实际上就是一种表格, ,把把分功能分功能或或功能元功能元纵向排列纵向排列, ,每一个每一个功能元功能元的几种解法对应此的几种解法对应此功能元功能元横向排列横向排列。KAJBJ BINI
77、IAI 如果在每个如果在每个功能元功能元中挑选一个解法中挑选一个解法, ,则可组合成一个总体方案则可组合成一个总体方案解。从理论上讲解。从理论上讲, ,可以组成总体方案的数量可以组成总体方案的数量, ,为各行为各行功能元功能元解法个解法个数的连乘积。数的连乘积。设设可以组成总体方案的数量为可以组成总体方案的数量为Z Z, ,则则 Z = JZ = JKI机械创新设计第三章 系统化设计方法求总体方案解求总体方案解 形态矩阵组成的方案数目不宜太多形态矩阵组成的方案数目不宜太多, ,太多则难以进行评选。太多则难以进行评选。一般需要通过筛选来得到几个较满意的方案供评选决策使用一般需要通过筛选来得到几个
78、较满意的方案供评选决策使用, ,以以便得到最佳方案。便得到最佳方案。 筛选的原则是筛选的原则是: : 相容性相容性: :即功能元解之间不能矛盾即功能元解之间不能矛盾, ,否则不能进行组合否则不能进行组合; ; 环境适应性环境适应性: :剔除超过边界和不能满足约束条件与技术剔除超过边界和不能满足约束条件与技术要求的解要求的解; ; 主导性主导性: :优先选用主要功能元的较优解优先选用主要功能元的较优解, ,由该解法出发由该解法出发, ,选择与它相容的其它功能元的解。选择与它相容的其它功能元的解。 筛选过程中筛选过程中, ,设计人员所掌握的技术知识与实际经验将发挥设计人员所掌握的技术知识与实际经验
79、将发挥重要作用重要作用。机械创新设计第三章 系统化设计方法 开发系列伞开发系列伞 一个伞厂准备开发系列伞，可不知从何下手，请来了一位策一个伞厂准备开发系列伞，可不知从何下手，请来了一位策划人员，策划人员问了厂长划人员，策划人员问了厂长3 3个问题：个问题： 雨伞的伞面一般用何种布比较好？雨伞的伞面一般用何种布比较好？ 厂长回答一般有厂长回答一般有尼龙布尼龙布、油布油布和和塑料布塑料布三种；三种； 雨伞的伞架有几种结构？雨伞的伞架有几种结构？ 厂长回答有厂长回答有一节式一节式、多节式多节式二种；二种； 雨伞的开关一般用什么材料做成？雨伞的开关一般用什么材料做成？ 厂长回答有厂长回答有不锈钢不锈钢
80、和和塑料塑料二种。二种。 等厂长回答完毕，这个策划人员马上指出，等厂长回答完毕，这个策划人员马上指出，你们厂可以先生产你们厂可以先生产1212种类型的伞：种类型的伞： 求总体方案解求总体方案解例世界首款无须手持式伞 机械创新设计第三章 系统化设计方法 实际上这位策划人员实际上是进行如下分析：实际上这位策划人员实际上是进行如下分析：要素分析要素分析 形态分析形态分析 伞面伞面 尼龙布尼龙布 油布油布 塑料布塑料布 伞架伞架 一节式一节式 多节式多节式 -开关开关 不锈钢不锈钢 塑料塑料 -这样这样, ,伞的种类组合就有伞的种类组合就有 3223221212种。种。求总体方案解求总体方案解不锈钢开
81、关一节式尼龙伞；塑料开关一节式尼龙伞；不锈钢开关一节式尼龙伞；塑料开关一节式尼龙伞； 不锈钢开关一节式油布伞；塑料开关一节式油布伞；不锈钢开关一节式油布伞；塑料开关一节式油布伞； 不锈钢开关一节式塑料伞；塑料开关一节式塑料伞；不锈钢开关一节式塑料伞；塑料开关一节式塑料伞； 不锈钢开关多节式尼龙伞；塑料开关多节式尼龙伞；不锈钢开关多节式尼龙伞；塑料开关多节式尼龙伞； 不锈钢开关多节式油布伞；塑料开关多节式油布伞；不锈钢开关多节式油布伞；塑料开关多节式油布伞； 不锈钢开关多节式塑料伞；塑料开关多节式塑料伞。不锈钢开关多节式塑料伞；塑料开关多节式塑料伞。机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功
82、能元求解 机械式去须可用拔须、剪须、剃须等原理。剃须又可采取移动刀剃削或机械式去须可用拔须、剪须、剃须等原理。剃须又可采取移动刀剃削或回转刀剃削。要求刀具运动均匀，以提高去须效果并保护皮肤。回转刀剃削。要求刀具运动均匀，以提高去须效果并保护皮肤。 选择往复手动的回转刀剃削方式。选择往复手动的回转刀剃削方式。手动剃须刀原理方案设计手动剃须刀原理方案设计例设计一种便携式手动微型剃须刀，要求体积小，使用方便，设计一种便携式手动微型剃须刀，要求体积小，使用方便，价格低廉。价格低廉。总功能分解：须肤分离总功能分解：须肤分离设计要求：机械式去须设计要求：机械式去须功能分解：功能分解：须肤分离须肤分离机械创
83、新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解功能求解：功能求解： 原理方案原理方案 右图为一种较好的手动剃须刀右图为一种较好的手动剃须刀原理方案，即采用往复移动、齿条原理方案，即采用往复移动、齿条齿轮、定轴轮系、飞轮、盒式贮须齿轮、定轴轮系、飞轮、盒式贮须组合。组合。 该设计已形成专利产品。该设计已形成专利产品。 由此可由此可组成手动往组成手动往复移动或往复移动或往复摆动共复摆动共4848种方案供选种方案供选择。择。机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解大作业：大作业： 选定一个设计对象，作出需求分析；选定一个设计对象，作出需求分析； 应用系统化设计法进行功能分析；应用系统
84、化设计法进行功能分析； 分析步骤要求清楚；分析步骤要求清楚；机械创新设计第三章 系统化设计方法系统化设计方法小结系统化设计方法小结系统化设计方法小结系统化设计方法小结明确设计任务明确设计任务确定总功能确定总功能总功能分解总功能分解功能元求解功能元求解求总体方案解求总体方案解评价评价与与决策决策需求识别需求识别可行性报告可行性报告设计任务书设计任务书最佳原理方案最佳原理方案形态学矩阵形态学矩阵还原法则还原法则抽象化定义抽象化定义黑箱法黑箱法功能分解树功能分解树原理探索求解原理探索求解组合方法求解组合方法求解创造性方法创造性方法知识库知识库各种各种评价方法评价方法分分析析综综合合机械创新设计第三章
85、 系统化设计方法功能元求解功能元求解 激光分层实体制造设备用激光分层实体制造设备用激光对箔材（涂复纸）进行切激光对箔材（涂复纸）进行切割获得一个层面的形状，将层割获得一个层面的形状，将层面叠加胶接起来获得三维实体。面叠加胶接起来获得三维实体。 如果此前已经过广义范围如果此前已经过广义范围的方案搜索，确定采用激光束的方案搜索，确定采用激光束聚焦的能量气化切痕以得到一聚焦的能量气化切痕以得到一定精度轮廓的纸型，并用压辊定精度轮廓的纸型，并用压辊加热逐层粘合各层纸，则原理加热逐层粘合各层纸，则原理如右图。如右图。例激光分层实体制造设备激光分层实体制造设备机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功
86、能元求解 功能分解功能分解 机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解 对功能元求解，是原理方案设计中重要的搜索阶段。对功能元求解，是原理方案设计中重要的搜索阶段。一般通过以下几种方法求解：一般通过以下几种方法求解： 1 1）参考借鉴有关产品资料或专利；）参考借鉴有关产品资料或专利； 2 2）利用）利用“设计目录设计目录”； 3 3）运用各种创造技法探索新解法。）运用各种创造技法探索新解法。 例如，对于印刷机、点钞机、包装机等都有从成叠例如，对于印刷机、点钞机、包装机等都有从成叠纸中纸中“分纸分纸”的功能元，其功能元解如下图。的功能元，其功能元解如下图。功能元求解功能元求解机械创新
87、设计第三章 系统化设计方法求总体方案解求总体方案解形态分析法形态分析法发布于:2003/12/03第二次世界大战期间，美国情报部门探听到法西斯德国正在研制一种新型巡航导弹，但费尽心机也难以获得有关技术情报。然而，火箭专家兹维基博士却在自己的研究室里，轻而易举地搜索出法西斯德国正在研制并严加保密的乃是带脉冲发动机的巡航导弹。兹维基博士难道有特异功能？没有。他能够坐在研究室里获得技术间谍都难以弄到的技术情报，是因为运用了他称之为“形态分析”的思考方法。形态分析法，是一种以系统搜索观念为指导，在对问题进行系统分析和综合基础上用网络方式集合各因素设想的方法。兹维基博士运用此法时，先将导弹分解为若干相互
88、独立的基本因素，这些基本因素的共同作用便构成任何一种导弹的效能，然后针对每种基本因素找出实现其功能要求的所有可能的技术形态。在此基础上进行排列组合，结果共得到576种不同的导弹方案。经过一过筛分析，在排除了已有的、不可行的和不可靠的导弹方案后，他认为只有几种新方案值得人们开发研究，在这少数的几种方案中，就包含有德国法西斯正在研制的方案。发明创造也可以运用形态分析法，以求在对方案“一网打尽”中获得可行的新方案。下面结合新型单缸洗衣机的开发，介绍这种技法的操作方式。首先，对洗衣机进行因素分析，即确定完成洗净衣物所必备的基本因素。对洗衣机这类工业产品来说，最好是用功能来代替因素，以利于形象思考。先确
89、定洗衣机的总体功能，再进行功能分解，就可得到若干分功能，这些分功能就是洗衣机的基本因素。如果我们定义洗衣机的总功能有“洗净衣物”，那么以此为目的去寻找其手段，便可得到“盛装衣物”，“洗涤去污”和“控制洗涤”等三项分功能。接着，对各分功能进行形态分析，即确定实现这些功能要求的各种技术手段或功能载体。为此，发明创造者要进行信息检索，广思各种技术手段或方法。对一些新方法还可能进行实验或试验，以了解其应用的适用性和可靠性。在上述三种分功能中，“洗涤去污”，是最核心的一项，确定其功能载体时，要针对“分离”二字广思、深思和精思，从机、电、热等技术领域去寻找具有此功能的技术手段。经过因素与形态分析，即可建立
90、如下的洗衣机形态分析表洗衣机形态分析表功能技术手段1234A盛装衣服铝桶塑料桶玻璃钢桶B洗涤去污机械摩擦电磁振荡超声波热胀分离C控制时间人工手控机械控制电脑自控利用表，可以进行各功能之间的形态要素的排列组合，从理论上说，能够得到3x4x336种方案。在对36种组合的分析中，我们可以发现组合方案A1B1一C2属于普通的波轮式洗衣机。这种洗衣机的工作原理是靠电动机驱动V带传动装置，使波轮旋转，产生水与衣物的机械式摩擦，配合洗涤剂的作用而使衣物与脏物分离。洗涤的时间由机械定时器控制。它的缺点是衣物磨损严重，耗电量大，洗涤效率低，易发生故障，有没有不用波轮的新型洗衣机呢？经过分析，便可发现组合方案A1
91、-B2-C3、A1-B3-C2和A2-B4-C1等都属于非机械磨擦式的洗衣机方案。下面对这三种方案作简要的分析。由A1-B2-C3构成的洗衣机可以说是一种电磁振荡式自动洗衣机。它没有波轮，也不用电动机，而是利用电磁振荡可以分离物料的原理来洗涤去污。据国外科研人员试验，按此开发的洗衣机具有洗净度高，不易损害衣物的优点。此外，如果把桶内水排干，还可直接甩干衣物，具有一机两用的特点。由A1-B3-C2构成的洗衣机，应该叫做超声波洗衣机。它也没有拨轮和电动机。设计这种洗衣机的技术关键是要产生20000赫兹以上的超声波。这种超声波能产生很强的水压，使衣物纤维振动，使洗涤剂乳化，从而使脏物与衣物分离，达到
92、洗涤去污的作用。在结构上，这种洗衣机离不开气泵、风量调节、送风管道、空气分散器等基本部件。由技术分析和试验可知，超声波洗衣机也具有磨损轻、洗净度高、无噪音、节水、节电等优点。由A2-B4-C1构成的洗衣机，利用热水使纤维膨胀，在桶内水流作用下造成脏物脱离的原理设计，是一种简易的小型手摇洗衣机。它主要由旋转桶、支架所组成，工作时要往桶内灌装热水和洗涤剂，用手旋转洗衣桶。市面上曾出现过这种热压式洗衣机，虽然结构简单且价格低廉，但因技术相对落后，很快就被市场淘汰。对于其他的组合方案，在此就不一分析了。应用形态分析进行新品策划，具有系统求解的特点。只要能把现有科技成果提供的技术手段全部罗列，就可以把现
93、存的可能方案“一网打尽”，这是形态分析方法的突出优点。但同时也为此法的应用带来了操作上的困难，突出的表现在如何在数目庞大的组合中筛选出可行的新品方案。如果选择不当，就可能使组合过程的辛苦付之东流。因此，在运用形态分析过程中要注意把好技术要素分析和技术手段的确定这两道关。比如在对洗衣机的技术要素进行分析时，应着重从其应具备的基本功能入手，对次要的辅助功能暂可忽视。在寻找实现功能要求的技术手段时，要按照先进、可行的原则进行考虑，不必将那些根本不可能采用的技术手段填入形态分析表中，以避免组合表过于庞大。当然，一旦形态分析法能结合电子计算机的应用，从庞大的组合表中进行最佳方案的探索也是办得到的。形形态
94、态分分析析法法发布于:2003/12/03第二次世界大战期间，美国情报部门探听到法西斯德国正在研制一种新型巡航导弹，但费尽心机也难以获得有关技术情报。然而，火箭专家兹维基博士却在自己的研究室里，轻而易举地搜索出法西斯德国正在研制并严加保密的乃是带脉冲发动机的巡航导弹。兹维基博士难道有特异功能？没有。他能够坐在研究室里获得技术间谍都难以弄到的技术情报，是因为运用了他称之为“形态分析”的思考方法。形态分析法，是一种以系统搜索观念为指导，在对问题进行系统分析和综合基础上用网络方式集合各因素设想的方法。兹维基博士运用此法时，先将导弹分解为若干相互独立的基本因素，这些基本因素的共同作用便构成任何一种导弹
95、的效能，然后针对每种基本因素找出实现其功能要求的所有可能的技术形态。在此基础上进行排列组合，结果共得到576种不同的导弹方案。经过一过筛分析，在排除了已有的、不可行的和不可靠的导弹方案后，他认为只有几种新方案值得人们开发研究，在这少数的几种方案中，就包含有德国法西斯正在研制的方案。发明创造也可以运用形态分析法，以求在对方案“一网打尽”中获得可行的新方案。下面结合新型单缸洗衣机的开发，介绍这种技法的操作方式。首先，对洗衣机进行因素分析，即确定完成洗净衣物所必备的基本因素。对洗衣机这类工业产品来说，最好是用功能来代替因素，以利于形象思考。先确定洗衣机的总体功能，再进行功能分解，就可得到若干分功能，
96、这些分功能就是洗衣机的基本因素。如果我们定义洗衣机的总功能有“洗净衣物”，那么以此为目的去寻找其手段，便可得到“盛装衣物”，“洗涤去污”和“控制洗涤”等三项分功能。接着，对各分功能进行形态分析，即确定实现这些功能要求的各种技术手段或功能载体。为此，发明创造者要进行信息检索，广思各种技术手段或方法。对一些新方法还可能进行实验或试验，以了解其应用的适用性和可靠性。在上述三种分功能中，“洗涤去污”，是最核心的一项，确定其功能载体时，要针对“分离”二字广思、深思和精思，从机、电、热等技术领域去寻找具有此功能的技术手段。经过因素与形态分析，即可建立如下的洗衣机形态分析表洗衣机形态分析表功能技术手段123
97、4A盛装衣服铝桶塑料桶玻璃钢桶B洗涤去污机械摩擦电磁振荡超声波热胀分离C控制时间人工手控机械控制电脑自控利用表，可以进行各功能之间的形态要素的排列组合，从理论上说，能够得到3x4x336种方案。在对36种组合的分析中，我们可以发现组合方案A1B1一C2属于普通的波轮式洗衣机。这种洗衣机的工作原理是靠电动机驱动V带传动装置，使波轮旋转，产生水与衣物的机械式摩擦，配合洗涤剂的作用而使衣物与脏物分离。洗涤的时间由机械定时器控制。它的缺点是衣物磨损严重，耗电量大，洗涤效率低，易发生故障，有没有不用波轮的新型洗衣机呢？经过分析，便可发现组合方案A1-B2-C3、A1-B3-C2和A2-B4-C1等都属于
98、非机械磨擦式的洗衣机方案。下面对这三种方案作简要的分析。由A1-B2-C3构成的洗衣机可以说是一种电磁振荡式自动洗衣机。它没有波轮，也不用电动机，而是利用电磁振荡可以分离物料的原理来洗涤去污。据国外科研人员试验，按此开发的洗衣机具有洗净度高，不易损害衣物的优点。此外，如果把桶内水排干，还可直接甩干衣物，具有一机两用的特点。由A1-B3-C2构成的洗衣机，应该叫做超声波洗衣机。它也没有拨轮和电动机。设计这种洗衣机的技术关键是要产生20000赫兹以上的超声波。这种超声波能产生很强的水压，使衣物纤维振动，使洗涤剂乳化，从而使脏物与衣物分离，达到洗涤去污的作用。在结构上，这种洗衣机离不开气泵、风量调节
99、、送风管道、空气分散器等基本部件。由技术分析和试验可知，超声波洗衣机也具有磨损轻、洗净度高、无噪音、节水、节电等优点。由A2-B4-C1构成的洗衣机，利用热水使纤维膨胀，在桶内水流作用下造成脏物脱离的原理设计，是一种简易的小型手摇洗衣机。它主要由旋转桶、支架所组成，工作时要往桶内灌装热水和洗涤剂，用手旋转洗衣桶。市面上曾出现过这种热压式洗衣机，虽然结构简单且价格低廉，但因技术相对落后，很快就被市场淘汰。对于其他的组合方案，在此就不一分析了。应用形态分析进行新品策划，具有系统求解的特点。只要能把现有科技成果提供的技术手段全部罗列，就可以把现存的可能方案“一网打尽”，这是形态分析方法的突出优点。但
100、同时也为此法的应用带来了操作上的困难，突出的表现在如何在数目庞大的组合中筛选出可行的新品方案。如果选择不当，就可能使组合过程的辛苦付之东流。因此，在运用形态分析过程中要注意把好技术要素分析和技术手段的确定这两道关。比如在对洗衣机的技术要素进行分析时，应着重从其应具备的基本功能入手，对次要的辅助功能暂可忽视。在寻找实现功能要求的技术手段时，要按照先进、可行的原则进行考虑，不必将那些根本不可能采用的技术手段填入形态分析表中，以避免组合表过于庞大。当然，一旦形态分析法能结合电子计算机的应用，从庞大的组合表中进行最佳方案的探索也是办得到的。 包装材料的设计包装材料的设计 对液体包装材料的设计，可以提取
101、包装材料、包装形状、包对液体包装材料的设计，可以提取包装材料、包装形状、包装大小、包装颜色四个独立变项，然后对每一独立变项进行发散装大小、包装颜色四个独立变项，然后对每一独立变项进行发散思维，列出可能的选择。思维，列出可能的选择。基本要素 各要素所具有的形态包装材料玻璃塑料纸铝泊陶质包装形状不规则形方形罐形杯状球状颜色透明浅绿浅黄粉红混色大小500ml750ml1000ml1500ml2000ml 以玻璃作为包装材料，就可与包装形状、颜色、大小这三个以玻璃作为包装材料，就可与包装形状、颜色、大小这三个独立变项独立变项( (每项有每项有5 5种可能的选择种可能的选择) )进行组合，就可排出：进行
102、组合，就可排出：3*5*5=753*5*5=75种不同的组合方案，若再以种不同的组合方案，若再以5 5种不同的包装材料进行组种不同的包装材料进行组合，就可排出合，就可排出375375种组合方案。当然，这里形态扩散仅排了种组合方案。当然，这里形态扩散仅排了5 5项，项，如果再细排，包装材料塑料中还可排出锡塑、薄膜、软管、硬管如果再细排，包装材料塑料中还可排出锡塑、薄膜、软管、硬管等多种材料，那可能组合的方案就更多了。无疑，这些众多的组等多种材料，那可能组合的方案就更多了。无疑，这些众多的组合方案就为筛选最佳方案创造了条件。合方案就为筛选最佳方案创造了条件。例机械创新设计第三章 系统化设计方法功能
103、元求解功能元求解 设计化工厂双杆搅拌器的机械传动装置设计化工厂双杆搅拌器的机械传动装置 该传动装置中已知电动机转速该传动装置中已知电动机转速 n n = 960 r/min= 960 r/min，要求两搅，要求两搅拌杆以拌杆以 240 240 次次/min /min 同步往复摆动（摆动方向不限）。同步往复摆动（摆动方向不限）。 解：解：例双杆搅拌双杆搅拌降速（传动比降速（传动比i =4）回转回转 摆动摆动两杆同摆两杆同摆 功能分析功能分析 机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解 取三种分功能的各一解法组合得到传动装取三种分功能的各一解法组合得到传动装置的一种方案，可组合的最多方
104、案数置的一种方案，可组合的最多方案数机械传动方案综合机械传动方案综合机械创新设计第三章 系统化设计方法功能元求解功能元求解 方案方案A：1 3 2 电动机电动机 齿轮传动齿轮传动 凸轮机构凸轮机构 对称凸轮（双摆动杆）对称凸轮（双摆动杆） 特点：结构紧凑；特点：结构紧凑； 方案方案B：3 1 1 电动机电动机 链传动链传动 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构 平行四边形机构（双摆动杆）平行四边形机构（双摆动杆） 特点：可远距离传动，成本较低。特点：可远距离传动，成本较低。 方案评选方案评选 考虑化工厂工作环境恶劣，考虑化工厂工作环境恶劣，且摩擦传动体积相对较大，故选且摩擦传动体积相对较大，故选用啮合传动，此两方案可供进一用啮合传动，此两方案可供进一步选择。步选择。本章完生命吸管 这种随时随地都可以直接使用的吸管可以将185加仑水净化成可供饮用的水。而且价格非常便宜，一人一年2美金就可以得到洁净的饮水保障。
