现代设计方法_5.设计方法学_new

1、设计方法学设计方法学第五讲第五讲 设计方法学设计方法学设计方法学设计方法学 基本要求：基本要求： 学习设计方法学概念与方法，学习设计方法学概念与方法，初步掌握设计系统、设计规划、设计评价、设初步掌握设计系统、设计规划、设计评价、设计思维与设计工具。计思维与设计工具。设计方法学设计方法学设计方法学的产生与发展设计方法学的产生与发展 概概述述设计方法学及其研究对象设计方法学及其研究对象概述概述设计方法学设计方法学 设计方法学的产生与发展设计方法学的产生与发展 设计方法学是一门正在发展和形成的新兴学科，它的定义、研究对象和范畴等，当前尚无确切的、公认的表述，但近年来它的发展极快，受到各国及有关学者广

2、泛的关注。 在最早进行设计方法学研究的学者中，应该提到德国的FReuleaux，1875年他在理论运动学一书中第一次提出了“进程规划”的模型，即对很多机械技术现象中本质上统一的东西进行抽象，在此基础上形成一套综合的步骤。这是最早对程式化设计的探讨，因而有人称他为设计方法学的奠基人。概述概述设计方法学设计方法学 自20世纪60年代初期以来，由于各国经济的高速发展，特别是竞争的加剧，一些主要工业国家往往采取措施来加强设计工作，从而使得设计方法学研究在这一时期取得了飞速发展。 20世纪70年代末，欧洲出现了由瑞士的VHuhka博士、丹麦的MMAndeasen博士及加拿大的WEEder教授组成的欧洲设

3、计研究组织WDK（Workshop Design-Konstr-uktion）。此后，WDK发起并组织了一系列国际工程设计会议ICED（International Conference on EngineeringDesign），参加会议的人员和范围逐渐扩大。 1980年前后，由于德国学者、西欧和北欧学者、日本学者及美国学者先后不断地来华讲学，使我国学者，开始对西方各学派进行学习与研究。 设计方法学的产生与发展设计方法学的产生与发展 概述概述设计方法学设计方法学 关于什么是设计方法学，不同学者有不同看法，目前比较完整和有一定代表性的是瑞士VHuhka博士提出的一些观点。他认为设计方法学是研究解

4、决设计问题的进程的一般理论，包括一般设计战略及用于设计工作各个具体部分的战术方法，他还提出了其主要领域及大致结构，包括进程模式、进程规划、进程风格、方法、方法学行动规划、工作方法、工作原则等。 设计方法学的产生与发展设计方法学的产生与发展 概述概述设计方法学设计方法学设计方法学具体的研究对象有： （1）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。 （2）设计进程：设定技术过程及规划技术系统的边界，确定技术系统的总功能，包括物质功能和精神功能。 （3）设计评价：优选多个设计方案的方法是，先根据一定的准则和方法对各方案进行评价，然后按正确的原则和步骤进行决策，逐步求得最优方案。 设计方法

5、学的产生与发展设计方法学的产生与发展 概述概述设计方法学设计方法学设计方法学具体的研究对象有： （4）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法来激发人们的创造性思维。 （5）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方便快速地调用参考。 （6）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备。 设计方法学的产生与发展设计方法学的产生与发展 概述概述设计方法学设计方法学解决发明问题的理论（

6、解决发明问题的理论（TRIZ）TRIZ的产生：也称为的产生：也称为TIPS（Theory of Inventive Problem Solving). 1946年，前苏联海军专利员年，前苏联海军专利员G. S. Altshuller 在分析在分析并总结并总结20万项专利的基础上提出的。到万项专利的基础上提出的。到1980，他的团队研究了，他的团队研究了200万项专利。万项专利。TRIZ是基于知识的、面向人的、系统化的、解决发明问题的方法学。是基于知识的、面向人的、系统化的、解决发明问题的方法学。TRIZ给出了解决技术系统问题、进行发明和创造设计的原理和规律。给出了解决技术系统问题、进行发明和创

7、造设计的原理和规律。TRIZ的基本内容的基本内容：技术系统进化理论；分析与理想解；物场分析法；：技术系统进化理论；分析与理想解；物场分析法；76个标准解；效应知识库；矛盾解决原理。个标准解；效应知识库；矛盾解决原理。设计思维设计思维设计方法学设计方法学技术系统进化理论技术系统进化理论技术发展的S曲线设计思维设计思维设计方法学设计方法学技术系统进化定律序号序号进化定律进化定律说说 明明1组成系统的完整性组成系统的完整性一个完整的系统必须由一个完整的系统必须由4 4部分组成：能源装置、执部分组成：能源装置、执行机构、传动部件和控制装置行机构、传动部件和控制装置2能量传递能量传递技术系统的能量从能源

8、装置到执行机构传递向逐技术系统的能量从能源装置到执行机构传递向逐渐提高的方向进化。渐提高的方向进化。3交变运动和谐性交变运动和谐性技术系统向着交变运动与零部件自然频率相和谐技术系统向着交变运动与零部件自然频率相和谐的方向进化。的方向进化。4增加理想化水平定律增加理想化水平定律技术系统向增加其理想化水平的方向进化。技术系统向增加其理想化水平的方向进化。5零部件的不均衡性零部件的不均衡性零部件的进化是单独的、不同步的。零部件的进化是单独的、不同步的。6向超系统递进向超系统递进当一个系统自身发展到极限时，会向着变成一个当一个系统自身发展到极限时，会向着变成一个超系统的子系统方向进化，通过这种进化，原

9、系超系统的子系统方向进化，通过这种进化，原系统升级到更高的水平。统升级到更高的水平。7由宏观向微观递进由宏观向微观递进产品所占空间向较小的方向进化产品所占空间向较小的方向进化8增加物场的完整性增加物场的完整性物场中的场从机械或热向电子或电磁进化。物场中的场从机械或热向电子或电磁进化。设计思维设计思维技术系统进化理论技术系统进化理论设计方法学设计方法学技术系统进化理论技术系统进化理论技术系统进化模式序号序号进化模式进化模式说说 明明1技术系统的生命周期为初生、成长、成熟、技术系统的生命周期为初生、成长、成熟、衰退衰退飞机的发展2增加理想化水平增加理想化水平几顿重的计算机到1kg本本3技术系统元件

10、的不均衡发展导致矛盾的出现技术系统元件的不均衡发展导致矛盾的出现开发新的发动机，空气动力学4增加技术系统的动态性和可控性增加技术系统的动态性和可控性汽车速度的控制5通过集成以增加系统功能，进而再简化系统通过集成以增加系统功能，进而再简化系统6技术系统元件的匹配与不匹配交替出现技术系统元件的匹配与不匹配交替出现板簧与轿车专用减振器7由宏观系统向微观系统进化由宏观系统向微观系统进化土坯灶、铸铁炉、煤气灶、微波炉、电磁炉8提高自动化程度，减少人的介入提高自动化程度，减少人的介入搓衣板、单双缸、全自动洗衣9技术系统通过各种形式的分割实现改进技术系统通过各种形式的分割实现改进模块化10技术系统通过改善物

11、质的结构实现改进技术系统通过改善物质的结构实现改进结构更加不均匀11技术系统趋向于一般化技术系统趋向于一般化互换性、动态性设计思维设计思维设计方法学设计方法学分析与理想解分析与理想解功能分析：从完成功能的角度，而不是技术的角度，分析系统、子系统和零部件的功能中，哪些是有用的，哪些是无用的，哪些是有害的。搞清楚各种功能以及首要功能。设计中的重要突破、成本或复杂程度的显著降低往往是功能分析的结果。资源分析：问题的解越接近理想解，可用资源就越重要。在设计中认真考虑各种资源有助于开阔设计者的眼界。资源按照应用性质分为8类：自然资源、时间资源、空间资源、系统资源、物资资源、能量资源、信息资源、功能资源。

12、任何系统，只要还没有达到理想解，就应该具有可用资源。理想解：低成本、高质量、无污染等是产品的理想状态。产品处于理想状态的解称为理想解。理想解的特点：消除了原系统的不足之处；保持了原系统的优点；没有使系统变得更复杂（采用原成本或可用资源）；没有引入新的缺陷。理想解的确定：设计的最终目的是什么？理想解是什么？达到理想解的障碍是什么？出现这种障碍的结果是什么？不出现这种障碍的条件是什么？创造这些条件存在的可用资源是什么？设计思维设计思维设计方法学设计方法学物场分析法物场分析法物场分析法原理及其模型：1.所有的功能都可以分解为3个基本元件，即两种物和一种场。2.一个存在的功能必定有3个基本元件构成。3

13、.相互作用的3个基本元件的有机组合将产生一个功能。功能分类及其模型：1.有效功能：设计者根据当前用户需求或潜在用户需求确定的功能。2.不足功能：功能是合理的，但作用未达到有效功能。3.过剩功能：功能是合理的，但作用超过了有效功能。4.有害功能：负作用。确定小问题：发明原理、分离原理、标准解、效应知识库。设计思维设计思维设计方法学设计方法学76个标准解个标准解类别类别标准解标准解说说 明明数目数目第第1 1类类不改变或仅少量不改变或仅少量改变已有系统改变已有系统构建或毁掉一个物场模型。完善不完整系统或非有构建或毁掉一个物场模型。完善不完整系统或非有效系统所需的解。效系统所需的解。13第第2 2类

14、类改变已有系统改变已有系统发展物场结构。发展物场结构。23第第3 3类类系统转换系统转换从基本系统转换到上级系统或微观水平。从基本系统转换到上级系统或微观水平。6第第4 4类类测量或检测测量或检测测量或检测一个技术系统的所有因素。测量或检测一个技术系统的所有因素。17第第5 5类类简化或改进简化或改进描述如何将物质或场引入技术系统。描述如何将物质或场引入技术系统。17 从第从第1 1类到第类到第3 3类标准解都是解决系统的性能问题；第类标准解都是解决系统的性能问题；第4 4类标准解解决类标准解解决检测或测量问题；第检测或测量问题；第5 5类标准解是简化系统的方法，使系统更理想化。类标准解是简化

15、系统的方法，使系统更理想化。 产品设计中的问题要用简练的语言说明，并且包括问题的约束或限制产品设计中的问题要用简练的语言说明，并且包括问题的约束或限制性条件。当问题符合条件时，性条件。当问题符合条件时，7676个标准解可以作为解决问题的模板。个标准解可以作为解决问题的模板。设计思维设计思维设计方法学设计方法学效应知识库效应知识库什么是效应？1.效应是TRIZ中一种基于知识的问题解决工具。运用效应可以使解决方案更理想。2.效应是指应用本领域特别是其他领域的有关定律解决设计中的问题。要求的作用、性质要求的作用、性质物理现象、效应、因素、方式物理现象、效应、因素、方式机械能和热能的蓄积机械能和热能的

16、蓄积弹性形变、陀螺效应、相变、化学反应能弹性形变、陀螺效应、相变、化学反应能能量传输：机械能、能量传输：机械能、热能、辐射能、电能热能、辐射能、电能形变、震动、波动、辐射、热导、对流、光反射、感应辐射、形变、震动、波动、辐射、热导、对流、光反射、感应辐射、电磁感应、超导、化学反应能电磁感应、超导、化学反应能搅拌混合物，形成溶搅拌混合物，形成溶液液超声波、空隙现象、扩散、电场、电泳、增溶、与强磁物质配超声波、空隙现象、扩散、电场、电泳、增溶、与强磁物质配合的磁场合的磁场分离混合物分离混合物电磁分离、电磁作用下液体分选剂的视密度变化、离心力、吸电磁分离、电磁作用下液体分选剂的视密度变化、离心力、吸

17、收、扩散、渗透收、扩散、渗透功能是产品创新的出发点和落脚点。效应可以用于解决功能元功能是产品创新的出发点和落脚点。效应可以用于解决功能元求解问题，功能通过效应存在。解决科学和工程学之间的缝隙求解问题，功能通过效应存在。解决科学和工程学之间的缝隙。设计思维设计思维设计方法学设计方法学矛盾解决原理矛盾解决原理解决矛盾是获得问题解所应遵循的一般规律。TRIZ主要研究技术矛盾和物理矛盾。技术矛盾（Technical Contradiction）：是指一个作用同时导致有用和有害两种结果。常常表现为一个系统中两个子系统之间的矛盾。物理矛盾（Physical Contradiction）：是指为了实现某种功

18、能，一个子系统或元件应具有一种特性，但同时出现了与此特性相反的特性。物理矛盾的核心是指对一个物体或系统中的一个子系统有相反的需求。技术矛盾总是涉及两个基本特征；物理矛盾仅涉及系统中的一个子系统或部件。物理矛盾往往比技术矛盾更尖锐；但其解决比技术矛盾更容易。设计思维设计思维设计方法学设计方法学规范特征：TRIZ用规范的语言描述问题的技术矛盾，使用39个参数。序序号号特征特征序序号号特征特征序序号号特征特征序序号号特征特征1运动物体的重量运动物体的重量11应力或压力应力或压力21功率功率31内部有害因素内部有害因素2静止物体的重量静止物体的重量12形状形状22能量损失能量损失32可制造性可制造性3

19、运动物体的长度运动物体的长度13结构稳定性结构稳定性23物质损失物质损失33可操作性可操作性4静止物体的长度静止物体的长度14强度强度24信息损失信息损失34可维修性可维修性5运动物体的面积运动物体的面积15运动物体作用时间运动物体作用时间25时间损失时间损失35适应性及多样适应性及多样性性6静止物体的面积静止物体的面积16静止物体作用时间静止物体作用时间26数量数量36装置复杂性装置复杂性7运动物体的体积运动物体的体积17温度温度27可靠性可靠性37监控与测试困监控与测试困难程度难程度8静止物体的体积静止物体的体积18光照度光照度28测试精度测试精度38自动化程度自动化程度9速度速度19运动物体能量运动物体能量29制造精度制造精度39生产率生产率10力力20静止物体能量静止物体能量30外部有害外部有害因素因素设计思维设计思维技术矛盾解决原理技术矛盾解决原理设计方法学设计方法学技术矛盾解决原理技术矛盾解决原理发明原理：TRIZ用规范的语言描述问题的技术矛盾，使用39个参数。序序号号发明原理发明原理序