（机械设计及理论专业论文）集成ad和triz的sapb设计方法研究.pdf

d i s c i p l i n ec l a s s ：e n g i n e e r i n g m a i n s u b j e c t ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g b r a n c hs u b j e c t ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y r e s e a r c hf i e l d ：m o d e m d e s i g nm e t h o d s & a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e a u t h o r ：c h e nd e z h i s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a n gx i a n g s u b m i t t e dt i m e ：a p r i l2 010 c o l l e g eo f m e c h a n i c a l & e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g f u ji a na g r i c u l t u r ea n df o r e s t r yu n i v e r s i t y , f u z h o u , f u j i a nr r o fc h i n a , 3 5 0 0 0 2 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立 完成的研究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中 已作了答谢的地方外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一 同对本研究做出贡献的同志，都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被 查有侵犯他人知识产权的行为，由本人承担应有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名多勿形， 日期： p 石矿 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即 学校有权送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在年后解密可适用本授权书。 口 不保密，本论文属于不保密。 口 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名：i 徘一 日期： 沙，矿6 y 臁糍：强狐 日期锄“多 摘要i a b s t r a c t 。 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义1 1 2 设计方法学的发展历程1 1 2 1 传统设计阶段1 1 2 2 现代设计阶段2 1 3 主要设计方法及理论简介3 1 3 1 系统化设计方法( s a p b ) 3 1 3 2 公理设计方法( a d ) 4 1 3 3t r i z 理论：4 1 4 本课题的主要研究内容5 第二章三种设计方法及理论的应用研究 6 2 1s a p b 的应用研究6 2 1 1 系统化设计过程6 2 1 2 应用实例一8 2 1 3s a p b 小结9 2 2 a d 的应用研究1 0 2 2 1a d 的基本概念1 0 2 2 2 应用实例1 3 2 2 3a d 小结15 2 3t r i z 理论的应用研究15 2 3 1 理论基础15 2 3 2 应用实例1 9 2 3 3t r i z 理论小结2 0 2 4 本章小结2 0 第三章集成研究2 l 3 1 集成的理论基础一2 l 3 1 1 集成的接合点。2 l 3 1 2 三种设计方法及理论的适用范围。2 2 3 2 集成原理2 2 3 3 集成模型2 3 3 3 1 阐明并精确规定任务书2 4 3 3 2 抽象化以认清总功能2 5 3 3 3 分解总功能、建立功能结构2 6 3 3 4 分功能求解一2 7 3 3 5 组合作用原理2 8 3 3 6 筛选设计方案3 0 3 3 7 确定最优解。3 2 3 3 8t r i z 工具解除耦合。3 2 3 4 本章小结3 3 第四章基于集成模型的辅助软件设计 4 1 开发工具及运行环境。3 4 4 2 系统功能分析3 5 4 3 系统模块结构及软件实现3 5 4 3 1 分功能求解子系统3 5 4 3 2 独立公理评估子系统3 6 4 3 3t r i z 工具解耦子系统3 7 4 3 5 技术文档生成子系统4 0 4 4 工程应用4 0 4 5 本章小结一4 2 第五章结论与展望 5 1 结论4 3 5 2 展望4 4 参考文献。 攻读硕士研究生期间发表的论文。 致谢 附录 4 5 4 9 ! ；o 附录a 分功能求解子系统5 0 附录b 独立公理评估子系统5 4 附录ct r i z 工具解耦子系统5 9 附录d 工具栏、导航、软件初始化相关操作7 7 附录f 系统生成的。车用空调直流无刷电机改进设计d 0 c 一技术文档8 6 摘要 系统化设计方法、公理设计方法和t r i z 理论是目前国际上应用较广的三种 设计方法及理论，本课题的研究目的是将它们有机地结合，最终形成一套优势 互补的集成设计方法模型。为此，本课题做了以下工作：首先，就这三种设计 方法及理论进行了深入的理论和应用研究，并总结了各自的优势和不足；其次， 基于上述研究，总结归纳了三种设计方法及理论存在的相同因素、适用范围和 能够将它们集成的接合点；最后，结合三种设计方法及理论单独使用时存在的 不足，构建了一套以系统化设计方法为主体框架，功能、作用原理、设计参数、 耦合与冲突为接合点，在方案设计阶段集成公理设计方法及t r i z 理论的设计方 法。结合实例详细介绍了集成模型的设计步骤及相关表格的使用方法，结果表 明：集成模型把三种设计方法及理论有机地结合，并能够发挥各自的优点，提 高了设计效率。为了进一步提高设计人员的效率，采用v i s u a lb a s i c6 0 编程软 件开发了一套基于集成模型的计算机辅助设计软件。该软件能够辅助设计人员 准确高效地调整设计矩阵，引导设计人员方便地运用t r i z 工具确定设计中的冲 突，并显示对应发明原理的工程案例。结合工程应用介绍了计算机辅助软件的 操作方法，该系统极大地提高了设计人员运用公理设计方法和t r i z 理论的效 率。 关键词：系统化设计方法；公理设计方法；t r i z 理论；集成研究；计算机辅助 设计 福建农林大学硕七学位论文 r e s e a r c ho nd e s i g na p p r o a c hg e n e r a t e db yi n t e g r a t i n g a da n dt r i zi n t os a p b a b s t r ac t t h e r ea r et h r e ep o p u l a rd e s i g nm e t h o d sa n dt h e o r y ：s y s t e m a t i ca p p r o a c ho f p a h la n db e i t z ( s a p b ) ，a x i o m a t i cd e s i g n ( a d ) a n dt e o r i j zr e z h e n i j a i z o b r e t a t e l s k i c hz a d a c h ( t r i z ) t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri sc o m b i n i n gt h e m o r g a n i c a l l ya n df o r m i n gan e wi n t e g r a t e dd e s i g nm e t h o dw h i c hp o s s e s s e st h e a d v a n t a g e so ft h et h r e em e t h o d sa n dt h e o r y t h e r e f o r , t h i sp a p e rc a r r i e so nt h e f o l l o w i n gw o r k s ：f i r s t l y , r e s e a r c h e st h o r o u g h l yo nt h et h e o r i e sa n dt h ea p p l i c a t i o n s o ft h e s et h r e ed e s i g nm e t h o d sa n dt h e o r y , s u m m a r i z e st h ea d v a n t a g e sa n ds h o r t a g e s o ft h e m ；s e c o n d l y , b a s eo nt h ea b o v es t u d i e s ，s u m su pt h es a m ef a c t o r so ft h e m ， s c o p eo fa p p l i c a t i o na n dj u n c t i o np o i n t sw h i c hc a ni n t e g r a t et h r e em e t h o d sa n d t h e o r yi n t oa n e wm e t h o d ；f i n a l l y , c o n s i d e r i n gt h ea d v a n t a g e sa n ds h o r t a g e so ft h e m ， u s et h ef u n c t i o n s ，p r i n c i p l e s ，d e s i g np a r a m e t e r s ，c o u p l i n ga n dc o n t r a d i c t i o na st h e u n c t i o np o i n t s ，i n t e g r a t et h ea da n dt r i zi n t ot h ec o n c e p t u a ld e s i g np h a s eo f s a p b a tl a s t ，g e n e r a t ean e wd e s i g nm e t h o d t h ep a p e ru s e sa ne x a m p l et o i n t r o d u c et h ep r o c e d u r ea n dr e l a t e dt a b l e so ft h en e wd e s i g nm e t h o d ，t h er e s u l t s h o w st h a tt h en e wm e t h o dc a np l a yt h e i rr e s p e c t i v ea d v a n t a g e sa n dh i g h l yi m p r o v e t h ed e s i g ne 衔c i e n c y i no r d e rt oi m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c yf u r t h e r , b a s eo nt h e n e wd e s i g nm e t h o d ，t h i sp a p e ru s ev i s u a lb a s i c6 0d e v e l o pac o m p m e ra i d e dd e s i g n s o 代w a r e t h i ss o f t w a r ec a na s s i s tt h ed e s i g n e r sa d j u s tt h ed e s i g nm a t r i xa c c u r a t e l y a n de f n c i e n t l y g u i d et h ed e s i g n e r sd e f i n et h ec o n t r a d i c t i o n so fd e s i g na n ds h o wt h e e n g i n e e r i n gc a s e sc o r r e s p o n d i n gt ot h ep r i n c i p l e so f t r i z t h ep a p e rs h o w sh o wt o u s et h es o f t w a r et os o l v ea ne n g i n e e r i n gp r o b l e m ，i np r a c t i c e ，t h es o f t w a r ec a nh e l p d e s i g n e r su s ea d a n dt r i zt os o l v ed e s i g np r o b l e me f f i c i e n t l y k e y w o r d s ：s a p b ；a d ；t r i z ；i n t e g r a t i o n ；c o m p u t e r a i d e dd e s i g n i i 寿命期缩短， 更新换代速度加快，这种形势对设计人员提出了更高的要求。设计是产品开发 过程中首要和关键的环节，产品设计可决定产品最终成本的8 0 以上。设计人 员为提高产品设计的效率和质量，需要借助于设计方法的帮助，但是不同的设 计方法及理论适用的场合存在着差异，将数种设计方法及理论进行集成以获得 一种全面、实用的设计方法已成为设计方法学发展的一个趋势。系统化设计方 法幢1 ( s y s t e m a t i ca p p r o a c ho fp a h la n db e i t z ，s a p b ) 、公理设计1 ( a x i o m a t i c d e s i g n ，a d ) 和t r i z 理论h 1 ( t e o r i j zr e z h e n i j ai z o b r e t a t e l s k i c h z a d a c h ， t r i z ) ，是目前国际上应用较广的三种设计方法及理论，本课题旨在：通过对 它们的优势、不足及适用场合进行研究，总结三者的共同因素和能够将三者集 成的接合点，最终将三者集成以期获得一种能够发挥各自优势的设计方法。 ， 直到上世纪8 0 年代初，我国才开始开展设计方法学研究，但基本上是处于 引进学习的阶段。现阶段，设计方法学的研究得到众多学者的重视，但产品设 计目前仍处于传统的经验设计阶段，设计效率低，产品质量差，市场竞争力低。 本课题的研究是对国外设计方法及理论进行“引进、消化、创新”的一次尝试， 对提高我国制造业设计人员的效率和产品的质量具有重要的理论意义和现实意 义。 1 2 设计方法学的发展历程 设计方法学嘲是研究产品设计的过程、规律及设计中思维和工作方法的一 门综合性学科。1 9 6 2 年9 月在英国伦敦召开的国际设计方法会议被认为是设计 方法学作为一个研究领域的开始旧3 。若以这个时间点为界，可将设计方法划分 为传统设计方法和现代设计方法 3 。传统设计方法是一种经历了直觉设计、经 验设计、半理论半经验设计3 个发展阶段，并于2 0 世纪5 0 年代后期形成的至 今仍被广泛采用的设计方法。现代设计方法是具有程式性、创造性、系统性、 优化性、综合性以及能与c a d 结合等特点的科学方法。 1 2 1 传统设计阶段 设计方法学源于人类的生产活动，可以从人类发明工具算起，在中国的先 秦时期就有记录机械设计方法与思想的著作哺3 。在工业化时代之前，设计依靠 的足直觉和经验，如早期的制陶者根据经验与构思直接操作黏土，做出所需要 形状的陶器，并没有事先绘制陶器的形状，经验来自师傅对徒弟的培训及徒弟 自身实践的积累旧1 。在工业化开始后，设计方法学进入了半理论半经验设计阶 福建农林大学硕士学位论文 段。这一时期n0 1 ，e r e d t e n b a c h e r 提出的机械设计基本原则，被认为是最早的机 械设计理论基础；a e r k e n s 提出了今天意义上的方法学观点；h w 6 9 e r b a u e r 的 贡献被认为是方法学设计的起点；另外c b a c h 、a r i e d l e r 、f r 6 t s c h e r 、k l a u d i e n 和r f r a n k e 等学者也作出了重要贡献。 1 2 2 现代设计阶段 2 0 世纪6 0 年代初，国际市场竞争日趋激化，为了在市场中占有一席之地， 一些工业发达国家大力开展设计理论与方法学研究口。 ( 1 ) 德国概况 德国学者f k e s s e l r i n g 、g n i e m a n n 和a l e y e r 等3 ，是现代设计方法的先行 者。之后，德国工科大学的教授e h a n s e n 、j m t l l l e r 、w g r o d e n a c k e r 、k r o t h 、 k k 0 1 1 e r 、r w l i c h t l e r 、g p a h l 、w b e i t z 、k e h r l e n s p i e l 等人开始了一场全力以赴 的方法开发n 引。其中，r o d e n a c k e r 是世界上第一个被任命为从事设计方法学研 究的正教授。p a h l 和b e i t z 的系统化设计方法( s y s t e m a t i ca p p r o a c ho fp a h la n d b e i t z ，s a p b ) 和g r a b o w s k i 的泛设计理论( u n i v e r s a ld e s i g nt h e o r y ，u d t ) n 3 1 ， 是德国设计方法学的代表。 ( 2 ) 英国概况 英国为了促进设计方法学的发展，成立了多个组织机构。如组建于1 9 4 4 年 的“工业设计委员会”( 1 9 7 2 年，更名为“设计委员会”- d e s i g nc o u n c i l ) ， 1 9 6 6 年成立的“设计研究学会 ( d e s i g nr e s e a r c hs o c i e t y ) ，1 9 9 4 年组建的“工 程与物理科学研究委员会”( e n g i n e e r i n ga n dp h y s i c a ls c i e n c e sr e s e a r c hc o u n c i l ) 等。英国设计方法发展的转折点是1 9 6 3 年f i a l d e n n 4 1 的报告，而j c j o n e s n 5 1 于1 9 7 0 年出版的设计方法( d e s i g nm e t h o d s ) 被认为是英国“设计方法运动 的代 表作。 ( 3 ) 美国概况 美国在创造性开发和计算机技术应用方面的工作特别突出n 4 1 别：1 9 5 2 年， 美国麻省理工学院开发了第一台数控铣床；1 9 6 3 年，i s u t h e r l a n d 研制了第一个 计算机辅助设计( c a d ) 系统s k e t c h p a d ；2 0 世纪7 0 年代，h a s i m o n 的研 究工作产生了一个全新的领域人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 。这一时 期美国的几个组织机构，美国国家科学基金委员会( n s f ) 、美国国家研究委 员会( n r c ) 和美国机械工程师协会( a s m e ) ，指导推动了美国设计方法领 域的发展。美国于8 0 年代后期提出的“并行工程”和n r s u h 提出的“a x i o m a t i c d e s i g n ”如今已得到广泛应用。 ( 4 ) 日本概况 日本研究设计方法学“1 5 1 具有标志性意义的起点也是1 9 6 3 年，这一时期许 多外国文献介绍到了日本，其中对日本冲击最大的是美国的自动化设计矛f l c a d 2 福建农林人中硕一f ：学位论文 技术。这一时期的重要成果有：东京大学k h o n g o 编辑出版了设计理论丛书； n o k i n o 、y k a k a z u 、h k u b o 等人开发的t i p s i * t 1 i i 系统；t m i f u n e 开发的订货 登记系统o r d e re n t r ys y s t e m ，用于电动机设计。日本也产生了几个重要的设 计理论n 6 叫9 1 ：s h i g e r um i z t m o 和y o j ia k a o 提出的“质量功能配置”( q u a l i t y f u n c t i o nd e p l o y m e n t ，q f d ) ；y o s h i k a w a 提出的“通用设计理论 ( g e n e r a ld e s i g n t h e o r y ，g d t ) ；g e n i c h it a g u c h i 提出的“1 3 田法”( t a g u c h im e t h o d s ) 。 ( 5 ) 中国 中国机械工程疆别在世界文明史中占有极为重要的位置，在漫长的历史中， 中华民族创造了不可胜数的机械奇迹：秦陵出土的铜车马及其附件，张衡研制的 浑天仪、地动仪，汉代的透光镜，宋代的铜洗等。我国古代机械设计方法和设计 思想的记载有：先秦的周礼考工记、 墨子，宋代的新仪象法要， 元代的农书，明代的天工开物、 农政全书等。之后由于各种原因中 国的机械工程及设计方法没有进一步的突破，而且相比于欧洲些国家，一直处 于落后的阶段晗。直到上世纪8 0 年代初，我国才开始开展设计方法学研究，但基 本上是处于引进学习的阶段。现阶段，设计方法学的研究得到众多学者的重视。 ( 6 ) 其他国家概况 苏联的g s a l t s h u l e r _ 3 3 及其领导的团队提出了t r i z 理论，也即“发明问 题解决理论”( t h e o r yo fi n v e n t i v ep r o b l e m ss o l v i n g ) 。瑞士v h u b k a 。于1 9 6 7 年组织了第一次“国际工程设计会议”( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e so ne n g i n e e r i n g d e s i g n ，i c e d ) ，并于7 0 年代和丹麦m m a n d r e a s e n 、加拿大w e e d e r “圳发起成 立了“欧洲设计研究组织”( w o r k s h o pd e s i g n - - k o n s t r u k t i o n ，w d k ) ，该组 织后改名为“设计协会”( d e s i g ns o c i e t y ) 。 1 3 主要设计方法及理论简介 设计方法及理论涉及的领域很广泛，世界各国学者的研究例重点也不尽一 致，而且不同学者对设计内涵有不同的认识，因此很难对其进行准确的分类。 但在各国学者的努力下，设计方法及理论的研究已取得丰硕的成果，下面介绍 几种主要的设计方法及理论。 1 3 1 系统化设计方法( s a p b ) s a p b 是将设计对象看作一个系统，用系统工程进行分析和综合，按设计进 程有条理有步骤地进行设计，以求得价值优化的最佳方案的种方法拉4 2 5 3 。p a h l 和b e i t z 在总结前人的基础上结合自身经验，从方法论的高度全面分析设计过程， 提出了一整套较完整的设计方法学说，他们将设计过程分为四个阶段：阐明任 务、方案设计、技术设计和施工设计。p a h l 和b e i t z 于1 9 7 6 年出版了工程设计 学( k o n s t r u k t i o n s l e h r e ) ，该书此后经过多次修订，目前已被翻译成八种语 言瞳3 ，该书是目前国际上影响最大、最有实用价值的一本设计学著作，并收录 3 福建农林人学硕士学位论文 于德国工程师协会标准v d l 2 2 2 1 涩乱2 7 j 。 s a p b 是学者们研究设计方法及理论的主要参考之一，如参考文献 2 8 3 2 都直接引用了s a p b 的内容，它们将其视为产品设计的一般过程，并探索性地将 其他设计方法及理论集成其中。国内对s a p b 的研究始于上世纪8 0 年代，代表人 物有：戚昌滋矧、李贵轩m 3 、黄纯颖汹3 、张家励n 引、董仲元1 1 1 5 1 、唐林和邹慧 君雎“2 6 1 ，他们的主要贡献是将s a p b 弓f 进中国，但是该方法并未在中国的企业得 到推广。 1 3 2 公理设计方法( a d ) 公理设计协5 3 7 1 是n p s u h 教授于2 0 世纪7 0 年代中期提出的一种设计决策方 法，但公理设计( a x i o m a t i cd e s i g n ) 一词是在他的( ( t h ep r i n c i p l e so f d e s i g n ) ) 专著中正式提出的，s u h 于2 0 0 1 年出版的公理设计一发展与应用( a x i o m a t i c d e s i g n - - a d v a n c e da n da p p l i c a t i o n ) 专著中系统地介绍了a d ，该书于2 0 0 4 年 由谢友柏等瞄1 翻译成中文。该理论通过为设计师提供一个基于逻辑和理性思维 过程及工具的理论基础来改进设计活动。a d 的基本概念和方法论包括域、映射、 两个设计公理( 独立公理和信息公理) 、分解、层次和反复迭代的概念。它可以 应用于所有的设计：产品、过程、系统、软件、组织机构、材料和商业计划。 特别是应用独立公理和信息公理能够导向强健设计。 a d 在工程设计领域引起了广泛关注，2 0 0 0 年在美国召开了“第一届公理设 计国际研讨会议”( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo na x i o m a t i cd e s i g n ，i c a d ) 潍1 ， 该会议截止目前已召开了五届，经过学者们的不懈努力a d 得到了完善与推广， j o h n n e s s o n 9 4 1 1 对a d 中的耦合问题进行了研究，提出用图形来分析耦合关系； f r e y h 引、k u l a k n 朝、h e l a n d e r h 4 3 等对信息量的计算方法及信息公理的评价方法进 行了研究完善；a d 与其他设计方法及理论的集成也是研究的热点，如b r a s 、 m i s t r e e n 5 3 和a n d e r s s o n m 4 7 1 将其与稳健设计进行集成，e 1 h a i k “明更是提出了一个 集成了a d 、稳健设计和s i x s i g m a 法的集成框架。近年来，a d 在中国受到了众 多学者的关注，曹鹏彬、蔡池兰、肖人彬等h9 制提出了一种结构化的耦合设计 分析方法，穆瑞和张家泰临将信息公理应用于层次分析法和递阶质量屋中，檀 润华、张瑞红、张路军、邹峰、程贤福等5 3 3 对a d 与其它设计方法及理论的集 成进行了研究。 1 3 3t r i z 理论 t r i z 晦4 5 7 1 是俄文“t e o r i j zr e z h e ni j ai z o b r e t a t ei s ki c hz a d a c h ”的词 头，意思是发明问题解决理论( t h e o r yo f i n v e n t i v ep r o b l e ms o l v i n g ) 。该理论是 苏联专家g s a l t s h u l l e r 及其领导的团队，自1 9 4 6 年开始花费1 5 0 0 人年在分析研 究世界各国专利( 根据“i d e a t i o ni n t e r n a t i o n a ll n c 公布的消息称目前已累计3 0 0 4 ：技术系统、 创新级别、产品进化理论、物质一场( s u b s t a n c e - - - - f i e l d ) 分析、7 6 5 d p 标准解( t r i z s t a n d a r dt e c h n i q u e s ) 、效应、冲突解决原理、发明问题解决算法( a l g o r i t h m i n v e n t i v e - - p r o b l e ms o l v i n g ，a r i z ) 。t r i z 理论自2 0 世纪9 0 年代初，随着苏联解 体一批科学家移居海外，t r i z 开始在国际设计领域产生重大影响。 不少学者们也对t r i z 理论开展研究，女n j a m e s 旧1 对“物一场模型”进行 了改进，并提出了t r i a d s 功能模型表示法；m a n n 陋h 叫对冲突矩阵进行了改进， 并增加了新的发明原理。也有许多学者将其与其它设计方法及理论进行集成， 如参考文献 3 2 ，6 3 一- - 6 5 将t r i z 集成到s p a b 、a d 和稳健设计中。在中国，t r i z 也受到了极大的关注，檀润华h ，鲫对t r i z 的引进做出重大贡献，他领导的团队 在t r i z 的完善及计算机辅助软件的开发上都取得了丰硕的成果；丁俊武旧刮、盖 峰7 3 从应用角度探讨了t r i z 的优势与不足，并将分别将其与a d 、q f d 进行集 成。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题旨在通过对s a p b 、a d 和t r i z 理论进行深入的分析研究，最终形成 集三者优势的新的设计方法模型。为此，本课题开展了以下几个方面的研究工 作： ( 1 ) 深入学习s a p b 、a d 和t r i z 理论，总结归纳各自的优势以及在设计 过程中所起的作用； ( 2 ) 基于对三种设计方法及理论的深入研究和分析，总结归纳三种设计方 法及理论存在的相同因素以及能够将三者集成的接合点，比较分析三种设计方 法及理论的适用范围； ( 3 ) 从三种设计方法及理论的适用场合及相同因素出发，结合它们单独使 用时存在的不足，构建一套集三种设计方法及理论各自优势的设计方法模型； ( 4 ) 运用计算机编程软件开发一套基于集成模型的计算机辅助软件。 全文共五章，第一章为绪论；第二章是对三种设计方法及理论基本概念的 介绍及其实际应用的优缺点；第三章是三种设计方法及理论的集成研究；第四 章是基于集成模型的计算机辅助软件的开发；第五章是课题的结论与展望。 福建农林大学硕士学位论文 第二章三种设计方法及理论的应用研究 2 1s a p b 的应用研究 2 1 1 系统化设计过程他 1 仉6 引 v d l 2 2 2 1 准则以机械设计制造、精密机械技术、线路和软件开发、化工装 置的计划等行业中的广泛应用为着眼点，制定了一个开发和设计时用的进程， 其中随着具体化的程度而分设七个基本工作阶段，见图2 - 1 。这一主要由p a h l 和b e i t z 提出的方法学大大改进了传统的设计理论和实践。将这些工作步骤与必 要的决断步骤和通常的具体化阶段方案设计、技术设计和施工设计连接起来， 可得到阐明任务、方案设计、技术设计和施工设计四个阶段。s a p b 的每个阶段 都制定了详细的步骤，要求设计人员按照这些步骤进行设计，特别是方案设计 阶段，能够产生大量的理论方案。图2 - 2 给出了各个阶段的详细设计工作。 设计步骤工作结果工作阶段 l 主 阐明任务 t 方案设计 十 技术设计 施工设计 l 主 图2 1v d l 2 2 2 1 设计流程 ( 1 ) 阐明任务 在开发产品之前，必须有一个好的主意，若是由客户直接委托的任务则无 6 福建农林人学硕七学位论文 需考虑。从主意到产品计划的原发性推动力可以是来自市场和周围环境，也可 以通过企业本身而产生。系统地制定产品计划建议按以下步骤：分析形势、建 立搜索策略、找出产品主意、选择产品主意和定义产品。在确定了产品计划之 后，以任务书的形式提交设计部门，然后由设计部f l s u 定详尽的要求表。 信 息 ： 要 求 表 的 适 应 性 调 整 任务、市场、企业、环境 阐明任务： 分析市场形势和企业状况：寻找选择产品构想；制定产品计 划；阐明任务；详尽制定要求表。 确定要求表 转入方案设计 开发原理解： 识别本质问题；建立功能结构；寻找作用原理和作用结构； 具体化为一系列原理解的变型；按技术和经济准则评价。 确定原理解 转入技术设计 开发组合结构： 初步结构设计，定出形状、选择材料、计算；选出合适的初 步技术设计草案；对初步技术设计作细微结构设计；按技术 和经济准则评价。 确定初步技术设计草案 转入最终的结构设计 组合结构的最终结构设计： 排除弱点；检查差错、干扰因素和成本偿付；编写初步的零 件表、制造和安装说明。 确定最终技术设计 转入施工设计 开发制造文件和使用文件： 拟定制造文件，以制造、安装、运输、使用指示充实之校验 制造文件。 确定产品文件 转入制造 解决 图2 - 2 设计工作步骤流程框图 7 提 尚 价 值 改 进 i 工 阐明任务ttl方案设计l，丫下liili 技术设计iliiii下施工设计i王 福建农林大学硕士学位论文 ( 2 ) 方案设计 这个阶段从分析要求表开始，先用黑箱法使任务抽象化以认清本质问题， 从而在中立求解的环境中确定系统的总功能；以物料、能量和信号的变化为依 据分解总功能，建立功能结构；对选定的功能结构中的分功能进行求解，寻找 满足功能的物理效应及几何和物料特征标志，以构成作用原理；用形态学矩阵 将各个分功能的作用原理组合在一起，按作用原理间的相容性筛选设计方案； 以技术和经济准则挑选设计方案：评价选择最优方案进入技术设计。方案设计 是s a p b 最为关键的阶段，因为该阶段的决策错误无法在技术设计和施工设计阶 段弥补。 ( 3 ) 技术设计 技术设计的内容是从技术产品的原理解出发，根据技术和经济准则，结合 最新的信息，明确、完整地确定技术产品的组合结构。技术设计的结果是方案 结构的确定。与方案设计相比，技术设计阶段除了创造性外，还包含了更多地 修改工作步骡，此时分析和综合的过程持续地交错进行，并且互相补充。 ( 4 ) 施工设计 施工设计通过最终规定所有零件的形状、尺寸和表面质量，确定所有材料： 检验制造可能性及最终成本，并完成相关图纸和其它文件。这一阶段仍需要设 计人员的关注，否则设计设想和意图可能走样或被窜改。同时，还要根据施工 过程中遇到的具体问题，对原有设计做适当的修改。 2 1 2 应用实例 s a p b 特别强调从设计任务到方案设计阶段的重要性，而技术设计与施工设 计阶段是对原理解的具体实现，后两个阶段不会对原理解产生过大的变化。以 参考文献 1 0 中的“单手把混水器”为设计实例，介绍从阐明任务到方案设计 阶段的设计过程。第三章所构建的集成模型是以s a p b 为主体框架，为了说明集 成模型与s a p b 的区别，两处采用相同的实例进行比较。 步骤1 ：阐明任务书，制定要求表 查询管道连接关系、适用的标准和规定、以及人机工程的信息，结合图3 - 2 的任务要求制订一张详尽的要求表，如表3 - 1 所示。 步骤2 ：抽象化，识别本质问题 一步一步的进行抽象以认清本质问题，其结果如图3 - 3 所示。最终形成该 任务的本质问题，单手把混水器应具备的总功能是：热水和冷水的物料流应可 交替地关断或配置，配置时能独立于流量而调节到希望的任意混合温度。 步骤3 ：建立功能结构 从已识别出的分功能，建立一个初步的功能结构： 关断配置混合 8 桶建农林人导硕 ：学化论文 调节水流量 调节混合温度 对已建立的初步结构及识别出的分功能进行组合、调整排列顺序、补充或 剔除，逐步形成多个功能结构方案。图3 4 至图3 6 三种单手把混水器的功能结 构方案，对三种方案进行分析，并从中选择一个进入下步骤。方案三温度调 节和流量调节在同一孔板上相互独立，且前置压力对出水温度和流量影响小， 故选择该方案。 步骤4 ：分功能求解 对分功能求解时可以通过传统辅助方法、偏重直觉和偏重逻辑思维的方法。 方案三中的分功能“流量和温度的配定”，其功能描述是“一个动作使两个截面 作同义动作，同时或者接着用第二个独立运动使其作反义动作”。对这一个分功 能的求解采用头脑风暴法进行，最终确定用两个切于配合面的运动实现对流量 和温度调节。 步骤5 ：将作用原理组合成能实现总功能的作用结构 采用形态学矩阵方法将作用原理组合成能实现总功能的作用结构。同时依 据分功能作用原理间的相容性去除或优选分功能的作用原理。 步骤6 ：选择合适设计方案 对满足要求表中各项必达要求及在费用容许范围内的所有设计方案，采用 a f 准则对这些方案进行选择，如表3 6 所示。 步骤7 ：具体化为原理解的变型 将作用原理具体化为各种可能的结构变型，图3 7 和图3 8 是单手把混水器 两种解的具体变型。 步骤8 ：评价原理解的变型 按准则v d l 2 2 2 5 ，借助一张评价表进行。对以上两种变型进行评价，将变 型方案二确定为最终方案转入技术设计。 2 1 3s a p b 小结 s a p b 是以系统化理论为基础，利用信息论原理探求有计划地达到设计目 标的方法。p a h l 和b e i t z 认为功能是若干分功能的组合，故总功能可以分解为 若干分功能，分功能又可能再分直到不需再分为止。“功能”与“分功能”的提 出是设计思想的一个重要飞跃，按照功能分类有助于开拓思路，便于利用设计 目录。其核心是方案设计阶段，该阶段能够产生大量的理论方案，但是对方案 的筛选和评价缺少可靠的评价决策工具，且工作量大。该方法于2 0 世纪8 0 年 代开始引入我国，但至今该方法的普及推广并不理想。笔者认为主要原因：一 方面，从众多的理论方案中选择最优方案的工作量大；另一方面，国内的基于 知识库的设计目录资源不足。 9 福建农林人学硕士学位论文 2 2a d 的应用研究n ，3 3 5 矧 a d 应用的一般过程如图2 - 3 所示，左边的