第4讲 模块化设计

1、哈尔滨工程大学机电学院哈尔滨工程大学机电学院葛杨葛杨Harbin Engineering University设计方法学设计方法学第一讲第一讲 绪论绪论Harbin Engineering University设计方法学概述设计方法学概述 课程教学目的 培养学生运用现代先进的设计理论和方法解决工程问题的能力。 教学内容 现代设计理论：重点内容为系统分析法及创造性思维。 现代设计方法：重点内容为有限元分析、优化设计和反求工程设计。 典型工程设计：一般方法/过程/产品。第第 1节节设计方法学概述设计方法学概述1. 产品与设计产品与设计 1）概念）概念 产品：满足人们某种需要的商品。产品：满足人们某

2、种需要的商品。 零部件：是一个泛称，他可以是企业中的部件、组件、零件、原材料、工艺辅料或是组套件、可以是自制的或外购的。 结构：孤立存在的，零部件与其他零部件有结构上的上下级关系（即使用与被使用的关系），通过这种上下关系形成整个产品的结构。 系统：零部件+结构形成系统化产品。 设计：为了满足人类需要，人们进行的征服自然、改造世界的创造性的活动。创造性地建立满足功能要求的技术系统活动，目的性、创新性。 设计阶段划分： 直觉设计、经验设计、传统设计、现代设计 人类最初创造的各种工具和简单简单的器械。如杠杆杠杆、斜斜面面、滚轮滚轮。尤其是轮子轮子是人类最伟大的创造发明，现代的各种机器中，是离不开旋转

3、的轮子轮子和轴轴的。 电视机调节盒盖双动操作器。 圆珠笔按钮 录音机的联动按键 魔方 百叶窗 拉链 安全带带扣 2 2）产品举例）产品举例奇思妙想、社会需要-收音机、录音机、电视机，构思新颖、技术性能高、价格质量比高。19世纪蒸汽机-10年，19世纪中，发电机（1829-1886），电子管3年，汽车（27年，20世纪雷达15年，电机、核反应堆3年，激光1年）。今天：航母舰船弹射阻拦舰载； 高铁、战斗机、。2. 2. 产品发展与设计方法学的发展产品发展与设计方法学的发展 完善设计过程、优化每个步骤、逻辑联系形成工作程序，以期获得优质产品过程，形成设计方法学。 现代：系统的观点，考虑多学科影响多学

4、科影响（例如：环境），获得高质、价廉、有创新高质、价廉、有创新的产品而使用的工作程序、方法和程序、方法和工具工具的总称。 设计方法学也推陈出新有限元、优化等方法。有限元、优化等方法。3. 3. 设计方法学概念设计方法学概念从产品从产品设计方法学设计方法学产品产品 根据所确定的原理方案，决定满足功能要求的机械结根据所确定的原理方案，决定满足功能要求的机械结构，需要决定的内容包括结构的类型和组成，结构中构，需要决定的内容包括结构的类型和组成，结构中所有零部件的所有零部件的形状、尺寸、位置、数量、材料、热处形状、尺寸、位置、数量、材料、热处理方式和表面状况理方式和表面状况，所确定的结构除应能够实现，

5、所确定的结构除应能够实现原理原理方案方案所规定的动作要求外，还应能满足设计对结构的所规定的动作要求外，还应能满足设计对结构的强度、刚度、精度、稳定性、工艺性、寿命、可靠性强度、刚度、精度、稳定性、工艺性、寿命、可靠性等方面的要求。等方面的要求。 结构设计是机械设计中涉及问题最多、最具体、工作结构设计是机械设计中涉及问题最多、最具体、工作量最大的工作阶段。量最大的工作阶段。4. 4. 产品原理举例产品原理举例要实现特定的动作功能 巧妙的构思。笔套上有凸块圆珠笔按钮圆珠笔按钮功能原理分析对齐笔套槽时笔芯齿轮与按钮齿轮错开笔芯齿轮在笔套内时的情况笔芯齿轮在笔套内时的情况笔芯齿轮在笔套内时的情况错开时

6、缩回（外）对齐时探出（内）笔芯齿轮在笔套内笔芯齿轮在笔套内外的情况比较外的情况比较区别于普通插头的直接插拔，Tok Took 插头必须是在对准插座并按下按钮之后，之前隐藏在身体里的金属插头才会弹出并插入插座。这样不仅能够减少触电的危险，还能节能环保。外形轻巧可人，此款产品内附切换系统。切换系统目前广泛应用于圆珠笔来避免油墨干燥，或者是油墨渍。这样一来任何人都能轻易上手并了解插头的用法，相当简易。按按钮钮原原理理应应用用合体之前在使用插头的时候我们还会遇到如何放置插头线的问题。Tok Took 插头可以将电线缠绕后再插到插座上。收纳便利。拉链功能原理分析简单几何体简单几何体的组合 剖开看简单几何

7、体的组合 合上看契合型设计 举例：钥匙与锁举例：钥匙与锁弹子锁钥匙与锁芯 一把钥匙开多把锁？弹簧弹簧销柱1钥匙锁芯销柱2用人为的方法处理室内空气的温度、湿度、洁净度和气流速度的系统。可使某些场所获得具有一定温度、湿度和空气质量的空气，以满足使用者及生产过程的要求和改善劳动卫生和室内气候条件。空调空调系统系统12/31/2021COSMOS系统的整体概要设备运输计划车辆管理维护业务管理电力系统控制站内运行管理集中信息运输计划设备管理计算机车辆管理计算机 维护业务服务器电力系统控制计算机运行管理计算机 集中信息管理高速数字线路高速数字线路运转区所服务器 运转报告终端 分公司终端 车辆管理服务器维护

8、区终端原有远程控制装置分局站内作业终端基地车站PRC装置 旅客指南装置 运行信息终端原有地区调度计算机设备管理终端运输计划终端车辆管理终端维护业务电力系统运行管理终端集中信息COSMOS 系统构成图系统构成图管理终端管理终端中央网络 1940，美微波通讯网组网，运筹学的产生；二战，出现运筹学，由于大规模军事系统生产和管理。战后，大系统的出现，新型设计方法奠定基础。1958年，北极星导弹系统，-系统工程学典范。采用PERT技术 （设计评审技术），包括6个项目，9000家公司，11000所大学。1965年，美国密执安大学工程研究所RE迈克人教授3人主编系统工程学手册，建立完整体系。60年代，美阿波

9、罗登月，1969年7月16日，11号将3宇航员送上月球；通过8年，美宇航局运用了系统工程学，将设计评审技术、电子计算机仿真技术、实物半实物仿真技术及系统环境参数测试技术融合。由此，系统工程学与设计方法学存在着血缘关系。2. 设计方法学的基础设计方法学的基础 1）系统工程学基础）系统工程学基础设计方法学与系统工程学的学缘关系设计方法学与系统工程学的学缘关系工作步骤系统工程学设计方法学1问题定义市场分析、趋势研究、明确定义市场分析、趋势研究、用户要求2系统设计目标确定输入、输出及边界约束条件、制定目标评定准则技术技术要求清单分析、制定设计任务书3系统综合构造目标系统寻找原理方案4系统分析模型化定性

10、定量分析定性定量分析综合5系统评价系统方案评价技术经济评价6系统决策确定最佳方案确定最终原理方案7系统实施设计、加工、实施鉴定、改进原理草图、按比例设计、批量加工文件、加工、试验、改进2）. 设计方法学计算机的应用基础设计方法学计算机的应用基础 在设计中，随着计算机的应用，重新考虑使其参与设计活动，重新研讨了整个设计过程与程序的步骤，力求使每一过程被计算机所接受，使设计过程转化为一定得算法表达式的基本活动。1）建立基本的知识模块；2）模块编程易于存储、检索与调用；3）CAD的应用使这些模块进行模块化的描述，形成以图形、语言、文字和符号运算关系等形式描述这些模块；4）按设计方法学的体系建立设计知

11、识模块库是智能化CAD的基础和前提。 由此发展的模块组合，功能结构，技术经济分层数值评价和分层模糊决策评价程序，为寻求综合化方案，实现智能化CAD设计过程。奠定了必要的理论基础和知识结构体系。而CAD技术的发展也推动了设计方法学的进一步完善。市场、理论、方法和工具间的关系市场、理论、方法和工具间的关系4. 4. 设计方法学的发展概况设计方法学的发展概况 国内外发展： 1）德国：功能-原理-结构框架，框架中每一工作步骤横向变异、纵向组合获得尽可能多的设计方案。体系完备、不同派别、经常研讨， 2）美国：美国在创造学、发明学以及优化、价值工程、可靠性、有限元分析卓有成效、但程序完备性不足。 头脑风暴

12、：形态分析法、综摄法、参数分析法-思维积木 3）苏联：历来重视理论研究，“解决发明课题程序法”和“物场分析法” - TRiZ理论 4）日本：独立发展，重视应用，创造课程和创造思维 法川喜田二郎 卡片整理法 法中山正和 类比法 国内方法论研究概况： 1）第一种翻译创造工程 2）第二种留学深造 3）第三种国际会议 4）第四种来华讲学 80年代，成立学会、组织办期刊、杂志机械工程、机械设计5. 设计方法学主要特点设计方法学主要特点 系统性通盘考虑确定任务、产品规划、原理方案、定性设计、定量设计，制造、实验， 改进直至进入市场； 多样性采用黑箱法多途径寻找； 通用性从抽象到具体，具有广泛的适用性，从新

13、设计到适应性设计和变异设计； 信息浓缩集成学科交叉性，建立设计目录，通用和专用的知识模块，便于存储检索和应用； 启发性信息知识集成化弥补年轻设计师在知识、经验和知识量上的不足。 设计方法学是用系统的观点考虑自然科学、社会科学及自然科学、社会科学及经济诸因素经济诸因素，以获得质高、价廉、有创新的产品质高、价廉、有创新的产品所使用的工作程序、方法和工具的总和。6. 设计方法学目的设计方法学目的 1） 设计出高质量、高价格的创新产品； 2） 采用现代化先进技术理论和方法是设计过程自动化、合理 化； 3） 总结规律更好、更快培养设计人员。7. 设计方法学作用设计方法学作用 1）多品种生产一代，设计一代

14、，开发一代； 2）高效率保证产品研制短时间（1）合理工作程序（2）设计知识库、专家系统支持（3）设计方法学和CAD技术相辅相成 3）高质量 4）低成本第第 2节节 设计方法学研究内容及方向设计方法学研究内容及方向设计方法学研究内容设计方法学研究内容 1）研究设计过程，寻求符合设计规律的设计程序； 2）建立知识模块或设计目录设计目录；根据所解决问题的细微程度， 建立多层次的通用和专用设计目录。 3）创造性思维方法的研究； ) 一般性设计规律及设计准则的研究； 5）功能分析及降低产品成本途径研究； 6）评价与决策研究； 7）计算机设计系统； 8）技术预测； 生产一代、设计一代、开发一代；设计阶段设

15、计阶段设计目录名称设计目录名称产品规划市场趋势调查用户意见征询技术预测方法及选用准则产品通用技术要求指南产品通用环境条件及约束条件指南产品寿命周期各阶段的技术、物理特征检核矩阵功能分析基本功能和符号汇编功能结构变异规则逻辑功能结构专用功能结构实现功能的基本原理或效应通用功能流程实现基本功能的物理效应（如：放大、缩小）转换创造性思维活动的方法及规律新物理生物效应目录专利索引效应载体固、液、气的基本特性数据基本物理数据分级卡（便用计算机定性分析比较）构型设计构型变异基本规律设计经验及规律系统化连接系统化专题设计目录（如：快换结构、可拆结构、焊接、粘接、空间传动机构等）详细设计尺寸链及公差配合表面质

16、量及材料处理有限元、静力学、动力学分析优化方法及选择、使用准则工艺特点及选择使用准则设计有关标准设计评价步骤及准则评价功能价值评价功能方法及准则技术经济评价系统评价专题降低成本的设计准则可靠性设计准则材料的分类、性能、价格、使用范围数据2. 设计方法学学习重点设计方法学学习重点 给学生以设计方法学最基础，最实用的知识、观点和方法以解决实际问题的途径。 可靠性，优化设计，人机工程，有限元设计都需要归纳以便于应用。1. 设计系统概念设计系统概念第第 3 节节 设计系统设计系统机械结构设计2. 设计系统特点设计系统特点 知识维（功能分析法、创造性方法、评价与决策方法、模块化设计法、相似性设计法） 逻

17、辑维：分析综合评价决策 时间维：计划设计试制批量生产销售第第 4 节节 设计类型及设计原则设计类型及设计原则1. 设计类型 1）开发型设计 2）适应性设计（无氟冰箱） 3）变参数设计（如：电机、水泵、减速器系列） 4）测绘与仿制2. 设计原则 1）创新原则 2）可靠原则 3）效益原则 4）审核原则（每道程序控制，方案设计-技术设计）第第 5 节节 设计过程和设计技术简述设计过程和设计技术简述1. 机械设计过程简述 1） 基本设计步骤（1）调查研究（2）方案设计（3）工作图设计（4）样机试制与鉴定 2）产品开发的程序设计（方案设计技术设计）-生产-使用方案设计：设计任务书原理方案总体装配草图技术

18、设计：零部件图总装配图使用维护说明工艺文件合理的开发程序合理的开发程序设计设计阶段任务需求分析明确任务要求设计任务书技术预测市场预测功能分析解法探求方案组合评价决策原理方案黑箱法系统化设计方法价值分析法优化法创造性设计相似性设计评价与决策技术构型要求构型选材、定尺寸评价、决策总体装配草图构型设计原则价值分析技术计算有限元设计相似型设计优化设计绿色设计思想技术文件总体设计零件设计编写技术文件零部件图总装配图使用维护说明工艺文件CAD生产生产阶段试验制造产品CAM使用使用阶段使用信息收集满足任务要求反馈控制第第 6节节 传统设计与现代设计1. 传统设计与现代设计传统设计与现代设计1 ）设计的起源和

19、设计技术的传递（1）手工艺人的设计及技术传递 师傅徒弟（实用的）（2）传统设计技术的传递 图纸、经验、类比（实验为基础的）（3）现代设计理论体系的建立与发展 仿真、理论分析（分析实验结合的）2 ）产品属性变化对设计的要求（传统产品与现代产品）（1）产品的使用属性（2）产品的社会属性（3）产品的服务属性海尔是如何赚钱的？你把保险公司的产品放到哪里去了？3 ）现代设计与传统设计的根本区别手工的、静态的、经验的设计，被动地分析产品的性能计算机化的、动态的、科学的设计，主动地设计产品的性能2. 2. 现代设计的范畴现代设计的范畴 1) 信息论方法 , 如信息分析法、技术预测法等。 它是现代设计方法的前提。 2) 系统论方法 , 如系统分析法、人机工程以及面向产品生命周期的设计。 3) 控制论方法 , 如动态分析法等。 4）优化论方法 , 它是现代设计方法的目标。 5）对应论方法 , 如相似设计、反求工程设计等。 6) 智能论方法 , 如 CAE 、并行工程、人工智能等。是现代设计方法的核心。 7) 寿命论方法 , 如可靠性设计、价值工程和稳健性设计等 8) 离散论方法 , 如有限元和边界元方法。 9) 模糊论方法 , 如模糊评价和决策等。 10) 突变论方法 , 如创造性设计等。 它是现代设计方法的基础。 11) 艺术论方法 , 如艺术造型等。3. 几种典型系统设