设计方法学精选PPT

1、关于设计方法学第一张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第一章 绪论1.1 设计和设计方法学(Design and Design Methodology)1.1.1 设计的概念设计：是创造性的建立满足功能要求技术系统的活动过程。设计的目的：满足一定的功能要求。促进设计发展的动力：不断提出新的功能要求。例：自行车的发展和改型第二张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第三张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月防火隔离带人力专用锯第四张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 设计是创造性的劳动，它实现人们预想的思维。任何天才的思维只有通过设计才能变为现实。 设计是人类生

2、产活动的重要组成部分，是组织生产的基本依据。据调查，一个产品生产成本的7580是由设计阶段决定的。设计中的失误及缺陷会造成严重的损失，某些方案性的错误会导致产品的彻底被否决。 因此，在设计时必须充分考虑科学、社会学及经济学等因素。当前对设计提出的要求是： 1) 三性统筹：适用性、经济性、可靠性三方面辩证地统一考虑； 可靠性：可靠地达到功能要求； 适用性：满足不断提出的新的功能要求； 经济性：在保证功能的基础上有效地节约能源、人力、物力，成本低。第五张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 2) 多方兼顾：与社会（市场）需要、生产制造、管理、使用各方面一体化兼顾； 3) 人机协调：将产品和

3、有关人的因素看作一个系统，合理协调，使人操作、使用时方便、舒适； 4) 博采众长：吸取一切先进技术。1.1.2 设计方法学的研究内容及目的 科学的方法论对技术的发展起着很重要的作用。人们在认识世界的过程中，大量的实践只有在正确的方法指导下才能实现和上升到理论。在改造世界的活动中，知识只有与合理的方法结合才能形成分析和解决问题的能力。 一般来讲，设计方法学是研究设计过程的一般规律、合理的设计程序及程序中各阶段、各步骤采用的方法的一门学科，其目的是在给定条件下实现省时、优质的设计。第六张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月设计方法学研究的内容：研究设计过程，寻求符合设计规律的设计程序；研究

4、设计中解决问题的逻辑程序；研究设计中的科学思维方法，调动设计者的主观能动性及创造性；研究设计过程中的具体方法及方法论；研究设计过程中应遵循的工作原则。研究设计方法学的目的：设计出符合功能要求、高质量、低成本的产品；采用先进技术、理论和方法使设计过程自动化、合理化；总结设计规律，更快、更好地培养设计人员。第七张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月1.2.3 “ 设计方法学”的理论基础及与其它学科的关系 设计、设计过程及设计中的许多问题都可看作复杂的系统来分析和综合。系统工程理论是设计方法学的一个重要理论基础。 自然科学理论基础：物理、化学、力学、材料科学、机械零件的设计理论、计算方法、信

5、息论、模糊论和相似论等； 社会科学理论基础：工业经济学、价值工程、决策理论、人机工程等。 思维心理学、集合论方法、矩阵分析、计算机中的设计系统、智能系统等都是开展研究设计方法学不可缺少的思维方法和手段。第八张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月1.2 设计者的基本能力技术基本能力：计算能力、结构设计能力、绘图能力、实验能力、图文表达能力、基本工具的使用能力；创造性能力：表现在善于探索、解决问题的新途径，塑造新形象和发现新关系等；掌握信息能力：通过调研、自学、实验等方式掌握新技术、新方法及一切有用信息的能力；决策能力：在各种方案中，通过充分分析各方面因素，合理评价作出正确的决策以求得最佳

6、方案；集体工作能力：分工密切合作，共同配合完成任务。第九张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月1.3 设计方法学的发展和应用1.3.1 设计方法学出现及发展的条件国际市场产品竞争日趋激化；科学技术发展促使设计科学化；随科学技术的进步，要求设计工作总结规律上升到理论高度，更快地培养高质量设计人才。1.3.2 国外设计方法学的发展和应用情况德国（3个特点）：a) 按步骤，有规律地进行设计；b) 系统化和逻辑分析；c) 成熟的设计模式、设计目标，编成规范和资料以供使用。美国：a) 强调创造性设计；b) 在实践中培养设计能力；c) 广泛应用计算机技术。第十张，PPT共一百八十七页，创作于202

7、2年6月(3) 日本：在引进技术的基础上吸收各家长处；(4) 俄罗斯：开放、变性、收敛第十一张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第二章 设计程序和一般方法2.1 产品开发的程序分析2.1.1 产品开发的合理程序（表21） 整个开发的步骤可分为设计、生产、使用三个大阶段及针对某一目标的许多小阶段。2.1.2 设计类型开发性设计：新产品的 开发，根据功能要求进行全新设计；适应性设计：保留原理、方案不变，根据功能要求，对结构或尺寸进行新设计；变参数设计：功能、原理、方案、结构型式不变，仅改变部分结构尺寸大小及布局。2.2 设计系统的结构 最本质反映设计系统的三个因素： 时间按时间顺序的工作

8、阶段； 逻辑各阶段解决问题的逻辑步骤； 方法设计过程中各种思维和设计方法。第十二张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月2.2.1 设计工作阶段计划阶段：确定任务，给出详细的设计任务书；方案阶段：通过发散收敛，搜索多种符合功能要求的方案，进而从中筛选出最佳方案；技术设计阶段：进行定性和定量设计、计算，最后得到系统的合理参数及总体（装配）结构草图；制定技术文件阶段：完成所有的可实现设计的细节及各种设计说明书、使用说明书等全部技术文件；试验阶段：通过小试、中试、生产试验来验证所设计的产品是否和用。第十三张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月方案设计阶段的主要工作就是原理综合。原理没有

9、一个统一的规律可遵循，其方案解是发散的，有很多可行解，需要根据实用性、经济性、可靠性等各项性能指标进行评定推出其中一种方案。因此方案设计的过程是一个发散-收敛的过程，是创新的过程，是最富有创造性的阶段。第十四张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月A设计中的技术冲突TRIZ理论认为发明问题的核心是解决冲突。设计人员在设计过程中不断发现冲突，并利用相应的发明原理解决这些冲突，使产品向理想化方向进化。TRIZ理论研究人员通过对世界上250万项专利的详细研究提出了39个通用工程参数来描述的技术冲突问题。这些工程参数见表技术冲突解决原理（TRIZ理论）第十五张，PPT共一百八十七页，创作于202

10、2年6月第十六张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月B发明原理在对全世界专利分析研究的基础上，TRIZ 理论的研究人员在抽象层次上提出了40条发明原理，用于指导冲突的解决和产品的创新。第十七张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第十八张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第十九张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第二十张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第二十一张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第二十二张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第二十三张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第二十四张，PPT共一百八十七页，创作

11、于2022年6月第二十五张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第二十六张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第二十七张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第二十八张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第二十九张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第三十张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第三十一张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第三十二张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第三十三张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第三十四张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第三十五张，PPT共一百八十七页，创作于202

12、2年6月39项参数描述了问题的空间，40条发明原理则填充了问题解的空间必须找出问题与解的对应关系矩阵的行表示冲突恶化的的参数，矩 阵的列表示冲突改善的参数，矩阵中的元素则为第i个恶化的参数与第j个改善的参数构成的技术冲突的原理解该解用发明原理的序号表示。其中若 i与j相同，则该元素为空C. TRIZ理论冲突矩阵第三十六张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月冲突矩阵第三十七张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月5运动物体的面积和3运动物体的长度的矛盾，原理解15-动态化、7-套装和4-不对称Go to例题：第三十八张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月2.2.2 解决问题

13、的逻辑步骤目标分析系统综合分析、评价决策目标分析：找到目标，明确任务要求；系统综合：借助“ 抽象”、“ 发散”、“ 搜索”等方法寻求符合功能要求的、尽可能多的解法；分析评价：将每一种解法具体化并进行评价；决策：最后进行选择和决策，得到一个最佳的解法。 综合与分析是两种不同处理问题的方法： 分析：已知技术系统，根据分析可以得到一个确定的技术系统；技术系统输入（已知）分析？第三十九张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 综合：仅知输入条件和输出要求，要寻找符合功能要求的技术系统。？输入（已知）综合输出（已知）2.2.3 设计方法 设计方法是指达到规定的设计目标所采用的途径。 工程设计方法：

14、是以前很长一段时间内的主要设计方法，以古典力学和数学为基础，大量采用经验数据的半经验性设计法。设计中反复多、周期长，如蒸汽机从设计到应用花了近100年时间。 现代设计法：充分应用现代理论和技术的设计方法。如仿真、并行工程等的设计方法，极大限度地缩短了产品开发的周期。第四十张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 并行工程：是一种先进的制造模式或设计模式. 并行：是指一个以上的事件在同一时刻或同一时段内发生，与串行设计相比，并行设计中同一时刻内可容纳更多的设计活动，使设计活动尽可能并行进行，以此来减少整个设计过程的时间。第四十一张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月2.3 设计中的

15、思想方法2.3.1 从抽象到具体的思维方式 抽象：略去次要的、特殊的部分，突出技术系统主要的、一般的功能、要求和限制条件，抓住问题的核心和任务的本质。 例1：割草机的设计，把草剪断可以抽象成“ 细长柔韧固体的分离”，就可能去寻找不受框框限制的更多的解法方案。 例2：洗衣机的设计，就是污物与衣物的分离；减速器就是缩小 例3：轴的支承抽象功能在相对运动表明传递力的系统传力关系机械直接接触传力液液体动压 液体静压气气体动压 气体静压磁电磁 永磁有效运动轴转动，支承静止支承转动，轴静止支承与轴以不同转速相对运动有效表面圆柱圆锥椭圆柱球面多楔支承材料钢铜合金巴氏合金多金属复合材料橡胶塑料摩擦状态滑动滚动

16、具体组合得各种材料、各种结构的滑动轴承及滚动轴承第四十二张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月2.3.2 黑箱法 对一些复杂的系统和问题，难以一下子认识、模拟和控制，尤如一个不透明、不知其内部结构的“黑箱”。对于这类问题采用“黑箱法”进行研究，即不打开“黑箱”，利用外部观测，分析“黑箱”与周围环境的信息联系了解其功能、特性，寻求其内部机理及结构的方法。 孤立法：把所研究的对象看作一个整体系统，将它相对从环境中孤立出来。研究对象受环境的影响看作“输入”，而其对环境的影响看作“输出”，根据输入和输出的关系分析“黑箱”系统的性能和特征； 干预法：主动在输入端加上已知信号，然后对输出端进行测试

17、，从其变化中获取“黑箱”性能和特征的信息（例：利用人静止或运动后的心电图可分析心脏的健康状况）； 模型法：以系统的输入、输出为依据，建立“黑箱”的模型，对系统功能进行分析和预测，在不了解具体结构的条件下作系统的功能模拟（例：人工心脏，计算机对人脑功能的模拟等）。第四十三张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月2.3.3 技术系统的特征定义：执行特定功能而达到特定目的、互相制约有关联的元素称为系统；系统的组成：系统由元件及元件间的关系、边界条件、输入及输出来描绘；系统的特征：分解性：系统由较小的子系统有机结合而成，而子系统又是由更小二级子系统组成，依此类推直至组成系统的最小单位不可再分的系

18、统元；整体性：只有从整体的角度才能全面认识系统。整体功能不是子系统或系统元功能的简单叠加，在各种组合中有最佳的组合。如齿轮，在减速器中起传递运动和扭矩的作用；在齿轮泵中低压液体变为高压液体的增压作用；而在宇宙飞船中与其它零件构成飞船上天、登月的卓越功能；关联性：系统本身与周围的系统有密切的关联，分析问题时不能忽略周围系统边界条件对系统的影响。第四十四张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月4） 系统的处理对象 技术系统处理的对象是能量、物料及信号。 能量：机械能、热能、电能、光能、化学能、生物能等； 物料：各种物资、材料，包括固体、液体和气体； 信号：体现为数据、控制脉冲、显示等。 主要

19、传递信号流的技术系统称为仪器； 主要传递能量流和物料流的技术系统称为机器。其中系统元件间有相互运动的为“ 机”，没有相对运动的为“ 器”。机 器仪器主要传递对象能量及物料信号机（系统元件间有相对运动）器（系统元件间无相对运动）主要性能强度、刚度、寿命、磨损静强度、刚度精度实例电机、燃气轮机机床、交通工具、运输机等锅炉、冰箱高炉、管道系统各种测量仪器、计算机等主要转换能量主要转换物料主要转换能量主要转换物料第四十五张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第三章 创造性思维及设计方法3.1 创造性思维的特点 创造性的特点是创新，推陈出新。创新技术就是在分析有关创新的心理过程及心理障碍基础上建

20、立的提高创新能力、各种方法的总称。创新技术对科学技术的发明创造和管理决策都起很大作用。创造性思维的特点是：3.1.1 独创性：敢于突破框框，提出与众人或前人不同的看法。例1：飞机的发明；例2：例3：找出“0，1，2，4，3，7，8，1”的规律 第四十六张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月3.1.2 推理性 逻辑推理，连动思维，由此思彼。 纵向推理：引导问题深入（直上直下的思考）； 横向推理：使问题能在相似或有关联的更多领域得以广泛推广（换个角度）； 反向推理：分析问题的相反方向，从正反两面综合寻求更合理的解法（正反面、逆向思维）。例1：利用横纵向思维解决圆珠笔尖磨损导致的漏油问题。例

21、2：普通动物园与野生动物园第四十七张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月3.1.3 多向性 善于分析影响一个问题的多种因素，通过发散、换元、转向等途径从不同角度提出问题，寻找新的思路和解法。例：曹冲称象3.1.4 综合性 善于把前人的成果、信息、现象、概念等综合概括用以解决问题。例：Serendipity一词的意义3.2 直觉思维法 在解决问题时，抓住瞬时、一闪念的直觉思维而得出解法。 灵感是一种顿悟，在一刹那间将两个以上以前从不相关的观念串联在一起，以解决一个久未解决的难题或缔造一个科学上的新发现。灵感是与知识的积累分不开的。（西方的3B思考法）第四十八张，PPT共一百八十七页，创作

22、于2022年6月3.2.1 智暴法（Brainstorming） 抓住瞬时的灵感或意识流得到一些新想法的方法。例1：阿基米德水从浴缸中溢出沉浮定律；例2：日本富士通电气公司小野从雨后湿淋淋展开的卫生纸纸型自动控制器。3.2.2 集智小组会 在个人“智暴”的基础上 ，针对一个既定的目标，通过与会者各抒己见的自由讨论，汇集各种突然产生的好想法，用以解决问题。3.2.3 书面集智法卡片式集智法：针对一个即定的目标，与会者将各种见解写在卡片上。一定时间后，各自念自己的设想，然后每人再综合他人的意见在另一张卡片上写出自己新的设想。最后集中所有卡片，把零散的情报和设想综合整理为可供使用的资料；第四十九张，

23、PPT共一百八十七页，创作于2022年6月635法：6个人聚在一起，针对有关问题每人提出3个方案并列表写与纸上，每5分钟交换1次，互相启发，补充并提出新的想法；专家预测法德尔菲法：组织者针对有关问题先编写一个专家意见征询表寄给专家们，要求他们用书面提出自己的想法，然后将寄回的意见进行统计、整理成文，加上意见征询表再次寄给同一批专家征求第二次书面意见。经过几次反馈后，意见逐渐集中和明确，可以得到较好的预测或决策方案。3.3 推理思维法 通过推理、分析，把复杂的问题分解为较简单的小问题，通过分析明确影响各种问题的各种因素，有针对性、有步骤地进行推理，寻求解法。3.3.1 提问法 有针对地、系统地提

24、出问题，使所需要的信息更充分，解法、设想更趋于合理和完善。第五十张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月奥斯本提问法：对研制新产品提出以下问题：对现有的产品稍加改变，能有新的用途吗？能否借用别的经验或发明？过去有类似的东西吗？有什么东西可供模仿？能否对产品进行某些改变？能否增加一些东西？能否减少一些东西？能否互相替换？能否把某些东西颠倒过来？能否代用？能否形成组合？阿尔诺特提问法增加功能：在原有基础上能增加新功能吗？第五十一张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月提高性能：在便携、耐用、可靠、修理、保养等方面能否改善？降低成本：是否能从去掉多余零件、选便宜材料、采用更简单的制造方法

25、等方面减少费用、降低成本？增加销售：对商品特点、产品设计包装等方面是否作了研究？5W1H法 对任何问题或解法都可提出What? Who? When? Where? Why? How?加以分析。WhatWhoWhenWhereWhyHow问题（目标）功能对象时间、地点（工作条件）需求重要性解法方案根据评价第五十二张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月参量提问法：分析影响某一技术系统的各个参量，针对参量分别提出问题，以深入剖析或综合此系统。有哪些连接原理？每种原理有哪些结构型式？从几何形状上可作哪些改变？从尺寸上可作哪些改变？从数量上可作哪些改变？从顺序上可作哪些改变？3.3.2 反向探求

26、法：对现有解决方案系统地否定或寻找其相反的一面，试图找出新的解法或新的想法。例1：意大利科学家伏打伏打电池 英国化学家电解法发现了钾、钠、钙、锶、铁、镁、硼7种元素。例2：1877年爱迪生发明留声机第五十三张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月3.3.3 缺点列举法：针对某一方案列出所有缺点及弱点，研究改进方案以探求新方案。3.3.4 前进法：从一个最初的设想按一定方向逐步向前探索新的想法（图轴毂连接方案）。3.3.5 形态综合法：在建立形态学矩阵的基础上，通过系统的分解和组合寻找各种方案。 形态学（Morphology）：用集合代数的表达方法描述系统形态或分类问题的学科。把复杂的系统

27、（或要解决的问题）按分系统（或影响此问题的几个独立因素）进行分解称为“目标标记”，然后找出每个“目标标记”的一切可能状态（或解法）称为“目标特征”。将目标标记与各相应的目标特征列出为形态学矩阵，即可较清楚的描述此系统或提供解决问题的条件。 设计中的形态学综合法是在列出一个问题的形态学矩阵后，进行可能状态组合，寻求一切合理的解法，并从中选出最佳方案。Go to第五十四张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第五十五张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月轴毂联接 平键半圆键第五十六张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月轴毂联接 滚珠花键花键成形轴毂Back to第五十七张，P

28、PT共一百八十七页，创作于2022年6月例：1. 食堂有3组主食花样，5组副食菜谱及4种汤。经形态学矩阵排列组合可得到N35460种包括主食、副食和汤的不重样食谱； 2. 设计牛奶的包装：解法参量123456容积（ml）1002505001000形状瓶状袋状立方体长方体球体圆柱体材料玻璃硬塑料软塑料特殊纸马口铁铝合金颜色白银灰天蓝金黄无色透明封盖压盖旋盖全封闭总的包装方案：N466532160第五十八张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月3.4 联想创造法 通过启发、类比、联想、综合创造出新的想法以解决问题。3.4.1 相似类推法 寻找与所要解决问题类似的其它事物进行类比，获得启发而得

29、出新的想法。例1：河蚌育珍珠；“ 牛黄”的产生；例2：尼龙搭扣的发明。3.4.2 抽象类比法 用抽象反映问题实质的类比扩大思路。 如要发明一种开罐头的新方法，可先抽象出“ 开”的概念，列出各种“ 开”的方法，如打开、橇开、剥开、撕开、拧开、揭开、破开、断开等，然后从中寻找是否有对开罐头有启发的方法。第五十九张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月3.4.3 仿生法自然系统的类比法 通过仿生学对自然系统生物的分析和类比，启发创造出新想法。 例：鲁班发明锯；照像机光圈；响尾蛇导弹；蛙眼电子器；从鱼类到流线型结构；蜂房结构；三明治结构等（图33）。3.4.4 借用法（Synectics） 从各

30、个领域借用一切有用的信息，诱发新的设想。 Synectics一词由希腊文引伸而来，原意指不同领域或表面上互不依赖的领域间的联系和结合。有些在逻辑推理上看来完全无关的东西，联系在一起也会产生新的思想和方案。例：尿道结石取出器（图34）3.4.5 组合法 利用事物间的内在联系，用已有的知识和成果进行新的组合而产生新的方案。Goto第六十张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月Back第六十一张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月例1：功能组合多功能器具，如家具、音响、办公设备等；例2：技术组合CT（X射线与图像识别技术的结合）；雷达（图像技术与测量技术的结合）例3：材料组合各种合成材

31、料等3.5 系统化法 系统化是将研究对象看作一个系统，用有条理的观点将系统分解或分析影响系统的参量，以全面描述系统并综合寻求系统方案的方法。3.5.1 参量分析法 分析影响系统的参量，用孤立因素或换元等方法综合求系统的解法。例：毛细管粘度计的原理方案设计 1) 参量分析 2) 通过孤立因素法可得4种粘度计原理方案（图35）Go to第六十二张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月Back第六十三张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月3.5.2 功能分析法 通过功能分析剖析系统，寻找解法。任务总功能分析功能分解搜索功能元的解列形态学矩阵综合总统方案评价决策（优化）最佳总体方案1)

32、从任务要求出发，分析系统的总功能 总功能体现在系统的输入条件与输出要求之间的关系和其性质或状态的变化上。2) 功能分解 根据系统的可分解性，将总功能分解为分功能，二级分功能 直至功能元。第六十四张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月3) 基本功能元及其解法 基本功能元是不能再分解的最小功能单位，是直接能从物理效应、逻辑关系等方面找到解法的基本功能。 基本功能元可以归结为3类： (1) 物理功能元：反映系统中能量、物料及讯号变化的物理基本作用。 常用的物理功能元是6个（如下表）物理功能元变换缩放联结传导贮存离合能量、物料、讯号的特征类型大小数量位置时间 变换：包括各种类型能量之间的转换、

33、运动形式的转变、材料性质的转变、物态的转变及讯号种类的转变等；第六十五张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 缩放：指各种能量、讯号向量或物理量的放大及缩小以及物料性质的缩放（如压敏材料电阻随外压力的变化）； 联结：包括能量、物料、讯号同质或不同质数量上的结合； 传导及离合：反映能量、物料、讯号的位置变化； 贮存：体现一定时间范围内保存的功能。如飞轮、弹簧、电池、电容器等能量的贮存，压缩空气罐、水库对物料的贮存，录音带磁盘对讯号的贮存等。 物理功能元用基本物理效应解。机器、仪器中常用的物理效应是： 力学效应：重力、弹性力、惯性力、摩擦力、离心力等； 液气效应：流体静压、流体动压、毛细管

34、效应、虹吸效应；负压效应等； 电力效应：电动力学、静电、电感、电容、压电效应等；第六十六张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 磁效应：铁磁、电磁效应等； 光学效应：反射、折射、衍射、光干涉、偏振、可见光、紫外线、激光等； 热力学效应：膨胀、双金属效应、热贮存、热传导、绝热效应等； 核效应：辐射、同位素效应等。 同一物理效应能完成不同功能。如液体回转的离心效应可以产生离心力、分离不同质的液体或测量转速。 (2) 逻辑功能元 为“ 与”、“ 或”、“ 非”，主要用于控制功能（表）。例：冲床控制系统（图） (3) 数学功能元： 加和减（图）；乘和除（图）；乘方和开方；积分和微分To:41第

35、六十七张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月CAA C若A则C无非CABACB若A或B有则C有或CABACB若A及B有则C有与真值表（0无讯号；1有讯号）逻辑方程符号关系功能元1000C1100B1010A1110C1100B1010A01C10A基本逻辑关系Back to第六十八张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月冲床的控制系统12轮系的加（减）法轮系的除法机构返回第六十九张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 4) 综合总体方案 （1）形态综合法：将系统的各个分功能作为目标标记；分功能的各种解法技术效应列为目标特征，建立形态学矩阵。通过组合找出系统的总体解法方案。

36、例：挖掘机功能分析：取运物取物运物传动取物传动运物第七十张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月形态学矩阵：分功能解 法123456A.动力源电动机汽油机柴油机蒸气机液动机气动马达B.位移传动齿轮传动蜗轮传动带传动链传动液力耦合器C.位移轨道及车轮轮胎履带气垫D.取物传动拉杆绳传动气缸传动液压缸传动E.取物挖斗抓斗钳式斗可能组合方案：N654431440如：A1B4C3D2E1履带式挖掘机 A5B5C2D4E2液压轮胎式挖掘机第七十一张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 （2）功能结构组合：各分功能组合成总功能时有串联、并联、回路等3种结构形式。F1F2F3并联：F1F2F3串

37、联：F1F1F1回路： 通过以上步骤可得数量较多的总体方案，然后进行评价、决策寻求最佳总体方案。第七十二张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月例：瓶盖码齐机总功能：将瓶盖码齐成同向输出（图）功能分解：瓶盖码齐F1输入F2测向F3分检F4翻转F5输出运输瓶盖的分功能（图）：综合总体方案方案1：F1F2F3F5F4Go to第七十三张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月瓶盖码齐Fr摩擦力F推力G重力RNG机械效应负压吸力流体摩擦液气效应电磁力电磁Back to第七十四张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月方案2：F1F2F3F5F6F6回送方案3：F1F2F4F5方案4：F

38、1F3F2F5F4第七十五张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第四章 合理构型设计 要满足产品功能的需要，实现原理方案的要求，结构设计是重要的一环。在整个设计过程中始终要考虑保证功能、提高性能、降低成本这三方面的要求。 结构设计包括：定性分析；构型及定量计算；选材料定尺寸等几个过程。4.1 构形的基本原则 明确、简单、可靠是构型设计的基本原则。 明确：体现为功能结构明确。每一部分功能有确定的结构承担，各部分结构有合理的联系，避免冗余结构，尽量减少静不定问题（例：图41） 。 简单：设计时应有由简致繁，由简单选起的战略思想。 可靠：除在计算时按可靠性理论求得零部件在规定时间内不失效的合

39、理尺寸外，购型时要考虑安全保护装置（图43、4） 。Go to第七十六张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月Back to第七十七张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月4.2 构形的系统化分析 用系统化方法进行构形设计，必须了解影响构形的各种因素。有效表面有效体零件部件机器仪器机组（成套设备）技术系统 要进行技术系统的结构设计，首先应分析有效体、有效表面的构形，然后将其联接组成零件、部件系统。4.2.1 有效面（体）的变形参量 零部件的有效面和有效体由不同形状、不同尺寸面和体的不同数量及相对位置、安排顺序等方面变化，排列组合成千姿百态各种形体。因此，在构形设计时应根据工作要求（

40、功能），紧紧抓住形状、大小、数量、位置、顺序等五个基本参量进行综合，得到尽可能多的构形方案，然后从中选取最佳方案。第七十八张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月例：1. 弹簧产生压紧力的构形设计（图） 2. 轴毂连接的一部分变形（图） 3. 止推滑动轴承与立轴的组合（图）4.2.2 连接的变形参量 连接的作用是对作用体或零件间相对位置、相对运动进行约束，并在其间传动。从运动关系看，“ 连接”可分为“ 相对静止”和“ 相对运动”两种类型： 1) 相对静止的连接（从连接锁合力及拆卸特点两方面分析）： a. 连接锁合力：相对静止的连接当受到外载荷作用时，必存在锁合力以维持相对静止状态。其锁合

41、力与可能发生相对运动的方向相反。 根据锁合力的不同可分为： 形锁合连接：利用零件间的形状关系产生锁合力；Go to第七十九张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月Back to第八十张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 力锁合连接：利用零件间的相互作用力产生锁合力； 材料锁合连接：利用附加材料产生锁合力。 b. 从拆卸特点看： 不可拆卸连接：一般由附加材料或通过塑性变形达到不可拆卸的目的； 可拆卸连接：连接可以拆卸。形锁合力锁合材料锁合可 拆螺纹连接，销连接，平键连接，成形连接，弹簧卡圈连接斜键连接，楔连接，斜面弹性环连接，顶丝连接（粘接）不可拆铆接塑变连接过盈配合连接焊接粘接

42、第八十一张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 2) 相对运动的连接 按运动型式：移动、转动、一般运动；第八十二张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 按摩擦类型：滚动、滑动、滚滑运动； 按传动原理：机械的杠杆原理、斜面原理和液压帕斯卡原理。第八十三张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月4.3 合理构型原则4.3.1 提高产品性能的构型原则 提高产品性能主要从合理承载，提高强度、刚度、精度、稳定性，减小磨损等方面努力。开窗机构第八十四张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 1) 任务分配原理 用几个结构体分别完成不同的功能，以保证产品性能、安全可靠、便于制造和安

43、装。例1：传动三角皮带采用了组合结构既传递拉力又承受弯矩和侧面摩擦。例2：两板连接若用销、键或衬套承受切向力，连接螺栓的尺寸可以缩小。第八十五张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 2) 自助原理 系统元件通过本身结构或相互之间的关系，在工作中产生加强功能或避免失效的效果，称为自助。设计时应充分利用自助原理使结构合理。 a) 自平衡：在工作载荷下产生的辅助效应与初始效应合成为有利的平衡状态而提高强度和刚度，称为自平衡；例1：大跨距梁；例2：汽轮机叶片倾斜于径向线安装。 b) 自加强：工作载荷下辅助效应与初始效应的作用方向相同，加强了结构系统的功能；第八十六张，PPT共一百八十七页，创作

44、于2022年6月例1：轴上的唇形密封圈或气泵活塞杆上的密封皮碗，工作时在油压或气压的作用下越压越紧，增强密封作用。例2：高压容器检查孔盖的设计。 c) 自保护：在超载不安全条件下，功能元件产生保护效应，防止零件失效。例1：片式摩擦离合器过载打滑；牙嵌式离合器自动脱开。第八十七张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 3) 合理负载的构型 在构型中尽量考虑受力合理，减小应力，避免应力集中，等强等原则。 a) 合理导力：设计结构时一般尽量使力按最短路线传递；例1：例2：第八十八张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 b) 减小应力，控制等强：等强的结构能最大限度地发挥材料的作用。轴上

45、轮毂的不同结构分析悬臂梁的四种结构 c) 变形协调，减小应力集中：合理的结构应避免由于断面尺寸突然变化等原因使力流密度增大和力流急剧转弯而产生应力集中。例：过盈配合的轮毂与轴第八十九张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月例2：轮与轴的联接 变形协调的方法：控制相联接元件在外载荷作用下产生同方向变形，使两者间相对变形小而应力变化小，减小应力集中。例1：轴与轴承的配合：例2：焊缝（图）例3：螺母（图）Go to 第九十张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月Back第九十一张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 4) 力平衡：设计中设法将机械中的力和力矩在完成其功能任务后平衡

46、去除，使不传递到其它部分。例1：斜齿圆柱齿轮传动中产生轴向力作用于轴承例2：行星齿轮减速器中的三个行星轮第九十二张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 4) 考虑热膨胀的合理构型 a. 设计时要考虑到热膨胀方向及变形量，求得合理结构。 例：滚动轴承轴系当工作温度较高时轴有热胀变形。ll式中： 材料的线膨胀系数； l 工作长度； 温度变化 b. 相对热变形的控制第九十三张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月例：钢螺栓联接铝件的结构 5) 考虑稳定性的结构 a. 一般情况下，系统的结构应当力图保持系统工作状态的稳定，消除或缓和外界对系统施加的干扰；例：活塞的导向结构，必须采取措施使

47、活塞移动时能消除或缓和活塞倾斜等干扰的影响，保持稳定状态。第九十四张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 b. 设计中可利用结构的“ 不稳定性”达到一定功能要求。例：1)离心式安全销；2)滑块离心式摩擦离合器第九十五张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月3)调速器第九十六张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月4.3.2 降低成本的合理构型1) 有利于加工的合理构型 a. 根据不同加工工艺设计不同结构；例：轴承座在不同加工条件下的合理结构第九十七张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 b. 减少加工工序：在一定批量下，采取压铸、冲压、粉末冶金等高效率的加工方法；例

48、1：采用粉末冶金烧结整体式金属链轮精度可达0.05mm例2：采用冲压的三角皮带轮较铸造及机械加工结构在工时和重量都减少了一半第九十八张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月例3：压铸的整体式塑料夹子结构简单、成本降低。 c. 降低公差要求：可从选用合理配合件、调节件，避免过定位等几方面进行结构设计例1：圆柱体与孔配合时，采取不同精度的公差，对相对成本的影响；钻冷轧、精拉H11/h11)Rm=75m钻、铰车H10/h10)Rm=50 m钻、镗、磨车、磨H8/h8)Rm=20m钻、镗磨研车、磨、精磨H5/h5)Rm=5m孔轴加工工艺配合平均公差第九十九张，PPT共一百八十七页，创作于2022

49、年6月例2：螺纹联接滑动导轨滚动导轨轴支承避免双重配合弹性件调节件配合件 2) 有利于装配的合理构型 a. 便于拆装：如采用新型的快动联接结构第一百张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月例： b. 便于自动安装：零件结构要考虑自动运输和符合机械手自动装配的特点。例1：便于运输第一百零一张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月例2：便于自动定位例3：对称结构避免误操作 3) 采取组合结构：组合结构不仅是零件的组合，更重要的是功能的组合，使简单结构满足更多的功能要求。 a. 整体结构：一个结构代替多个零件完成同一功能；例：包装机中的一个原由11个零件组成的 构件，设计成通过精密铸造一

50、次加工成的一件整体结构，节约工时61，节约成本72。第一百零二张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 b. 积分结构：一个结构代替多个结构完成多个功能；例：螺栓例：由直线形和弧形的铁轨、道叉、底架、吊架等“ 模块”组合成任意多种不同的轨道运输系统 c. 模块式组合结构：用少数“ 模块”组合成多种不同功能的结构；第一百零三张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月第五章 评价与决策 设计问题是多解的问题。通过系统综合，可以搜索到目标的多种解法。而从许多解法中如何分析、筛选出符合要求的最佳解法就必须通过评价和决策。也有人认为，设计的关键就是进行决策。 价值是功能与成本的综合反映，可用二

51、者的比值来表示： 价值功能成本 评价过程就是对价值载体（如产品系统）的价值进行评定及比较。而决策则是根据预定目标作出行动的决定。 只有在多方案下评价与决策才有意义，只拟定一个方案而没有选择余地的决策为“ 霍布森选择”。第一百零四张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 设计是一个发散至收敛，搜索至筛选的多次反复过程。在设计的方案、结构设计等每个阶段，都要进行评价和决策。只有通过逐段评价，才能用较经济的手段得到最佳方案。方 案 数可能方案数实取方案数评价、筛选方案设计结构设计试验试生产批量生产产品开发过程 评价的准则、决策的目标来自于产品的设计要求。在评价与决策时，必须首先详细分析目标要求

52、，将目标分解为能用定量或定性方法作出评价的基本目标。第一百零五张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月ZZ1Z2Z11Z12Z21Z22Z235.1 简单评价法 根据目标要求，对方案作定性的粗略评价。5.1.1 淘汰法 1) 对方案内的相关部分进行相容性分析，不相容者去除；第一百零六张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 2) 去除不符合主要目标的方案 例1：材料为钢而要求透明为不相容； 例2：系统主要目标为寿命（1000小时），对方案中不满足寿命为1000小时者应去除。5 .1.2 排队法 在较多方案中出现甲比乙好，乙比丙好，而丙又比甲好的错综复杂的情况时，可用排队法将方案两两

53、对比，优者为1，劣者为0，求总分后以分高者为佳；被比者比较者ABCDE总分A/11103B0/1012C00/112D010/12E1000/1A方案总分最高，为最佳方案第一百零七张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月5.1.3 点评价法 对各方案按设计要求表中各目标逐点作粗略评价，用行（），不行（），信息不足（？）及重新检查设计要求（！）四种符号表示，最后作决策。方案设计要求ABC满足功能要求预计成本在规定范围内加工装配可行？使用维护方便满足安全及人机学要求总 评？5 结论：C方案较好 简单评价法一般只能作定性分析，其中各评价项目的重要程度没有体现出来。第一百零八张，PPT共一百八十

54、七页，创作于2022年6月5.2 平分法 根据评价者的直观判断，按规定标准用打分作为衡量方案优劣的尺度，对方案进行评价。 评分常用五级分制或十级分制十分制012345678910不能用缺陷多较差勉强可用可用基本满意良好很好超目标理想五分制01234不能用勉强可用可用良好很好5.2.1 加法评分法 将方案各基本目标评价项目的所得分相加，按总分的多少评价方案的优劣。第一百零九张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月5.2.2 乘法评分法 将方案各基本目标评价项目的所得分相连乘，根据乘积的大小评定方案的优劣。5.2.3 有效价值法加权评分法 用集合的模糊评价对系统进行综合评价的方法。这是一种用

55、综合反映技术、经济、性能及性能重要程度的“ 有效价值”来评价方案的优劣。 模糊数学用系统方法处理模糊信息，对事物的模糊性进行定量描述。如系统各评价因素的重要程度就是一个“ 模糊”概念。在评价时，用定量的权重（或称加权数）表示。 在评价系统时，可将系统的评价因素看作一个集合： UU1,U2,U3Un第一百一十张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 用模糊数学定义表达评价因素的性能及评分： 评价因素的性能X1/U1X2/U2Xn/Un 定义域：Xi为010的整数（打分） 评价因素的权重C1/U1C2/U2Cn/Un 定义域：Ci1, m个方案对各评价因素的评分列成矩阵如下：X 第一百一十一

56、张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 方案各评价因素的权重矩阵： CC1 C2 Cn 各方案“ 有效价值”矩阵： NCXN1 N2 Nn 其中有效价值：NiC1Xi1C2Xi2CnXin Ni数值越大，表示此方案综合性能越好。 例1：ABC三种电池的主要性能及成本值如表，希望电池寿命较高，试评价并选用较好的电池。评价因素要求值实际值ABC成本（元）22.52.21.6电压（V）99.28.58.9寿命（h）10010412092第一百一十二张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月解：1) 采用点评价法方案评价因素ABC成 本电 压寿 命总 评00结论：C方案较好 2) 采用有效

57、价值法 a. 评价因素的集合： U成本、电压、寿命 b. 分析权值：评价电池的目标树电池成本0.2性能0.8电压0.3寿命0.50.20.80.3750.625第一百一十三张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 c. 按十分制对各评价因素给分评价因素权重要求值方案评分ABC数值评分数值评分数值评分成本（元）0.222.532.241.610电压（V）0.399.298.538.97寿命（h）0.5100104912010924评分矩阵：X权值矩阵：C0.2 0.3 0.5有效权值矩阵：NCX7.8 6.7 6.1即：NA7.8； NB6.7； NC6.1结论：A方案较好。第一百一十四张

58、，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月例2：对XC624万能铣头改型设计的方案进行评价。 XC624万能铣头是卧式铣床的附件，可扩大铣床的加工范围在360内铣、钻、镗等作业。万能铣头的原方案（图a）存在以下缺点： 工作范围不够大，铣头主轴端面至工作台台面的最大距离偏小，不能加工尺寸较大的工件。主轴不能作轴向移动，工艺适应性受限制； 体积、重量大（108kg），装卸费力； 成本较高，望降低20； 外形不美观。第一百一十五张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 图b、c、d是万能铣头的改进方案。 图b为45交轴式万能铣头，其特点： 1) 铣头本体与主轴本体相交成45； 2) 取消了台

59、座及压条等零件； 3) 要求增大模数螺旋伞齿轮加工设备； 结论：此方案零件较少，结构紧凑，刚度好。 图c为短轴式万能铣头，其特点： 1) 体积重量较小; 2) 外形协调。第一百一十六张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月 图d为双主轴式万能铣头，其特点： 1) 两根主轴一般情况下用装铣刀的主轴进行镗、钻、铰孔并铣削任意角度的端面； 2) 当进行360范围内平的面端铣时，可卸下主轴本体，用中间的另一根主轴进行加工。效率高，刚度好； 3) 与c方案特点3)相同。 3) 在铣床主轴处增加了一对齿轮，使万能铣头主轴端面至工作台台面的距离加大了110mm，扩大了加工尺寸的范围。解：1. 评价目标

60、分析（图） 2. 评价表（表）Go to第一百一十七张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月万能铣头降低成本0.3拆装方便0.2外观好0.1提高性能0.4零件少、重量轻0.2加工方便0.1扩大加工范围0.3提高刚度0.1Back to万能铣头目标树第一百一十八张，PPT共一百八十七页，创作于2022年6月评价项目权重评分ABCD扩大加工范围0.34689提高刚度0.17879拆装方便0.27887零件少、重量轻0.25865加工复杂度0.17687外观好0.16988总 评加法评分法36454545乘法评分法41160165888172032158760加权评分法5.67.37.57.5