现代设计理论与方法第10章设计方法学课件

1、第10章设计方法学刘小康编写第10章设计方法学 10.1概述 设计方法学是研究产品设计规律、设计程序及设计思维和工作方法的一门综合性学科。 设计方法学以系统工程的观点分析设计的战略进程和设计方法、手段的战术问题。在总结设计规律和原理、激发创造性思维的基础上综合运用现代设计理念、先进设计方法、先进设计手段和先进设计工具来设计开发新产品, 改造旧产品，提高产品的市场竞争能力 。 10.1概述现代设计理论与方法第10章设计方法学课件10.1.1 设计发展简史 1.直觉设计阶段 2.经验设计阶段 3.中间试验设计阶段 4.现代设计阶段10.1.1 设计发展简史10.1.2 设计的定义和特征 设计是一种

2、创造性活动，设计的核心是创造性，如果没有创新，就不叫设计。创造性是具有创造新价值或新设想的能力。 设计是一种优化过程，是在给定条件下，谋求最优解的过程。 设计是把各种先进技术转化为生产力的一种手段，它反映了当时生产力的水平，是先进生产力代表。 10.1.2 设计的定义和特征 设计是一种技术性、经济性、社会性、艺术性的综合产物。 设计是为满足需求而进行的一项创造性思维活动的实践过程。 机械产品的设计是创造性地建立满足功能要求技术系统的活动过程。 设计是一种技术性、经济性、社会性、艺术性设计的特征需求特征：设计起源于客观的需求，又归宿于满足这种需求。创造性特征：设计创造新产品，改进更新老产品。程序

3、特征：设计过程总是在一定的时间、空间内，按一定的程序进行。 时代特征：设计方法、手段、制造工艺、材料等；设计水平代表了当时社会的技术水平。设计的特征 10.1.3 现代设计与传统设计传统设计 传统设计又叫常规设计。采用初步设计、技术设计、施工设计的三段设计法。通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计，设计思维是直觉式、经验式、模拟式的收敛的思维方式。 10.1.3 现代设计与传统设计2.现代设计 把产品设计当作系统工程对待，强调创造性开发设计，以整体功能为目标，重视设计方案，是发散式思维，考虑多种方案的评价、比较、优选。2.现代设计现代设计的特征1)系统性 把设计对象看作一个系统，同时考虑系

4、统与外界的联系，用系统工程概念进行分析和综合，力求系统整体最优。2)创造性 现代设计强调创造能力开发和充分发挥人的创造性，重视原理方案的设计、开发和创新产品。现代设计的特征3)综合性 设计过程中，综合考虑、分析市场需求、设计、生产、管理、使用、销售等各方面的因素；综合运用优化设计、系统工程、可靠性理论、价值工程、计算机技术等学科知识，探索多种解决设计问题的科学途径。 4)整体性 研究设计的研究设计的整体进程和协调，从系统性出发，研究一个设计整体的各个方面，各个部分的设计战略和设计工作各个具体部分的战术方法。3)综合性 10.1.4设计方法学的主要研究问题 1. 设计进程模式 2. 设计原理、规

5、律和准则 3. 设计方案 4. 综合评价10.1.4设计方法学的主要研究问题设计方法学应满足的要求适用于任何工程设计和产品设计,而不局限于某种行业。能促进发明创造和认识能力，使较容易找到最佳的解。与其它学科的概念，方法和认识相协调。所获得的解并非偶然的，且容易转用于其它技术产物。设计方法学应满足的要求10.2 产品设计 10.2.1 产品和新产品1、产品的概念 产品经过劳动创造的物质财富或物品。 对产品的分析可分为三个层次： 1)形式产品：产品的具体形态 2)核心产品：产品给用户提供的基本功用和利益 3)延伸产品：使用户的利益得到保证或使顾客有更多 的产品附加利益、新产品的概念、开发新产品的必

6、要性10.2 产品设计 10.2.1 产品和新产品安装质量商标包装产品的利益与服务保证运送维修特征造型延伸产品形式产品核心产品图10-1产品的概念安装质量商标包装产品的利益与服务保证运送维修特征造型延伸产品10.2.2 产品规划的任务和进程 产品的生命周期指新产品从投放市场到退出市场所经历的时间。包括介绍期、增长期、饱和期和衰退期。10.2.2 产品规划的任务和进程图0-2产品的生命周期图0-2产品的生命周期图0-3产品规划进程图0-3产品规划进程 10.2.3 产品构思的产生及选择 美国某著名的市场研究机构对80家公司的新产品的调查研究表明，每40个产品构思，仅有一件新产品获得成功，如图10

7、-4所示。图10-4 新产品构思淘汰率 10.2.3 产品构思的产生及选择 美国10.2.4. 产品设计类型和设计原则、产品设计类型开发性设计在设计原理、设计方案全都未知的情况下，根据产品总功能和约束条件，进行全新的设计。2）改进性设计在总的方案和原理不变的条件下，根据生产技术的发展和使用部门的要求，对产品结构和性能进行更新改造，以适应某种附加要求。10.2.4. 产品设计类型和设计原则3）系列化设计在功能、原理、方案不变的情况下，只是对结构设计和尺寸加以改变，使之满足功率、速比的不同要求。4）测绘和仿制按照国内外产品实物进行测绘、变成图纸文件、其结构性能不改变，只进行统一标准和工艺性改动。3

8、）系列化设计在功能、原理、方案不变的情况下，只是对结构2、产品设计的原则创新原则；可靠原则：产品无故障运行的时间长短，是评价产品质量优劣的一个重要的指标；效益原则；审核原则；2、产品设计的原则10.2.5 产品开发的基本设计过程图10-5 产品开发的基本设计过程10.2.5 产品开发的基本设计过程图10-5 产品开发的 10.3 确定设计任务10.3.1明确设计任务的意义和方法一、概述 正确地确定设计目标是设计成功的基础。设计任务要求目标详细、明确、 合理而又先进，并初步判断这些要求是否有可能实现。 10.3 确定设计任务10.3.1明确设计任务的意义 制定任务要求时，设计师要弄清下列问题：设

9、计本身涉及哪些问题？有哪些愿望委托者还未提出来？任务书所提出的条件是否真实？哪些开发途径是可行的？设计要达到什么目标和应具有什么特征？哪些特性是不允许存在的？哪些产品应被取代？ 制定任务要求时，设计师要弄清下列问题： 设计人员要用自己收集的资料信息，对委托的任务要求进行检查和思考。收集的资料包括： 1）同类技术产品的不完善性； 2）目前的技术水平； 3）有关数据和重点。 设计人员要用自己收集的资料信息，对委托的任务10.3.2 编制产品要求明细表一对产品要求明细表的要求 描述应正确、完整，没有含糊不清之处，应保证满足设计任务所反映的需要。 应考虑当前水平、未来可能的发展及本企业的条件，合理处理

10、各项要求的先进性问题。 应该用对所需获得的效果的说明（即系统应该做什么），而不是用取得这些效果的手段（系统应该是什么），来构成设计中的问题和要求。10.3.2 编制产品要求明细表一对产品要求明细表的要求 各项要求应尽可能定量，并给出其允许偏差。 有关数据应符合标准化，系列化的要求。 各项要求应保证协调、相容，不应有无法调和的矛盾。 应根据各项要求的重要性和性质划分为要求或愿望。二产品要求明细表的内容和表达 各项要求按性质可分为必达要求、最低要求和愿望。 各项要求应尽可能定量，并给出其允许偏差。 必达要求：根据设计任务规定，这些要求是无论如何必须达到的，否则系统功能便无法实现，这是最起码的要求。

11、例如功率、速度、流量等。 最低要求：反映设计的约束条件，如效率、噪声的限制等。 愿望：力争达到的要求，有一定宽容余地。例如希望集中操纵、维修方便等。 各项要求应从数量和质量两方面来说明，否则设计就没有确定的结果。这两方面如： 现代设计理论与方法第10章设计方法学课件 数量：所有关于数目、件数、质量、功率、流量、生产能力等方面的说明。 质量：所有关于允许的误差、特定的要求，例如耐热带气候、耐腐蚀或抗震等方面的要求。制订产品要求明细表的实例例1摩擦离合器试验台要求明细表的编制 要求该试验台能对载重量为2.5吨以下的汽车摩擦离合器进行台架试验。 试验包括： 数量：所有关于数目、件数、质量、功率、流量

12、、生对离合器在整个工作参数（负载和转速）范围内进行工作特性试验。能测量并记录试验过程中的离合器扭矩、负载扭矩，主、从动轴转速，以及有关各点的温度瞬时值。3）试验台能采用计算机自动控制及数据处理。4）制造成本不超过10万元。5）半年完成设计，一年内完成样机。制订的要求明细表如表10-1所示。对离合器在整个工作参数（负载和转速）范围内进行工作特性试验。主要特征例 子大小、长、宽、高、直径、面积、体积、空间、数目、布置、联接、拆卸、扩大等。运动种类、运动方向、位移、速度、加速度等。力的方向、大小、力的频率、重量、负载、变形、刚度、弹簧特性、质量力、稳定性、共振等。功率、效率、损失、摩擦、通风、状态参

13、量如压力、温度、加热、冷却、储存、接受的功、能量转换等物料的流动和输送，输入和输出产品的物理与化学特性，辅助材料、规定的材料等 输入和输出的测试量、信号显示、工作与监视仪器等。直接安全技术、保护系统、工作与环境安全操作，操作高度、操作种类、操作手柄、按钮和仪表应一目了然，座位舒适、照明、外形 几何运动学 力 能量物料信号安全人机工程学表10-1 按主要特征编制要求明细表的导则主要特征例 子大小、长、宽、高、直径华南理工大学摩擦离合器试验台要求明细表修改要求/愿望要 求负责人第1次发放 1988年5月20日 几 何安装试件最大外径：D=254mm 长度：L=330mm 运 动转速：接合相对转速n

14、r=103000r/min无级调速： nr为主、从动边接合前的相对转速离合器脱开行程：max 40mm离合器接合速度：056s/全行程（约15225m/全行程)离合器接合频率：max 5次/分力主动扭矩：max 250 Nm负载扭矩：max 116 Nm(可调）离合器脱开力： max 6000N (可调）被加速惯性矩：126 kgm2惯性矩可无级提供，至少每级不超过01kgm2要求要求要求要求要求要求要求要求要求愿望A设计组第1页 共2页华南理工大学摩擦离合器试验台要求明细表修改要求/愿望要 华南理工大学要求明细表 (摩擦离合器试验台)修改要求/愿望要 求负责人第1次发放 1988年5月20日

15、要求要求愿望要求要求要求要求要求 能量动力消耗功率：45kw，三相交流380V供仪器用：220V、50Hz必要时允许采用液压传动 材料用普通钢材或铸铁 信号测量下列各量对时间的变化：主动转速、从动转速、离合器扭矩，负载扭矩，摩擦面温度（48点），压盘厚度，中点和外表面温度接合（滑磨）时间测量结果应能自动记录、贮存。由计算机自动检测数据处理试验结果可以打印及在显示屏上列表或用线图显示测量点要能装传感器（测量点在回转件），并能将信号引出取代编号华南理工大学要求明细表 (摩擦离合器试验台)修改要求/愿望华南理工大学摩擦离合器试验台要求明细表修改要求/愿望 安全和人机关系极限转速要监视和限制，有报警和

16、安全措施离合器的温度监视，有报警和安全措施高速回转件；应经动平衡（如有飞轮）操作简单可靠，便于观察各种仪器可以手控操作和自动控制更换试件方便要 求负责人第1次发放 1988年5月20日要求要求要求愿望要求愿望第2页共2页华南理工大学摩擦离合器试验台要求明细表修改要求/愿望 华南理工大学摩擦离合器试验台要求明细表修改要求/愿望要 求负责人第1次发放 1988年5月20日 加工和检查加工的零件为单件生产尽量用标准件或外购件尽可能在本单位加工尽可能用国产器件主动轴和从动轴的同心度要检查飞轮（如果有）要经动平衡与安全有关的联接要易于检查要求愿望愿望愿望要求要求愿望第2页共2页华南理工大学摩擦离合器试验

17、台要求明细表修改要求/愿望要 华南理工大学摩擦离合器试验台要求明细表修改要求/愿望要 求负责人第1次发放 1988年5月20日 装配与运输用通用的装拆工具不需特殊的运输工具和手段装拆容易更换试件容易且保证原有位置精度 使用与保养保养维修方便愿望要求愿望愿望愿望第2页共2页华南理工大学摩擦离合器试验台要求明细表修改要求/愿望要 华南理工大学摩擦离合器试验台要求明细表修改要求/愿望要 求负责人第1次发放 1988年5月20日 回用负载扭矩消耗的能量尽可能回输利用 成本不超过10万元 期限半年内完成设计工作，一年内完成样机试制愿望要求要求第2页共2页取代编号华南理工大学摩擦离合器试验台要求明细表修改

18、要求/愿望要 例2制订家用单把手调节水温和流量的混合冷热水龙头 要求：通过能力 10L/min； 热水温度 60； 最大压力 610 5Pa； 名义压力 210 5Pa； 接头直径 1/2寸； 造型美观； 月产量为3000只时，成本为50元/只； 开发的产品两年内投放市场。例2制订家用单把手调节水温和流量的混合冷热水龙头ABC研究所单把手混合冷热水龙头要求明细表修改要求/愿望要 求负责人共1页第1页通过能力（混合水）：max 10L/min,在压力为2105Pa时最大压力 10105Pa（试验压力15105Pa）水温：名义 60，最高 100（短时）水温调节与流量和压力无关允许的温度波动5，在

19、冷热供水管压力差为05105Pa时联接：2铜管101mm，L=400mm固定孔35 -2-1 mm，水盆溢口高度018mm，水盆尺寸按标准出水口高度超过盆边50mm作为洗手盆附件作为可配换的装在壁上的水暖配件要求要求要求要求要求要求要求要求要求愿望该题的要求明细表如表10-2。ABC研究所单把手混合冷热水龙头要求明细表修改要求/愿望要 ABC研究所要求明细表 (单把手混合冷热水龙头)修改要求/愿望要 求负责人共1页第1页操作力小（小孩能用）不用外界能量水质含钙（注意食水质量条件）温度调节明确可辨龙头上设有醒目的公司标志静止位置时两水路不短路放水时不短路把手温度只允许3接触附件不会烫伤防止沸水烫

20、伤要求要求要求要求要求要求要求要求要求要求ABC研究所要求明细表 (单把手混合冷热水龙头)修改要求/愿ABC研究所要求明细表(单把手混合冷热水龙头修改要求/愿望要 求负责人共1页第1页操作简单、明了、舒服外形平滑、容易清洁，无利边噪音低工作寿命：10年，大约操作3000次龙头维修方便，使用通用备件最高制造成本50元（每月3000件）期限、进度要求：方案设计/技术设计 1个月/2个月 制订技术文件/样品 3个月/2个月取代第1号发放表，1993年7月6日要求要求要求要求要求要求要求ABC研究所要求明细表(单把手混合冷热水龙头修改要求/愿望10.4 方案设计 方案设计是产品设计的作用原理和结构原理

21、开发阶段。 方案设计是在明确任务要求的基础上通过对任务的抽象进一步认识问题的本质。接着进行透彻的功能分析与综合，建立系统的功能结构，进而寻找实现各分功能的作用原理，并进行组合使能实现总的功能，这就使设计任务的解决方案，经过具体化，就得到原理解即设计方案。其重点是产生定性的结构原理方案，因此特别需要发挥创造性思维。10.4 方案设计 方案设计是产品设10.4.1 方案设计的工作步骤（图10-6）10.4.2 设计任务的抽象 对设计任务要求进行抽象，是为了排除一些表面现象的干扰，抓住问题的实质，以便更好地求得相应的物理效应、解决原理和途径，并对其进行优化。 每个企业或设计部门都有它的好经验及其传统

22、习惯，但也不可避免会有某些偏见或框框。加上怕冒风险，便往往不自觉地妨碍了更先进、更经济和有突破性的然而是不习惯的设计。对问题的抽象，有利于打破框框放开设计。10.4.1 方案设计的工作步骤（图10-6）10.4图10-6 方案设计阶段的工作步骤图10-6 方案设计阶段的工作步骤抽象工作的步骤 1)将表中的“愿望”略去。 2)将与功能和基本条件没有直接关系的“必达要求”略去。 3) 把定量的说明转化为定性的说明，并用文字对任务的本质进行阐述。 4) 对任务的认识进行有意义的引伸。 5)对问题进行客观的描述，描述不应倾向于某个解决办法。 例3 设计开采露天煤矿的挖掘机，该机工作地点是我国华北某地，

23、工作的最高、最低温度是正负25C, 其设计要求见表10-6。抽象工作的步骤 ABC 研究所 要求明细表 煤矿挖掘机 第1页共1页 修改 要求/愿望 要 求 负责者要求愿望 要求要求愿望 要求愿望 要求愿望 要求愿望 产品用于露天矿挖装煤炭也能用于剥离含岩表土层基本参数：斗容量2.5m3,机重(5560)x103kg,发动机功率250320KW能量输入：柴油机电机与柴油机能互换运动:实现挖煤并装到卡车上，包括挖掘、提升、回转、卸料、行走各个动作；挖一装一卸循环周期2730秒；整机工作稳定换装多种工作机构，如反铲、抓斗、破碎装置 挖掘力大于250KN，并承受冲击、振动、交变载荷铲斗和斗齿磨损小，寿

24、命长物料硬度f4,最大块度小于0.3m0.3m脆性物料，粘性小，不粘斗 表10-6 挖掘机要求明细表 ABC 研究所 要求愿望要求要求要求愿望要求要求愿望要求愿望要求要求要求作业尺寸：最大挖掘半径9.510.5m，最大挖掘高度9.510.5m，爬坡能力不小于40%,接地比压不大于100kPa在满足作业要求条件下，体积小、紧凑、造型美观信号、仪表显示、测量、控制方便过载保护、安全运转、安全工作、安全环境人-机工程方面：操作方便、省力、操作力小于20N、视野宽广司机室有空调装置，夏能隔热降温，冬能御寒取暖加工装配，保证质量。电、气、液元件尽量采用外购标准件使用性能好，噪声、振动、磨损小，操作简单设

25、有故障诊断显示和报警维修方便，易装易拆，通用、有互换性，易损件寿命长铲斗上的斗齿寿命大于6个月包装运输，适合本厂起重运输条件，最大加工件重量小于3103kg，最大部件重量小于15103kg生产成本比同类同等级产品低10供货期短，14个月出样机设计周期（图纸）6个月生产周期 8个月 要求作业尺寸：最大挖掘半径9.510.5m，最大挖掘高度9解：将表10-6中的设计要求进行抽象化处理1.抽象出主要要求 基本参数：斗容5m3；机重（5560）103kg； 功率为250320KW 移动式挖掘机 能量输入是柴油机 物料硬度f4，块度小于0.3m0.3m 作业尺寸：最大挖掘半径9.5m10.5m； 最大挖

26、掘高度9.5m10.5m 爬坡能力不小于40% 挖掘力大于250KN 挖掘煤炭装到卡车上的动作：挖掘、提升、回转、行走。解：将表10-6中的设计要求进行抽象化处理2.定性描述 柴油机驱动 挖掘煤炭 挖装到卡车上的动作：挖掘、提升、回转、行走。3.高度概括的抽象结果 设计柴油机驱动的挖装煤炭设备，挖掘机的总功能是挖运物料。 2.定性描述例4 对例1 摩擦离合器试验台的设计任务及其要求明细表进行抽象处理。解：对设计要求进行抽象化处理1.抽象出主要要求 能安装作为试件的摩擦离合器尺寸为： 外径：max 254mm（摩擦片） 安装长度：max 330mm 主从动轴相对转速nR=103000r/min（

27、无级）； 负载扭矩max 116N.m（可调）； 离合器脱开力：max 6000N（可调）； 被加速惯性矩：12.6kg.m2； 例4 对例1 摩擦离合器试验台的设计任务及其要求明细表进行 测量扭矩、转速、温度的瞬时值； 计算机检测、贮存、数据处理、显示和自动控制或手控试验。2.定性描述 能安装不同尺寸规格的试验摩擦离合器； 能施加不同的负载扭矩； 提供不同的相对转速； 提供不同的被加速惯性矩； 提供驱动扭矩； 测量温度、扭矩和转速； 计算机控制。 测量扭矩、转速、温度的瞬时值；3.对任务的认识进行有意义的引伸 不同规格的试验摩擦离合器在不同的试验条件下进行试验。 计算机控制和测量试验结果。4

28、.对问题进行客观的描述 对2.5吨以下汽车各种规格的摩擦离合器在要求的各种条件下进行试验，并测量其结果和计算机自动控制。尽可能对其他结构的摩擦离合器也能进行试验 。现代设计理论与方法第10章设计方法学课件10.4.3 总功能分解 为了更好地寻求解法，可把机械系统的总功能分解为比较简单的分功能，使其输入量和输出量关系更为明确，转换所需的物理原理比较单一，结构化后零件数量较少，因而较易求解，一般分解到能直接找到解法的分功能为止。 功能是能逐层分解的，如图10-7所示。 功能分解的结果用功能树的形式表达比较简单，易于掌握。功能树的末端是功能元。图10-8是材料拉伸试验机的功能树。10.4.3 总功能

29、分解 为了更好地寻求能量信号材料能量信号材料总功能分功能图10-7 总功能分解能量信号材料能量信号材料总功能分功能图10-7 总功能分解图10-8 材料拉伸试验机的功能树图10-8 材料拉伸试验机的功能树功能元 功能元是功能的基本单位。机械设计中常用的基本功能元有： 1）物理功能元 物理功能元反映系统中能量，物料、信号变化的物理基本动作，其内容如图10-9所示。 2）逻辑功能元 逻辑功能元主要用于控制功能，基本逻辑关系如图10-10所示。 图10-11 利用逻辑功能监控一根大轴4个轴承的润滑油的供给，只有4个轴承都供油充足，机器才能开动。功能元图10-9 部分物理基本动作和表示符号图10-9

30、部分物理基本动作和表示符号功能元与或非关系若A及B有，则C有若A或B有，则C有若A有，则C无符号真值表0无信号1有信号逻辑方程A0101B0011C0001A0101B0011C0111A01C10功能元与或非关系若A及B有，则C有若A或B有，则C有若A有，图10-11 监控4个轴承供油的逻辑功能图10-11 监控4个轴承供油的逻辑功能功能结构 反映分功能或功能元之间的逻辑结合关系叫功能结构。功能结构反映了各分功能之间的关系、顺序和走向1）链式结构（串联结构）（顺序结构） 链式结构的各分功能依顺序进行 ,如图10-12a所示2）平行结构（并联结构 ）如图10-12b所示3）循环结构（环形结构）

31、如图10-12c所示功能结构 F1 F2F3 a) 链式结构 F1F2F3b)平行结构 F1F2F3 c) 循环结构图10-12 功能结构基本形式 F1 F2F3 a) 链式结构 F1F2F3b)平建立功能结构的步骤1）确定总功能：能量，物料，信号作为主流。2）拟定分功能：先拟定主功能，然后补充副功能。3）建立功能结构：联结各分功能，寻找它们之间的 逻辑关系和时间关系。4）确定系统边界。5）功能结构的演化：草拟一些变型方案、以供比较选择。 建立功能结构的步骤解：（1）确定总功能 如图10-14所示（2）拟定分功能 主功能包括：能量转换为力和位移；试件加载； 力测量 ；变形测量 。 副功能包括：

32、调节输入能量的大小；力和变形测量值的放大；试件装卡；在调节和测量时需与标准值进行比较。 各分功能的功能树如下图10-15所示：（3）建立功能结构 先建立总功能结构图，接着建立分功能结构图，如图10-16。最后建立包括副功能的结构图，如图10-17。例5 建立材料拉伸试验机的功能结构图解：例5 建立材料拉伸试验机的功能结构图利用力和变形关系检验试件 加载能量变形能试件信号s变形后的试件力信号变形信号图10-14 测量试件受力与变形 利用力和变形加载能量变形能试件信号s变形后的试件力信号变形信能量转变为力和位移能量转变为力和位移能量大小的调节 试件加载 试件装卡 试件加载 测 力 与标准值比较 力

33、放大 动作控制 开机停 机测变形与标准值比较变形放大测变形总功能（测力、变形）测 力 图10-15 材料拉伸试验机各分功能具体内容 能量转变能量转变为力和位移能量大小的调节 试件加载 试件装卡能量转换为力和位移 测变形测力试件加载能量信号变形信号力信号变形后试件试件图10-16 材料拉伸试验机分功能结构树 能量转换测变形测力试件加载能量信号变形信号力信号变形后试件试比较标准值和实际值能量转换为力和位移调节能量大小测量值放大装卡试件测力试件加载测变形辅助能量力标准值变形标准值加载能量控制信号试件力信号变形信号能耗变形能变形后的试件图10-17 材料拉伸试验机主、副功能的结构树 比较标准能量转换调

34、节能测量值装卡试件测力试件加载测变形辅助能例6 建立例3煤炭挖掘机的功能结构1)确定总功能，建立总功能结构图,图10-18为 挖掘机的总功能2）建立煤炭挖掘机的功能树如下图10-19所示3）建立煤炭挖掘机的分功能结构图，如图10-20 所示例6 建立例3煤炭挖掘机的功能结构图10-19 挖掘机的分功能挖煤运煤 物料物料能量能量信号信号总功能（挖煤运煤）执行功能驱动功能控制功能能量传递与分配能量转换铲入提升启动、停止（制动）回转推压铲斗变速支承和联接图10-18 挖掘机的总功能图10-19 挖掘机的分功能挖煤运煤 物料物料能量能量信号信控制执行驱动辅助支承及联接物料至运输机信号 信号物料能量（a

35、） 挖掘机一级分功能结构图控制执行驱动辅助支承及联接物料至信号 信号物料能量（a） 启动停止变速提升能量传递与分配支承及联接铲入能量转换回转辅助信号物料（煤)能量 煤信号（b） 挖掘机二级分功能结构图图10-20 挖掘机分功能结构图启动停止变速提升能量传递与分配支承及联接铲入能量回转辅助信号10.4.4 原理方案解一功能元（分功能）求解 1分功能求解的基本思路 功 能工作原理功能载体 2. 工作原理（包括科学原理和技术原理） 例7 设计扭矩过载保护装置，要求输入扭矩超过一定值后，该装置自动切断。经过功能分析后设计者首先提出三种不同的力学原理和相应的技术模型，然后寻找由主要功能载体构成的初步方案

36、。初步方案还可经构形变换得出许多不同解法。如图10-2110.4.4 原理方案解一功能元（分功能）求解图10-21 扭矩过载保护装置T1输入扭矩； T2输出扭矩; t时间；最大载荷；S销的截面积； 剪切强度； 摩擦系数； N 弹簧正压力图10-21 扭矩过载保护装置最大载荷；S销的截面积；2.工作原理（1）科学原理 设计人员应掌握广泛的科学原理，了解科学的发展动态，善于运用各种形式的知识库。寻找实现功能要求的工作原理。如设计汽车开窗机构。（图10-22）（2） 技术原理 把科学原理具体应用于特定技术目的，形成所需要的技术原理。依据技术原理把技术系统的功能载体组成一个系统整体。构思技术原理的基本

37、途径有3条： a） 把科学原理转化为技术原理 b） 从技术经验中提炼技术原理 c） 由已有技术原理形成新的技术原理2.工作原理图10-22 汽车开窗机构图10-22 汽车开窗机构3功能载体 实现工作原理的技术实体。 通过改变功能载体，可以实现某功能的各种原理解，如采用不同的材料、形状等。二寻找实现分功能作用原理的求解方法 1 直觉法2 调查分析法，如砸桃壳取出果仁的求解方法，可通过功能描述，探求解法（如图10-23）。 3 设计目录法，对各种基本功能元可以列出多种解法目录，如图10-24至图10-30。 3功能载体图10-23 砸核桃取桃仁的功能描述图10-23 砸核桃取桃仁的功能描述图10-

38、24 机械一次增力功能元解法目录图10-24 机械一次增力功能元解法目录现代设计理论与方法第10章设计方法学课件现代设计理论与方法第10章设计方法学课件图10-26 部分常用物理基本功能元的解法目录图10-26 部分常用物理基本功能元的解法目录现代设计理论与方法第10章设计方法学课件图10-28 电能转变为动能的解法目录图10-28 电能转变为动能的解法目录现代设计理论与方法第10章设计方法学课件现代设计理论与方法第10章设计方法学课件在寻找实现分功能作用原理解时，应注意： 1）注意要求明细表上的要求。 2）在寻找原理解时，除考虑能实现该分功能外，还要考虑该分功能在总功能中的作用及分功能之间的

39、关系。在可能的情况下，应考虑将几种分功能用同一工作原理 来实现，以简化方案。 3）对于同一分功能可以相应地提出几种工作原理，以 便在方案的构思和评价筛选时有较大的选择余地。 4） 可借鉴汇集前人经验的设计原理方案目录 在寻找实现分功能作用原理解时，应注意：例8 设计物料运送机构 解：1）确定总功能：取运物料； 2）总功能分解：取物、运物； 3）为了系统地寻找分功能“取运物”的 解决 方案。 4）根据设计任务要求选取合适的原理解。 图10-32列出物料运送的原理解例8 设计物料运送机构现代设计理论与方法第10章设计方法学课件例9 设计手动钉书打孔机解： 1）确定总功能：打孔 2）总功能分解：A)

40、 把旋转运动变为直线移动运动。 B) 力增大。 3）为了找出实现分功能A)的原理解， 可查图10-25，选取2，4，7，9四个方案。 4）为了找出实现分功能B)的原理解， 可查图10-24，选取曲杆机构。 5）手动钉书打孔机的原理解法见图10-33 。例9 设计手动钉书打孔机图10-33手铆机的原理解法图10-33手铆机的原理解法三、作用原理的组合 根据分功能或功能元的原理解, 形成实现系统总功能的原理解法 .1、系统组合法利用形态矩阵来寻找实现总功能的原理解，如图10-34 采用系统组合法求原理解应注意： 1）原理解组合应具有相容性。在功能结构中，能量流，物料流，信号流不互相干扰。 2）所组

41、成的原理解，具有先进性，合理性，经济性。三、作用原理的组合 原理解功能12im1F1A11A12A1iA1m2F2A21A22A2iA2mjFjAj1Aj2AjiAjmnFnAn1An2AniAnm图10-34 原理组合方案 原理解12im1F1A11A12A1iA1例10 求例3的原理方案解：用系统组合法列出挖掘机的分功能原理解。 如表10-9所示 从表10-9可知，组合方案数为 W=332314434=10368， 根据要求明细表中功率的要求，在能量传递与分配中，采用链传动和V带传动，显然是不相容的，应去掉。故组合方案数 W=332312434=5184. 在这些方案中，进行筛选和评价，最

42、后得到最优设计方案。例10 求例3的原理方案表10-9 挖掘机的原理解组合表10-9 挖掘机的原理解组合2.数学方法组合 利用数学手段对各组合方案进行优化计算以求得最佳的总解。四、组合方案的筛选 作用原理的组合后产生数目众多的原理 设计方案，为了尽快找出最优方案， 可用表按一些评价标准筛选出若干较有希望的作用原理方案，然后再进行设计。筛选如表10-10所示。2.数学方法组合使用单位筛选表（设计项目名称）共 页第 页解决方案序号 题解方案按下列选择标准评价 （+）行 在题解方案上标记（-）不行 （+）题解继续进行（？）情报资料不足 （-）题解淘汰（！）检查任务要求表 （？）搜集情报（重新评价）

43、（！）检查修改要求表 （！）检查修改要求表 与设计任务相符 满足设计要求表的要求 原则上可以实现 耗费估计在容许范围之内 合乎直接安全技术要求 在适当范围内优先考虑 A B C D E F 说明（提示、引证） 判定1使用单位筛选表（设计项目名称）共 页解决题解方案按下列10.4.5 设计方案的评价一、解决方案的具体化二、设计方案的评价(有效值分析法 ,技术经济评价法, 模糊综合评价法 )三、有效值分析法 1、评价目标系统，评价目标系统可以用目标树来表达如图 10-35，10-3610.4.5 设计方案的评价一、解决方案的具体化zz122z112z121z111z12z11z21z1z212z2

44、11z123z22z2图10-35 目标树zz122z112z121z111z12z11z21z1z2图10-36 典型加工机械的目标树图10-36 典型加工机械的目标树图10-36 典型加工机械的目标树图10-36 典型加工机械的目标树2.确定评价标准的重要程度-加权 为了表示各评价标准在总评价目标中的重要性，可用加权系数来表示某评价标准的重要程度，在有效值分析时，用加权系数（0与1之间的数）对各评价标准加权，各评价标准的加权系数总和为1，图10-37表示加权系数的分配.2.确定评价标准的重要程度-加权图10-37 加权系数分配图10-37 加权系数分配 从图中可见，评价目标的加权系数在目标

45、树中是逐级分配的，每个目标用一个圆圈表示，每个圆圈中有3项内容：圆圈的上半部分表示目标各称，在下半部分左边的数表示其在同级分目标中的加权系数，右边的数表示该分目标在整个目标树中的重要程度，它等于相关的上面逐级目标的加权系数与本分目标的加权系数的乘积，如Z1112的加权系数gZ1112= 10.50.670.75=0.250 从图中可见，评价目标的加权系数在目标3对评价目标的参量评分赋值 为了表征评价目标，我们引入特性量，所谓特性量是指通过分析获得的能表征评价标准的参量。 根据各项评价目标，对各方案相应的特性量评分，以体现它的价值，所谓价值，是评审者对某方案该特性量的评价结果，价值用打分数表示，

46、技术经济评价法用04分来评价，有效值分析法用010分来评价，各分数的含义如表10-13所示，实践证明，用10分制赋值比较确切，也便于数值分析，故在多方案和多目标评价中用得多。3对评价目标的参量评分赋值 价 值 的 分 级 分数有效值分析法含义 分数技术经济评价法含 义 0完全不能用0不满意（可用）1有严重缺陷2疲弱（较差）1勉强可用3可用4及格2及格（可用）5满意6良好。但有缺点3好（良好）7良好8很好4优秀（理想）9超过预期的好10理想表10-13 分数的含义价值的分级 价 值 的 分 图10-38 常用的几种价值函数图10-38 常用的几种价值函数价值等级 耗油量(gkW h)功率重量(k

47、gkW)铸件简单程度 使用寿命(km) 有效值分析法 技术经济评价法 004003.5极复杂2000013803.330000213603.1复杂 4000033402.960000423202.7中等 8000053002.5100000632802.3简单 12000072602.1140000842401.9极简单20000092201.7300000102001.3500000表10-14 特性量的分数评定表耗油量功率重量铸件简单程度 使用寿命有效值技术经济评价法 0编号评价目标加权系数gi i方案1方案2方案m目标单位特性量l1i 价值w1i加权值Wgi1 特性量2i价值w2i加权值

48、Wg2i 特性量lmi价值wmi加权值Wgmi 1耗油量低 0.324082.430051.5Lm1wm1Wgn12结构轻0.151.791.3527040.6Lm2wm2Wgm23加工容易0.1复杂20.2中等 50.5Lm3wm3Wgm34使用寿长km0.28000040.815000071.4Lm4wm4Wgm4ngnL1nw1nWg1n L2nw2nWg2n LmnwmnWgmnGWgi W=wg1wg2wgn编评价目标加权系数i方案m目标单位特性量l1i 价值w1i4、计算总价值 方案的各项分价值评出后，便累加成总价值。 非加权总价值 GWj=加权总价值GWgj= = 式中：Wij：

49、方案j中第i个评价特性量的价值 gi： 第i个评价标准的加权系数 Wgij：方案j中第i个评价特性量的加权价值5、设计方案的比较 为了找出最优的设计方案，可从下面几点进行比较。1）总价值的比较 各方案中评得的总价值（GWj及GWgj）最大者为最佳方案2）价的比较 一个方案的价，是该方案的总价值与理想的总价值的比值，即与可能的最大总价值Wmax之比。 非加权价Wj= = 加权价 式中：n：评价目标数价应为0至1间的数值。 W=1 为理想的方案； W0.8 为相当好的方案；W0.7 为好的方案；WWg3Wg2,故第一方案为最佳，第三方案次之，第二方案最差。因此，选第一方案 。四、技术经济评价法 技

50、术经济评价法将总目标分为技术目标和经济目标，求出技术价Wt和经济价Ww,然后求出相对价W，W值越高，方案越好。图10-40为技术经济价法的评价程序。（3) 决策初选方案建立目标树，确定评价目标 确定加权系数gi,价值Wij技术价Wt 经济价Ww 总价值Wo 将Wt，Ww填入优度图 作价值剖面图 分析数据、提出改进措施、消除薄弱环节 决策 Ww0.7的剔除Wo0.65的剔除Wt0.65的剔除初步剔除初选方案建立目标树，确定评价目标 确定加权系数gi,价值Wi1、技术评价1） 确定技术评价目标，建立目标树2） 计算各方案评价目标的价值3） 确定加权系数gi4） 求技术价 Wt= 式中：Wmax：理

51、想方案的总分值. 对于Wt W01 W03,但方案2的经济价还有待提高。（5）作价值剖面图 因W03=0.65,淘汰方案3，作方案1和方案2的价值剖面图，如图4-45。从图中可见，方案2的5，6，7项还应提高。（6）决策 由上面分析，最后选择了第2方案。(4)技术一经济综合评价各方案的总价值W01为 三个方案图10-45 注油机价值剖面图图10-45 注油机价值剖面图 模糊综合评价法利用模糊数学将模糊信息数值化，再进行定量评价。 在日常生活中，人们常说：高、矮，胖、瘦，老、中、青；评论产品质量时，常说：好、中、差；在产品设计中，作方案评价时，有些评价目标如舒适、美观、安全、便于加工等无法定量分

52、析，只能用好、一般、差来描述。这都是一些含义不确切，没有量化的模糊概念。 6.模糊综合评价法 模糊综合评价法利用模糊数学将模糊信息数值化，隶属度:隶属于或者从属于某个事物的程度 比如某方案对“美观”有五成符合，那么称此方案对“美观”的隶属度为0.5。 由于模糊概念对事物一般不是简单的肯定(1)或否定(0)，而是“亦此亦彼”，因此隶属度就可以用01之间的一个实数来表示。“1”表示完全隶属，“0”表示完全不隶属。1)隶属度和隶属函数隶属度:隶属于或者从属于某个事物的程度1)隶属度和隶属函数评价某种洗衣机的性能 (调查一定数量顾客) 评价: “很好” “好” “不太好” “不好” 统计: 32 53

53、 13 2 隶属度: 0.32 0.53 0.13 0.02 进行模糊统计试验次数应足够多，使统计得到的隶属频率稳定在某一数值范围，由此求得较准确的隶属度。(1)统计法求隶属度评价某种洗衣机的性能 (调查一定数量顾客)(1)统计法求 隶属函数:描述从完全隶属到完全不隶属的渐变过程的函数。 隶属度和隶属函数是描述模糊概念的关键。 模糊信息定量化，是通过隶属函数来实现的。确定隶属函数又是较复杂和困难的，既要反映设计参数的变化，设计实施的难易程度及变化规律，同时还要考虑实施的可能性及有关标准、规范等等因素。(2)由隶属函数求隶属度 隶属函数种类很多，函数形式有直线式、曲线式。 隶属函数:描述从完全隶

54、属到完全不隶属的渐变过 根据评价目标的数量，模糊评价分为单目标和多目标两种 (1)单目标评价 评价集评价者对评价对象可能作出的各种评判结果的集合。评价集用u表示: 洗衣机性能的评价: 评价集 u=很好，好，不太好，不好。 式中，ri为各评价标准的隶属度。单目标评价集表达式:2）模糊综合评价法 根据评价目标的数量，模糊评价分为单目标和多目标两种 (2)多目标评价 建立评价目标集 式中，n为评价目标数。建立加权系数集 建立评价集 式中，m为评价数。 (2)多目标评价 建立评价集 式中，m为建立一个方案对n个评价目标的模糊评价矩阵 考虑加权系数的模糊综合评价矩阵= 式中，bj是模糊综合评价集中第j个

55、隶属度，其计算是采用模糊矩阵合成的多种数学模型，现介绍常用的两种运算方法。建立一个方案对n个评价目标的模糊评价矩阵 考虑加权系数的模常用的两种模糊矩阵合成数学模型运算方法M(,) 按先取小（），后取大（）进行矩阵合成计算 M模型； “”，“”合成运算方式符号，ab取小者，ab取大者。 (j=1，2，m) （107） （j = 1，2， ，m） （108）上式可展开为下面算式 取小取大运算，由于突出了gi与rij中主要因素的影响，因此运算简单明确。但是在计算中丢失了很多的gi与rij的值，即丢失了很多评价信息，故此法对于评价目标多，gi值很小，或者评价目标很少，gi值又大的两种情况不适合。常用的

56、两种模糊矩阵合成数学模型运算方法M(,) M（），按先乘后加进行矩阵合成计算 （j = 1，2， ，m） （109） 由于评价实际效果好，故常用于机械产品的模糊综合评价和模糊优化设计。此法综合考虑了的影响，保留了全部信息，较优。M（），按先乘后加进行矩阵合成计算 （3）多方案的比较和决策 为决策出最佳方案，必须进行各方案的比较、排队。各方案的比较步骤如下：按各方案模糊综合评价中最高一级隶属度的数值大小定级，称为最大隶属度法。方案排队时，一方面以同级中隶属度高者为先，同时还要依据本级隶属度与更高一级隶属度之和的大小，排除方案先后。（3）多方案的比较和决策10.5结构设计 10.5.1结构设计的基

57、本原则 结构设计的基本原则是：明确、简单、安全可靠。基本原则是由设计总目标引申出来的，它们的关系如表10-20所示，其中黑点为重点。一、明确 1、功能明确所选结构要达到预期的功能。 2、工作原理明确所选结构的物理作用明确，从而可靠地实现能量流、物料流和信号流的转换或传导（如图10-46轴毂结构图）。 3、使用工况及应力状态明确（如图10-47的轴毂联接）10.5结构设计 10.5.1结构设计的基本原则 基本原理总目标 明确简单安全实现技术功能经济可行人与环境安全表10-20 基本原则与总目标的关系 基本原理明确简单安全实现技术功能经 定位 传扭矩不明确 明确图10-46 轴毂结构 仅起周向定位

58、作用图10-47 轴毂联接图 定位 传扭矩图10-46 轴毂结构 仅起周向定位作二、简单 结构设计简单是指整机、部件和零件的结构,在满足总功能前提下,尽量力求结构形状简单,零部件数量少. 1、零部件数量少（如图10-48吊车轨道） 2、零件几何形状简单（如图10-49） 3、采用标准零部件 4、操作简单、结构布置合理、信号显示醒目 5、包装简单、 运输方便二、简单图10-48 多吊车轨道 （b） 图10-49转动极限装置图10-48 多吊车轨道 （b）三、安全可靠 机器安全包括4个方面： 零件安全：主要指在规定外载荷和规定时间内，零件部发生断裂、过度变形、过度磨损、不丧失稳定性。 工作安全：指对操作人员的防护，保护人身安全和身心健康。 整机安全：整个技术系统，保证在规定条件下实现总功能。 环境安全：对技术系统的周围环境和人不造成危害和污染，同时也要保证机器对环境的适应性。三、安全可靠10.5.2结构设计的基本原理一、力和能量的传递原理 1、等强度原理（如图10-50） 2、力流合理 （1）力流路线直接、最短（如图10-52） （2）力流转向平缓（如图10-53） 结构设计时应采取措施,使力流方向变化平缓,减少应力集中. （3）变形协调原理 结构设计时, 要使相联结的相邻零件在外载荷作用下的变形方向相同, 并尽可能减少相对变形（如图