现代设计方法设计方法学

现代设计方法

第二章设计方法学1方法：是关于人们认识世界与改造世界的目的、途径、策略、工具与操作技能这五个层次有机组合的一个选择性系统。方法学：关于方法的规律的理论。就是对方法的合理性、有效性、效率与效果进行系统的研究、讨论、分析。方法论的意义：它不但使你明白什么时候用和如何用锤子或螺丝刀，它还指导你在面对新的难题时，如何创造新的工具。第一节概述一、设计方法学(Designmethodology)的涵义KnowWhyKnowWhat“认识论”KnowHow“方法论”“本体论”“实践”2设计方法学：是用系统的观点，考虑自然科学、社会科学、经济科学等各种现代因素，为获得质优价廉有创新的产品，研究产品的一般设计进程、设计规律、设计思维和工作方法、设计工具的综合性学科。特点：目的性、实践性、规律性意义：研制物美价廉的产品使设计过程合理化，并为设计自动化创造条件提高设计人员素质、改善设计质量减少设计失误、加快设计进度我们对待设计的态度形成我们自己的设计的方法论3产生与发展：

1875年德国的F·Reuleaux在《理论运动学》中第一次提出了“进程规划”的模型，这是最早对程式化设计的探讨——奠基人。19世纪中后期，随着工业革命的发展,人们开始注意总结工程设计的规律和方法。20世纪60年代，随着科学技术的飞速发展和产品竞争的日益剧烈，各国普遍重视设计环节，推动了设计方法学的研究。慕尼黑大学的Rodenacker是世界上第一个被任命为从事设计方法学研究的教授——“设计方法学之父”。20世纪70年代末，出现了由Huhka博士、Andeasen博士及Eder教授组成的WDK组织。此后，WDK发起并组织了一系列ICED，参加会议的人员和范围逐渐扩大。1981年，中国机械工程学会机械设计学会首次排代表参加ICED罗马会议，此后在国内宣传，并在1983年5月在杭州召开全国设计方法学讨论会，并成立设计方法学研究组。4各国设计方法学研究侧重点

德国：设计的进程、步骤和规律，进行系统化的逻辑分析，并将成熟的设计模式、解法等编成规范和资料供设计人员参考。英美：创造性开发和计算机在设计中的应用。日本：创造工程，自动设计，价值工程。切记:

(1)再好的设计方法，也不能代替天赋很高或一般的工程师的作用。

(2)科学的设计方法可以显著提高设计效率和创新水平。

(3)如果设计按死板的模式进行，则设计工作必被市场淘汰，且毫无个性和魅力。5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。设计进程

设定技术过程及划定技术系统的边界，确定技术系统的总功能，包括物质功能和精神功能。设计评价

先根据一定的准则和方法对各方案作出评价，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术方法来激发人们的创造性思维。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。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善。二、设计方法学的研究对象6技术——人们在变革自然的过程中，为了满足特定的社会需要而运用的知识、技能、物质手段、规则、方法的总和。技术系统——完成某个特定功能或职能的各个事物的集合，简称为系统。技术系统可以由子系统组成，也可以由超系统组成第二节技术系统及其确定一、技术系统子系统系统超系统7设计的目的是为满足一定的需求。例如，为得到某种复杂形状的金属零件，可通过编程在加工中心上对坯料进行加工。坯料是作业对象，加工中心是技术系统，所完成的加工过程是技术过程。设计是为对作业对象完成某种技术过程，产品就是人造技术系统。作业对象：

物料、能量和信息。只有在技术过程中转换了状态，满足了要求，才是作业对象。满足一定需求的技术过程不是唯一的，因而相对应的技术系统也是不同的。例：生产某种形状的金属零件切削机床精密铸机精密锻机冷轧机切削铸造锻造轧制激光成型机激光成型8技术过程的确定步骤①根据信息集约和调研预测的资料，分析确定作业对象及其主要转换要求②分析比较传统的和现代的理论和实践，确定实现主要转换的工作原理③明确实现技术过程的环境和约束条件．环境是与技术系统发生联系的外界的总和，包括经济条件、生产条件、技术条件，社会条件等④确定主要技术过程和其他辅助过程

⑤根据高效、经济、可靠、美观、使用方便等原则，初步划定技术系统的边界即工作范围。9技术过程的完成

人——技术系统——环境。划定了技术系统的两方边界，就确定了技术系统应实现的功能。技术系统的单元从功能的角度分析，技术系统应具有下列能完成不同分功能的单元：①作业单元，完成转换工作②动力单元，完成能量的转换、传递与分配③控制单元，接受、处理和输出控制信息④检测单元，检测技术系境各种功能的完成情况，反馈给控制单元⑤结构单元，实现系统各部分的联接与支承1011二、技术系统的确定(一)信息集约

1.情报部门

产品的技术资料及发展趋势，专利情报，行业技术经济情报等。2.研究部门

性能试验，新材料、新工艺，新技术等。3.设计部门

产品性能、规格、造型，各种标准法规，设计方法等。4.制造部门

生产能力，工时，制造工艺，设备，技术数据等。5.销售部门

国家计划、政策，产品寿命周期分析，市场调查，需求预测经营销售等。6.供应部门

材料和外购件的价格与供应情况，协作厂质量与供货能力等。7.服务部门

老产品用户意见分析，事故与维修情况分析等。8.公关部门

产品和企业的社会形象，同行的竞争与联合等。9.社会部门

产品与环境污染、节能、资源、动力供应等的关系，产品进入和退出社会、报废消失、升级换代等的效应等。12(二)调研预测1.市场调研

(1)用户对象：如市场面、用户分类、购买力、采购特点等。

(2)用户需求：如品种规格、数量、质量、价格、交货期、心理与生理特点等。

(3)产品的市场位置：如质量、品种、规格统计对比、新老产品情况、市场满足率、产品寿命周期等。

(4)同行：如竞争对手分析，销售情况与方法，市场占有率等。

(5)外购件供应；如原材料、元器件供应质量、价格、期限等。2.技术调研

(1)现有产品的水平、特点，系列、结构、造型、使用情况、存在问题和解决方案等。

(2)有关的新材料、新工艺、新技术的发展水平、动态与趋势。

(3)适用的相关科技成果。

(4)标准、法规、专利、情报。133．社会环境调研

(1)国家的计划与政策。

(2)产品使用环境。

(3)用户的社会心理与需求。4.企业内部调研

(1)开发能力：如各级管理人员的素质与管理方法，已开发产品的水平与经验教训，技术人员的开发能力，开发的组织管理方法与经验教训，掌握情报资料的能力和手段，情报、试验、研究、设计人员的素质与数量。

(2)生产能力：如制造工艺水平与经验，动力、设备能力、生产协作能力。

(3)供应能力：如开辟资源与供货条件的能力，选择材料、外购件和协作单位的能力，信息收集能力，存储与运输手段。

(4)销售能力：如宣传和开辟市场的能力和经验，联系与服务用户的能力，信息收集能力，存储与运输能力。14(三)可行性报告*一般包括下列内容：①用户的需求，包括产品的功能，质量，外观，价格等②

新产品的功能、类型、技术指标、市场寿命周期和对社会环境的影响，新产品的经济效益和社会效益预测，国内外市场上同类产品的生产情况和发展趋势等③待解决的关键设计、工艺问题④开发进度、投资估算和经济分析⑤产品开发的必要性和可能性

作为可行性报告附件的设计项目表中列出尽可能定量的设计要求和设计参数，包括保证产品基本功能的要求与参数，以及希望达到的附加要求与参数。15第三节系统化设计

一、功能分析功能概念：是对技术系统中输入和输出的转换所作的抽象化描述。意义：只有用抽象的概念来表述系统的功能，才能深入识别需求的本质，辨明主题，发散思维，启发创新。从技术系统的功能出发进行功能原理设计，还可防止设计人员知识经验的局限和过早地进入具体方案。概念：是将工程设计任务或机电产品看做技术系统，用系统工程方法进行分析和综合。例车床加工零件把多余材料从毛坯上分离出去获得合格表面车削强力磨削激光加工成型挤压冷轧16总功能的描述要准确、简洁，合理抽象，抓住本质，这样便于使设计目的明确，思路开阔。一般工程系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的系统解。按照系统分解的原则进行功能分解，可通过较简单的功能元去求解。总功能可分解为分功能、二级分功能……功能元(能直接求解)，并用树状的功能关系图（功能树）表达。图2-2丝杠冷轧机的功能树17二、功能元求解

功能元的求解过程是选择实用的科技工作原理，构思实现工作原理的技术结构即功能载体。(关键)1.选择工作原理设计人员在选择工作原理时、思维发散是关键。机械设备的设计不应局限于机械学的范围，电子学、磁学、光学、热学、仿生学等科技工作原理都应在考虑之列。选择先进的工作原理：如磁力轴承代替液压轴承，带编码器的伺服电机代替带交流电机的齿轮轴系，激光器代替切削机床对高硬度材料进行加工，电子表代替机械表等。

分析工作条件：是常规的还是非常规的，功能载体在不同的工作条件下表现出来的特性是一般的显特性，还是某种内在的潜特性。例如：普通钢材在超低温的冷脆性使强度大大降低，而在超高压下的高塑性使硬度大大降低。182．构思功能载体

(1)检索在各种设计目录、信息库、手册等设计工具中进行检索，寻求最优功能载体。(2)集成把不同的特性、功能、技法等综合集成，产生创新功能载体。(3)缩放由于材料、集成电路及其工艺等的发展，机器人已可缩小到从血管进入心脏完成手术，这只是缩小的微机械的一例。相反的例子有放大到数百平方米的电视屏幕。(4)变换电动机的部分矽钢片变换为永磁材料，产生了响应特性大大提高的控制电动机。弹簧质量系统变换为压电晶体，电阻丝变换为半导体，使传感器和应变片的性能大大提高。相反，利用永磁材料的特性，用大惯量转子变换小惯量转子，大大提高了伺服电动机的特性；“吹灰”→”吸灰”发明了吸尘器，是逆向变换的成功实例。19

三、方案综合

功能原理方案综合常用形态学矩阵。矩阵的行数n为功能元数，矩阵列数为实现一个功能元的不同功能载体数中最多的载体数m，见表2-l。表2-1功能原理方案的形态学矩阵

n×m的形态学矩阵名义上有n×m个解即n×m个方案，实际有ak×bl×…×nm个方案。方案数太大难以寻优，一般先按以下方法淘汰大部分一般方案。①各功能元解必须相容，不相容者淘汰②淘汰与国家政策民族习性有矛盾的、经济效益差的解③优先选择主要功能元的技术先进的解。20四、设计工具1、设计目录

设计目录提供与设计进程有关的信息，一般由分类、主体、检索三部分组成，根据内容不同，设计目录可分三种。(1)对象目录

提供有关物理、几何、材料、工艺等设计对象的知识和信息，设计时按目录选用。表2-2是给定构件数的约束运动机构的对象目录。图2-3是根据表2-2中所选机构设计的几种铆机方案，各方案下的编号2、4、7、9与表2-2编号一致。

21表2-2对象目录：最多有4个构件的约束运动机构(摘录)22(2)作业目录

提供各种单项设计工作步骤和工作过程及其使用条件和判断准则等，如构形规则、解法选用、特性计算等。表2-3作业目录：构形方案作业方法23(3)解法目录

解法目录列入特定功能、任务，或附带一定的边界条件，如各种产生某种功能的效应、载体、外形及制造方法等。表2-4设计目录：功能“力的产生”的解法目录242．知识库(1)数据库各种物理效应、功能载体、技术参数等等，都可以数据库的形式存入计算机供检索查询。

(2)设计词典按某种设计要求编词典。如功能－载体词典把常用的功能编为词典条目，关键词是一个动词，再加限制性形容词。如图2-4。(3)手册各种设计手册如《机械工程书册》等，也属知识库的范畴，使用广泛。25第六节设计实例一、现代设计的目标二、设计实例某单位要求设计专门化数控磨床。磨削加工直径φ150～250mm，加工长度150～300mm，磨削裕量小于0.15mm的圆柱凸轮