公理化設計理論

公理化設計理論公理化設計方法是指存在著能夠指導設計過程的基本公理，以及由公理指導的設計方法。它是美國麻省理工學院(MIT) Nam P Suh教授于1990在The Principles of Design一書中正式提出的。公理化設計理論是設計領域內的科學準則，通過指導設計者在設計過程中做出正確的決策，為創(chuàng)新設計或改善已有的設計提供良好的思維方法。一、公理化設計的四個“域”域是不同設計活動的界限線。公理化設計將設計過程分為四個域，即用戶域（Customer domain）、功能域（Functional domain）、結構域（Physical domain）、工藝域（Process domain）。域的結構及域間的關系如圖1所示。相鄰的兩個域中，左邊的域是“要達到的什么目標（what）”，而右邊的域是“選擇什么方法來實現左邊域的要求（how）”。四個域中的元素分別為：顧客需求項（customer needs）,表示顧客使用產品的目的；功能需求項（functional requirements），表示在功能層次上對產品設計目標的說明；設計參數（design parameters），表示實現功能的載體；過程變量（process variables）表示制造過程所涉及的主要因素。圖 1域的結構及域間關系在公理化設計中，功能域和結構域之間是直接的“之”字映射關系，如圖2所示，即把某個功能與某個（些）結構直接對應起來，這種直接映射只是表明了“載體具有的功能”的關系，而沒有說明“功能被載體實現”的原因。圖 2功能域向結構域映射原理二、公理化設計理論的基本公理公理化設計是一種結構性設計方法，其目的是通過建立評估潛在的設計活動的準則，并提供實現這些準則的手段來改進設計行為。這些準則便是：獨立性公理和信息最小公理。1. 獨立性公理獨立性公理是指保持FRs的獨立性，同時指明了FRs與DPs之間應有的關系。這就是說，設計方案必須滿足每一個相互獨立的功能需求，而不影響其他的功能需求，即DPs不能與其他的FRs存在牽連關系。公理化設計中，設計域間的映射過程可以用數學方程來描述，即在層次結構的某一層上，設計目標域與設計方案域中的特性矢量間有一定的數學關系，如功能域中的功能需求與物理域中的設計參數之間的關系可表示為 （1）式中，為功能需求向量；為設計參數量；為產品設計矩陣，式（1）稱為產品設計方程式。設計矩陣可表示為 （2）矩陣的元素由下式確定 （3）若取功能需求與設計參數相等（即），則根據的不同形式，設計可分為三種類型：（1）非耦合設計（Uncoupled Design）：當A為對角陣；（2）弱耦合設計(Decoupled Design)：當 A 為上三角陣或下三角陣；（3）耦合設計(Coupled Design):A 既非三角陣也非對角陣。2. 信息最小公理信息公理是指在滿足獨立性公理的條件下，信息量最小的設計是最優(yōu)設計。對于同一個設計任務，不同的設計者可能得出不同的設計方案，也很可能這些方案都滿足獨立公理，在評價時 應以具有最少信息含量的設計為最好設計。三、公理化設計過程公理化設計能有效地指導設計人員完成創(chuàng)新設計，其設計過程如圖3所示。圖 3公理設計過程框架圖四、公理化設計存在的不足1.在新產品設計過程中，公理化設計只是引導設計人員進行從功能域到結構域的“之”字形映射，并提供對映射進行評價的理論依據，而公理化設計原理并不能提供從功能域到結構域具體的映射實現手段。2.公理化設計原理提倡進行創(chuàng)新性的設計，在實際產品設計中，設計過程是一種以經驗為基礎的活動，設計人員在進行設計時往往會利用以前的設計案例， 而公理化設計并不能支持這種經驗性設計行為。參考文獻1 羅時飛，宋慧軍，林志航. XML相關技術在基于公理化設計的概念設計產品模型中的研究. 機床與液壓. 2003.2 朱龍英，朱如鵬，劉正塤. 公理化設計理論研究及其應用進展. 機械設計與研究. 2004.3 王平. 基于公理化的產品設計理論及應用研究. 南京航空航天大學博士學位論文. 2006.4 鄒峰. 公理化六西格瑪設計方法的研究. 天津大學博士學位論文. 2007.5 宋慧軍，林志航. 公理化設計支持的概念設計產品模型. 計算機輔助設計與圖形學學報. 2002.6 張廣軍，唐敦兵. 基于改進型功能方法樹的公理化設計. 工程設計學報. 2009.7 朱龍英，朱如鵬，劉正塤. 基于公理化設計的產品需求分析研究. 機床與液壓. 2004.8 唐敦兵，錢曉明，王曉勇，樓佩煌. 基于公理化設計矩陣與設計結構矩陣同步演化的產品設計. 計