第一章 設計方法學-緒論

機械設計方法學目錄第一章概論第二章原理方案設計第三章結構方案設計和總體設計第四章方案評價方法第五章價值設計第六章相似設計法

第一章概述

§1-1基本概念§1-2設計系統(tǒng)§1-3設計類型及設計原則§1-1基本概念

一、什么是設計

設計是一種具有一創(chuàng)造性的勞動，其實質是創(chuàng)新（即在設計工作中努力采用新原理、新方案、新結構、新材料及新工藝等），其最高境界是創(chuàng)造具有極端市場競爭力的產品。例1)鴻運扇2)割草機3)虛擬軸機床普通機床vs虛擬軸機床電風扇割草機二、什么是設計方法學二、什么是設計方法學機械設計方法學二、什么是設計方法學機械設計方法學行為二、什么是設計方法學機械設計方法學行為方法二、什么是設計方法學機械設計方法學思維方法（方法論）二、什么是設計方法學

設計方法學是研究產品設計規(guī)律、設計程序及設計中思維和工作方法的一門綜合性學科。設計方法學以系統(tǒng)工程的觀點分析設計的戰(zhàn)略進程和設計方法、手段的戰(zhàn)術問題。在總結設計規(guī)律、啟發(fā)創(chuàng)造性的基礎上促進研究現(xiàn)代設計理論、科學方法、先進手段和工具在設計中的綜合運用。三、學科產生的原因

①開發(fā)新產品的需要：世界市場競爭的加劇，使得各先進工業(yè)國家首先在設計過程中總結規(guī)律，以提高設計質量和設計效率。從這個角度來講，“設計學”和“機械學”是兩個不同的概念。

②改進舊產品的需要：隨著工業(yè)產品的復雜程度的提高，直觀的工作方法很難對產品提出有效的改進措施，因此功能分析和價值分析為改進舊產品提供了強有力的工具。③應用工具的產生：計算機和信息技術的發(fā)展，為設計方法學的研究提供了物質基礎條件。四、設計方法學的發(fā)展簡史

①第一階段(直覺設計)：由于生產、生活和戰(zhàn)爭的需要，推動了各種簡單工具及武器的發(fā)明，為實現(xiàn)某種功能目標而發(fā)明的某種器械，其中所用知識涉及初步的材料力學和力學原理，這一時期的設計體現(xiàn)個人設計藝術的天才。如：中國的水排，指南車等。

②第二階段（經驗設計）：1854年德國的勞登萊克(Rodenacker)提出將力學和機械制造作為機械設計學的基礎，這一時期作為機械學各分支學科如(機械原理與零件、機構學、磨擦學、疲勞壽命等)發(fā)展迅速，這一時期的設計方法實質上就是機械學，而忽略了其核心內容“功能”。當然，這一時期機械學的發(fā)展為以后機械設計方法學的發(fā)展提供了堅實的理論基礎。

③第三階段(現(xiàn)代設計)：以1947年美國的麥爾斯(L.D.Miles)重新提出“功能”的概念為起點，這一時期，對設計學有深遠影響的三個重要學科內容被提出，并逐漸發(fā)展和成熟。即：(1)“功能”思想的重新提出和發(fā)展，(2)“人機工程學”思想的形成與發(fā)展，(3)“工業(yè)設計”學術體系的發(fā)展和成熟。從此開始，人們逐漸研究設計方法的內涵，并成立了一些世界性組織，如歐洲設計研究組織（WDK），從此，設計方法學作為一門新興學科，快速發(fā)展起來。五、設計方法學的作用及目的

①研制物美價廉的產品

②使設計過程合理化，并為設計自動化創(chuàng)造條件

③創(chuàng)造一種又快又好地培養(yǎng)設計師的理論。

④創(chuàng)造一種機械系統(tǒng)的一般設計理論及方法，使其適應日益拓展的機械工程學科。

切記:(1)再好的設計方法，也不能代替天賦很高或一般的工程師的作用。

(2)科學的設計方法可以顯著提高設計效率和創(chuàng)新水平。

(3)如果設計按死板的模式進行，則設計工作必被市場淘汰，且毫無個性和魅力。六、設計方法學在各發(fā)達工業(yè)國家的研究特點

①德國偏重于設計過程和設計規(guī)律的研究，采用系統(tǒng)化設計方法進行邏輯分析，并形成了相應的技術標準；

②英、美注意創(chuàng)造性開發(fā)及計算機在設計中的應用；

③日本重視研究創(chuàng)造工程學、自動設計及價值工程等?！?-2

設計系統(tǒng)一、設計系統(tǒng)的概念

①設計系統(tǒng)是一個信息處理系統(tǒng)，其處理過程如下：②從系統(tǒng)工程的觀點分析，設計系統(tǒng)是一個由時間維、邏輯維、方法維組成三維系統(tǒng)，時間維反映按時間順序的設計工作階段，邏輯維是解決問題的邏輯步驟，方法維是指設計中的各種思維方法和工作方法，設計過程中的每一個行為都反映此三維空間中的一個點。需求知識方法理論

設計設計結果反饋信息輸入輸出產品規(guī)劃技術設計方案設計施工設計時間維分析綜合評價決策形態(tài)學矩陣模糊評價方法維邏輯維設計系統(tǒng)輸入設計系統(tǒng)輸出設計三維系統(tǒng)圖示二、各維具體內容

①設計進程模式(時間維)

四個階段:產品規(guī)劃、原理方案設計、技術設計和施工設計

(1)產品規(guī)劃

思路：需求分析→調查研究→可行性論證→詳細設計任務書

1)需求分析：是人類對于飲食、衣著、健康、居住、旅行、信息及交談等方面的需求與愿望，總之，人類希望更加文明的生活是一切產品需求的起源。產品開發(fā)是由某種需求識別開始的，需求可能由用戶、經營人員或設計者提出。

A、需求的識別，需有問題意識，如：車用ABS系統(tǒng)等

B、要注意潛在需求，如：棉被烘干機

C、要抓住問題實質，如：糧倉驅鼠2)調查研究：針對一個特定任務，對有關情報進行收集和分析，并提出研究結果，做到“知彼知已，百戰(zhàn)不怠”，主要有以下幾個方面：

A、市場調研包括市場的顯式需求與潛在需求，產品銷售對象及可能銷售量，用戶對產品質量、價格、包裝、使用維護方面的需求，競爭產品的種類及特點，市場占有率及競爭企業(yè)實力狀況等。

B、技術調研包括行業(yè)技術及技術發(fā)展動態(tài)，產品技術現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)，新型元器件及新材料的發(fā)展動態(tài)，競爭產品技術特點分析，競爭企業(yè)開發(fā)動向等。

C、社會環(huán)境調研包括面向的社會環(huán)境及目標市場所處環(huán)境，有關經濟技術政策，產品種類分布及規(guī)模，風俗習慣，社會人員構成，消費水平及心理，購買能力等。3)可行性分析：在調查研究的基礎上，分析技術、經濟及社會環(huán)境上的可行性，并作出可行性報告。

A、技術分析

(1)先進性。大量搜集情報，了解現(xiàn)狀及產品的今后發(fā)展方向

(2)適用性。明確界定產品的服務對象及服務環(huán)境

(3)可靠性。

B、經濟分析將經濟目的與技術手段結合，力求以最少人力、物力和財力消耗達到滿意的功能。

C、社會環(huán)境分析隨著生產的發(fā)展和生產項目的大型化、綜合化，生產項目與社會關系日益密切，因此必須嚴格分析有關項目對社會環(huán)境的影響。例：協(xié)和式飛機的開發(fā)3)可行性分析：在調查研究的基礎上，分析技術、經濟及社會環(huán)境上的可行性，并作出可行性報告。

A、技術分析

(1)先進性。大量搜集情報，了解現(xiàn)狀及產品的今后發(fā)展方向

(2)適用性。明確界定產品的服務對象及服務環(huán)境

(3)可靠性。

B、經濟分析將經濟目的與技術手段結合，力求以最少人力、物力和財力消耗達到滿意的功能。

C、社會環(huán)境分析隨著生產的發(fā)展和生產項目的大型化、綜合化，生產項目與社會關系日益密切，因此必須嚴格分析有關項目對社會環(huán)境的影響。例：協(xié)和式飛機的開發(fā)D、可行性報告

(1)從市場需求預測出發(fā)，論述設計項目的必要性

(2)該產品目前國內、外現(xiàn)狀水平

(3)確定產品的技術規(guī)格，性能參數(shù)及約束條件

(4)提出該產品的KnowHow及解決途徑

(5)預期達到的技術、經濟及社會效益

(6)預算投資費用及項目進度、期限等。4)詳細設計任務書(包括研制工作必需的全部重要數(shù)據(jù))，其內容有：

A、用途描述

M=F(目的)，其中：M為滿足目的的所有解的個數(shù)例：傳動，可用齒輪、鏈、皮帶等。產品=F(目的，接口條件，G1B1，G2B2，…GnBn)。

B、要求、條件及限制(建議在實際工作中列表，以免疏漏)(a)市場條件(見下頁)1、產品的工作名稱及用途描述12、尺寸、結構大小(體積)2、市場及用戶范圍類型(工業(yè)國，發(fā)展中國家)13、日期(研制開始和結束、試驗、出廠交貨)3、制造成本、價格14、壽命4、運轉費用15、維修條件、維修費用5、每年件數(shù)及總件數(shù)16、使用特性、舒適程序、自動化程度6、可靠性17、運轉條件，如位置、氣候、振動7、外形結構18、系統(tǒng)結構或用戶專門要求結構8、功率、速度及其它參量19、模塊組合式結構或其它類型結構9、精度、測量精度及重復生產性20、附加裝置10、效率21、特殊結構11、重量、質量(b)系統(tǒng)屬性條件（接口條件）

Ⅰ當機器或儀器與電源或數(shù)據(jù)網聯(lián)接時，考慮電參量、電壓、電流、比特率及頻率等。

Ⅱ幾何數(shù)據(jù)、尺寸，如：使用插座、接頭、相機膠片、運輸裝置等。

Ⅲ重量，如：車輛與橋梁，機器與建筑物等。

Ⅳ人機系統(tǒng)工效數(shù)據(jù)，如汽車、打字機等。(c)環(huán)境條件

Ⅰ環(huán)境對研制系統(tǒng)提出條件。

Ⅱ研制系統(tǒng)對外界環(huán)境提出條件。(d)法律、規(guī)定及標準有關安全、防止事故、允許噪聲及射線保護，無線電發(fā)射等方面的法律規(guī)定。(e)公司結構企業(yè)內部工作人員能力、組織情況、基礎結構，及該企業(yè)或該國生產手段，是否需外協(xié)加工等。(2)方案設計：常用系統(tǒng)化設計法即功能分析法思路：抽象出總功能（功能分解）→分功能、功能元（功能元求解）→功能載體（功能綜合）→系統(tǒng)級原理方案解（評價）→最優(yōu)系統(tǒng)原理方案解→原理方案圖其具體內容在第二章講述。原理方案設計有時必須進行原理實驗，對主要參數(shù)和基本工藝進行分析，最終結果用原理方案圖表述。在原理方案設計階段注意新原理、新技術的應用，有時會帶來突破性的結果。如：超聲馬達、石英表、橢圓車削機床、風力發(fā)電機等。內燃機運動簡圖(3)技術設計：將原理方案解物化為具體零件或機器思路：總體設計→構形設計(結構設計)→商品化設計→模型試驗→機器裝配草圖、計算說明及程序

1)總體設計：機器各部件總體布置，運動配合關系及人-機-環(huán)境的合理配置。

2)構形設計：廣泛利用各種物理效應，合理設計各功能單元結構和材料，確定參數(shù)和尺寸，考慮加工和裝配，使結構簡單可靠、實用合理。

3)商品化設計：提高產品的附加值和市場競爭能力，主要工作是：進行價值分析，保證功能，提高性能，降低成本；人-機工程設計，提高產品的舒適性；工業(yè)造型設計，提高產品的美學價值。

4)模型試驗：主要檢查產品的功能及性能，以便改進，滿足原設計要求。(4)施工設計思路：機器可生產圖紙、各類設計文檔→工藝文件→轉向制造過程②設計的步驟（邏輯維）思路：分析→綜合→評價→決策，該過程是一個循環(huán)往復的過程

(1)分析：明確問題的本質要求，這是解決問題的第一步。

(2)綜合：在一定條件下，對未知系統(tǒng)探求解法的創(chuàng)造性過程，用“抽象”，“發(fā)散”，“探索”等創(chuàng)造性思維方法盡量找到較理想最佳解。

(3)評價：篩選的過程，從技術、經濟、社會等多個方面，用科學方法進行多方案比較和評定，同時針對某些方案的弱點進行調整和優(yōu)化，直到獲得滿意的結果。

(4)決策：在評價的基礎上根據(jù)已定的多目標找出解決問題的最佳解法。③方法維：凡是在設計中可采用的技術方法都是方法維的內容，一些新的單項設計技術正成為設計中有力的方法與工具。具體參考教材P9表1-2。問題分析要求綜合求解評價決策最佳解§1—3設計類型及設計原則

一、產品設計類型

①開發(fā)型設計：設計原理方案未知，根據(jù)功能及約束條件全新設計，也稱創(chuàng)新型設計②適應型設計：原理方案基本不變，變更部分零件或結構，使產品廣泛滿足要求。③變參數(shù)型設計：功能原理方案不變，改變性能參數(shù)、尺寸，滿足不同工作需要。

注：測繪與仿制，確切來講并不算設計，但也是當前產品開發(fā)中的一個重要內容。二、產品設計原則①創(chuàng)新原則：設計中利用創(chuàng)造性思維，提倡在繼承基礎上創(chuàng)新。②可靠原則：使用中的可靠性、無故障運行時間是產品的一項重要指標。③效益原則：技術、經濟和社會效益滿足用戶要求。④審核原則：設計是一種信息加工、處理、分析、判斷、決策及修正過程，每一過程都必須嚴格審核，盡量減少錯誤信息流入下一過程“協(xié)和”飛機主要參數(shù)翼展：25.56米機長：62.10米機高：