【2019年整理】现代设计方法(ch1)

② 分类：
子系统，超系统：汽车=轮胎+发动机+转向系，交通系统性
③ 技术过程：加工过程，工作过程
④ 技术过程的特点：不唯一
1.3 技术系统及其确定
一、技术系统 2.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 分析比较传统理论、现代理论和实践，确定实现主 要转换的工作原理；
7 经济成本
8 人机工程
9安 全
10 包装运输
课题名称 起止时间 课题经费
基本功能 辅助功能 作业对象：物料形状、尺寸、理化性质等 工 况：负载情况 环 境：温度、湿度、振动、噪声、灰尘等 动 力：功率、力、转矩等 运 动：运动形式、速度、加速度等 结构尺寸：作业尺寸、体积、重量 生产率(理论的、额定的、实际的) 可靠度、维修度和有效度 一次性使用寿命、多次性使用寿命(大修) 材料费、设计费、制造加工费、管理费、税费 操作方便、省力、视野宽广、舒适、仪表显示清晰、造型美观适度 保证人身安全、设备安全、如：过载保护 触电保护、连锁装置等 考虑运输方法,如：防震 、防腐、防锈、各种标记等
3. 评价过程中的几项主要工作
选定评价准则。如：成本低、寿命长、结构简单、 可靠性高等等 为评价准则选定度量尺度。即评价好坏的标准
确定评价对象有关各项准则的价值。即按预定 度量尺度对评价对象进行评定
对各单独评价值进行合成，以便对评价对象做 出总的比较
4、评价的意义
评价是决策的基础和依据
方案评价是提高产品质量的首要前提
地设计，必须对每一设计程序的信息，随时进行审核， 决不许有错误的信息流入下一道工序。实践证明，产品 设计质量不好，其原因往往是审核不严造成的。因此， 适时而严格地审核是确保设计质量的一项重要原则。
1.3 技术系统及其确定
一、技术系统 1技术系统，技术过程 ① 技术系统的定义：
完成某个特定功能或职能的各个事物的集合
的确定 5. 设计信息管理：信息集约—— Database，调用、
参考
1.2 产品设计过程与设计原则
一．产品设计的一般过程
1. 产品规划阶段
确定任务，给出详细的设计任务书(设计要求)
2. 原理方案设计阶段
创新构思，优化筛选，求取理想的功能原理方案，作出新产品 功能原理方案图(简图或示意图)
3. 技术设计阶段
1.功能元
物理功能元：它反映系统中能量、物料、信号变化的物理基本动作
物 理
转换-复原： 能量之间的、运动型式的、材料性质的、物态的信号种类的转换与复原
功
放大-缩小：
能
能量的、信号的、物理量的、材料性质的、物态的放大与缩小
元
连接-分离：
能量的、信号的、物理量的同质或不同质在数量上的增加或减少
传导-绝缘： 能量的、信号的、物理量的位置变化
③ 制造部门：提供生产能力，制造工艺设备、工 时等；
④ 营销部门：产业政策、市场调查、需求预测、 老产品用户意见，事故与维修情况分析等。
1.3 技术系统及其确定
三、调研预测
市场、技术、社会环境、企业内部；设计可行的依 据；
1.3 技术系统及其确定
四、可行性报告 1.内容
市场调查与预测,论述 设计项目的必要性
评价与决策
2、设计问题—如何抽象为功能
设计：取核桃果仁的机械 抽象 功能：分离壳与核桃仁
砸：利用重力
外 夹：杠杆作用（核桃夹子）
部 加
压：螺旋压力机
压 冲击：水力冲击
射击：把核桃作为“枪弹”射向硬靶
逆向思维
侧向思维
内 钻孔：向内充气涨破外壳 部 加 整体加压：外压骤减，内 压 压涨破外壳（专利发明）
4. 测绘和仿制
1）开发性设计
运用成熟的科学技术，从工作原理和结构上设计过去没有的新型产品 首创性、完全创新性
2）适应性设计
在原理、方案基本保持不变的前提下，对产品作局部的变更设计，使之 更能满足用户的需求
如：内燃机增设节油器以节约燃料、增设增压器以提高输出的功率
3）变型设计
在功能和工作原理不变的情况下，变更现有产品的结构配置、布置 方式和尺寸，使之适应多方面的使用要求
可折叠的 笔
纤维物质
B 装填机构
部分真空
毛细管作 用
可更换的 储液器
把墨注入 储液器
C
笔尖墨液输出
裂缝笔尖 毛细供液
圆株－粘 性墨
纤维物质
可以有3×4×3＝36个方案；A3-B3-C3为“签字笔”
待举升的汽车 能量 信号
汽 车 举 升 机 总 功 能
)
(
环境 伴生输入 汽车举升机 （黑箱）
边界 伴生输入 汽车举升机
总体设计结构设计(功能)和造型设计(商品化)优化结构 设计技术文件、总体&结构装置草图、造型设计文件、总体效 果图、外观构思图提出新产品的总装、结构转配和造型图 。
4. 施工设计阶段
完成零件图、部件装配图、造型说明书、工艺文件、使用说明
1.2 设计类型与设计原则
二、设计类型
1. 开发性设计：在全部或主要功能的实现原理和结构未
矩 (每根柱)
单独启动
阵 F停止
带式制动 闸式制动 片式制动 圆锥式制动
液压缸
G变速
液压式
齿轮式
电器式
H支承
双柱圆定 四柱固定 六柱固定 双柱移动 四柱移动 六柱移动
A3-B1-C2-D1-E3-F1-G2-H1电动机械式双柱汽车举升机; A3-B1-C2-D1-E3-F1-G2-H5移动式四柱电动汽车举升机
方案评价有利于提高设计人员的素质， 形成合理的知识结构
5、评价的内容
技术评价：性能指标、可靠性、有效性、安 全性、操作性、保养性、能源消耗等
知的情况下，运用成熟的科学技术成果进行的新型工业 产品的设计，是一种完全创新的设计。
2. 适应性设计：在主功能实现原理或结构方案保持基本
不变的情况下，对产品作局部变更或增设部件，使之能 更广泛地适应使用要求的设计。
3. 变型设计：在功能原理和结构保持不变的情况下，变
更现有产品的结构配置和尺寸，使之满足不同的工作要 求的设计。
举升后的汽车
可以有 6×4×6×3×4×3×6 ＝94176个方案；
功能元
A能量转换
1
汽油机
2
柴油机
功 能元解
3
4
电动机 液压马达
5
气动马达
6
蒸汽透平
B能量传 齿轮箱 油泵
递与分配
链传动 皮带传动
C举升
齿轮齿条 丝杆螺母 蜗杆齿条 连杆机构 绳传动
形
D锁定
态
机构自锁 机械锁定 电器锁定
学 E启动
同时启动 单独启动 同时也可
直觉法：凭借个人智慧、设计经验和创造力 调查法：文献、资料、大自然…..
5、求解的组合法
检索与选择 对现有的工作原理、功能载体进行信息检索和选择
变异 变体分析
对已经检索与选择的信息：扩大与缩小、增加与减少、 组合与分解、逆反、置换
对零件、机构、产品的发展变化进行系统分析：深刻认 自行车的变体分析 识产品本质、明确发展方向、发现空白开发新产品
系统化设计的综合过程
信息集约 调研预测
可行性报告
功能分析 功能元求解 方案综合
组合方案
技术、经济 社会目标评价
最优方案
并行设计组
1.4 方案的系统化设计
一．功能分析法
1. 明确设计要求
① “必达”要求：对产品给出的严格约束，只有满足 这些要求的方案才是可行方案；
② “期望”要求：对产品的追求和目标，只有较好满 足这些要求的方案才是最优的方案。
6、原理方案综合
形态学矩阵 用集合代数的表达方式描述系统形态和分类问题的科学 总功能分解 机器一般由：原动机、传动部分、工作机构、控制和支承组成 建立功能结构图 建立总功能与一级功能结构图；建立二级功能结构图……
寻求原理解法和原理组合 采用形态学矩阵组合多种方案
设计参数
可能的解答
1
2
3
4
A 墨库
刚性管
使壳变：向内充气涨破外壳脆 溶解壳：溶解壳，不溶解桃仁
若用“砸”则已经暗示了解法；而抽象可以得到更广泛的解答！
3、总功能分解 总功能
分功能 分功能 ……
分功能 分功能
……
……
分功能 一级分功能 分功能 二级分功能
……
功能元 功能元 功能元 ……
功能元(最小单位)
机械设计中常用基本功能元：
物理功能元、数学功能元、逻辑功能元
1.5 设计中的评价决策
一．概述
二．评价目标
三．评价方法
① 评分法 ② 技术——经济评价法 ③ 模糊评价法
四．设计中的决策层
一 、 概述
1. 工程设计的三个特点：约束性、多解性、相对性 设计结果的多方案性 对设计方案进行评价 根据评价结果进行决策
2、评价的类型
评价方案的完善程度 评价解答方案与所提问题的相符程度 评定最优解答方案 评定某项特性的最优值
物料
输 入
能量
信息
伴生输出 技术系统 （黑箱） 伴生输入
物料’ 能量’ 输出 信息’
1.3 技术系统及其确定
二、信息集约
产品生命周期相关环节所需信息的集成、分配、共 享；
① 情报部门：产品发展趋势，专利情报，行业技 术经济情报；
② 开发部门：产品性能试验，新材料，新工艺， 新技术、各种标准法规、设计方法等；
1.2 设计类型与设计原则
三．设计原则
1. 创新原则：设计本身就是创造性思维活动，只 有大胆创新才能有所发明、有所创造。只有创 新的产品才具有竞争优势。
2. 可靠性原则：指产品在规定的条件和规定时间 内完成规定功能的能力。
3. 效益原则：要求产品具有较低的开发成本和使用费用。
4. 审核原则：为减少设计失误、实现高效、优质、经济
存储-提取： 能量的、信号的、物理量的在一定范围内储存和提取
数学功能元：它反映系统中能量、物料、信号的数学基本动作+-×÷∫′″
逻辑功能元：包括“与”“非”“或”
2. F1
功 F2
F1
能 结 F3
构 串联结构
F1 F3
F2
环行结构
条件
F2
F1
构
条件
F1
F2
环行结构
洗衣机的总功能：洗涤衣物（容纳衣物和水、搅动、定时、排水、
能量转换和支承等）
完
单向
功
成 脏
容纳衣物和水
双向
能
衣
搅动衣物和水
波轮旋转 排水
的 划
服
的
控制
定时
分
洗
脱水
排水
涤
工
动力供应 转换
作
联接与支承
信息
决策
控制
功
调整(定时)
能
的
未洗
结
衣物
构
和水
容纳 衣物和水
方向选择
搅动 衣物和水
脱水 排水
洗过的 衣物
水
能量
能量转换
传递
联接与支承
4、功能元（分功能）求解
一切机械系统都是以能够满足某一确定目标和功能的物理现象为基础的。 一切设计任务是物理信息同结构措施相结合的产物。 实现分功能或功能元的解称为原理解法，包括：
③ 明确实现技术过程的环境和约束条件；
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。
1.3 技术系统及其确定
3.技术系统的功能单元： ① 作业单元：转换的实现； ② 动力单元：能量的转换、传递、分配； ③ 控制单元：采集、处理并输出控制信息； ④ 检测单元：反馈信息； ⑤ 结构单元：系统各部分的联接、支承。
主要内容
绪论 第一章 现代设计方法学 第二章 计算机辅助设计 第三章 优化设计 第四章 有限元法 第五章 可靠性设计 第六章 现代设计方法前沿
第一章 现代设计方法学
第一节 设计方法学概述 第二节 产品设计过程与设计原则 第三节 技术系统及其确定 第四节方案的系统化设计 第五节 设计中的评价决策层
1.1 设计方法学概述
举升后的汽车 举升速度和高度 信号
驱动功能 执行功能
控制功能
辅助功能 联接与支承
能量转换A 能量传递与分配B 举升与回位(直线运动)C 到位锁定D 启动、停止EF 变速G 仪表显示H 照明I 其他J
功 信息
能 的
待举升
结 的汽车
构 能量
控制
工作机构 (举升、锁定 、回位)
能量转换
能量传递
联接与支承
可
确定技术规格
行
确定性能参数
国内外现状
性
确定约束条件
研
究
()
分
预期达到的社会效益
析
预期达到的经济效益
关键技术和解决途径
项目投资费用
报
告
项目投资进度
项目投资期限
2.产品设计任务书(设计要求表)
设 课题编号
计 设计单位
任
务 主要设计者
表
1功
能
2 适应性
3
设
性能
计
要 4 生产能力 求
5 可靠性
6 使用寿命
1.4 方案的系统化设计
二、功能分析
常规设计是从结构件开始的. 功能分析是从机械结 构的思考转化为它的功能思考,不受现有的结构约 束;便于提出创造性方案.
1、功能概念 功能是制指产品的效能、用途和作用。
功能是抽象地描叙机械产品输入与输出量之间的 因果关系。
总功能
分功能 (功能元)
功能组合
运输=货运+客运
一、设计方法学的含义
研究解决设计问题的进程的一般理论，包括：设 计战略及用于设计工作各个具体部分的战术方法.
1.1 设计方法学概述
一、设计方法学的研究内容
1. 设计对象：能够实现一定技术过程的技术系统 2. 设计过程及程序：设定技术过程、划定技术系
统边界、功能分解及求解 3. 设计思维：激发、培养创新思维的能力和方法 4. 设计评价：多目标优化规划——最佳设计方案