第4讲 设计的思维训练方法

现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
• 任何一个简单或复杂的技术系统都遵循客观的进化规 律（S曲线）和模式（8个基本进化法则）
• 各种技术难题、冲突和矛盾的不断解决是推动这种进 化过程的动力。
• 技术系统发展的理想状态是用最少的资源实现最大数 目的功能。
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
现代设计的方法40个案例
人参与）
可激发个人潜能，
♥♦
获得好的创新成果
♠♣
但得到的 方案太多， 方案筛选 困难，成 本较高， 对参与人 个人素质 要求高
▲►◄
╦╧
╫╬
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
钢丝切割硅片
• 折中法
钢丝粗 钢丝细
强度和寿命 硅片成材率 强度和寿命 硅片成材率
钢丝粗细折中：即满 足一定强度和寿命， 又保证一定硅片成材 率，取0.1~0.16mm
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
1、分割
将一个系统分成若干部分，以便提取一种有益或 者有害的系统属性，利用系统有益的属性来解决问题， 并可对部分进行有益的重组和合并，以执行某些新的 功能。 1)将 物体分割成相互独立的部分
例如：如用多台个人计算机代替一台大型计算机 完成相同的功能。
用一辆卡车加拖车代替一辆载重量大的卡车。 2）使物体设计成为容易组装或拆卸的部分
西南科技大学制造学院
创造性思维的特点
突破性
人们往往习惯于从已有的经验和知识中，从考虑 某类问题获得成功的思维模式中寻求解题方案， 从而受到“思维定势”的束缚。突破性思维敢于 克服心理上的惯性，从思维定势的框框中解脱出 来，善于从新的技术领域中接受有用的事物，提 出新原理，创造新模式，贡献新方法，为工程技 术问题闯开新局面。
1995年
2000年
西南科技大学制造学院
• 各国 PCT （专利合作条约国际专利）申请量——其中：华为和 中兴两公司的较多
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
•
我国现有专利的转化率不足10%，而发达国家
60%——80%
（垃圾专利多；国家专利政策导向偏差；专利审查不严 等）
• 我国科技对经济的贡献率不足30%，一半以上的技 术是引进，具有核心知识产权的企业不足万分之三， 须支付大量的专利使用费。
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
现有产品 测绘+部分设计产品图纸加工装配
实例：
米格21 苏27
测绘与仿制
歼6 歼11
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
• 聘用有经验的行业专家，根据自己的经验提出 技术方案
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
头脑风暴法 美国A·F·奥斯本于1939年首次提出（5-10
2）不同部分分别完成不同的功能 如午餐盒划分成不同的格子
3)每个部分最大限度的发挥功能 如铅笔头的橡皮擦，带起钉器的榔头，瑞士军刀有 100种组合功能，甚至带有USB接口；键盘上的常用 键，适当的位置和大小。
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
为防止矿山机械周围的灰尘，常常需要喷洒小水珠， 水珠越小，效果越好，但易成雾，常常在水珠锥体的 外层再造一层大的水珠。
1、飞机巡航的副油箱，挂在飞机下方，优先使用，进 入战斗前抛弃，增加灵活性。 2、化学中的萃取工艺，就是分离有用的部分。
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
3、局部质量（local quality)
在一个系统中，使特定的部件具有特殊的功能，更 好的适应环境，满足特定的功能。
1）使物体的均匀结构变成不均匀的结构。 如变化中的温度、压力代替常温的温度、压力
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
构造 任务空间
市场信息
产生可能的解集合
联想及 相关技术
决策或产生 样机 最终设计 测试 评估 优化
已有知识和新知识的获取
已有知识和新知识的获取
what
how
sure
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
铁谱仪的研制
当润滑油流经一片斜放在永磁铁上的玻璃片时，油中悬浮的 铁磁性颗粒被磁场吸引沉积在玻璃片上时，由于倾斜而致的磁场 差异，使得玻璃片一端集中较大的颗粒，另一端集中较小的颗粒。 分别利用两对光耦合器，原位测量流道上的两处沉积物对玻璃片 透光面积的覆盖率，由此间接地推导悬浮颗粒的多少和大小比例。
发电机供给的。为了停泊时能继续供电，要安装 —个由内燃机传动的辅助发电机。发动机必然造 成噪音和挥动。建议将其置于距游艇不远的两个容器
里。 ． 将产生噪音的空气压缩机置于室外 机场用声音吓走小鸟（惊吓的ห้องสมุดไป่ตู้器、化学物质，不
如天敌的叫声——专利）
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
分离与分割区别在于分离着重于提取系统有益或有 害的属性。分割分成几部分，只是增加灵活性。
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
工业应用存在以下问题：
采样的频率有限，难以及时捕捉到异常状态和对状态变化的 及时反应；样品的取样、存贮、运输和处理的过程复杂，其对人 和人的经验依赖性大，有许多随机因素，缺少大规模在线应用的 可诱导的需求。
提出了研发在线检测的想法，在线分析必须无人值守。
1）不能每次更换玻璃片，需要冲洗沉积物，则变永磁铁为电磁铁控 制。
作更方便。（助燃剂） • 3）联合收割机（割下、脱粒、分开茎、叶）
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
6、多用性（universality)
• 完成主要功能的同时，完成其他附加的功能。 如：牙刷柄内可以储存牙膏； 多用途魔方，黄的一面存钱，取钱需红的一面。
如：组合夹具 浇花用的软管系统（快速接头连接）
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
3）增加物体分离的程度 百叶窗代替整体窗帘、子母弹（集束炸弹） 粉状焊接材料代替焊条改善焊接的效果
（可快速方便的将磨损部分换掉）
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
2、分离（taking out)
从物体中拆出干扰部分，分出唯一需要的部分 一般小游艇的照明和其他用电是艇上发动机带动
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
4、不对称（asymmetry)
打破对称性可以解决许多与对称有关的难题 1）自行车的飞轮单向传动。 2）二极管的单向电流通过 3）电脑插件的不对称性，避免接口插反 4）模具设计时，对称位置的定位销设计成大小不等的
直径，以免安装时误了方向，损坏模具的刃口。 5）防撞汽车轮胎的外缘由高强度的材料组成，以抵抗人
对卫星天线的设计，不论是机、液、电的方案都 很复杂。近年来，人们发现镍钛合金具有记忆效 应，此原理设计的记忆合金卫星天线，在发射卫 星时，天线卷曲成团塞在卫星内部，到达轨道后， 随着温度的变化，天线会自动恢复为预定形状。 这种方案简单可靠，克服了必须用一个机构“打 开”天线的思维定势，具有突破性。（材料晶体 结构的转换——热弹性的马氏体的变形）
行道缘石的撞击。
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
增强防水保温性，建筑上采用多重坡屋顶
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
5、合并（merging）
• 1）将空间上相似的物体连接在一起，并行操作。 • 如：网络中的并行计算机；计算机中并行的多个微处
理器；多层玻璃板的加工； • 2）松香焊锡丝，省去了粘点松香的步骤，使焊接工
功能扩散由玩具气球可扩展为高空气象测量 物、高空交通工具、车防撞保护物、气垫包装、 止血器、血管脂肪疏通器等多种功能的产品。 总之，扩散思维能灵活地变换影响事物质和量 诸多因素中的某一个，产生新的思路。
日本富士通 公司青年职 工利用纸的 干卷湿伸原 理，开发出 新型的“纸 型自动控制 器”。
摩擦焊接法的发明 利用了纵向推理
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
TRIZ基本理论“发明问题解决理论”的俄文首字母拼成
前苏联发明家G. S. Altshuller 创立 的一整套发明创新理论 Altshuller及其团队在总结世界上200 万份发明专利的基础上，总结出各种 技术发展进化遵循的规律模式，以及 解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新 原理和法则，建立一个由解决技术问 题，实现创新开发的各种方法、算法 组成的综合理论体系，并综合多学科 领域的原理和法则，建立起TRIZ理论 体系。
西南科技大学
现代设计方法课件
——创新设计方法
主讲 钟良
Email:zhongliang@swust.edu.cn
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
设计问题的描述与解决
1.1设计的任务与一般过程 采用新方法解决没有解决的问题，以满足新的需
求是设计的精髓，所以创新是设计的灵魂，但创新不 是目的，而是竞争取胜的手段。
独创性
针对随大流、保传统的随和性，创造性思维的独 创性体现为敢于提出与前人、众人不同的见解， 敢于对似乎完美的现实事物提出怀疑，寻找更合 理的解法。独创性能使设计方案标新立异，独辟 蹊径。
现代设计方法及应用
各国科学家在锗的提纯工艺方面 做了很多探索，都未获成功。而 日本的江崎和黑田百合子采取了 与别人完全不同的方法，他们有 计划地对锗加入少量杂质，并观 察其变化，最后发现，当锗的纯 度降低为原来的一半时，形成一 种优异的电晶体。此项成果轰动 世界，并获得诺贝尔奖。
有些设计的对象规模庞大，系统十分复杂，介入的 资源单位很多。
不仅要考虑它的性能、各种约束条件，而且对于 制造、运输和装配以及制成前后的测试，特别是保证 整个生命周期的满意性和可靠性
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
英国布劳顿、德国汉堡和西班牙波尔多、法国圣南 泽尔到法国图卢兹总装，德国汉堡装饰。（载客800 多人）
西南科技大学制造学院
多向性
善于从多种不同角度思考问题，是创造性思维的 重要特征。据分析，创造性活动中成功的几率与 设想出供选择方案的多少往往是成正比的。多向 性体现为扩散思维和多向思维等形式。扩散思维 以某一现实事物为起点，诱发出多种奇思异想， 通过一个来源产生众多的输出。多向思维是对某 一问题从不同角度探索尽可能多的解法和思路。
美国 51%
现代设计方法及应用
在医药领域的专利拥有情况
西南科技大学制造学院
• 企业创新能力不断增强，带来知识产权贸易规模迅速膨胀。
现代设计方法及应用
7000 6000 5000 4000
6500
世界专利贸易额 （亿美元）
3000 2000
2500
1000
500
0
20
1965年
110
1975年
1985年
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
创新设计方法与创造技法
创新设计方法是以创造学理论，尤其是创造性 思维规律为基础，通过对广泛的创造活动实践 经验进行概括、总结、提炼而得出来的创造发 明的一些原理、技巧和方法。
创造技法的基本出发点是打破传统思维习惯， 克服阻碍创新设计的各种消极的心理因素，充 分发挥创新思维，以提高创造力为宗旨，进而 促使多出创造性成果。
系统搜索法 5
4 反向探求法
3 联想类推法
试错法
据记载，爱迪生试验电灯用过1600多种金属材料和6000多种非金属材料，而采集的材料 更多达14000多种；试验新型蓄电池用过9000多种材料，失败50000多次。
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
试错法的效率
资料来源： G. Stevens and J. Burley, “3000 Raw Ideas = 1 Commercial Success!”，Research•Technology Management, 40(3): 16-27, May-June, 1997.
2）不能人把玻璃片拿到显微镜下去看，摄像技术已经发展到这个阶 段，可以把CMOS、CCD组件和光学镜头放到流道上方。
3）在一个位置上控制电流来变化磁场强度，减少了仪器的尺寸。
4）微处理器的发展，可以将所有控制功能、数据处理、初步诊断、 报警、图像数据传输集中在一个芯片上，安放在仪器里。
现代设计方法及应用
（手机售价的20%、计算机售价的30%、数控机床售价 的20%——40%、DVD售价的50%用于专利使用费 ）
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
传统创新方法
测绘与仿制 凭经验设计 试错法 头脑风暴法 折中法
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
创造性技法
组合创新法 6
智力激励法
1
创造性技法
2 提问追溯法
应用横向推理，人们利 用面包多孔松软的特点 开发出了如多孔塑料等 多种产品。
现代设计方法及应用
西南科技大学制造学院
目前创新设计的国内外现状
发达国家正以其技术创新优势取得技术垄断优势
中国等 5% 日本 17% 欧洲 19%
美国 59%
在生物工程领域的专利拥有情况
日本 12% 中国等 4%
欧洲 33%