设计方法学2

2 设计方法学
2.1 设计方法学概述
共性特点
➢总结设计规律、启发创造性设计； ➢采用现代化的先进理论和方法使设计过程自动化、合理化； ➢提高设计水平和质量，设计出更多功能全、性能好、成本低、 外形美的产品，以满足社会需求和适应市场竞争。
设计方法学
在深入研究设计过程本质的基 础上，以系统论的观点来研究 产品的设计思维和设计规律的 一门综合性学科。
➢ 创造是创造者聪明才智高度发挥的行为。
创新是创造性设计的本质 创造性设计方法是现代设计方法的基石
2 设计方法学
2.2 创造性设计方法
2.2.1 创造及创造性设计
创造性的内涵：
✓ 创造性思维：创造发明的源泉和核心； ✓ 创造原理：进行创造发明和创新设计的理论基础； ✓ 创造技法：用于创造发明的技巧和方法。
➢ 系统单元 ➢ 系统结构 ➢ 边界条件 ➢ 输入输出要素
系统的处理对象：三要素
2 设计方法学
2.3 系统化设计方法
2.3.1 技术系统的组成 2.3.2 功能分析法 2.3.3 应用实例
2 设计方法学 2.3.2 功能分析法
2.3 系统化设计方法
系统化设计方法：把设计对象看作一个完整的技术系统， 然后用系统工程方法对系统各要素进行分析与综合，使系 统内部协调一致，并使系统与环境相互协调，以获整体最 优化设计。
逻辑功能元：
——与、或、非
数学功能元
——加减、乘除、乘方开方、微分积分等
2 设计方法学 2.3.2 功能分析法
2.3 系统化设计方法
步骤3: 功能元求解
✓ 五个特征：类型、大小、数量、时间和位置； ✓ 七种功能元：转换、缩放、联结、贮存、
设计改变程度
➢ 产品成本 ➢ 质量 ➢ 推向市场需要的时间
5%
15%
A设公计司
劳动力
质量 材料
经常性费用 50%
B公司
既定的功能 寿命长
30%
开始设计 投入生产
易于维护 福形特态汽吸车引公力司含的最产新品的开技术发成有本许统多计特点
时间
2 设计方法学
2.1 设计方法学概述
发达国家对设计方法研究的代表性成果
第二章 设计方法学
2.1 设计方法学概述 2.2 创造性设计方法 2.3 系统分析设计方法
2 设计方法学
2.2 创造性设计方法
2.2.1 创造及创造性设计 2.2.2 创造思维 2.2.3 创造技法 2.2.4 应用实例
2 设计方法学
2.2 创造性设计方法
2.2.1 创造及创造性设计
创造：创造者首次产生崭新的精神或物质成果的思维与行为。
2 设计方法学 2.2.2 创造性思维 创造性思维的定义：
2.2 创造性设计方法
创造性思维不是单一的思维形式，而是以各种智力和非智力因素 （如情感、意志、动机、理想、信念、个性等）为基础，在创造活 动中表现出来的具有独创性的、产生新成果的高级、复杂的思维活 动。
创造性思维的实质，表现为“选择”、“突破”、“重 修建构”这三者的联系与统一。
发明 （Invention）
做什么？怎么做？
发现 （Discovery）
是什么？为什么？
创造 （Creation）
创新 （Innovation）
如何把事情做得更好？
2 设计方法学
2.2 创造性设计方法
2.2.1 创造及创造性设计
创造的实质主要表现在以下几个方面：
➢ 创造是一种有目的的实践活动；
➢ 创造必须提供富有创新性的成果；
“功能树” ——
（1）功能元是直接能求解的功能单元 （2）前级功能是后级功能的目的功能 （3）后级功能是前级功能的手段功能
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2.3 系统化设计方法
2.3.2 功能分析法 “材料拉伸试验机” 功能分解
力/变形测量
试件拉伸 力测量 变形测量
试件夹持松开
夹头移动 讯号取得
运动型式转换 速度/扭矩转换
2.3.2 功能分析法 步骤1：总功能分析（功能抽象）
“自走式谷物联合收获机” 总功能分
析
噪声 废气 振动
谷物 驱动能 驱动信号
自走式谷物 联合收割机
谷粒 茎杆 谷壳
显示信号
土壤 湿度 温度 风力
2 设计方法学 2.3.2 功能分析法
2.3 系统化设计方法
步骤2: 功能分解
总功能 分功能 二级分功能 功能元
2.2 创造性设计方法
2 设计方法学
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.2 创造性设计方法
2.2.3 创造技法
（1）直觉思维法（智力激励法）：
直觉、灵感、想象力
智暴法（群智集中法） 专家预测法（书面集智法）
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2.2 创造性设计方法
2.2.3 创造技法 （2）推理思维法（提问追溯法）：
➢ 推理——思考——联想 ➢ 分析——分解——推理 5W2H 奥斯本设问法 阿诺德提问法 参量提问法 希望点列举法 反向探求法
2 设计方法学
2.2 创造性设计方法
2.2.3 创造技法 （3） 联想类推法：
通过启发、类比、联想、综合等技法，创造出新的设想。
相似类比法 抽象类比法 仿生法 借用法
2 设计方法学 2.2.3 创造技法
（4） 组合创新法：
2.2 创造性设计方法
利用事物间的内在联系，用已有的知识和现有成 果进行新的组合。
2 设计方法学 2.2.2 创造性思维
2.2 创造性设计方法
创造性思维的定义 创造性思维的类型 创造性思维的特征 创造性思维的形成过程
2 设计方法学
2.2 创造性设计方法
2.2.2 创造性思维 创造性思维的形成过程：
“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，解决一个问题也许仅 是一个科学上的实验技能而已，而提出新问题、新的可能性，以及从 新的角度看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的 真正进步。”——爱因斯坦
讯号放大
讯号显示
讯号取得、放大、显示
动作控制
开机 停机 自动停机
2 设计方法学 2.3.2 功能分析法
2.3 系统化设计方法
步骤2: 功能分解
“功能结构图”：
F1 F2 F3 串联结构
F2 F1
F3
并联结构
F1 F3
F2
回路结构
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2.3 系统化设计方法
2.3.2 功能分析法 “材料拉伸试验机” 功能结构图
《现代设计理论及方法》课程 课堂讲授主要内容
✓ 绪论 ➢ 设计方法学 ➢ 有限单元法 ➢ 机械优化设计 ➢ 机械可靠性设计
机械工程学院 机械装备与控制工程系
第二章 设计方法学
2.1 设计方法学概述 2.2 创造性设计方法 2.3 系统分析设计方法
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2.1 设计方法学概述
衡量设计有效性的指标
第二章 设计方法学
2.1 设计方法学概述 2.2 创造性设计方法 2.3 系统化设计方法
2 设计方法学
2.3 系统化设计方法
照相机 （摄像系统）
快门系统 “控制进入镜头的光线”
曝光系统
“记录成像”
成像系统
“功能决定形式，形式实现功能”
2 设计方法学
现代机械设计系统的分解
机械部件
系统 特征
特征 电路 软件程序
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2.2 创造性设计方法
2.2.4 应用实例
例2-3 大型转炉倒装法。（联想类推法和反向探求法） 问题背景：1986年首都钢铁公司在安装两台210L容积 的大型转炉时，一个大难题摆在面前：每台转炉直径 8.16m，自重260t，如一座三层楼房，如何安装就位？
解决方案：将安装工艺来个大颠倒，炉口冲下倒立 在基础上——安装托圈——吊起炉体焊接——旋转 180度正过来。这种方案吊装高度仅2.5m，用一台 300t吊车完全可以解决问题。
✓ Why ✓ What ✓ Who ✓ When ✓ Where ✓ How to do ✓ How much
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2.2 创造性设计方法
2.2.3 创造技法
（2）推理思维法（提问法）： 奥斯本设问法
就现有产品稍加改进，能否有新的用途？ 能否借用别的经验和发明？过去有类似的东西吗？有什么东西可供模仿？ 能否对产品进行某些改变？如改变运动方式、元件形式和颜色等。 能否增加、减少一些东西？如组件数量、体积尺寸等。 能否相互变换？如改变结构、改变顺序、元件互换、变换速度等等。 能否把某些东西颠倒过来？如上下、里外、正反颠倒。 能否代用？如代用其它材料、元件工艺、动力等。 能否形成组合？如目标组合、方案组合、部件组合、材料组合等等。
创新设计效果：设计人员的知识体系＋创造性思维、 创造原理、创造技法。
2 设计方法学
2.2 创造性设计方法
2.2.1 创造及创造性设计 2.2.2 创造性思维 2.2.3 创造技法 2.2.4 应用实例
2 设计方法学 2.2.2 创造性思维
2.2 创造性设计方法
创造性思维的定义 创造性思维的类型 创造性思维的特征 创造性思维的形成过程
（1） 储存准备阶段 （2） 悬想加工阶段 （3） 灵感顿悟阶段 （4） 实践验证阶段
2 设计方法学
2.2 创造性设计方法
2.2.1 创造及创造性设计 2.2.2 创造性思维 2.2.3 创造技法 2.2.4 应用实例
2 设计方法学 2.2.3 创造技法
直觉思维法 推理思维法 联想类推法 组合创新法
2 设计方法学 2.2.2 创造性思维
2.2 创造性设计方法
创造性思维的定义 创造性思维的类型 创造性思维的特征 创造性思维的形成过程
2 设计方法学 2.2.2 创造性思维
创造性思维的类型：
抽象思维与形象思维 直觉思维与灵感思维 发散思维与收敛思维 直达思维与旁通思维 逆向思维 类比思维
功能分析法
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2.3 系统化设计方法
2.3.2 功能分析法 步骤1：总功能分析（功能抽象）
“黑箱法” —— 根据系统的输入和输出关系研究实 现系统的功能的一种方法。
对外界的影响
输入
物料 能量 信息
待设计的技术系统 （“黑箱”）
物料 能量 信息
输出
来自外界的影响
系统边界
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2.3 系统化设计方法
2.2 创造性设计方法
2 设计方法学 2.2.2 创造性思维
2.2 创造性设计方法
创造性思维的定义 创造性思维的类型 创造性思维的特征 创造性思维的形成过程
2 设计方法学 2.2.2 创造性思维
创造性思维的特征：
2.2 创造性设计方法
独立性：敢于突破框框，怀疑、抗压、自变 连动性：思维活跃、具有由此及彼的推理能力 多向性：从不同角度想问题，寻找新的思路和解法 跨越性：跨越事物“可见度” 限制，迅速完成虚实转化 综合性：把现有信息、现象和概念加以综合概括
辅助能量 力标准值 变形标准值
加载能量 控制信号
试件
比较标准值
测量值
与实际值
放大
测力
能量转换为 力和位移
调节能 量大小
测变形
试件装卡
试件加载
力信号
变形信号
能耗 变形能 变形后的试件
2 设计方法学 2.3.2 功能分析法
2.3 系统化设计方法
步骤3: 功能元求解
物理功能元：
——反映能量、物料和信号三要素变换的物理作用
解决方案：组织者把这些设想进行分类、研究、 评 价，最后选择了用改进后的直升飞机扇雪的 方案，并研制了一种专用于清除电线积雪的小型 直升机。
2 设计方法学
2.2 创造性设计方法
2.2.4 应用实例
例2-2 提出自行车的新产品概念（推理思维法）
1）自行车有无其他用途？ 2）能不能借用其他经验或发明？ 3）能否进行某些改变？ 4）能否扩大或缩小？ 5）能否代用？ 6）能否重新调整？ 7）能否组合？
组合法：性能、原理、功能、结构、模块
综摄法：学科交叉
2 设计方法学
2.2 创造性设计方法
2.2.1 创造及相关概念 2.2.2 创造思维 2.2.3 创造技法 2.2.4 应用实例
2 设计方法学
2.2 创造性设计方法
2.2.4 应用实例
例2-1 清除电线积雪问题的方案（智力激励法：智暴法） 问题背景：冬季大雪纷飞时，电线上积满了冰雪， 大跨度的电线会被积雪压断而发生意外。经过长 时间的探索都不能解决这问题的情况下，供电部 门决定用智力激励法寻找解决方案。
2.3 系统化设计方法
零件 特征 电子元器件 代码
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2.3 系统化设计方法
2.3.1 技术系统的组成 2.3.2 功能分析法 2.3.3 应用实例
2 设计方法学
2.3 系统化设计方法
2.3.1 技术系统的组成
系统：具有特定功能的、在某一边界范围内所有直接或间 接相互作用的元素的有序整体。
德国：着重研究设计的过程、步骤和规律，并对设计过程 进行系统化的逻辑分析，将成熟的设计模式和解法编成规范 供设计人员参考，使设计的方法步骤规范化；
美英：偏重创造性设计的研究，并在优化、价值工程、可 靠性设计和计算机辅助设计方面做出杰出工作；
日本：在开发创造工程学和自动设计方面做了重要工作， 并强调工业设计，形成独特的设计风格……