第一章 設(shè)計方法學(xué)-緒論

機(jī)械設(shè)計方法學(xué)目錄第一章概論第二章原理方案設(shè)計第三章結(jié)構(gòu)方案設(shè)計和總體設(shè)計第四章方案評價方法第五章價值設(shè)計第六章相似設(shè)計法

第一章概述

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

一、什么是設(shè)計

設(shè)計是一種具有一創(chuàng)造性的勞動，其實質(zhì)是創(chuàng)新（即在設(shè)計工作中努力采用新原理、新方案、新結(jié)構(gòu)、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(chǎn)品。例1)鴻運(yùn)扇2)割草機(jī)3)虛擬軸機(jī)床普通機(jī)床vs虛擬軸機(jī)床電風(fēng)扇割草機(jī)二、什么是設(shè)計方法學(xué)二、什么是設(shè)計方法學(xué)機(jī)械設(shè)計方法學(xué)二、什么是設(shè)計方法學(xué)機(jī)械設(shè)計方法學(xué)行為二、什么是設(shè)計方法學(xué)機(jī)械設(shè)計方法學(xué)行為方法二、什么是設(shè)計方法學(xué)機(jī)械設(shè)計方法學(xué)思維方法（方法論）二、什么是設(shè)計方法學(xué)

設(shè)計方法學(xué)是研究產(chǎn)品設(shè)計規(guī)律、設(shè)計程序及設(shè)計中思維和工作方法的一門綜合性學(xué)科。設(shè)計方法學(xué)以系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)分析設(shè)計的戰(zhàn)略進(jìn)程和設(shè)計方法、手段的戰(zhàn)術(shù)問題。在總結(jié)設(shè)計規(guī)律、啟發(fā)創(chuàng)造性的基礎(chǔ)上促進(jìn)研究現(xiàn)代設(shè)計理論、科學(xué)方法、先進(jìn)手段和工具在設(shè)計中的綜合運(yùn)用。三、學(xué)科產(chǎn)生的原因

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

②改進(jìn)舊產(chǎn)品的需要：隨著工業(yè)產(chǎn)品的復(fù)雜程度的提高，直觀的工作方法很難對產(chǎn)品提出有效的改進(jìn)措施，因此功能分析和價值分析為改進(jìn)舊產(chǎn)品提供了強(qiáng)有力的工具。③應(yīng)用工具的產(chǎn)生：計算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展，為設(shè)計方法學(xué)的研究提供了物質(zhì)基礎(chǔ)條件。四、設(shè)計方法學(xué)的發(fā)展簡史

①第一階段(直覺設(shè)計)：由于生產(chǎn)、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(biāo)而發(fā)明的某種器械，其中所用知識涉及初步的材料力學(xué)和力學(xué)原理，這一時期的設(shè)計體現(xiàn)個人設(shè)計藝術(shù)的天才。如：中國的水排，指南車等。

②第二階段（經(jīng)驗設(shè)計）：1854年德國的勞登萊克(Rodenacker)提出將力學(xué)和機(jī)械制造作為機(jī)械設(shè)計學(xué)的基礎(chǔ)，這一時期作為機(jī)械學(xué)各分支學(xué)科如(機(jī)械原理與零件、機(jī)構(gòu)學(xué)、磨擦學(xué)、疲勞壽命等)發(fā)展迅速，這一時期的設(shè)計方法實質(zhì)上就是機(jī)械學(xué)，而忽略了其核心內(nèi)容“功能”。當(dāng)然，這一時期機(jī)械學(xué)的發(fā)展為以后機(jī)械設(shè)計方法學(xué)的發(fā)展提供了堅實的理論基礎(chǔ)。

③第三階段(現(xiàn)代設(shè)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(diǎn)，這一時期，對設(shè)計學(xué)有深遠(yuǎn)影響的三個重要學(xué)科內(nèi)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(jī)工程學(xué)”思想的形成與發(fā)展，(3)“工業(yè)設(shè)計”學(xué)術(shù)體系的發(fā)展和成熟。從此開始，人們逐漸研究設(shè)計方法的內(nèi)涵，并成立了一些世界性組織，如歐洲設(shè)計研究組織（WDK），從此，設(shè)計方法學(xué)作為一門新興學(xué)科，快速發(fā)展起來。五、設(shè)計方法學(xué)的作用及目的

①研制物美價廉的產(chǎn)品

②使設(shè)計過程合理化，并為設(shè)計自動化創(chuàng)造條件

③創(chuàng)造一種又快又好地培養(yǎng)設(shè)計師的理論。

④創(chuàng)造一種機(jī)械系統(tǒng)的一般設(shè)計理論及方法，使其適應(yīng)日益拓展的機(jī)械工程學(xué)科。

切記:(1)再好的設(shè)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(xué)的設(shè)計方法可以顯著提高設(shè)計效率和創(chuàng)新水平。

(3)如果設(shè)計按死板的模式進(jìn)行，則設(shè)計工作必被市場淘汰，且毫無個性和魅力。六、設(shè)計方法學(xué)在各發(fā)達(dá)工業(yè)國家的研究特點(diǎn)

①德國偏重于設(shè)計過程和設(shè)計規(guī)律的研究，采用系統(tǒng)化設(shè)計方法進(jìn)行邏輯分析，并形成了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；

②英、美注意創(chuàng)造性開發(fā)及計算機(jī)在設(shè)計中的應(yīng)用；

③日本重視研究創(chuàng)造工程學(xué)、自動設(shè)計及價值工程等?！?-2

設(shè)計系統(tǒng)一、設(shè)計系統(tǒng)的概念

①設(shè)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(diǎn)分析，設(shè)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(shè)計工作階段，邏輯維是解決問題的邏輯步驟，方法維是指設(shè)計中的各種思維方法和工作方法，設(shè)計過程中的每一個行為都反映此三維空間中的一個點(diǎn)。需求知識方法理論

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

①設(shè)計進(jìn)程模式(時間維)

四個階段:產(chǎn)品規(guī)劃、原理方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和施工設(shè)計

(1)產(chǎn)品規(guī)劃

思路：需求分析→調(diào)查研究→可行性論證→詳細(xì)設(shè)計任務(wù)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(chǎn)品需求的起源。產(chǎn)品開發(fā)是由某種需求識別開始的，需求可能由用戶、經(jīng)營人員或設(shè)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(jī)

C、要抓住問題實質(zhì)，如：糧倉驅(qū)鼠2)調(diào)查研究：針對一個特定任務(wù)，對有關(guān)情報進(jìn)行收集和分析，并提出研究結(jié)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(diào)研包括市場的顯式需求與潛在需求，產(chǎn)品銷售對象及可能銷售量，用戶對產(chǎn)品質(zhì)量、價格、包裝、使用維護(hù)方面的需求，競爭產(chǎn)品的種類及特點(diǎn)，市場占有率及競爭企業(yè)實力狀況等。

B、技術(shù)調(diào)研包括行業(yè)技術(shù)及技術(shù)發(fā)展動態(tài)，產(chǎn)品技術(shù)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(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)分析，競爭企業(yè)開發(fā)動向等。

C、社會環(huán)境調(diào)研包括面向的社會環(huán)境及目標(biāo)市場所處環(huán)境，有關(guān)經(jīng)濟(jì)技術(shù)政策，產(chǎn)品種類分布及規(guī)模，風(fēng)俗習(xí)慣，社會人員構(gòu)成，消費(fèi)水平及心理，購買能力等。3)可行性分析：在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，分析技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及社會環(huán)境上的可行性，并作出可行性報告。

A、技術(shù)分析

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

(2)適用性。明確界定產(chǎn)品的服務(wù)對象及服務(wù)環(huán)境

(3)可靠性。

B、經(jīng)濟(jì)分析將經(jīng)濟(jì)目的與技術(shù)手段結(jié)合，力求以最少人力、物力和財力消耗達(dá)到滿意的功能。

C、社會環(huán)境分析隨著生產(chǎn)的發(fā)展和生產(chǎn)項目的大型化、綜合化，生產(chǎn)項目與社會關(guān)系日益密切，因此必須嚴(yán)格分析有關(guān)項目對社會環(huán)境的影響。例：協(xié)和式飛機(jī)的開發(fā)3)可行性分析：在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，分析技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及社會環(huán)境上的可行性，并作出可行性報告。

A、技術(shù)分析

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

(2)適用性。明確界定產(chǎn)品的服務(wù)對象及服務(wù)環(huán)境

(3)可靠性。

B、經(jīng)濟(jì)分析將經(jīng)濟(jì)目的與技術(shù)手段結(jié)合，力求以最少人力、物力和財力消耗達(dá)到滿意的功能。

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

(1)從市場需求預(yù)測出發(fā)，論述設(shè)計項目的必要性

(2)該產(chǎn)品目前國內(nèi)、外現(xiàn)狀水平

(3)確定產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格，性能參數(shù)及約束條件

(4)提出該產(chǎn)品的KnowHow及解決途徑

(5)預(yù)期達(dá)到的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及社會效益

(6)預(yù)算投資費(fèi)用及項目進(jìn)度、期限等。4)詳細(xì)設(shè)計任務(wù)書(包括研制工作必需的全部重要數(shù)據(jù))，其內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)品的工作名稱及用途描述12、尺寸、結(jié)構(gòu)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(jié)束、試驗、出廠交貨)3、制造成本、價格14、壽命4、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用15、維修條件、維修費(fèi)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(yùn)轉(zhuǎn)條件，如位置、氣候、振動7、外形結(jié)構(gòu)18、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或用戶專門要求結(jié)構(gòu)8、功率、速度及其它參量19、模塊組合式結(jié)構(gòu)或其它類型結(jié)構(gòu)9、精度、測量精度及重復(fù)生產(chǎn)性20、附加裝置10、效率21、特殊結(jié)構(gòu)11、重量、質(zhì)量(b)系統(tǒng)屬性條件（接口條件）

Ⅰ當(dāng)機(jī)器或儀器與電源或數(shù)據(jù)網(wǎng)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(jī)膠片、運(yùn)輸裝置等。

Ⅲ重量，如：車輛與橋梁，機(jī)器與建筑物等。

Ⅳ人機(jī)系統(tǒng)工效數(shù)據(jù)，如汽車、打字機(jī)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(biāo)準(zhǔn)有關(guān)安全、防止事故、允許噪聲及射線保護(hù)，無線電發(fā)射等方面的法律規(guī)定。(e)公司結(jié)構(gòu)企業(yè)內(nèi)部工作人員能力、組織情況、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，及該企業(yè)或該國生產(chǎn)手段，是否需外協(xié)加工等。(2)方案設(shè)計：常用系統(tǒng)化設(shè)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(nèi)容在第二章講述。原理方案設(shè)計有時必須進(jìn)行原理實驗，對主要參數(shù)和基本工藝進(jìn)行分析，最終結(jié)果用原理方案圖表述。在原理方案設(shè)計階段注意新原理、新技術(shù)的應(yīng)用，有時會帶來突破性的結(jié)果。如：超聲馬達(dá)、石英表、橢圓車削機(jī)床、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動簡圖(3)技術(shù)設(shè)計：將原理方案解物化為具體零件或機(jī)器思路：總體設(shè)計→構(gòu)形設(shè)計(結(jié)構(gòu)設(shè)計)→商品化設(shè)計→模型試驗→機(jī)器裝配草圖、計算說明及程序

1)總體設(shè)計：機(jī)器各部件總體布置，運(yùn)動配合關(guān)系及人-機(jī)-環(huán)境的合理配置。

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

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

4)模型試驗：主要檢查產(chǎn)品的功能及性能，以便改進(jìn)，滿足原設(shè)計要求。(4)施工設(shè)計思路：機(jī)器可生產(chǎn)圖紙、各類設(shè)計文檔→工藝文件→轉(zhuǎn)向制造過程②設(shè)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(fù)的過程

(1)分析：明確問題的本質(zhì)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(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會等多個方面，用科學(xué)方法進(jìn)行多方案比較和評定，同時針對某些方案的弱點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，直到獲得滿意的結(jié)果。

(4)決策：在評價的基礎(chǔ)上根據(jù)已定的多目標(biāo)找出解決問題的最佳解法。③方法維：凡是在設(shè)計中可采用的技術(shù)方法都是方法維的內(nèi)容，一些新的單項設(shè)計技術(shù)正成為設(shè)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(shè)計類型及設(shè)計原則

一、產(chǎn)品設(shè)計類型

①開發(fā)型設(shè)計：設(shè)計原理方案未知，根據(jù)功能及約束條件全新設(shè)計，也稱創(chuàng)新型設(shè)計②適應(yīng)型設(shè)計：原理方案基本不變，變更部分零件或結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品廣泛滿足要求。③變參數(shù)型設(shè)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(shè)計，但也是當(dāng)前產(chǎn)品開發(fā)中的一個重要內(nèi)容。二、產(chǎn)品設(shè)計原則①創(chuàng)新原則：設(shè)計中利用創(chuàng)造性思維，提倡在繼承基礎(chǔ)上創(chuàng)新。②可靠原則：使用中的可靠性、無故障運(yùn)行時間是產(chǎn)品的一項重要指標(biāo)。③效益原則：技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會效益滿足用戶要求。④審核原則：設(shè)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(yán)格審核，盡量減少錯誤信息流入下一過程“協(xié)和”飛機(jī)主要參數(shù)翼展：25.56米機(jī)長：62.10米機(jī)高：