第一章 設(shè)計(jì)方法學(xué)-緒論

機(jī)械設(shè)計(jì)方法學(xué)目錄第一章概論第二章原理方案設(shè)計(jì)第三章結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和總體設(shè)計(jì)第四章方案評(píng)價(jià)方法第五章價(jià)值設(shè)計(jì)第六章相似設(shè)計(jì)法

第一章概述

§1-1基本概念§1-2設(shè)計(jì)系統(tǒng)§1-3設(shè)計(jì)類(lèi)型及設(shè)計(jì)原則§1-1基本概念

一、什么是設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)是一種具有一創(chuàng)造性的勞動(dòng)，其實(shí)質(zhì)是創(chuàng)新（即在設(shè)計(jì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(jì)方法學(xué)二、什么是設(shè)計(jì)方法學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)方法學(xué)二、什么是設(shè)計(jì)方法學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)方法學(xué)行為二、什么是設(shè)計(jì)方法學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)方法學(xué)行為方法二、什么是設(shè)計(jì)方法學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)方法學(xué)思維方法（方法論）二、什么是設(shè)計(jì)方法學(xué)

設(shè)計(jì)方法學(xué)是研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)律、設(shè)計(jì)程序及設(shè)計(jì)中思維和工作方法的一門(mén)綜合性學(xué)科。設(shè)計(jì)方法學(xué)以系統(tǒng)工程的觀(guān)點(diǎn)分析設(shè)計(jì)的戰(zhàn)略進(jìn)程和設(shè)計(jì)方法、手段的戰(zhàn)術(shù)問(wèn)題。在總結(jié)設(shè)計(jì)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(jì)理論、科學(xué)方法、先進(jìn)手段和工具在設(shè)計(jì)中的綜合運(yùn)用。三、學(xué)科產(chǎn)生的原因

①開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的需要：世界市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，使得各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家首先在設(shè)計(jì)過(guò)程中總結(jié)規(guī)律，以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。從這個(gè)角度來(lái)講，“設(shè)計(jì)學(xué)”和“機(jī)械學(xué)”是兩個(gè)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(guān)的工作方法很難對(duì)產(chǎn)品提出有效的改進(jìn)措施，因此功能分析和價(jià)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(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展，為設(shè)計(jì)方法學(xué)的研究提供了物質(zhì)基礎(chǔ)條件。四、設(shè)計(jì)方法學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史

①第一階段(直覺(jué)設(shè)計(jì))：由于生產(chǎn)、生活和戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，推動(dòng)了各種簡(jiǎn)單工具及武器的發(fā)明，為實(shí)現(xiàn)某種功能目標(biāo)而發(fā)明的某種器械，其中所用知識(shí)涉及初步的材料力學(xué)和力學(xué)原理，這一時(shí)期的設(shè)計(jì)體現(xiàn)個(gè)人設(shè)計(jì)藝術(shù)的天才。如：中國(guó)的水排，指南車(chē)等。

②第二階段（經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)）：1854年德國(guó)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(jì)學(xué)的基礎(chǔ)，這一時(shí)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(shí)期的設(shè)計(jì)方法實(shí)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(shí)期機(jī)械學(xué)的發(fā)展為以后機(jī)械設(shè)計(jì)方法學(xué)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

③第三階段(現(xiàn)代設(shè)計(jì))：以1947年美國(guó)的麥爾斯(L.D.Miles)重新提出“功能”的概念為起點(diǎn)，這一時(shí)期，對(duì)設(shè)計(jì)學(xué)有深遠(yuǎn)影響的三個(gè)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(jì)”學(xué)術(shù)體系的發(fā)展和成熟。從此開(kāi)始，人們逐漸研究設(shè)計(jì)方法的內(nèi)涵，并成立了一些世界性組織，如歐洲設(shè)計(jì)研究組織（WDK），從此，設(shè)計(jì)方法學(xué)作為一門(mén)新興學(xué)科，快速發(fā)展起來(lái)。五、設(shè)計(jì)方法學(xué)的作用及目的

①研制物美價(jià)廉的產(chǎn)品

②使設(shè)計(jì)過(guò)程合理化，并為設(shè)計(jì)自動(dòng)化創(chuàng)造條件

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

④創(chuàng)造一種機(jī)械系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)方法可以顯著提高設(shè)計(jì)效率和創(chuàng)新水平。

(3)如果設(shè)計(jì)按死板的模式進(jìn)行，則設(shè)計(jì)工作必被市場(chǎng)淘汰，且毫無(wú)個(gè)性和魅力。六、設(shè)計(jì)方法學(xué)在各發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家的研究特點(diǎn)

①德國(guó)偏重于設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)規(guī)律的研究，采用系統(tǒng)化設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)及計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；

③日本重視研究創(chuàng)造工程學(xué)、自動(dòng)設(shè)計(jì)及價(jià)值工程等?！?-2

設(shè)計(jì)系統(tǒng)一、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的概念

①設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一個(gè)信息處理系統(tǒng)，其處理過(guò)程如下：②從系統(tǒng)工程的觀(guān)點(diǎn)分析，設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一個(gè)由時(shí)間維、邏輯維、方法維組成三維系統(tǒng)，時(shí)間維反映按時(shí)間順序的設(shè)計(jì)工作階段，邏輯維是解決問(wèn)題的邏輯步驟，方法維是指設(shè)計(jì)中的各種思維方法和工作方法，設(shè)計(jì)過(guò)程中的每一個(gè)行為都反映此三維空間中的一個(gè)點(diǎn)。需求知識(shí)方法理論

設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)結(jié)果反饋信息輸入輸出產(chǎn)品規(guī)劃技術(shù)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)施工設(shè)計(jì)時(shí)間維分析綜合評(píng)價(jià)決策形態(tài)學(xué)矩陣模糊評(píng)價(jià)方法維邏輯維設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸入設(shè)計(jì)系統(tǒng)輸出設(shè)計(jì)三維系統(tǒng)圖示二、各維具體內(nèi)容

①設(shè)計(jì)進(jìn)程模式(時(shí)間維)

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

(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(jì)任務(wù)書(shū)

1)需求分析：是人類(lèi)對(duì)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(lèi)希望更加文明的生活是一切產(chǎn)品需求的起源。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)是由某種需求識(shí)別開(kāi)始的，需求可能由用戶(hù)、經(jīng)營(yíng)人員或設(shè)計(jì)者提出。

A、需求的識(shí)別，需有問(wèn)題意識(shí)，如：車(chē)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(wèn)題實(shí)質(zhì)，如：糧倉(cāng)驅(qū)鼠2)調(diào)查研究：針對(duì)一個(gè)特定任務(wù)，對(duì)有關(guān)情報(bào)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(gè)方面：

A、市場(chǎng)調(diào)研包括市場(chǎng)的顯式需求與潛在需求，產(chǎn)品銷(xiāo)售對(duì)象及可能銷(xiāo)售量，用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、價(jià)格、包裝、使用維護(hù)方面的需求，競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的種類(lèi)及特點(diǎn)，市場(chǎng)占有率及競(jìng)爭(zhēng)企業(yè)實(shí)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(dòng)態(tài)，產(chǎn)品技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)，新型元器件及新材料的發(fā)展動(dòng)態(tài)，競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)分析，競(jìng)爭(zhēng)企業(yè)開(kāi)發(fā)動(dòng)向等。

C、社會(huì)環(huán)境調(diào)研包括面向的社會(huì)環(huán)境及目標(biāo)市場(chǎng)所處環(huán)境，有關(guān)經(jīng)濟(jì)技術(shù)政策，產(chǎn)品種類(lèi)分布及規(guī)模，風(fēng)俗習(xí)慣，社會(huì)人員構(gòu)成，消費(fèi)水平及心理，購(gòu)買(mǎi)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(huì)環(huán)境上的可行性，并作出可行性報(bào)告。

A、技術(shù)分析

(1)先進(jìn)性。大量搜集情報(bào)，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(duì)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(cái)力消耗達(dá)到滿(mǎn)意的功能。

C、社會(huì)環(huán)境分析隨著生產(chǎn)的發(fā)展和生產(chǎn)項(xiàng)目的大型化、綜合化，生產(chǎn)項(xiàng)目與社會(huì)關(guān)系日益密切，因此必須嚴(yán)格分析有關(guān)項(xiàng)目對(duì)社會(huì)環(huán)境的影響。例：協(xié)和式飛機(jī)的開(kāi)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(huì)環(huán)境上的可行性，并作出可行性報(bào)告。

A、技術(shù)分析

(1)先進(jìn)性。大量搜集情報(bào)，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(duì)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(cái)力消耗達(dá)到滿(mǎn)意的功能。

C、社會(huì)環(huán)境分析隨著生產(chǎn)的發(fā)展和生產(chǎn)項(xiàng)目的大型化、綜合化，生產(chǎn)項(xiàng)目與社會(huì)關(guān)系日益密切，因此必須嚴(yán)格分析有關(guān)項(xiàng)目對(duì)社會(huì)環(huán)境的影響。例：協(xié)和式飛機(jī)的開(kāi)發(fā)D、可行性報(bào)告

(1)從市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)出發(fā)，論述設(shè)計(jì)項(xiàng)目的必要性

(2)該產(chǎn)品目前國(guó)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(huì)效益

(6)預(yù)算投資費(fèi)用及項(xiàng)目進(jìn)度、期限等。4)詳細(xì)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)(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(mǎn)足目的的所有解的個(gè)數(shù)例：傳動(dòng)，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(shí)際工作中列表，以免疏漏)(a)市場(chǎng)條件(見(jiàn)下頁(yè))1、產(chǎn)品的工作名稱(chēng)及用途描述12、尺寸、結(jié)構(gòu)大小(體積)2、市場(chǎng)及用戶(hù)范圍類(lèi)型(工業(yè)國(guó)，發(fā)展中國(guó)家)13、日期(研制開(kāi)始和結(jié)束、試驗(yàn)、出廠(chǎng)交貨)3、制造成本、價(jià)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(dòng)化程度6、可靠性17、運(yùn)轉(zhuǎn)條件，如位置、氣候、振動(dòng)7、外形結(jié)構(gòu)18、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或用戶(hù)專(zhuān)門(mén)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(lèi)型結(jié)構(gòu)9、精度、測(cè)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(shí)，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(chē)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(chē)、打字機(jī)等。(c)環(huán)境條件

Ⅰ環(huán)境對(duì)研制系統(tǒng)提出條件。

Ⅱ研制系統(tǒng)對(duì)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(xiàn)保護(hù)，無(wú)線(xiàn)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(guó)生產(chǎn)手段，是否需外協(xié)加工等。(2)方案設(shè)計(jì)：常用系統(tǒng)化設(shè)計(jì)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(jí)原理方案解（評(píng)價(jià)）→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(jì)有時(shí)必須進(jìn)行原理實(shí)驗(yàn)，對(duì)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(jì)階段注意新原理、新技術(shù)的應(yīng)用，有時(shí)會(huì)帶來(lái)突破性的結(jié)果。如：超聲馬達(dá)、石英表、橢圓車(chē)削機(jī)床、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖(3)技術(shù)設(shè)計(jì)：將原理方案解物化為具體零件或機(jī)器思路：總體設(shè)計(jì)→構(gòu)形設(shè)計(jì)(結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))→商品化設(shè)計(jì)→模型試驗(yàn)→機(jī)器裝配草圖、計(jì)算說(shuō)明及程序

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

2)構(gòu)形設(shè)計(jì)：廣泛利用各種物理效應(yīng)，合理設(shè)計(jì)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(jiǎn)單可靠、實(shí)用合理。

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

4)模型試驗(yàn)：主要檢查產(chǎn)品的功能及性能，以便改進(jìn)，滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)要求。(4)施工設(shè)計(jì)思路：機(jī)器可生產(chǎn)圖紙、各類(lèi)設(shè)計(jì)文檔→工藝文件→轉(zhuǎn)向制造過(guò)程②設(shè)計(jì)的步驟（邏輯維）思路：分析→綜合→評(píng)價(jià)→決策，該過(guò)程是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程

(1)分析：明確問(wèn)題的本質(zhì)要求，這是解決問(wèn)題的第一步。

(2)綜合：在一定條件下，對(duì)未知系統(tǒng)探求解法的創(chuàng)造性過(guò)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(píng)價(jià)：篩選的過(guò)程，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等多個(gè)方面，用科學(xué)方法進(jìn)行多方案比較和評(píng)定，同時(shí)針對(duì)某些方案的弱點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，直到獲得滿(mǎn)意的結(jié)果。

(4)決策：在評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上根據(jù)已定的多目標(biāo)找出解決問(wèn)題的最佳解法。③方法維：凡是在設(shè)計(jì)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(xiàng)設(shè)計(jì)技術(shù)正成為設(shè)計(jì)中有力的方法與工具。具體參考教材P9表1-2。問(wèn)題分析要求綜合求解評(píng)價(jià)決策最佳解§1—3設(shè)計(jì)類(lèi)型及設(shè)計(jì)原則

一、產(chǎn)品設(shè)計(jì)類(lèi)型

①開(kāi)發(fā)型設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)原理方案未知，根據(jù)功能及約束條件全新設(shè)計(jì)，也稱(chēng)創(chuàng)新型設(shè)計(jì)②適應(yīng)型設(shè)計(jì)：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(mǎn)足要求。③變參數(shù)型設(shè)計(jì)：功能原理方案不變，改變性能參數(shù)、尺寸，滿(mǎn)足不同工作需要。

注：測(cè)繪與仿制，確切來(lái)講并不算設(shè)計(jì)，但也是當(dāng)前產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的一個(gè)重要內(nèi)容。二、產(chǎn)品設(shè)計(jì)原則①創(chuàng)新原則：設(shè)計(jì)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(wú)故障運(yùn)行時(shí)間是產(chǎn)品的一項(xiàng)重要指標(biāo)。③效益原則：技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益滿(mǎn)足用戶(hù)要求。④審核原則：設(shè)計(jì)是一種信息加工、處理、分析、判斷、決策及修正過(guò)程，每一過(guò)程都必須嚴(yán)格審核，盡量減少錯(cuò)誤信息流入下一過(guò)程“協(xié)和”飛機(jī)主要參數(shù)翼展：25.56米機(jī)長(zhǎng)：62.10米機(jī)高：