科學發(fā)展觀指導下的設計理論與方法

2023/3/161科學發(fā)展觀指導下的

設計理論與方法及其應用

如何開展產(chǎn)品的研究與開發(fā)及產(chǎn)品的設計呢？即應在科學發(fā)展觀指導下來完成上述工作，也就是必須從產(chǎn)品的實際情況出發(fā)，運用辨證唯物的觀點和方法去完成產(chǎn)品設計的各項工作,以便達到全面、協(xié)調(diào)、穩(wěn)定和可持續(xù)的發(fā)展?？茖W發(fā)展觀的特點是：

1實踐性：就是來源于實際，應用于實際，通過實踐來發(fā)展。

2內(nèi)在規(guī)律性：就是要了解和掌握事物發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律，減少工作中可能發(fā)生的各種問題，要掌握事物發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律。

3全面性：就是分析主觀和客觀各方面的情況，全面地去考慮和開展既定的工作任務，做出全面的規(guī)劃。

4系統(tǒng)性與協(xié)調(diào)性：就是要按照系統(tǒng)工程的觀點和方法，去處理事物內(nèi)部各個方面的協(xié)調(diào)關系，要基于系統(tǒng)工程的方法。

5穩(wěn)定性：就是在全面、系統(tǒng)和揭示事物發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律及協(xié)調(diào)，促進其穩(wěn)定、健康和快速的發(fā)展。

6可持續(xù)性：就是要注意環(huán)境保護，并要對資源進行合理的利用，保持可持續(xù)的發(fā)展，對環(huán)境與資源要進行保護。

2023/3/162科學發(fā)展觀指導下的

設計理論與方法及其應用

1概論（根據(jù)產(chǎn)品研發(fā)和設計的特點，提出一種基于系統(tǒng)工程的設計理論與方法，即綜合設計法）

2產(chǎn)品的功能與性能及產(chǎn)品設計質(zhì)量的內(nèi)涵

3產(chǎn)品設計方法分類及產(chǎn)品設計的三個階段

4產(chǎn)品設計的第一階段:規(guī)劃階段,7D設計總體規(guī)劃

5產(chǎn)品設計的第二階段:實施階段,1+3+X綜合設計

6產(chǎn)品的功能優(yōu)化設計

7產(chǎn)品的動態(tài)優(yōu)化設計

8產(chǎn)品的智能優(yōu)化設計

9產(chǎn)品的可視優(yōu)化設計10產(chǎn)品設計的第三階段:檢驗階段,設計質(zhì)量的檢驗2023/3/163科學發(fā)展觀指導下的設計理論與方法及應用

所介紹的內(nèi)容主要引自以下0、1兩部著作：0面向產(chǎn)品廣義質(zhì)量的綜合設計理論與方法.科學出版社，200600“基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品設計理論與方法”著作，共６冊1產(chǎn)品全功能與全性能綜合設計機械工業(yè)出版,2008

現(xiàn)代機械產(chǎn)品功能優(yōu)化設計機械工業(yè)出版,20083現(xiàn)代機械產(chǎn)品動態(tài)優(yōu)化設計4現(xiàn)代機械產(chǎn)品智能優(yōu)化設計5現(xiàn)代機械產(chǎn)品可視優(yōu)化設計產(chǎn)品設計質(zhì)量的檢驗與評估2023/3/164

1概論

1.1引言

1.2現(xiàn)代機械產(chǎn)品及制造技術(shù)的發(fā)展趨向

1.3產(chǎn)品研究與開發(fā)的基本過程及模型

1.4產(chǎn)品研究與開發(fā)的幾個關鍵問題

1.5產(chǎn)品設計的重要性及其核心因素

1.6產(chǎn)品的設計理論與方法的發(fā)展

1.7產(chǎn)品的設計理論與方法的發(fā)展趨向

2023/3/1651概論1.1引言裝備制造業(yè)在國民經(jīng)濟發(fā)展中的重要地位。

制造業(yè)與裝備制造業(yè)是國民經(jīng)濟的物質(zhì)基礎和產(chǎn)業(yè)主體，是富民強國之本，是國民經(jīng)濟高速增長的發(fā)動機，是推進信息化的主導產(chǎn)業(yè),

是科學技術(shù)的基本載體，是實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的主要舞臺,

是國家競爭力的重要體現(xiàn)，是國防建設的“裝備部”，它決定著我國在國際分工中的地位。

我國是制造大國,是世界工廠,但還不是制造強國。2023/3/166圖1中德日美四國制造業(yè)增加值變化情況

2023/3/167我國裝備制造業(yè)存在的不足

新中國成立50多年來,我國制造業(yè)得到了長足的發(fā)展,已取得了重大成就,目前我國已成為制造業(yè)的大國、世界制造工廠。但我國與制造強國相比還有較大差距。原因是多方面的，以下幾點應引起重視：

(1)目前我國許多重大裝備還大量依賴進口;(2)許多難度較大產(chǎn)品的質(zhì)量與性能與國外的相比,還有較大差距，能耗大，污染嚴重，例如鋼鐵工業(yè);(3)自主開發(fā)的產(chǎn)品還較少,有的還不能制造。

本世紀初我國正在走新型工業(yè)化道路,依靠科學技術(shù)進步，開拓出一條發(fā)展制造業(yè)及通向制造強國之路。2023/3/168產(chǎn)品設計中的10個關鍵性的問題：（1）如何在科學發(fā)展觀指導下開展產(chǎn)品研究開發(fā)和設計工作？（2）如何在產(chǎn)品設計中開展自主創(chuàng)新設計？（3）產(chǎn)品功能與性能的內(nèi)涵是什么？（4）產(chǎn)品質(zhì)量和設計質(zhì)量的概念和定義及如何數(shù)學表述？（5）產(chǎn)品設計理論與方法有多少種及如何分類？（6）對產(chǎn)品設計工作應如何進行總體規(guī)劃？什么是完整技術(shù)系統(tǒng)？什么是非完整技術(shù)系統(tǒng)？（7）如何有效地利用綜合設計方法開展產(chǎn)品的設計工作？（8）1+3+X綜合設計法的意義何在？（9）深層次的設計理論與方法的含義？（10）如何將廣義優(yōu)化技術(shù)、信息技術(shù)、虛擬技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)應用于產(chǎn)品設計中？

我國高速鐵路的發(fā)展與汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的比較。2023/3/1691.2現(xiàn)代機械產(chǎn)品及制造技術(shù)發(fā)展趨向

現(xiàn)代機械產(chǎn)品及制造技術(shù)的發(fā)展的趨向高速化高效化微型化柔性化綜合化模塊化自動化智能化網(wǎng)絡化數(shù)字化集成化或大型化綠色化

圖2現(xiàn)代機械產(chǎn)品及制造技術(shù)的發(fā)展趨向或精密化專用化或

“極端制造”方向綜合集成方向

信息化方向綠色化方向2023/3/16101.3現(xiàn)代機械產(chǎn)品研究與開發(fā)的基本過程

產(chǎn)品概念設計

產(chǎn)品詳細設計

產(chǎn)品開發(fā)支持環(huán)境

圖3產(chǎn)品開發(fā)過程的一般模型上市

產(chǎn)品功能優(yōu)化設計模塊產(chǎn)品綜合性能優(yōu)化設計模塊零部件工藝優(yōu)化設計模塊

零部件生產(chǎn)制造優(yōu)化與試驗模塊

生產(chǎn)制造與試驗

顧客需求合成模塊顧客需求智能獲取與合成子統(tǒng)工藝制定市場信息

產(chǎn)品修改

產(chǎn)品修改或產(chǎn)品升級模塊

市場反饋及產(chǎn)品修改子系統(tǒng)顧客需求分析

顧客需求獲取模塊2023/3/16111.4產(chǎn)品研究與開發(fā)的幾個關鍵問題

(1)掌握國內(nèi)外需求和重視新產(chǎn)品開發(fā)的切入點(2)把握產(chǎn)品國內(nèi)外的發(fā)展水平及國際前沿(3)建立強有力的產(chǎn)品研究和開發(fā)的隊伍(4)創(chuàng)建試驗研究的良好條件和環(huán)境(5)重視產(chǎn)品研究開發(fā)、生產(chǎn)過程中的幾大要素(6)做好產(chǎn)品設計的規(guī)劃及采用先進的產(chǎn)品設計理論與方法2023/3/16121.5產(chǎn)品設計工作的重要性及核心因素

產(chǎn)品的自主開發(fā)首先依賴于設計，產(chǎn)品的設計可賦予某種產(chǎn)品“先天性”的本質(zhì)特性。對產(chǎn)品質(zhì)量的貢獻率可達70%。有的專家說，產(chǎn)品設計是產(chǎn)品質(zhì)量的“靈魂”。

據(jù)日本某部門的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)因設計造成設備故障的比例占50%，因元件、材料原因造成故障的比例為33%，因制造不良造成設備故障的比例為17%。

全產(chǎn)品成本水平的70%-80%取決于產(chǎn)品的設計。

產(chǎn)品設計不僅能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量，還能縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低設計與制造成本，可以滿足用戶提出的各方面的需求（即廣義綜合質(zhì)量，即綜合性能）。產(chǎn)品的5大要素:

質(zhì)量Q、價格C、生產(chǎn)周期T、環(huán)境E和售后服務S。2023/3/16131.６產(chǎn)品的設計理論與方法的發(fā)展

(1)產(chǎn)品的設計理論與方法的研究有百余年的歷史,到現(xiàn)在已提出了數(shù)十種方法,

如創(chuàng)新設計、綠色設計、結(jié)構(gòu)設計、摩擦學設計、優(yōu)化設計、智能設計、虛擬設計、數(shù)字化設計等。

(2)比較著名的理論與方法有：

１)前蘇聯(lián)的發(fā)明解決問題的理論（TRIZ理論）；２)德國學者提出的普適設計方法學：即以研究產(chǎn)品功能的基礎，以物質(zhì)流、能量流、信息流為核心內(nèi)容的設計理論；３)美國學者提出的公理化設計理論：以顧客域、功能域、物理域和過程域為核心內(nèi)容的設計理論；４)日本學者提出的三次設計法與QFD設計法。2023/3/1614(３)目前設計理論與方法正在向以下幾個方向發(fā)展

１）創(chuàng)新設計與基于系統(tǒng)工程的設計２）綠色設計、和諧設計３）虛擬設計與可視化設計４）全功能全性能及全生命周期優(yōu)化設計５）穩(wěn)健設計６）數(shù)字化設計７）多學科交叉融合設計８）一體化設計如結(jié)構(gòu)與材料、動力學與控制９）綜合設計理論與方法2023/3/16151.7產(chǎn)品設計理論與方法的研究趨向圖5現(xiàn)代機械產(chǎn)品設計理論與方法的發(fā)展趨向虛擬設計智能設計網(wǎng)絡設計數(shù)字化設計采用信息技術(shù)不確定的系統(tǒng)非線性動力學設計大型復雜機械系統(tǒng)設計復雜微機電系統(tǒng)設計高維強非線性系統(tǒng)動力學設計時變系統(tǒng)非線性動力學設計針對非線性系統(tǒng)針對復雜系統(tǒng)面向產(chǎn)品總體質(zhì)量研究的深化按照科學發(fā)展觀現(xiàn)代機械產(chǎn)品設計理論與方法的發(fā)展趨向各種單項設計法穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)非線性動力學設計動力學全生命周期優(yōu)化設計三次設計綜合設計綠色設計創(chuàng)新設計廣義優(yōu)化設計2023/3/16162產(chǎn)品功能與性能及產(chǎn)品廣義質(zhì)量的含義

2.1概述

2.2產(chǎn)品的主輔功能

2.3產(chǎn)品的三大性能

2.4產(chǎn)品的質(zhì)量與設計質(zhì)量的內(nèi)涵2023/3/16172.1概述

對產(chǎn)品設計工作者來說，設計產(chǎn)品所追求的首要目標是產(chǎn)品質(zhì)量，假如某種產(chǎn)品的質(zhì)量達不到要求，就會顯著降低它的使用價值,甚至完全喪失使用價值，它就會在市場中缺乏競爭力，最終將會被市場所淘汰。產(chǎn)品設計工作者所考慮的問題不只是產(chǎn)品的質(zhì)量（指的是使用質(zhì)量），他們所要考慮的問題要比與使用質(zhì)量相關的內(nèi)容要多得多，即應該考慮包括產(chǎn)品的質(zhì)量在內(nèi)的五大要素:質(zhì)量Q（狹義的）、成本C、設計制造周期T、環(huán)境E和售后服務S等所有要求，這些要求可以概括為用戶、企業(yè)及社會對產(chǎn)品設計工作提出的各種質(zhì)量要求。2023/3/16182.2產(chǎn)品的主功能的輔助功能

主功能轉(zhuǎn)變加工對象（被加工物件、物體或物質(zhì)）的幾何形態(tài)、物理狀態(tài)、化學組成、生理機能和進行信息的傳輸與處理等工作。輔助功能為實現(xiàn)基本功能需完成的輔助工作，例如，加工對象（物件、物體或物質(zhì)）的轉(zhuǎn)運、裝卸和固定等；工作機構(gòu)需獲得所需的運動形式；系統(tǒng)需獲得所需的動力；操縱指令信號的發(fā)出及執(zhí)行；工況信息的采集、測試與系統(tǒng)的控制等。運動傳輸信息傳輸能量傳輸物質(zhì)輸出指令傳遞能量輸入信息采集物質(zhì)輸入運動輸入指令輸入圖6產(chǎn)品的主功能與輔助功能2023/3/1619

主功能通常是用來改變物質(zhì)的狀態(tài)，具休地說，用來改變被處理物質(zhì)、物體或物件的幾何形態(tài)、物理狀態(tài)、化學組成、生理機能或信息表現(xiàn)形式等各方面的工作，所以在機械產(chǎn)品中要出現(xiàn)物質(zhì)形態(tài)的轉(zhuǎn)變過程，常常呈現(xiàn)物質(zhì)流的形式，也就是將輸入物質(zhì)的初始形態(tài)改變?yōu)樾碌男螒B(tài)。例如，車床的主功能是加工零件，用來改變工件的幾何形態(tài)，它要將毛坯加工到所要求尺寸精度的零件。

輔助功能是為了實現(xiàn)主功能而需要完成的一些輔助工作，常常包括物質(zhì)的轉(zhuǎn)移、所需運動形式的轉(zhuǎn)換、所需能量的輸入、操縱指令的輸入、信息的獲取及處理等，也就是常常出現(xiàn)物質(zhì)流、運動形式流、能量流、指令信號流和控制信息流等。2023/3/1620

實現(xiàn)產(chǎn)品功能的具體內(nèi)容

圖2.2功能結(jié)構(gòu)簡圖和對功能的要求及其主要特性圖7產(chǎn)品功能要求及主要特性1、一組結(jié)構(gòu)2、兩個方面的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)主、輔功能所對應的結(jié)構(gòu)3、三種機構(gòu)驅(qū)動、傳動、工作機構(gòu)4、四類參數(shù)

幾何參數(shù)、工藝參數(shù)運動參數(shù)、動力參數(shù)５五大系統(tǒng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運系統(tǒng)、運動形式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、能量傳輸系統(tǒng)、指令輸入系統(tǒng)、狀態(tài)控制系統(tǒng)

功能設計五項內(nèi)容

用1、2、3、4、5加以概括2023/3/1621

圖8現(xiàn)代機械產(chǎn)品的三大性能系統(tǒng)可靠性

工作可靠性人機安全性材質(zhì)造應性工作耐久性結(jié)構(gòu)緊湊性環(huán)境無害性造型藝術(shù)性設計經(jīng)濟性結(jié)構(gòu)性能Q狹義質(zhì)量C價格T生產(chǎn)周期E環(huán)境S售后服務機械產(chǎn)品設計質(zhì)量工效實用性工作穩(wěn)定性指標優(yōu)越性設備動力性狀態(tài)測控性故障可診性操作宜人性使用經(jīng)濟性制造工藝性零件規(guī)范性容差合理性生產(chǎn)時間性設備維修性裝運可行性廢品回收性制造經(jīng)濟性

工作性能

工藝性能2.3產(chǎn)品三大性能:結(jié)構(gòu)性能、使用性能、制造性能2023/3/1622（1）機械設備的結(jié)構(gòu)性能

1）人機安全性：設計機器時要考慮到操作者和外來參觀人員的安全，機器工作時不應發(fā)生意外的損壞與不安全事故。

2）系統(tǒng)可靠性：所設計的產(chǎn)品應該進行可靠性分析，系統(tǒng)及其零部件的可靠度應該滿足設計的要求。

3）工作耐久性：對機器零部件進行靜強度和疲勞強度、抗磨損、抗腐蝕、抗蠕變等有關工作壽命的計算，應該符合有限工作壽命的要求，要對機器的一些關鍵零部件，例如對一些易損壞零件和易磨損零件進行失效分析。

4）材質(zhì)適應性：對于任何機電產(chǎn)品，其零部件的材質(zhì)的合理選擇至關重要，所選用的材質(zhì)不能滿足要求，就會使設備出現(xiàn)早期損壞；如果選用的材質(zhì)過高，又會造成浪費，所以對零部件來說要選用恰如其分的材質(zhì)，即選用適應產(chǎn)品實際所需要求的材質(zhì)。2023/3/1623

5）結(jié)構(gòu)緊湊性：機器的結(jié)構(gòu)應該緊湊。在沒有特殊要求的條件下，機器的質(zhì)量應輕，體積應小。

6）環(huán)境無害性：機器所選用材質(zhì)及機器工作時不應對環(huán)境造成污染，所設計的產(chǎn)品不應排放出有害的液體和氣體，不應產(chǎn)生污染環(huán)境的振動與噪聲，振動與噪聲水平應在限定的范圍內(nèi)；還應考慮所開發(fā)產(chǎn)品對周圍環(huán)境的適應性，如溫度、濕度、載荷等。

7）造型藝術(shù)性：機器的藝術(shù)造型設計是一項十分重要的工作，在不影響使用效果和不顯著增加機器制造成本的條件下，機器應該有優(yōu)美的外形，并應具有一定的藝術(shù)性，這也是爭取市場和用戶的重要因素之一。

8）設計經(jīng)濟性：產(chǎn)品在設計過程中所考慮的各種情況，例如，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復雜性、安全性、可靠性、工作耐久性、結(jié)構(gòu)的緊湊性、對環(huán)境的無害性、造型藝術(shù)性等，都會影響到產(chǎn)品的制造成本，因此，在設計時必須時時刻刻考慮如何降低產(chǎn)品設計的經(jīng)濟性問題。2023/3/1624（2）機械設備的使用性能：

1）工效實用性：對產(chǎn)品的最基本的要求是其工效能滿足實際工作的需要，能基本完成用戶對產(chǎn)品使用的要求，應具有完成所執(zhí)行的工作的基本能力。當然也沒有必要增加一些多余的功能，增加多余的功能就會造成浪費。

2）運行穩(wěn)定性：對于有些機械工作穩(wěn)定性顯得特別重要。機器不穩(wěn)定工作常常有如下的表現(xiàn)，例如轉(zhuǎn)速常常改變、振動幅值常常變動或超出規(guī)定范圍、工作負荷常常變動等?？傊?，其工作過程中的一些參量不是處在要求的范圍內(nèi)，這會影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量和工作效率，有時甚至會出現(xiàn)嚴重事故，并導致機器的損壞。

3)指標優(yōu)越性：這是在機器工效實用的基礎上，對產(chǎn)品提出的更高的要求，產(chǎn)品的技術(shù)指標常常是變化的，有時高，而有時低。產(chǎn)品的設計工作就是要使機器在工作時能獲得較理想或最佳的技術(shù)指標，從而可以獲得較高的工效。

4）操作宜人性：任何機器的設計工作應該使操作人員具有良好的操作條件和環(huán)境，提高操作的自動化程度，減少可能出現(xiàn)的誤操作，從而保證生產(chǎn)的正常和有效地進行。操作人員工作的舒適性也是設計所必須考慮的。2023/3/16255）設備動力性：對于任何設備必須有足夠的動力，以滿足生產(chǎn)情況變化而出現(xiàn)的各種工況的要求。

6）系統(tǒng)測控性：為了掌握機器的運行情況，對其工作狀態(tài)進行檢測是一項必要的工作。為了使機械產(chǎn)品正常和有效地工作，對系統(tǒng)的工況進行控制是一項有效的措施，系統(tǒng)的可控性是保證產(chǎn)品正常和有效工作的基本要求。

7）故障可診性：在對機器狀態(tài)進行測控的基礎上，可對機器可能出現(xiàn)的故障進行及時診斷，避免造成過大的損失。因此所設計的機器應該具有良好的診斷性，也就是說當機器出現(xiàn)故障時，容易診斷出故障的類型及發(fā)生的位置，進而采取相應的措施預防故障的擴大和蔓延，或急速停機進行檢修。

8）使用經(jīng)濟性：前面所述的工效實用、運行穩(wěn)定、指標優(yōu)越、操作宜人、狀態(tài)測控、故障診斷等都和使用過程的經(jīng)濟性有著密切的聯(lián)系，每一項實施都要對所花費的費用和可能獲得的成效的多少對比，只有當取得的效益所創(chuàng)造的價值大于或接近于投入，或從長遠的利益出發(fā)考慮有實際意義時，才有采用的價值。2023/3/1626（3）機械設備的工藝性能或制造性能

1）結(jié)構(gòu)工藝性：產(chǎn)品的制造工藝性是在設計時要充分考慮的十分重要的一項設計內(nèi)容。它會直接影響機器及其零部制造的難易程度、所花費的工時及制造成本。對制造工藝性的考慮的全面性和深入程度取決于設計師的經(jīng)濟積累和所具有實際技能和工藝知識。產(chǎn)品設計師必須聽取和吸收工藝師們的寶貴經(jīng)驗和知識。

2）機器規(guī)范性：零部件的規(guī)范性是指機械產(chǎn)品及其零部件的標準化、通用化和系列化程度，這會影響產(chǎn)品及其零部件的加工和制造工時、影響產(chǎn)品的制造成本和生產(chǎn)周期。有經(jīng)驗的設計師在設計產(chǎn)品時標準件、通用件和對產(chǎn)品系列化的考慮更全面和更深入，因而會帶一系列的好處。

3）生產(chǎn)時間性（生產(chǎn)周期）：產(chǎn)品的生產(chǎn)周期和進入市場時間的快慢是市場競爭的重要條件之一。產(chǎn)品投入市場有其時間性，有時顯得特別重要。許多企業(yè)千方百計地縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，以便在國內(nèi)外激烈的市場競爭中立于不敗之地。

4）容差合理性：機器零部件的公差配合和精度會直接影響加工難易程度及制造成本，也會影響產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。機器零部件的精度必須適當，既能滿足產(chǎn)品功能和性能的要求，又不浪費加工工時及增加制造成本。2023/3/16275）設備維修性：在設計產(chǎn)品時還要考慮產(chǎn)品的維護和檢修，要為產(chǎn)品的維修提供方便，維護和檢修的方便性可以降低維修成本，縮短產(chǎn)品維修的時間。模塊化的設計在產(chǎn)品的設計時經(jīng)常要考慮的一個重要問題，它可以大大地縮短檢修時間，增加維修的方便性。

設備的維修性還應考慮產(chǎn)品易損壞零部件的再制造的可行性和方便性，目前世界各國對產(chǎn)品易損壞零部件的修復和再制造工作十分重視，這項工作可以大大地延長產(chǎn)品的使用壽命，節(jié)省投資，是一項投資少、功效高的工作.6）裝運可行性：對一些大型或一些重要機械設備來說，機器及其零部件裝卸及運輸?shù)目尚行砸彩窃O計者必須考慮的問題，要保證機器及其零部件裝卸方便及從制造廠運至使用地點的可行性，如要保證特大型部件在運輸時能夠順利地通過橋梁及隧道。

7）報廢回收性：在科學技術(shù)發(fā)達的今天，產(chǎn)品的報廢和回收是一個應該考慮的問題。要建立一個節(jié)約型和經(jīng)濟型的社會，廢品回收是一項重要的工作。

8）制造經(jīng)濟性：前面提出的產(chǎn)品制造工藝性、零部件規(guī)范性、生產(chǎn)周期、機器維修、運輸與拆裝、報廢回收等都與制造過程中的經(jīng)濟性有直接關系。在某一方面考慮不周，就會增加制造加工的復雜性，延長制造周期，增加制造成本。這是一項十分復雜的工作，在產(chǎn)品設計時必須予以考慮。2023/3/16282.4產(chǎn)品質(zhì)量與設計質(zhì)量的概念

在新產(chǎn)品開發(fā)中，要充分考慮用戶的需求，使產(chǎn)品具有良好的質(zhì)量（Q）（狹義的），合適的價格（C）、較短的交貨時間或生產(chǎn)周期（T）、（可把前兩者作為制造性能來考慮）、優(yōu)良的工作環(huán)境（E）及良好的售后服務（S）這5個要素和前面所提出的三大性能是統(tǒng)一的，但三大性能的表述更為具體。

此外,產(chǎn)品的設計質(zhì)量也可以概括為主輔功能和三大性能的綜合，通過功能與三大性能的表示產(chǎn)品的設計質(zhì)量更為具體。產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)品的設計質(zhì)量是不相同的,產(chǎn)品的質(zhì)量主要體現(xiàn)用戶的要求,而產(chǎn)品的設計質(zhì)量應體現(xiàn)用戶、

企業(yè)和社會的所有要求。

2023/3/1629

3產(chǎn)品設計方法的分類及三段設計

3.1概述

3.2產(chǎn)品的設計理論與方法簡介

3.3產(chǎn)品的設計理論與方法的分類

3.4產(chǎn)品設計的7項內(nèi)容和3個階段

3.5完整性技術(shù)系統(tǒng)與非完整性技術(shù)系統(tǒng)

3.6產(chǎn)品功能與性能同設計要素間的關系

2023/3/16303.1概述

對產(chǎn)品設計工作者來說，設計產(chǎn)品所追求的首要目標是產(chǎn)品質(zhì)量。假如某種產(chǎn)品的質(zhì)量達不到要求，就會顯著降低它的使用價值，甚至完全喪失使用價值，它就會在市場中缺乏競爭力，最終將會被市場所淘汰。產(chǎn)品設計工作者所考慮的問題不只是產(chǎn)品的質(zhì)量（指的是使用質(zhì)量），他們所要考慮的問題要比與使用質(zhì)量相關的內(nèi)容要多得多，即應該考慮包括產(chǎn)品的質(zhì)量在內(nèi)的五大要素，質(zhì)量Q（狹義的）、成本C、設計制造周期T、環(huán)境E和售后服務S等所有要求，這些要求可以概括為用戶、企業(yè)及社會對產(chǎn)品設計工作提出的各種質(zhì)量要求。2023/3/16313.2產(chǎn)品設計理論與方法簡介(多達數(shù)十種)

產(chǎn)品的設計方法的種類

(1)比較著名的設計理論與方法:

1)前蘇聯(lián)的TRIZ理論

2)德國普適理論(物質(zhì)流、能量流、信息流)

3)美國的四個映射域公理設計理論(需求域、功能域、

物理域、過程域)

4)日本的QFD設計法和三次設計法等

我國也進行了大量研究，取得了許多重要成果。

(2)最近發(fā)展的主要設計理論與方法:

1)創(chuàng)新設計,概念設計

2)數(shù)字化設計,虛擬設計

3)全生命周期和全性能優(yōu)化設計

4)材料與結(jié)構(gòu)等一體化設計,多學科交叉綜合設計2023/3/1632

3.3產(chǎn)品的設計理論與方法的分類

3.3產(chǎn)品的設計理論與方法的分類

概念設計綠色設計ＴＲＩＺ發(fā)明解決問題功能設計全性能設計系統(tǒng)化設計過程常規(guī)設計過程

設計目標

設計環(huán)境現(xiàn)代機械設計方法匯總表

設計過程

設計方法

設計思想圖9現(xiàn)代機械設計方法的分類和諧設計創(chuàng)新設計面向產(chǎn)品質(zhì)量的設計基于價值工程的設計基于系統(tǒng)工程的設計穩(wěn)健設計方案設計結(jié)構(gòu)設計機構(gòu)設計幾何參數(shù)設計工藝參數(shù)設計造型設計傳動設計摩擦學設計運動學設計動力學設計可靠性設計強度設計試驗設計工藝設計監(jiān)測系統(tǒng)設計診斷系統(tǒng)設計容差設計控制系統(tǒng)設計基礎設計ＱＦＤ設計公理化設計

組合型設計三化綜合設計1+3+X設計面向產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能的動態(tài)優(yōu)化設計面向產(chǎn)品工作性能的智能優(yōu)化設計面向產(chǎn)品工藝性能的可視優(yōu)化設計三次設計改型設計優(yōu)化設計智能設計虛擬設計網(wǎng)絡設計反求設計并行設計可視化設計協(xié)同設計相似性設計數(shù)字化設計快速反應設計集成設計柔性化設計融合設計模塊化設計模糊設計優(yōu)勢設計CAＥ全生命周期優(yōu)化設計面向產(chǎn)品總體質(zhì)量的廣義優(yōu)化設計

設計內(nèi)容2023/3/16333.4設計理論與方法的7項內(nèi)容和3個階段

分為七大類

(1)設計思想類:TRIZ發(fā)明解決問題、創(chuàng)新設計、概念設計

(2)設計環(huán)境類:綠色設計、和諧設計

(3)設計過程類:常規(guī)設計、公理化設計、QFD設計

(4)設計目標類:QFD設計、功能設計、全性能設計、

基于價值工程的設計

(5)設計內(nèi)容類:動態(tài)設計、控制系統(tǒng)設計、工藝設計

(6)設計手段或方法類:優(yōu)化設計、智能設計、虛擬設計、可視化設計、網(wǎng)絡設計、協(xié)同設計

(7)綜合類:綜合設計

、結(jié)構(gòu)與材料一體化設計、多學科交叉融合設計2023/3/1634

(1)設計思想類的產(chǎn)品設計法

概念設計ＴＲＩＺ發(fā)明解決問題

設計思想基于系統(tǒng)工程的設計創(chuàng)新設計圖10設計思想類設計法產(chǎn)品設計在思想上應該具備：

(1)有正確的思想做指導；

(2)設計者要有正確的設計理念；

(3)對產(chǎn)品設計進行全面細致規(guī)劃。沒有正確的設計思想作指導，等于沒有“靈魂”。產(chǎn)品設計思想類的理論與方法有創(chuàng)新設計、概念設計、TRIZ發(fā)明解決問題的設計和基于系統(tǒng)工程的設計等。對于我國科技工作者來說，應在科學發(fā)展觀和自主創(chuàng)新的思想指導下完成產(chǎn)品設計。2023/3/1635(2)設計環(huán)境類的產(chǎn)品設計法和諧設計

設計環(huán)境綠色設計圖11設計環(huán)境類設計法產(chǎn)品設計環(huán)境包括自然環(huán)境、社會環(huán)境

、技術(shù)環(huán)境

、資金環(huán)境、市場環(huán)境等。

作為產(chǎn)品設計者應該充分考慮各種環(huán)境對產(chǎn)品設計的約束，使產(chǎn)品設計同各種環(huán)境處于協(xié)調(diào)與和諧；此外，還要充分利用環(huán)境資源，以便建設一個資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的社會。綠色設計是產(chǎn)品設計工作必須要考慮環(huán)境保護和資源的合理利用。由于產(chǎn)品設計與社會存在著不可分割的聯(lián)系，所以自然而然地綠色設計將拓展為和諧設計。2023/3/1636

(3)設計過程類的產(chǎn)品設計法

基于系統(tǒng)工程的設計過程應該包括：

第一階段：7D規(guī)劃

(1)要有明確的設計思想(2)要考慮設計環(huán)境

(3)要擬訂好設計過程(4)要確定好設計目標

(5)要規(guī)劃好設計內(nèi)容(6)要選擇好設計方法

(7)要檢驗產(chǎn)品設計質(zhì)量

第二階段：1+3+X綜合設計法

(1)要確定好設計目標

(2)要規(guī)劃好設計內(nèi)容

(3)要選擇好設計方法

第三階段：理論、測試和用戶試用要檢驗產(chǎn)品設計質(zhì)量這是一個完整的設計系統(tǒng)，也是一個完整的技術(shù)系統(tǒng)。公理設計QFD功能質(zhì)量展開的設計

設計過程基于系統(tǒng)工程的設計常規(guī)設計圖12設計過程類設計法2023/3/1637

(4)設計目標類的產(chǎn)品設計法產(chǎn)品的設計質(zhì)量應是功能與性能的綜合。功能與性能既有其獨立性，又有其內(nèi)在聯(lián)系，功能不等于性能。從以上觀點出發(fā)，產(chǎn)品設計的理想目標應是全部功能和全部性能，產(chǎn)品設計目標類的設計方法應是全功能全性能設計。功能包括主功能和輔助功能，而性能包括結(jié)構(gòu)性能、使用性能和制造性能。綜合設計理論與方法的基本目標就是要產(chǎn)品具有良好的功能與性能。

為此，在這一目標下，再通過產(chǎn)品的設計內(nèi)容與設計方法來實現(xiàn)這個理想的目標．圖13設計目標類設計法全性能設計面向產(chǎn)品廣義質(zhì)量的設計

設計目標面向價值工程的設計功能設計面向制造周期的設計面向維護維修的設計貫徹指導思想的設計面向設計環(huán)境的設計2023/3/1638

(5)設計內(nèi)容類的產(chǎn)品設計法

產(chǎn)品設計內(nèi)容是產(chǎn)品設計的核心：

第一部分：針對功能如總體結(jié)構(gòu)方案、兩種功能的結(jié)構(gòu)、三種機構(gòu)設計、四類參數(shù)設計、五大系統(tǒng)設計等的初步設計計算；

第二部分：針對結(jié)構(gòu)性能如三種機構(gòu)的詳細設計、運動學與動力學設計、可靠性設計、強度設計等；

第三部分：針對使用性能如狀態(tài)操縱系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)等的詳細設計；第四部分：針對制造性能如容差設計(公差和精度等)、工藝設計、工裝設計、試驗設計等。

摩擦學設計可靠性設計強度設計試驗設計工藝設計監(jiān)測系統(tǒng)設計診斷系統(tǒng)設計容差設計控制系統(tǒng)設計造型設計結(jié)構(gòu)設計機構(gòu)設計系統(tǒng)設計傳動機構(gòu)設計驅(qū)功機構(gòu)設計工作機構(gòu)設計參數(shù)設計運動學設計動力學設計

設計內(nèi)容圖14設計內(nèi)容類設計法操縱系統(tǒng)設計方案設計工裝設計2023/3/1639(6)設計方法類的產(chǎn)品設計法

設計方法改型設計優(yōu)化設計智能設計虛擬設計網(wǎng)絡設計反求設計并行設計可視化設計協(xié)同設計相似性設計數(shù)字化設計快速反應設計集成設計柔性化設計融合設計模塊化設計模糊設計優(yōu)勢設計CAＥ穩(wěn)健設計圖15設計方法類設計法綜合設計

設計手段類的設計方法包括：

優(yōu)化優(yōu)勢類：有穩(wěn)健設計、優(yōu)化設計、優(yōu)勢設計等

特殊設計方式類：有改型設計、反求設計、模糊設計、融合設計、柔性化設計、相似性設計、快速反應設計等

信息化高速化設計類：有智能設計、虛擬設計、網(wǎng)絡設計、并行設計、協(xié)同設計、數(shù)字化設計、CAE、可視化設計等

綜合集成設計類：有綜合設計、集成設計、模塊化設計等。2023/3/1640(7)綜合類的產(chǎn)品設計法

三化綜合設計1+3+X設計面向產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能的動態(tài)優(yōu)化設計面向產(chǎn)品工作性能的智能優(yōu)化設計面向產(chǎn)品工藝性能的可視優(yōu)化設計三次設計全生命周期優(yōu)化設計面向產(chǎn)品總體質(zhì)量的廣義優(yōu)化設計圖16組合類設計法

組合類設計幾種方法的組合：第一類：同一類的方法組合，如結(jié)構(gòu)與材料一體化設計

第二類：兩類不同方法的組合，如功能與性能，內(nèi)容與方法，例如，動態(tài)優(yōu)化，控制系統(tǒng)優(yōu)化設計等

第三類：多類不同方法的組合，如目標、內(nèi)容與方法的組合，如面向產(chǎn)品廣義質(zhì)量的綜合設計理論與方法，１＋３＋Ｘ綜合設計法等。2023/3/1641

產(chǎn)品設計的3個階段設計思想域DI設計環(huán)境域DE設計目標域DO

設計過程域DＰ

設計內(nèi)容域DC設計方法域DM質(zhì)量檢驗域DA主觀能動效應客觀環(huán)境要求用戶信息獲取功能需求實現(xiàn)

功能與性能的需求實現(xiàn)功能性能評價全局性態(tài)規(guī)劃一規(guī)劃階段二實施階段三檢驗階段2023/3/1642產(chǎn)品的總體設計規(guī)劃的第一階段:規(guī)劃階段

（1）明確設計思想：在科學發(fā)展觀和自主創(chuàng)新思想指導下完成產(chǎn)品設計工作；

（2）考慮設計環(huán)境：如政治、經(jīng)濟、人文環(huán)境、法律環(huán)境、社會環(huán)境（指國際與人際環(huán)境）、生態(tài)環(huán)境、技術(shù)環(huán)境的要求等；

（3）擬訂設計步驟：設計過程和步驟是用戶需求獲取、制訂設計任務書、產(chǎn)品概念設計、詳細設計、工藝設計；2023/3/1643

產(chǎn)品的總體設計規(guī)劃的第一階段:規(guī)劃階段

（4）確定設計目標：也就是本書所指的面向產(chǎn)品的廣義質(zhì)量和實現(xiàn)產(chǎn)品功能和性能的優(yōu)化

（5）規(guī)劃設計內(nèi)容：設計內(nèi)容就是面向產(chǎn)品功能和三大性能的功能優(yōu)化設計、動態(tài)優(yōu)化設計、智能優(yōu)化設計和可視優(yōu)化設計等；

（6）選擇設計方法：如選擇廣義優(yōu)化設計法、可視優(yōu)化設計法、數(shù)字化設計法等；

（7）檢驗設計質(zhì)量：如通過評估、產(chǎn)品試驗、用戶試用等.2023/3/1644

(1)產(chǎn)品的設計思想

產(chǎn)品的設計思想1指導思想:在科學發(fā)展觀及自主創(chuàng)新的思想指導下開展設計;2設計理念:設計產(chǎn)品的主觀意圖及力圖實現(xiàn)的全部理想;3設計規(guī)劃:按照系統(tǒng)工程的思想進行產(chǎn)品設計總體規(guī)劃.

圖17產(chǎn)品的設計理念模型如以科學發(fā)展觀和自主創(chuàng)新設計的思想做指導如設計產(chǎn)品的主觀意圖及企圖實現(xiàn)的全部理想如按照系統(tǒng)工程的思想進行產(chǎn)品設計總體規(guī)劃設計理念指導思想設計規(guī)劃2023/3/1645

(2)產(chǎn)品的設計環(huán)境

政治環(huán)境經(jīng)濟環(huán)境研發(fā)隊伍環(huán)境保護人文環(huán)境法律環(huán)境產(chǎn)品設計圖18產(chǎn)品的設計環(huán)境模型人際環(huán)境國際環(huán)境資源利用試驗條件資金環(huán)境市場環(huán)境自然環(huán)境社會環(huán)境技術(shù)環(huán)境產(chǎn)品的設計環(huán)境1社會環(huán)境:包括政治、經(jīng)濟、人文、法律、國際、人際環(huán)境等;2自然環(huán)境:環(huán)境保護（環(huán)境友好）、資源合理利用（節(jié)約）等;3其它環(huán)境:技術(shù)環(huán)境、資金環(huán)境、市場環(huán)境等。2023/3/1646

(3)產(chǎn)品的設計過程

產(chǎn)品設計過程規(guī)劃：包括用戶需求獲取、功能方案設計、性方案設計、工藝設計、產(chǎn)品設計質(zhì)量檢驗。質(zhì)量檢驗域工藝性能優(yōu)化（可視優(yōu)化設計）產(chǎn)品功能優(yōu)化功能優(yōu)化設計工作性能優(yōu)化智能優(yōu)化設計結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化動態(tài)優(yōu)化設計面向產(chǎn)品的廣義質(zhì)量（功能+性能）功能與性能檢驗設計質(zhì)量檢驗工藝設計實現(xiàn)工藝需求1+3+X綜合設計獲取用戶信息制訂設計任務書提出功能需求產(chǎn)品方案設計實現(xiàn)功能需求產(chǎn)品詳細設計實現(xiàn)功能與性能需求功能域性能域工藝域用戶需求域圖19產(chǎn)品設計過程的5個映射域及5S設計過程模型2023/3/1647

(4)產(chǎn)品的設計目標

產(chǎn)品設計可以五大要素目標：即產(chǎn)品的使用質(zhì)量Ｑ、制造成本Ｃ、生產(chǎn)周期Ｔ、環(huán)境保護Ｅ和售后服務Ｓ。圖20以產(chǎn)品五大要素為設計目標的5個映射域和5O設計規(guī)劃模型使用質(zhì)量制造成本生產(chǎn)周期環(huán)境保護售后服務使用質(zhì)量制造成本生產(chǎn)周期環(huán)境保護售后服務ＵＱＭＣＭＰＧＥＡＳ2023/3/1648產(chǎn)品設計可以功能和性能為目標：即主功能、輔助功能、結(jié)構(gòu)性能、使用性能和制造性能。

圖21以產(chǎn)品功能與性能為設計目標的5O設計規(guī)劃模型主要功能輔助功能結(jié)構(gòu)性能使用性能制造性能基本功能輔助功能結(jié)構(gòu)性能使用性能制造性能ＭＦＳＦＣＰＵＰＭＰ2023/3/1649

(５、６)產(chǎn)品的設計內(nèi)容和方法

3

X動態(tài)優(yōu)化設計智能優(yōu)化設計可視優(yōu)化設計面向產(chǎn)品的廣義質(zhì)量（功能+性能）1+3+X綜合設計法++工作性能優(yōu)化（智能優(yōu)化設計）功能優(yōu)化設計1特殊要求優(yōu)化設計產(chǎn)品功能優(yōu)化(功能優(yōu)化設計)滿足某種特殊要求

(某種特殊設計法）工藝性能優(yōu)化

(可視優(yōu)化設計)結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化

(動態(tài)優(yōu)化設計)

圖22以產(chǎn)品功能與性能為設計目標的5O設計規(guī)劃模型主輔功能結(jié)構(gòu)性能使用性能制造性能特殊性能主輔功能結(jié)構(gòu)性能使用性能制造性能特殊要求ＭＳＦＣＰＵＰＭＰOP2023/3/1650

(7)產(chǎn)品的設計質(zhì)量的檢驗

產(chǎn)品設計質(zhì)量檢驗評價法對設計質(zhì)量進行評估通過試驗工作檢驗設計質(zhì)量通過用戶使用檢驗產(chǎn)品質(zhì)量如通過用戶使用如對產(chǎn)品進行試驗如采用模糊評價法圖23產(chǎn)品設計質(zhì)量的評估及檢驗模型2023/3/16513.5完整性技術(shù)系統(tǒng)與非完整性技術(shù)系統(tǒng)

產(chǎn)品設計總體規(guī)劃的7個映射域與產(chǎn)品設計的7D總體規(guī)劃模型:(1)明確設計思想；(2)考慮設計環(huán)境；(3)確定設計目標；(4)擬訂設計過程；(5)規(guī)劃設計內(nèi)容；(6)選擇設計方法；(7)檢驗設計質(zhì)量.。產(chǎn)品設計應是一個完整的技術(shù)系統(tǒng)：

(1)對產(chǎn)品設計工作進行全面系統(tǒng)的規(guī)劃；

(2)對具體的設計過程制出訂完整細致的計劃；

(3)對設計結(jié)果進行評價與檢驗。完整的技術(shù)系統(tǒng)可以保證技術(shù)工作得到全面、系統(tǒng)、協(xié)調(diào)、穩(wěn)定、高速、可持續(xù)地實現(xiàn)．克服產(chǎn)品設計工作中常常出現(xiàn)的隨意性、片面性、主觀性、盲目性等。非完整的技術(shù)系統(tǒng)會產(chǎn)生許多不良的結(jié)果，如延期、反工、誤工、浪費等。2023/3/1652產(chǎn)品的總體設計規(guī)劃的第二階段:實施階段

設計目標、設計內(nèi)容、設計方法的有效結(jié)合圖24為貫徹產(chǎn)品設計目標的設計法全性能設計全功能設計貫徹設計思想的設計面向環(huán)境的設計基于系統(tǒng)工程的設計面向綜合目標的設計面向生產(chǎn)周期的設計面向維修的設計面向產(chǎn)品成本的設計環(huán)境目標技術(shù)目標綜合目標思想目標售后目標時間目標經(jīng)濟目標設計目標類2023/3/1653設計目標、設計內(nèi)容、設計方法的有效結(jié)合設計內(nèi)容類圖25以設計內(nèi)容命名的設計法方案設計結(jié)構(gòu)設計機構(gòu)設計運動學設計摩擦學設計動力學設計強度設計可靠性設計操縱系統(tǒng)設計工藝設計監(jiān)測系統(tǒng)設計診斷系統(tǒng)設計造型設計控制系統(tǒng)設計容差設計參數(shù)設計傳動機構(gòu)設計驅(qū)動機構(gòu)設計試驗設計工裝設計工作機構(gòu)設計滿足制造性能要求滿足使用性能要求滿足結(jié)構(gòu)性能要求滿足主輔功能要求

產(chǎn)品的總體設計規(guī)劃的第二階段:實施階段2023/3/1654產(chǎn)品的總體設計規(guī)劃的第二階段:實施階段圖26以設計方法命名的設計法CAＥ虛擬設計智能設計數(shù)字化設計網(wǎng)絡設計并行設計協(xié)同設計可視化設計設計手段類綜合集成方向所用設計方法方向信息化智能化方向優(yōu)化設計方向集成設計模塊化設計綜合設計相似性設計改型設計反求設計柔性化設計融合設計模糊設計優(yōu)化設計穩(wěn)鍵設計快速反應設計優(yōu)勢設計2023/3/1655

產(chǎn)品的設計目標、內(nèi)容與方法

3（全性能設計）X（特殊要求設計）動態(tài)優(yōu)化設計智能優(yōu)化設計可視優(yōu)化設計面向產(chǎn)品的廣義質(zhì)量（功能+性能）1+3+X綜合設計法++工作性能設計（監(jiān)測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、診斷系統(tǒng)）優(yōu)化設計＼智能設計

圖27產(chǎn)品的1+3+X綜合設計法功能優(yōu)化設計1（全功能設計）特殊要求優(yōu)化設計產(chǎn)品功能設計(結(jié)