设计方法学学习.pptx

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1、第二章 设计方法学2.1 概述 设计方法学的产生与发展 概述设计方法学及其研究对象第1页/共42页第二章 设计方法学2.1 概述 概述设计方法学的产生与发展 设计方法学是一门正在发展和形成的新兴学科，它的定义、研究对象和范畴等，当前尚无确切的、公认的表述，但近年来它的发展极快，受到各国及有关学者广泛的关注。在最早进行设计方法学研究的学者中，应该提到德国的FReuleaux，1875年他在理论运动学一书中第一次提出了“进程规划”的模型，即对很多机械技术现象中本质上统一的东西进行抽象，在此基础上形成一套综合的步骤。这是最早对程式化设计的探讨，因而有人称他为设计方法学的奠基人。第2页/共42页第二章

2、 设计方法学2.1 概述 自20世纪60年代初期以来，由于各国经济的高速发展，特别是竞争的加剧，一些主要工业国家往往采取措施来加强设计工作，从而使得设计方法学研究在这一时期取得了飞速发展。20世纪70年代末，欧洲出现了由瑞士的VHuhka博士、丹麦的MMAndeasen博士及加拿大的WEEder教授组成的欧洲设计研究组织WDK（Workshop Design-Konstr-uktion）。此后，WDK发起并组织了一系列国际工程设计会议ICED（International Conference on EngineeringDesign），参加会议的人员和范围逐渐扩大。1980年前后，由于德国学者

3、、西欧和北欧学者、日本学者及美国学者先后不断地来华讲学，使我国学者，开始对西方各学派进行学习与研究。概述设计方法学的产生与发展 第3页/共42页第二章 设计方法学2.1 概述 关于什么是设计方法学，不同学者有不同看法，目前比较完整和有一定代表性的是瑞士VHuhka博士提出的一些观点。他认为设计方法学是研究解决设计问题的进程的一般理论，包括一般设计战略及用于设计工作各个具体部分的战术方法，他还提出了其主要领域及大致结构，包括进程模式、进程规划、进程风格、方法、方法学行动规划、工作方法、工作原则等。概述设计方法学的产生与发展 第4页/共42页第二章 设计方法学2.1 概述 设计方法学具体的研究对象

4、有：（1）设计对象：设计对象是一个能实现一定技术过程的技术系统。（2）设计进程：设定技术过程及规划技术系统的边界，确定技术系统的总功能，包括物质功能和精神功能。（3）设计评价：优选多个设计方案的方法是，先根据一定的准则和方法对各方案进行评价，然后按正确的原则和步骤进行决策，逐步求得最优方案。概述设计方法学及其研究对象第5页/共42页第二章 设计方法学2.1 概述 设计方法学具体的研究对象有：（4）设计思维：设计是一种创新，设计思维应是创造性思维，创造性思维有其本身的特点和规律，并可通过一定的创造技法来激发人们的创造性思维。（5）设计工具：把分散在不同学科领域的大量设计信息集中起来，按设计方法学

5、的系统程式分类列表，建立各种设计信息库，通过计算机等先进设备方便快速地调用参考。（6）现代设计理论与方法的应用：把成批涌现且不断发展的各种现代设计理论与方法应用到设计进程中来，使设计方法学更臻完备。概述设计方法学及其研究对象第6页/共42页第二章 设计方法学2.2 技术系统及其确定 技术系统信息集约技术系统及其确定调研预测第7页/共42页第二章 设计方法学2.2 技术系统及其确定 技术系统所具有的功能，是完成技术过程的根本特性。从功能的角度分析，技术系统应具有下列能完成不同分功能的单元：作业单元，完成转换工作；动力单元，完成能量的转换、传递与分配；控制单元，接受、处理和输出控制信息；检测单元，

6、检测技术系统各种功能的完成情况，反馈给控制单元；结构单元，实现系统各部分的连接与支承。技术系统及其确定技术系统 第8页/共42页第二章 设计方法学2.2 技术系统及其确定 图2-1所示的是切削加工中心的功能构成。图2-1 切削加工中心的功能构成 技术系统及其确定技术系统 第9页/共42页第二章 设计方法学2.2 技术系统及其确定 技术过程的确定，对设计技术系统是非常重要的。确定的一般步骤如下：根据信息集约和调研预测的资料，分析确定作业对象及其主要转换要求；分析比较传统的和现代的理论和实践，确定实现主要转换的工作原理；明确实现技术过程的环境和约束条件，环境是与技术系统发生联系的外界的总和，约束条

7、件包括经济条件、生产条件、技术条件、社会条件等；确定主要技术过程和其他辅助过程；根据高效、经济、可靠、美观、使用方便等原则，初步划定技术系统的边界，即工作范围。技术系统及其确定技术系统第10页/共42页第二章 设计方法学2.2 技术系统及其确定 信息集约由企业各部门共同完成，分工如下。（1）情报部门：如产品的技术资料及发展趋势、专利情报、行业技术经济情报等。（2）开发部门：如性能试验，、新材料、新工艺、新技术、产品性能和规格、产品造型、各种标准法规、设计方法等。（3）制造部门：如生产能力、工时、制造工艺、设备、技术数据等。（4）营销部门：如国家产业和政策、产品寿命周期分析、市场调查、需求预测、

8、经营销售分析、材料和外购件的价格与供应情况、质量与供货能力、老产品用户意见分析、事故与维修情况分析等。（5）公关部门：如产品和企业的社会形象、同行的竞争与联合等。（6）社会部门：如产品与环境污染、节能、资源、动力供应等的关系，产品进入和退出社会、报废消失、升级换代等的效应等。技术系统及其确定信息集约 第11页/共42页第二章 设计方法学2.2 技术系统及其确定 调研预测一般从市场、技术、社会环境及企业内部四个方面进行。技术系统及其确定调研预测12345市场调研技术调研社会环境调研企业内部调研可行性报告 第12页/共42页第二章 设计方法学2.3 设计系统 设计的工作阶段 解决问题的逻辑步骤 设

9、计方法 设计系统第13页/共42页第二章 设计方法学2.3 设计系统 系统工程是在控制论、信息论、运筹学和管理科学基础上发展起来的，用于解决工程问题，使之达到最优设计、最优控制和最优管理的一门科学。设计系统第14页/共42页第二章 设计方法学2.3 设计系统 1产品规划阶段产品规划阶段 该阶段要进行需求分析、市场预测、可行性分析，确定设计参数及制约条件，最后给出详细的设计任务书（或要求表），以作为设计、评价和决策的依据。设计系统设计的工作阶段 第15页/共42页第二章 设计方法学1产品规划阶段产品规划阶段 功能运动参数：运动形式、方向、速度、加速度动力参数：功率、效率、作用力（力矩）大小、方向

10、、载荷性质压力等其他性质：寿命、可靠性、精度等经济性尺寸（长、宽、高）、体积、重量的要求及限制成本（理想成本、最高允许成本）生产率制造材料的要求及限制加工检验条件及限制装配要求、地基及安装现场要求等使用使用对象维护：调整、修理、配换等要求人机环境协调：操纵、控制、照明、安全技术、噪声、温度、特殊环境等美学：外观、造型、色彩等期限设计完成日期、研制完成日期、供货日期设计任务书的内容可参考表2-1。表2-1 设计任务书（要求表）参考内容 2.3 设计系统 设计系统设计的工作阶段 第16页/共42页第二章 设计方法学2.3 设计系统 2方案设计阶段方案设计阶段 在功能分析的基础上通过创新构思、搜索探

11、求，优化筛选出较理想的功能原理方案，这是决定产品性能、成本，关系到产品水平及竞争能力的重要阶段。设计系统设计的工作阶段 第17页/共42页第二章 设计方法学2.3 设计系统 3技术设计阶段技术设计阶段 该阶段是将功能原理方案具体化为机器及零部件的合理结构。相对于方策案阶段的创新设计，技术设计阶段应有更多反映设计规律的合理化设计要求。设计系统设计的工作阶段 第18页/共42页第二章 设计方法学2.3 设计系统 1总体设计包括机器各部件的总体布置，运动配合，人机环境的合理关系。2结构设计包括零部件选择材料，设计结构，确定尺寸（包括参数及尺寸的优化）。3商品化设计从技术、经济各方面提高产品的市场竞争

12、能力。4模块或样机试验通过试验，检查产品的功能及整机和零部件的强度、刚度，运转精度，振动稳定性、噪声等方面性能，及时进行必要的改进，以更好地满足原设计要求。设计系统设计的工作阶段 3技术设计阶段技术设计阶段 第19页/共42页第二章 设计方法学2.3 设计系统 4施工设计阶段施工设计阶段 该阶段进行零件工作图、部件装配图的设计，完成全部生产图纸并编制设计说明书、工艺文件、使用说明书等有关技术文件。设计系统设计的工作阶段 第20页/共42页第二章 设计方法学2.3 设计系统 1分析分析 明确问题的本质要求，这是解决问题的前提。分析综合评价决策综合综合 在一定条件下，对未知系统探寻解法的创造性过程

13、，应采用各种方法求得尽可能多的解法。设计系统解决问题的逻辑步骤 2第21页/共42页第二章 设计方法学2.3 设计系统 评价评价 评价是筛选的过程。用科学方法对多种方案进行比较和评定，同时针对某些方案的弱点进行调整和优化。分析综合评价决策决策决策 在评价的基础上根据已定的目标找出解决问题的最佳解法。设计系统解决问题的逻辑步骤 34第22页/共42页第二章 设计方法学2.3 设计系统 在20世纪70年代以后，随着数理方法、控制理论、系统工程、创造工程、价值工程等学科的发展，以及电子计算机的广泛应用，促使许多跨学科的科学现代设计方法出现，使工程设计进入创新、高质量、高效率的新阶段。设计系统设计方法

14、 第23页/共42页第二章 设计方法学2.3 设计系统 现代设计方法的特点1程式性：研究设计的全过程。创造性：突出人的创造性，发挥集体智慧，力求探寻更多突破性方案，开发创新产品。系统性：强调用系统工程处理技术系统问题。优化性：设计的目的是得到功能全、性能好、成本低的价值最优的产品。设计系统设计方法 234第24页/共42页第二章 设计方法学2.3 设计系统 现代设计方法的特点5综合性：现代设计方法建立在系统工程、创造工程基础上，综合运用信息论、优化论、相似论、模糊论、可靠性理论等自然科学理论和价值工程、决策论、预测论等社会科学理论，同时采用集合、矩阵、图论等数学工具和电子计算机技术，总结设计规

15、律，提供多种解决设计问题的科学途径。6计算机辅助设计：计算机将更全面地引入设计。设计系统设计方法 第25页/共42页第二章 设计方法学2.4 系统化设计法系统化设计法结构方案的变形 设计工具 功能分析法 第26页/共42页第二章 设计方法学2.4 系统化设计法 系统化设计法是将工程设计任务或机电产品看做技术系统，用系统工程方法进行分析和综合。技术系统及其处理对象可用图2-2来表示。图2-2 技术系统 系统化设计法第27页/共42页第二章 设计方法学2.4 系统化设计法功能分析法是系统优化设计中探寻功能原理方案的主要方法。功能分析法的设计步骤及各阶段应用的主要方法如图2-4所示。图2-4 功能分

16、析法的步骤及方法 系统化设计法功能分析法 第28页/共42页第二章 设计方法学2.4 系统化设计法1总功能分析 总功能的描述要准确、简洁，合理抽象，抓住本质，这样便于使设计目的明确，思路开阔。分析系统的总功能常采用“黑箱法”。将待求的系统看作未知内容的“黑箱”，分析、比较系统输入和输出的能量、物料和信号，其差别和关系是反映系统的总功能。如图2-5(a)所示。图2-5 黑箱 系统化设计法功能分析法 第29页/共42页第二章 设计方法学2.4 系统化设计法功能分解 一般工程系统都比较复杂，难以直接求得满足总功能的系统解。按照系统分解的原则进行功能分解，可通过较简单的功能元去求解。总功能可分解为分功

17、能、二级分功能功能元，并用树状的功能关系图（功能树）表达。图2-6是材料拉伸试验机的功能分解结构图。图2-6 试验机的功能分解结构图 系统化设计法功能分析法 2第30页/共42页第二章 设计方法学2.4 系统化设计法功能元求解 功能元求解是方案设计中的关键步骤，可参考有关资料或利用各种创造性方法开阔思路，广泛搜索，探寻尽可能多的功能元解。机器、仪器中的基本功能元可分为三类：物理功能元、逻辑功能元和数学功能元。对各种功能元，有系统地搜索解法，并按一定分类排序原则，用矩阵表列出，即形成解法目录。解法目录既便于设计人员进行参考，也有利于存入计算机，进行计算机辅助设计。系统化设计法功能分析法 3第31

18、页/共42页第二章 设计方法学2.4 系统化设计法求系统原理解：将各功能元解合理组合，可以得到多个系统原理解。可采用形态综合法进行功能元解的组合。将系统的功能元列为纵坐标，各功能元的相应解法列为横坐标，构成形态学矩阵如表2-3所示。从每项功能元中取出一种解进行有机组合，即可得到一个系统解，最多可以组合出N种方案：，其中为功能元数；为第种功能元解的个数。表2-3 系统解的形态学矩阵 系统化设计法功能分析法 4第32页/共42页第二章 设计方法学2.4 系统化设计法求最佳系统原理方案 在众多方案中比较方案一般由粗到细，由定性到定量进行优选。首先进行粗筛选，把与设计要求不符的或各功能元解不相容的方案

19、去除。定性选取比较满意的几个方案后再采用科学的评价方法进行定量评价，从中选出符合没计要求的最佳原理方案。系统化设计法功能分析法 5第33页/共42页第二章 设计方法学2.4 系统化设计法1设计目录 设计目录提供与设计进程有关的信息，如物理效应、作用原理、构形方法等，一般由分类、主体、检索三部分组成。根据内容不同，设计目录可分三种。（1）对象目录：提供有关物理、几何、材料、工艺等设计对象的知识和信息，设计时按目录选用。（2）作业目录：提供各种单项设计工作步骤、工作过程及其使用条件和判断准则等，如构型规则、解法选用、特性计算等。（3）解法目录：解法目录列入特定功能、任务，或附带一定的边界条件，如各

20、种产生某种功能的效应、载体、外形及制造方法等。系统化设计法设计工具 第34页/共42页第二章 设计方法学2.4 系统化设计法知识库（1）数据库：各种物理效应、功能载体、技术参数等，都能以数据库的形式存入计算机，以供检索查询。（2）设计词典：按某种设计要求编词典。如功能-载体词典把常用的功能编为词典条目，关键词是一个动词，再加限制性形容词。（3）手册：各种设计手册如机械工程手册等，也属于知识库的范畴，使用广泛。系统化设计法2设计工具 第35页/共42页第二章 设计方法学2.4 系统化设计法 从定性到定量：定性构形,，选材料，再定量确定零件尺寸；从局部到整体：功能面构形后组合为零件，通过零件间的连

21、接或相对运动构成部件。结构方案设计的思路系统化设计法结构方案的变形 第36页/共42页第二章 设计方法学2.4 系统化设计法1功能面变形 功能面是零件中完成主要功能作用的面，如传递力或扭矩的传力面、相对运动面等。功能面可按其形状、大小、数目、位置变形。图2-7是由功能面变形得到的不同轴毂连接方案。图2-7 轴毂连接变形系统化设计法结构方案的变形 第37页/共42页第二章 设计方法学2.4 系统化设计法连接变形 相对静止零件之间的传力称为连接。可按照拆卸特点（可拆或不可拆）及锁合原理对连接进行分类和变形，如表2-5所示。表2-5 连接的变形 系统化设计法结构方案的变形 2第38页/共42页第二章

22、 设计方法学2.4 系统化设计法功能运动变形 在实现功能的过程中，功能面或功能体之间有功能运动。功能运动可按其类型（移动、转动、复杂运动）、性质（均匀、不均匀、连续、断续）、方向（单向，往复）、数目（一个运动或多个运动合成）、大小（速度高低）等变形。如图2-8所示的无心磨。图2-8 运动型式的变形系统化设计法结构方案的变形 3第39页/共42页第二章 设计方法学2.4 系统化设计法材料变形 根据工作要求，可选用各种金属材料、非金属材料，固体、液体或气体材料。不同材料将影响结构方案的形成，如铸钢、铸铁、铸铝同为铸件，但其结构各有特点。通过功能面变形、连接变形，功能运动变形和材料变形可综合出多种结构方案供选用。系统化设计法结构方案的变形 4第40页/共42页第二章 设计方法学习题二 1设计方法学的研究对象有哪些？2什么是技术系统？举例说明技术系统应该 具有的分功能单元。3设计有哪几个工作阶段？4解决问题的逻辑步骤。5简述现代设计方法的特点。6简述功能分析法的设计及逻辑步骤。7简述结构方案设计的思路是什么？8系统化设计具有哪些特点？习题二习题二第41页/共42页感谢您的观看！第42页/共42页