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1、机 械 创 新 设 计,武汉理工大学物流工程学院物流自动化系,第 三 章 系统化设计方法,（计划与原理方案设计）,系统化设计法是将设计对象看作一个系统，用系统工程的方法进行分析与综合，按设计进程有条理有步骤地进行设计，以求得价值最优的最佳方案的一种方法。计划是设计进程模式中的第一阶段内容；原理方案设计是设计进程模式中的第二阶段中第一步的内容。这二者决定了整个设计的方向和基本构思。,明确设计任务（计划阶段的主要内容）如果把一次设计看作是进行一次战役的话，那么计划阶段的任务就是要确立此次战役的战略目标，制定战略思想。,此阶段有三项具体内容：需求识别（确立此次战役的战略目标）调查及可行性研究 产品设
2、计任务书,明确设计任务,任何产品的开发都是从某种需求的识别开始的。如衣食住行视听说方面的产品。所谓需求识别就是决定开发什么样的产品。(当然是指能进入市场，占领市场的产品),需求识别,上世纪七十年代初，日本人从“人民日报”，“中国建设”，“人民中国“等公 开发行的报刊杂志上逐渐地收集，积累信息，从字里行间窥探出有关大庆油田的准确信息。由此，日本石油机械公司作出决策，增加生产炼油设备，等待中国的订购。果然，由于日本距中国较近，运输方便，产品价格尚能接受，经过贸易谈判，中国于1973年进口了日本的炼油成套设备。这就是采用需求识别确立战略目标的典型范例。,例,明确设计任务,需求识别应列入设计的进程模式
3、中，因为认识到一种需求，本身就是一个创造过程。爱因斯坦说过：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为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。”有一位软件设计人员说：只要你想得出的（即认识到某种需求），他就能设计得出。有很多产品出自于生产实践和生活，而设计者是一些门外汉。为什么不是专家或内行设计的呢?这是因为不能他们认识到这种需求，没有参与这一创造过程。目前，社会上有许多人或单位有资金，有技术，有场地，就是没有产品，这就是因为不能识别需求。,明确设计任务,需求有两种：一种为显需求，一种
4、为隐需求。显需求是人们都知道的，说得出来的明显需求。如衣食住行的产品：各种衣服，食品，房屋及交通工具等。隐需求是人们还没有意识到的潜在需求。显然，今天的许多显需求，在昨天还是隐需求。如微波炉，在推向市场之前，人们对它只是一种隐需求，进入 市场后，人们使用起来觉得很方便，它才变成一种显需求。设计者的任务不仅仅是去不断改进，提高那些满足人们显需求的产品，更重要的是要去开发那些满足人们隐需求的产品。(显需求一般为适应性设计与改进性设计，隐需求一般为创造性设计),例,明确设计任务,一次战役的胜负不取决于局部战术，决定的因素在于明确的战略目标和正确的战略思想。一次产品开发的成败，最困难的不一定是采用科学
5、技术手段的高低，而是确定需要什么样的产品。如果一个产品开发出来以后，不能被市场所接受，则说明开发它的战咯目标和战略思想不正确，或者市场调查不够深入。,所以说，需求识别的结果就是确立了此次战役的战略目标。,明确设计任务,此阶段是在需求识别所确定的产品构思基础上，从市场需求，技术，经济，社会以及法律政策等方面进行全面的调查与分析，并论证该产品构思是否有效。如果可行，那么构思出一套可行的方案，并提出可行性研究报告，作为本阶段的输出，进入下一设计阶段。,明确设计任务,2调查及可行性研究,现在国际国内都比较重视项目的可行性研究，以尽量避免或减少失误造成的经济损失。对于一些大项目，更是慎之又慎。,可行性研
6、究报告包括以下主要内容：(1)从市场需求预测出发，论述该设计项目的必要性；(2)该产品目前国内外现状及水平；(3)确定产品的技术规格、性能参数和约束条件；(4)提出该产品的技术关键和解决途径；(5)预期达到的技术、经济、社会效益；(6)预算投资费用及项目进度、期限。,明确设计任务,3产品设计任务书 拟定产品设计任务书即为明确系统的功能，输入与输出，确定系统的边界及约束条件。任务完成后可根据产品设计任务书提出的设计要求，作为评价的依据。(1)拟定原则*全面：尽可能列出全部设计要求；*定量：设计要求尽可能定量化；*适度：设计要求定得不高不低：*先进：与同类产品相比能体现出先进性。,明确设计任务,(
7、2)设计要求 产品设计要求是设计、制造、试验和鉴定的依据。设计要求一般包括以下几方面：必达要求 根据设计任务规定，必须无条件达到的要求。如机械产品的功能，生产率，精度，安全性与可靠性等指标。最低要求 主要反映设计的边界及约束条件（即系统的环境）。如机械产品的工作环境，空间尺寸，噪声大小，维修可达性等。尽量满足的要求(即希望)在可能条件下希望考虑的要求。,明确设计任务,(3)设计任务书的格式,目前设计任务书没有统一的格式，它可用明细表，合同书等方式表达。产品设计要求拟定后,必须以设计任务书的形式固定下来。设计任务书是设计师进行产品设计的路标,是产品鉴定和验收的依据,是解决设计单位和委托单位之间矛
8、盾的准绳。,明确设计任务,19世纪40年代，美国通用电气公司的工程师迈尔斯首先提出功能的概念，并把它作为价值工程研究的核心问题。他认为，顾客购买的不是产品本身，而是产品的功能。在设计科学的研究过程中，人们也逐渐认识到产品机构或结构的设计往往首先由工作原理确定，而工作原理构思的关键是满足产品的功能要求。机械产品的常规设计是从结构件开始，而功能分析则是从对机械结构的思考转为对它的功能思考，从而做到不受现有结构的束缚，以便形成新的设计构思，提出创造性方案。,功能分析设计法,功能分析设计法,明确设计任务,在产品创新设计中,由于只有在认清问题本质的同时,才能得到根本性的创造。而产品概念设计的主要目的是产
9、生满足所需功能要求的设计解,设计过程受功能制约,也就是说,设计由功能引导,所以功能在概念设计中起着十分重要的作用。功能根据不同的研究领域和不同的研究对象有不同的定义。当功能与组件相联系时,它表现出一种相关性;在实际运作上,功能是组件在能量、材料、信息之间输入和输出的一种关系;在实施目标上,功能又是设计目的和组件行为之间的一种纽带;对具体产品来说,功能是指产品的效能、用途和作用。人们购置的是产品功能,人们使用的也是产品功能。当功能与原始问题相联系时,功能成为描述设计问题的行为和结果。,功能分析设计思路,明确设计任务,产品设计过程的出发点是来自于产品设计任务书,也就是说,产品设计是要在设计任务书要
10、求的条件下达到预定的目的,实现系统的目的功能。而产品概念设计是根据任务书的要求产生设计概念,它的目的是为设计系统寻找一个或一组满足设计任务书要求的原理解,它的过程是将抽象的功能转化为具体结构。设计方法学中提出了从给定的设计任务书中产生一个设计的全局功能,然后对此功能分解成一系列相互独立的子功能,再由此子功能形成一个层状的可映射到结构解的功能结构。,技术系统的功能即产品的用途。功能是产品所具有的能够满足用户某种需要的特性。按功能的重要程度，功能分为两类：基本功能与辅助功能。基本功能是实现产品使用价值必不可少的；辅助功能即产品的附加功能。如闹钟：基本功能是指示时间，辅助功能是提示注意。系统具有的功
11、能一般总是以成本作为代价的，多余的功能会使用户付出更多的代价，所以附加功能要根据技术条件进行取舍或改变。,例,功能分析设计法,功能概念,功能分类,按用户要求的性质分，有使用功能与外观功能。使用功能是指产品的实际使用价值，即能够满足用户使用要求的功能。齿轮加工机床的“加工齿轮”的功能：载重汽车的“运输货物”的功能：手表的“指示时间”的功能等，都是使用功能。外观功能是指在使用功能的基础上，对产品起美化，装饰作用的功能。外观功能具有吸引顾客的作用。同类产品中，在价格，性能相同的条件下 外观最受顾客欢迎者，必能取得竞争的优势。故在设计产品时，在保证实现产品的使用功能的前提下，还必须注意重视产品的外观功
12、能。,例,功能分析设计法,按用户的需要划分，有必要功能与不必要功能。必要功能是指凡是用户所需要的功能。不必要功能是指凡是用户不需要的功能，包括多余功能及过剩功能。多余功能是由于不根据实际情况分析而盲目照搬已有设计形成的。吉普车过去在战场或恶劣环境中越野行驶，具有前后轴分别驱动的功 能在城市中行驶前轴驱动功能就成为多余的功能。过剩功能是指有的功能属必要，但超过产品所需的适宜程度。产品的功率，速度，寿命等性能超过实际需要；采用过分贵重的原材 料；不必要地提高加工精度等。使用普通车床加工批量很大的零件（已成为专用机床）时，车床的变 速功能则成为多余的。,例,例,例,功能分析设计法,采用功能分析法进行
13、原理方案设计时，按下列步骤进行工作：(1)确定总功能(2)总功能分解(分析)(3)功能元求解 寻求完成功能元的技术实体功能载体(4)求整体方案解(综合)(将分功能解组合成整体方案解)(5)评价与决策(对得到的多种方案优选出最优解)此过程中，用到了解决问题的逻辑步骤：,分析,综合,评价,决策,功能分析设计法,功能分析设计步骤,(1)功能定义 一要抽象，二要准确，二要简洁。抽象：确定总功能时应首先使设计问题抽象化 抽象与具体对应了两种思维方式。问题越具体思维就会越收敛，问题越抽象则思维就越发散，发散思维才有创造性。,确定总功能,不论是开发性设计(设计全新产品)，还是适应性设计(改造已有产品)，都要
14、求设计人员能够跳出已有产品结构原理的框框，去探索，开拓实现新产品功能的新思路，新方法。由于思维的惯性作用，人们的思维易被已有产品结构，原理所局限，依循着老的设计思路兜圈子。要使设计者产生新思路，就必须把问题抽象化，其目的就是为了有利于开拓设计思路。,确定总功能,破壳取仁,壳仁分离,砸：锤（冲击）,夹：（杠杆）,压：（静压）,扔：核桃向硬靶,取出核桃仁的功能描述,功能定义,作用于核桃,原理解法,钻孔后，向壳内充气,整体加压：外压骤减，内压破壳,除以上考虑外,反作用于核桃,外部施力,内部施力,抽象化,还原法则,逆向思维,例,确定总功能,确定总功能,中国古代哲学家老子认为我们所见的万物之本隐入不可见
15、之中。人的本质不在肉体的外貌。产品的功能也不在可见的结构。实际的设计问题千变万化，多种多样且各具特色。设计师必须善于简化问题，提炼出本质的要素，揭示整个体系的内在结构或者形式即是抽象化的过程。,功能定义务求准确，避免失真，要客观地反映产品的真实功能。自来水笔通常用来写字或绘图 功能定义只能表达产品的基本效用，没有说明实现效用的具体条件。如果没有具体条件的约束，能达到定义所规定功能的产品将会有很多种。能够完成“加工孔”的功能的机床,确定总功能,准确,例,例,，如果定义为“写字”就会失它自身并不能完成这个功能。它的功能应该定义为“存和出墨水”。,就有钻床、镗床、铣床、车床、拉床、内园磨床等等。,因
16、此在设计之前，必须根据用户需要确定实现功能的约束条件，才能设计出完全符合用户要求的产品。钻床的功能定义应为“在无孔处加工出孔”。,定义功能应用最简单的语句，一般用一个动词加上个名词来表示。千斤顶的功能就是 顶起重物；洗衣机的功能就是 除去污迹；钟表的功能就是 指示时间。,确定总功能,简洁,使用简明确切的语句反映产品或零部件的基本效用，使人一看就能明了该产品的作用或用途。,例,确定总功能,黑箱法的特点：便于摆脱具体的结构只按功能来思考，通过“黑箱”与输入量和输出量及周围环境的信息联系，了解其功能特性，进一步探求系统的机理和结构逐步使“黑箱”透亮，直至方案拟定。一般的黑箱示意图如下：,系统分析方法
17、-黑箱法,待设计的技术系统（黑箱）,物料,物料,能量,能量,信号,信号,环境对系统的影响,系统对环境的影响,值得注意的是：黑箱法并不能确定系统的总功能，它只能通过“黑箱”与输入量和输出量及周围环境的信息联系，探求系统内部的结构，对分析系统的总功能由哪些分功能组成是较好的。,确定总功能,(1)功能分解树 为了更好地寻求解答，应当把技术系统的总功能分解为比较简单的分功能或功能元，一般分解到能直接找到解法的功能元为止。功能分解不只是问题求解的手段，而且是深刻认识事物的方法，即化整为零。分功能或功能元的输入量和输出量之间的关系更为明确，所需的物理原理比较单一，较易求解。功能分解的结果用功能分解树的形式
18、表达比较简单，易于掌握。功能分解树的末端树叶即是功能元。,总功能分解,总功能分解,例,单桶全自动洗衣机的功能分解树,除去污迹,容器,动力,控制,联结与支承,容纳衣物和水,传递与转换,进水,波轮旋转,桶体旋转,搅水,脱水,排水,定时：波轮正反转,脱水启停,电源开关,总功能,总功能分解,例,电风扇的功能分解,使空气流动,驱动,执行,控制,联结与支承,电能 机械能,能量传递,变速,空气流动,改变风向,照明,闪烁,定时,启停,辅助,能量转换,传动机构,喷水,总功能,改变风速,总功能分解,(2)功能结构 任何功能结构，都可由以下三种基本结构形式组成。串联结构又称顺序结构，它反映了分功能或功能元之间的因果
19、关系或时间，空间顺序关系。，车床上的走刀机构，转动手柄，螺杆转动，然后带动刀架移动。并联结构又称选择结构，几个分功能作为手段共同完成一个目的，或同时完成某些分功能后才能继续执行下一个分功能，则这几个分功能处于并联关系。车床上的走刀机构，横向走刀和纵向走刀共同完成的复合运动。环形结构又称循环结构，输出反馈为输入的结构。按逻辑条件分析，满足一定条件而循环进行的结构。发动机中的曲轴-连杆-活塞即是循环结构，活塞输出的力传到曲轴上，又反馈到活塞，再作为输入。,例,例,例,总功能分解,(3)功能结构图 把功能元按因果关系，时空顺序关系或逻辑关系组织起来，得到功能结构图。建立功能结构图时应由粗到细，首先考
20、虑主要功能和主要流，建立功能结构的雏形，再逐步解决辅助功能和次要流的问题，逐步完善功能结构。功能结构图的建立是使技术系统从抽象走向具体的第一步，它体现了功能元或分功能之间的顺序关系，这一点也就是功能结构图与功能分解树之间的重要区别。值得注意的是，对于同一个技术系统来说，功能分解树只有一个，而功能结构图则根据选用工作原理的不同可能有多个。所以，改变功能结构可发展新的产品：,功能分解树反映了总功能与其所属功能元之间的隶属关系，只有一个，具有唯一性。功能结构图反映了功能元之间相互位置与顺序的关系，存在多种选择，具有多解性。,比较,总功能分解,例,单桶全自动洗衣机的功能结构图,容器,动力,控制,联结与
21、支承,传递与转换,进水,波轮旋转,桶体旋转,脱水,排水,定时：波轮正反转,脱水启停,电源开关,信号,污衣,能量,清水,净衣,污水,总功能分解,同样的分功能由于解法不同，可得到不同的功能结构。,例,任务：设计汽水瓶盖同向排列运送装置 瓶盖码齐机设计要求：把不规则放置的汽水瓶盖排列成内侧向上，单列输出。,瓶盖码齐机（黑箱）,总功能：瓶盖同向排列,A：输入,B：测向,C：分拣,D：翻转,E：输出,把反向瓶盖翻转,检测瓶盖向上还是向下,拣出向上的瓶盖,总功能分解,A：输入,B：测向,C：分拣,D：翻转,E：输出,总功能：瓶盖同向排列,方案一,方案二,方案三,A,B,C,D,E,A,B,C,D,E,A,
22、B,C,E,分 功 能,A,E,B,C,D,功能元求解,功能元是功能的基本单位。功能元求解有两种途径：功能元原理探索求解 功能元组合方法求解。功能元的技术原理未知，需要选择或探求，采用前者；功能元的技术原理已知，在此基础上变异改进，则采用后者。,功能元求解,功能元求解,(1)功能元原理探索求解基本思路 功能元求解的完整过程是从基础科学研究揭示的一般科学原理开始，经过应用研究探明具体的技术原理，然后寻求实现该技术原理的技术手段，主要结构(即功能载体)。,基础科学研究,一般科学原理,应用研究,技术原理,技术手段（功能载体）,实用探索,原理探索求解,功能元求解,由于技术系统的难易程度不同，功能元求解
23、不一定表现出上述全部的典型过程，为了简单起见，把科学原理与技术原理一起称作工作原理。这样，功能元求解的基本思路可以简明地表达为：,功能载体,工作原理,功能,构思技术原理是技术设计中最关键，最富于创造性的一环。,蜗轮蜗杆、齿轮副、带传动等,机械原理,变速,例,原理探索求解,功能元求解,构思技术原理的基本途径有三条：把科学原理转化为技术原理；,原理探索求解,从技术经验中发现隐含的内在机制，提炼成技术原理；,对现有的技术原理通过改进、变换或移植形成新的技术原理。,功能元求解,热管的发明与应用,原理探索求解,例,热由高温物体向低温物体传导这一普遍原理，在不同场合获得技术上的应用，完全取决于所设计的功能
24、载体。美国阿拉斯加油田建设输油管要穿过冻土带，输油管保温十分困难。设计者通过调查了解到，冻土层只有1m左右，深处温度较高，深处的热量如能恰当利用，可就地解决输油管保温问题。从原则上确定这一技术措施后，关键则是确定技术手段来实现热量传导。一位技术人员提出了“导热管”的构想。,把科学原理转化为技术原理；,功能元求解,原理探索求解,导热管是一根两端封闭的管子，衬里为数层金属丝网，管内封装了一定量的液体，在地下高温处吸热蒸发，蒸气沿管中心流动，在另一端低温处冷凝放热，冷凝后的液体通过金属丝网因毛细管作用而流向热端。沿输油管支架安装导热管试验，证明这一构想是正确可行的。导热管重量轻、导热性能高，不需安装
25、动力装置，是突破传统思想的优秀设计，因而在其它领域也获得了应用。如人造卫星面向太阳和背向太阳两侧温差很大，为保持仪器最佳工作温度，应用了导热管技术。,冷端,热端,功能元求解,从技术经验中发现隐含的内在机制，提炼成技术原理；在热力学出现之前已根据经验找到了热和功的转化规律，制造出蒸气机。,原理探索求解,例,瓦特制造的蒸气机,功能元求解,原理探索求解,例,对现有的技术原理通过改进、变换或移植形成新的技术原理。,二十世纪初，爱因斯坦提出受激辐射理论奠定了激光技术的理论基础，微波波谱学的成果进而为激光应用提供了技术原理。由此，60年代制成厂激光器。激光器的出现，使激光技术迅速在各个部门得以应用，从一个
26、领域推广移植到另一个领域。激光作为高密度能源，可用于对材料进行热加工：表面热处理，焊接，切割，打孔，划线等。利用光源很好的相干性，可用于测量：激光的方向性用于大型结构质量检验，地下工程施工中的准直测量。,同步带的产生 同步带就是平皮带与链传动的综合体。,例,功能元求解,原理探索求解,例,1983年，西班牙建成一座太阳热气流（即温室烟囱太阳热能发电站），发电功率50kW，用于进行探索性试验研究。利用太阳能气流发电的装置则刚刚起步，它首先在西班牙马德里门泽乃立斯建成并发电。一座用透明塑料板盖成的巨大温度顶棚中心竖立着198米高的风筒，太阳能通过透明的塑料板将巨大温室内的空气加热，比外面气温高182
27、0华氏度.外面的冷空气推压着温室内的热空气使它沿着长长的筒管上升，形成一股强大的气流,推动安装在风筒上的叶轮带动发动机发电.这座太阳能温室的直径有244米，能发电5070千瓦。意大利的一座太阳能气流发电站的大风筒高215米，筒内气流速度达13米/秒，使叶轮以每分钟150转的速度旋转，发电量为500100千瓦，可供一座城镇用电。西班牙打算再建造几座这种发电站，其中一座风管高762米，温室直径1000米，发电量可达40万干瓦。,太阳能气流发电站的建成,发电机,功能元求解,原理探索求解,功能载体是具有可以完成某一功能属性的物体。物体的属性是多方面的，人们可以在一定条件下利用物体的某种属性来完成某些特
28、定的功能。物体的属性包括物理属性、化学属性、运动特性、几何特性、机械特性等。例如，利用一对渐开线齿轮瞬时传动比恒定的特性，可以实现定传动比传动的功能；利用一对齿轮的齿廓与包容这对齿轮的机壳间容积的变化这一特性，可制成齿轮泵或齿轮马达，实现泵或马达的功能。因此，功能元求解的关键是在科学原理的基础上寻找尽可能多的功能载体。,功能元求解的最终目的是得到相对应功能载体。,功能元求解,原理探索求解,人类已知的科学原理总数约5000多个，要在这样庞大的范围内搜寻具有某些特定功能的载体显然是十分困难的。因此，建立功能载体知识库成为近年来世界各国的设计师研究的重要工作内容之一。,功能元求解,技术原理的选择与探
29、寻的方法主要是检索资料，所以建立包括科学原理和功能载体的知识库就显得极为重要。知识库的形式主要有：物理效应与现象库(前苏联马里工学院建)设计目录：(西德)原理解法目录编排了特定功能的解法，有的还附带一定边界条件。对象目录包括了通用机构的一般性信息，不针对具体功能任务。,功能载体词典（日本）,设计目录不同于一般手册和资料，它是密切结合设计过程和需要而编制的，范围十分广泛，如解法目录、原理目录、对象目录每种目录的目的明确，提供信息面广、内容清晰、条理性强、提取方便。,功能元求解,原理探索求解,原苏联学者建立的物理效应与现象库,功能 载体词典（日本）,该词典把本专业常用功能编为词典的条目，如伸缩。一
30、般来说，这种关键词是一个动词，再增加限制性形容词，如双折；并按抽象程度编排，如双折比张收限制更大，然后把技术知识（相当于功能载体）作为素材，归入适当条目之下，供启发联想及类比推理使用。词典按关键词检索，关键词则依相近程度分类排列。,功能元求解,原理探索求解,例,折尺,圆形折叠,伸缩,以伸缩为关键词的词条,胀缩,张收,曲折,屈伸,双折,双连梯,栅门,三脚架,轨道,气球,拉杆天线,折扇,手风琴,百叶门,卷尺,分规,上下滑动,水平滑动,卷入,功能 载体词典（日本）,伞,功能元求解,原理探索求解,功能元求解,设计是获取信息和处理信息的过程。如何合理地存储信息、更快捷地提供信息，是提高设计效率的有效措施
31、。设计目录是一种设计信息库。它把设计过程中所需的大量信息有规律地加以分类、排列、储存，以便于设计者查找和调用。在计算机辅助自动化设计的专家系统和智能系统中，科学、完备的设计信息库是解决问题的重要基本条件。设计目录不同于一般手册和资料，它密切结合设计的过程和需要编制，每个目录的目的明确，提供信息面广，内容清晰有条理，提取方便。为达到这样的要求，必须采用系统工程方法建立目录，针对有关对象进行系统分析和系统搜索。,设计目录,功能元求解,逻辑功能元为“与”、“或”、“非”三元，主要用于控制功能。基本逻辑关系如表。,用功能设计法进行原理方案设计，功能元解是组合原理方案的基础。工程系统的基本功能元可归结为
32、物理功能元、逻辑功能元和数学功能元三类。,原理解法的设计目录,功能元求解,由机械、强电、电子、射流、气体、液体等领域可寻找相应的“与”、“或”、“非”逻辑动作的各种解法。,逻辑功能的解法目录,对应上述功能元的功能载体,功能元求解,数学功能元分为加减、乘除、乘方和开方、积分和微分四组，也可按机、强电、电子各领域列出有关解法目录。物理功能元反映系统中能量、物料及信号变化的物理基本作用，常用的基本物理功能元有变换、缩放、联接分离、传导、离合、储存等6类。功能元“变换”包括各种类型能量或信号形式的转变，运动形式转变，物态的转变等。功能元“缩放”指各种能量、信号向量（力、速度等）或物理量的缩小和放大。功
33、能元“联接”、“分离”包括能量、物料、信号、同质或不同质数量上的结合和分离。功能元“传导”和“离合”反映能量、物料、信号的位置变化。功能元“储存”体现一定时间范围内对能量、物料、信号保存的功能。,功能元求解,物理功能元用物理效应求解，工程系统中常用的物理效应有：,力学效应：重力、弹性力、惯性力、离心力、摩擦力等；,液气效应：流体静压、流体动压、毛细管效应、帕斯卡效应、虹吸效应、负压效应等；电力效应：静电、压电效应，电动力学等；磁效应：电磁效应、永磁效应等；光学效应：反射、折射、衍射、光干涉、偏振、激光效应等；热力学效应：膨胀、热传导、热存储、绝热效应等；核效应：辐射、同位素效应等。,功能元求解
34、,同一物理效应能完成不同功能。如物体回转的离心效应可以产生离心力（能量转换）、分离不同液体（物料分离）或测转速（信号转换）。功能元可通过多种物理效应搜索求解。,部分物理功能元的解法目录。,功能元求解,在一定的物理效应下进一步采用多种机构求解，如力的放大功能元解可用基本增力机构和二次增力机构来表达。,基本增力机构,功能元求解,二次增力机构,功能元求解,设计目录的编制要采用系统工程分析的方法和系统搜索的思路，在此用机械传动系统的设计目录编制为例加以说明。,设计目录的编制,机械传动系统的功能分析,功能元求解,针对每项功能元去搜索尽可能多的解，如“运动方向变化”、“运动形式变化”可列出下表的基本机构目
35、录，通过基本机构的组合还可得到更多的解。,设计目录是计算机辅助设计系统中知识库的重要内容，为了更好地描述知识还有必要将每个基本机构作为特定的功能模块列出其基本性能特点（如传动比、功率范围等）、特殊性能（如远距离传动、自锁等）、评价数据（如对性能、成本、工艺性等基本评价目标的评分或隶属度）等。每个功能模块也列为一个基本目录，这将是具体选择并确定方案的依据。,功能元求解,(2)功能元组合方法求解基本思路,如机构的变异：当所选机构不能全面满足对机械提出的运动和动力要求时，或为了改善所选机构的性能或结构时，可以通过改变机构中某些构件的结构形状、运动尺寸、更换机架或原动件、增加辅助构件等方法以获得新的机
36、构或特性。,功能元的技术原理未知，需要选择或探求，采用原理探索求解；功能元的技术原理已知，在此基础上变异改进，则采用组合方法求解。,功能元组合方法求解就是在技术原理已知的情况下，首先通过对现有的工作原理、功能载体进行信息检索和选择，然后对它们进行变异改进，以满足需要。,求总体方案解,求总体方案解,求总体方案解就是把分功能的解合成为一个整体以实现总功能的过程。在此过程中,应用形态分析法对分功能解法进行排列组合,可产生多个总体方案。然后,在此基础上,挑选几个较好的方案进行评选。,形态分析是对创造对象进行因素分解和形态综合的过程。在此过程中,发散思维和收敛思维起着非常重要的作用。,求总体方案解,第二
37、次世界大战期间，美国情报部门探听到法西斯德国正在研制一种新型巡航导弹，但费尽心机也难以获得有关技术情报。然而，火箭专家兹维基博士却在自己的研究室里，轻而易举地搜索出法西斯德国正在研制并严加保密的带脉冲发动机的巡航导弹。兹维基博士能够坐在研究室里获得技术间谍都难以弄到的技术情报，是因为运用了他称之为“形态分析”的思考方法。,例,求总体方案解,形态分析法，是一种以系统搜索观念为指导，在对问题进行系统分析和综合基础上用网络方式集合各因素设想的方法。兹维基博士运用此法时，先将导弹分解为若干相互独立的基本因素，这些基本因素的共同作用便构成任何一种导弹的效能，然后针对每种基本因素找出实现其功能要求的所有可
38、能的技术形态。在此基础上进行排列组合，结果共得到576种不同的导弹方案。经过一一过筛分析，在排除了已有的、不可行的和不可靠的导弹方案后，他认为只有几种新方案值得人们开发研究，在这少数的几种方案中，就包含有德国法西斯正在研制的方案。,求总体方案解,战后,苏联有人对当时的方案进行了分析,认为这一数字反映了该方案对许多因素的忽略,如果把情况全面考虑,当时应得到的可能的火箭结构方案将达到一万多种。以后,人们把他所开发的这一技法加以精确化和系统化,形成了当代创造技法中的一种,即形态分析法。这一技法,至今在许多技术设计部门仍被广泛应用。,因素与形态是形态分析中的两个基本概念。因素是指构成某种事物的特性因子
39、,在此将分解后的功能元作为形态分析中的基本因素。实现各功能元相对应的技术手段称为形态,形态对应着表示功能元的功能载体。,求总体方案解,因素功能元,形态 功能载体,1,2,3,J,A1,A2,A3,B1,B2,B3,BK,N1,N2,N3,A,B,N,形态分析法是利用形态学矩阵寻求总体方案解。形态矩阵实际上就是一种表格,把分功能或功能元纵向排列,每一个功能元的几种解法对应此功能元横向排列。,K,AJ,BJ,BI,NI,I,AI,如果在每个功能元中挑选一个解法,则可组合成一个总体方案解。从理论上讲,可以组成总体方案的数量,为各行功能元解法个数的连乘积。,设可以组成总体方案的数量为Z,则 Z=JKI
40、,求总体方案解,形态矩阵组成的方案数目不宜太多,太多则难以进行评选。一般需要通过筛选来得到几个较满意的方案供评选决策使用,以便得到最佳方案。筛选的原则是:相容性:即功能元解之间不能矛盾,否则不能进行组合;环境适应性:剔除超过边界和不能满足约束条件与技术要求的解;主导性:优先选用主要功能元的较优解,由该解法出发,选择与它相容的其它功能元的解。筛选过程中,设计人员所掌握的技术知识与实际经验将发挥重要作用。,开发系列伞 一个伞厂准备开发系列伞，可不知从何下手，请来了一位策划人员，策划人员问了厂长3个问题：雨伞的伞面一般用何种布比较好？厂长回答一般有尼龙布、油布和塑料布三种；雨伞的伞架有几种结构？厂长
41、回答有一节式、多节式二种；雨伞的开关一般用什么材料做成？厂长回答有不锈钢和塑料二种。等厂长回答完毕，这个策划人员马上指出，你们厂可以先生产12种类型的伞：,求总体方案解,例,世界首款无须手持式伞,实际上这位策划人员实际上是进行如下分析：,这样,伞的种类组合就有 32212种。,求总体方案解,不锈钢开关一节式尼龙伞；塑料开关一节式尼龙伞；不锈钢开关一节式油布伞；塑料开关一节式油布伞；不锈钢开关一节式塑料伞；塑料开关一节式塑料伞；不锈钢开关多节式尼龙伞；塑料开关多节式尼龙伞；不锈钢开关多节式油布伞；塑料开关多节式油布伞；不锈钢开关多节式塑料伞；塑料开关多节式塑料伞。,功能元求解,机械式去须可用拔须
42、、剪须、剃须等原理。剃须又可采取移动刀剃削或回转刀剃削。要求刀具运动均匀，以提高去须效果并保护皮肤。选择往复手动的回转刀剃削方式。,手动剃须刀原理方案设计,例,设计一种便携式手动微型剃须刀，要求体积小，使用方便，价格低廉。,总功能分解：须肤分离,设计要求：机械式去须,功能分解：,须肤分离,功能元求解,功能求解：,原理方案 右图为一种较好的手动剃须刀原理方案，即采用往复移动、齿条齿轮、定轴轮系、飞轮、盒式贮须组合。该设计已形成专利产品。,由此可组成手动往复移动或往复摆动共48种方案供选择。,功能元求解,大作业：选定一个设计对象，作出需求分析；应用系统化设计法进行功能分析；分析步骤要求清楚；,系统
43、化设计方法小结,系统化设计方法小结,明确设计任务,确定总功能,总功能分解,功能元求解,求总体方案解,评价与决策,需求识别,可行性报告,设计任务书,最佳原理方案,形态学矩阵,还原法则,抽象化定义,黑箱法,功能分解树,原理探索求解,组合方法求解,创造性方法,知识库,各种评价方法,分析,综合,功能元求解,激光分层实体制造设备用激光对箔材（涂复纸）进行切割获得一个层面的形状，将层面叠加胶接起来获得三维实体。如果此前已经过广义范围的方案搜索，确定采用激光束聚焦的能量气化切痕以得到一定精度轮廓的纸型，并用压辊加热逐层粘合各层纸，则原理如右图。,例,激光分层实体制造设备,功能元求解,功能分解,功能元求解,对
44、功能元求解，是原理方案设计中重要的搜索阶段。一般通过以下几种方法求解：,1）参考借鉴有关产品资料或专利；2）利用“设计目录”；3）运用各种创造技法探索新解法。例如，对于印刷机、点钞机、包装机等都有从成叠纸中“分纸”的功能元，其功能元解如下图。,功能元求解,求总体方案解,包装材料的设计 对液体包装材料的设计，可以提取包装材料、包装形状、包装大小、包装颜色四个独立变项，然后对每一独立变项进行发散思维，列出可能的选择。,以玻璃作为包装材料，就可与包装形状、颜色、大小这三个独立变项(每项有5种可能的选择)进行组合，就可排出：3*5*5=75种不同的组合方案，若再以5种不同的包装材料进行组合，就可排出3
45、75种组合方案。当然，这里形态扩散仅排了5项，如果再细排，包装材料塑料中还可排出锡塑、薄膜、软管、硬管等多种材料，那可能组合的方案就更多了。无疑，这些众多的组合方案就为筛选最佳方案创造了条件。,例,功能元求解,设计化工厂双杆搅拌器的机械传动装置 该传动装置中已知电动机转速 n=960 r/min，要求两搅拌杆以 240 次/min 同步往复摆动（摆动方向不限）。解：,例,双杆搅拌,降速（传动比i=4）,回转 摆动,两杆同摆,功能分析,功能元求解,取三种分功能的各一解法组合得到传动装置的一种方案，可组合的最多方案数,机械传动方案综合,功能元求解,方案A：1 3 2 电动机 齿轮传动 凸轮机构 对称凸轮（双摆动杆）特点：结构紧凑；方案B：3 1 1 电动机 链传动 曲柄摇杆机构 平行四边形机构（双摆动杆）特点：可远距离传动，成本较低。,方案评选 考虑化工厂工作环境恶劣，且摩擦传动体积相对较大，故选用啮合传动，此两方案可供进一步选择。,本章完,生命吸管,这种随时随地都可以直接使用的吸管可以将185加仑水净化成可供饮用的水。而且价格非常便宜，一人一年2美金就可以得到洁净的饮水保障。,
