设计方法学与创新设计

1.3 创新设计
◦ 设计的实质在于创造。进行设计工作，不是简单的模仿、测绘，更 重要的是要革新和创造，把创造性贯穿于设计过程的始终。江泽民 同志多次强调创新的重要性。他指出：“创新是一个民族进步的灵 魂,是国家兴旺发达的不竭动力。一个没有创新能力的民族，难以屹 立于世界民族之林。”“任何一项工作的活力和生机都来自于发展 和创新。”
2.1 设计系统
2.1.1 设计系统的概念 从系统工程的观点分析， 设计系统具有三维空间， 是一个有时间维、逻辑维 和方法维组成的三维系统， 如图2.1所示。时间维反映 按时间顺序的设计工作阶 段；逻辑维是解决问题的 逻辑步骤；方法维列出设 计过程中的各种思维方法 和工作方法。设计过程中 的每一个行为都反映为这 个三维空间中的一个点。
开 发 设 计
变 异 设 计
反 求 设 计 第
设计阶段
设计步骤
目标
方法
2.1.2 设计的一般进程模式 （时间维）
表2.1是机械产品开发设计的一般 流程，表中把产品设计过程分为5 个阶段：计划阶段、设计阶段、试 制阶段、批量生产阶段、销售阶段。 设计类型分为开发设计、变异设计 和反求设计三种。
√ √ 一 √ √ 阶 √ √ √ 段
1854年德国学者劳莱克斯发表了著作《机械制造中的设计学》，把过去溶在力学中的机械 设计学独立出来，建立了以力学和制造为基础的新科学体系，由此产生了“机构学”， “机械零件设计”，成为机械设计中的基本的内容。
第二次世界大战以后，作为机械设计的理论基础的机械学继续以更加迅猛的速度发展，摩 擦学，可靠性分析，机械优化设计，有限元计算，尤其是计算机在机械设计中迅速推广， 使机械设计的速度和质量都有大幅的提高。在机械中广泛运用计算机和自动化程度的提高， 使现代的具有明显的特色。
2.2.2 产品设计原则
1. 创新原则：设计本身就是创造性思维活动，只有大胆创新才能有所发明，有所创造。 2. 可靠原则：产品设计力求技术上先进，但更要保证使用中的可靠性，平均无故障运行时 间MTBF的长短，是评价产品质量优劣的一个重要指标。
3. 效益原则：在可靠的前提下，力求做到经济合理，使产品“价廉物美”，才有较大的竞 争能力，创造较高的技术经济效益和社会效益。也就是说，在满足用户提出的功能要求下， 有效地节约能源，降低成本。
4. 审核原则：设计过程是一种设计信息加工、处理、分析、判断决策、修正的过程。为减 少设计失误、实现高效、优质、经济地设计，必须对每一设计程序的信息，随时进行审核， 决不许有错误的信息流入下一道工序。
2.3 现代设计方法
◦ 现代设计方法是相对于传统设计方法而言的，传统设计以经验、试凑、 静态、定性分析、手工劳动为特征，导致设计周期长，设计质量差，设 计费用高，产品缺乏竞争力。随着现代科学技术的发展，机械产品设计 领域中相继出现了一系列新兴理论与方法。这些新兴理论与方法统称为 现代设计方法。现代设计方法是世界各国学者共同研究发展的，其内容 丰富，种类繁多，下面仅以德国、美国、日本和前苏联四个国家具有代 表性的设计方法为例加以介绍。
1.3.1 创新设计的概念
◦ 创新设计是指在设计中采用新的技术手段、技术原理 和非常规的方法进行设计，以满足市场需求，提高产 品的竞争能力。 ◦ 爱因斯坦曾说过：“想象力比知识更重要，现实世界 只有一个，而想象力却可以创造千百个世界”。掌握 创造性方法、调动和训练工程技术人员的创造性思维 是提高文明素质，进行企业技术创新，提高竞争机制 的需要。
2.3.1 系统化设计方法（德国设计方 法）
◦ 系统化设计方法是将设计对象看作一个系统，用系统工程进行分析和综合，按设计进程有条理有 步骤地进行设计，以求得价值优化的最佳方案的一种方法。 ◦ Pahl和Beitz的设计方法是该领域的典型代表，他们在总结前人的基础上结合自身经验，从方法论 的高度全面分析设计过程，提出了一整套较完整的设计方法学说。两人于1976年出版了《工程设 计学》第一版，该书此后经过多次修订，目前已被翻译成八种语言，该书是目前国际上影响最大、 最有实用价值的一本设计学著作，并收入德国工程师协会标准VDI2221。 ◦ 系统化设计方法是一种体系较完整的设计方法，它设计过程主要分为四个阶段：明确任务、概念 设计、具体化设计和详细设计。每个阶段都制定了详细的步骤，要求设计人员按照这些步骤进行 设计。特别是概念设计阶段，能够产生大量的理论方案。其步骤可分为：第一步，对设计要求进 行抽象化并使用黑箱法得出设计任务的总功能；第二步，依据设计要求表的信息对总功能进行分 解并建立功能结构；第三步，运用创造技法和设计目录对分功能进行求解；第四步，运用形态学 矩阵组合作用原理（假如，分功能F1有m1个作用原理，分功能F2有m2，…，Fn有mn个，则完整 组合后可得N=m1×m2×…×mn个理论方案）；第五步，依据设计目标选择合适的设计方案进入 具体化设计阶段。这一方法也是本书主要讲解的方法。
1.3.3 创造力的构成要素
1．智能和知识因素 2．创造性思维与创造技法 3．技术因素 4．非智力因素 5．环境和信息因素 6．身心因素
第2章 设计类型与方法学
◦ 2.1 设计系统
◦ ◦ ◦ ◦ 2.1.1 设计系统的概念 2.1.2 设计的一般进程模式（时间维） 2.1.3 解决问题的逻辑步骤（逻辑维） 2.1.4 设计方法（方法维）
市场调查
计划阶段
可行性研究 产品开发计划 设计要求
可行性研究报告 设计任务书
调查研究方法 技术预测方法
√
原 理 方 案 设 计
功能分析 搜寻解法 方案组合
原理方案图
创造性科学方法 系统化设计方法 机构综合设计法 参数优化法 相似设计法 模块化设计法
评价决策
√ √
第二阶段
结 构 方 案 设 计
结构设计要求 结构设计 （形状材料尺寸） 评价决策
美国工科硕士、博士学位授予单位资格审查委员会（The Accreditation Board of Engineering） 和美国机械工程师学会（ASME）共同给出的定义是：“工程设计是为适应市场明确显示 的需求，而拟定系统、零部件、工艺方法的决策过程。在多数情况下，这个过程要反复进 行，要根据基础科学、数学和工程科学为达到明确的目标对各种资源实现最佳的利用”。
√ √ √ 第 √ √ √ 三 √ √ √ 段
阶
样机试验大纲 试验设计方法 DOE 样机鉴定文件
试制阶段
样机试验 样机评价鉴定
√ √ √ 四 √ √ √ 阶 √ √ √ 段
第 五 阶 段
第 批量生产阶段
修改图纸
工艺文件
验证工艺 批量生产
计算机辅助制造 （CAM）
√ √ √ √ √ √
技术服务
销售阶段
评价是用科学的方法按评价准则对多种方案进行技术经济评价和比较，同时针对方案的弱 点进行调整和优化，直到得到比较满意的结果。
决策是在评价的基础上根据已定的目标做出行动的决定，即找出解决问题的最佳解法，对 工程设计应选定多目标下整体功能最理想的最佳方案。
2.1.4 设计方法（方法维）
设计方法是指达到预定设计目标的途径。 在很长的一段时间内，工程设计方法多采用直觉法、类比法及以古典力学和数学为基础且 大量采用经验数据的半经验设计法，设计中反复多，周期长。20世纪70年代以后，随着计 算方法、控制理论、系统工程、价值工程、创造工程等学科理论的发展以及电子计算机的 广泛应用，促使许多跨学科的现代设计方法出现，使工程设计进入创新、高质量、高效率 的新阶段。在所有的方法中，哲学的普遍性的方法论如“自然辩证法”中“量变到质变”、 “对立和统一”等是认识世界和改造世界的根本科学方法，是一切方法的基础。 各学科、专业中有针对性的解决问题的理论和专门方法，如力学、摩擦学、有限元法等， 以及现代设计方法中的计算机辅助设计、优化、可靠性、人机工程学、工业美学等。本书 中主要介绍工程设计中通用的战术方法如创造技法、功能原理分析设计法、评价与决策方 法、机构方案设计方法、结构方案设计方法等，还详细介绍了发明问题解决理论TRIZ。
1.2.2 设计方法学
◦ 设计方法学是以系统的观点来研究产品的设计程序、设计 规律和设计中的思维与工作方法的一门综合性学科，其目 的是总结设计的规律性，启发创造性，在给定条件下，实 现高效、优质的设计，培养开发性、创造性产品的设计人 才。
设计方法学的研究内容
（1）设计对象 （2）设计过程及程序 （3）设计思维 （4）设计评价 （5）设计信息管理 （6）现代设计 2.2.1 产品设计类型 ◦ 2.2.2 设计原则
◦ 2.3 现代设计方法
◦ ◦ ◦ ◦ 2.3.1 系统化设计方法（德国设计方法） 2.3.2 公理设计方法（美国设计方法） 2.3.3 质量功能配置（日本设计方法） 2.3.4 发明问题解决理论TRIZ（前苏联设计方法）
2.2 设计类型及设计原则
2.2.1 产品设计类型 根据创新与创造在设计中所占的比例，可以把设计划分为以下几种类型： 1. 开发性设计 2. 适应性设计 3. 变参数设计 4. 测绘和仿制
根据设计的内容特点，创新设计可分为开发设计、变异设计和反求设计三种类型。
开发设计以开创、探索创新，变异设计通过变异创新，反求设计在消化吸收中创新，创新 是各种类型设计的共同点，也是设计的生命力所在。反求不是简单的测绘和仿制，应该在 探索掌握关键技术的基础上进行创新。
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2.1.3 解决问题的逻辑步骤（逻辑维）
设计的目的是解决生产问题，而设计过程中寻找原理方案、构型方案等又都要解决一个又 一个的具体问题。解决问题的合理逻辑歩骤是：分析——综合——评价——决策。 分析是解决问题的第一步，其目的是明确任务的本质要求。
综合是在一定条件下对未知系统探寻解法的创造性过程。
1.2 设计与设计方法学
1.2.1 设计的概念 设计（Design）一词，包括两方面的含义：工业美术设计（Industrial Design）和工程技术 设计（Engineering Design）。笼统地说“设计”往往是将两者都包容在内。“设计”的定 义有三四十种之多，矛盾冲突有之，但基本上是互补的。英国Wooderson于1966年下的定 义为“设计是一种反复决策，制订计划的活动，而这些计划的目的是把资源最好地转变为 满足人类需求的系统或器件”。 不同国家，甚至同一国家的不同行业对工程设计所下的定义有所不同。