第二章 設(shè)計方法學(xué)-原理方案設(shè)計

1、第二章 原理方案設(shè)計 2-1 創(chuàng)造性思維與方法 2-2 系統(tǒng)功能分析法2-1 創(chuàng)造性思維與方法1.創(chuàng)新性設(shè)計創(chuàng)新性設(shè)計 創(chuàng)造性設(shè)計創(chuàng)造性設(shè)計就是要在設(shè)計中采用新的技術(shù)手段，技術(shù)原理及非常規(guī)方法，目的是提供具有社會價值的，新穎而獨特成果的設(shè)計。原因：原因：l 市場競爭：要求降低生產(chǎn)材料及能源消耗，改進加工工藝等。l 產(chǎn)品平均壽命：國際市場平均壽命只3年，要求加快設(shè)計更新速度。l 消費需求：新產(chǎn)品的大量問世，使人們對產(chǎn)品需求層次越來越高。l 生產(chǎn)特點：小批量、多品種、多規(guī)格、生產(chǎn)工藝及工作環(huán)境顯著變化。2. 工程設(shè)計的基本特征(1) 約束性約束性 即設(shè)計是由一定的環(huán)境限制，如科學(xué)技術(shù)水平、經(jīng)濟發(fā)展

2、狀況、社會心理、地域文化以及生產(chǎn)廠家提出的要求等，這要求一個優(yōu)秀的設(shè)計師能充分發(fā)揮創(chuàng)造力，在該“設(shè)計空間”內(nèi)協(xié)調(diào)這些關(guān)系，來完成設(shè)計。(2)多解性多解性 達到同一設(shè)計要求的方法和方案都是很多的，同一種方案下，技術(shù)系統(tǒng)的參數(shù)，尺寸及結(jié)構(gòu)也有很多種選擇。(3)相對性相對性 設(shè)計結(jié)果總是相對優(yōu)秀的，如:降低成本和安全性可靠性，功能全與體積小等問題都是矛盾的統(tǒng)一體，這些矛盾的出現(xiàn)給設(shè)計帶來了困難，因此，設(shè)計者對設(shè)計結(jié)果的評價，只能達到一定條件下的相對滿意和最優(yōu)。3. 3. 創(chuàng)造力創(chuàng)造力 構(gòu)成：構(gòu)成：由智力因素與非智力因素構(gòu)成，智力因素是創(chuàng)造力的基礎(chǔ)，非智力因素是創(chuàng)造力的導(dǎo)向、催化與動力因素，同時也促進

3、創(chuàng)造力由潛變顯的制約因素。智力因素主要有思考力、觀察力、記憶力、想象力、表達力及自控能力。非智力因素有理想信念、興趣和愛好、意志、性格等。觀察力觀察力記憶力記憶力自控力自控力想像力想像力思考力思考力表達力表達力智力結(jié)構(gòu)圖 創(chuàng)造力的開發(fā)創(chuàng)造力的開發(fā) (1)破除對發(fā)明創(chuàng)造的神秘感，增強自信心，認(rèn)識到創(chuàng)造是一種人人可為的活動。積極去創(chuàng)造。 (2)要樹立創(chuàng)新意識，經(jīng)常保持創(chuàng)造沖動。 (3)加強創(chuàng)造性思維的訓(xùn)練，掌握必要的創(chuàng)造技法。4. 4. 創(chuàng)造性思維部分思維類型創(chuàng)造性思維部分思維類型 形象思維與抽象思維 例如例如行星軋壓法行星軋壓法的提出 和 伽利略設(shè)想伽利略設(shè)想的提出 發(fā)散思維與集中思維 直達思維

4、與旁通思維 邏輯思維與非邏輯思維信息各種可能答案問題答案信息(a)發(fā)散思維(b)集中思維5. 5. 創(chuàng)造性方法與技法創(chuàng)造性方法與技法 (1)創(chuàng)造性原理創(chuàng)造性原理 主動原理，保持有問題意識，勇于探索，打破傳統(tǒng)束縛。 刺激原理(觸發(fā)原理)，建立大腦知識庫，對外來刺激有積極反映。 希望原理(發(fā)散原理)，不要安于現(xiàn)狀，追求產(chǎn)品的完美化與理想化。 環(huán)境原理，有自由良發(fā)好的心境，有允許失敗的社會環(huán)境。 多多益善原理，即創(chuàng)造性設(shè)想越多，成功率越大。(2)(2)創(chuàng)造性技法創(chuàng)造性技法 智力激勵法:基于:1.人人都有創(chuàng)造力，集體的智慧高于個人；2.創(chuàng)造性思維需要引發(fā)，互相激勵能夠活化思維；3.擺脫定勢和框架有助于

5、新想法的出現(xiàn)，過早的判斷會扼殺新想法。智暴法(群體集智法，頭腦風(fēng)暴) :（a）準(zhǔn)備問題（b）確定人選（c）明確會議規(guī)則（d）啟發(fā)思維，充分發(fā)散，暢所欲言（e）整理和評價635法:6個人，3種方案，5分鐘為一輪。書面方式的頭腦風(fēng)暴，避免爭論和遺漏。德爾菲法（函詢法）：（a）選擇專家（b）整理征詢內(nèi)容（c）設(shè)計調(diào)查表，發(fā)函征詢（d）整理回函，得到新的意見和問題（e）再次函詢（共三到四輪）（f）整理結(jié)果(2)(2)創(chuàng)造性技法創(chuàng)造性技法 系統(tǒng)探求法 用系統(tǒng)的提問方式打破思維定勢，尋找同常被忽視的思路設(shè)問探求法(5W2H)：why, what, who, when, where, how to do,

6、how much;奧斯本設(shè)問法（檢核表法，分項檢查法）：能否它用，能否借用，能否改變，能否增擴，能否縮減，能否代用，能否調(diào)整，能否顛倒，能否組合；缺點探求法：現(xiàn)有哪些缺點？這些缺點有哪些影響？這些缺點是如何產(chǎn)生的？如何消除或回避這些缺點？消除或回避缺點會帶來哪些新的問題？(2)(2)創(chuàng)造性技法創(chuàng)造性技法組合創(chuàng)新法:組合法，綜攝法組合法：性能組合，功能組合，結(jié)構(gòu)組合，原理組合（組合機床、瑞士軍刀）綜攝法（類比法）：外部事物或已有的發(fā)明成果為媒介，并將它們分成若干要素，對其中的元素進行討論研究，綜合利用激發(fā)出來的靈感，來發(fā)明新事物或解決問題的方法。1）擬人類比（挖掘機）2）直接類比（撲翼飛行器）

7、3）象征類比2-2 系統(tǒng)功能分析法一、技術(shù)系統(tǒng) 其實質(zhì)是產(chǎn)品，即以一定的技術(shù)手段來實現(xiàn)社會特定需求的人造系統(tǒng)。技術(shù)系統(tǒng)的任務(wù)是將輸入量(包括能量、物料、信號)經(jīng)過轉(zhuǎn)換和變化后輸出(包括能量、物料、信號)。 系統(tǒng)的輸入與輸出 1)物料：如材料、毛坯、半成品、液體、氣體等 2)能量：如機械能、電能、熱能、光能、化學(xué)能、核能、生物能等 3)信號：體現(xiàn)為數(shù)據(jù)和控制信號，如數(shù)字量、模擬量、測量值、指示值、控制信號等 4)此外還存在伴生輸入與伴生輸出,如振動、溫度、噪聲、灰塵、邊角料等。 技術(shù)系統(tǒng)物料能量訊號對外界影響環(huán)境條件物料能量訊號例1:電動磨粉機,將小麥磨成面粉,則用上述技術(shù)系統(tǒng)圖可表示為技術(shù)系統(tǒng)

8、振動、噪聲和熱量輸入小麥電能控制信號面粉麩皮輸出例2:汽車內(nèi)燃機的技術(shù)系統(tǒng)圖可表示為技術(shù)系統(tǒng)振動、噪聲和熱量空氣燃油控制信號輸入機械能廢氣冷卻液、潤滑油輸出（a）(b)衣物介質(zhì)能量控制信號黑黑箱衣物含污物介質(zhì)黑黑箱箱液體能量壓力液體黑箱特點：要求設(shè)計者不從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)著手，而是從產(chǎn)品功能出發(fā)，這是設(shè)計方法的轉(zhuǎn)變，它有利于抓住設(shè)計本質(zhì)，擴大思路，擺脫傳統(tǒng)思想，而取得更有突破性的設(shè)計方案。例：臺鉗的功能表述對解法的影響如下表 4)功能定義的關(guān)鍵：問題的抽象化。抽象目的：使問題求解有更多的思路，得到更多的求解方法。 氣動機構(gòu)，液壓機構(gòu) 形成加壓 偏心機構(gòu) 機械加壓 螺旋絲桿 螺旋加壓 解 法 功能表述適

9、度抽象化 由表可以看出，功能表述愈具體思路愈窄，如描述為螺旋加壓，必然暗示出采用螺旋機構(gòu)。若描述為機械加壓思路就在機械范圍內(nèi)擴開，若抽象為形成加壓，即只要能形成壓力均可，必然使思路更為開闊。因此在構(gòu)思技術(shù)系統(tǒng)方案時，從功能觀點來研究有利于抓住問題的本質(zhì)。 例：砸開核桃殼取出果仁的功能描述，若用“砸”則已暗示了解法，而用“分離殼仁”的抽象表達，則可能得到思路更開闊的解答 功能分析法：步驟如圖。 功能分解 1)分解原因：一般系統(tǒng)比較復(fù)雜,難以直接求得,常把總功能分解為較簡單的分功能。 2)分解原則：輸入量與輸出量所需的物理原理比較單一,結(jié)構(gòu)簡化后零件少,而且較易求解。 3)分解方法 (1)按解決問

10、題的因果關(guān)系或手段,目的關(guān)系來分解。 (2)按生產(chǎn)的空間順序或時間順序來分解 。明確設(shè)計任務(wù)總體功能黑箱法功能元功能載體功能原理解功能樹創(chuàng)造性方法解法目錄最佳功能原理方案解分析綜合評價與決策形態(tài)學(xué)矩陣評價方法 4)分解結(jié)果 功能元:分解的能直接找到解法的分功能稱為功能元，它是功能的基本單位。 功能元分類 (1)物理功能元：反映系統(tǒng)中能量、物料、信號轉(zhuǎn)換的基本物理動作7個： 轉(zhuǎn)變復(fù)原，縮小放大，結(jié)合(混合)分離，接合分開 導(dǎo)通斷開，存貯提取，變向變向 在機械零件中有很多典型零件都可以用上述功能表示，如 齒輪傳動：轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的縮小放大 螺旋彈簧：能量的存貯提取 (2)數(shù)學(xué)功能元：反映基本的數(shù)學(xué)動作

11、 加、減、乘、除及一些符號運算，如行星齒輪機構(gòu)和正弦機構(gòu)等。 (3)邏輯功能元：主要用于控制功能。 “與”，”或”，”非”等邏輯運算，如自鎖、互鎖機構(gòu) 5)分解結(jié)果的表示 (1)功能樹：功能分解的結(jié)果用功能樹的形式平表達比較直觀.功能樹中前級是后級的目的功能,后級是前級的手段功能.其末端是功能元。 (2)功能結(jié)構(gòu)圖 功能之間的關(guān)系可以用功能結(jié)構(gòu)圖來表示,它有以下三種基本結(jié)構(gòu)形式 A. 串聯(lián)結(jié)構(gòu) B.并聯(lián)結(jié)構(gòu) C.環(huán)形結(jié)構(gòu)1F2F3F1F2F3F1F2F3F條件2F1F條件1F2F（a）(b)(c)(d)(e)(a) 串聯(lián)機構(gòu)；（b）、(d)并聯(lián)機構(gòu)；（c）、(e)環(huán)形機構(gòu) 例.材料拉伸試驗機的

12、功能分析及功能結(jié)構(gòu)圖試件電能信號變形測量總功能力-變形測量試件加載能量大小的調(diào)節(jié)能量轉(zhuǎn)化為力和位移能量轉(zhuǎn)化獲取力信號試件裝卡信號放大試件加載信號顯示獲取變形信號信號放大信號顯示力測量動作控制材料拉伸試驗機試件電能信號變形后試件力信號變形信號黑箱圖變形后試件力信號變形信號能量轉(zhuǎn)化試件加載測變形測變形功能結(jié)構(gòu)圖功能樹例：汽車內(nèi)燃機的功能結(jié)構(gòu)圖油門進氣通道燃燒室曲柄滑塊機構(gòu)控制齒輪排氣門進氣凸輪排氣凸輪機械能廢氣燃油空氣信號尾氣凈化空氣濾清燃油過濾 分功能分功能(功能元功能元)求解求解 分功能求解就是尋求完成分功能的技術(shù)實體-功能載體。從基礎(chǔ)科學(xué)研究揭示的一般科學(xué)原理開始，通過應(yīng)用研究探明具體的原理

13、，然后尋求實現(xiàn)該技術(shù)原理的技術(shù)手段和主要結(jié)構(gòu)。 1)基本思路 功能工作原理(科學(xué)原理和技術(shù)原理) 功能載體超越式離合器摩擦式離合器柱銷式離合器功能載體,用途斜面效應(yīng)摩擦原理剪切原理技術(shù)模型 Ntan N S工作原理過載載荷信息扭矩過程保護裝置零載荷功能分析maxFmaxFmaxF 2)常見求解方法 1)直覺法 直覺法是設(shè)計師憑借個人的智慧、經(jīng)驗和創(chuàng)造能力，包括采用幾種創(chuàng)造性思維方法加智暴法、類比法和綜合法等，充分調(diào)動設(shè)計師的靈感思維，來尋求各種分功能的原理解。 2)調(diào)查分析法 設(shè)計師要了解當(dāng)前國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，大量查問文獻資料，包括專業(yè)書刊、專利資料、學(xué)術(shù)報告、研究論文等，掌握多種專業(yè)門類的

14、最新研究成果。這是解決設(shè)計問題的重要源泉。3)知識庫檢索法 (1)物理效應(yīng)和現(xiàn)象庫 (2)功能-載體詞典 (3)解法原理目錄4) TRIZ理論(發(fā)明問題解決理論 )(1)無論是一個簡單產(chǎn)品還是復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)，其核心技術(shù)的發(fā)展都是遵循著客觀的規(guī)律發(fā)展演變的，即具有客觀的進化規(guī)律和模式。(2)各種技術(shù)難題、沖突和矛盾的不斷解決是推動這種進化過程的動力。(3)技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的理想狀態(tài)是用盡量少的資源實現(xiàn)盡量多的功能。 物理效應(yīng)和現(xiàn)象庫功能載體詞典解法原理目錄：物料分離功能解法原理目錄求系統(tǒng)原理解求系統(tǒng)原理解 1)形態(tài)學(xué)矩陣形態(tài)學(xué)矩陣 組合系統(tǒng)原理解的基本方法，即：將系統(tǒng)的功能元列為縱坐標(biāo), 各功能元的

15、解法作為橫坐標(biāo),構(gòu)成形態(tài)學(xué)矩陣,從每個功能元中取一 種解法進行有機組合,則可得到一個系統(tǒng)解,最多可以得到N種方案: N = n1 n2 ni nm 其中:m為功能元個數(shù), nm為第i個功能元的解個數(shù)功能元功能解(功能載體)1234A墨庫剛性管可折疊的筆纖維物質(zhì)B裝填機構(gòu)部分真空毛細作用可更換的儲液器墨注入儲液器C筆尖墨液輸出裂縫筆尖圓珠-粘性墨纖維物質(zhì)的筆尖例例1. 液墨書寫器的方案求解液墨書寫器的方案求解 2) 組合時的注意事項組合時的注意事項 (1)相容性。分功能解之間必須相容，不得互相排斥，否則不得組合。 (2)優(yōu)先選用主要分功能的最佳解，由該解出發(fā),選擇與它相容的其它分功能解。 (3)剔除對設(shè)計要求及約束條件不滿足，或不令人滿意的解。如：成本偏高，效率低,污染嚴(yán)重，不