基于系統(tǒng)工程的綜合設計法在產(chǎn)品研究與開發(fā)中的應用

基于系統(tǒng)工程的綜合設計法在產(chǎn)品研究與開發(fā)中的應用基于系統(tǒng)工程的綜合設計理論與方法在產(chǎn)品研究與開發(fā)中的應用

0、引言1、產(chǎn)品的設計質(zhì)量及功能與性能的含義2、產(chǎn)品的設計理論與方法的分類3、產(chǎn)品設計三個階段及7D總體設計規(guī)劃模型4、面向產(chǎn)品廣義質(zhì)量的1+3+X綜合設計法5、以非線性理論為基礎的深層次綜合設計法6、理論與方法的具體應用00、結語2023/11/2120.引言0.1裝備制造業(yè)在國民經(jīng)濟發(fā)展中的地位

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，是推進信息化的主導產(chǎn)業(yè),是科學技術的基本載體，是實現(xiàn)技術創(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。2023/11/213表1我國GDP與制造業(yè)工業(yè)增加值(表2)年份當年價（億元）GDP制造業(yè)工業(yè)增加值制造業(yè)的比重（%）19526798913.0719783624127935.2919858964284031.681995584782057835.202000894423225536.0620021023983615135.302023/11/214圖1中德日美四國制造業(yè)增加值變化情況

2023/11/2150.2我國制造業(yè)的優(yōu)勢、劣勢、機遇、威脅分析優(yōu)勢●較低的勞動力成本●廣闊的潛在消費市場●比較完善的制造業(yè)體系●經(jīng)濟持續(xù)健康協(xié)調(diào)快速增長●以改革開放為核心的政府政策支持劣勢●技術創(chuàng)新能力薄弱●市場經(jīng)濟發(fā)育不完善●國有企業(yè)總體活力不足●缺少具有國際競爭力的大型企業(yè)包括具有總承包能力的工程公司機遇●發(fā)達國家的制造業(yè)向發(fā)展中國家轉(zhuǎn)移步伐加快●以信息技術為代表的高技術與制造業(yè)的融合提供了制造業(yè)水平提升的機遇●城市化建設加快，人民生活水平和消費能力持續(xù)提高威脅●資源短缺、水資源危機、生態(tài)環(huán)境惡化●國際貿(mào)易保護主義加劇，技術壁壘加重●龐大的人口帶來巨大的就業(yè)壓力●國內(nèi)市場與國際市場接軌，競爭加劇2023/11/2160.3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;(3)自主開發(fā)的產(chǎn)品還較少,有的還不能制造;(4)總的來看,產(chǎn)品的技術含量有待提高。本世紀初我國正在依靠科學技術進步，開拓出一條發(fā)展制造業(yè)及通向制造強國之路。2023/11/2170.4應該采取的措施

（1）掌握國內(nèi)外需求情況和產(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）在產(chǎn)品研發(fā)中開展自主創(chuàng)新設計（5）創(chuàng)建試驗研究的良好條件和環(huán)境（6）重視產(chǎn)品研究開發(fā)過程中的五大要素（7）把提高產(chǎn)品設計質(zhì)量放到首要的地位（8）采用先進的產(chǎn)品設計理論與方法2023/11/218近幾年,我對產(chǎn)品的設計理論與方法進行了研究,提出了一種基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品設計理論與方法，該方法的特點是：以用戶需求為前提，以多科學的理論與技術的交叉融合為基礎，以科學發(fā)展觀的思想和產(chǎn)品自主創(chuàng)新思想做指導，以提高產(chǎn)品廣義質(zhì)量（五大要素）為目標，以功能設計和結構、使用和制造性能設計的內(nèi)容，以功能優(yōu)化動態(tài)優(yōu)化、智能優(yōu)化和可視優(yōu)化及數(shù)字化為方法，提出了一種基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品設計理論與方法。在我寫的多部著作中已做了敘述:(1)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,2006(2)產(chǎn)品的全功能和全性能的綜合設計，共６本，機械工業(yè)出版社,2008,（已出版３本）2023/11/219

1、產(chǎn)品的設計質(zhì)量及功能與性能的含義

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1產(chǎn)品的主功能與輔助功能1.1產(chǎn)品的主功能與輔助功能2023/11/2110

1.1產(chǎn)品功能的內(nèi)涵及主要特性

圖2.2功能結構簡圖和對功能的要求及其主要特性圖2產(chǎn)品功能要求及主要特性1、結構布置實現(xiàn)主、輔功能所對應的結構2、機構驅(qū)動、2動、工作機構3、參數(shù)幾何參數(shù)、工藝參數(shù)運動參數(shù)、動力參數(shù)4.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)功能設計四項內(nèi)容用1、2、3、4加以概括2023/11/21111.2產(chǎn)品的三大性能圖3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構緊湊性環(huán)境無害性造型藝術性設計經(jīng)濟性結構性能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2023/11/2112

1.3產(chǎn)品質(zhì)量與設計質(zhì)量的定義

早期把產(chǎn)品質(zhì)量理解為產(chǎn)品技術特征符合規(guī)定要求的程度(質(zhì)量的“符合性”定義).20世紀60年代，美國質(zhì)量管理專家朱蘭提出了“質(zhì)量是滿足顧客需求的程度”的觀點，被稱為質(zhì)量的“適用性”定義。ISO于1986將質(zhì)量定義為“產(chǎn)品或服務滿足規(guī)定或潛在需要的特征和特性的總和”。ISO于1994質(zhì)量定義:反映實體滿足明確和隱含需求的能力的特性總和。ISO于2000質(zhì)量定義:一組固有特性滿足要求的程度。作者認為產(chǎn)品質(zhì)量的定義因不同的前提條件而有所區(qū)別，產(chǎn)品質(zhì)量分為產(chǎn)品的使用質(zhì)量、設計質(zhì)量、制造質(zhì)量和包裝質(zhì)量等。產(chǎn)品使用質(zhì)量，或產(chǎn)品的質(zhì)量Q的定義應是:執(zhí)行或完成使用的工作要求所能表現(xiàn)的能力(或所能達到的水平)。產(chǎn)品設計質(zhì)量的定義應是:執(zhí)行產(chǎn)品設計的工作要求所能表現(xiàn)的能力(或所能達到的水平),產(chǎn)品設計質(zhì)量=功能+性能.2023/11/21132產(chǎn)品設計理論與方法及其分類

2.1產(chǎn)品的設計方法（多數(shù)采用分析思維模式）

(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)材料與結構等一體化設計,多學科交叉綜合設計2023/11/2114

3、產(chǎn)品的設計方法及其分類

2.2產(chǎn)品的設計方法的分類（分析思維模式與綜合思維模式的結合）圖4現(xiàn)代機械設計方法的分類方案設計結構設計機構設計幾何參數(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)設計基礎設計三化綜合設計1+3+X設計面向產(chǎn)品結構性能的動態(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)化設計創(chuàng)新設計基于系統(tǒng)工程的設計概念設計ＴＲＩＺ發(fā)明解決問題穩(wěn)健設計改型設計優(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CAＥＱＦＤ設計公理化設計系統(tǒng)化設計過程常規(guī)設計過程和諧設計綠色設計面向產(chǎn)品質(zhì)量的設計基于價值工程的設計功能設計全性能設計現(xiàn)代機械設計方法匯總表設計過程設計方法設計思想組合型設計設計目標設計環(huán)境設計內(nèi)容2023/11/2115

3產(chǎn)品設計的三個階段與7D總體設計規(guī)劃設計思想域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圖5產(chǎn)品設計的三個階段3.1產(chǎn)品設計的三個階段：規(guī)劃、實施與檢驗階段2023/11/2116

基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品全功能和全性能的設計規(guī)劃面向產(chǎn)品廣義質(zhì)量或全功能全性能優(yōu)化設計思想以科學發(fā)展觀和自主創(chuàng)新思想作指導。貫徹綠色設計、創(chuàng)新設計或基于系統(tǒng)工程的設計思想設計目標產(chǎn)品廣義質(zhì)量（功能+性能）Q、C、T、E、S擬選用全功能設計法、全性能設計法或QFD設計法等。設計質(zhì)量檢驗擬選用產(chǎn)品質(zhì)量可靠性評估方法、模糊評估法、價值評估法或系統(tǒng)工程評估法等設計方法擬選用優(yōu)化設計、可視化設計、虛擬設計、數(shù)字化設計、智能設計、協(xié)同設計、并行設計、網(wǎng)絡設計或集成設計等設計環(huán)境要充分考慮產(chǎn)品的設計環(huán)境對產(chǎn)品設計提出的要求如政治、經(jīng)濟、社會、人文和法律環(huán)境的要求設計內(nèi)容擬選用功能設計、結構設計、參數(shù)設計、動態(tài)設計、強度設計、傳動設計、造型設計、摩擦學設計或控制系統(tǒng)設等設計過程由用戶需求、產(chǎn)品功能優(yōu)化、性能優(yōu)化、工藝優(yōu)化及產(chǎn)品檢驗等組成的五個過程圖6產(chǎn)品設計的7D總體規(guī)劃模型(60多設計法都可以找到它們自己的位置)2023/11/2117

3.2產(chǎn)品設計的7D總體規(guī)劃（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、技術環(huán)境的要求等；（3）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（4）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；2023/11/2118（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：建立產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性評估體系，采用模糊評價法、價值工程評價法等對產(chǎn)品設計質(zhì)量進行評估，克服產(chǎn)品設計工作中的隨意性，進而可提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量，使企業(yè)產(chǎn)品的設計質(zhì)量得到有效的保證。此外，還要通過試驗及在產(chǎn)品使用過程中來檢驗產(chǎn)品質(zhì)量。2023/11/21193.3產(chǎn)品設計規(guī)劃應是一個完整的技術系統(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)對設計結果進行評價與檢驗。完整的技術系統(tǒng)可以保證技術工作得到全面、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。非完整的技術系統(tǒng)會產(chǎn)生許多不良的結果，如設計目標未能實現(xiàn)，設計延期，反工，誤工，造成浪費等。2023/11/2120序號1234567規(guī)劃內(nèi)容設計思想設計環(huán)境設計過程設計目標設計內(nèi)容設計方法設計質(zhì)量檢驗正面效應全面性、系統(tǒng)性、思想性協(xié)調(diào)性客觀性計劃性規(guī)范性目的性具體性科學性有效性結果清晰性負機

效應片面性盲目性主觀性隨意性缺乏計劃性盲目性內(nèi)容空洞抽象缺乏科學性失效性模糊性可能出現(xiàn)的問題1、功能和性能達不到要求；2、反工，誤工，延期；3、產(chǎn)品出廠后出現(xiàn)問題；4、產(chǎn)品經(jīng)濟性差，造成不必要的浪費。完整系統(tǒng)與非完整系統(tǒng)結果的比較(表3)2023/11/212111/21/202322

技術工作中的各元素在整個系統(tǒng)中所起的作用是不相同的,它們有不同的權重,因此,可以用權重影響系數(shù)乘以各元素,使各個元素在系統(tǒng)中根據(jù)其作用大小實現(xiàn)其等價性的原則。完整系統(tǒng)與非完整系統(tǒng)的質(zhì)量可分別表示為

完整系統(tǒng)與非完整系統(tǒng)質(zhì)量之差為

完整的技術系統(tǒng)可以使技術工作得到全面、系統(tǒng)、協(xié)調(diào)、穩(wěn)定、高速、可持續(xù)地開展。

非完整的技術系統(tǒng)會產(chǎn)生許多不良的結果，如功能和性能達不到要求、返工、誤工、延期、產(chǎn)品出廠后出現(xiàn)問題、產(chǎn)品經(jīng)濟性差、造成不必要的浪費等(表3)。2023/11/21233.4設計目標、設計內(nèi)容與設計方法的關聯(lián)性。產(chǎn)品設計目標設計內(nèi)容與設計方法之間的關系：F為設計目標矩陣,；D為設計內(nèi)容矩陣；A

為方法矩陣，如果產(chǎn)品設計含有老3個設計目標的話，則設計方法矩陣為

由前式可以求得設計內(nèi)容的元素：

對于線性系統(tǒng)

A，A為常數(shù)，對于非線性系統(tǒng)Ａ不為常數(shù).，

如果

A

是對角矩陣，那么這個求未知元素的方程是獨立的，未知元素與已知功能或性能的關系是1對1的關系。2023/11/2124

4.面向產(chǎn)品廣義質(zhì)量的綜合設計法

綜合設計法：考慮單一設計方法的局限性，從宏觀角度或系統(tǒng)工程角度，在現(xiàn)有的一些主要的方法中找出對產(chǎn)品總體質(zhì)量有重要影響的3、4或更多種方法，在設計中加以綜合。

A、三種設計方法綜合在一起的設計法：如動態(tài)優(yōu)化設計、智能化設計和可視化設計等3種方法綜合在一起的設計方法，稱為三化或三優(yōu)綜合設計法。B、四種設計方法綜合在一起的設計法：如“產(chǎn)品質(zhì)量功能化設計、動態(tài)優(yōu)化設計、智能化設計和可視化設計等4種方法綜合在一起的設計方法，可以稱為四化綜合設計法或稱為1+3綜合設計法，其中1為產(chǎn)品的方案設計，后面的3是三化綜合設計法。C、更多種設計方法的綜合：如（1+3）+X設計法，1+3和前面的相同，而X考慮一些產(chǎn)品的特殊要求而采用的設計方法。2023/11/2125機械產(chǎn)品深層次的（1+3）+X綜合設計法的內(nèi)容與特點現(xiàn)代機械動態(tài)優(yōu)化設計動態(tài)優(yōu)化設計動態(tài)可靠性設計工作參數(shù)智能控制工作過程智能控制產(chǎn)品裝配可視化設計工作過程可視化圖7現(xiàn)代機械產(chǎn)品的1+3+X綜合設計法的內(nèi)容與特點

產(chǎn)品的1+3+X綜合設計法X：依據(jù)產(chǎn)品特點而應該采用的設計方法，如轎車，要考慮造型設計等現(xiàn)代機械智能優(yōu)化設計現(xiàn)代機械可視優(yōu)化設計以功能優(yōu)化設計為先導的設計2023/11/2126

4.1產(chǎn)品的功能優(yōu)化設計功能優(yōu)化設計指令輸入系統(tǒng)工況控制系統(tǒng)能量輸入系統(tǒng)改變物質(zhì)幾何形態(tài)改變物質(zhì)物理狀態(tài)改變物質(zhì)化學組成轉(zhuǎn)換信息表示形式改變物質(zhì)生理機能物質(zhì)輸送功能運動形式轉(zhuǎn)變物件裝夾功能系統(tǒng)能量輸入指令信號輸入控制信息轉(zhuǎn)換輔助功能主功能目標內(nèi)容

圖8功能設計的目標、內(nèi)容與方法方法與步驟優(yōu)化設計智能設計可視化設計機器整體結構物質(zhì)輸送系統(tǒng)運動學參數(shù)動力學參數(shù)工藝參數(shù)幾何參數(shù)驅(qū)動機構型式傳動機構型式工作機構型式運動輸入系統(tǒng)輔助功能部結構主功能部結構設計思想設計環(huán)境2023/11/2127

4.2產(chǎn)品的動態(tài)優(yōu)化設計

圖9動態(tài)優(yōu)化設計的目標、內(nèi)容與方法內(nèi)容方法與步驟目標動態(tài)優(yōu)化設計方案設計結構設計機構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造型設計參數(shù)設計驅(qū)動系統(tǒng)設計傳動系統(tǒng)設計優(yōu)化設計智能設計可視化設計有限元設計數(shù)字化設計CAE設備創(chuàng)新性工作耐久性安全可靠性材質(zhì)適應性結構緊湊性環(huán)境協(xié)調(diào)性造型藝術性設計經(jīng)濟性設計思想設計環(huán)境

結構性能2023/11/21284.3產(chǎn)品的智能優(yōu)化設計

圖10控制系統(tǒng)及智能優(yōu)化設計的目標、內(nèi)容與方法工效實用性指標優(yōu)越性工作穩(wěn)定性設備動力性狀態(tài)測控性故障可診性操作宜人性使用經(jīng)濟性設備創(chuàng)新性環(huán)境協(xié)調(diào)性方案設計結構設計機構設計運動學設計試驗設計動力學設計參數(shù)設計監(jiān)測系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)設計診斷系統(tǒng)設計方法與步驟目標使用性能內(nèi)容控制系統(tǒng)及智能優(yōu)化設計優(yōu)化設計虛擬設計智能設計數(shù)字化設計CAE設計思想設計環(huán)境2023/11/21294.4產(chǎn)品的可視優(yōu)化設計優(yōu)化設計智能設計可視化設計有限元設計數(shù)字化設計CAＥ目標工結使藝構用性性性能能能方法與步驟圖11可視優(yōu)化設計的目標、內(nèi)容與方法可視優(yōu)化設計容差設計方案設計結構設計機構設計運動學設計動力學設計強度設計參數(shù)設計監(jiān)測系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)設計裝配設計工藝設計工裝設計診斷系統(tǒng)設計使用性能結構工藝性容差合理性機器規(guī)范性生產(chǎn)時間性裝運可行性設備維修性報廢回收性結構性能制造經(jīng)濟性設備創(chuàng)新性環(huán)