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第10章设计方法学刘小康编写§10.1概述设计方法学是研究产品设计规律、设计程序及设计思维和工作方法的一门综合性学科。设计方法学以系统工程的观点分析设计的战略进程和设计方法、手段的战术问题。在总结设计规律和原理、激发创造性思维的基础上综合运用现代设计理念、先进设计方法、先进设计手段和先进设计工具来设计开发新产品,改造旧产品，提高产品的市场竞争能力。§10.1.1设计发展简史1.直觉设计阶段2.经验设计阶段3.中间试验设计阶段4.现代设计阶段§10.1.2设计的定义和特征设计是一种创造性活动，设计的核心是创造性，如果没有创新，就不叫设计。创造性是具有创造新价值或新设想的能力。设计是一种优化过程，是在给定条件下，谋求最优解的过程。设计是把各种先进技术转化为生产力的一种手段，它反映了当时生产力的水平，是先进生产力代表。设计是一种技术性、经济性、社会性、艺术性的综合产物。设计是为满足需求而进行的一项创造性思维活动的实践过程。机械产品的设计是创造性地建立满足功能要求技术系统的活动过程。设计的特征需求特征：设计起源于客观的需求，又归宿于满足这种需求。创造性特征：设计创造新产品，改进更新老产品。程序特征：设计过程总是在一定的时间、空间内，按一定的程序进行。时代特征：设计方法、手段、制造工艺、材料等；设计水平代表了当时社会的技术水平。§10.1.3现代设计与传统设计1.传统设计传统设计又叫常规设计。采用初步设计、技术设计、施工设计的三段设计法。通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计，设计思维是直觉式、经验式、模拟式的收敛的思维方式。2.现代设计把产品设计当作系统工程对待，强调创造性开发设计，以整体功能为目标，重视设计方案，是发散式思维，考虑多种方案的评价、比较、优选。现代设计的特征1)系统性把设计对象看作一个系统，同时考虑系统与外界的联系，用系统工程概念进行分析和综合，力求系统整体最优。2)创造性现代设计强调创造能力开发和充分发挥人的创造性，重视原理方案的设计、开发和创新产品。3)综合性设计过程中，综合考虑、分析市场需求、设计、生产、管理、使用、销售等各方面的因素；综合运用优化设计、系统工程、可靠性理论、价值工程、计算机技术等学科知识，探索多种解决设计问题的科学途径。4)整体性研究设计的研究设计的整体进程和协调，从系统性出发，研究一个设计整体的各个方面，各个部分的设计战略和设计工作各个具体部分的战术方法。§10.1.4设计方法学的主要研究问题1.设计进程模式2.设计原理、规律和准则3.设计方案4.综合评价设计方法学应满足的要求1.适用于任何工程设计和产品设计,而不局限于某种行业。2.能促进发明创造和认识能力，使较容易找到最佳的解。3.与其它学科的概念，方法和认识相协调。4.所获得的解并非偶然的，且容易转用于其它技术产物。§10.2产品设计§10.2.1产品和新产品1、产品的概念产品——经过劳动创造的物质财富或物品。对产品的分析可分为三个层次：1)形式产品：产品的具体形态2)核心产品：产品给用户提供的基本功用和利益3)延伸产品：使用户的利益得到保证或使顾客有更多的产品附加利益２、新产品的概念３、开发新产品的必要性安装质量商标包装产品的利益与服务保证运送维修特征造型延伸产品形式产品核心产品图10-1产品的概念§10.2.2产品规划的任务和进程产品的生命周期——指新产品从投放市场到退出市场所经历的时间。包括介绍期、增长期、饱和期和衰退期。图１0-2产品的生命周期图１0-3产品规划进程§10.2.3产品构思的产生及选择美国某著名的市场研究机构对80家公司的新产品的调查研究表明，每40个产品构思，仅有一件新产品获得成功，如图10-4所示。图10-4新产品构思淘汰率§10.2.4.产品设计类型和设计原则１、产品设计类型1)开发性设计——在设计原理、设计方案全都未知的情况下，根据产品总功能和约束条件，进行全新的设计。2）改进性设计——在总的方案和原理不变的条件下，根据生产技术的发展和使用部门的要求，对产品结构和性能进行更新改造，以适应某种附加要求。3）系列化设计——在功能、原理、方案不变的情况下，只是对结构设计和尺寸加以改变，使之满足功率、速比的不同要求。4）测绘和仿制——按照国内外产品实物进行测绘、变成图纸文件、其结构性能不改变，只进行统一标准和工艺性改动。2、产品设计的原则1)创新原则；2)可靠原则：产品无故障运行的时间长短，是评价产品质量优劣的一个重要的指标；3)效益原则；4)审核原则；10.2.5产品开发的基本设计过程图10-5产品开发的基本设计过程§10.3确定设计任务§10.3.1明确设计任务的意义和方法一、概述正确地确定设计目标是设计成功的基础。设计任务要求目标详细、明确、合理而又先进，并初步判断这些要求是否有可能实现。制定任务要求时，设计师要弄清下列问题：1)设计本身涉及哪些问题？2)有哪些愿望委托者还未提出来？3)任务书所提出的条件是否真实？4)哪些开发途径是可行的？5)设计要达到什么目标和应具有什么特征？6)哪些特性是不允许存在的？7)哪些产品应被取代？设计人员要用自己收集的资料信息，对委托的任务要求进行检查和思考。收集的资料包括：1）同类技术产品的不完善性；2）目前的技术水平；3）有关数据和重点。§10.3.2编制产品要求明细表一．对产品要求明细表的要求描述应正确、完整，没有含糊不清之处，应保证满足设计任务所反映的需要。应考虑当前水平、未来可能的发展及本企业的条件，合理处理各项要求的先进性问题。应该用对所需获得的效果的说明（即系统应该做什么），而不是用取得这些效果的手段（系统应该是什么），来构成设计中的问题和要求。各项要求应尽可能定量，并给出其允许偏差。有关数据应符合标准化，系列化的要求。各项要求应保证协调、相容，不应有无法调和的矛盾。应根据各项要求的重要性和性质划分为要求或愿望。二．产品要求明细表的内容和表达各项要求按性质可分为必达要求、最低要求和愿望。必达要求：根据设计任务规定，这些要求是无论如何必须达到的，否则系统功能便无法实现，这是最起码的要求。例如功率、速度、流量等。最低要求：反映设计的约束条件，如效率、噪声的限制等。愿望：力争达到的要求，有一定宽容余地。例如希望集中操纵、维修方便等。各项要求应从数量和质量两方面来说明，否则设计就没有确定的结果。这两方面如：数量：所有关于数目、件数、质量、功率、流量、生产能力等方面的说明。质量：所有关于允许的误差、特定的要求，例如耐热带气候、耐腐蚀或抗震等方面的要求。制订产品要求明细表的实例例1．摩擦离合器试验台要求明细表的编制要求该试验台能对载重量为2.5吨以下的汽车摩擦离合器进行台架试验。试验包括：1)对离合器在整个工作参数（负载和转速）范围内进行工作特性试验。2)能测量并记录试验过程中的离合器扭矩、负载扭矩，主、从动轴转速，以及有关各点的温度瞬时值。3）试验台能采用计算机自动控制及数据处理。4）制造成本不超过10万元。5）半年完成设计，一年内完成样机。制订的要求明细表如表10-1所示。主要特征例子大小、长、宽、高、直径、面积、体积、空间、数目、布置、联接、拆卸、扩大等。运动种类、运动方向、位移、速度、加速度等。力的方向、大小、力的频率、重量、负载、变形、刚度、弹簧特性、质量力、稳定性、共振等。功率、效率、损失、摩擦、通风、状态参量如压力、温度、加热、冷却、储存、接受的功、能量转换等物料的流动和输送，输入和输出产品的物理与化学特性，辅助材料、规定的材料等输入和输出的测试量、信号显示、工作与监视仪器等。直接安全技术、保护系统、工作与环境安全操作，操作高度、操作种类、操作手柄、按钮和仪表应一目了然，座位舒适、照明、外形几何运动学力能量物料信号安全人机工程学表10-1按主要特征编制要求明细表的导则华南理工大学摩擦离合器试验台要求明细表修改要求/愿望要求负责人第1次发放1988年5月20日几何安装试件最大外径：D=254mm长度：L=330mm运动转速：接合相对转速nr=10~3000r/min无级调速：nr为主、从动边接合前的相对转速离合器脱开行程：max40mm离合器接合速度：0．5~6s/全行程（约1．5~22．5m/全行程)离合器接合频率：max5次/分力主动扭矩：max250N．m负载扭矩：max116N．m(可调）离合器脱开力：max6000N(可调）被加速惯性矩：1~26kg．m2惯性矩可无级提供，至少每级不超过0．1kg．m2要求要求要求要求要求要求要求要求要求愿望A设计组第1页共2页华南理工大学要求明细表(摩擦离合器试验台)修改要求/愿望要求负责人第1次发放1988年5月20日要求要求愿望要求要求要求要求要求能量动力消耗功率：45kw，三相交流380V供仪器用：220V、50Hz必要时允许采用液压传动材料用普通钢材或铸铁信号测量下列各量对时间的变化：主动转速、从动转速、离合器扭矩，负载扭矩，摩擦面温度（4~8点），压盘厚度，中点和外表面温度接合（滑磨）时间测量结果应能自动记录、贮存。由计算机自动检测数据处理试验结果可以打印及在显示屏上列表或用线图显示测量点要能装传感器（测量点在回转件），并能将信号引出取代编号华南理工大学摩擦离合器试验台要求明细表修改要求/愿望安全和人机关系极限转速要监视和限制，有报警和安全措施离合器的温度监视，有报警和安全措施高速回转件；应经动平衡（如有飞轮）操作简单可靠，便于观察各种仪器可以手控操作和自动控制更换试件方便要求负责人第1次发放1988年5月20日要求要求要求愿望要求愿望第2页共2页华南理工大学摩擦离合器试验台要求明细表修改要求/愿望要求负责人第1次发放1988年5月20日加工和检查加工的零件为单件生产尽量用标准件或外购件尽可能在本单位加工尽可能用国产器件主动轴和从动轴的同心度要检查飞轮（如果有）要经动平衡与安全有关的联接要易于检查要求愿望愿望愿望要求要求愿望第2页共2页华南理工大学摩擦离合器试验台要求明细表修改要求/愿望要求负责人第1次发放1988年5月20日装配与运输用通用的装拆工具不需特殊的运输工具和手段装拆容易更换试件容易且保证原有位置精度使用与保养保养维修方便愿望要求愿望愿望愿望第2页共2页华南理工大学摩擦离合器试验台要求明细表修改要求/愿望要求负责人第1次发放1988年5月20日回用负载扭矩消耗的能量尽可能回输利用成本不超过10万元期限半年内完成设计工作，一年内完成样机试制愿望要求要求第2页共2页取代编号例2．制订家用单把手调节水温和流量的混合冷热水龙头要求：通过能力10L/min；热水温度60℃；最大压力6×105Pa；名义压力2×105Pa；接头直径1/2寸；造型美观；月产量为3000只时，成本为50元/只；开发的产品两年内投放市场。ABC研究所单把手混合冷热水龙头要求明细表修改要求/愿望要求负责人共1页第1页1.通过能力（混合水）：max10L/min,在压力为2×105Pa时2.最大压力10×105Pa（试验压力15×105Pa）3.水温：名义60℃，最高100℃（短时）4.水温调节与流量和压力无关5.允许的温度波动±5℃，在冷热供水管压力差为±0．5×105Pa时6.联接：2×铜管φ10×1mm，L=400mm7.固定孔φ35-2-1mm，水盆溢口高度0～18mm，水盆尺寸按标准8.出水口高度超过盆边50mm9.作为洗手盆附件10.作为可配换的装在壁上的水暖配件要求要求要求要求要求要求要求要求要求愿望该题的要求明细表如表10-2。ABC研究所要求明细表(单把手混合冷热水龙头)修改要求/愿望要求负责人共1页第1页11.操作力小（小孩能用）12.不用外界能量13.水质含钙（注意食水质量条件）14.温度调节明确可辨15.龙头上设有醒目的公司标志16.静止位置时两水路不短路17.放水时不短路18.把手温度只允许＋3５℃19.接触附件不会烫伤20.防止沸水烫伤要求要求要求要求要求要求要求要求要求要求ABC研究所要求明细表(单把手混合冷热水龙头修改要求/愿望要求负责人共1页第1页21.操作简单、明了、舒服22.外形