第1章设计方法学-现代设计方法教学课件.ppt

1、第一节 设计方法学概述设计方法学的涵义设计方法学是用系统观点，考虑自然科学、社会科学、经济科学等各种现代因素，为获得质优价廉有创新的产品，研究产品的一般设计进程、设计规律、设计思维和工作方法、设计工具的综合性学科。设计方法学的研究对象（1）设计对象：能实现一定技术过程的技术系统。（2）设计进程（3）设计评价（4）设计思维：即创造性思维，其有自身的特点和规律，通过一定的创造技术方法激发。（5）设计工具（6）现代设计理论与方法的应用第二节 系统化设计o 技术系统 完成某个特定功能或职能的各个事物的集合，简称为技术系统。技术系统可由子系统组成，也可组成超系统。技术系统的作业对象一般分为三大类：物料、

2、能量、信息。完成同一作业对象需求的技术过程不同所对应的技术系统也不同。技术过程确定需以下步骤：（1）根据信息集约和调研预测的资料，分析确定作业对象及主要转换要求。（2）分析比较传统理论、现代理论和实践，确定实现转换的工作原理。（3）明确实现技术过程的环境和约束条件，环境是与技术系统发生联系的外界的总和，约束条件包括经济条件、生产条件、技术条件和社会条件。（4）确定主要技术过程和其他辅助过程。（5）根据高效、经济、可靠、美观和使用方便等原则，初步划定技术系统的边界，即工作范围。第二节 系统化设计o技术系统 技术过程是在人技术系统环境这一大系统中完成。技术系统物料输入能量输入信号输入物料输出能量输

3、出信号输出振动噪声灰尘振动噪声灰尘确定人和技术系统所分别完成的功能确定环境和技术系统的干扰与影响第二节 系统化设计o 技术系统中的信息集约 信息集约旨在对产品相关信息进行收集整理、分析加工，一般由各个部门分工完成。（1）情报部门负责产品的技术资料及发展趋势，专利情报，行业技术情报等。（2）开发部门负责产品性能试验，新材料、新工艺、新技术，产品性能、规格、造型，各种标准法规、设计方法等。（3）制造部门负责提供生产能力、制造工艺设备、工时及其他相关技术数据等信息。（4）营销部门负责国家产业政策、产品寿命周期分析，市场调查，需求预测，经营销售分析，材料和外购件价格与供应情况，质量和供货能力，老产品用

4、户意见分析，事故与维修情况分析。（5）公关部门负责产品和企业的社会形象，与同行的竞争与联合情况分析。（6）社会部门负责产品与环境污染、节能、资源、动力供应等地关系，产品进入社会和退出社会、报废、升级换代等的效应分析。第二节 系统化设计o 技术系统中的调研预测 调研预测一般从市场、技术、社会环境及企业环境四个方面进行。o 可行性报告 （1）产品开发的必要性和可能性。（2）目前国内外该产品的现状及发展水平。（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。第二节 系统化设计o 方案的系统化设

5、计 方案的系统化设计是把设计对象看做一个完整的技术系统，然后用系统工程的方法对系统各要素进行分析和综合，使系统内部协调一致，并使系统与环境协调，以获得整体最优设计方案。功能分析设计法是系统化设计中探寻功能原理方案的主要方法，具体的原理方案设计步骤为：第二节 系统化设计设计任务求总功能总功能分解为功能元功能元求解元理解组合评价与决策最佳原理方案设计要求表黑箱法功能树、功能结构图创造性方法、目录法、调查分析法形态学矩阵法各种评价方法分析综合评价决策第二节 系统化设计o 功能分析 技术系统由构造体系和功能体系构成，建立构造体系是为了实现功能。功能分析阶段的目标是通过分析，建立对象系统的功能结构，通过

6、局部功能的联系，实现系统的总功能。功能是对技术系统中输入和输出的转换所作的抽象化描述。用抽象的概念来表述系统的功能，才能深入识别需求的本质，辨明主题，发散思维，启发创新。总功能逐步分解为比较简单的分功能，一直分解到能直接找到解法的功能元，形成功能树。第二节 系统化设计o功能原理设计 将总功能分解成一系列功能元之后，即可按以下程序确定原理方案：1.选用或创造不同的技术过程实现同一功能；2.选用不同的运动规律对应不同的功能；3.选用不同的工作原理、不同的机构满足同一功能要求。4.选用或创造不同的机构及组合实现同一工作原理；5.将求得的功能元的元理解按照功能结构合成总功能原理解；6.从多个可行总功能

7、原理解中选出最佳原理方案。第二节 系统化设计o功能元求解方法 功能求解是方案设计中重要的“发散”、“搜索”阶段，主要解法有：1.1.参考有关资料、专利或相似产品求解；参考有关资料、专利或相似产品求解；2.2.利用各种创造性方法开阔思路探寻解法；利用各种创造性方法开阔思路探寻解法；3.3.利用设计目录求解。利用设计目录求解。第二节 系统化设计o 功能元求解 功能元的求解过程是选择实用的科技工作原理，构思实现工作原理的技术结构即功能载体。1、选择工作原理：采用发散思维，机械设备的设计部应局限于机械学的范围，电子学、磁学、光学、热学、仿生学均可用于解决机械设计的原理问题。先进的科学技术的应用能设计出

8、新一代的创新产品。2、构思功能载体：一般采用以下方法构思完成某个功能元的功能载体：检索：在各种设计目录、信息库、手册等设计工具中进行检索，寻求最优载体。集成：把不同的特性、功能、技法等综合集成，产生新功能载体。缩放：例如缩小的微型机器人。变换：电动机的部分矽钢片变换为永磁材料，产生了相应特性大大提高的控制电动机。第二节 系统化设计o 方案综合功能原理方案综合常用形态学矩阵。功能元功能载体aa1a2akbb1b2bkblnn1n2nknlnm 形态学矩阵反映出解决问题的方案有很多，必须应用创新的先进技术筛选出1-2个可行的功能原理方案作为技术设计方案。第二节 系统化设计o 设计工具1.设计目录：

9、提供与设计进程有关的信息，如物理效应。作用原理、构型方法等，一般有分类、主体、检索三部分组成。根据内容不同，设计目录可分为：（1）对象目录-提供有关物理、几何、材料、工艺等设计对象的知识和信息。（2）作业信息-提供各种单项设计工作步骤和工作过程及使用条件和判断准则。（3）解法目录-列入特定功能、任务或附带一定的边界条件。2.知识库（1）数据库-各种物理效应、功能载体、技术参数等以数据库的形式存入计算机供检索。（2）设计词典-按某种设计要求编词典。（3）手册-各种设计手册。第三节 评价决策o 评价目标树 工程设计的各个阶段，对多种方案都要进行评价决策，逐步优化。评价目标一般有三个方面：技术目标、

10、经济目标、社会目标。每阶目标均对应相应的加权系数，且子目标加权系数之和等于上一级目标的加权系数。q1b1b2bq2q11b11q12b12q21b21q22b22b23q23总目标一级子目标二级子目标第三节 评价决策o 评价目标树 对目标系统进行评价时，最末一级子目标的加权系数满足：11,0,1,2,niiiggin 确定加权系数的方法有两种：经验法和计算法。1iiniiwgw第三节 评价决策o 评价决策的具体方法 （1）评分法：用分值作为衡量方案优劣的尺度，如有多个评价目标，则先分别对各目标进行评分，经过处理后再求得方案的总分。一般用10分制或5分制，以0-5分或0-10分表示，对应的中间值

11、可用直线插入法求得。10分制012345678910不能用缺陷多较差勉强可用可用基本满意良好很好超目标理想5分制012345不能用勉强可用可用良好很好理想第三节 评价决策o 评价决策的具体方法 性能电池0.80.5寿命电压0.3以电池为例从成本、电压、寿面三方面进行评价成本0.2评价目标成本电压寿命理想值1.69.1120优等值2.08.9100及格值3.28.685加权系数0.20.30.5实际值A B C2.49.01002.28.61101.68.990第三节 评价决策o 评价决策的具体方法 153.21.6根据左图可得出A、B、C三种电池的成本的评价分成本评分同样可以依据相似的图得到电

12、压和寿命的评价分，在依据相应的总分计算规则得到A、B、C三种电池的评价分。第三节 评价决策o 评价决策的具体方法 例：用加权计分法对某种手表的三种设计方案进行评价。解（1）根据设计要求建立评价目标树1 1手表0.2 0.2外观0.2 0.2成本0.6 0.6性能0.5 0.3计时0.17 0.1防水0.08 0.05防磁0.17 0.1防震0.08 0.05夜光第三节 评价决策1234567Zzzzzzzz 计时防水防磁防震夜光外观成本解（2）评分及计算总分 确定评价目标，建立评价目标矩阵：确定各评价目标的加权系数：1234567Zggggggg 0.30.10.050.10.050.20.2

13、 确定计分标准并写出评价目标评分值矩阵：1239889099878877777870910WWWW第三节 评价决策0.30.198890998.40.0587887777.450.1778709107.70.050.20.2TRWG解（2）评分及计算总分 求加权分值矩阵，计算各方案分值：评选最佳方案：1238.47.457.7TRRRR R1分值最高，即为最佳方案。第三节 评价决策o 评价决策的具体方法 （2）技术-经济评价法：先评出方案的技术价Wt和经济价Ww，然后用相对价W和Wt、Ww构成平面坐标系作出优度图，对方案进行技术经济综合评价。00.80.60.40.21.00.20.40.60

14、.81.0技术价Wt经济价Ww123第三节 评价决策o 评价决策的具体方法 （2）技术-经济评价法技术评价分值根据目标树计算确定各目标的加权系数进行计算：11maxmax1nniiiiiitniiw gw gwwwg第三节 评价决策o 评价决策的具体方法 （2）技术-经济评价法经济评价分值根据理想的制造成本和实际制造成本求得：120.7eHHwHH理想制造成本设计任务书允许制造成本实际制造成本第三节 评价决策o 评价决策的具体方法 01()2tewww（2）技术-经济评价法计算得到技术分值和经济分值后，根据直线法或抛物线法求得技术经济总分值：直线法：抛物线法：0teww w第三节 评价决策o

15、评价决策的具体方法 （3）模糊评价法：利用集合论和模糊数学将模糊信息数值化后进行定量评价。具体步骤为：（a）根据评价目标及其加权系数建立评价目标集和加权系数集；（b）根据评价标准建立评价集；（c）求出各方案评价目标对于不同评价标准的隶属度，建立个方案的模糊评价矩阵；（d）按一定模型合成模糊矩阵，求出考虑加权的综合模糊评价，折算为按百分比表示的隶属度；（e）用最大隶属度原则评价方案优略顺序，决策采用何种方案。第三节 评价决策例：用模糊评价法对洗衣机的三种设计方案进行评价。解（1）根据设计要求建立评价目标树洗衣机0.3性能0.2社会性0.5经济性0.7 0.2洗净度0.3 0.1损衣度0.6 0.

16、3价格0.4 0.2运行费用0.5 0.1外观0.5 0.1噪声0.5 0.1耗水量0.5 0.1耗电量第三节 评价决策1234567Zzzzzzzz 洗净度损衣度价格耗水量耗电量外观噪声解（2）对三种洗衣机进行模糊评价 确定评价目标集：确定各评价目标的评价标准集：1234,Zx x x x 优 良 中差 确定三种洗衣机的模糊评价矩阵：第三节 评价决策0.20.60.200.70.300000.80.20.80.200000.80.20.10.80.100.10.50.40TR0.70.3000.20.3000.1000000.80.20.10.60.30.20.50.40.100.20.60

17、.20LR0.50.40.100.40.50.1000.50.5000.40.6000.60.400.50.40.100.20.60.20JR 确定三种洗衣机的模糊评价矩阵：第三节 评价决策加权系数矩阵：0.20.10.30.10.10.10.1A 加权综合模糊评价：0.210.30.410.080.270.550.160.020.210.480.310TTLLJJBA RBA RBA R解（3）决策：方案L、J总评为良，方案T总评为中，排序为L，J，T。第四节 创新思维与技巧o 创造力开发 创造力的构成：工程技术人员的创造力是多种能力、个性和心理特征的综合表现，包括观察能力、记忆能力、想象能

18、力、思维能力、表达能力、自我控制能力、文化素质、理想信念、意志性格、兴趣爱好等因素。其中想象能力和思维能力是创造力的核心，是将观察、记忆所得信息有控制地进行加工变换，创造表达出新成果的整个创造活动的中心。这些能力和素质经过学习锻炼都是可以改善提高的。创造力的开发：每个人都有一定的创造力，积极进行创造实践，必能不断提高自己的创造能力；树立创新意识，保持创造热情，在正确的思想基础上加强创新思维的锻炼，掌握必要的创新技法，必然产出创新成果。创造性思维和创造技法是创造的核心第四节 创新思维与技巧o 创造思维 常规思维的主要特点n常规性即习惯性、通常性n单向性即只向常规的习惯方向思考n单一性即只考虑一种

19、方案、一种思路n逻辑性即通常的逻辑思维范畴等创造性思维的主要特点n独特性即与众不同 n多向发散性即立体性思维、多答案 n非逻辑性即出人意料 n连动性即由此及彼性n综合性创造是多种思维方式的综合,在综合中创新第四节 创新思维与技巧o 创造思维 创新思维是多种成对的辩证思维类型的综合，常见的思维类型有：抽象思维使用反映事物本质属性的概念和推理，由左脑进行。形象思维使用反映同类事物一般外部特征的形象，由右脑进行。两种思维通过左右脑的互相作用，相互渗透，二者结合能产生更多的创新成果。较严密，通过逻辑推理产生创新构思。较活跃，能激发联想、类比、幻想等，产生创新构思。形象思维和抽象思维概念特点第四节 创新

20、思维与技巧o 创造思维 收敛思维将多方面的信息和知识指向同一问题，通过分析综合，逻辑推理，引出答案。发散思维根据问题的信息，沿着非常规的不同的正向、逆向、全方位和多角度寻求可能的解答。两种思维通过左右脑的互相作用，相互渗透，二者结合能产生更多的创新成果。分析比较各种信息的优缺点，推理综合，引出最优答案。流畅，反映敏捷，在较短时间内能想出多种方案；磷火，触类旁通，随即应变，不受心理定势影响；独特，所提的方案有特色。发散思维和收敛思维熟悉多方面的科技文化领域，知识面广博。具有细致的分析能力和严密的逻辑推理能力概念特点要求第四节 创新思维与技巧o 创造思维 非逻辑思维不严格遵循逻辑程式，灵活兹有，突

21、破常规，引发事物的潜性质和特殊功能。逻辑思维注意事物的显性质和常规功能，应用抽象概念，把复杂问题简化，找出主要因素。由一事物引发，运用联想力加工改造原有形象，产生新形象。由潜意识进入显意识，爆发出创新火花的灵感。逻辑思维和非逻辑思维善于分解事物，在此基础上进行综合、归纳、演绎、推理。概念特点第四节 创新思维与技巧o 创造思维 旁通思维通过细致分析，把问题转化成另一领域的等价问题。直达思维解决问题时始终不脱离问题的情景和要求。两种思维往往先使用直达思维无效，才改用旁通思维，但又回归到直达思维，对问题提出创新方案。抓住问题的本质，通过类比、置换、模拟等方法创新构思新方案。解决简单的问题特别有效。直

22、达思维和旁通思维概念特点第四节 创新思维与技巧o 创新技法 创新技法：是以创新思维为基础，通过实践总结出一些创造发明的技巧和方法。基本原则是：克服思维定势，营造环境条件，给以启发激励，按照一定步骤方法去做，促成出现新成果。（1）激智会法：以会议的形式，将所讨论的复杂问题化解为多个单一议题分别讨论。会议规则是自由发言，禁止评论，互相启发，发散思维，各述奇想。会后对各种设想进行整理评价，评出最优设想付诸实施。优点：信息直接传递，相互激励的强度大，具有创造的环境。缺点：会议易受外向人员控制，内向人员不宜发挥，主持人应适当引导。第四节 创新思维与技巧（3）635法：6各人，在5分钟内，写3各设想方案在

23、卡片上，然后互相交流，半小时后可得到108中方案。优点：书面交流，使每个人的意见都得到放映。缺点：思维冲撞的程度较差。（2）德尔菲法：组织者针对需要解决的问题编写意见征询表，分寄有关专家，组织者根据复函真理综合意见并编写新一轮征询表，如此反复，指导有明确的结果。优点：专家独立思考，随后逐步交流激励，提出的设想可靠。缺点：时间较长，缺少激励的环境。第四节 创新思维与技巧（5）设问法（提问追溯法）：针对问题，从不同的角度提出疑问进行启发，以期出现创新成果。（4）5W2H法：针对问题，提出七个疑问，从中启发创新构思。Why?What?Who?When?Where?How to do?How much

24、?特点：适用于任何工作，对不同的工作发问的具体内容不同，可以突出其中的任何一个问题，以求创新构思。1)可否将产品的形状、制造方法等加以改变?2)可否另作他用?3)有无其他更佳设想?4)改变一下如何?5)放大如何?6)缩小如何?7)用别的替代如何?8)反之如何?9)组合起来如何?第四节 创新思维与技巧（5）反向探求和向前推演法：反向探求：对现有的解决方案系统地加以否定或寻找其他的甚至相反的一面,找出新的解法或启发新的想法。向前推演：从一个最初的设想按一定方向逐步向前探索,寻找新的想法。（6）联想类推法相似联想法：河蚌育珠、牛黄抽象类比法：喷气发动机与沙漠中的沙丘借用法、仿生法：蜂窝结构（7）组合创新法性能组合：铁心铜线原理组合：喷气式发动机（喷气原理和燃气轮机技术结合）功能组合：模块组合：