设计方法学与创新设计

设计方法学与创新设计西华大学王霜2016.06主要内容第1章绪论第2章设计类型与方法学第3章创造性思维第4章创新原理与技法第5章原理方案设计第6章机构创新设计第7章结构创新设计第8章创新设计案例分析第9章TRIZ理论简介第10章专利撰写与申报第1章绪论1.1设计起源1.2设计与设计方法学◦1.2.1设计的概念◦1.2.2设计方法学1.3创新设计◦1.3.1创新设计的概念◦1.3.2创新设计的特点◦1.3.3创造力的构成要素1.1设计起源在原始社会，人类迫于生存的压力，开始利用石块、树枝、兽骨、贝类制作工具，认识自然并改造自然，这就是最初的设计活动。在古代，设计者与制造者是统一的。这一时期的设计多是凭设计者的经验完成的，缺乏必要的、有一定精度的理论计算。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。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（IndustrialDesign）和工程技术设计（EngineeringDesign）。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。美国工科硕士、博士学位授予单位资格审查委员会（TheAccreditationBoardofEngineering）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”。不同定义对“设计”的一些共同理解：①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。②设计是人的创造性思维和技术活动结合的产物，创造性设计思维和科学技术的结合是设计的灵魂。③设计是把各种先进技术转化为生产力的一种手段，它反映当时生产力的水平，是先进生产力的代表。④设计是一种针对技术性、经济性、社会性、艺术性的目标，在给定条件下谋求最优解的过程。⑤设计是以社会需求为目标，在一定设计原则的约束下，利用设计方法和手段创造出产品的过程。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）现代设计理论与方法的应用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。”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。1.3.2创新设计的特点创新设计必须具有独创性和实用性，取得创新方案的基本方法是多方案选优。1.独创性创新设计必须具有其独创性和新颖性。2.实用性创新设计必须具实用性。纸上谈兵无法体现真正的创新。3.多方案选优创新设计从多方面、多角度、多层次寻求多种解决问题的途径，在多方案比较中求新、求异、选优。以发散性思维探求多种方案，再通过收敛评价取得最佳方案，这是创新设计方案的特点。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）◦2.2设计类型及设计原则◦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）2.1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。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。开发设计变异设计反求设计设计阶段设计步骤目标方法√√√√√√√第一阶段计划阶段市场调查样机评价鉴定评价决策评价决策可行性研究产品开发计划设计要求功能分析搜寻解法方案组合结构设计要求结构设计（形状材料尺寸）总体布置人机工程设计外观造型设计部件图设计零件图设计编写技术文件样机制造样机试验修改图纸验证工艺批量生产技术服务用户访问可行性研究报告设计任务书调查研究方法技术预测方法√第二阶段原理方案设计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√√结构方案设计结构设计图结构设计原理及方法结构优化设计有限元分析强度、刚度计算可靠性设计√√总体设计总装配图计算机辅助设计（CAD）√√√施工设计部件装配图零件图技术文件计算机辅助设计（CAD）√√√√√√√√√第三阶段试制阶段样机试验大纲样机鉴定文件试验设计方法DOE√√√√√√√√√第四阶段批量生产阶段工艺文件计算机辅助制造（CAM）√√√√√√第五阶段销售阶段信息反馈反馈控制法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。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。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。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。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。2.3.2公理设计方法（美国设计方法）◦美国麻省理工学院NamPyoSuh是公理设计的创始人，他在1990年的《设计理论》（ThePrincipleofDesign）提出了公理设计理论。在2001年，在总结了过去十年的进展，还包括了新获得的