任课教师：飞行器制造工程系课程性质：一级学科基础课课程编号： 071305课程学时： 32 （ 1 － 10 周）课程学分： 2

现代设计理论与方法Contemporary Design Theory and Methodology

第二讲

主讲人 刘继红工学博士 / 教授博导 北京航空航天大学机械工程及自动化学院飞行器制造工程系

第一节绪 论Introduction

决定竞争力的因素和手段

品种技艺

数量制造

质量设计

设计与产品开发时间

0 20 40 60 80 100

设计 制造

时间百分比（ %)

设计与产品开发成本

0

10

20

30

40

50

60

70

设计 生产准备与加工

原材料与外购件的采购

管理和销售

对成本的影响所需的工时成本

• 75% 的修改工作由产品设计阶段引起• 80% 的修改工作在产品制造阶段或后续阶段完成

0

10

20

30

40

50

60

产品定义 产品设计 工艺规划 制造 检验 应用

发生错误修改错误

75%成本

%

80%

设计与修改工作

在设计越来越显示其重要性的今天，掌握新的设计思想、应用新的设计方法和技术、采用新的设计工具，对于提高企业产品竞争力，具有非常重要的意义。

启 示

设计理论与方法论是关于设计本质和设计方法的系统理论，目的在于揭示设计过程的本质规律，探索各种有效的设计方法，为实际的设计工作提供指南。

设计理论与方法论设计理论与方法论 DTMDTM

Design science uses scientific methods to analyse the structure of technical systems and their relationships with the environment. The aim is to derive rules for the development of these systems from the system elements and their relationships.

Design methodology is a concrete course of action for the design of technical systems that derives its knowledge from design science and cognitive psychology, and from practical experience in different domain.

Design Theory Design Theory and Methodologyand Methodology

DTMDTM 相关领域相关领域

1 、描述性设计过程模型 2 、规范化设计过程模型 3 、可计算设计过程模型 4 、设计语言与表达 5 、支持设计的分析方法 6 、面向整个生命周期的设计 DFX

DTMDTM 研究方向研究方向

设计理论与方法论设计理论与方法论

第二节发展简史History

2.1 萌芽期

十九世纪 二十世纪四十年代

1861 年，德国的 F.Reuleaux 著书 “ Konstrukteur” （机械设计者）

1875 年又发表“理论机构学”一书1877 年，英国的 W.C.Unwin 著书

“ The Elements of Machine Design”

2.2 成型期二十世纪五十年代 二十世纪六十年代

1962 年，在伦敦举行了第一届设计方法会议，主要围绕系统设计方法研究，探讨了设计过程的全面管理的系统方法和用于设计过程的系统技术，如运筹学、质量管理、价值工程等研究成果。

1968 年，在英国， The Design Council成立。

欧 洲

1968 年，在美国波士顿的 MIT 举行了“环境设计与规划中的新方法”会议，着重探讨了设计的复杂性问题，理解设计者如何用传统的设计方法解决设计问题。

大量关于创造论、设计论，以及工程设计的著作面世。

美 国

M.Asimov －“ Introduction to Design”(1962)

T.T.Woodson －“ Introduction to Engineering Design”(1966)

J.R.Dixon －“ Design Engineering”(1966) D.Morrison －“ Engineering

Design”(1968)

渡边茂所著“设计论”（ I ， II ，III ）出版（ 1968 ）

日 本

2.3 成熟期二十世纪七十年代

德国 W.G.Rodenacker 的著书“ Methodisches Konstruieren” （方法论的设计） (1970) 、瑞士 V.Hubka(1973) 、德国 K.Roth (1981) 、G.Pahl and W.Beitz(1977) 等学者的著作相继问世，确立了以德国为代表的欧洲设计理论与方法论流派，即系统设计方法论。

70 年代后期，欧洲成立了设计研究组织 WDK（ Workshop Design-Konstruktion ）。

1979 年，在英国出版发行了设计研究国际刊物“ Design Studies” 。

欧 洲

1978 年，美国麻省理工学院机械系的 N.Suh 、 A.Bell 、 D.Gossard 等人在“ Journal of Engineering for Industry” 上发表论文，提出了面向制造系统的设计公理，确立了美国流派的设计理论与方法论，即设计原理。

美 国

1971 年，由北乡薰等人编著的“设计工学系列丛书”出版发行，比较全面地论述了设计方法和技术。

1979 年，日本东京大学吉川弘之教授在日本精密机械杂志上发表“一般设计学序说”一文，提出了一般设计学理论，从而成为日本设计理论与方法论研究的代表人物。

日 本

2.4 普及期二十世纪八十年代以后

在欧洲设计研究组织 WDK 的组织下， 1981 年在意大利罗马举行了第一届国际工程设计会议 ICED (International Conference on Engineering Design) 。之后，成为隔年主要在欧洲举行的设计研究交流盛会。

1984 年，德国 G.Pahl 和 W.Beitz 的英文版著作“ Engineering Design-A Systematic Approach” 由 The Design Council 出版，成为系统设计方法论的代表作。

欧 洲

1985 年，美国国家科学基金委员会 NSF 正式启动设计理论与方法论研究计划。

1987 年，美国机械工程师协会 ASME 设计分会设立设计理论与方法论委员会。

1988 年 6 月，举行了“ The 1988 NSF Grantee Workshop on Design Theory and Methodology （简称 Design theory‘88 ）”会议。

1989 年，第一届国际设计理论与方法论会议举行。随后该年会成为设计理论与方法论研究交流的又一个重要会议

1990 年， N.P.Suh 著作“ The Principles of Design”由 Oxford University Press 出版。

美 国

1983 年，日本精密工学会设立“设计理论与CAD （ D&C ）专门委员会”。1991 年，日本机械学会设立“设计工程 ·系统部门”。从 1991 年起，每年 7 月份的第 2 周被定为“设计研究会议周”，其间连续举行三个关于设计的国内国际会议。

日 本

第三节一般设计学General Design Theory

关于一般设计学关于一般设计学

一般设计学是以阐明在所有设计行为中普遍反映

的人类智能活动的机理为基本课题，以提出对所有技术领域的设计部门

共同有用的指导原理为应用课题的领域。

研究对象研究对象设计对象

设计过程

静态构造

动态过程

研究方法研究方法演 绎

归 纳

A A B BAA

BB

AA BB

A A B B

一般设计学理论体系一般设计学理论体系

静态构造静态构造 动态过程动态过程

演绎演绎

归纳归纳

公理论设计学

设计实验学

公理论设计过程

功能 /机械解剖

3.1 公理论的设计学

以关于人类智能的普遍得到承认的性质为假说或法则，用演绎的方法推导关于设计中的概念构造的定理。

基本概念( 一 )基本概念( 一 )实体

概念

可以科学手段认知其属性的存在如：自然界的万物、人工物、信息实体等

将实体以语言、符号、图形来表达的结果

熏肉设计：例熏肉设计：例

只有鲜肉、腐肉、风干肉三种自然物假定

S={S={ 实体实体 }={s1, s2, s3}}={s1, s2, s3}s1s1 s3s3s2s2

熏肉设计：例熏肉设计：例人类从存在的实体认识其特性，形成概念，进行记忆和认识。换言之，人类具有将实体按照共同特性进行分门别类的能力。

T1=T1=s1,s2s1,s2 = “ = “ 随时间肉质变化随时间肉质变化””T2={s2,s3} = “T2={s2,s3} = “ 不能吃不能吃””

熏肉设计：例熏肉设计：例

T1T1T2=T2=s1,s2s1,s2s2,s3s2,s3==s2s2

T1T1T2=T2=s1,s2s1,s2s1s1==s1s1

T1T1T2=T2=s3s3s2,s3s2,s3==s3s3

““ 随时间肉质变化而且能吃”的肉随时间肉质变化而且能吃”的肉

““ 随时间肉质变化而且不能吃”的肉随时间肉质变化而且不能吃”的肉

““ 肉质不随时间变化而且不能吃”的肉肉质不随时间变化而且不能吃”的肉

熏肉设计：例熏肉设计：例

““ 肉质不随时间变化而且能吃”的肉肉质不随时间变化而且能吃”的肉T1T1T2=T2=s3s3s1s1= =

WHAT?

熏 肉！

基本概念( 二 )基本概念( 二 )实体集合

属性

所有实体的集合

实体具有的各种物理和化学性质

功能 在某种环境下，实体的作用

基本概念( 三 )基本概念( 三 )实体概念

抽象概念

人们通过体验实体的存在而确立的概念

人们按照意义或价值对实体概念进行分类所得到的关于各类的概念

抽象概念抽象概念

抽象概念

属性概念功能概念

关于设计的公理系关于设计的公理系公理一：认识公理

人们可以通过属性、功能等认识或描述实体

公理二：对应公理实体集合与（理想）实体概念集合为 1:1 对应

公理三：操作公理抽象概念集合是实体概念集合的拓扑

公理与设计概念三角形公理与设计概念三角形实体实体

抽象概念抽象概念 实体概念实体概念

认识公理认识公理

操作公理操作公理

对应公理对应公理

关于设计的定义关于设计的定义设计要求用户用抽象概念所指定的设计解的性质设计解包含在设计要求中，并拥有所有制造所需信息的实体概念设计功能空间到属性空间的映射

设计设计

以功能概念为拓扑的以功能概念为拓扑的实体概念集合实体概念集合

以属性概念为拓扑的以属性概念为拓扑的实体概念集合实体概念集合

关于设计的定理关于设计的定理设计要求可用抽象概念集合的适当的要素的积表示

设计解是属性概念集合中适当的要素的积

3.2 公理论的设计过程

以关于人类智能的普遍得到承认的性质为假说或法则，用演绎的方法推导关于设计过程的定理。

关于设计过程的定理关于设计过程的定理在理想知识环境下，对应设计要求的详细化过程，存在实体概念的要素的序列，并且收敛于一点

T1T1

T2T2

T3T3

T1T1T1T1T2T2T1T1T2T2T3T3s1 s1 s2 s2 s3s3

s1s1

s2s2

s3s3

设计过程模型( 一 )设计过程模型( 一 )对应型设计过程模型

全数对应模型计算模型产生式模型

收敛型设计过程模型范例模型

全数对应模型全数对应模型

计算模型计算模型

X1=f1(Y)

X2=f2(Y)

产生式模型产生式模型

功能空间

中间模型

属性空间

生成规则 生成规则

范例模型范例模型设计要求设计要求 T1T1

满足要求满足要求设计要求设计要求 T2T2

NNYY

设计要求设计要求 T3T3

BirfrodogBirfrodog

3.3 功能 /机械解剖

用归纳的方法分析设计对象的功能 /机械结构。

3.4 设计实验学

思考单位思考单位功能表现

功能表现

属性表现

属性表现

未知机械本身功能表现 未知机械本身功能表现 FsFs未知机械未知机械

已知机械已知机械

未知机械未知机械

已知机械已知机械

未知机械处理对象功能表现未知机械处理对象功能表现 FoFo已知机械本身功能表现 已知机械本身功能表现 fsfs已知机械处理对象功能表现已知机械处理对象功能表现 fofo未知机械本身属性表现 未知机械本身属性表现 MsMs未知机械处理对象属性表现未知机械处理对象属性表现 MoMo已知机械本身属性表现 已知机械本身属性表现 msms已知机械处理对象功能表现已知机械处理对象功能表现 momo

思考单位的推移思考单位的推移FsFsFs Fs 设计要求的详细化设计要求的详细化Fs Fs ms ms 由设计要求想起已有机械的属性由设计要求想起已有机械的属性Ms Ms Ms Ms 未知机械属性的详细化未知机械属性的详细化ms ms fs fs 已知机械的功能分析已知机械的功能分析fs fs Fs Fs 已知机械与未知机械的功能比较已知机械与未知机械的功能比较Ms Ms Fs Fs 未知机械的功能分析未知机械的功能分析

设计过程模型( 二 )设计过程模型( 二 )功能属性推移模型

马尔可夫模型流程模型逻辑模型认知模型

功能属性推移模型功能属性推移模型

功能功能 属性属性

马尔可夫模型马尔可夫模型

FsFs

msmsfsfs

MsMs0.45

0.46

0.32

0.39

0.28

0.65

0.18

0.03

0.14

流程模型流程模型设计要求

设计要求详细化

已知机械分析

比较

变更

决定

逻辑模型逻辑模型总功能

分功能 分功能 分功能 分功能

子功能子功能子功能子功能

认知模型认知模型问题提出

提案

决定展开 评价

第四节系统设计论Systematic Design Methodology

4.1 绪 论

设计的任务设计的任务

运用科学知识求得技术问题的解决方案，并在给定的材料、技术、经济、社会、环境等约束条件下对该解决方案进行优化

设计活动设计活动从心理学角度看，设计是个创造活动，需要有

数学、物理学、化学、力学、热力学、流体力学、电子学、生产技术、材料技术、和设计理论等坚实的基础

从系统论角度看，设计是给定的目标在部分相互矛盾的约束下的优化

从组织角度看，设计是原材料和产品加工和处理的重要组成部分

设计的类型设计的类型

原始设计： 开发某技术系统的独创的原理方案适应设计： 变更某已有系统使之适应新的变化了

的要求变型设计： 改变系统的某些尺寸和布置

Original Design 25%

Adaptive Design 55%

Variant Design 20%

4.2 发展简史

Hanse(1965)Hanse(1965)

Determine the crux of your task

Combine the possible elements

Determine the shortcomings of every solution

Select the best solutionProvide documentation to

permit practical evaluation

Roth(1968)Roth(1968)

Task-formulation phaseFunctional phaseForm design phaseDocumentation phase

Algorithmic selection procedure for design based on design catalogues

Rodenacker(1970)Rodenacker(1970)

Function of a machinePhysical processForm design feature

Designing is a transformation of information from the abstract to the concrete

Designing is a reversal of physical experiments

4.3 基本概念

技术系统及其构成

基本概念基本概念（一）（一）基本概念基本概念（一）（一）

设备、装置、机械、部件、零件

系统、子系统、子子系统、…

功能基本概念基本概念（二）（二）基本概念基本概念（二）（二）

能量、物质以及信息（信号）的变换

能量

物质

信息

能量

物质

信息

基本概念基本概念（三）（三）基本概念基本概念（三）（三）能量

物质信号

总功能

子功能

复杂

度

能量物质

信号

功能构造

物理效应（ Physical Effect ）

基本概念基本概念（四）（四）基本概念基本概念（四）（四）

功能的实现伴随着物理现象的发生功能是通过物理过程得以实现的物理过程的发生基于物理效应物理效应是用物理法则来表述的

物理原理（ Physical Principle ）

基本概念基本概念（五）（五）基本概念基本概念（五）（五）

物理原理 = 功能 + 物理效应

设计方案原理（ Solution Principle ）

基本概念基本概念（六）（六）基本概念基本概念（六）（六）

设计方案原理 = 物理原理 + 形态

子功能 物理效果 物理原理 设计方案原理

4.4 设计过程

设计过程的主要步骤设计过程的主要步骤产品的作用

•明确产品用途•制订要求明细

要求清单 •确定问题本质•构建功能构造•获得方案原理•组合方案原理生成侯选方案•评价方案

明确任务

概念设计

实体化设计

详细设计

概念

形状结构

文档

设计结果

•初始结构和形状设计•初始结构的评价与优化•初始形状的优化•零件明细表和生产方案生成•完善详细结构与形状•完成详细零部件图纸•完善生产方案•各种文档的检查

设计过程的主要步骤设计过程的主要步骤任务

被选择的任务

总体功能子功能设计方案原理

原理组合

概念

结构方案

零件

零件形状最终结构

零件详细设计

生产文档

4.5 概念设计

通过确定问题的本质，发现适当的设计方案原理，组合形成设计方案。

概念设计的任务

概念设计的步骤要求清单 问题抽象化，确定问题本质

概念

构建功能结构

探索实现子功能的设计方案原理

组合方案原理以实现总体功能

选择合适的方案原理组合

确定侯选方案

侯选方案评价

概念设计的步骤问题抽象化，确定问题本质要求清单

概念

构建功能结构

探索实现子功能的设计方案原理

组合方案原理以实现总体功能

选择合适的方案原理组合

确定侯选方案

侯选方案评价

方法：对要求进行抽象化处理确定问题本质确定问题本质

抽象化（ Abstraction ）忽视特殊的附带的方面突出强调一般的本质的方面

步骤 1 ：排除个人好恶步骤 2 ：省略与功能和重要的约束条件无关

的项目内容步骤 3 ：将定量的数据转换成定性的描述，

减少数据量步骤 4 ：将前一步骤的结果一般化步骤 5 ：用不拘于问题的词句描述问题

抽象化处理过程抽象化处理过程

容积： 20l-160l容器形状：未定容器高度： 150mm-600mm油标与容器的连接在上部或侧面汽油或柴油温度： -25-65C最大输出信号精度： ±3%油的液面高度随时间变动最小测量值：最大值的 3%

抽象化处理示例抽象化处理示例容积有一定范围容器形状多样连接方式多种容器高度不一液体的液面高度 随时间变动

容积有一定范围容器形状多样测量液体连续变化量

连续测量尺寸和形状都未定的容器中的液体变化量

概念设计的步骤构建功能结构

要求清单 问题抽象化，确定问题本质

概念

探索实现子功能的设计方案原理

组合方案原理以实现总体功能

选择合适的方案原理组合

确定侯选方案

侯选方案评价

步骤 1 ：确定总体功能，并用黑箱表示步骤 2 ：将总体功能分解成若干子功能步骤 3 ：确定子功能之间的逻辑（顺

序）关系步骤 4 ：确定特定子功能的输入 /输出

之间逻辑关系步骤 5 ：确定能量、物质、信号的流向

间的物理关系

功能构造的建立过程功能构造的建立过程

功能构造的建立示例功能构造的建立示例

测量实验片受力与变形

Eload受载能量实验片

S 信号

Edef变形能变形后的实验片

变形信号力信号

能量变换成力与运动

Eload

实验片

SEdef

变形后的实验片

变形信号

力信号

给实验片加载

测力

测变形

概念设计的步骤

探索实现子功能的设计方案原理

要求清单 问题抽象化，确定问题本质

构建功能结构

概念

组合方案原理以实现总体功能

选择合适的方案原理组合

确定侯选方案

侯选方案评价

针对各种子功能，寻找对应的设计方案原理，并予以组合。 设计方案原理必须明确实现功能的物理效应和形态

设计方案原理的寻找设计方案原理的寻找

获得设计方案原理的方法获得设计方案原理的方法

文献检索自然物分析技术系统分析类推实验

传统方法 直观方法 推理方法

物理过程的分析分类表的系统 利用设计目录的利用

智暴法635 法Delphi 法

设计目录

概念设计的步骤

组合方案原理以实现总体功能

要求清单 问题抽象化，确定问题本质

构建功能结构

探索实现子功能的设计方案原理

概念

选择合适的方案原理组合

确定侯选方案

侯选方案评价

形态学矩阵法

设计方案原理的组合设计方案原理的组合

方案原理p1 pj pmp2 ……子功能

F1

F2

Fi

…

Fn

…

组合 2 组合 1

概念设计的步骤

选择合适的方案原理组合

要求清单 问题抽象化，确定问题本质

构建功能结构

探索实现子功能的设计方案原理

组合方案原理以实现总体功能

概念

确定侯选方案

侯选方案评价

原则 1 ：满足任务和约束条件原则 2 ：满足要求原则 3 ：性能、结构实现的可能性大原则 4 ：在控制费用以内

选择合适的设计方案原理组合选择合适的设计方案原理组合

概念设计的步骤

确定侯选方案

要求清单 问题抽象化，确定问题本质

构建功能结构

探索实现子功能的设计方案原理

组合方案原理以实现总体功能

选择合适的方案原理组合

概念 侯选方案评价

基于简化假设的粗略计算描述结构、形状、空间的草图绘制初步实验模拟仿真文献检索市场调查

侯选设计方案的确定侯选设计方案的确定

概念设计的步骤

侯选方案评价概念

要求清单 问题抽象化，确定问题本质

构建功能结构

探索实现子功能的设计方案原理

组合方案原理以实现总体功能

选择合适的方案原理组合

确定侯选方案

第五节设计原理Design Principles

5.1 绪 论

问题问题

设计优劣的基本标准？

指导产生好的设计的原则？

5.2 基本概念

基本概念(一 )基本概念(一 )设计

必要功能

设计参数

从功能领域到实体领域的映射

完整地描述特定需求的最少而且独立的功能 FR

完整地描述实现必要功能的物理实体的参数 DP

约束条件 可接受的设计解的边界条件

基本概念(二 )基本概念(二 )必要功能层次构造

设计参数层次构造

金属切削

调速 …刀具定位工件夹持

车床

主轴箱 …刀架卡盘

基本概念(三 )基本概念(三 )

信息量实现某个特定必要功能所需知识的测度与实现某个特定必要功能的概率密切相关

I=log2(1/p)

设计设计设计设计

Customer domain

Functional domain

Physical domain

Process domain

{CAs} {FRs} {DPs} {PVs}

mapping mapping mapping

5.3 设计公理

保持必要功能的独立性

第一设计公理第一设计公理第一设计公理第一设计公理

独立公理

Maintain the independence of FRs

The Independence Axiom

独立公理涉及必要功能和设计参数间的关系

含义：在设计过程（功能域向实体域的映射）中，当确定满足必要功能的设计参数时，必须确保设计参数的变化只会影响相应的必要功能。

第一设计公理第一设计公理第一设计公理第一设计公理

替代命题 1 ：好的设计总是保持必要功能的独立性

替代命题 2 ：在可接受的设计方案中，设计参数的选择总是使得某个特定的设计参数只满足相应的必要功能而不影响其它必要功能。

第一设计公理第一设计公理第一设计公理第一设计公理

设计信息量最小化

第二设计公理第二设计公理第二设计公理第二设计公理

信息公理

Minimize the information contents of the design

The Information Axiom

替代命题：最佳设计是必要功能保持独立而且信息量最小的设计。

第二设计公理第二设计公理第二设计公理第二设计公理

信息公理涉及设计复杂程度

含义：在所有满足设计公理的设计方案中，信息量最小的设计是最佳设计。

第二设计公理第二设计公理第二设计公理第二设计公理

5.4 设计的分类与表达

设计分类设计分类设计分类设计分类

独立设计独立设计

准独立设计准独立设计

干涉设计干涉设计

Uncoupled design

Coupled design

Decoupled design

设计方程式设计方程式设计方程式设计方程式

{ FR } = [ A ] { DP }{ FR } ：必要功能矢量{ DP } ：设计参数矢量 [ A ] ：设计矩阵

FRi = Aij DPj

设计矩阵设计矩阵设计矩阵设计矩阵

[ A ]

A11 A12 … A1nA21 A22 … A2n . . . . . . . . .Am1 Am2 … Amn

Aij=0: FRi 与 DPj 不相关 Aij0: FRi 与 DPj 相关

独立设计的表达独立设计的表达独立设计的表达独立设计的表达Aij0, 当 i=jAij=0, 当 ij

设计矩阵为对角矩阵的设计为独立设计

FR1=A11DP1

FR2=A22DP2

FR3=A33DP3

干涉设计的表达干涉设计的表达干涉设计的表达干涉设计的表达

大多数 Aij0

FR1=A11DP1+A12DP2+A13DP3

FR2=A21DP1+A22DP2+A23DP3

FR3=A31DP1+A32DP2+A33DP3

准独立设计的表达准独立设计的表达准独立设计的表达准独立设计的表达Aij0, 当 ij； Aij=0, 当 ijAij0, 当 ij； Aij=0, 当 ij

设计矩阵为三角矩阵的设计为准独立设计

FR1=A11DP1

FR2=A21DP1+A22DP2

FR3=A31DP1+A32DP2+A33DP3

5.5 设计公理的推论

推论 1推论 1

如果在设计方案中必要功能相互干涉，对设计方案进行分解，从而实现独立化。

干涉设计的独立化Decoupling of Coupled Design

推论 2推论 2

尽量减少必要功能和约束条件的数目。

减少必要功能数目Minimization of FRs

推论 3推论 3

在必要功能能够独立地得到实现的设计方案中，尽可能将设计特征集中到单个物理零件上。

零件的集成Integration of Physical Parts

推论 4推论 4

使用与必要功能和约束条件匹配的标准件或可互换零件。

标准化原则Use of Standardization

推论 5推论 5

使用与必要功能和约束条件匹配的对称形状或布置。

对称性原则Use of Symmetry

推论 6推论 6

在表述必要功能时，指定最大允许公差。

最大公差Largest Tolerance

推论 7推论 7

在满足必要功能的前提下，寻找比干涉设计所需信息量更少的独立设计。

信息量更少的独立设计Uncoupled Design with Less Information

5.6 设计定理

定理 1定理 1

当设计参数的数目小于必要功能的数目时，或者得到了一个干涉设计，或者有的必要功能无法实现。

设计参数不足造成的干涉Coupling Due to Insufficient Number of DPs

FR1=A11DP1+A12DP2

FR2=A21DP1+A22DP2

FR3=A31DP1+A32DP2

定理 2定理 2

如果一个干涉设计源于必要功能数目大于设计参数的数目，而且设计矩阵的子矩阵构成三角矩阵时，通过增加新的设计参数使两者数目相等并且使整个设计矩阵形成三角矩阵，干涉设计可以变成非干涉设计。

干涉设计的独立化Decoupling of Coupled Design

定理 3定理 3

如果设计参数的数目大于必要功能数目，所得到的设计或者是冗余设计或者是干涉设计。

冗余设计Redundant Design

FR1=A11DP1+A12DP2+A13DP3

FR2=A21DP1+A22DP2+A23DP3

定理 4定理 4

在一个理想的设计中，设计参数的数目等于必要功能数目。

理想的设计Ideal Design

定理 5定理 5

当给定的必要功能集合中，新增一个必要功能，或者替换一个功能，或者整个必要功能集合发生变化时，由原来确定的设计参数描述的设计方案不可能实现新的必要功能。此时，需要寻找新的设计方案。

重新设计的条件Need for new Design

定理 6定理 6

独立设计的信息量大小与为实现必要功能确定设计参数的顺序无关。

独立设计的设计参数决定顺序的独立性Path Independence of Uncoupled Design

定理 7定理 7

干涉设计或准独立设计的信息量大小取决于设计参数的确定顺序。

干涉与准独立设计的设计参数决定顺序的非独立性Path Dependence of Coupled and Decoupled Design

5.7 设计公理应用事例

设计公理在实际设计中的应用设计公理在实际设计中的应用

第一设计公理用于指导确定设计参数，获得设计方案；

第二设计公理用于指导设计方案的评价与选优。

设计公理在实际设计中的应用设计公理在实际设计中的应用 首先根据第一设计公理，寻找独立设计；在获得若干个独立设计之后，再根据第二设计公理，确定最佳设计。 能否有效地运用第一设计公理是衡量设计人员是否富于创造性的标志。

第一设计公理

FR1FR3

FR2FR4

第二设计公理

DP11 DP21DP12 DP22

DP31DP32

DP21 DP23DP22 DP24

应用事例 1应用事例 1

冰箱 冰柜

应用事例 1应用事例 1

必要功能相同，设计参数不同，冰箱与冰柜，哪个产品设计更佳？

FR1 = 保温（防止冷气外逸）FR2 = 存取物品

应用事例 1应用事例 1

冰箱 冰柜

DP11= 垂直门DP12= 箱体

DP21= 水平门DP22= 箱体

应用事例 1应用事例 1

DP11垂直门DP12箱体

FR1FR2 A11 A12

A21 0 =

DP21水平门DP22箱体

FR1FR2 0 A12

A21 0 =

冰箱

冰柜

应用事例 2应用事例 2

DP1DP2

FR1FR2 A11 0

0 A22 =

FR1=起瓶塞FR2=起瓶盖

DP1= 尖头形状DP2= 凸翘结构

opener

应用事例 3应用事例 3

注塑设备

应用事例 3应用事例 3

A11 A12A21 A22 DP11

DP12 FR1FR2 =

FR1= 塑料熔液流量FR2= 塑料熔液温度

DP11= 螺旋转速DP12= 烘筒温度

应用事例 3应用事例 3

应用事例 3应用事例 3

A11 0A21 A22 DP21

DP22 FR1FR2 =

FR1= 塑料熔液流量FR2= 塑料熔液温度

DP21= 齿轮泵DP22=单螺旋挤压设备

应用事例 4应用事例 4

柜员机 ATM

FR1=分离钞票FR2= 传送钞票FR3= 检验钞票FR4=收集钞票

应用事例 4应用事例 4 钞票分离机构设计

应用事例 4应用事例 4 钞票分离机构设计

FR11=对顶张钞票施加前向力FR12=对下一张钞票施加后向力

应用事例 4应用事例 4 钞票分离机构设计

应用事例 4应用事例 4 钞票分离机构设计

第六节创新设计TRIZ

TRIZ ?

First patent certificate at age 14 Started working on TRIZ ideas in

1946studying patents for Russian Navy

Wrote a paper on Theory in 1947 Sent to Gulag for 7 years.

Continued work 1954-85. Over 2 million patents analyzed.

Moved towards psychological aspects after 1985. Total effort 1946-1990 circa 1500 person-years

Some of Altshuller’s co-researchers move to West following fall of Iron Curtain

Theory of Inventive Problem Solving Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch

Background: TRIZ

4 Key Discoveries1. The same problems and

solutions occur again and again across different industry sectors and professions

2. The strongest solutions identify and eliminate conflicts

3. The strongest solutions turn threats into useful resources

4. Market and technology trends are highly predictable

Genrich Altshuller(1926-1998)

Background: TRIZ Philosophy

Generic Solution

SpecificSolution

Specific Problem

GenericProblem Access

World

Me / My CompanyEvaluation

基本概念

技术系统实现某种功能的，具有一个或多个子系统的系统。

理想度（ Ideality ）法则任何技术系统始终趋向更可靠、更简单、更有效，等等，总之，趋向更理想。All technical systems evolve towards ideality.

Ideality = Benefits

Costs + Harms

基本概念

技术矛盾（ Technical Contradiction ）

改善某个特性或参数将导致另外的特性或参数劣化。

物理矛盾（ Physical Contradiction ）同一元素要求具备两种相反的属性。

外壳开

洞零件散热效能

零件结构强度减增

酸金属容器盛

蚀

温度高 温度低？

基本概念

功能模型：物－场模型功能分解为两种物质及一种场。技术系统功能的实现指物质之间的相互作用促使功能向期望的方向转变。

F

S1 S2

受控物质 控制工具或物质

物质相互作用使用的能量

TRIZ 方法论的发展

Algorithm for Problem Solving

2) Create Ideal Final Result (IFR)Eliminate the deficienciesPreserve the advantagesNot more complicatedNo new disadvantages

1) Define the problemList all requirements and constraints We want this but we can’t because of this. We get this because of this.

3) Determine the differencesCompare original system with IFR

4) Create Ideality EquationList differences as Benefit, Cost, Harmful

5) Determine ContradictionsTechnical or Physical contradictions

6) Determine Input ParametersUse 2 of 39 or other parameters

7) Physical Technical ContradictionConvert between the two contradictionsIf Technical then use Contradiction Matrix

9) Examime SolutionsConvert generic solutions to specificDoes solution increase Ideality?No – go to step 5Does solution solve the problem?Yes – IMPLEMENT

8) Determine General SolutionUse 40 Inventive Principles

Solving a Problem with TRIZDefine Technical System(Function Model)

Identify Ideal Final Result (IFR)

Compare/Contrast Existing system with IFR

Establish Ideality Equation

(Σuseful/Σharmful)

Identify system level contradictions

Use 39 Parameters

Physical ContradictionWant A and

Technical Contradiction B : C

Separation Principles Contradiction Matrix

Solutions

Identify contradictions at sub- or super-system level

Create System Model

Compare solution Ideality with Existing system

Compare with IFR

Implement

ProblemSolved?

Co

nve

rt

YesNo

Substance-Field(Su-Field) Algorithm

39 Parameters

1. Weight of moving object 2. Weight of stationary object 3. Length of moving object4. Length of stationary object5. Area of moving object 6. Area of stationary object7. Volume of moving object8. Volume of stationary object9. Speed10.Force11.Stress, pressure, or tension12.Shape13.Stability of the object's composition14.Strength15.Duration of action by a moving object16.Duration of action by a stationary object17.Temperature18. Illumination intensity, brightness, etc. 19.Energy used by moving object20.Energy used by stationary object

21.Power22.Loss or waste of Energy23.Loss of substance24.Loss of Information25.Loss of Time26.Amount of substance/matter27.Reliability28.Measurement accuracy29.Manufacturing precision30.External harm affects the object31.Object-generated harmful

factors32.Ease of manufacture33.Ease of operation Simplicity34.Ease of repair35.Adaptability or versatility36.Device complexity37.Complexity of control38.Extent of automation39.Productivity

40 Inventive Principles

1. Segmentation 2. Taking out (Extraction)3. Local quality or conditions4. Asymmetry 5. Combining or merging6. Universality 7. Nesting 8. Counterweight 9. Preliminary counter-action 10.Preliminary action 11.Cushion in advance 12.Equipotentiality 13. Inversion or ‘the other way round' 14.Spheroidality - Curvature 15.Dynamics 16.Partial or excessive actions 17.Moving to another dimension 18.Mechanical vibration 19.Periodic action 20.Continuity of useful action

21.Rushing through or skipping 22."Blessing in disguise" or "Turn

Lemons into Lemonade" 23.Feedback 24.Mediator or intermediary25.Self-service 26.Copying 27.Cheap short-lived object instead

of expensive durable one28.Replace mechanical system 29.Pneumatics or hydraulics 30.Flexible shells or thin films 31.Porous materials32.Change the color33.Homogeneity34.Rejecting and regenerating parts35.Transformation of physical or

chemical states of an object36.Phase transitions37.Thermal expansion38.Strong oxidants39. Inert atmosphere40.Composite materials

Contradiction Matrix

Worsening Feature

Improving Feature

TechOptimizer

TechOptimizer

发现问题

产品创新产品创新周期周期

功能分析

特征转移

TechOptimizer

产品创新产品创新周期周期 方案

生成科学原理检索

技术预测

TechOptimizer

产品创新产品创新周期周期方案

评估 网络助手

TRIZ knowledge base

Pro/Innovator （亿维迅公司）

产品介绍

TRIZ事例1. 問題

惡化改善

參數 1

移動件重量

參數 5移動件面積

原理 2: 提煉

原理 17 : 移至新維度

原理 29 : 氣壓或液壓

原理 4 : 非對稱

目標 : 提升機翼升力

方法 : 增加機翼面積

新問題 :

機翼重量增加

2. 衝突表

3. 解答

美國專利US04648571

TRIZ事例

TRIZ事例

CNC 刀把設計

問題 :刀把剛性與定位精度衝突

解決 :引用彈性鋼球

更多的 TRIZ应用

日本三菱公司等

关于 TRIZ的认识

只支持方案概念的生成只提示解决问题的线索没有相关专业的知识，再多的线索也没用方案概念的试验验证与评价需要时间

第七节并行设计Concurrent Design

传统的串行产品开发模式的弊端传统的串行产品开发模式的弊端

并行工程的提出并行工程的提出

日本： 60 年代丰田汽车公司的并行工程实施

美国 ： 1987 年 DARPA(Defense Advanced Research Plan Agency) 的 DICE 计划提出

并行工程提出的技术背景并行工程提出的技术背景

计算机网络和数据库技术： CSCW仿真技术：分析手段CAX 技术的成熟：产品开发支持手段

并行工程的定义并行工程的定义

The simultaneous development of product and process

Concurrent engineering is a systematic approach to the integrated, concurrent design of products and their related processes, including manufacturing and support. This approach is intended to cause developers, from the outset, to consider all elements of the product life cycle from conception through disposal, including quality, cost, schedule and user requirements. --IDA Report R-338

Sequential Sequential EngineeringEngineeringSequential Sequential

EngineeringEngineering

ConceptualDesignConceptualDesign

ProductEngineeringProductEngineering

ProcessEngineeringProcessEngineering

Assembly/InspectionAssembly/Inspection

Maintenance/Training Maintenance/Training

Concurrent Engineering

Concurrent Engineering

Time savingsTime savings

ConceptualDesignConceptualDesign

ProductEngineeringProductEngineering

ProcessEngineeringProcessEngineering

Assembly/InspectionAssembly/Inspection

Maintenance/Training Maintenance/Training

Sequential engineering VS Concurrent engineeringSequential engineering VS Concurrent engineering

串行工程串行工程

并行工程并行工程

相关概念相关概念

Concurrent engineeringSimultaneous engineeringConcurrent designProduct lifecycle designIntegrated product and process design

并行工程的主要内容并行工程的主要内容

并行工程的三要素并行工程的三要素

协作Collaboration

技术Technology

过程Process

集成用户界面及界面管理系统

QFD

DFXCAX

应用工具封装集成

冲突管理与仲裁控制

PDM 集成框架

数据库

网络、通讯、多媒体会议系统

界面管理 界面管理

工具 工具

协调 协调

管理 管理

信息 信息

环境 环境

IPT 的组织与管理

资源信息管理

产品信息管理

过程信息管理 …

并行工程

系统框架

并行工程团队的建立并行工程团队的建立

职能部门制矩阵管理组织集成产品开发团队 IPT

过程管理过程管理

过程建模 过程分析 过程重组 任务管理

产品模型

效益评价动态模拟

可靠性评价

组织重组

工作流重组

资源重组

任务定义

信息流分析

实时监控组织模型

工作流模型

资源模型

产品数据管理产品数据管理

数据库 网络SQL Server 6.x SQL Server 6.x Windows Windows

NTNT

Sybase ... Sybase ... Novell ...Novell ...

数据库 网络SQL Server 6.x SQL Server 6.x Windows Windows

NTNT

Sybase ... Sybase ... Novell ...Novell ...

全局接口

MRPII

PMIS

...

CAx

FEM

CAPP

Solidworks

Pro/Engineer

AutoCAD

Design

NCP

图纸管理 文档管理

BOM管理

工作流管理

零件基本数据管理

冲突管理冲突管理

冲突避免冲突检测冲突解决

质量功能配置QFD

Quality Function Deployment

DFX: Design for XDFX: Design for X

面向产品生命周期的设计Design:- 产品设计 - 过程设计

X:-装配、加工、维护、报废、回收等环节 - 质量、成本、时间、生产率等竞争因素

DFX 分类DFX 分类Ability

质 量 成 本 时 间 环 境 可靠性 生产率 综合能力

DFMq DFMc DFMt DFMe DFMr DFMp

DFManufacture 加 工

DFAq DFAc DFAt DFAe DFAr DFAp

DFAssembly 装 配

DFIq DFIc DFIt DFIe DFIr DFIp

DFInspection 检 验DFRq DFRc DFRt DFRe DFRr DFRp

DFRecycling 回 收 x

DFSq DFSc DFSt DFSe DFSr DFSp

DFService 维 修

DFQ DFCost DFTime DFE DFRelibility DFProductivity

DFX 全周期

并行工程实施实例并行工程实施实例

昌河汽车并行工程 CACE

新大洲摩托车并行工程

江汉石油钻头股份公司并行工程

工作报告

完

The End