机械产品设计中系统化设计法研究

尹潇

摘要：机械产品的设计具有复杂性、交叉性的特征。为了更好的完成产品设计和优化，在机械产品设计时需要基于系统观，准确的整理好系统与各个要素间的相互关系，按照产品的结构形式，使产品功能逐渐优化到既定的功能。本文基于现代产品设计的系统观，探讨机械产品设计中的设计方法。第一部分介绍产品系统化设计的理论;第二部分介绍了机械产品系统化设计的方法;第三部分探讨了系统化设计方法在机械产品设计中的应用。旨在为智能机械产品的设计和优化提供一些参考。

关键词：机械产品设计;系统化设计;设计方法;系统化观念

中图分类号：TB47                                      文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）07-0221-02

0  引言

随着科技的创新与发展，机械产品的设计进入了一个全新的此现代化产品设计阶段。相对于传统设计，现代化产品设计体现了产品设计全生命周期的信息化。即在产品设计的各个阶段引入信息化手段，将单一的产品设计通过一定的结果形式组合成具有特定作用和统一目的的有机整体，形成完整的设计系统。目前，系统化设计方法已在现代产品设计中得到广泛应用。研究系统化设计方法对机械产品系统化升级有着重要的意义。

1  产品系统化设计的理论

1.1 定义

产品系统化设计指由若干要素以一定的结构形式联结构成具有某种功能的有机整体。

1.2 核心思想

产品系统化设计的核心思想是整体观念及系统观念。由于产品的各要素之间存在紧密的关联性，整体功能并不等于局部功能。它具有相对性和较强的目的性。通过系统化设计，使产品的系统达到既定的功能。

1.3 系统化设计的特征

系统化设计过程是一个相互作用、相互以来的若干要素结合成具有特定作用、达到同一目的的有机整体的产品系统。因此，系统化设计具有产品信息化、产品系列化、产品商品化、产品生态化的基本特征。产品信息化代表产品发展趋向于多种能、复合化、智能化、轻薄化的方向，也代表着产品制造和产品开发信息化的过程。产品系列化则达标的相互关联的承租成套产品的温室。如同一个品牌系列下的多个独立产品，或具有多种独立功能的产品组成的产品系统，或单元产品之间存在相关性与依存关系的完成的产品系列。究其根本产品系统化设计是为了得到系列化产品，从而来提高系列产品在市场的竞争优势。

1.4 系统化设计的要素

现代产品设计要素包括产品实体和关联食物两部分。产品实体主要指产品的部件、元件构件等。关联事物指产品的功能、形态、色彩、美学等。当结构的若干要素产生相互联系、相互作用的关系，即将若干个要素构成一个有机整體。而产品的系统功能则在外部环境与系统相互联系作用下得到升级与优化。

1.5 系统化设计的重点

系统化设计强调在产品设计的全生命周期内处理好要素与要素、要素与系统、系统与环境三方面之间的关系。通过协调处理各要素之间的关系，来达到使产品最终整体功能大于各部分局部功能之和的目的。

2  机械产品系统化设计的方法

机械产品系统化设计方法的系统模式包括O-R-O模式、串行模式、并行模式。O-R-O模式即客体-联系-产出模式。串行模式即机械产品设计过程中各个环节都要视为系统要素，且要素之间的构成关系应按一定顺序进行。并行模式即要求对机械产品及相关过程做几何处理，构成系统化设计模式。

2.1 “构思-设计”法

机械产品“构思-设计”法指从分别构思和设计两个不同阶段计划机械产品的系统化设计。在构思阶段通过寻找符合设计任务要求的原理解，进而在设计阶段则实现设计要求的原理解。即在构思阶段通过将对结构元素选择和对结构元素的组合理解机械产品的功能结构的设计原理，在设计阶段通过结构各类要素的互相定义实现对系统功能的设计，并完成分功能与系统功能有机统一。Roper，H.在图论论理论的基础上，通过总设计单元、结构元素、功能结构元素、“联接结构元素、结构零件、结构元素零件的相关概念，及描述机械结构元素与功能载体的位置、具体现状、结构元素尺寸、传动参数之间的互相关系的简图，来描述专家直觉设计。这是利用系统的相互关系进行机械产品系统化设计的方法。该方法从系统观念出发，基于系统功能的设计任务，从整体出发，将设计任务分为获取功能及结构、寻找效应、寻找结构。

最后分别运用以下策略来描述机械产品构思阶段的流程。

①效应与构型规则策略。这是一种依据设计任务功能的相互关系，来辨别效应与构形规则的系统化设计方法。

②分别考虑功能、效应、构形规则策略。即在多个阶段、多个工作步骤中不断变型设计方案实现原理解的系统化设计方法。

③功能、效应、构形规则密切相关策略。即在三者没有选择的情况下，利用特殊要求的领域，如高价值功能零件、特大型机械、超小型机械及有特殊功能要求的零部件产生原理解。

④针对设计要求进行结构化求解的方式。即从已有的零件中寻找机械产品系统功能不同排序与结构功能的相互连接关系。

2.2 键合图法

把机械产品系统元件按照产生能量、消耗能量、转变能量形式、传递能量等形式，用键合图描述功能解，并为键合图与功能模型建立相关关系，从而实现功能结构键合图灵活的自动转换，产生机械产品的系统化设计方法。

2.3 矩阵设计法

矩阵设计法指利用 “要求-功能”逻辑树来描述设计任务要求与功能之间相互关系，实现原理解来得到系统化设计方案的方法。为“要求-功能”逻辑树建立关联矩阵，就可以描述满足设计要求与对应的功能结构之间的相互对应关系。Kotaetal把产品系统化的设计空间分为多个功能子空间。各个功能子空间的设计用模块表示。在抽象高层阶段，由运动转换矩阵和可操作的约束矢量表示设计模块。在低层抽象阶段，用参数矩阵和一个运动方程表示设计模块。

3  系统化设计方法在机械产品设计中应用

3.1 在产品功能设计中的应用

系统化设计方法作为一种贯穿于产品结构各要素中的设计方法，它从产品需求和功能方面入手，通过采用特定的描述方法定义产品结构的主要功能和附属功能，是产品各部分之间相互关系，相互作用，进而形成同一产品的尚未功能、下位功能和同为功能。应用矩阵设计法，可以为产品的基本功能建立系统骨架。应用图形建模法、构思-设计法，对功能目的和手段关系进行整理，描述机械产品多余功能、多余部件，从而实现对功能系统的定义。

如在设计汽车功能时，在总体布局设计上先了解开发车行道技术，在总体布局设计上将汽车性能匹配按照整车结构进行设计，并以汽车各大总成为基础确定设计各大总成目标和系统目标。按照汽车各大系统总成特征的确定参数进行参数化建模，建立三维数字化虚拟模型。采用“构思-设计”法、图形建模法、键合图法、设计元素法、矩阵设计法等描述各大系统总成与零件之间的关系，从而实现对汽车整车的功能和外观设计。后期产品升级中，可以在数字化、虚拟化配置及仿真分析的基础上完成产品的系统化设计与优化，利用产品局部与产品全生命周期的关系，来实现对产品性能的优化和系统的升级。在汽车装配时，用已确定的各系统参数为基础，完成对汽车整机装配设计的调整。例如，美国福特汽车公司在过去，每开发一款新车型，都要用120辆车进行冲撞试验，约耗资6000万元美元，采用CAE技术后，只需约70辆试验车，可节约资金2500万美元和宝贵的时间。目前，进行汽车膨胀过程的模拟分析较常用的软件有LS-DYNA、PAM-CRASH等，如图1。

3.2 在外观形态设计中的应用

机械产品设计中，系统化设计方法能够利用产品语义学了传到意义的形态，描述设计的形态。借助计算机辅助设计系统，可以通过对产品部分结构形态的语义描述，来达到诠释设计的形态与识别、形态与操作、形态与使用、形态与环境、形态与记忆相互关系、相互作用之间的联接。最终在形态释义的基础上完成对机械产品工艺及外观形态的解构。这种设计方法能有效的改变传统机械产品设计过程中功能单一和产品应用范围较窄的限制，促进基础产品优化升级。

4  结语

综上所述，系统化设计常用到的设计方法有“构思-设计”法、图形建模法、键合图法、设计元素法、矩阵设计法等。这些方法都是基于系统化观念、整体观念，板设计对象的实物和关联事物当做一个完整的系统整体加以研究，在全局观的基础上将各个部分看成系统的要素，通过组合为各部分建立有机联系，为系统与外界环境建立有机关系，借助信息化手段及计算机辅助设计工具，朝着同一个设计目标去完成。最终，系统化设计要实现产品系统纵向和横向的有机关联，以便于后期对产品进行设计优化和系统升级。通过调要素之间的关系，调整系统与外部环境的关系，来推动产品系列化的发展，提升产品的市场竞争优势。

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