原理方案设计论文.doc
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第五章原理方案的创新设计
引言：
设计一般分为产品规划、方案设计、技术设计、施工设计等四个阶段。
方案设计阶段针对产品的主要功能提出原理性的构思，探索解决问题的物理效应和工作原理，并用机构运动简图、液路图、电路图等示意表达构思的内容在原理方案设计过程中往往利用系统工程的观点、方法解决复杂的问题。
系统工程方法是将事物当作一个整体系统来研究，分析系统各组成部分之间的有机联系和系统与外界环境的关系，是较全面的综合研究方法。
原理方案的设计是“发散-收敛”的过程。
从功能分析入手，通过创新构思探求多种方案，然后进行技术经济评价，经优化筛选，求得最佳原理方案。
其步骤和各阶段运用的方法如下图
1功能设计法
19世纪40年代，美国通用电气公司的迈克斯首先提出Function的概念。
功能是产品或技术系统特定工作能力抽象化的描述。
描述功能要准确、简洁，合理抽象，抓住本质。
黑箱法（BlackBox）技术
系统
机器
设备
仪器
物料分离
能量
物料
信号
能量
物料
信号
电能
接通
净衣服
污物
切断能量
脏衣服
机电系统一般由驱动、传动、执行、测控四部分组成。
根据机械方案设计阶段的一般过程，其主要任务是建立设计系统的功能结构，通过选择相应于功能结构中的每个功能的功能载体，并组合这些被选择的功能载体从而形成整个设计系统的设计方案.功能载体的选择与组合，实际上是所建立的功能结构中的每一个分功能与能实现该分功能的结构进行匹配，而设计系统的总体功能一般包含着很多分功能，而每一功能可以由不同的结构（功能解）来实现，因此，机械运动方案设计就存在选择问题，在机械设计理论基础上，经过相关科学的交叉、渗透与综合，所得到的机械创新设计方法可实现功能解的组合、协调和评价，最终获得最佳创新设计方案。
技术
系统
机器
设备
仪器
物料分离
输入接口
输出接口
能量
物料
信号
能量
物料
信号
电能
接通
净衣服
污物
切断能量
脏衣服
2资源的分析与利用
设计系统是属于超系统的一部分，合理地利用资源会对原理解产生更好
资源的主要类型
（1）自然资源
（2）时间资源
（3）空间资源
（4）信息资源
（5）系统资源
3功能分解
总功能是该系统中各子系统乃至各个元件共同完成的。
子系统分担各自的分功能或功能元。
各分功能的类型不完全相同，有联系，也有区别。
为确定实现的工作原理，需要将系统的总功能进行分解。
另外有些分功能可能己经有定型化的产品，可以直接使用。
功能分解图的结构形状有树状结构，也有串联结构、并接结构以及环形结构。
（1）技术冲突原理（TRIZ理论）
TRIZ理论是由前苏联工程技术专家Altshuller创建的，认为发明的核心问题是解决冲突。
设计人员在设计过程中不断地发现冲突，并利用相应的发明不解决这些冲突，使产品向理想化的方向进化。
设计中的技术冲突，是设计人员为改善或提高某些子系统的性能，而导致系统中的其他子系统或系统性能变坏与降低。
例如，为了使轴上的零件的固定，采用螺母固定，需在轴上加工螺纹，达到了固定的目的，但是也削弱轴的强度。
TRIZ理论的研究人员通过对250万项的技术专利进行研究后，提出了用39个抽象的工程参数来描述技术冲突问题。
通用工程参数名称表
序号
通用工程参数
序号
通用工程参数
序号
通用工程参数
1
运动物体的质量
14
强度
27
可靠性
2
静止物体的质量
15
运动物体作用的时间
28
测试精度
3
运动物体的长度
16
静止物体作用的时间
29
制造精度
4
静止物体的长度
17
温度
30
外部有害因素作用的敏感性
5
运动物体的面积
18
光照度
31
物体产生的有害因素
6
静止物体的面积
19
运动物体的能量
32
可制造性
7
运动物体的体积
20
静止物体的能量
33
可操作性
8
静止物体的体积
21
功率
34
可维护性
9
速度
22
能量损失
35
适用性及多用性
10
力
23
物质损失
36
装置的复杂性
11
应力与压力
24
信息损失
37
监控与测试的困难程度
12
形状
25
时间损失
38
自动化程度
13
结构的稳定性
26
物质或事物的数量
39
生产率
（2）发明原理
TRIZ理论的研究人员在对全世界专利分析的基础上，提出了40条发明原理，用于指导解决冲突和产品创新。
发明原理
序号
名称
序号
名称
序号
名称
序号
名称
1
分割
11
预补偿
21
紧急行动
31
多孔材料
2
分离
12
等势性
22
变有害为有利
32
改变颜色
3
局部质量
13
反向
23
反馈
33
同质性
4
不对称
14
曲面化
24
中介物
34
抛弃与修复
5
合并
15
动态化
25
自服务
35
参数变化
6
多用性
16
未达到或超过的作用
26
复制
36
状态变化
7
套装
17
维数的变化
27
廉价替代品
37
热膨胀
8
质量补偿
18
振动
28
机械系统的替代
38
加速强氧化
9
预加反作用
19
周期性作用
29
气动与液压结构
39
惰性环境
10
预操作
20
有效作用的连续性
30
柔性壳体薄膜
40
复合材料
（3）冲突矩阵
TRIZ理论中，39项工技术参数描述了系统中问题的空间，40条发明原理则填充了问题的空间。
TRIZ理论研究人员通过长时间的分析与研究，提出了冲突矩阵的概念。
矩阵的行表示冲突中的恶化参数，列则表示改善参数，单元格中列出了该问题的原理解（用原理解的序列号表示）。
分析待改进的产品
原理解法是把凡是导致功能三要素实现转变的操作或原理都被有规律的分类、排列、储存起来，在设计时方便调用，实际上是一种信息库。
原理解的目录编写必须密切结合设计过程与功能要求编写，应该是功能明确，内容清楚、信息面广、查取方便。
原理解止录的编者按写需要具有一定的理论知识与实践经验，需要进行广泛的调查、研究与搜集
4原理解法的设计目录
数学功能元分为加减、乘除、乘方和开方、积分和微分四组，也可按机、强电、电子各领域列出有关解法目录。
物理功能元反映系统中能量、物料及信号变化的物理基本作用，常用的基本物理功能元有变换、缩放、联接分离、传导、离合、储存等6类。
“变换”包括各种类型能量或信号形式的转变，运动形式转变，物态的转变等。
“缩放”指各种能量、信号向量（力、速度等）或物理量的缩小和放大。
“联接”、“分离”包括能量、物料、信号、同质或不同质数量上的结合和分离。
“传导”和“离合”反映能量、物料、信号的位置变化。
“储存”体现一定时间范围内对能量、物料、信号保存的功能。
物理功能元用物理效应求解，工程系统中常用的物理效应有：
力学效应；
液气效应；
电力效应；
磁效应；
光学效应；
热力学效应；
核效应。
5评价目标
a.评价目标树
评价目标数是分析表达评价目标的一种有效手段。
用系统分析方法对目标系统进行分解并图示，将总目标具体化为便于定性或定量评价的目标元，从而形成目标树；
目标树的最后分枝为总目标的各具体评价目标元。
图中含有加权系数，子目标加权系数之和为上级目标的加权系数。
b.评分法
用分值作为衡量方案优劣的定量评价。
对于多个目标的系统先分别取各目标的分值，再求总分。
一般采用集体评分以减少由于个人主观因素对分值的影响。
对几个评分者所评的分数取平均值或去除最大、最小值后的平均值作为有效分值。
c.模糊评价法
就是利用集合和模糊数学将模糊信息数值化以进行定量评价的方法。
确定隶属度可采用统计法或隶属函数法。
统计法是收集一定量的评价信息通过统计得到隶属度，进行模糊统计试验次数应足够多，以使统计得到的隶属度稳定在某一数值范围内。
隶属度也可通过隶属函数求得，模糊数学有关资料中推荐十几种常用的隶属函数，可根据评价对象选择合适的隶属函数，从中求取特定条件下的隶属度。
参考文献
1.黄纯颖，工程设计方法，北京：
中国科学技术出版社，1989.
2.黄纯颖，设计方法学，北京：
机械工业出版社，1992.
3.颜永年，张晓萍，冯常学，机械电子工程，北京：
化学工业出版社，1998.等
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