第三章 机械产品的功能原理设计.ppt

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1、第三章 机械产品的功能原理设计,第三章 机械产品的功能原理设计,随着科学技术的发展和国内外市场竞争的日益加剧，用户对机械产品的要求越来越高。设计工作者必须不断地开发设计新的产品，以满足市场的需求，提高产品的市场竞争力。在新产品的设计过程中，首先要针对产品所应具有的功能进行原理性的设计构思，提出设计方案。这部分设计内容和过程称为机械产品的功能原理设计。 定义：功能原理设计是针对产品所应具有的功能进行原理性设计构思，提出设计方案的设计过程。 它是机械产品整个设计过程的一个重要阶段，也是机械设计的最初阶段。其实质是原理方案的构思与拟定的过程。功能原理设计从最新的自然科学原理及其技术效应出发，通过创新

2、构思、优化筛选，找出最适宜于实现预定功能目标的原理方案。 例如，要设计一台物料分离机，首先要构思利用什么原理将不同物料分开。如图3-1 所示是物料分离机功能原理设计的构思示意图。,第三章 机械产品的功能原理设计,c-磁性分选,d-摩擦分选,a-浮力分选,b-电性分选,图3-1 物料分离机功能原理构思,e-惯性分选,第三章 机械产品的功能原理设计,功能原理设计对所开发机械产品的成败起着决定性的作用。一个好的功能原理设计总是充满创新构思，所设计的产品具有突出的功能特色，而且在市场竞争中具有潜在的价值。因此，功能原理设计的重点在于提出创新构思，使思维尽量发散，力求提出更多的解法供比较优选。,3.1

3、功能原理设计工作的特点和任务,功能原理设计是产品设计的第一设计阶段，而总体设计、机构设计和结构设计则是功能原理设计的后继过程，是将功能原理设计结果转化为生产方案的具体设计过程。对于机构设计和结构设计，通过有关课程的学习大家已经有了比较详细的了解。而对功能原理设计并不真正了解，与机构设计和结构设计相比，功能原理设计有其完全不同的特点和工作内容。 3.1.1 功能原理设计的工作特点 随着科学技术的发展计算工具在不断的更新换代，由原始的将树叶或贝壳串在一起计数，到我们的祖先发明算盘；从简单的机械式计算器，发展到较为复杂的机电计算器，再发展到计算机。计算机从电子管式发展到晶体管式，再发展到集成电路、超

4、大规模集成电路，使它的计算速度越来越快，性能越来越强大，体积越来越小、重量越来越轻。从计算工具工作原理不断改革和发展可以看出，功能原理设计工作具有下述特点：,3.1.1 功能原理设计的工作特点,1功能原理设计是用一种新的物理效应来代替旧的物理效应，使机器的工作原理发生本质的变化的设计。 2功能原理设计中往往要引入某种新技术（新材料、新工艺、），这就要求设计人员首先有一种新想法、新构思。否则，没有新想法，即使新技术放到面前也不会把它用到设计中去。 3功能原理设计使机器的品质发生质的变化。如机械钟表无论在技术上如何改进，其走时的精确性都不可能与石英表相媲美。,3.1.2 功能原理设计的任务和工作内

5、容,功能原理设计的任务概括起来可以表述为：针对某一确定的功能要求，寻求相应的的物理效应，借助某些作用原理，求得实现功能目标的某些解法原理。 例如，要实现直线移动这样一个功能要求，可以寻求液压、电磁或机构等物理效应，通过油缸、直线电机、牵引电磁铁或刚体传动等作用原理，求得实现直线移动这个功能目标的解法原理。 功能原理设计的工作内容，主要是构思能实现功能目标的新的解法原理。其工作步骤首先是明确功能目标；其次是进行创新构思；然后通过模型试验，进行技术分析，验证其原理的可行性，对于不完善的构思进行修改、完善和提高；最后，对几个解法作技术经济的评价，选择出较为合理的解法作为最优方案（如图3-2所示 ）。

6、 这里所谓的“最优方案”，实际上只能是一种较为“满意”的解法。因为，在实际设计工作中，真正完全理想化的、没有缺点的解法几乎是没有的。,3.1.2 功能原理设计的任务和工作内容,明 确 功能目标,市 场 调 查,需 求 发 现,任 务 确 定,用 户 调 查,功 能 澄 清,目 标 建 立,酝 酿 解法原理,收 集 信 息,资 料 研 究,多 项 联 想,创 新 构 思,思 维 试 验,模 型 试 验,改进完善 解法原 理,弱点发现,问题剖析,改善修正,完善提高,选出满意 的 解,建立准则,评价比较,权衡利弊,去劣存优,图3-2 功能原理设计的工作步骤和内容,3.1.3 功能原理设计的过程,功能

7、设计是工程设计中探求原理方案的一种有效方法，它以系统工具为基础，从功能分析着手，其步骤如图3-3所示。功能设计紧紧抓住系统功能这个本质，具有化繁为简、原理解答多、最佳解答多中选优等特点，是一种较好的原理方案设计的方法。,明 确 任 务,求总 功能,求分 功能,求分 功能解,系统 原理解,最佳原 理方案,黑箱法,抽象,功能结构,分解,作用原理,搜索,横幅箱图,组合,评价法,评价,图3-3 功能设计的步骤,3.2 产品功能的定义与分类,功能原理设计必须由功能分析入手。在进行功能分析之前，首先应对“功能”的概念及其它有关的概念有一个科学的认识。 3.2.1 功能和功能单元 1功能 是对于某一产品特定

8、的工作能力的抽象化描述。设计产品的目的是把一定的输入量转化为满足需求、符合特定目的的输出量。实质上，“功能”是指某一机器或装置（这里统称为技术系统）所具有的转化能量、运动或其它物理量的特性。它反映了技术系统输入量和输出量之间的因果关系。例如，一台电机的功能是将电能转变为旋转运动的动能。 人们购买和使用产品实际上是购买和使用其功能。用户需要的功能往往是有条件的：如需要某种功能的目的，功能的使用地点及环境条件，功能的定量与定性参数，实现功能的具体结构和手段，功能的经济性等等。这些都是设计者在设计过程中，尤其是在产品的功能原理设计时所需要考虑的。,3.2.1 功能和功能单元,根据系统论的观点，一个系

9、统可以分解为若干个子系统，系统的总功能可以分解为若干分功能。任一机械产品都是一个相对独立的技术系统，因此其总功能同样也具有可分性。例如，一台钻井泵是可以分成动力端和液力端两大部分。把钻井泵看作一个整体系统，则动力端和液力端即为分系统；增加液体的能量是总功能，相应的转换运动形式和吸排液体的功能就是分功能。,3.2.1 功能和功能单元,2功能单元 在进行一个复杂机械系统的功能原理设计中，或对一个复杂机械系统的功能结构进行分析时，有时仅仅使用分功能这一概念，难以清楚地表达出功能的层次和功能之间的相互关系。为此，结合机械设计的特点，引入功能单元的概念。 定义：功能单元是指以功能为核心，既保持有一定的功

10、能独立性，又具有一定的复杂程度的技术单元。 也可以说，功能单元是不能再分解的最小功能单位，是直接能从物理效应、逻辑关系等方面找到解法的基本功能。机械和仪器中的基本功能可以归纳为三类：物理功能元、逻辑功能元和数学功能元。由于机械的功能原理设计是围绕功能核心来寻求解法，在设计中又必然会联系到与功能相关的实体结构，所以功能单元往往与机械中的某个组成部分相对应。 应该注意，分功能和功能单元都是根据功能的相对独立性而划分的，与机械的零件、部件或机构不能等同。前者是对一个机械系统的某一分系统工作任务的抽象描述，后者属于功能载体。,3.2.2 功能流及功能描述方法,任何一个机械系统（或一般技术系统）的输入和

11、输出都可以归纳为三个基本要素 1. 能量（E）：包括机械能、热能、电能、光能、化学能、核能、生物能等； 2. 物料（M）：可为材料、毛坯、试样、气体、液体等； 3. 信息（S）：表现为数据、控制指令和显示等。 能量、物料和信息三个基本要素在系统中沿一定路径运动形成功能流，即：能量流、物料流和信息流。 在系统内部物理量发生了变化，使得系统的输入量与输出量有所不同，这称为变换。 仪器：是主要传递信息流的技术系统，其主要性能指标为精度。 设备：是主要传递物料流的技术系统，设计中主要考虑静强度和刚度等问题。 机械：是主要传递能量流的技术系统，设计中需要进行运动和动力学分析，主要性能指标为强度、刚度、磨

12、损和寿命等。 在进行产品的功能原理设计时，对于所要设计的机械或其它产品，总会提出各种各样的要求，给出一些限制条件。这些要求和限制条件有定性的也有定量的，有主要的也有次要的，如果从这样复杂的任务要求出发来分析系统的总功能，难以一下子认识清楚。为此，通常采用系统工程学中的“黑箱法”来抽象，并描述其功能流的输入和输出。 “黑箱法”是指将系统看成一个不透明的不知道其内部结构的“黑箱”，在不打开黑箱的前提下，利用对未知系统的外部观测，分析该系统与环境之间的输入和输出，通过输入和输出的转换关系确定系统的功能和特性的分析方法。,3.2.2 功能流及功能描述方法,黑箱法将要开发的机械系统视为一个未知内容的黑箱

13、，把三个基本要素的输入和输出用黑箱模型来表示，如图3-3 所示。 这样的抽象表达，可暂时忽略次要因素，只对三个基本要素的输入和输出关系作集中考虑，因此能突出表达设计的总功能。 图3-4 所示是用黑箱法描述钻井泵的总功能。由此可以看出，黑箱法是一种暂时忽略次要因素，首先集中考虑系统的输入和输出关系，寻求系统总功能的方法。在系统总貌了解清楚之后，再由总体到局部，逐步进行功能分析和功能协调的细化研究。,图3-3 用黑箱法描述系统功能,图3-4 用黑箱法描述钻井泵的总功能,3.2.3 功能分类,在各种设计对象中，有的可能只采用几种功能，有的则可能采用更多种功能。现在，可供机械设计采用的功能原理十分繁多

14、。为了更好地分析设计对象，确定功能的性质及其重要程度，寻求功能原理设计的求解思路，就必须对功能加以区别和分类。可以从不同的角度出发对功能进行分类，现分别介绍如下。 一、按功能的重要程度分类 按功能的重要程度，功能可分为基本功能和辅助功能。 1基本功能 是指为达到设计目的，发挥设计对象的效用所必不可少的功能。它是设计对象赖以存在的条件，也是我们对设计对象进行分析、研究的基础。如果设计对象失去了基本功能，也就失去了对它继续研究的价值，失去了它存在的意义。基本功能不同，设计对象的用途也就不同。,3.2.3 功能分类,2辅助功能 是为了更好地实现基本功能而添加上去的功能。它的作用相对于基本功能来说是次

15、要的、辅助性的，但同时也是实现基本功能的手段。例如，手表的基本功能是显示时间，而防水、防震、防磁、夜光等则是手表的辅助功能。这些辅助功能相对于基本功能来说是次要的，但是它们有助于基本功能的实现，使手表在水、震、磁、黑暗的环境中也能准确地显示时间，实现基本功能。 对于任何设计对象而言，其基本功能是不能改变的，而辅助功能则可由设计者添加或删减。所以，添加必要的辅助功能，有助于更完美地实现基本功能。基本功能是设计对象最重要的功能，也是用户最关心的功能。在产品设计中要牢牢把握住产品的基本功能，把主要力量集中到基本功能上。应注意的是，一个设计对象可以有一个基本功能，也可以有几个基本功能。例如万能铣床，既

16、具有卧铣功能，同时又具有立铣或其它铣削功能。因此，在设计中要正确理解产品的目的要求，以保证同时实现产品所应具有的基本功能。,3.2.3 功能分类,二、按功能的性质分类 按功能的性质功能可分为物质功能和精神功能。 物质功能是指设计对象的实际用途或使用价值，它是设计者和使用者最关心的。物质功能一般包括设计对象的适用性、可靠性、安全性、和维修性等。 精神功能则是指产品的外观造型及产品的物质功能本身所表现出来的审美、象征、教育等效果。 图3-6 所示为产品功能按性质的分类。,3.2.3 功能分类,图3-6 产品功能按性质分类,3.2.3 功能分类,设计对象的物质功能和精神功能是通过基本功能和辅助功能来

17、实现的。不同的设计对象，对物质功能和精神功能要求的程度是不同的。 例如，手表、家电、汽车等产品，不仅应具有物质功能，而且还应具有精神功能。因为，人们购买和使用这些产品，在获得相应的物质功能，满足使用的需要同时；也希望获得它的精神功能，满足精神审美的需要，即样式要美观别致、能体现自己的身份、能美化环境等等。这些与人们的生活密切相关的产品，其精神功能占有十分重要的地位，甚至有些产品的精神功能还会直接影响其物质功能的发挥。所以，在进行这类产品的设计时，不仅要满足用户的物质功能要求，还要根据不同产品的具体情况，切实考虑其精神功能的体现。 对于如农业机具、化工生产设备、工程机械等产品，其精神功能相对来说

18、是次要的。在设计这类产品时，物质功能是考虑的主要问题，精神功能一般不予过多重视。,3.2.3 功能分类,三、按用户的要求分类 按用户的要求，功能可分为必要功能和不必要功能。必要功能是指用户所需要并承认的功能。如果产品的功能满足不了用户的需要，则说它的功能不足；反之，如果产品的功能中有些不是用户需要并承认的，则说它是不必要功能；如果有些功能超出了用户需要的范围，则说它是多余功能。我们进行功能分析的目的，就是要保证设计对象的必要功能，排除不必要功能和多余功能。 在产品设计中，多余功能比不必要功能的存在更为普遍，其表现有以下几个方面，应引起设计者的注意； 不适当地加大安全系数； 一般用途的产品采用高

19、性能的元件； 采用的公差、粗糙度超过了产品使用性要求； 在用户看不到的表面上，不惜工本地来提高表面品质； 采用过高的寿命指标，致使机器构件尚未磨损到极限公差，此机型却已被淘汰； 采用过分贵重的材料； 不考虑产品的适用性，而坚持不合理的工艺要求。 产生不必要功能出现的原因有多方面，不惜工本，片面追求尽善尽美；对用户的需要不完全了解；由于设计任务紧迫而未进行必要的计算和分析，以致于采用了超过必要极限的设计规范；由于缺乏信息，未能充分利用已有的技术成就，技术标准；没有处理好形式与内容的关系，等等。,3.2.3 功能分类,四、按功能的内在联系分类 按照功能的内在联系可分为目的功能和手段功能（或者说是上

20、位功能和下位功能）。目的功能表示任一功能的存在都有其特定目的。 例如，洗衣机的目的功能是“洗净衣物”，其洗衣系统电动机的目的功能是“提供动力”。如果追问下去，可以发现，“提供动力”的目的是为了“传递力矩”，“传递力矩”的目的是为了“形成涡流”，“形成涡流”的目的是为了“洗净衣物”，而“洗净衣物”就是洗衣机存在的最终目的，即基本功能。洗衣机中甩干系统的电动机的目的功能也是为了“提供动力”，“提供动力”的目的是为了“传递力矩”，“传递力矩”的目的是为了“脱去水份”，“脱去水份”的目的是为了“甩干衣物”，这就是洗衣机辅助功能。从这个例子可以看出，产品中任何子功能的存在都有其特定的目的，即目的功能，而

21、最终的目的功能则是产品的基本功能或辅助功能。 但是，任何目的功能都必须通过一定的手段来实现，在实现目的功能的过程中起手段作用的功能称之为手段功能。上例中，“洗净衣物”是洗衣机的最终目的功能，即基本功能，而“形成涡流”、“传递力矩”、“电机旋转”等均为各级的手段功能。因此，目的功能和手段功能是一个相对的概念，其关系可以通过图3-7 表示出来。,3.2.3 功能分类,此外，根据需要我们还可以把产品的功能分为简单功能和复杂功能、技术功能和工艺功能等等。总之，在产品设计中，我们应该以基本功能为基础，满足必要功能的要求，达到物质功能的目标，应把精神功能和辅助功能放在恰当的地位加以充分研究，尤其是其审美功

22、能，它作为产品设计的重要目标，应给予足够的重视。,图3-7 洗衣机的目的功能和手段功能,3.3 机械产品的功能分析,功能分析是指用系统的思想分析各功能之间的内在联系，按照功能的逻辑体系编制功能结构图（关系树图），以掌握必要功能，发现和消除不必要功能，并为“功能技术矩阵”的构造提供功能结构链。 3.3.1 功能结构和功能结构图 如前所述，一般情况下技术产品的总功能可分解为若干分功能，各分功能又可能进一步分解为若干二级分功能，如此继续，直至各分功能被分解为功能单元为止。 为了便于分析，将分功能或功能单元按照功能流三个基本要素流的流程有序地联结成一个总体系统，即构成机械系统（或一般技术系统）的总功能

23、。这种由分功能或功能单元按照其逻辑关系联结而成的结构称为功能结构。分功能或功能单元的相互关系可以用图来描述，表达分功能或功能单元相互关系的图称为功能结构图。,3.3.1 功能结构和功能结构图,任何功能结构，都由下面三种基本结构组成。 1串联结构 又称顺序结构，它反映了分功能或功能单元之间的因果关系或时间、空间顺序关系，其基本形式如图3-7a 所示，F1、F2、F3为分功能。,图3-7 a 串联结构,3.3.1 功能结构和功能结构图,2并联结构 又称选择结构，几个分功能作为手段共同完成一个目的，或同时完成某些分功能后才继续执行下一个分功能，则这几个分功能处于并联关系，图3-7b 所示。 当按逻辑

24、条件考虑分功能关系时，它们处于如图-7c 所示选择关系，执行分功能F1还是F2取决于是否满足特定条件。这种结构在机械系统的功能设计中常常见到，如安全离合器的“离”与“合”取决于传递载荷的大小。,图3-7 b 并联结构,图3-7 c 并联结构（条件）,3.3.1 功能结构和功能结构图,3环形结构 又称循环结构，是指输出反馈为输入的结构，如图3-7d 所示。按逻辑条件分析，满足一定条件而循环进行的结构如图3-7e 所示。 任何一个机械系统的功能结构，根据不同的功能设计要求，都可由这三种基本结构形式组合而成。应该指出的是，对于同一技术系统会有不同的结构形式，有时还会有多种不同的结构形式。但是，它们均

25、具有一种总功能。,图3-7 d 环形结构,图3-7 e 环形结构（条件）,3.3.2 功能分析的方法与步骤,任何一个功能都有它的目的，也有为实现这个目的所采用的手段。而且功能之间目的与手段的关系只是相对而言的。A功能是B功能的目的，B功能是实现A功能的手段，但B功能又可能是C功能的目的，C功能又是实现B功能的手段。对于一个功能，在提问“它的目的是什么？”时，就可以找出其上位功能；提问“实现它的手段是什么？”时，就可以找出它的下位功能。 在复杂的功能系统中，为了实现同一目的功能，需要有两个以上的手段功能，即对于同一上位功能，存在着两个以上并列的下位功能。这些并列的功能各自形成一个子系统，构成一个

26、功能域。 按照上述目的与手段，或上位与下位的功能关系，以及功能之间的并列关系建立起的设计对象的功能结构，并用图形表示，即得到其“功能结构图”，如图3-8所示。,3.3.2 功能分析的方法与步骤,G0,G2,G1,G22,G3,G21,G23,G12,G11,G13,G32,G31,G33,二级功能,一级功能,三级 功能,手段,目的,功能领域1,功能领域2,功能领域3,图3-8 功能结构图,其中: G0称为一级，也是功能设计对象的最上位功能；,G1、G2、G3是G0的下位功能，是并列的二级功能；,G11G32等是并列的三级功能。同时G1与G11、G12、G13组成一个功能区域，G2和G3也与其相

27、应的下位功能组成各自的功能区域。,3.3.2 功能分析的方法与步骤,在现代设计中，设计对象及其构成要素的功能很多，尤其是对于复杂的机械系统，其功能数目则更为可观，因而进行功能分析是比较困难的。为了适应广泛的设计问题，必须有一套良好的功能分析方法。目前对功能分析已研究出一种普遍的方法，称为功能分析系统技术，其基本步骤如下 1编制功能卡片 将设计对象及其构成要素的所有功能分别编制成卡片，每一张卡片记载一个功能。功能卡片的形式如表3-1 所示。,表3-1 功能卡片,3.3.2 功能分析的方法与步骤,2选出基本功能和辅助功能 当功能卡片数量很大时，为了方便起见，首先从编制好的卡片中抽出基本功能，联结基

28、本功能的相互关系，由此搭起功能结构图的主骨架，然后再联结辅助功能的相互关系。 3明确功能之间的关系 第一步可以从已抽出的基本功能卡片中任取一张，通过提问“它的目的是什么？”、“实现它的手段是什么？”来找出它们的上下位功能，并将其上位功能摆放在它的左面，下位功能摆放在它的右面。这样继续分别向上和向下提问，并摆设下去，就能找到最终的目的功能和最终的手段功能，从而形成功能结构的骨架。在这个过程中,可能会发现功能的漏失或表达不清楚，此时应及时地追加或修改功能卡片。第二步,对剩下的辅助功能卡片按照上述提问方式，来明确它的上、下位功能，并分别排列在相应的位置上。,3.3.2 功能分析的方法与步骤,4绘制功

29、能结构图 根据上面确定的功能关系，把上位功能画在左边、下位功能画在右边，并列关系的功能并列排放从而就可以画出系统的功能结构图，如图3-8 功能结构图。 上述就是功能分析的基本过程。应该指出，在功能分析之前，首先要明确设计对象的总功能以及各个子系统或结构要素所对应的分功能或功能单元，否则，功能分析就成了无米之炊。而要解决这个问题却不是一件容易的事情。发现或创造一种功能本身也是一种设计过程，为此，往往要用到创造性方法及其它一些方法。也可以通过追寻最上位功能的下位功能的方法，把整个功能系统的内容一一列出来，并在随后的功能分析过程中不断地加以充实和完善。,3.3.2 功能分析的方法与步骤,为了使所作出

30、的功能结构图准确无误，以便于建立“功能技术矩阵”，对已作出的功能结构图，我们可以通过以下几个方面的提问来检验 （）是否区分出了基本功能和辅助功能？ （）是否对所列出的功能都进行了分类？ （）每个功能的目的是否明确？ （）各功能用什么手段来实现？ （）是否有相互不明确的功能？ （）是否遗漏了某些功能，由此，而出现找不到目的功能或手段功能的情况？ （）是否有不必要功能存在？ （8）是否受到已列出功能的约束而勉强与其它功能相联系的情况？,3.5 功能原理的求解法和物理效应,这一步骤是为每个功能找出相应的物理效应和解法。功能原理求解的完整过程是从基础科学研究揭示的一般科学原理开始，经过应用研究探明的具

31、体技术原理，然后寻求实现该技术原理的技术手段、主要结构。由于课题的难易程度不同，研究对象基本功能不同，功能求解不一定表现出上述全部的典型过程。为了方便起见，功能求解的基本思路可以简明地表达为： 功能 物理效应 功能载体 这里所说的物理效应是一种广义的概念。机构学本身包含运动学、力学方面的各种物理效应，但除此之外，还有更多的物理效应，如热胀冷缩、电磁效应、光电效应、流体效应等等。机械学是在力学的基础上发展起来的，以前对机器的概念是建立在“刚体的机械运动”的基础上。现在引入广义的物理效应，等于把机械学的界限扩大了；把一切可以应用的物理现象都应用到机械设计中来了。这样，就使得解决功能原理的手段扩大了

32、很多。近年来出现的所谓“机电一体化”或“机械电子学”，是将微电子和计算机技术引入机械系统的产物。,3.5 功能原理的求解法和物理效应,功能载体是实现物理效应的技术实体。功能设计的任务就是确定实现功能的物理效应，相当于确定技术系统的“软件”部分，而“硬件”功能载体的设计是机械原理和机械设计的工作内容和任务，在这里不再赘述。 由第三节内容我们已经知道，机械和仪器中的基本功能可以归纳为物理功能元、逻辑功能元和数学功能元三类。对于不同类型的基本功能应采用不同的解法： 物理功能元用物理基本效应来求解。机械和仪器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、热力学效应和核效应等。 逻辑

33、功能元可由机械、电力、电子、射流、气体、液体等领域寻找相应的“与”，“或”、“非”逻辑动作来解决。 数学功能元可用机构来解决，如轮系的加法机构、除法机构等。 同一物理效应能完成不同的功能。如液体回转的离心效应，可用以产生离心力（能量转换）、分离不同的液体（物料分离）或测量转速（信号转换）。 另一方面，同一功能可用不同的物理效应解决。如本章一开始提到的物料分离，可以采用浮力效应，也可以采用摩擦效应、磁效应、电效应等。,3.5 功能原理的求解法和物理效应,表3-2 给出了现在人们已知的一些物理效应供设计时参考查对。,表3-2 常用的物理效应,3.5 功能原理的求解法和物理效应,此外，对机械和仪器中

34、常用的物理功能元、逻辑功能元、数学功能元及一些特殊功能元，可以建立一系列解法目录。解法目录是一种信息贮存器，各贮存器针对各功能元所需的物理效应、逻辑动作及代数动作解法等信息，有规律地加以排列和贮存，便于设计人员查找和调用，便于计算机辅助设计的开展。目前，国内有关专家正在致力于这方面的研究工作，不久的将来就会提供给工程设计人员使用。 通过物理效应寻求功能原理的解，应特别注意下面三个方面的问题。,3.5 功能原理的求解法和物理效应,1识别问题的本质 设计是一个问题的求解过程，如不能正确识别问题的本质，整个求解活动就不能命中要害。识别本质要自觉地运用辩证思维来分析事物的要素、相互关系、层次、结构和内

35、在矛盾，而不要只停留在表面现象上。要通过功能分析，正确地识别问题的本质，避免受到已有的技术经验和技术措施框框的限制。 2探索工作原理 在识别问题本质的基础上，设计者应当运用发散思维寻求实现某一功能原理的各种物理效应，并通过试验进行研究，探索新的工作原理。 3变换技术条件 现有的技术经验、技术措施或类比模型是某一物理效应在一定条件下运用所形成的，当运用到当前的设计课题中时，必须注意技术条件的变换，加上该课题的约束条件。,3.6 功能技术矩阵的构造与分析,在功能分析阶段，确定了产品的分功能或功能单元；通过功能求解，得到了功能原理解的备选方案；接下来的工作就是寻求整体方案最优。这里所说的最优是相对的

36、，在产品的设计中，绝对的最优是不存在的。这里介绍通过功能技术矩阵分析寻求整体方案最优的方法。,3.6.1 功能技术矩阵的构造,功能技术矩阵是指以系统的各分功能和功能单元为目标标记作为“列”，以分功能和功能单元的各个解法为目标特征作为“行”排列成的矩阵，也称为形态学矩阵。 功能技术矩阵是表达前面各步工作成果的一种较为清晰的形式，具体构造方法是：首先，将功能体系中的各功能按逻辑顺序依次排列到功能技术矩阵的第一列中；然后在功能所在行的各列里，填入实现对应功能的技术途径。假如有G(1)，G(2)，G(M)，共有M项功能填在第一列中，对应功能G(1)，在矩阵第二行的各列中依次填入技术途径J1(1)，J1

37、(2)，J1(3)，J1(N)；对应功能G(I)，在矩阵第I+1 行的各列中，依次填入技术途径Ji(1)，Ji(2)，Ji(3)，Ji(N)；对应功能G(M)，在矩阵第M+1 行的各列中，依次填入技术途径Jm(1)，Jm(2)，Jm(3)，Jm(N)。在这里，实现各功能的技术途径数目不一定都是N 种，N 代表整个矩阵中实现各分功能的技术途径数的最大值。其余不足者，可填写为零。为方便起见，我们暂时将实现各分功能的技术途径项数都写为N ，以后具体问题再做具体处理。 按照上述步骤，我们就构造出了“功能技术矩阵”，如表3-3 所示。,3.6.1 功能技术矩阵的构造,按照上述步骤，我们就构造出了“功能技

38、术矩阵”，如表3-3 所示。 表3-3 功能技术矩阵,G(1) G(2) G(i) G(M),J2(1) J2(2) J2(j) J2(N) Ji(1) Ji(2) Ji(j) Ji(N) Jm(1) Jm(2) Jm(j) Jm(N),J1(1) J1(2) J1(j) J1(N),3.6.1 功能技术矩阵的构造,应该指出，在“功能技术矩阵”构造时，对于技术途径的选用，既要根据各功能的具体要求，去尽量列出实现该功能现有的各种技术途径，特别是注意引入最新技术手段和最先进的科研成果，以扩大设计方案组合的潜力，增大创造更佳设计方案的可行性，又要严格考察各技术途径的技术和经济指标，把那些经过时间和实

39、践检验，已证明是没有多少价值的陈旧的技术途径从“功能技术矩阵”中清除出去，以节省设计时分析“功能技术矩阵”及构思设计方案的时间和精力。 将“功能技术矩阵”中的元素作满足功能的组合，便可得到系统的各种总体解法方案。例如，挖掘机的功能分析如下,取 运 物,取 物,运 物,传 动,取 物,传 动,移 动,3.6.1 功能技术矩阵的构造,根据功能分析得到的功能结构图，可以列出它的功能技术矩阵，如表3-4 所示。 表3-4 挖掘机的功能技术矩阵,3.6.1 功能技术矩阵的构造,用表3-4 的矩阵中元素可能组合的方案数N为： N = 65443 = 1440 如取：A1B4C3D2E1-履带式挖掘机 A5

40、B5C3D4E2-液压轮胎式挖掘机。,3.6.2 功能技术矩阵的分析,功能技术矩阵的构造，给我们进行设计提供了良好的工具，但要想利用它创造出各具特色的优秀设计方案，还需对其进一步地研究，如对功能的“重要性系数”的分析确定，对技术途径“优异性系数矩阵”的确定和可行性方案的评价，等等。只有这样，才能比较切实可靠地实现我们的目的，即在众多的技术途径组合中找出最佳组合。 一、功能序列重要性系数的评定 功能结构图表明了设计对象功能间的逻辑关系,这个逻辑关系在“功能技术矩阵”中作为功能组成链出现。构成设计对象总功能的各个功能，在设计对象系统中的作用和地位是不同的，这就需要我们对设计对象的逻辑功能关系进行功

41、能重要性排序，确定功能重要性系数，以便在设计时给相应的技术途径加权。 逻辑功能重要性系数排序的几种方法如下。,3.6.2 功能技术矩阵的分析,1直接评分法 由若干专家、设计师和用户代表，对设计对象的各功能根据其在总体功能体系中的重要程度进行打分。然后把参加人员给某项功能打分取平均值，再与所有平均分数之和相比，即使求出该功能的功能重要性系数。所有功能重要性系数之和为。此方法的优点是简单易行，缺点是有一定主观成分。,3.6.2 功能技术矩阵的分析,2，评分法 首先将各功能填入表3-5 中，然后考虑使用者的要求和各功能在总体功能中的地位和作用，将各功能与其它功能进行一对一的比较，重要的一方打分，次要

42、的一方打分，与自身比较时也打分。随后把每个功能的得分加起来，求得该功能重要程度的得分数，再将功能重要程度得分除以全部功能重要程度得分之和，即求得该功能重要性系数。 为便于理解，现假定求出某一技术系统的评分结果如表3-5 所列。,表3-5 0，1 评分法,3.6.2 功能技术矩阵的分析,，评分法具有直观、简单、容易计算的特点，但是只能适用于设计对象功能要素不太多、各功能作用大小不同且差异比较均匀的情况。 3，评分法 该方法的基本作法与，评分法相同，不同点就在于进行功能重要性一对一比较评分时，非常重要的打分，较为重要的打分，同等重要的各打分，不太重要的打分，很不重要的打分，与自身相比也打分。此法比

43、，评分法相对精细，对功能重要性的情况作了更合理的处理，因而准确性更高。表3-6 中显示了，评分法的过程。,表3-6 0，4 评分法,3.6.2 功能技术矩阵的分析,4多比例评分法 将，评分法非即的打分方式改为：10，0.90.1，0.8:0.2，0.70.3，0.60.4 ，0.50.5等多种比例。例如G(1)与G(2)比较，G(1)打0.45分，则G(2)0.55打分；G(1)与G(4)比较，G(1)打0.9分，则G(4)打0.1分；与自身比较打0分。这样打分虽然复杂了，但评价的灵活性大为增加，更能处理功能重要程度比较过程中一些不太好判别的情况，增加了评分的准确性。其评分过程如表3-7 所列

44、。,表3-7 多比例 评分法,以上几种评分法，可以根据设计对象功能要素的复杂情况选择其中一种，但都可以分别用几位专家的评比数据，然后取平均值以增加可靠性。,3.6.2 功能技术矩阵的分析,二、技术途径的综合分析 利用功能技术矩阵进行产品设计，就是针对各技术途径在实现设计对象总体功能过程中的不同组合，在技术、经济以至审美等方面的优异性指标展开分析研究，比较各种组合的差异，找出那些实用可行，技术经济综合指标优异，且符合精神、审美、心理需要的方案。为此，首先就必须了解各技术途径在实现相应功能过程中的各方面的情况，广泛收集国内外有关信息资料。在此基础上，再对各技术途径的技术、经济等方面的情况进行综合分

45、析，确定其各方面性能的优异程度系数。可用前面介绍的各种评分方法进行评分。在具体作法上，要对某一功能的所有技术途径进行评分。评分的项目可根据需要确定，如能反映设计方案技术先进性的“制造工期优异性系数”、“精度优异性系数”、“能耗优异性系数”、“重量优异性系数”、“体积优异性系数”、“适应性优异性系数”、“寿命优异性系数”、“可靠性优异性系数”、“成本优异性系数”、“外观优异性系数”、“制造成本优异性系数”、“使用成本优异性系数”、“维修成本优异性系数”等等。 当求出这些反映设计方案的技术、经济、美学性能优劣的“优异性系数”之后，就可据此找出初步入选的设计方案。,3.7 可行性设计方案的确定,通过

46、功能技术矩阵的分析，我们得到了初步入选的设计方案。要从这些初步入选的设计方案中，进一步筛选出可行性或最优设计方案，还需要对功能技术矩阵作进一步的变换和理论分析。,3.7.1 相容性分析,功能技术矩阵中，各项技术途径之间即相互联系又相互制约，从而使各技术途径之间存在相容性问题。有的组合方案虽然从表面上看起来，其技术、经济等指标均很好，但由于在其中有些技术途径不能组合在一起，即不相容，因而该组合方案实际上是不可行的。为评判相容性，除凭经验外，也可以利用矩阵理论中的相邻矩阵的方法加以解决。 相邻矩阵是指用来表示有向图中各元素之间连接状态的矩阵，其元素aij可定义为：,式中：R 表示可从ni到达nj

47、； R表示不能ni到达nj 。,（3-1）,3.7.1 相容性分析,利用矩阵理论中的相邻矩阵概念，我们可以解决设计原理方案的相容性判断。其作法是：首先将“功能技术矩阵”中实现第一项功能的技术途径J1(1)，J1(2)，J1(N)取出，按列顺序排列，再将实现第二项功能的技术途径J2(1)， J2(2) ， J2(N-1) ， J2(N) ，取出，按行顺序放置，使构成一个NN 阶矩阵如表3-8 所列。 表3-8 相邻矩阵（相容性判断矩阵）,3.7.1 相容性分析,若根据技术组合可行性条件判定某两项技术途径可以组合在一起时，就在对应的空格中填；若经过判定某两项技术途径不能组合在一起时，就在对应的空格

48、中填。这样一对一比较，判断比较容易。当所有的空格都填完之后，再按行的顺序依次检查，将填有的对应行和列的技术途径取出并写在一起，按一列放置，将实现第三功能的技术途径J3(1)，J3(2)，J3(N)按一行顺序放置，构成新的相容性判断矩阵。如此用上述方式对技术途径组合相容性不断加以判别，以及新的相容性判断矩阵的不断构造，最终就可以求得若干可行的组合方案。为加深理解，现举例说明。,3.7.1 相容性分析,例设有一功能技术矩阵如表3-9 所列，进行相容性分析。 表3-9 功能技术矩阵,具体分析方法，通过五个步骤实现。,3.7.1 相容性分析,第一步，取出J1(1)，J1(2)，J1(3)按列放置，再取出J2(1)，J2(2)，J2(3)按行放置，构成一个33 阶矩阵，如表3-10所列。 表3-10 相容性判定矩阵（骨架）,3