机械产品功能创新设计研究现状分析

机械产品功能创新设计研究现状分析

陆小平 1 张丽丽 2

1 身份证号： 32051119810707****

2身份证号：32070419870727****

连云港东睦新材料有限公司

摘要：功能是对技术系统或产品工作能力的抽象描述。对需求信息或者产品的效能应用科学、精简的语言的抽象描述就是功能定义。

关键词：机械产品；创新设计；现状分析

引言

机械产品是指那些具有物理实体结构且在操作过程中仅涉及物理行为的人造物理装置。制造业特别是机器制造业，是国家经济的支柱产业和经济增长的发动机，是高新技术产业化和现代化的基础，是国家安全的重要保障。为实现我国机械工业从“国外引进型”向“自主创新型”跨越，达成创造强国的宏愿，必须重视机械产品设计理论及方法的研究。

1论述功能分析系统技术含义

功能分析系统技术最早是由通用电气公司工程师应用于价值工程的基础上提出，后经研究和发展逐步成为相对成熟的功能分解方法。功能分析系统技术可以用以定义、分析和理解机械产品功能及各子功能之间的内部联系，也可用于功能改善以提升产品价值，并按照逻辑和优先次序把功能排列并测试其从属关系，使工程设计人员更加了解产品的功能原理，分析机械产品设计目标和明确改进设计方案。

2浅析功能方法树内容

功能方法树作为实现总功能的分解树，广泛应用于自上而下的工程设计过程模型，功能分解的依据基于Hubka定律。Hubka定律指出机械产品系统功能方法间的因果关系，其中功能是目的，方法是实现功能的手段。基于Hubka定律机械系统可使用方法树进行描述，利用其分层结构，使功能与方法层与层之间线段连接，这种方法较契合机械产品概念设计基本思想，适用于机械产品功能创新设计。但其求解过程呈现发散性，后续会出现很多设计问题解，不适用于选择最终方案。

3浅谈“功能－行为－结构”的功能分解方法

该功能分解方法主要以功能分解转化为对行为的分解为核心。文章从人类的认识模型出发，认为行为分解比功能分解更加合理，采用功能—行为—状态的表示方法，将功能转化为行为描述分解更加符合人类的逻辑思维。把行为分解划分为两种类型：一是任务分解，即某一行为可分为A和B两子行为，并且A和B没有必然联系；第二是因果分解，即某一行为可分为A和B两子行为，并且A和B有因果关系。行为分解方法基于人类思维活动，类似于人类的设计思维过程，有利于机械产品功能创新。但该方法难点在于如何精准描述机械产品功能行为、状态之间的关联，使之更符合人类的思维认知过程。

综上，功能分解可将复杂问题简单化，是实现机械产品概念设计的基础和前提。功能分解方法相对完善，功能分解也符合机械产品概念设计，但是功能分解如何符合人们认知，激发工程设计人员创新思维，是目前功能分解方法研究仍需解决的问题。

4论述功能求解的含义

确定了机械系统总功能及约束后，则须寻求该总功能的功能原理解。对于机械系统来说，功能求解有两层含义：第一，指系统功能结构图也是工艺动作过程分解方式，方法就是功能分解和功能动作过程的构思；第二，指的是功能元的求解过程，即确定功能载体。目前关于功能求解的研究现状如下：在FBS框架基础上提出交互式模型，通过映射抽象层次的探索及聚合机械产品设计空间。通过借助类比思想，建立了人、机、环境三者的约束因素集合，并进行彼此之间的耦合，从而建立由人、机器和环境构成的物质-场模型；并借助标准解指导，解决耦合过程中的问题，得到理想的耦合效应。以裁剪本质和实现方式为约束条件，基于TRIZ中发明原理及规律作为解决问题的知识源，提出基于知识的系统裁剪方法，使裁剪操作简化且利于方案解获取。基于功能基建立模型来阐述元功能及输入输出流，并采用键合图方式表述输入/出流的行为属性，利用无向图表述载体层次结构，并在零件－联接器基础上建立载体模型，最后基于功能分解及载体映射生成概念设计方案。通过相异物理量间最短路径来启发式寻找设计模型，通过最短路径知识辅助及其他启发式知识快速从知识库中检索合适的组合原理解。借助类比源设计与功能类比作用原理，提出基于TRIZ的类比源设计求解过程模型。通过构建功能链以及提取设计中的FS映射信息获得结构链，再利用DSM设计知识对所获得的结构链进行结构匹配性评判，从而实现对计算机辅助概念设计方案的获取与筛选。在研究设计目录基础上，收集大量原理解设计目录，通过检索复合功能产品原理解特征模型得出设计目录，基于此转化向计算机求解设计知识库。上述研究多是基于功能分解和动作过程的构思来进行功能求解，该方法的优点是可以清晰表达功能的逻辑结构，但基于模型在求解过程中，大多模型映射方法单一，且设计灵活性与柔性差。

5制定产品设计流程

产品设计过程可分为三个阶段：概念设计、结构设计和详细设计。概念设计是产品创新的关键阶段，仅占产品研发总成本的5％，却决定产品70％-80％的成本。机械产品概念设计的任务是：根据生命周期各阶段进行功能创造、功能分解、子功能结构设计等，以满足机械产品功能和结构的原理求解，实现产品功能创新方案构思及产品系统化设计。但针对机械产品概念设计理论及方法却比较滞后，以传统的类比和经验设计为主。有关机械产品概念设计及理论的研究主要包括需求分析、功能规范化定义、功能分解、功能求解等方面。

6分析创新设计创新设计的现状总结及问题

通过对有关功能创新设计文章总结看出，功能是各个工程领域中技术工作者考虑的重要因素。尽管各种设计理论与方法从不同视角分别研究了需求分析、功能规范化定义、功能设计、功能求解等过程，但功能创新设计阶段涉及领域众多的设计知识及活动，必须对设计知识全面描述与推理及协同组织功能创新求解过程中的各项活动。现有文献针对功能创新设计过程如下方面尚未形成可行、有效的研究成果。

6.1完善功能需求的获取

机械产品作为连接客户和企业的纽带，客户需求表达客户对企业产品的总要求，更是作为产品生命周期的起点，机械产品概念产生及产品开发都很大程度上依赖于对客户需求认识。如何全面、准确获取客户需求。完成客户需求以及客户需求到产品设计需求的映射，可以使设计者有目的的分析产品功能，是进行产品设计的关键。

6.2建立功能分解与功能结构

采用由底向上或自顶向下的单项式建立功能结构，在机械产品功能分解中很难一次性实现功能结构构建，分解功能及分解到何种程度尚未有具体的流程性指导，且功能分解过程过于依赖主观经验，分解过程难以避免可操作性差、准确性低的问题。

6.3优化功能结构创新设计

功能创新求解结构优化更新及重组主要基于需求拉动及技术导向。现阶段虽然关键技术创新方面取得一定成果，但整体仍处于初步探索阶段，其功能进化趋势预测及求解方法和方案评价等方面仍需要开展深入的研究。在机械设计理论及方法领域尚不能为工程设计人员提供有效的理论指导，亟待研究一种具有可操作、系统化的机械产品功能创新求解新方法。

将总功能分解是寻求机械系统工作原理方案的有效方法之一。通过功能分解，可以更加明确分功能的输入量以及输出量之间关系，便于分功能工作原理解的求解。功能模型一般基于功能分解产生，功能分解可求出总功能的解，同时也是机械产品概念设计的前提和基础。

7结束语

综上述，功能作为机械产品概念设计阶段主要处理对象，通过对产品功能的抽象、表达、分解、推理、重组、结构映射及修改等流程实现产品创新设计。功能创新是产品功能优化、更新或重组，可通过功能设计过程得到，以达到功能理想化。功能创新求解处于产品开发定位及其实施环节，对于产品奠定在市场中的竞争优势具有重要的价值。

参考文献

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[2]吴银奎,李彦,刘晓莹.机械产品功能细化下的冲突确定[J].机械设计与制造,2009(09):260-262.

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