尹瀟

摘要：機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有復(fù)雜性、交叉性的特征。為了更好的完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化，在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)需要基于系統(tǒng)觀，準(zhǔn)確的整理好系統(tǒng)與各個(gè)要素間的相互關(guān)系，按照產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式，使產(chǎn)品功能逐漸優(yōu)化到既定的功能。本文基于現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的系統(tǒng)觀，探討機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)方法。第一部分介紹產(chǎn)品系統(tǒng)化設(shè)計(jì)的理論;第二部分介紹了機(jī)械產(chǎn)品系統(tǒng)化設(shè)計(jì)的方法;第三部分探討了系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。旨在為智能機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一些參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì);系統(tǒng)化設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)方法;系統(tǒng)化觀念

中圖分類號(hào)：TB47 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）07-0221-02

0 ?引言

隨著科技的創(chuàng)新與發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)進(jìn)入了一個(gè)全新的此現(xiàn)代化產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段。相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，現(xiàn)代化產(chǎn)品設(shè)計(jì)體現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)全生命周期的信息化。即在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段引入信息化手段，將單一的產(chǎn)品設(shè)計(jì)通過一定的結(jié)果形式組合成具有特定作用和統(tǒng)一目的的有機(jī)整體，形成完整的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。目前，系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法已在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。研究系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法對(duì)機(jī)械產(chǎn)品系統(tǒng)化升級(jí)有著重要的意義。

1 ?產(chǎn)品系統(tǒng)化設(shè)計(jì)的理論

1.1 定義

產(chǎn)品系統(tǒng)化設(shè)計(jì)指由若干要素以一定的結(jié)構(gòu)形式聯(lián)結(jié)構(gòu)成具有某種功能的有機(jī)整體。

1.2 核心思想

產(chǎn)品系統(tǒng)化設(shè)計(jì)的核心思想是整體觀念及系統(tǒng)觀念。由于產(chǎn)品的各要素之間存在緊密的關(guān)聯(lián)性，整體功能并不等于局部功能。它具有相對(duì)性和較強(qiáng)的目的性。通過系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品的系統(tǒng)達(dá)到既定的功能。

1.3 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)的特征

系統(tǒng)化設(shè)計(jì)過程是一個(gè)相互作用、相互以來(lái)的若干要素結(jié)合成具有特定作用、達(dá)到同一目的的有機(jī)整體的產(chǎn)品系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)化設(shè)計(jì)具有產(chǎn)品信息化、產(chǎn)品系列化、產(chǎn)品商品化、產(chǎn)品生態(tài)化的基本特征。產(chǎn)品信息化代表產(chǎn)品發(fā)展趨向于多種能、復(fù)合化、智能化、輕薄化的方向，也代表著產(chǎn)品制造和產(chǎn)品開發(fā)信息化的過程。產(chǎn)品系列化則達(dá)標(biāo)的相互關(guān)聯(lián)的承租成套產(chǎn)品的溫室。如同一個(gè)品牌系列下的多個(gè)獨(dú)立產(chǎn)品，或具有多種獨(dú)立功能的產(chǎn)品組成的產(chǎn)品系統(tǒng)，或單元產(chǎn)品之間存在相關(guān)性與依存關(guān)系的完成的產(chǎn)品系列。究其根本產(chǎn)品系統(tǒng)化設(shè)計(jì)是為了得到系列化產(chǎn)品，從而來(lái)提高系列產(chǎn)品在市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

1.4 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)的要素

現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)要素包括產(chǎn)品實(shí)體和關(guān)聯(lián)食物兩部分。產(chǎn)品實(shí)體主要指產(chǎn)品的部件、元件構(gòu)件等。關(guān)聯(lián)事物指產(chǎn)品的功能、形態(tài)、色彩、美學(xué)等。當(dāng)結(jié)構(gòu)的若干要素產(chǎn)生相互聯(lián)系、相互作用的關(guān)系，即將若干個(gè)要素構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體。而產(chǎn)品的系統(tǒng)功能則在外部環(huán)境與系統(tǒng)相互聯(lián)系作用下得到升級(jí)與優(yōu)化。

1.5 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)

系統(tǒng)化設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全生命周期內(nèi)處理好要素與要素、要素與系統(tǒng)、系統(tǒng)與環(huán)境三方面之間的關(guān)系。通過協(xié)調(diào)處理各要素之間的關(guān)系，來(lái)達(dá)到使產(chǎn)品最終整體功能大于各部分局部功能之和的目的。

2 ?機(jī)械產(chǎn)品系統(tǒng)化設(shè)計(jì)的方法

機(jī)械產(chǎn)品系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法的系統(tǒng)模式包括O-R-O模式、串行模式、并行模式。O-R-O模式即客體-聯(lián)系-產(chǎn)出模式。串行模式即機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)都要視為系統(tǒng)要素，且要素之間的構(gòu)成關(guān)系應(yīng)按一定順序進(jìn)行。并行模式即要求對(duì)機(jī)械產(chǎn)品及相關(guān)過程做幾何處理，構(gòu)成系統(tǒng)化設(shè)計(jì)模式。

2.1 “構(gòu)思-設(shè)計(jì)”法

機(jī)械產(chǎn)品“構(gòu)思-設(shè)計(jì)”法指從分別構(gòu)思和設(shè)計(jì)兩個(gè)不同階段計(jì)劃?rùn)C(jī)械產(chǎn)品的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)。在構(gòu)思階段通過尋找符合設(shè)計(jì)任務(wù)要求的原理解，進(jìn)而在設(shè)計(jì)階段則實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的原理解。即在構(gòu)思階段通過將對(duì)結(jié)構(gòu)元素選擇和對(duì)結(jié)構(gòu)元素的組合理解機(jī)械產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，在設(shè)計(jì)階段通過結(jié)構(gòu)各類要素的互相定義實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)，并完成分功能與系統(tǒng)功能有機(jī)統(tǒng)一。Roper，H.在圖論論理論的基礎(chǔ)上，通過總設(shè)計(jì)單元、結(jié)構(gòu)元素、功能結(jié)構(gòu)元素、“聯(lián)接結(jié)構(gòu)元素、結(jié)構(gòu)零件、結(jié)構(gòu)元素零件的相關(guān)概念，及描述機(jī)械結(jié)構(gòu)元素與功能載體的位置、具體現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)元素尺寸、傳動(dòng)參數(shù)之間的互相關(guān)系的簡(jiǎn)圖，來(lái)描述專家直覺設(shè)計(jì)。這是利用系統(tǒng)的相互關(guān)系進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品系統(tǒng)化設(shè)計(jì)的方法。該方法從系統(tǒng)觀念出發(fā)，基于系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)任務(wù)，從整體出發(fā)，將設(shè)計(jì)任務(wù)分為獲取功能及結(jié)構(gòu)、尋找效應(yīng)、尋找結(jié)構(gòu)。

最后分別運(yùn)用以下策略來(lái)描述機(jī)械產(chǎn)品構(gòu)思階段的流程。

①效應(yīng)與構(gòu)型規(guī)則策略。這是一種依據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)功能的相互關(guān)系，來(lái)辨別效應(yīng)與構(gòu)形規(guī)則的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法。

②分別考慮功能、效應(yīng)、構(gòu)形規(guī)則策略。即在多個(gè)階段、多個(gè)工作步驟中不斷變型設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)原理解的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法。

③功能、效應(yīng)、構(gòu)形規(guī)則密切相關(guān)策略。即在三者沒有選擇的情況下，利用特殊要求的領(lǐng)域，如高價(jià)值功能零件、特大型機(jī)械、超小型機(jī)械及有特殊功能要求的零部件產(chǎn)生原理解。

④針對(duì)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)化求解的方式。即從已有的零件中尋找機(jī)械產(chǎn)品系統(tǒng)功能不同排序與結(jié)構(gòu)功能的相互連接關(guān)系。

2.2 鍵合圖法

把機(jī)械產(chǎn)品系統(tǒng)元件按照產(chǎn)生能量、消耗能量、轉(zhuǎn)變能量形式、傳遞能量等形式，用鍵合圖描述功能解，并為鍵合圖與功能模型建立相關(guān)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)鍵合圖靈活的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生機(jī)械產(chǎn)品的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法。

2.3 矩陣設(shè)計(jì)法

矩陣設(shè)計(jì)法指利用 “要求-功能”邏輯樹來(lái)描述設(shè)計(jì)任務(wù)要求與功能之間相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)原理解來(lái)得到系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方案的方法。為“要求-功能”邏輯樹建立關(guān)聯(lián)矩陣，就可以描述滿足設(shè)計(jì)要求與對(duì)應(yīng)的功能結(jié)構(gòu)之間的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系。Kotaetal把產(chǎn)品系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)空間分為多個(gè)功能子空間。各個(gè)功能子空間的設(shè)計(jì)用模塊表示。在抽象高層階段，由運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換矩陣和可操作的約束矢量表示設(shè)計(jì)模塊。在低層抽象階段，用參數(shù)矩陣和一個(gè)運(yùn)動(dòng)方程表示設(shè)計(jì)模塊。

3 ?系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用

3.1 在產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法作為一種貫穿于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)各要素中的設(shè)計(jì)方法，它從產(chǎn)品需求和功能方面入手，通過采用特定的描述方法定義產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的主要功能和附屬功能，是產(chǎn)品各部分之間相互關(guān)系，相互作用，進(jìn)而形成同一產(chǎn)品的尚未功能、下位功能和同為功能。應(yīng)用矩陣設(shè)計(jì)法，可以為產(chǎn)品的基本功能建立系統(tǒng)骨架。應(yīng)用圖形建模法、構(gòu)思-設(shè)計(jì)法，對(duì)功能目的和手段關(guān)系進(jìn)行整理，描述機(jī)械產(chǎn)品多余功能、多余部件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)功能系統(tǒng)的定義。

如在設(shè)計(jì)汽車功能時(shí)，在總體布局設(shè)計(jì)上先了解開發(fā)車行道技術(shù)，在總體布局設(shè)計(jì)上將汽車性能匹配按照整車結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并以汽車各大總成為基礎(chǔ)確定設(shè)計(jì)各大總成目標(biāo)和系統(tǒng)目標(biāo)。按照汽車各大系統(tǒng)總成特征的確定參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化建模，建立三維數(shù)字化虛擬模型。采用“構(gòu)思-設(shè)計(jì)”法、圖形建模法、鍵合圖法、設(shè)計(jì)元素法、矩陣設(shè)計(jì)法等描述各大系統(tǒng)總成與零件之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車整車的功能和外觀設(shè)計(jì)。后期產(chǎn)品升級(jí)中，可以在數(shù)字化、虛擬化配置及仿真分析的基礎(chǔ)上完成產(chǎn)品的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)與優(yōu)化，利用產(chǎn)品局部與產(chǎn)品全生命周期的關(guān)系，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品性能的優(yōu)化和系統(tǒng)的升級(jí)。在汽車裝配時(shí)，用已確定的各系統(tǒng)參數(shù)為基礎(chǔ)，完成對(duì)汽車整機(jī)裝配設(shè)計(jì)的調(diào)整。例如，美國(guó)福特汽車公司在過去，每開發(fā)一款新車型，都要用120輛車進(jìn)行沖撞試驗(yàn)，約耗資6000萬(wàn)元美元，采用CAE技術(shù)后，只需約70輛試驗(yàn)車，可節(jié)約資金2500萬(wàn)美元和寶貴的時(shí)間。目前，進(jìn)行汽車膨脹過程的模擬分析較常用的軟件有LS-DYNA、PAM-CRASH等，如圖1。

3.2 在外觀形態(tài)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法能夠利用產(chǎn)品語(yǔ)義學(xué)了傳到意義的形態(tài)，描述設(shè)計(jì)的形態(tài)。借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可以通過對(duì)產(chǎn)品部分結(jié)構(gòu)形態(tài)的語(yǔ)義描述，來(lái)達(dá)到詮釋設(shè)計(jì)的形態(tài)與識(shí)別、形態(tài)與操作、形態(tài)與使用、形態(tài)與環(huán)境、形態(tài)與記憶相互關(guān)系、相互作用之間的聯(lián)接。最終在形態(tài)釋義的基礎(chǔ)上完成對(duì)機(jī)械產(chǎn)品工藝及外觀形態(tài)的解構(gòu)。這種設(shè)計(jì)方法能有效的改變傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中功能單一和產(chǎn)品應(yīng)用范圍較窄的限制，促進(jìn)基礎(chǔ)產(chǎn)品優(yōu)化升級(jí)。

4 ?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，系統(tǒng)化設(shè)計(jì)常用到的設(shè)計(jì)方法有“構(gòu)思-設(shè)計(jì)”法、圖形建模法、鍵合圖法、設(shè)計(jì)元素法、矩陣設(shè)計(jì)法等。這些方法都是基于系統(tǒng)化觀念、整體觀念，板設(shè)計(jì)對(duì)象的實(shí)物和關(guān)聯(lián)事物當(dāng)做一個(gè)完整的系統(tǒng)整體加以研究，在全局觀的基礎(chǔ)上將各個(gè)部分看成系統(tǒng)的要素，通過組合為各部分建立有機(jī)聯(lián)系，為系統(tǒng)與外界環(huán)境建立有機(jī)關(guān)系，借助信息化手段及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具，朝著同一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)去完成。最終，系統(tǒng)化設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系統(tǒng)縱向和橫向的有機(jī)關(guān)聯(lián)，以便于后期對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和系統(tǒng)升級(jí)。通過調(diào)要素之間的關(guān)系，調(diào)整系統(tǒng)與外部環(huán)境的關(guān)系，來(lái)推動(dòng)產(chǎn)品系列化的發(fā)展，提升產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

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