公理化設(shè)計理論

公理化設(shè)計理論公理化設(shè)計方法是指存在著能夠指導(dǎo)設(shè)計過程的基本公理，以及由公理指導(dǎo)的設(shè)計方法。它是美國麻省理工學(xué)院(MIT) Nam P Suh教授于1990在The Principles of Design一書中正式提出的。公理化設(shè)計理論是設(shè)計領(lǐng)域內(nèi)的科學(xué)準(zhǔn)則，通過指導(dǎo)設(shè)計者在設(shè)計過程中做出正確的決策，為創(chuàng)新設(shè)計或改善已有的設(shè)計提供良好的思維方法。一、公理化設(shè)計的四個“域”域是不同設(shè)計活動的界限線。公理化設(shè)計將設(shè)計過程分為四個域，即用戶域（Customer domain）、功能域（Functional domain）、結(jié)構(gòu)域（Physical domain）、工藝域（Process domain）。域的結(jié)構(gòu)及域間的關(guān)系如圖1所示。相鄰的兩個域中，左邊的域是“要達(dá)到的什么目標(biāo)（what）”，而右邊的域是“選擇什么方法來實現(xiàn)左邊域的要求（how）”。四個域中的元素分別為：顧客需求項（customer needs）,表示顧客使用產(chǎn)品的目的；功能需求項（functional requirements），表示在功能層次上對產(chǎn)品設(shè)計目標(biāo)的說明；設(shè)計參數(shù)（design parameters），表示實現(xiàn)功能的載體；過程變量（process variables）表示制造過程所涉及的主要因素。圖 1域的結(jié)構(gòu)及域間關(guān)系在公理化設(shè)計中，功能域和結(jié)構(gòu)域之間是直接的“之”字映射關(guān)系，如圖2所示，即把某個功能與某個（些）結(jié)構(gòu)直接對應(yīng)起來，這種直接映射只是表明了“載體具有的功能”的關(guān)系，而沒有說明“功能被載體實現(xiàn)”的原因。圖 2功能域向結(jié)構(gòu)域映射原理二、公理化設(shè)計理論的基本公理公理化設(shè)計是一種結(jié)構(gòu)性設(shè)計方法，其目的是通過建立評估潛在的設(shè)計活動的準(zhǔn)則，并提供實現(xiàn)這些準(zhǔn)則的手段來改進(jìn)設(shè)計行為。這些準(zhǔn)則便是：獨立性公理和信息最小公理。1. 獨立性公理獨立性公理是指保持FRs的獨立性，同時指明了FRs與DPs之間應(yīng)有的關(guān)系。這就是說，設(shè)計方案必須滿足每一個相互獨立的功能需求，而不影響其他的功能需求，即DPs不能與其他的FRs存在牽連關(guān)系。公理化設(shè)計中，設(shè)計域間的映射過程可以用數(shù)學(xué)方程來描述，即在層次結(jié)構(gòu)的某一層上，設(shè)計目標(biāo)域與設(shè)計方案域中的特性矢量間有一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，如功能域中的功能需求與物理域中的設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系可表示為 （1）式中，為功能需求向量；為設(shè)計參數(shù)量；為產(chǎn)品設(shè)計矩陣，式（1）稱為產(chǎn)品設(shè)計方程式。設(shè)計矩陣可表示為 （2）矩陣的元素由下式確定 （3）若取功能需求與設(shè)計參數(shù)相等（即），則根據(jù)的不同形式，設(shè)計可分為三種類型：（1）非耦合設(shè)計（Uncoupled Design）：當(dāng)A為對角陣；（2）弱耦合設(shè)計(Decoupled Design)：當(dāng) A 為上三角陣或下三角陣；（3）耦合設(shè)計(Coupled Design):A 既非三角陣也非對角陣。2. 信息最小公理信息公理是指在滿足獨立性公理的條件下，信息量最小的設(shè)計是最優(yōu)設(shè)計。對于同一個設(shè)計任務(wù)，不同的設(shè)計者可能得出不同的設(shè)計方案，也很可能這些方案都滿足獨立公理，在評價時 應(yīng)以具有最少信息含量的設(shè)計為最好設(shè)計。三、公理化設(shè)計過程公理化設(shè)計能有效地指導(dǎo)設(shè)計人員完成創(chuàng)新設(shè)計，其設(shè)計過程如圖3所示。圖 3公理設(shè)計過程框架圖四、公理化設(shè)計存在的不足1.在新產(chǎn)品設(shè)計過程中，公理化設(shè)計只是引導(dǎo)設(shè)計人員進(jìn)行從功能域到結(jié)構(gòu)域的“之”字形映射，并提供對映射進(jìn)行評價的理論依據(jù)，而公理化設(shè)計原理并不能提供從功能域到結(jié)構(gòu)域具體的映射實現(xiàn)手段。2.公理化設(shè)計原理提倡進(jìn)行創(chuàng)新性的設(shè)計，在實際產(chǎn)品設(shè)計中，設(shè)計過程是一種以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的活動，設(shè)計人員在進(jìn)行設(shè)計時往往會利用以前的設(shè)計案例， 而公理化設(shè)計并不能支持這種經(jīng)驗性設(shè)計行為。參考文獻(xiàn)1 羅時飛，宋慧軍，林志航. XML相關(guān)技術(shù)在基于公理化設(shè)計的概念設(shè)計產(chǎn)品模型中的研究. 機床與液壓. 2003.2 朱龍英，朱如鵬，劉正塤. 公理化設(shè)計理論研究及其應(yīng)用進(jìn)展. 機械設(shè)計與研究. 2004.3 王平. 基于公理化的產(chǎn)品設(shè)計理論及應(yīng)用研究. 南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文. 2006.4 鄒峰. 公理化六西格瑪設(shè)計方法的研究. 天津大學(xué)博士學(xué)位論文. 2007.5 宋慧軍，林志航. 公理化設(shè)計支持的概念設(shè)計產(chǎn)品模型. 計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報. 2002.6 張廣軍，唐敦兵. 基于改進(jìn)型功能方法樹的公理化設(shè)計. 工程設(shè)計學(xué)報. 2009.7 朱龍英，朱如鵬，劉正塤. 基于公理化設(shè)計的產(chǎn)品需求分析研究. 機床與液壓. 2004.8 唐敦兵，錢曉明，王曉勇，樓佩煌. 基于公理化設(shè)計矩陣與設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣同步演化的產(chǎn)品設(shè)計. 計