創(chuàng)新設(shè)計(jì)第三章課件

1、機(jī) 械 創(chuàng) 新 設(shè) 計(jì)武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院物流自動(dòng)化系第 三 章 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法（計(jì)劃與原理方案設(shè)計(jì)） 系統(tǒng)化設(shè)計(jì)法是將設(shè)計(jì)對(duì)象看作一個(gè)系統(tǒng)，用系統(tǒng)工程的方法進(jìn)行分析與綜合，按設(shè)計(jì)進(jìn)程有條理有步驟地進(jìn)行設(shè)計(jì)，以求得價(jià)值最優(yōu)的最佳方案的一種方法。 計(jì)劃是設(shè)計(jì)進(jìn)程模式中的第一階段內(nèi)容； 原理方案設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)進(jìn)程模式中的第二階段中第一步的內(nèi)容。 這二者決定了整個(gè)設(shè)計(jì)的方向和基本構(gòu)思。 明確設(shè)計(jì)任務(wù) （計(jì)劃階段的主要內(nèi)容） 如果把一次設(shè)計(jì)看作是進(jìn)行一次戰(zhàn)役的話，那么計(jì)劃階段的任務(wù)就是要確立此次戰(zhàn)役的戰(zhàn)略目標(biāo)，制定戰(zhàn)略思想。此階段有三項(xiàng)具體內(nèi)容： 需求識(shí)別（確立此次戰(zhàn)役的戰(zhàn)略目標(biāo)） 調(diào)查及可行性研究

2、產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)明確設(shè)計(jì)任務(wù) 需求識(shí)別應(yīng)列入設(shè)計(jì)的進(jìn)程模式中，因?yàn)檎J(rèn)識(shí)到一種需求，本身就是一個(gè)創(chuàng)造過(guò)程。 愛(ài)因斯坦說(shuō)過(guò)：“ 提出一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)問(wèn)題更重要，因?yàn)榻鉀Q一個(gè)問(wèn)題也許僅是一個(gè)科學(xué)上的實(shí)驗(yàn)技能而已，而提出新問(wèn)題，新的可能性，以及從新的角度看舊的問(wèn)題，卻需要有創(chuàng)造性的想象力，而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步。” 有一位軟件設(shè)計(jì)人員說(shuō)：只要你想得出的（即認(rèn)識(shí)到某種需求），他就能設(shè)計(jì)得出。 有很多產(chǎn)品出自于生產(chǎn)實(shí)踐和生活，而設(shè)計(jì)者是一些門(mén)外漢。為什么不是專(zhuān)家或內(nèi)行設(shè)計(jì)的呢? 這是因?yàn)椴荒芩麄冋J(rèn)識(shí)到這種需求，沒(méi)有參與這一創(chuàng)造過(guò)程。 目前，社會(huì)上有許多人或單位有資金，有技術(shù)，有場(chǎng)地，就是沒(méi)有產(chǎn)品，這

3、就是因?yàn)椴荒茏R(shí)別需求。 明確設(shè)計(jì)任務(wù) 需求有兩種：一種為顯需求，一種為隱需求。 顯需求是人們都知道的，說(shuō)得出來(lái)的明顯需求。如衣食住行的產(chǎn)品：各種衣服，食品，房屋及交通工具等。 隱需求是人們還沒(méi)有意識(shí)到的潛在需求。 顯然，今天的許多顯需求，在昨天還是隱需求。 如微波爐，在推向市場(chǎng)之前，人們對(duì)它只是一種隱需求，進(jìn)入 市場(chǎng)后，人們使用起來(lái)覺(jué)得很方便，它才變成一種顯需求。 設(shè)計(jì)者的任務(wù)不僅僅是去不斷改進(jìn)，提高那些滿足人們顯需求的產(chǎn)品，更重要的是要去開(kāi)發(fā)那些滿足人們隱需求的產(chǎn)品。 (顯需求一般為適應(yīng)性設(shè)計(jì)與改進(jìn)性設(shè)計(jì)，隱需求一般為創(chuàng)造性設(shè)計(jì))例明確設(shè)計(jì)任務(wù) 此階段是在需求識(shí)別所確定的產(chǎn)品構(gòu)思基礎(chǔ)上，從市

4、場(chǎng)需求，技術(shù)，經(jīng)濟(jì)，社會(huì)以及法律政策等方面進(jìn)行全面的調(diào)查與分析，并論證該產(chǎn)品構(gòu)思是否有效。如果可行，那么構(gòu)思出一套可行的方案，并提出可行性研究報(bào)告，作為本階段的輸出，進(jìn)入下一設(shè)計(jì)階段。明確設(shè)計(jì)任務(wù)2調(diào)查及可行性研究 現(xiàn)在國(guó)際國(guó)內(nèi)都比較重視項(xiàng)目的可行性研究，以盡量避免或減少失誤造成的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于一些大項(xiàng)目，更是慎之又慎。 可行性研究報(bào)告包括以下主要內(nèi)容： (1)從市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)出發(fā)，論述該設(shè)計(jì)項(xiàng)目的必要性； (2)該產(chǎn)品目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及水平； (3)確定產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格、性能參數(shù)和約束條件； (4)提出該產(chǎn)品的技術(shù)關(guān)鍵和解決途徑； (5)預(yù)期達(dá)到的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益； (6)預(yù)算投資費(fèi)用及項(xiàng)目進(jìn)

5、度、期限。明確設(shè)計(jì)任務(wù) 3產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 擬定產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)即為明確系統(tǒng)的功能，輸入與輸出，確定系統(tǒng)的邊界及約束條件。 任務(wù)完成后可根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)提出的設(shè)計(jì)要求，作為評(píng)價(jià)的依據(jù)。 (1)擬定原則 *全面：盡可能列出全部設(shè)計(jì)要求； *定量：設(shè)計(jì)要求盡可能定量化； *適度：設(shè)計(jì)要求定得不高不低： *先進(jìn)：與同類(lèi)產(chǎn)品相比能體現(xiàn)出先進(jìn)性。明確設(shè)計(jì)任務(wù) (2)設(shè)計(jì)要求 產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求是設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和鑒定的依據(jù)。 設(shè)計(jì)要求一般包括以下幾方面： 必達(dá)要求 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)規(guī)定，必須無(wú)條件達(dá)到的要求。 如機(jī)械產(chǎn)品的功能，生產(chǎn)率，精度，安全性與可靠性等指標(biāo)。 最低要求 主要反映設(shè)計(jì)的邊界及約束條件（即系統(tǒng)的環(huán)

6、境）。 如機(jī)械產(chǎn)品的工作環(huán)境，空間尺寸，噪聲大小，維修可達(dá)性等。 盡量滿足的要求(即希望) 在可能條件下希望考慮的要求。明確設(shè)計(jì)任務(wù)(3)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的格式 目前設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)沒(méi)有統(tǒng)一的格式，它可用明細(xì)表，合同書(shū)等方式表達(dá)。 產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求擬定后, 必須以設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的形式固定下來(lái)。 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)是設(shè)計(jì)師進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的路標(biāo),是產(chǎn)品鑒定和驗(yàn)收的依據(jù),是解決設(shè)計(jì)單位和委托單位之間矛盾的準(zhǔn)繩。明確設(shè)計(jì)任務(wù) 19世紀(jì)40年代，美國(guó)通用電氣公司的工程師邁爾斯首先提出功能的概念，并把它作為價(jià)值工程研究的核心問(wèn)題。他認(rèn)為，顧客購(gòu)買(mǎi)的不是產(chǎn)品本身，而是產(chǎn)品的功能。 在設(shè)計(jì)科學(xué)的研究過(guò)程中，人們也逐漸認(rèn)識(shí)到產(chǎn)品機(jī)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的

7、設(shè)計(jì)往往首先由工作原理確定，而工作原理構(gòu)思的關(guān)鍵是滿足產(chǎn)品的功能要求。 機(jī)械產(chǎn)品的常規(guī)設(shè)計(jì)是從結(jié)構(gòu)件開(kāi)始，而功能分析則是從對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的思考轉(zhuǎn)為對(duì)它的功能思考，從而做到不受現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的束縛，以便形成新的設(shè)計(jì)構(gòu)思，提出創(chuàng)造性方案。 功能分析設(shè)計(jì)法功能分析設(shè)計(jì)法明確設(shè)計(jì)任務(wù) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程的出發(fā)點(diǎn)是來(lái)自于產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū),也就是說(shuō),產(chǎn)品設(shè)計(jì)是要在設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求的條件下達(dá)到預(yù)定的目的,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的目的功能。 而產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)是根據(jù)任務(wù)書(shū)的要求產(chǎn)生設(shè)計(jì)概念,它的目的是為設(shè)計(jì)系統(tǒng)尋找一個(gè)或一組滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)要求的原理解,它的過(guò)程是將抽象的功能轉(zhuǎn)化為具體結(jié)構(gòu)。 設(shè)計(jì)方法學(xué)中提出了從給定的設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)中產(chǎn)生一個(gè)設(shè)計(jì)的全局

8、功能,然后對(duì)此功能分解成一系列相互獨(dú)立的子功能,再由此子功能形成一個(gè)層狀的可映射到結(jié)構(gòu)解的功能結(jié)構(gòu)。 技術(shù)系統(tǒng)的功能即產(chǎn)品的用途。 功能是產(chǎn)品所具有的能夠滿足用戶某種需要的特性。 按功能的重要程度，功能分為兩類(lèi)：基本功能與輔助功能。 基本功能是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品使用價(jià)值必不可少的； 輔助功能即產(chǎn)品的附加功能。 如鬧鐘：基本功能是指示時(shí)間，輔助功能是提示注意。 系統(tǒng)具有的功能一般總是以成本作為代價(jià)的，多余的功能會(huì)使用戶付出更多的代價(jià)，所以附加功能要根據(jù)技術(shù)條件進(jìn)行取舍或改變。例功能分析設(shè)計(jì)法功能概念功能分類(lèi) 按用戶的需要?jiǎng)澐?，有必要功能與不必要功能。 必要功能是指凡是用戶所需要的功能。 不必要功能是指凡是

9、用戶不需要的功能，包括多余功能及過(guò)剩功能。 多余功能是由于不根據(jù)實(shí)際情況分析而盲目照搬已有設(shè)計(jì)形成的。 吉普車(chē)過(guò)去在戰(zhàn)場(chǎng)或惡劣環(huán)境中越野行駛，具有前后軸分別驅(qū)動(dòng)的功 能在城市中行駛前軸驅(qū)動(dòng)功能就成為多余的功能。 過(guò)剩功能是指有的功能屬必要，但超過(guò)產(chǎn)品所需的適宜程度。 產(chǎn)品的功率，速度，壽命等性能超過(guò)實(shí)際需要；采用過(guò)分貴重的原材 料；不必要地提高加工精度等。 使用普通車(chē)床加工批量很大的零件（已成為專(zhuān)用機(jī)床）時(shí)，車(chē)床的變 速功能則成為多余的。例例例功能分析設(shè)計(jì)法 采用功能分析法進(jìn)行原理方案設(shè)計(jì)時(shí)，按下列步驟進(jìn)行工作： (1)確定總功能 (2)總功能分解(分析) (3)功能元求解 尋求完成功能元的技

10、術(shù)實(shí)體功能載體 (4)求整體方案解(綜合) (將分功能解組合成整體方案解) (5)評(píng)價(jià)與決策 (對(duì)得到的多種方案優(yōu)選出最優(yōu)解) 此過(guò)程中，用到了解決問(wèn)題的邏輯步驟：分析綜合評(píng)價(jià)決策功能分析設(shè)計(jì)法功能分析設(shè)計(jì)步驟 (1)功能定義 一要抽象，二要準(zhǔn)確，二要簡(jiǎn)潔。 抽象： 確定總功能時(shí)應(yīng)首先使設(shè)計(jì)問(wèn)題抽象化 抽象與具體對(duì)應(yīng)了兩種思維方式。問(wèn)題越具體思維就會(huì)越收斂，問(wèn)題越抽象則思維就越發(fā)散，發(fā)散思維才有創(chuàng)造性。 確定總功能 不論是開(kāi)發(fā)性設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì)全新產(chǎn)品)，還是適應(yīng)性設(shè)計(jì)(改造已有產(chǎn)品)，都要求設(shè)計(jì)人員能夠跳出已有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)原理的框框，去探索，開(kāi)拓實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品功能的新思路，新方法。 由于思維的慣性作用，人

11、們的思維易被已有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，原理所局限，依循著老的設(shè)計(jì)思路兜圈子。要使設(shè)計(jì)者產(chǎn)生新思路，就必須把問(wèn)題抽象化，其目的就是為了有利于開(kāi)拓設(shè)計(jì)思路。確定總功能破殼取仁殼仁分離砸：錘（沖擊）夾： （杠桿）壓： （靜壓）扔：核桃向硬靶 取出核桃仁的功能描述功能定義作用于核桃原理解法鉆孔后，向殼內(nèi)充氣整體加壓：外壓驟減，內(nèi)壓破殼除以上考慮外反作用于核桃外部施力內(nèi)部施力抽象化還原法則逆向思維例確定總功能確定總功能 中國(guó)古代哲學(xué)家老子認(rèn)為我們所見(jiàn)的萬(wàn)物之本隱入不可見(jiàn)之中。 人的本質(zhì)不在肉體的外貌。 產(chǎn)品的功能也不在可見(jiàn)的結(jié)構(gòu)。 實(shí)際的設(shè)計(jì)問(wèn)題千變?nèi)f化，多種多樣且各具特色。 設(shè)計(jì)師必須善于簡(jiǎn)化問(wèn)題，提煉出本質(zhì)的要

12、素，揭示整個(gè)體系的內(nèi)在結(jié)構(gòu)或者形式即是抽象化的過(guò)程。 功能定義務(wù)求準(zhǔn)確，避免失真，要客觀地反映產(chǎn)品的真實(shí)功能。 自來(lái)水筆通常用來(lái)寫(xiě)字或繪圖 功能定義只能表達(dá)產(chǎn)品的基本效用，沒(méi)有說(shuō)明實(shí)現(xiàn)效用的具體條件。如果沒(méi)有具體條件的約束，能達(dá)到定義所規(guī)定功能的產(chǎn)品將會(huì)有很多種。 能夠完成“加工孔”的功能的機(jī)床 確定總功能準(zhǔn)確例例 ，如果定義為“寫(xiě)字”就會(huì)失它自身并不能完成這個(gè)功能。它的功能應(yīng)該定義為“存和出墨水”。 就有鉆床、鏜床、銑床、車(chē)床、拉床、內(nèi)園磨床等等。因此在設(shè)計(jì)之前，必須根據(jù)用戶需要確定實(shí)現(xiàn)功能的約束條件，才能設(shè)計(jì)出完全符合用戶要求的產(chǎn)品。 鉆床的功能定義應(yīng)為“在無(wú)孔處加工出孔”。確定總功能 黑

13、箱法的特點(diǎn)： 便于擺脫具體的結(jié)構(gòu)只按功能來(lái)思考，通過(guò)“黑箱”與輸入量和輸出量及周?chē)h(huán)境的信息聯(lián)系，了解其功能特性，進(jìn)一步探求系統(tǒng)的機(jī)理和結(jié)構(gòu)逐步使“黑箱”透亮，直至方案擬定。 一般的黑箱示意圖如下：系統(tǒng)分析方法 - 黑箱法待設(shè)計(jì)的技術(shù)系統(tǒng)（黑箱）物料物料能量能量信號(hào)信號(hào)環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響 值得注意的是：黑箱法并不能確定系統(tǒng)的總功能，它只能通過(guò)“黑箱”與輸入量和輸出量及周?chē)h(huán)境的信息聯(lián)系，探求系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，對(duì)分析系統(tǒng)的總功能由哪些分功能組成是較好的。確定總功能總功能分解例單桶全自動(dòng)洗衣機(jī)的功能分解樹(shù)除去污跡容器動(dòng)力控制聯(lián)結(jié)與支承容納衣物和水傳遞與轉(zhuǎn)換進(jìn)水波輪旋轉(zhuǎn)桶體旋轉(zhuǎn)攪水脫水排

14、水定時(shí)：波輪正反轉(zhuǎn)脫水啟停電源開(kāi)關(guān)總功能總功能分解例電風(fēng)扇的功能分解使空氣流動(dòng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行控制聯(lián)結(jié)與支承電能 機(jī)械能能量傳遞變速空氣流動(dòng)改變風(fēng)向照明閃爍定時(shí)啟停輔助能量轉(zhuǎn)換傳動(dòng)機(jī)構(gòu)噴水總功能改變風(fēng)速總功能分解 (2)功能結(jié)構(gòu) 任何功能結(jié)構(gòu)，都可由以下三種基本結(jié)構(gòu)形式組成。 串聯(lián)結(jié)構(gòu)又稱順序結(jié)構(gòu)，它反映了分功能或功能元之間的因果關(guān)系或時(shí)間，空間順序關(guān)系。 ， 車(chē)床上的走刀機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，然后帶動(dòng)刀架移動(dòng)。 并聯(lián)結(jié)構(gòu)又稱選擇結(jié)構(gòu)，幾個(gè)分功能作為手段共同完成一個(gè)目的，或同時(shí)完成某些分功能后才能繼續(xù)執(zhí)行下一個(gè)分功能，則這幾個(gè)分功能處于并聯(lián)關(guān)系。 車(chē)床上的走刀機(jī)構(gòu)，橫向走刀和縱向走刀共同完成的復(fù)合

15、運(yùn)動(dòng)。 環(huán)形結(jié)構(gòu)又稱循環(huán)結(jié)構(gòu)，輸出反饋為輸入的結(jié)構(gòu)。按邏輯條件分析，滿足一定條件而循環(huán)進(jìn)行的結(jié)構(gòu)。 發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲軸-連桿-活塞即是循環(huán)結(jié)構(gòu)，活塞輸出的力傳到曲軸上， 又反饋到活塞，再作為輸入。 例例例總功能分解 (3)功能結(jié)構(gòu)圖 把功能元按因果關(guān)系，時(shí)空順序關(guān)系或邏輯關(guān)系組織起來(lái)，得到功能結(jié)構(gòu)圖。 建立功能結(jié)構(gòu)圖時(shí)應(yīng)由粗到細(xì)，首先考慮主要功能和主要流，建立功能結(jié)構(gòu)的雛形，再逐步解決輔助功能和次要流的問(wèn)題，逐步完善功能結(jié)構(gòu)。 功能結(jié)構(gòu)圖的建立是使技術(shù)系統(tǒng)從抽象走向具體的第一步，它體現(xiàn)了功能元或分功能之間的順序關(guān)系，這一點(diǎn)也就是功能結(jié)構(gòu)圖與功能分解樹(shù)之間的重要區(qū)別。 值得注意的是，對(duì)于同一個(gè)技術(shù)系

16、統(tǒng)來(lái)說(shuō)，功能分解樹(shù)只有一個(gè)，而功能結(jié)構(gòu)圖則根據(jù)選用工作原理的不同可能有多個(gè)。 所以，改變功能結(jié)構(gòu)可發(fā)展新的產(chǎn)品：功能分解樹(shù)反映了總功能與其所屬功能元之間的隸屬關(guān)系，只有一個(gè)，具有唯一性。功能結(jié)構(gòu)圖反映了功能元之間相互位置與順序的關(guān)系，存在多種選擇，具有多解性。比較總功能分解例單桶全自動(dòng)洗衣機(jī)的功能結(jié)構(gòu)圖容器動(dòng)力控制聯(lián)結(jié)與支承傳遞與轉(zhuǎn)換進(jìn)水波輪旋轉(zhuǎn)桶體旋轉(zhuǎn)脫水排水定時(shí)：波輪正反轉(zhuǎn)脫水啟停電源開(kāi)關(guān)信號(hào)污衣能量清水凈衣污水總功能分解 同樣的分功能由于解法不同，可得到不同的功能結(jié)構(gòu)。例任務(wù)：設(shè)計(jì)汽水瓶蓋同向排列運(yùn)送裝置 瓶蓋碼齊機(jī)設(shè)計(jì)要求：把不規(guī)則放置的汽水瓶蓋排列成內(nèi)側(cè)向上，單列輸出。瓶蓋碼齊機(jī)（黑

17、箱）總功能：瓶蓋同向排列A：輸入B：測(cè)向C：分揀D：翻轉(zhuǎn)E：輸出把反向瓶蓋翻轉(zhuǎn)檢測(cè)瓶蓋向上還是向下揀出向上的瓶蓋總功能分解A：輸入B：測(cè)向C：分揀D：翻轉(zhuǎn)E：輸出總功能：瓶蓋同向排列方案一方案二方案三ABCDEABCDEABCE分 功 能AEBCD功能元求解 功能元是功能的基本單位。 功能元求解有兩種途徑： 功能元原理探索求解 功能元組合方法求解。 功能元的技術(shù)原理未知，需要選擇或探求，采用前者； 功能元的技術(shù)原理已知，在此基礎(chǔ)上變異改進(jìn)，則采用后者。 功能元求解功能元求解 (1) 功能元原理探索求解基本思路 功能元求解的完整過(guò)程是從基礎(chǔ)科學(xué)研究揭示的一般科學(xué)原理開(kāi)始，經(jīng)過(guò)應(yīng)用研究探明具體的技

18、術(shù)原理，然后尋求實(shí)現(xiàn)該技術(shù)原理的技術(shù)手段，主要結(jié)構(gòu)(即功能載體)?；A(chǔ)科學(xué)研究一般科學(xué)原理應(yīng)用研究技術(shù)原理技術(shù)手段（功能載體）實(shí)用探索原理探索求解功能元求解 由于技術(shù)系統(tǒng)的難易程度不同，功能元求解不一定表現(xiàn)出上述全部的典型過(guò)程，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，把科學(xué)原理與技術(shù)原理一起稱作工作原理。 這樣，功能元求解的基本思路可以簡(jiǎn)明地表達(dá)為：功能載體工作原理功能 構(gòu)思技術(shù)原理是技術(shù)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵，最富于創(chuàng)造性的一環(huán)。蝸輪蝸桿、齒輪副、帶傳動(dòng)等機(jī)械原理變速例原理探索求解功能元求解 構(gòu)思技術(shù)原理的基本途徑有三條： 把科學(xué)原理轉(zhuǎn)化為技術(shù)原理；原理探索求解 從技術(shù)經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隱含的內(nèi)在機(jī)制，提煉成技術(shù)原理； 對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)原

19、理通過(guò)改進(jìn)、變換或移植形成新的技術(shù)原理。功能元求解熱管的發(fā)明與應(yīng)用原理探索求解例 熱由高溫物體向低溫物體傳導(dǎo)這一普遍原理，在不同場(chǎng)合獲得技術(shù)上的應(yīng)用，完全取決于所設(shè)計(jì)的功能載體。 美國(guó)阿拉斯加油田建設(shè)輸油管要穿過(guò)凍土帶，輸油管保溫十分困難。設(shè)計(jì)者通過(guò)調(diào)查了解到，凍土層只有1m左右，深處溫度較高，深處的熱量如能恰當(dāng)利用，可就地解決輸油管保溫問(wèn)題。 從原則上確定這一技術(shù)措施后，關(guān)鍵則是確定技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量傳導(dǎo)。 一位技術(shù)人員提出了“導(dǎo)熱管”的構(gòu)想。 把科學(xué)原理轉(zhuǎn)化為技術(shù)原理；功能元求解原理探索求解 導(dǎo)熱管是一根兩端封閉的管子，襯里為數(shù)層金屬絲網(wǎng)，管內(nèi)封裝了一定量的液體，在地下高溫處吸熱蒸發(fā)，蒸氣

20、沿管中心流動(dòng)，在另一端低溫處冷凝放熱，冷凝后的液體通過(guò)金屬絲網(wǎng)因毛細(xì)管作用而流向熱端。 沿輸油管支架安裝導(dǎo)熱管試驗(yàn)，證明這一構(gòu)想是正確可行的。導(dǎo)熱管重量輕、導(dǎo)熱性能高，不需安裝動(dòng)力裝置，是突破傳統(tǒng)思想的優(yōu)秀設(shè)計(jì)，因而在其它領(lǐng)域也獲得了應(yīng)用。 如人造衛(wèi)星面向太陽(yáng)和背向太陽(yáng)兩側(cè)溫差很大，為保持儀器最佳工作溫度，應(yīng)用了導(dǎo)熱管技術(shù)。冷端熱端功能元求解 從技術(shù)經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隱含的內(nèi)在機(jī)制，提煉成技術(shù)原理； 在熱力學(xué)出現(xiàn)之前已根據(jù)經(jīng)驗(yàn)找到了熱和功的轉(zhuǎn)化規(guī)律，制造出蒸氣機(jī)。原理探索求解例瓦特制造的蒸氣機(jī)功能元求解原理探索求解例 對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)原理通過(guò)改進(jìn)、變換或移植形成新的技術(shù)原理。 二十世紀(jì)初，愛(ài)因斯坦提出受激

21、輻射理論奠定了激光技術(shù)的理論基礎(chǔ)，微波波譜學(xué)的成果進(jìn)而為激光應(yīng)用提供了技術(shù)原理。由此，60年代制成廠激光器。激光器的出現(xiàn)，使激光技術(shù)迅速在各個(gè)部門(mén)得以應(yīng)用，從一個(gè)領(lǐng)域推廣移植到另一個(gè)領(lǐng)域。 激光作為高密度能源，可用于對(duì)材料進(jìn)行熱加工：表面熱處理，焊接，切割，打孔，劃線等。 利用光源很好的相干性，可用于測(cè)量： 激光的方向性用于大型結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)，地下工程施工中的準(zhǔn)直測(cè)量。同步帶的產(chǎn)生 同步帶就是平皮帶與鏈傳動(dòng)的綜合體。例功能元求解原理探索求解例 1983年，西班牙建成一座太陽(yáng)熱氣流（即溫室煙囪太陽(yáng)熱能發(fā)電站），發(fā)電功率50kW，用于進(jìn)行探索性試驗(yàn)研究。 利用太陽(yáng)能氣流發(fā)電的裝置則剛剛起步，它首先在

22、西班牙馬德里門(mén)澤乃立斯建成并發(fā)電。 一座用透明塑料板蓋成的巨大溫度頂棚中心豎立著198米高的風(fēng)筒，太陽(yáng)能通過(guò)透明的塑料板將巨大溫室內(nèi)的空氣加熱，比外面氣溫高1820華氏度.外面的冷空氣推壓著溫室內(nèi)的熱空氣使它沿著長(zhǎng)長(zhǎng)的筒管上升，形成一股強(qiáng)大的氣流,推動(dòng)安裝在風(fēng)筒上的葉輪帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電.這座太陽(yáng)能溫室的直徑有244米，能發(fā)電5070千瓦。 意大利的一座太陽(yáng)能氣流發(fā)電站的大風(fēng)筒高215米，筒內(nèi)氣流速度達(dá)13米/秒，使葉輪以每分鐘150轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，發(fā)電量為500100千瓦，可供一座城鎮(zhèn)用電。 西班牙打算再建造幾座這種發(fā)電站，其中一座風(fēng)管高762米，溫室直徑1000米，發(fā)電量可達(dá)40萬(wàn)干瓦。太陽(yáng)能氣

23、流發(fā)電站的建成發(fā)電機(jī)功能元求解原理探索求解 功能載體是具有可以完成某一功能屬性的物體。 物體的屬性是多方面的，人們可以在一定條件下利用物體的某種屬性來(lái)完成某些特定的功能。 物體的屬性包括物理屬性、化學(xué)屬性、運(yùn)動(dòng)特性、幾何特性、機(jī)械特性等。 例如，利用一對(duì)漸開(kāi)線齒輪瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定的特性，可以實(shí)現(xiàn)定傳動(dòng)比傳動(dòng)的功能； 利用一對(duì)齒輪的齒廓與包容這對(duì)齒輪的機(jī)殼間容積的變化這一特性，可制成齒輪泵或齒輪馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)泵或馬達(dá)的功能。 因此，功能元求解的關(guān)鍵是在科學(xué)原理的基礎(chǔ)上尋找盡可能多的功能載體。功能元求解的最終目的是得到相對(duì)應(yīng)功能載體。功能元求解原理探索求解 人類(lèi)已知的科學(xué)原理總數(shù)約5000多個(gè)，要在這樣

24、龐大的范圍內(nèi)搜尋具有某些特定功能的載體顯然是十分困難的。 因此，建立功能載體知識(shí)庫(kù)成為近年來(lái)世界各國(guó)的設(shè)計(jì)師研究的重要工作內(nèi)容之一。功能元求解 技術(shù)原理的選擇與探尋的方法主要是檢索資料，所以建立包括科學(xué)原理和功能載體的知識(shí)庫(kù)就顯得極為重要。 知識(shí)庫(kù)的形式主要有： 物理效應(yīng)與現(xiàn)象庫(kù)(前蘇聯(lián)馬里工學(xué)院建) 設(shè)計(jì)目錄：(西德) 原理解法目錄編排了特定功能的解法，有的還附帶一定邊界條件。 對(duì)象目錄包括了通用機(jī)構(gòu)的一般性信息，不針對(duì)具體功能任務(wù)。功能載體詞典（日本） 設(shè)計(jì)目錄不同于一般手冊(cè)和資料，它是密切結(jié)合設(shè)計(jì)過(guò)程和需要而編制的，范圍十分廣泛，如解法目錄、原理目錄、對(duì)象目錄每種目錄的目的明確，提供信息

25、面廣、內(nèi)容清晰、條理性強(qiáng)、提取方便。功能元求解原理探索求解原蘇聯(lián)學(xué)者建立的物理效應(yīng)與現(xiàn)象庫(kù)功能 載體詞典（日本） 該詞典把本專(zhuān)業(yè)常用功能編為詞典的條目，如伸縮。 一般來(lái)說(shuō)，這種關(guān)鍵詞是一個(gè)動(dòng)詞，再增加限制性形容詞，如雙折；并按抽象程度編排，如雙折比張收限制更大，然后把技術(shù)知識(shí)（相當(dāng)于功能載體）作為素材，歸入適當(dāng)條目之下，供啟發(fā)聯(lián)想及類(lèi)比推理使用。 詞典按關(guān)鍵詞檢索，關(guān)鍵詞則依相近程度分類(lèi)排列。功能元求解原理探索求解例折尺圓形折疊伸縮以伸縮為關(guān)鍵詞的詞條脹縮張收曲折屈伸雙折雙連梯柵門(mén)三腳架軌道氣球拉桿天線折扇手風(fēng)琴百葉門(mén)卷尺分規(guī)上下滑動(dòng)水平滑動(dòng)卷入功能 載體詞典（日本）傘功能元求解原理探索求解功

26、能元求解 設(shè)計(jì)是獲取信息和處理信息的過(guò)程。如何合理地存儲(chǔ)信息、更快捷地提供信息，是提高設(shè)計(jì)效率的有效措施。 設(shè)計(jì)目錄是一種設(shè)計(jì)信息庫(kù)。它把設(shè)計(jì)過(guò)程中所需的大量信息有規(guī)律地加以分類(lèi)、排列、儲(chǔ)存，以便于設(shè)計(jì)者查找和調(diào)用。在計(jì)算機(jī)輔助自動(dòng)化設(shè)計(jì)的專(zhuān)家系統(tǒng)和智能系統(tǒng)中，科學(xué)、完備的設(shè)計(jì)信息庫(kù)是解決問(wèn)題的重要基本條件。 設(shè)計(jì)目錄不同于一般手冊(cè)和資料，它密切結(jié)合設(shè)計(jì)的過(guò)程和需要編制，每個(gè)目錄的目的明確，提供信息面廣，內(nèi)容清晰有條理，提取方便。 為達(dá)到這樣的要求，必須采用系統(tǒng)工程方法建立目錄，針對(duì)有關(guān)對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)分析和系統(tǒng)搜索。設(shè)計(jì)目錄功能元求解 邏輯功能元為“與”、“或”、“非”三元，主要用于控制功能。

27、基本邏輯關(guān)系如表。 用功能設(shè)計(jì)法進(jìn)行原理方案設(shè)計(jì)，功能元解是組合原理方案的基礎(chǔ)。 工程系統(tǒng)的基本功能元可歸結(jié)為物理功能元、邏輯功能元和數(shù)學(xué)功能元三類(lèi)。原理解法的設(shè)計(jì)目錄功能元求解 由機(jī)械、強(qiáng)電、電子、射流、氣體、液體等領(lǐng)域可尋找相應(yīng)的“與”、“或”、“非”邏輯動(dòng)作的各種解法。邏輯功能的解法目錄對(duì)應(yīng)上述功能元的功能載體功能元求解 數(shù)學(xué)功能元分為加減、乘除、乘方和開(kāi)方、積分和微分四組，也可按機(jī)、強(qiáng)電、電子各領(lǐng)域列出有關(guān)解法目錄。 物理功能元反映系統(tǒng)中能量、物料及信號(hào)變化的物理基本作用，常用的基本物理功能元有變換、縮放、聯(lián)接分離、傳導(dǎo)、離合、儲(chǔ)存等6類(lèi)。 功能元“變換”包括各種類(lèi)型能量或信號(hào)形式的轉(zhuǎn)

28、變，運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)變，物態(tài)的轉(zhuǎn)變等。 功能元“縮放”指各種能量、信號(hào)向量（力、速度等）或物理量的縮小和放大。 功能元“聯(lián)接”、“分離”包括能量、物料、信號(hào)、同質(zhì)或不同質(zhì)數(shù)量上的結(jié)合和分離。 功能元“傳導(dǎo)”和“離合”反映能量、物料、信號(hào)的位置變化。 功能元“儲(chǔ)存”體現(xiàn)一定時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)能量、物料、信號(hào)保存的功能。功能元求解物理功能元用物理效應(yīng)求解，工程系統(tǒng)中常用的物理效應(yīng)有：力學(xué)效應(yīng)：重力、彈性力、慣性力、離心力、摩擦力等； 液氣效應(yīng)：流體靜壓、流體動(dòng)壓、毛細(xì)管效應(yīng)、帕斯卡效應(yīng)、虹吸效應(yīng)、負(fù)壓效應(yīng)等； 電力效應(yīng)：靜電、壓電效應(yīng)，電動(dòng)力學(xué)等； 磁效應(yīng)：電磁效應(yīng)、永磁效應(yīng)等； 光學(xué)效應(yīng)：反射、折射、衍射、

29、光干涉、偏振、激光效應(yīng)等； 熱力學(xué)效應(yīng)：膨脹、熱傳導(dǎo)、熱存儲(chǔ)、絕熱效應(yīng)等； 核效應(yīng)：輻射、同位素效應(yīng)等。功能元求解 同一物理效應(yīng)能完成不同功能。如物體回轉(zhuǎn)的離心效應(yīng)可以產(chǎn)生離心力（能量轉(zhuǎn)換）、分離不同液體（物料分離）或測(cè)轉(zhuǎn)速（信號(hào)轉(zhuǎn)換）。功能元可通過(guò)多種物理效應(yīng)搜索求解。部分物理功能元的解法目錄。功能元求解 在一定的物理效應(yīng)下進(jìn)一步采用多種機(jī)構(gòu)求解，如力的放大功能元解可用基本增力機(jī)構(gòu)和二次增力機(jī)構(gòu)來(lái)表達(dá)?；驹隽C(jī)構(gòu)功能元求解二次增力機(jī)構(gòu)功能元求解 設(shè)計(jì)目錄的編制要采用系統(tǒng)工程分析的方法和系統(tǒng)搜索的思路，在此用機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目錄編制為例加以說(shuō)明。設(shè)計(jì)目錄的編制機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的功能分析功能元求

30、解 針對(duì)每項(xiàng)功能元去搜索盡可能多的解，如“運(yùn)動(dòng)方向變化”、“運(yùn)動(dòng)形式變化”可列出下表的基本機(jī)構(gòu)目錄，通過(guò)基本機(jī)構(gòu)的組合還可得到更多的解。 設(shè)計(jì)目錄是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中知識(shí)庫(kù)的重要內(nèi)容，為了更好地描述知識(shí)還有必要將每個(gè)基本機(jī)構(gòu)作為特定的功能模塊列出其基本性能特點(diǎn)（如傳動(dòng)比、功率范圍等）、特殊性能（如遠(yuǎn)距離傳動(dòng)、自鎖等）、評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)（如對(duì)性能、成本、工藝性等基本評(píng)價(jià)目標(biāo)的評(píng)分或隸屬度）等。每個(gè)功能模塊也列為一個(gè)基本目錄，這將是具體選擇并確定方案的依據(jù)。功能元求解(2) 功能元組合方法求解基本思路 如機(jī)構(gòu)的變異：當(dāng)所選機(jī)構(gòu)不能全面滿足對(duì)機(jī)械提出的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力要求時(shí)，或?yàn)榱烁纳扑x機(jī)構(gòu)的性能或結(jié)構(gòu)時(shí)，可

31、以通過(guò)改變機(jī)構(gòu)中某些構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形狀、運(yùn)動(dòng)尺寸、更換機(jī)架或原動(dòng)件、增加輔助構(gòu)件等方法以獲得新的機(jī)構(gòu)或特性。 功能元的技術(shù)原理未知，需要選擇或探求，采用原理探索求解； 功能元的技術(shù)原理已知，在此基礎(chǔ)上變異改進(jìn)，則采用組合方法求解。 功能元組合方法求解就是在技術(shù)原理已知的情況下，首先通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的工作原理、功能載體進(jìn)行信息檢索和選擇，然后對(duì)它們進(jìn)行變異改進(jìn)，以滿足需要。求總體方案解 求總體方案解 求總體方案解就是把分功能的解合成為一個(gè)整體以實(shí)現(xiàn)總功能的過(guò)程。 在此過(guò)程中,應(yīng)用形態(tài)分析法對(duì)分功能解法進(jìn)行排列組合,可產(chǎn)生多個(gè)總體方案。 然后,在此基礎(chǔ)上,挑選幾個(gè)較好的方案進(jìn)行評(píng)選。 形態(tài)分析是對(duì)創(chuàng)造對(duì)象進(jìn)

32、行因素分解和形態(tài)綜合的過(guò)程。 在此過(guò)程中,發(fā)散思維和收斂思維起著非常重要的作用。求總體方案解 第二次世界大戰(zhàn)期間，美國(guó)情報(bào)部門(mén)探聽(tīng)到法西斯德國(guó)正在研制一種新型巡航導(dǎo)彈，但費(fèi)盡心機(jī)也難以獲得有關(guān)技術(shù)情報(bào)。然而，火箭專(zhuān)家茲維基博士卻在自己的研究室里，輕而易舉地搜索出法西斯德國(guó)正在研制并嚴(yán)加保密的帶脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的巡航導(dǎo)彈。茲維基博士能夠坐在研究室里獲得技術(shù)間諜都難以弄到的技術(shù)情報(bào)，是因?yàn)檫\(yùn)用了他稱之為“形態(tài)分析”的思考方法。例求總體方案解 形態(tài)分析法，是一種以系統(tǒng)搜索觀念為指導(dǎo)，在對(duì)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)分析和綜合基礎(chǔ)上用網(wǎng)絡(luò)方式集合各因素設(shè)想的方法。 茲維基博士運(yùn)用此法時(shí)，先將導(dǎo)彈分解為若干相互獨(dú)立的基本因素

33、，這些基本因素的共同作用便構(gòu)成任何一種導(dǎo)彈的效能，然后針對(duì)每種基本因素找出實(shí)現(xiàn)其功能要求的所有可能的技術(shù)形態(tài)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行排列組合，結(jié)果共得到576種不同的導(dǎo)彈方案。經(jīng)過(guò)一一過(guò)篩分析，在排除了已有的、不可行的和不可靠的導(dǎo)彈方案后，他認(rèn)為只有幾種新方案值得人們開(kāi)發(fā)研究，在這少數(shù)的幾種方案中，就包含有德國(guó)法西斯正在研制的方案。求總體方案解 戰(zhàn)后,蘇聯(lián)有人對(duì)當(dāng)時(shí)的方案進(jìn)行了分析,認(rèn)為這一數(shù)字反映了該方案對(duì)許多因素的忽略,如果把情況全面考慮,當(dāng)時(shí)應(yīng)得到的可能的火箭結(jié)構(gòu)方案將達(dá)到一萬(wàn)多種。 以后,人們把他所開(kāi)發(fā)的這一技法加以精確化和系統(tǒng)化,形成了當(dāng)代創(chuàng)造技法中的一種,即形態(tài)分析法。 這一技法,至今在許

34、多技術(shù)設(shè)計(jì)部門(mén)仍被廣泛應(yīng)用。 因素與形態(tài)是形態(tài)分析中的兩個(gè)基本概念。 因素是指構(gòu)成某種事物的特性因子,在此將分解后的功能元作為形態(tài)分析中的基本因素。 實(shí)現(xiàn)各功能元相對(duì)應(yīng)的技術(shù)手段稱為形態(tài),形態(tài)對(duì)應(yīng)著表示功能元的功能載體。求總體方案解因素功能元形態(tài) 功能載體123JA1A2A3B1B2B3BKN1N2N3ABN形態(tài)分析法是利用形態(tài)學(xué)矩陣尋求總體方案解。 形態(tài)矩陣實(shí)際上就是一種表格,把分功能或功能元縱向排列,每一個(gè)功能元的幾種解法對(duì)應(yīng)此功能元橫向排列。KAJBJ BINIIAI 如果在每個(gè)功能元中挑選一個(gè)解法,則可組合成一個(gè)總體方案解。從理論上講,可以組成總體方案的數(shù)量,為各行功能元解法個(gè)數(shù)的連乘

35、積。設(shè)可以組成總體方案的數(shù)量為Z,則 Z = JKI求總體方案解 形態(tài)矩陣組成的方案數(shù)目不宜太多,太多則難以進(jìn)行評(píng)選。一般需要通過(guò)篩選來(lái)得到幾個(gè)較滿意的方案供評(píng)選決策使用,以便得到最佳方案。 篩選的原則是: 相容性:即功能元解之間不能矛盾,否則不能進(jìn)行組合; 環(huán)境適應(yīng)性:剔除超過(guò)邊界和不能滿足約束條件與技術(shù)要求的解; 主導(dǎo)性:優(yōu)先選用主要功能元的較優(yōu)解,由該解法出發(fā),選擇與它相容的其它功能元的解。 篩選過(guò)程中,設(shè)計(jì)人員所掌握的技術(shù)知識(shí)與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)將發(fā)揮重要作用。 開(kāi)發(fā)系列傘 一個(gè)傘廠準(zhǔn)備開(kāi)發(fā)系列傘，可不知從何下手，請(qǐng)來(lái)了一位策劃人員，策劃人員問(wèn)了廠長(zhǎng)3個(gè)問(wèn)題： 雨傘的傘面一般用何種布比較好？ 廠

36、長(zhǎng)回答一般有尼龍布、油布和塑料布三種； 雨傘的傘架有幾種結(jié)構(gòu)？ 廠長(zhǎng)回答有一節(jié)式、多節(jié)式二種； 雨傘的開(kāi)關(guān)一般用什么材料做成？ 廠長(zhǎng)回答有不銹鋼和塑料二種。 等廠長(zhǎng)回答完畢，這個(gè)策劃人員馬上指出，你們廠可以先生產(chǎn)12種類(lèi)型的傘： 求總體方案解例世界首款無(wú)須手持式傘 實(shí)際上這位策劃人員實(shí)際上是進(jìn)行如下分析： 要素分析 形態(tài)分析 傘面 尼龍布 油布 塑料布 傘架 一節(jié)式 多節(jié)式 - 開(kāi)關(guān) 不銹鋼 塑料 - 這樣,傘的種類(lèi)組合就有 32212種。求總體方案解不銹鋼開(kāi)關(guān)一節(jié)式尼龍傘；塑料開(kāi)關(guān)一節(jié)式尼龍傘； 不銹鋼開(kāi)關(guān)一節(jié)式油布傘；塑料開(kāi)關(guān)一節(jié)式油布傘； 不銹鋼開(kāi)關(guān)一節(jié)式塑料傘；塑料開(kāi)關(guān)一節(jié)式塑料傘；

37、不銹鋼開(kāi)關(guān)多節(jié)式尼龍傘；塑料開(kāi)關(guān)多節(jié)式尼龍傘； 不銹鋼開(kāi)關(guān)多節(jié)式油布傘；塑料開(kāi)關(guān)多節(jié)式油布傘； 不銹鋼開(kāi)關(guān)多節(jié)式塑料傘；塑料開(kāi)關(guān)多節(jié)式塑料傘。功能元求解 機(jī)械式去須可用拔須、剪須、剃須等原理。剃須又可采取移動(dòng)刀剃削或回轉(zhuǎn)刀剃削。要求刀具運(yùn)動(dòng)均勻，以提高去須效果并保護(hù)皮膚。 選擇往復(fù)手動(dòng)的回轉(zhuǎn)刀剃削方式。手動(dòng)剃須刀原理方案設(shè)計(jì)例設(shè)計(jì)一種便攜式手動(dòng)微型剃須刀，要求體積小，使用方便，價(jià)格低廉?？偣δ芊纸猓喉毮w分離設(shè)計(jì)要求：機(jī)械式去須功能分解：須膚分離功能元求解功能求解： 原理方案 右圖為一種較好的手動(dòng)剃須刀原理方案，即采用往復(fù)移動(dòng)、齒條齒輪、定軸輪系、飛輪、盒式貯須組合。 該設(shè)計(jì)已形成專(zhuān)利產(chǎn)品。 由

38、此可組成手動(dòng)往復(fù)移動(dòng)或往復(fù)擺動(dòng)共48種方案供選擇。功能元求解大作業(yè)： 選定一個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)象，作出需求分析； 應(yīng)用系統(tǒng)化設(shè)計(jì)法進(jìn)行功能分析； 分析步驟要求清楚；系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法小結(jié)系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法小結(jié)明確設(shè)計(jì)任務(wù)確定總功能總功能分解功能元求解求總體方案解評(píng)價(jià)與決策需求識(shí)別可行性報(bào)告設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)最佳原理方案形態(tài)學(xué)矩陣還原法則抽象化定義黑箱法功能分解樹(shù)原理探索求解組合方法求解創(chuàng)造性方法知識(shí)庫(kù)各種評(píng)價(jià)方法分析綜合功能元求解 激光分層實(shí)體制造設(shè)備用激光對(duì)箔材（涂復(fù)紙）進(jìn)行切割獲得一個(gè)層面的形狀，將層面疊加膠接起來(lái)獲得三維實(shí)體。 如果此前已經(jīng)過(guò)廣義范圍的方案搜索，確定采用激光束聚焦的能量氣化切痕以得到一定精度輪廓的

39、紙型，并用壓輥加熱逐層粘合各層紙，則原理如右圖。例激光分層實(shí)體制造設(shè)備功能元求解 功能分解 功能元求解 對(duì)功能元求解，是原理方案設(shè)計(jì)中重要的搜索階段。一般通過(guò)以下幾種方法求解： 1）參考借鑒有關(guān)產(chǎn)品資料或?qū)＠?2）利用“設(shè)計(jì)目錄”； 3）運(yùn)用各種創(chuàng)造技法探索新解法。 例如，對(duì)于印刷機(jī)、點(diǎn)鈔機(jī)、包裝機(jī)等都有從成疊紙中“分紙”的功能元，其功能元解如下圖。功能元求解求總體方案解形態(tài)分析法發(fā)布于:2003/12/03第二次世界大戰(zhàn)期間，美國(guó)情報(bào)部門(mén)探聽(tīng)到法西斯德國(guó)正在研制一種新型巡航導(dǎo)彈，但費(fèi)盡心機(jī)也難以獲得有關(guān)技術(shù)情報(bào)。然而，火箭專(zhuān)家茲維基博士卻在自己的研究室里，輕而易舉地搜索出法西斯德國(guó)正在研制

40、并嚴(yán)加保密的乃是帶脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的巡航導(dǎo)彈。茲維基博士難道有特異功能？沒(méi)有。他能夠坐在研究室里獲得技術(shù)間諜都難以弄到的技術(shù)情報(bào)，是因?yàn)檫\(yùn)用了他稱之為“形態(tài)分析”的思考方法。形態(tài)分析法，是一種以系統(tǒng)搜索觀念為指導(dǎo)，在對(duì)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)分析和綜合基礎(chǔ)上用網(wǎng)絡(luò)方式集合各因素設(shè)想的方法。茲維基博士運(yùn)用此法時(shí)，先將導(dǎo)彈分解為若干相互獨(dú)立的基本因素，這些基本因素的共同作用便構(gòu)成任何一種導(dǎo)彈的效能，然后針對(duì)每種基本因素找出實(shí)現(xiàn)其功能要求的所有可能的技術(shù)形態(tài)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行排列組合，結(jié)果共得到576種不同的導(dǎo)彈方案。經(jīng)過(guò)一過(guò)篩分析，在排除了已有的、不可行的和不可靠的導(dǎo)彈方案后，他認(rèn)為只有幾種新方案值得人們開(kāi)發(fā)研究，在

41、這少數(shù)的幾種方案中，就包含有德國(guó)法西斯正在研制的方案。發(fā)明創(chuàng)造也可以運(yùn)用形態(tài)分析法，以求在對(duì)方案“一網(wǎng)打盡”中獲得可行的新方案。下面結(jié)合新型單缸洗衣機(jī)的開(kāi)發(fā)，介紹這種技法的操作方式。首先，對(duì)洗衣機(jī)進(jìn)行因素分析，即確定完成洗凈衣物所必備的基本因素。對(duì)洗衣機(jī)這類(lèi)工業(yè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，最好是用功能來(lái)代替因素，以利于形象思考。先確定洗衣機(jī)的總體功能，再進(jìn)行功能分解，就可得到若干分功能，這些分功能就是洗衣機(jī)的基本因素。如果我們定義洗衣機(jī)的總功能有“洗凈衣物”，那么以此為目的去尋找其手段，便可得到“盛裝衣物”，“洗滌去污”和“控制洗滌”等三項(xiàng)分功能。接著，對(duì)各分功能進(jìn)行形態(tài)分析，即確定實(shí)現(xiàn)這些功能要求的各種技術(shù)手

42、段或功能載體。為此，發(fā)明創(chuàng)造者要進(jìn)行信息檢索，廣思各種技術(shù)手段或方法。對(duì)一些新方法還可能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或試驗(yàn)，以了解其應(yīng)用的適用性和可靠性。在上述三種分功能中，“洗滌去污”，是最核心的一項(xiàng)，確定其功能載體時(shí)，要針對(duì)“分離”二字廣思、深思和精思，從機(jī)、電、熱等技術(shù)領(lǐng)域去尋找具有此功能的技術(shù)手段。經(jīng)過(guò)因素與形態(tài)分析，即可建立如下的洗衣機(jī)形態(tài)分析表洗衣機(jī)形態(tài)分析表功能技術(shù)手段1234A盛裝衣服鋁桶塑料桶玻璃鋼桶B洗滌去污機(jī)械摩擦電磁振蕩超聲波熱脹分離C控制時(shí)間人工手控機(jī)械控制電腦自控利用表，可以進(jìn)行各功能之間的形態(tài)要素的排列組合，從理論上說(shuō)，能夠得到3x4x336種方案。在對(duì)36種組合的分析中，我們可以發(fā)

43、現(xiàn)組合方案A1B1一C2屬于普通的波輪式洗衣機(jī)。這種洗衣機(jī)的工作原理是靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)V帶傳動(dòng)裝置，使波輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生水與衣物的機(jī)械式摩擦，配合洗滌劑的作用而使衣物與臟物分離。洗滌的時(shí)間由機(jī)械定時(shí)器控制。它的缺點(diǎn)是衣物磨損嚴(yán)重，耗電量大，洗滌效率低，易發(fā)生故障，有沒(méi)有不用波輪的新型洗衣機(jī)呢？經(jīng)過(guò)分析，便可發(fā)現(xiàn)組合方案A1-B2-C3、A1-B3-C2和A2-B4-C1等都屬于非機(jī)械磨擦式的洗衣機(jī)方案。下面對(duì)這三種方案作簡(jiǎn)要的分析。由A1-B2-C3構(gòu)成的洗衣機(jī)可以說(shuō)是一種電磁振蕩式自動(dòng)洗衣機(jī)。它沒(méi)有波輪，也不用電動(dòng)機(jī)，而是利用電磁振蕩可以分離物料的原理來(lái)洗滌去污。據(jù)國(guó)外科研人員試驗(yàn)，按此開(kāi)發(fā)的洗衣機(jī)

44、具有洗凈度高，不易損害衣物的優(yōu)點(diǎn)。此外，如果把桶內(nèi)水排干，還可直接甩干衣物，具有一機(jī)兩用的特點(diǎn)。由A1-B3-C2構(gòu)成的洗衣機(jī)，應(yīng)該叫做超聲波洗衣機(jī)。它也沒(méi)有撥輪和電動(dòng)機(jī)。設(shè)計(jì)這種洗衣機(jī)的技術(shù)關(guān)鍵是要產(chǎn)生20000赫茲以上的超聲波。這種超聲波能產(chǎn)生很強(qiáng)的水壓，使衣物纖維振動(dòng)，使洗滌劑乳化，從而使臟物與衣物分離，達(dá)到洗滌去污的作用。在結(jié)構(gòu)上，這種洗衣機(jī)離不開(kāi)氣泵、風(fēng)量調(diào)節(jié)、送風(fēng)管道、空氣分散器等基本部件。由技術(shù)分析和試驗(yàn)可知，超聲波洗衣機(jī)也具有磨損輕、洗凈度高、無(wú)噪音、節(jié)水、節(jié)電等優(yōu)點(diǎn)。由A2-B4-C1構(gòu)成的洗衣機(jī)，利用熱水使纖維膨脹，在桶內(nèi)水流作用下造成臟物脫離的原理設(shè)計(jì)，是一種簡(jiǎn)易的小型手

45、搖洗衣機(jī)。它主要由旋轉(zhuǎn)桶、支架所組成，工作時(shí)要往桶內(nèi)灌裝熱水和洗滌劑，用手旋轉(zhuǎn)洗衣桶。市面上曾出現(xiàn)過(guò)這種熱壓式洗衣機(jī)，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且價(jià)格低廉，但因技術(shù)相對(duì)落后，很快就被市場(chǎng)淘汰。對(duì)于其他的組合方案，在此就不一分析了。應(yīng)用形態(tài)分析進(jìn)行新品策劃，具有系統(tǒng)求解的特點(diǎn)。只要能把現(xiàn)有科技成果提供的技術(shù)手段全部羅列，就可以把現(xiàn)存的可能方案“一網(wǎng)打盡”，這是形態(tài)分析方法的突出優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)也為此法的應(yīng)用帶來(lái)了操作上的困難，突出的表現(xiàn)在如何在數(shù)目龐大的組合中篩選出可行的新品方案。如果選擇不當(dāng)，就可能使組合過(guò)程的辛苦付之東流。因此，在運(yùn)用形態(tài)分析過(guò)程中要注意把好技術(shù)要素分析和技術(shù)手段的確定這兩道關(guān)。比如在對(duì)洗衣機(jī)

46、的技術(shù)要素進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)著重從其應(yīng)具備的基本功能入手，對(duì)次要的輔助功能暫可忽視。在尋找實(shí)現(xiàn)功能要求的技術(shù)手段時(shí)，要按照先進(jìn)、可行的原則進(jìn)行考慮，不必將那些根本不可能采用的技術(shù)手段填入形態(tài)分析表中，以避免組合表過(guò)于龐大。當(dāng)然，一旦形態(tài)分析法能結(jié)合電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，從龐大的組合表中進(jìn)行最佳方案的探索也是辦得到的。 形態(tài)分析法發(fā)布于:2003/12/03第二次世界大戰(zhàn)期間，美國(guó)情報(bào)部門(mén)探聽(tīng)到法西斯德國(guó)正在研制一種新型巡航導(dǎo)彈，但費(fèi)盡心機(jī)也難以獲得有關(guān)技術(shù)情報(bào)。然而，火箭專(zhuān)家茲維基博士卻在自己的研究室里，輕而易舉地搜索出法西斯德國(guó)正在研制并嚴(yán)加保密的乃是帶脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的巡航導(dǎo)彈。茲維基博士難道有特異功能

47、？沒(méi)有。他能夠坐在研究室里獲得技術(shù)間諜都難以弄到的技術(shù)情報(bào)，是因?yàn)檫\(yùn)用了他稱之為“形態(tài)分析”的思考方法。形態(tài)分析法，是一種以系統(tǒng)搜索觀念為指導(dǎo)，在對(duì)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)分析和綜合基礎(chǔ)上用網(wǎng)絡(luò)方式集合各因素設(shè)想的方法。茲維基博士運(yùn)用此法時(shí)，先將導(dǎo)彈分解為若干相互獨(dú)立的基本因素，這些基本因素的共同作用便構(gòu)成任何一種導(dǎo)彈的效能，然后針對(duì)每種基本因素找出實(shí)現(xiàn)其功能要求的所有可能的技術(shù)形態(tài)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行排列組合，結(jié)果共得到576種不同的導(dǎo)彈方案。經(jīng)過(guò)一過(guò)篩分析，在排除了已有的、不可行的和不可靠的導(dǎo)彈方案后，他認(rèn)為只有幾種新方案值得人們開(kāi)發(fā)研究，在這少數(shù)的幾種方案中，就包含有德國(guó)法西斯正在研制的方案。發(fā)明創(chuàng)造也

48、可以運(yùn)用形態(tài)分析法，以求在對(duì)方案“一網(wǎng)打盡”中獲得可行的新方案。下面結(jié)合新型單缸洗衣機(jī)的開(kāi)發(fā)，介紹這種技法的操作方式。首先，對(duì)洗衣機(jī)進(jìn)行因素分析，即確定完成洗凈衣物所必備的基本因素。對(duì)洗衣機(jī)這類(lèi)工業(yè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，最好是用功能來(lái)代替因素，以利于形象思考。先確定洗衣機(jī)的總體功能，再進(jìn)行功能分解，就可得到若干分功能，這些分功能就是洗衣機(jī)的基本因素。如果我們定義洗衣機(jī)的總功能有“洗凈衣物”，那么以此為目的去尋找其手段，便可得到“盛裝衣物”，“洗滌去污”和“控制洗滌”等三項(xiàng)分功能。接著，對(duì)各分功能進(jìn)行形態(tài)分析，即確定實(shí)現(xiàn)這些功能要求的各種技術(shù)手段或功能載體。為此，發(fā)明創(chuàng)造者要進(jìn)行信息檢索，廣思各種技術(shù)手段或

49、方法。對(duì)一些新方法還可能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或試驗(yàn)，以了解其應(yīng)用的適用性和可靠性。在上述三種分功能中，“洗滌去污”，是最核心的一項(xiàng)，確定其功能載體時(shí)，要針對(duì)“分離”二字廣思、深思和精思，從機(jī)、電、熱等技術(shù)領(lǐng)域去尋找具有此功能的技術(shù)手段。經(jīng)過(guò)因素與形態(tài)分析，即可建立如下的洗衣機(jī)形態(tài)分析表洗衣機(jī)形態(tài)分析表功能技術(shù)手段1234A盛裝衣服鋁桶塑料桶玻璃鋼桶B洗滌去污機(jī)械摩擦電磁振蕩超聲波熱脹分離C控制時(shí)間人工手控機(jī)械控制電腦自控利用表，可以進(jìn)行各功能之間的形態(tài)要素的排列組合，從理論上說(shuō)，能夠得到3x4x336種方案。在對(duì)36種組合的分析中，我們可以發(fā)現(xiàn)組合方案A1B1一C2屬于普通的波輪式洗衣機(jī)。這種洗衣機(jī)的工作原理是靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)V帶傳動(dòng)裝置，使波輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生水與衣物的機(jī)械式摩擦，配合洗滌劑的作用而使衣物與臟物分離。洗滌的時(shí)間由機(jī)械定時(shí)器控制。它的缺點(diǎn)是衣物磨損嚴(yán)重，耗電量大，洗滌效率低，易發(fā)生故障，有沒(méi)有不用波輪的新型洗衣機(jī)呢？經(jīng)過(guò)分析，便可發(fā)現(xiàn)組合方案A1-B2-C3、A1-B3-C2