機械產品設計中系統化設計法研究

尹瀟

摘要：機械產品的設計具有復雜性、交叉性的特征。為了更好的完成產品設計和優化，在機械產品設計時需要基于系統觀，準確的整理好系統與各個要素間的相互關系，按照產品的結構形式，使產品功能逐漸優化到既定的功能。本文基于現代產品設計的系統觀，探討機械產品設計中的設計方法。第一部分介紹產品系統化設計的理論;第二部分介紹了機械產品系統化設計的方法;第三部分探討了系統化設計方法在機械產品設計中的應用。旨在為智能機械產品的設計和優化提供一些參考。

關鍵詞：機械產品設計;系統化設計;設計方法;系統化觀念

中圖分類號：TB47 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0221-02

0 ?引言

隨著科技的創新與發展，機械產品的設計進入了一個全新的此現代化產品設計階段。相對于傳統設計，現代化產品設計體現了產品設計全生命周期的信息化。即在產品設計的各個階段引入信息化手段，將單一的產品設計通過一定的結果形式組合成具有特定作用和統一目的的有機整體，形成完整的設計系統。目前，系統化設計方法已在現代產品設計中得到廣泛應用。研究系統化設計方法對機械產品系統化升級有著重要的意義。

1 ?產品系統化設計的理論

1.1 定義

產品系統化設計指由若干要素以一定的結構形式聯結構成具有某種功能的有機整體。

1.2 核心思想

產品系統化設計的核心思想是整體觀念及系統觀念。由于產品的各要素之間存在緊密的關聯性，整體功能并不等于局部功能。它具有相對性和較強的目的性。通過系統化設計，使產品的系統達到既定的功能。

1.3 系統化設計的特征

系統化設計過程是一個相互作用、相互以來的若干要素結合成具有特定作用、達到同一目的的有機整體的產品系統。因此，系統化設計具有產品信息化、產品系列化、產品商品化、產品生態化的基本特征。產品信息化代表產品發展趨向于多種能、復合化、智能化、輕薄化的方向，也代表著產品制造和產品開發信息化的過程。產品系列化則達標的相互關聯的承租成套產品的溫室。如同一個品牌系列下的多個獨立產品，或具有多種獨立功能的產品組成的產品系統，或單元產品之間存在相關性與依存關系的完成的產品系列。究其根本產品系統化設計是為了得到系列化產品，從而來提高系列產品在市場的競爭優勢。

1.4 系統化設計的要素

現代產品設計要素包括產品實體和關聯食物兩部分。產品實體主要指產品的部件、元件構件等。關聯事物指產品的功能、形態、色彩、美學等。當結構的若干要素產生相互聯系、相互作用的關系，即將若干個要素構成一個有機整體。而產品的系統功能則在外部環境與系統相互聯系作用下得到升級與優化。

1.5 系統化設計的重點

系統化設計強調在產品設計的全生命周期內處理好要素與要素、要素與系統、系統與環境三方面之間的關系。通過協調處理各要素之間的關系，來達到使產品最終整體功能大于各部分局部功能之和的目的。

2 ?機械產品系統化設計的方法

機械產品系統化設計方法的系統模式包括O-R-O模式、串行模式、并行模式。O-R-O模式即客體-聯系-產出模式。串行模式即機械產品設計過程中各個環節都要視為系統要素，且要素之間的構成關系應按一定順序進行。并行模式即要求對機械產品及相關過程做幾何處理，構成系統化設計模式。

2.1 “構思-設計”法

機械產品“構思-設計”法指從分別構思和設計兩個不同階段計劃機械產品的系統化設計。在構思階段通過尋找符合設計任務要求的原理解，進而在設計階段則實現設計要求的原理解。即在構思階段通過將對結構元素選擇和對結構元素的組合理解機械產品的功能結構的設計原理，在設計階段通過結構各類要素的互相定義實現對系統功能的設計，并完成分功能與系統功能有機統一。Roper，H.在圖論論理論的基礎上，通過總設計單元、結構元素、功能結構元素、“聯接結構元素、結構零件、結構元素零件的相關概念，及描述機械結構元素與功能載體的位置、具體現狀、結構元素尺寸、傳動參數之間的互相關系的簡圖，來描述專家直覺設計。這是利用系統的相互關系進行機械產品系統化設計的方法。該方法從系統觀念出發，基于系統功能的設計任務，從整體出發，將設計任務分為獲取功能及結構、尋找效應、尋找結構。

最后分別運用以下策略來描述機械產品構思階段的流程。

①效應與構型規則策略。這是一種依據設計任務功能的相互關系，來辨別效應與構形規則的系統化設計方法。

②分別考慮功能、效應、構形規則策略。即在多個階段、多個工作步驟中不斷變型設計方案實現原理解的系統化設計方法。

③功能、效應、構形規則密切相關策略。即在三者沒有選擇的情況下，利用特殊要求的領域，如高價值功能零件、特大型機械、超小型機械及有特殊功能要求的零部件產生原理解。

④針對設計要求進行結構化求解的方式。即從已有的零件中尋找機械產品系統功能不同排序與結構功能的相互連接關系。

2.2 鍵合圖法

把機械產品系統元件按照產生能量、消耗能量、轉變能量形式、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關系，從而實現功能結構鍵合圖靈活的自動轉換，產生機械產品的系統化設計方法。

2.3 矩陣設計法

矩陣設計法指利用 “要求-功能”邏輯樹來描述設計任務要求與功能之間相互關系，實現原理解來得到系統化設計方案的方法。為“要求-功能”邏輯樹建立關聯矩陣，就可以描述滿足設計要求與對應的功能結構之間的相互對應關系。Kotaetal把產品系統化的設計空間分為多個功能子空間。各個功能子空間的設計用模塊表示。在抽象高層階段，由運動轉換矩陣和可操作的約束矢量表示設計模塊。在低層抽象階段，用參數矩陣和一個運動方程表示設計模塊。

3 ?系統化設計方法在機械產品設計中應用

3.1 在產品功能設計中的應用

系統化設計方法作為一種貫穿于產品結構各要素中的設計方法，它從產品需求和功能方面入手，通過采用特定的描述方法定義產品結構的主要功能和附屬功能，是產品各部分之間相互關系，相互作用，進而形成同一產品的尚未功能、下位功能和同為功能。應用矩陣設計法，可以為產品的基本功能建立系統骨架。應用圖形建模法、構思-設計法，對功能目的和手段關系進行整理，描述機械產品多余功能、多余部件，從而實現對功能系統的定義。

如在設計汽車功能時，在總體布局設計上先了解開發車行道技術，在總體布局設計上將汽車性能匹配按照整車結構進行設計，并以汽車各大總成為基礎確定設計各大總成目標和系統目標。按照汽車各大系統總成特征的確定參數進行參數化建模，建立三維數字化虛擬模型。采用“構思-設計”法、圖形建模法、鍵合圖法、設計元素法、矩陣設計法等描述各大系統總成與零件之間的關系，從而實現對汽車整車的功能和外觀設計。后期產品升級中，可以在數字化、虛擬化配置及仿真分析的基礎上完成產品的系統化設計與優化，利用產品局部與產品全生命周期的關系，來實現對產品性能的優化和系統的升級。在汽車裝配時，用已確定的各系統參數為基礎，完成對汽車整機裝配設計的調整。例如，美國福特汽車公司在過去，每開發一款新車型，都要用120輛車進行沖撞試驗，約耗資6000萬元美元，采用CAE技術后，只需約70輛試驗車，可節約資金2500萬美元和寶貴的時間。目前，進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 在外觀形態設計中的應用

機械產品設計中，系統化設計方法能夠利用產品語義學了傳到意義的形態，描述設計的形態。借助計算機輔助設計系統，可以通過對產品部分結構形態的語義描述，來達到詮釋設計的形態與識別、形態與操作、形態與使用、形態與環境、形態與記憶相互關系、相互作用之間的聯接。最終在形態釋義的基礎上完成對機械產品工藝及外觀形態的解構。這種設計方法能有效的改變傳統機械產品設計過程中功能單一和產品應用范圍較窄的限制，促進基礎產品優化升級。

4 ?結語

綜上所述，系統化設計常用到的設計方法有“構思-設計”法、圖形建模法、鍵合圖法、設計元素法、矩陣設計法等。這些方法都是基于系統化觀念、整體觀念，板設計對象的實物和關聯事物當做一個完整的系統整體加以研究，在全局觀的基礎上將各個部分看成系統的要素，通過組合為各部分建立有機聯系，為系統與外界環境建立有機關系，借助信息化手段及計算機輔助設計工具，朝著同一個設計目標去完成。最終，系統化設計要實現產品系統縱向和橫向的有機關聯，以便于后期對產品進行設計優化和系統升級。通過調要素之間的關系，調整系統與外部環境的關系，來推動產品系列化的發展，提升產品的市場競爭優勢。

參考文獻：

[1]楊波.機械產品設計中系統化設計法研究[J].現代制造技術與裝備，2020（11）：166，169.

[2]肖興洲.系統化設計方法在我國機械產品設計中的應用[J].科技創新與應用，2012（07）：39.

[3]王蘊俊.機械產品設計方法初探[J].內蒙古科技與經濟，2010（13）：88-89.

[4]聞邦椿，李小彭.科學發展觀指導下的產品系統化設計的理論與方法[J].機械工程學報，2013（19）：77-86.

[5]陳瀟，裴振宇.現代機械設計方法[J].科技經濟導刊，2016（02）：70.

[6]姚翰超，劉騰.設計教學中產品系統化設計方法程序的應用[J].設計，2015（07）：155-156.

[7]李非韓.機械系統概念設計自動化方法初探[J].科技致富向導，2012（12）：39.