机械设计中轴系的结构方案设计毕业论文.doc

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大连理工大学硕士学位论文机械设计中轴系的结构方案设计姓名：孙涛申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：王德伦 20051201 孙涛；机械设计中轴系的结构方案设计摘要本文源自于机械结构方案设计的下游细化工作，通过对设计模型的研究，以机械设计中轴系为研究对象，针对轴系主要的功能元进行了分类讨论，提出了运用特征数据属性一词来描述各个类型的功能元，以滚动轴承的14项特征的提取为基础，讨论了传动功能元齿轮副的特征属性，轴的属性，并在此基础上建立了合理并有一定扩展性的数掘结构实现了特征属性按类别的存储。应用符号表达、集合运算等知识对单轴和轴系情况下的结构布局设计问题分别进行了详细的讨论，对轴系的多种结构模型进行了计算分析，通过实例给出了圆锥外啮合齿轮传动的9种结构布局形式。结合相关的设计模型，总结出与实际相适应的轴系结构方案设计的总流程，并在其指导下开发实用的结构方案辅助设计平台。建立系统主流程模型、数据集成模型、图形生成模块、结构布局多方案生成模块、滚动轴承匹配模块下设计了与下游设计相联系的设计模块。从而整个设计流程流畅，易于用户理解操作。采用面向对象的方法对系统的层次结构进行分析，根据模块化的思想把系统划分为显示层、数据层、业务层及存储层，各层之间采用统一接口的形式进行数据交换，从而保证了系统的稳定性与扩展性。应用企业级关系数据库系统Microsoft SQL Server 2000 作为数据平台构建系统数据模型，采用面向对象的编程语言对系统的业务流程进行实现，采用AD0/0LEDB技术进行数据访问。最后，本文采用理论结合实践的研究方法，通过系统在实际例子中的应用对系统的有效性和适用性进行了验证，对解决方案进行了总结，从而证明了系统的先进性与实用性. 关键词：特征属性；存储模型；轴系模型；结构方案 Structure Design of Shaft System in Mechanical Design Abstract This paper derives from the research and development of detail research of structure scheme design，a sub project of the whole system. In this paper advanced design models are analyzed, and the structure characteristics of shaft system arc intcgrated.The main functional item of shaft system is discussed.The feature propery is put forward to summarize a feature-based design model. The cunent situation of structure conceptual design and the existing problems are analyzed in this papei.The 14 feature items of rolling bearings are studied firefly,then the features of gear pair and shaft is abstracted*At the mean while,an reasonalble and extensible data structure is established to realize the storage of feature data.In the feature-based design model，shaft system modules are adopted microcosmiically to connect the functional concept and structural scheme, while calculate concept is employed macrocosmically to achieve the cooperation of the whole design process. The mathematic module is adopted in both single shaft and multi-shaft system to calculate the diversified shaft forms in different structure scheme.Thc 9 structure schemes of bevel gear pair is given out as an example* Thus according to related design module, the main flow chart of structure scheme design adapt to the real design is summarized. On the guidance of the thinking the computer aided structure scheme design system is developed and implemented. The system main flow model, data integration model, graphics building model, multi-structure scheme design uiodulc5rolling bearing design model and its sub system for detail design are constructed. These models guarantee the form of a multilayer design system contained the general structure design, data integrated in system on the base of the global design flow*Thus a fluent and user-friendly system is designed under the direction of the above description and theories. The system hierarchy model is analyzed by the Object-Oriented method* In order to enhance stability and expansibility, the system is divided to display layer, data layer, operation layer and storage layer. And it uses the interface to exchange data between these layers. The system data model is build based on Microsoft SQL Server 2000 database system. The applied software is programmed by Object-Oriented program language and ADO/OLE DB data accessing interface. At lastf the system is implemented in the real example, and the practice of software in the example shows that the approaches of the paper are effective and practicable. Key Words： Feature Property, Storage Module, Shaft Module, Structure Scheme 独创性说明作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名：H诱 B期: 孙涛：机械设计中轴系的结构方案设计大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被査阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名: 导师签名: 1课题的背景与意义 1.1方案设计的应用背景面对二十一世纪产品竞争日益加剧的挑战，世界各国普遍重视提高产品的设计水平，以增强产品竞争力。产品设计的根本目的就是要创新产品，满足市场需求和占领更大市场。产品设计本身是创造性的劳动，设计的本质是创新。因此，重视创新设计是增加机械产品竞争力的根本途径。方案设计是设计过程的早期阶段，其目标是获得产品的基本形式或形状。广义上的方案设计包含了从产品的需求分析到进行详细设计之前的设计过程。它包括功能设计、原理设计、形状设计、布局设计和初步的结构设计。方案设计的各个环节紧密相连，在设计过程中互相依赖，互为驱动。方案设计在产品设计过程模型中的地位及其作用如图1.1所示。可见方案设计是设计过程的初步阶段，其目的是获得足够多的有关产品的基本形式或形状的信息。图1.1方案设计的地位和作用 Fig. 1.1 The Position and Function of Structure Scheme Design 一般意义上的方案设计是指在产品的功能和原理基本确定的情况下，产品外观造型的设计过程。方案设计是根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品功能创造、功能分解以及功能和子功能的结构设计；进行满足功能和结构要求的工作原理求解和进行实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计。方案设计的过程是一个发散思维和创新设计的过程，是一个求解实现功能的，满足各种技术和经济指标的，可能存在的各种方案并最终确定综合最优方案的过程。在方案设计的过程中，要求设计人员掌握现代设计方法、先进制造技术、专业理论、商用运作等方面知识。现代化工业要求机械产品不断提高性能、缩短设计制造周期并具有柔性，以适应产品市场激烈竞争的要求，这既是机械制造业赖以生存的关键，也是当前倡导技术创新的核心。机械产品的性能，包括使用、维护和制造性能在很大程度上取决于设计过程。机械产品的设计过程往往是首先提出功能原理、其次是运动（力）设计，然后是总体运动与结构布局方案设计，最后是具体零件结构和工艺设计。有时把功能原理设计、运动(力）设计与结构布局设计统称为整机方案设计或方案设计，主要是根据机械产品应用的行业特点，实现使用功能所采取的物理、化学原理设计，相应的某些机械运动（力）设计、使用操作、外形以及结构布局设计等；而零件与工艺设计是以制造单元实现整机方案设计中的各个零件及装配细节设计。各部分设计既各有侧重、各有特点，又相互支持、相互渗透，只有统筹兼顾才能使设计方案趋于完善。整机方案的创新设计是产品更新换代或大幅度提高产品质量的最活跃因素，是知识密集、技术创新突破点多的并行过程。在整机方案设计过程中，设计人员综合应用各种知识、经验或思想和方法，产生一些新的思路或概念，包括原理、运动、结构与布局方案等，都属于创新设计【1]。如果在整机方案设计时作出了错误选择，将很难用后续的漂亮的细节设计来弥补由于机械运动方案设计是在运动单元基础上进行构思，往往主要评价运动（力）性能，较少涉及如何实现运动方案的零件结构、装配工艺性及经济性能，因而在所构思运动方案时还有一定的局限性。Welch【3】指出现有工程工具（CAD、CAE软件）只胜任几何设计任务，方案设计方法和手段需要研究是显而易见的。整机方案设计中的结构布局设计大多数是在运动（力）方案基础上进行，如果结构布局设计过于复杂或工艺性太差，有时不得不牺牲运动（力）性能以换取较好的结构与工艺性能，或抛弃所选定的运动方案重新选择，往往反复几次才能得到一个较好的整机设计方案。近年来采用并行工程进行结构布局设计有较大进展。 1.2国内外研究现状如何实现机械产品的整机方案创新设计，是否有规律可循，国内外学者对此进行了卓有成效的研究。目前主要体现在功能设计、运动（力）设计和结构布局设计三个方面。功能原理设计是为了实现使用功能所采取的物理、化学原理设计，Koller[41把整机方案设计用功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数五个设计元素分别描述和确定设计方案，但现行的功能原理设计方案往往来源于行业特点。对于运动（力）设计方案，也有称概念设计或机构设计，六十年代中期，用图论对其进行了研究。Sell【5】将寻找、选择、组合满足设计任务要求的原理解分为“构思〃，而把具体实现构思阶段的原理解定义为 “设计”阶段。Kota[6]提出了将机构概念设计进行量化表示方法，把总功能不断分解为功能子空间，每个子空间又由参数矩阵和一个运动方程表示，可以进行定性的机械运动仿真。台湾成功大学的颜鸿森171提出了颜氏创造性机构设计方法■>该方法可以系统的推导出合乎方案设计要求与约束的拓扑构造，并给出了设计方法。上海交通大学邹慧君等孙涛：机械设计中轴系的结构方案设计 [8〗应用模糊综合评价及专家系统等工具，开发出“机构系统方案设计专家系统”。哈尔滨工业大学王知行等[91运用虚拟现实技术，进行组合机构方案设计。在设计早期的设计活动以综合的观点来看主要是组合各种相关设计单元。纵观各种设计的种种设计单元都要求定性的分析机构的功能和行为。正因如此，定性推理和表达被广泛的应用在人工智能这个领域来解决概念设计问题。Kleer和Brown使用复杂机构的组合单元来定性的预演和解释机构的行为。在他们的研究中首次提出了符号运算这个基本概念。Nielsen在研究中把符号运算扩展为定性向量来动态的描述运动和力的信息。在Forbus、Falting和Sun的研究中定性向量和符号运算用来定以运动副的行为。有几篇文献在研究机构概念综合时提到了机构基本单元的概念用来识别和解释复杂机构。因为基本单元块具有实际的结构而且执行具体功能因此可以让设计者用来表示机构的功能。Kota和Chiou建立了一个基本单元库，创建了一种利用矩阵来寻求功能解的机构自动设计方法。在这些研究中它们把构型方向问题直接的或是间接在综合过程的当作了详细信息。在参考文献151中输入输出方向以矩阵的形式来表示，这个矩阵在通过一系列变换直到最后能过匹配上某个以有的基本单元。在三维空间构型领域只有有限的一些研究工作。Prabhu和Taylor提供一种方法用方位和位置信息进行系统分析。他们的方法基本是利用再生过程（插入新元素）来需求一个满足设计要求的解。因此不适合当前变换的空间构型研究。Chakiabarti和Bligh的研究产成包含基本结构的所有可能空间结构的机构。他们引入输入输出和长度向量来基本结构的空间构型信息，使用一种约束再生法把方位、认识、位置问题一个个的解决。本文所使用的三个基本向量的思路就来源于他们的研究。但是我们把三个向量组合成了一个矩阵，而且提供一种方法满足空间变换，因此能更高效的解决空间构型问题= 在设计方法学方面，Sturges通过定义功能之间的关系，使功能图的语义更加完善 [12]; Hanburg提出了设计人员交互工作的问题和在不确定状态下的决策技术；Bracewell 提出分层的信息结构，实现计算机辅助的功能载体映射。在知识表达和建模方面，Qian 通过对功能、行为、结构的表达，由交互方式在领域内产生创新方案[131: Umeda将设计知识表达为功能、行为、状态的组合关系，以产生新方案[14】；Culley建立了一个产品装配模型，以快速找出所需部件。在开发辅助工具方面，人们借助人工智能(AI)技术和数据库技术来推动设计的智能化^ Adzhiev提出面向代理的方法，有利于并行设计环境下使各种设计变量保持高度一致性；Tabel2Bendiab应用基于实例推理和机器学习的技术学习设计实例并存储起来；L i利用定性启发式搜索方法，辅助机构的概念设计[15]。在基于计算机的设计环境方面. Twente建立了一个机电一体化产品的设计支撑环境，支持多模型状态；Tom iyama利用大型数据库建立了.-个设计开发环境；Sharpe主持开发的环境着重于集成，同时利用了超媒体和超文本技术》上海交通大学机械学与设计自动化研究所邹慧君教授等人自1989年开始进行机械运动方案设计专家系统的研究，结合机械产品设计开展了较为系统的研究他们以机械运动系统作为设计的对象，用组合分类法对机构分类’建立相应的存储和编码规则，以二元逻辑推理和模糊综合评价相结合的方法建立推理机制，得出可行的方案解，开发了“机构系统方案设计专家系统[17][18]”。孔凡国将方案创新设计过程划分为两个主要阶段：基于实例功能推理的原始机械方案生成阶段和基于结构推理的方案创新设计阶段，开发了机械方案创新设计智能支持系统(\^丨〇服)叫。在这个基础上，他们还提出了功能、行为、结构的概念设计模型和基于本样体知识表达和推理相结合的方法，使领域知识和基础知识相互融合，以便产生多层次的创新解。为了使概念设计易于为企业机械产品设计人员具体应用和取得实效，他们在国内首次编写了《机构运动方案设计手册》和“机构及其系统设计” [21]，采用现代设计方法进行机械运动方案的构思、拟定和综合评价，同时按实现动作和功用将机构分类，说明其特点和应用场合，供设计人员产品创新设计时应用=同时编著了《机构系统设计》[22]，阐述了方案设计的理论和方法。华中理工大学周济教授等人的研究主要集中在基于实例的基础上，将之应用于工程中的再设计问题及实例检索与重用上[23],在相控雷达的方案设计支持系统中应用了这一方法„这种方法可以在再设计中找出相近实例。浙江大学潘云鹤教授等人，提出了基于原型的知识表示和推理方法[M]冯培恩教授提出了基于设计目录的方案选择智能方法，并将其应用到了固液分离设备当中[251。得出适当的方案原理解。同济大学王小同等将人工神经网络与传统人工智能相结合，提出智能设计系统IDS模型及其实现的关键技术。其侧重点在结构设计上，开发了机翼结构方案智能设计系统[26|« 1.3课题的研究意义清华大学M采用双向设计方法以利于实现概念设计和结构设计的信息集成。同济大学[2!!】将人工神经网络与人工智能相结合，提出机翼结构方案智能设计系统的1DS模型及其关键技术。BURGETT[®]提出基于零件装配的全局结构设计方法。ZHANG[301建立适合机构计算机集成制造的一般模型。•^[31]通过设置零件部件属性、功能及其相互关联知识库建立设计模型与表示方法;D〇wlatshahi[32]对现有并行工程的几种有效方法进行了比较和总结。1^133]讨论了装配模型、装配方案与装配设计的并行设计环境。把运动、结构布局与装配设计结合，营造创新方案并行设计的集成环境，是近年来方案创新设计方法研究的热点之一。同一运动方案可以有多种结构布局，不同行业特点要求的性能不同，如在重型机械行业，侧重于强度刚度而体积大小并不重要（曲柄多采用简支曲轴式），但在轻工行业，体积小和动力学性能好则是重要指标，而强度与刚度并不是主要指标（曲柄多采用悬臂式）。因此，在同一整机方案设计中，各部分的运动（力）性能与结构工艺性能是确定的，若在不同应用场合下，所得到的评价结果有所不同，不同的设计者评价视角不同，追求的特色也不同，这也许是工程设计多样性的魅力所在。所以，评价指标体系和评价方法要体现设计者的意图或特定行业及应用场合的特点，不能一成不变，探讨建立恰当的评价指标体系和科学的评价模型是十分有意义的课题。 1.4本文的主要工作 1) 概述了产品设计的过程与方法，分析了基于功能分解，基于实例知识的设计方法，叙述了在产品的实际设计当中，知识的存储表达与集成共享的地位和作用，并运用了基于实例的方法探讨了产品设计的过程。 2) 经过分析比较了现有的几种设计方法的特点，并结合自己的论文设计之初的一些想法，给出了本文的知识表达的方法。 3) 对设计实例与知识的表达存储上，结合工程应用实际的具体情况，构建了通用性，可扩展的数据模型，并编制了相应的辅助设计程序，实现了知识与实例的维护。 4) 给出基于实例的设计过程的模型，以减速器为研究对象，对减速器设计中的知识进行表达，并对减速器中的部件，轴的具体方案进行了设计，结果较为满意。 1.5本文的结构针对方案设计的理解以及对相关的理论技术的研究的基础之上，采用了基于实例的思想，并在讨论了轴系的结构方案的建模方法之上，对结构布局的多方案问题进行了较为细致的讨论。第一章叙述了课题的应用背景与意义。第二章对概念设计的方法学进行了较为深入的研究与分析，介绍了基于功能的设计方法和基于实例的设计方法学的相关的知识和设计流程。第三章对机械设计当中最基本的轴系进行了深入的研究，针对不同的布局方案对各个结构功能元的不同要求，对功能元进行了分类，提取了轴系结构功能元的特征属性，并建立合理的数据结构来实现特征数据的管理与维护。第四章通过数学的方法和符号的表达方法建立了轴系结构布局多方案的计算模型，并且以单一轴和单级圆锥齿轮传动为例，进行了计算，并且对比实际情况当中的应用，证明了模型的正确性与有效性。针对减速器的设计建立了基本的知识推理规则，从而确定了本文的基于实例的设计思想。第五章在建立了系统的总体设想和基础数据的基础上，运用计算机编程技术实现了软件平台的开发.并实例验证了设想的正确性《第六章部分界面展示与开发技术简介。孙涛：机械设计中轴系的结构方案设计 2方案设计的方法学理解产品设计过程，尤其对产品的早期设计的过程和特点有尽可能深入的理解是构造产品方案设计辅助工具的出发点。本章对方案设计中的结构方案设计进行了较深入的分析，建立了方案设计的过程模型，提取了设计要素，并指出方案设计的本质。方案设计的主要模块包括：功能概念设计即功能分解与功能方案设计；结构概念设计即结构布局设计，本文的主要工作就是结构布局设计。功能概念设计的解多是以矩阵、符号、简图等抽象表示的，结构布局设计其目的是使功能概念设计的逻辑解物理实体化、结构可视化；起到联结功能概念设计和下游详细设计的作用。图2.1结构方案设计与原理方案设计和细节设计的关系 Fig2.1 The Position of Structure Scheme Design within the Design Process 产品的设计是一个从无到有、从上到下、从模糊到清晰、从抽象到具体的复杂过程。由于对设计的内涵有不同的认识和对设计的理论有不同的理解，产品设计过程被描述为不同的形式，主要有以下三种：一是Pah1和Beitz认为：机械设计分为明确任务、概念设计、技术设计和施工设计等四个阶段。二是Koller认为：机械设计分为产品规划、功能设计'定性设计和定量设计等四个阶段。三是邹慧君教授提出：机械设计分为产品规划、方案设计、详细设计和改进设计等四个阶段。不管如何划分，都要解决做什么的问题，怎么做的问题，具体怎么做的问题，将设计结果转化为各种文件输出的问题。在上述产品设计过程中，概括起来说，设计的主要步骤是两步：一是概念设计，另一是构型设计。前者的目的是制定设计方案，而后者的目的是设计出具体的产品构型。其中概念设计是产品设计中的重要阶段，是整个进程中最终决定产品技术经济效果的关键阶段。 2. 1方案设计的方法学方案设计过程是对设计思维规律的直接体现，可理解为一个完整的设计思维流。方案设计过程建模是为了将产品设计过程中最前端的、最有创造性价值的、又最不确定的设计过程进行抽象并加以模型化、规律化，从而实现对一个有效的、顺利的开发过程实行监控。方案设计过程模型主要提供时间约束信息和信息传递关系信息，它是对方案设计深刻内涵的一种表达和提炼，同时它也可对方案设计产生正确而深刻的理解，为开发产品方案设计过程的计算机辅助支持工具打下坚实的基础。设计过程的公式化是对设计过程进行优化和计算机辅助的前提条件。通过设计过程的系统化，可将设计思维过程条理化、层次化，分清哪些工作必须由设计者完成，哪些工作可由计算机完成，从而能够对必须经设计者思维加工的部分设法给予引导，对于可由计算机自动完成的部分利用计算机较容易地来完成。同时，设计者的创造性不应该受到限制，而应通过系统得到优化和辅助，除了传统的过程描述之外，还可以通过使用基本知识库，通过信息准备和设计评价来辅助设计者。计算机辅助方案设计的过程模型一般都是基于各种设计方法学的基本理论》设计方法学为产品的开发建立了连续的设计过程及其逻辑学，给出了设计过程的通用的抽象化方式的描述。根据不同的设计方法学的理论，设计的过程也有所不同。下面主要介绍两种设计方法学理论。 2.1.1基于功能分解的设计基于功能分解的设计过程要产生多个可能的解，经过分析、比较与评价，确定一个较好的解，基于该解完成后续的设计内容《是一个从抽象到具体、从定性到定量的过程。设计的一般性步骤是：从产品需求目标的抽象和总的定性功能的分解和综合开始，接着是寻找各定性分功能的可行解，并加以综合，形成定性功能结构方案，然后通过定性功能的量化，做出完全满足功能需求的方案粗略草图，并分别进行技术综合评价，选择最佳方案。不难看出，这种设计过程模型与普适设计方法学的设计思路是一致的，普适设计方法学正是对这种设计思维过程的一般的、与产品无关的抽象概括。可以看到，这种概念设计的整个过程是以功能为核心进行分析和综合的，在此我们称之为基于功能的设计过程模型M[35]。该方法依据了“以问题为中心”的设计思想，通过对问题(如用户需求)的抽象，产生一系列可能概念，即多个解，经过评价确定一个解。该策略特别适用于新设计，即产品或部件的核心技术采用了全新的原理。工程设计领域中的很多理论研究结果均适用于该策略。抽象化具体化原理解设计任务重新定义整体居理方案评价与决策 S隹原理方案有縮解图2.2基于功能分解的设计过程模型 Fig 2.2 The Design Module Based on Function Analyzation Fig 2.2 The Design Module Based on Function Analyzation 2.1.2基于实例的设计设计过程中只产生一个解，经过修改、完善与评价，如果该解是一个较好的解则进行后续的设计，反之，产生一个新解，一直找到一个较好的解以产品为中心”的设计思想，即待设计产品的一个概念是在对已有产品的工作原理进行分析、总结的基础上提出来的。该策略特别适用于适应性设计及变参数设计。适应性设计是在给定功能和形状相适应的基本条件下，对个别单元进行修改。变参数设计是在所有的单元的功能结构以及布局安排己经给定的情况下，对个别单元的形状和尺寸大小进行修改。设计任务抽象異箱法功能要求 I 功能分解约東参丨集功獅 f K 实例参*比铁存在茅澹 -畺相似实例查找实洌否实H微与•整 »设^1■方案 SI足设计要求- > 麟试计方案- 并添加n实例库改重找实例否实拥集图2.3基于实例的设计过程模型 Fig 2.3 The Design Module Based on Cases 企业的设计人员往往按第二类策略开发新产品，他们认为这种策略既能体现时间竞争的要求，又能最大限度的体现他们以往的设计经验。依据第二类策略进行理论研究正成为工程设计领域中的又一重要方向。由于该类研究的思路与企业设计人员的设计思路相同，很容易被接受，因此研究成果被企业应用的可能性更大而对工程设计的理论研究大多依据第一类策略进行，也许用这些理论成果去指导设计更为有效。但企业的大多数设计人员不能跟踪理论研究的发展，或不愿接受第一类设计策略，使得这些理论的大量研究结果不能在新产品开发中得到广泛应用。因此采用何种方法将两种策略有效的结合，使得设计人员在使用第二类策略的同时，自觉或不自觉地将第一类策略的研究成果运用到设计过程中，成为我们研究的重点之一。大连理工大学硕士学位论文 2. 2方案设计的特点 2. 2.1方案设计的实质在方案设计阶段，产品各要素处于一种抽象、模糊的离散状态。这种状态既导致了设计的复杂性，同时也导致了产品的可塑性，给设计师提供了一个广阔的设计思维空间。产品的方案设计过程中，自由度是整个产品开发过程中最大的。自由度大，对设计人员的约束相对较少，不确定因素多，创新的空间较大，设计的知识相应也较少，是最可能发挥创造力的时候。而到设计后期或制造阶段，则要考虑到各种客观情形如产品的材料、工艺、成本等，从而大大约束了创意思维的发挥，使得产品的创新难以得到体现。因此产品的方案设计是产品设计过程中最重要、最复杂，同时又是最活跃、最富创造性的设计阶段。可见t其本质是创造和革新，也即创新。而创新的源泉从本质上来自于人类的智慧。产品的创新不仅需要设计人员有丰富的除了专门领域知识以外的设计知识和经验，需要有对问题的综合能力，更大程度上依靠的是非计算性的人类智能如灵感、顿悟、直觉等来完成。这些难以用算法表示的创造性设计思维活动，将贮存在大脑中的各种信息加以重新分析和组合，形成新的联系，来满足设计的需要。产品设计的目的是为了满足人类的需要，方案设计应是人性化的设计，近来涌现的诸如绿色设计、定制设计、敏捷设计、并行设计、全生命周期设计、创新设计等方法，其本质目的也在于通过设计营造一个人性化的环境，满足人们个性化和多样化的需求。只有让用户全程参与方案设计、设计师挖掘用户潜在需求并超越用户导向的设计，才是最能创新的设计。因此，其本质在于设计的人性化和创新性，是用户全程参与方案设计、设计师超越用户导向的产品创新设计。创新性和人性化是设计的灵魂。 2. 2. 2方案设计特点 (1) 创新：创新是设计的灵魂。只有创新才有可能得到结构新颖、性能优良、价格低廉的富有竞争力的机械产品。这里的创新可以是多层次的，如从结构修改、结构替换的低层次创新工作到工作原理更换、功能修改和增加等高层次的创新活动都属于概念设计的范畴。在众多设计路径所产生的设计结果中，将产生一组可行的“新”方案。 (2) 多样性：方案设计的多样性主要体现在其设计路径的多样化和设计结果的多样化。不同的功能定义、功能分解和工作原理等，会产生完全不同的设计思路和设计方法，从而在功能载体的设计上产生完全不同的解决方案。 (3) 层次性：一方面，设计分别作用于功能层和载体结构层，并完成由功能层向结构层的映射。如功能定义、功能分解作用于功能层上，而结构修改、结构变异则作用于结构层，由映射关系将两层连接起来。另一方面，在功能层和结构层中也有自身的层次关系。 -11 ■ 孙涛：机械设计中轴系的结构方案设计例如功能分解就是将功能从一个层次向下一层次推进。功能的层次性也就决定了结构的层次性，不同层次的功能对应不同层次的结构。 (4) 不良结构性：表现为产品信息是定性的、不精确的、不确定的、不完整的、不一致的。 (5) 抽象性：方案设计所涉及的设计对象和设计概念不同于详细设计阶段的对象和概念，相对更抽象。表现在：1)产品的几何细节不重要，甚至可以忽略；2)与功能和行为无关的其他属性被忽略；3)设计对象更多是词汇意义上的表示，其具体外延尚需确定。 (6) 经验性：在工程实际中，设计人员通常是依据以前的设计经验来完成当前的设计, 并不是每次都从头开始。产品的设计往往是从设计人员所能获取的设计经验开始的，设计人员根据自己的设计经验，或者参考他人的设计经验来生成和评价设计方案。当所能得到的设计经验少到不足以直接产生一个设计方案时，设计人员更多地是对以往的设计经验进行加工，模仿推理以产生创造性的设计方案。设计人员对以往设计经验的获取和使用处于较低的层次，可以称之为经验的直接引用。此外，研究人员还从不同的研究领域或角度总结出了概念设计所具有的其他一些特性，如综合性、艺术性、多目标性、反复迭代性等等。 2. 3布局方案设计与方案设计的关系在对设计方法学进行了详细阐述的基础上，接下来我们讨论一下结构布局方案设计与方案设计的关系，从而可以更好的理解结构方案设计的目的和其重要意义，可以从下图中看出： CAD 图 M 输功歡 Z翻方 /结构方 /细节设 1案设计案设计 it 图2.4结构设计在整个设计流程中的地位 Fig2.4 The Position of Structure Design in the Whole Design Process 运动原理方案设计是设计过程的第一步，原理方案的创新是实现产品创新的关键。计算机辅助概念设计（CACD)的研究以及开发就应运而生了。CACD系统的根本目的就在于能有效支持产品的创新设计。在设计早期应用CACD系统至少有以下好处：能满足概念设计师的各类特殊需求，能有效提高设计的质量，能更为简捷地生成设计对象，能提供一个进行信息交流和对象评价的更好的平台，可以避免因设计失败而造成的浪费。 2. 4本章小结本章主要阐述了方案设计的相关知识，首先分析了产品设计的过程、策略和方法，指出方案设计在产品设计中的重要性，随后探讨了设计的过程模型，提取辅助设计者的方案设计要素，以期对计算机辅助设计提供支持，最后对方案设计的特点进行了讨论，并得并且着重指出了结构布局方案设计在整个设计流程中所处的地位以及与上游运动原理方案设计和下游结构细节设计的关系。 3结构功能元及其特征属性 3. 1基本功能要素 3.1.1功能元的定义机械产品的概念设计内容由以下三部分组成： ① 功能抽象化：把市场需求和用户要求通过计算机分析，进行功能抽象，突出任务核心和摆脱因循守旧，有利于找出新颖的方案； ② 功能分解：将功能进行分解，使其得到合适的的若干子功能，分解过程也是创新过程； ③ 功能结构图设计：将各子功能的相互关系确定后，进行功能结构图的构思和设计。图3.1有向图 Fig.3.t The Digraph ofRecuder 图3.2单级圆锥齿轮减速器 Fig.3.2 The Bevel Gear Reducer 机器是由许多零件按特定关系组合而成用以实现客户需求的大系统，客户需求通常转化为设计功能，通过寻找满足功能的结构元件完成方案设计过程。比如：用来完成支撑功能的功能元有滚动轴承集；用来完成传递运动的有齿轮副集；用作紧固功能元有螺栓集都是各个类型的功能元，

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