产品设计分为设计哲学、设计理论与方法和应用三个层次[1 ] 。设计理论与方法的研究是将设计哲学思想或设计实践变为能指导应用的设计过程,系统化设计理论[2 ] 、公理设计[3 ] 、发明问题解决理论[4 ] 等都是该领域著名的研究结果。虽然这些理论在工业界得到了应用,但由于产品类型太多,已有模型只能较好地适用于某些产品或特定阶段的设计,目前还没有一种公认的广泛适用的设计过程模型[5 ] 。

将不同设计理论与方法或其中的部分集成形成新的设计过程模型,是设计方法学领域的发展趋势之一。文献[ 6 ,7 ]提出以系统化设计理论为框架集成TRIZ 的创新策略。通过集成,不同方法中的优点得到加强,使设计过程更加合理。

下面在分析系统化设计理论及其它设计理论的基础上,运用系统化设计理论( SAPB) 将公理设计(AD) 、功能基( Func2tional basis) 和效应( Effect) 进行集成,提出一种新的集成型概念设计过程模型,称为SAFE 集成型概念设计过程模型。
1 　系统化设计理论
系统化设计理论将概念设计分为抽象并确认基本问题、建立功能模型、寻找工作原理、选择合适的组合、形成不同的原理解、评价并确定原理解几个步骤[2 ] 。系统化设计理论对概念设计每一步骤都规定了任务及特定的工作结果,提出了概念设计过程框架。但系统化设计理论中功能模型的建立主要依据设计人员的经验,对于功能模型是否合理,分解过程何时结束,实现功能元的原理解如何确定等问题没有提供理性的方法,因此还有继续研究并不断完善的空间。
2 　公理设计
公理设计理论认为产品设计过程就是相邻的两个设计域之间进行“之字形”映射变换的过程。概念设计过程可表述为功能域到结构域的映射,如图1 所示。经过“之字形”映射变换,建立了功能层次模型和设计参数层次模型,以及功能要求和设计参数之间的关系。

公理设计利用设计公理判断设计合理性及最优化。两条公理的内容如下:
公理1 : (功能独立性原理) 维护功能要求之间的独立性。公理设计用公式的形式来描述功能要求( FR) 和设计参数( DP) 之间的关系:

如果设计矩阵为对角阵,表明功能要求通过设计参数可以满足其独立性。如果设计矩阵为三角阵, 设计参数必须按某一适当的顺序排列才能满足独立性要求。按公理设计理论上述两种设计是合理的。如果设计矩阵为一般阵, 说明功能要求与设计参数之间存在耦合,即设计中存在冲突。公理1 提供了一种判

断功能模型合理性的方法。

公理2 : (信息量最少原理) 设计包含信息量力求最少。

公理2 指出最好的设计应该是设计参数能最大限度满足功能要求的设计,它是用来对设计进行评价和比较的相对检测方法。根据公理2 的要求,在设计中应当尽量简化设计工作和建立数学模型,以减少设计中各种因素的影响。公理2 提供了一种选择最优方案的方法。

3 　功能基

功能模型的建立是通过对用户需求的分析确定总功能, 将其分解为分功能、功能元的过程。功能元与已有部件或子系统对应,或较容易实现。功能模型的建立提供了一种分别处理功能元的具体方法,使抽象的、复杂的设计问题能够实现。

在功能分解过程中, 功能元是一模糊概念, 分解过程是否结束主要取决于设计者的经验。抽象出一组功能作为功能元集对功能分析有普遍的指导意义。功能基是在价值工程的基础上,并参考以往关于功能的研究成果提出来的一种用于建立功能模型的通用设计语言。文献[8 ] 对功能的有关概念进行了重新定义:

(1) 产品功能:以动词- 名词形式描述产品总任务的输入/输出关系。

(2) 分功能:以动词- 名词形式描述产品分任务的输入/ 输出关系。

(3) 功能:元件或产品的一个操作。功能用动词表示, 分为类功能和基本功能,见表1 。