摘要：以系统化设计理论提供的概念设计过程为框架,将公理设计、功能基和效应集成,形成SAFE 集成型概念设计过程模型,用于在概念设计阶段确定满足需求功能的原理解。该模型既适用于新产品的概念创新,也适用于已有产品的改进设计。快速切断阀的概念创新设计实例表明了上述模型的有效性。
    关键词：概念设计；系统化设计；公理设计；功能基；效应

5 SAFE 集成型概念设计过程模型

概念设计的主要任务是产生满足需求功能的设计方案。系统化设计理论、公理设计、效应、功能基等设计理论可用于概念设计过程中问题的求解。以系统化设计理论中概念设计过程为框架,将其他设计理论集成,形成SAFE 集成型概念设计过程模型,如图6 所示。公理设计用于功能模型的建立及其合理性的判断和解的评价;功能基用于控制功能分解是否结束;效应用于确定实现功能的原理解。该模型使不同的设计理论协同工作,提高了设计工作的效率。

模型应用过程如下:

(1) 确定设计任务并抽象出产品需求功能;

(2) 利用“之字形”映射变换建立功能层次模型和设计参数层次模型;

(3) 利用基于FEE 模型的效应知识库确定实现功能元的原理解;

(4) 利用功能基控制分解过程是否结束;

(5) 利用功能独立性公理判断各功能模型是否合理;

(6) 利用形态学矩阵将各原理解结合成系统原理解;

(7) 利用信息量最少公理确定最优原理解

6 工程实例

快速切断阀是高炉煤气余压回收透平发电装置中的关键配套设备,如图7 所示。快速切断阀驱动装置存在能耗大、闭合行程末端动力不足、结构尺寸过大等问题,需要进行改进设计。

根据功能基理论提供的规范功能元组,确定快速切断阀驱动系统的功能要求以及与功能要求相对应的设计参数为:

FR1 :提供动力　　　DP1 :动力装置

FR2 :传递动力　　　DP2 :传输装置

FR3 :控制动力　　　DP3 :控制装置

设计参数和功能要求之间的关系为:

FR11 :提供闭合力　　DP11 :闭合装置

FR12 :提供开启力　　DP12 :开启装置

设计参数FR1 和功能要求DP1 之间的关系为:

两方程中矩阵均为三角阵,满足功能独立性公理,说明快速切断阀功能模型是合理的,要解决存在的问题需选择新的原理解。

为获得实现功能的原理解,可检索效应知识库, Invention2Tool 软件提供的效应见表3 。形态学矩阵将各原理解结合为系统原理解。信息量最少公理确定最优原理解,如图8 所示。改进后的驱动系统采用电磁驱动装置,控制线圈中的电流可以产生不同的磁场,并与动力弹簧配合使线圈内部的铁芯以不同的速度向不同的方向运动,驱动阀板实现慢开、慢关、快开和游动动作。

7 　结论

在分析系统化设计理论、公理设计、功能基和效应的基础上,利用系统化设计理论所提供的概念设计过程框架将其他的设计理论集成,形成SAFE 集成型概念设计过程模型,使不同的设计理论协同工作,使设计过程更加合理,提高了设计工作的效率。该模型既适用于新一代产品的概念创新,也适用于产品的改进设计。工程实例表明了上述模型的应用是有效的。

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