1 引言
对产品设计的过程、规律进行研究一直是产品设计方法学的主要内容,研究成果将会大大改善产品设计质量、减少设计失误和缩短产品开发时间。多年以来,为改变传统设计过程以经验为基础进行演绎、归纳的现状,设计界一直在探索以科学原理为基础的设计理论,以求提高设计效率。目前,在学术界影响比较大的是公理化设计理论(axiomatic design, AD)和创新问题解决理论(TRIZ)*。对二者进行了分析比较,探讨了其内在的联系和区别,在此基础上,建立了一个产品概念设计过程集成模型,并给出了应用案例。
2 公理化设计理论概述[1,2]
公理化设计是由美国MIT的Suh教授于20世纪70年代提出的一种设计决策方法,在文献[2, 3]中, Suh教授详细地阐述了公理化设计的基本内容,目的是通过为设计者提供基于逻辑和理性的思维方法和工具,指导设计者在设计过程中做出正确的决策。其主要概念包括域、层级、曲折映射和设计公理。
2.1 域、层级和曲折映射
在AD中,域是区别不同设计活动的界限,设计空间被划分为依次相邻的4个域:用户域、功能域、结构域和过程域,如图1所示。相邻域之间,左边表示设计目标,右边表示实现目标的手段和方法。用户域描述用户的需求,即用户需求属性(customer needs, CNs);功能域表示产品所要实现的一系列功能需求(functional requirements, FRs);结构域表示满足功能需求的设计参数(design parameters, DPs);过程域是制造过程中工序和工艺的变量集合(process variables, PVs)。在AD中,产品的设计过程被描述为以顾客需求为驱动的,从功能域到结构域再到过程域的反复迭代和映射过程。
层次结构是指公理化设计中某域的层次结构树。公理化设计的层级展开需要相邻域之间自上至下地进行曲折映射变换,充分考虑两者之间的相互关系,域间的层级展开具有相互依赖性。最终结果得到不同层次的功能要求、设计参数和工艺变量组成的层次结构树,它非常清晰地描述了各个设计域的工作目的。
2.2 设计公理
为了对设计方案进行分析和评价, AD给出了两个基本设计公理:独立公理和信息公理。
2.2.1 独立公理
2.2.2 独立公理是指保持功能需求的独立性,即在功能域中一层分解得到的功能需求集{FR}中的元素要相互独立,某个具体的设计参数DP调整满足其对应的而不影响其他的FR。FR和DP的映射关系可表示为:
{FR} =A{DP} (1)
式中{FR} =FR1┇FRn; {DP} =DP1┇DPn;A为设计矩阵,A=A11…A1n… … …An1…Ann,其中Aij=FRiDPj。
满足独立公理的设计矩阵A有两种典型形式,即对角阵和三角阵。当A为对角阵时,称为非耦合设计,是理想设计;当A为三角阵时,称为准耦合设计。若A为其他一般形式,则是耦合设计。非耦合设计和准耦合设计满足功能独立性公理,耦合设计不满足功能独立性公理,必须进行解耦处理或重新设计。
2.2.2 信息公理 信息公理指出满足独立公理的多个设计方案中,信息量最小的为最优方案。信息公理为设计方案的选择提供了定量的计算方法, 使选择最佳设计成为可能。在AD中,每个功能需求FRi被看作一个随机变量,信息量Ii是满足功能需求FRi实现的概率Pi的对数函数,即
Ii= lb1Pi=-lbPi
(2)当有n个功能需求时,由于功能需求的独立性,系统的信息总量Isys可以表示为
