03-设计的本质、现状和再思考幻灯片
机械设计基础II -设计的本质、现状和再思考朱爱斌博士 西安交通大学机械工程学院 *设计的本质n设计是在要达到什么 和我们要如何达到它 之间的互动。n因此，一个严格的设 计必须由一个明确的 说明“我们要达到什 么”开始和以一个清 楚的描述“我们将如 何达到它”结束。nDesign Everything： 有没有不需要设计的 东西？nDesign Right thing VS Design thing Right设计过程新产品开发是一个从“需要什么功能”到 “如何达成此功能”的映射 设计正确的产品(选择具有创新的产品功能需求) 正确地设计产品(提出有创造性的产品设计概念) 详细工程技术设计(制订最佳的工程技术及生产规格)用户偏好自然物理学功能指定(市场)(技术)(市场-技术)什么?如何?如何?市场需求功能需求设计结构生产参数谁?为什么?概念设计细节设计功能指定(1)(2)(3)什么?一个实例n背景：2002年4月18日，加拿大部队正在阿富汗南部的坎大哈市 以南的基地进行夜间实弹演习。突然，一架美军的F-16型战斗机 飞临上空，对准加拿大军队投下一枚重达227公斤的激光制导炸 弹，当场造成4名加拿大军人死亡，8人受伤。n分析：让飞行员克服长时间远程奔袭疲劳，在飞行时保持清醒状 态，美国空军要求飞行员在执行战斗任务时服用安非他明(冰毒) 。这两名飞行员在向地面的加拿大部队投弹射击时，正处于服用 安非他明后的精神高度亢奋时刻。n问题分析：矛盾分析，服用药品来在飞行期间保持清醒状态，同 时过于亢奋，影响战斗的决策能力，同时造成药物依赖和成瘾的 问题n中国军队在长途运输军车的驾驶员疲劳问题的解决方案：n大家讨论设计的现状n设计的成功n把人送上月球 1969年 壮举 VS 骗局n把空间探测器送到火星n.n设计的失败或者缺陷n挑战者号的失事 1986年1月28日n哥伦比亚号航天飞机的失事 2003年2月1日n.n设计的成功或者失败n中国核潜艇，1974年竣工，88年才战斗值班登月火星探测器火星探测器“勇气号”2004年1月4日登陆火星挑战者号失事n尽管在发射前夕有宇航工程师再三 发出警告：不要在寒冷的气候中发射，否则低温环境下容易使O型密 封圈失效。n助推火箭由4节组成，每两节之间由 钢钉铆牢，再由两道合成橡胶密封圈密封起来。“挑战者”号发射时气 温只有7，而橡胶密封圈的在19 以下就开始减弱弹性。由于密封圈 弹性减弱，不能封住航天飞机发射 时巨大压力，在火箭两节钢套接缝 处留下缝隙，致使固体燃料燃烧后 产生的火焰从缝隙处冒了出来，摄氏3000多度的火舌越窜越长，后来 吞没了外部燃料箱，因此引起了爆 炸。n调查委员会确认，“挑战者”爆炸是 由于右侧固体火箭助推器连接处因 设计上的缺陷和气温过低，密封垫 圈失效引起的。 哥伦比亚号失事哥伦比亚号左翼上的裂纹哥伦比亚号起飞2003年造成“哥伦比亚”号失 事的直接原因是航天飞机外挂 燃料箱外表面脱落的一块泡沫 材料撞击航天飞机左翼前缘的 热保护部件形成裂孔，当航天 飞机重返大气层时，超高温气 体从裂孔处进入机体，造成航 天飞机解体。核潜艇中国核潜艇n1959年，“核潜艇一万年也要搞出来”n1964年，原子弹爆炸n1966年，在滇池开始研发模型n1967年建造，74年竣工n美国、前苏联的经验n我们的教训-核反应堆主泵泄漏， 高温高压高剂量的 放射性物质泄漏、噪音太大n目前“长征1号”和“长征2号”几乎已处于瘫痪状态，长 年停靠在码头。n1988年，我国战略核潜艇水下发射洲际导弹成 功，正式进入战斗值班n74-88年，14年形成战斗力设计缺陷的后果n危险，浪费金钱，限制产品的用途和延误 新产品的应用；n许多产品被召回。一些产品的保修成本在 销售价中占很大比重；（各种召回）n设计不良的装备需要维修，浪费宝贵的时 间，有的失效导致财产甚至生命损失；n许多构思和设计不良的开发项目遭受严重 推迟，超支，在有些情况下完全失败；设计缺陷的原因n设计依然是在试错的基础上靠经验来做的；n这个问题并不限于某个国家或某个公司，它到处存 在；n教育中缺乏通用化的、规范化的和系统化的设计知 识；n设计却曾经被认为是不能用科学办法处理的主题；n设计被认为是依靠直觉和天赋理由而不是科学的研 究；n设计领域中最大的挑战之一就是去克服这种接受设 计是一个艺术主题而不是一个艺术及科学主题的观 念；谁是设计师？n机械工程师们经常设计产品，因此当他们讲到设计时，他们通常是 指产品设计。n制造工程师们把设计想成是新的制造过程和系统（即工厂和制造单 元）。n电气工程师们，设计意味着开发模拟或数字电路，通讯系统和计算 机硬件n系统工程师们则把设计理解为技术系统或组织系统，其中许多部分 必须共同工作并形成一个达到预定目标的系统。n软件工程师，认为他们主要的工作是写计算机代码，但是除非首先 设计好软件的构架，他们难以生成好的软件n企业的经理们则在设计组织机构以达到组织机构的目标。n在一个小范围里，室内装饰设计师为住宅或建筑能产生良好情调而 选择和布置家具以及装饰事项。n你所在城市的市长也必须设计一个有效及有影响的政府机构，并且 制定战略规划以达到他对城市的设想。产品设计的重新认识产品设计的重新认识n先解决什么问题？n体制管理技术n与发达国家的差距在什么地方？n制造工艺设计n到底谁重要？n经验 VS. 理论n制造业企业竞争战略？n规模效益价格质量对市场的快速响应产品设计的重新认识n先解决什么问题？n体制管理技术n管理：n设计人员最喜欢的过程和结果是什么？n推动力、执行力n管理：人治 VS 法制n邓稼先-核武器研究院院长-两弹元勋n每周组织一次学术讨论会，无论是前辈权威，还是初出茅庐的后生， 人人都可以发表见解n善于倾听别人意见，从不以势欺人，每当出现新问题，他总是把大家 召集在一起，不论地位高低，共同进行民主讨论。n例如：有关氢弹实战化的问题上-是否从小型氢弹到实战用氢弹可以省 掉两次热试验nIPD 集成产品开发模式nIntegrated Product development产品设计的重新认识n与发达国家的差距在什么地方？n制造工艺设计n分析n2003年，我国进口金属加工机床41.3亿美元， 而同期出口金属加工机床仅为3.79亿美元，占 进口的1/10n2005年，我国金属加工机床进口64.96亿美元 ，同期，金属加工机床出口8.21亿美元。n国外机床平均无故障时间（MTBF）都在1000 小时以上，而国产的大多在500小时徘徊。产品设计的重新认识n分析n工艺是企业的Knowhow，是企业的看家本领n歼10：“深孔内双键槽精密加工”n歼10前起落架的制造材料是一种超高强度材料，机械 加工难度很大。按设计要求，前起落架某部位上，需 在直径不到100毫米、长度近1000毫米的深孔内加工出 一对相间180度的键槽，槽的精度误差只允许0.03mm 。这就是被称为前起落架加工第一关的“深孔内双键 槽精密加工”。n成飞：提出了用车床磨键槽的想法，成功制造了“磨 削动力头”，经在车床上安装试用，解决了键槽对称 度要求的问题产品设计的重新认识n最重要的差距在于设计？n成本影响，利润来源n产品设计阶段的投入只占产品总成本的约 5%，而设计过程所做的决策几乎决定了产 品全部成本的约70%。n产品的结构、性能、质量 (全面满足用户要 求)、成本 (全成本)、交货时间 (含新产品开 发时间) 以及可制造性、可维修性 (含产品升 级) 以及人、机、环境关系等等, 原则上都是 在产品的设计阶段确定的。利润来源n制造业的利润主要来自于品牌价值、核心技术、 知识产权、设计、高技术零部件、物流等环节。 我国制造业目前还主要集中在来料加工的阶段， 这一点在电子工业上表现尤为突出，许多产品的 核心技术和知识产权并不掌握在我们手里，因此 附加值和利润率都很低。n硅谷中国台湾新竹东莞之间的电子工业产业分工，其利润率按25%15%5%的比率递减。n硅谷：研究和开发新技术，进行设计n台湾：利用技术和设计来整合开发产品n大陆：生产零配件，组装产品 如东莞n个人电脑产业的利润等级n操作系统-数据库系统-应用软件nCPU-内存主板硬盘-外设产品设计的重新认识 -实例分析：中国造船业n设计落后拖中国造船业后腿n2003年：605万吨，11.8% ； 2004年：800万吨，15n2007年中国造船完工量达到1893万载重吨，占世界船舶市场23%的 份额，新接订单量占世界船舶市场份额的42%，居全球第一。n问题？自身重量普遍高于国外同类产品，有些船型 的自身重量10万吨，要比日、韩船厂多出1000吨左 右n船舶自重增加，意味着建造和使用成本增加。按 我们80的利用率计，这1000吨意味着船厂至少 要多买1200吨至1300吨的钢材；此外船厂还需要 切割、加工、焊接、安装，总共大概需要增加成 本近千万元。同时对于船东来说，船舶的载货量 将减少1000吨，而且其影响是20年或25年。产品设计的重新认识 -实例分析：中国造船业n分析？n1、在成本意识和安全意识上很难找到一个最佳 平衡点，往往把安全系数取大，较少考虑到这 个系数取大会增加船厂多少成本；n2、计算的手段跟国外先进公司比有差距：一块 钢板的厚度：12 14 16mm？n3、在布局上也有差距，国外公司的设计往往把 不能装货的空间压到最小n总体水平大致与日本差距是15年，与韩国差距 是10年n解决？n设计软件、 CAE分析计算系统，应力状况、流体力 学，成本意识产品设计的重新认识n到底谁重要？n经验 VS. 理论传统产品设计实例：尖底陶瓶n汲水容器，它能 够利用浮力与重 心的概念使水能 自动的填充n而发明的当时并 还未发现浮力与 重心这两种定律 。 尖底陶瓶滚齿凸轮机构n达芬奇(Leonardo da Vinci)在十五 世纪时发明n它与目前使用的 “滚齿凸轮机构” ，有着相当的类 似滚齿凸轮机构产品设计的重新认识n制造、工艺领域，如江南造船厂的老焊工n油印机(爱迪生,1886) VS.静电复印机 ( 切斯特.卡 尔森,1938)n经验？偏见？传统？不冒风险？n设计中的试错法n迭代地、经验地、直觉地设计n随意性较大，错误的概率较高n心理学解释n基于系统化知识的设计n增加科学的，定量化的成分n通用化的、规范化的和系统化的设计知识n态度：不可偏废制造业企业竞争战略n制造业企业竞争战略？n规模效益价格质量对市场的快速响应n60708090年代n前3个已是工业发达国家实现了的目标， 第4个正在实践，且效果明显。n当前的竞争环境已不允许我们用30年的时 间去重复工业发达国家走过的路，应并行 地实施4个阶段的任务。国际制造业的发展趋势n由实体制造向“虚拟制造”转变n由实体制造向“虚拟制造”转变是国际制造业在信息 技术推动下产生的显著变化。虚拟制造只有在信息 技术充分发展的条件下才能进行。n虚拟制造凭借先进的信息传播手段和无形资产去整 合别人的资源、别人的力量，以其独有的核心能力 进行整体策划或资源调配，就能实现其战略构想。n如美国著名的耐克公司：自己只生产耐克鞋关键的 气垫系统，其余全由外部加工制造商提供。凭借其 独特的设计能力，耐克公司将主要精力集中于新产 品的研发和市场营销上，通过无形资产输出，在全 球范围制造和销售耐克牌运动鞋，其产值连年以 20% 的速度递增。国际制造业的发展趋势n由完全制造向网络化总装制造转化n网络提供了制造商和加工厂之间的最短路径连接 和最快速度成交的现实可能性。n利用这一优势，制造业在全球范围内建立零部件 的加工基地，自己负责产品的总装与营销的经营 模式，近年来获得了飞速发展。n如波音747飞机的450万个零部件就来自近10个国 家、1000多家大企业、15000 多家小企业。n由英国总装生产的汽车：其发电机来自瑞典；控 制设备来自德国；底盘、弹簧来自美国；车身来 自意大利。网络已经成为其过程控制的调度、指 挥和控制中心。国际制造业的发展趋
