第2章 产品设计理论与方法

2.1 设计方法学概述

各国在设计方法研究过程中，发展了“设计方法学（Design Methodology）”这门学科，从而使它成为现代设计方法的一个重要组成部分。设计方法学是以系统的观点来研究产品的设计程序、设计规律和设计中的思维与工作方法的一门综合性学科。它所研究的内容包括：

（1）设计过程及程序 设计方法学从系统的观点出发来研究产品的设计过程，它将产品（即设计对象）视为由输入、转换、输出三要素组成的系统，重点讨论将功能要求转化为产品结构图样的这一设计过程，并分析设计过程的特点，总结设计过程的思维规律，寻求合理的设计程序。

（2）设计思维 设计是一种创新，设计思维应是创造性思维。设计方法学通过研究设计中的思维规律，总结设计人员科学的、创造性的思维方法和技术。

（3）设计评价 设计方案的优劣如何评价？其核心取决于设计评价指标体系。设计方法学研究和总结评价指标体系的建立，以及应用价值工程和多目标优化技术进行各种定性、定量的综合评价方法。

（4）设计信息 设计方法学研究设计信息库的建立和应用，即探讨如何把分散在不同学科领域的大量设计信息集中起来，建立各种设计信息库，使之可通过计算机等先进设备方便快速地调阅参考。

2.2 技术系统及其确定

2.2.1 技术系统

设计的目的是为满足一定的功能需求。完成某个特定功能或职能的各个事物的集合，简称为技术系统。技术系统一般包括以下四个组成部分：系统单元、系统结构、边界条件、输入和输出的要素。

系统单元是完成某种功能而无需进一步划分的单元，即系统相互联系和作用的基本组成要素。

系统结构反映着系统内部各个单元之间的关系，即相互联系和作用的连接形式。系统只有通过结构才能实现其总功能。然而，不同的结构既可完成不同的功能，也可完成相同的功能。

边界条件是系统与外部环境的作用界面，通过这种界面可以明确分析设计对象的范围。但是，界面又是相对的，可以因分析研究的具体要求不同而异。确定边界的主要依据是：在所研究的具体条件下，当该单元发生变化时，看是否对系统功能产生决定性影响，看是否应当把某个或某些单元包括在系统的内部。例如，在研究一项工作时，时间、地点、资源条件、人员的工作能力等是系统内部的组成单元；但当考核个人的工作能力时，学历、经验、技术水平等才是系统内部的组成单元，而上述的时间、地点、资源条件等因素则成为外部的环境要素。同时，根据与环境有无一定的联系，系统又可分为封闭的和开放的。封闭系统与环境无联系，开放系统受环境的影响。

系统的行为通常表现为它与其外部环境的相互联系和作用，可以用该系统的输入和输出来表征。

我们分析的都是工程技术系统。一般地说，它的处理对象是能量、物料、信息等。所以，可以用图2-1来表达工程技术系统的示意图。

图2-1 工程技术系统

技术系统可以视为三种流的处理系统，即能量流、物料流和信息流。主要传递信号流的技术系统称为仪器，主要传递能量流与物料流的技术系统称为机器。机器又分为机械和器械，其中机械以能量流和能量变换为主，如电动机、汽轮机；器械以物料流和物料变换为主，如加工中心、管道运输系统等。

作为输入的能量流，可以是机械能、热能、电能、化学能、光能、核能等能量流，也可以是它的某一具体分量，如力流、转矩流、电流等。例如，作为一个技术系统，内燃机的功能是将输入燃料的化学能流转换为机械能流，核电站的功能是将核能流转换为电能流。

作为输入的物质流，可以是气体、液体或各种形式的固体，如毛坯、原材料、半成品零件、部件、成品等，也可能是粉末、磨屑、泥沙之类的待处理物。机械技术系统将对它们实行结合、分离、移动、气相转液相之类相的变化，以及各相之间的混合等转化。如机床实现多余物料从工件上分离，输送带实现物料的搬运等。

作为输入的信息流，可以是各种测量值、输入指令、数据、图像等；信息的载体可以是机械量、电量、化学量等；信息的形式可以是模拟量，也可以是数字量。技术系统将对信息流进行加工、处理或转换。如凸轮机械具有将转动量信息转化为直线运动量信息的功能，计算机能作数据处理，A/D转换器能将模拟量信息转换为数字量信息，数字式电视机能将接收到的数字信息转化为图像信息。

对于一个技术系统有时三流并存，如现代的加工中心和自动生产线，有时只存在能量流与信息流，如电视机。系统在完成功能的过程中，外界将向它输入各种制约和干扰，同时系统也将对外界输出干扰和影响，如振动、噪声、化学排放、热量、废弃物等。

确定技术系统的主要方法包括信息集约、调研预测、可行性分析等。

2.2.2 信息集约

信息集约旨在对产品相关信息进行搜集整理、分析加工，一般应由企业各部门共同完成，各部门分工如下：

1）情报部门负责产品的技术资料及发展趋势、专利情报、行业技术经济情报等。

2）开发部门负责产品性能试验，新材料、新工艺、新技术，产品性能、规格、造型，各种标准法规、设计方法等。

3）制造部门负责提供生产能力、制造工艺设备、工时及其他相关技术数据等信息。

4）营销部门负责国家产业政策、产品寿命周期分析，市场调查，需求预测，经营销售分析，材料和外购件价格与供应情况，质量与供货能力，老产品用户意见分析，事故与维修情况分析。

5）公关部门负责产品和企业的社会形象，与同行的竞争与联合情况分析等。

6）社会部门负责产品与环境污染、节能、资源、动力供应等的关系，产品进入社会和退出社会、报废、升级换代等的效应分析等。

2.2.3 调研预测

调研预测一般从市场、技术、社会环境及企业环境4个方面进行。

1）市场调研的内容，包括：

①用户对象，如市场、用户分类、购买力、采购特点等。

②用户需求，如品种规格、数量、质量、价格、交货期、心理与生理特点等。

③产品的市场位置，如质量、品种、规格统计对比，新老产品情况，市场满足率，产品寿命周期等。

④同行状况，如竞争对手分析、销售情况与方法、市场占有率等。

⑤外购件供应，如原材料、元器件供应质量、价格、期限等。

2）技术调研的内容，包括：

①现有产品的水平、特点、系列、结构、造型、使用情况、存在问题和解决方案等。

②有关的新材料、新工艺、新技术的发展水平、动态与趋势。

③适用的相关科技成果。

④标准、法规、专利、情报。

3）社会环境调研的内容，包括：

①国家的计划与政策。

②产品使用环境。

③用户的社会心理与需求。

4）企业环境调研的内容，包括：

①开发能力，如各级管理人员的素质与管理方法，已开发产品的水平与经验教训，技术人员的开发能力，开发的组织管理方法与经验教训，掌握情报资料的能力和手段，情报、试验、研究、设计人员的素质与质量。

②生产能力，如制造工艺水平与经验，动力、设备能力、生产协作能力。

③供应能力，如开辟资源与供货条件的能力，选择材料、外购件和协作单位的能力，信息收集能力，存储与运输手段。

④营销能力，如宣传和开辟市场的能力与经验，联系与服务用户的能力，信息收集能力，存储与运输能力。

2.2.4 可行性分析

可行性分析从20世纪30年代起开始用于美国，现在已发展为一整套系统的科学方法，它包括：

（1）技术分析 技术方案中的创新点和难点以及解决它们的方法和技术路线等分析。

（2）经济分析 成本和性能价格比分析，即如何以最少的人力、物力获得最佳的功能和经济效果的价值优化分析。

（3）社会分析 随着生产的发展和工程项目的综合化、大型化，它们和社会的关系也日益密切。例如，美国在1963年作为国家计划曾决定开发速度为声速三倍的超音速客机。经分析，技术上可行，期望销售500架，其经济效益也很好。但问题是对社会和环境因素分析不足。因为这种超音速飞机高速飞行时，每小时消耗燃料17.18t，燃烧产生的氢氧化合物会在地面上造成对人体有害的光化学烟雾，发热能够使局部小气候的温度升高1～2℃，尤其是冲击波带来的噪声使人无法忍受。因此，纽约市议会决定超音速客机不得在距市中心160km以内的地方起落。以速度为生命的客机不能接近城市便失去了高速的优越性。所以，1973年3月，美国政府不得不做出决定，停止开发此种超音速飞机。

通过技术、经济和社会各方面条件的详细分析和对开发可能性的综合研究，最后应提出产品开发的可行性报告。可行性报告的大致内容有：

1）产品开发的必要性，市场调查和预测情况。

2）有关产品的国内外水平、发展趋势。

3）从技术上预期能达到的水平，经济效益、社会效益的分析。

4）在设计、工艺等方面需要解决的关键问题。

5）投资费用及时间进度计划。

6）现有条件下开发的可能性及准备采取的措施。

2.2.5 功能分析

功能是对于某一产品的特定工作能力的抽象化描述。每一件产品均具有不同的功能，对于工业产品，使用者购买的主要是实用功能。当人们把机械、设备、仪器看作是一个系统时，功能就是一个技术系统在以实现某种任务为目标时，其输入输出量之间的关系。输入和输出可以抽象为能量、物质和信息三要素。实现预定的能量、物质和信息的转换就体现了机械系统的功能。

机械产品如同人的身体结构。人有头部、胸、腹、四肢等肢体部位，机器有齿轮、轴、连杆、螺钉、机架等组合构件；人有消化、呼吸、血液循环等功能件，机器有动力、传动、执行、控制等功能。机械设计的常规设计是从构件开始，而功能分析是从功能思考开始，不受现有结构的束缚，以便形成新的设计构思，提出创造性方案。

确定总功能，将总功能分解为分功能，并用功能结构来表达分功能之间的相互关系，这一过程称为功能分析。功能分析过程是设计人员初步酝酿功能设计原理设计方案的过程。图2-2描述了利用功能分析法设计原理方案的步骤。

图2-2 原理方案设计

1.总功能分析

一种产品中必然有一种转换是该产品主要使用目的所直接要求的，它就构成了该产品的主要功能，简称主功能。为实现产品主功能服务的、由产品主功能决定的一种手段功能称辅助功能。主功能和辅助功能合称为总功能。

在没有获得具体功能解之前，系统只能用一个抽象的“黑箱”来描述一个不知道具体解的技术系统，可参见图2-1。

图2-1中方框内部为待设计的技术系统，方框即为系统边界，通过系统的输入和输出使系统和环境连接起来。对系统总功能的分析，即是通过研究输入、输出之间的变化，对系统的功能作出准确的描述和定义，从而确定实现系统功能的原理方案。

2.总功能分解

一般可按系统分解的原则进行功能分解与功能定义，并通过较简单的功能元去求解。

例如，挖掘机的总功能是取运物料，可分解为一级分功能取物料与运物料，二级分功能在最末端，为功能元，功能元能直接求解。功能分解可用树状的功能关系图（功能树）表达，如图2-3所示。

图2-3 挖掘机的总功能分解

3.功能元求解

利用各种创造性方法开阔思路以寻解法，或利用解法目录对功能元进行求解。所谓解法目录，是把功能原理和结构综合在一起的一种表格或分类资料。建立各种类型功能元的解法目录不仅便于设计人员作参考，而且也有利于存入计算机进行计算机辅助设计。下面介绍几种方法：

（1）直觉法 直觉法是设计师凭借个人的智慧、经验和创造能力，充分调动设计师的灵感思维，来寻求各种分功能的原理解。

直觉思维是人对设计问题的一种自我判断，往往是非逻辑的、快速的直接抓住问题的实质，但它又不是神秘或无中生有的，而是设计者长期思考而突然获得解决的一种认识上的飞跃。日本富士通用电气公司的职工小野，一次雨后散步，在路旁发现一张湿淋淋的展开的卫生纸，由此激发了他的灵感：晴天时，废纸是一团团的，而被雨水淋湿后，都自动伸展开来。后来，他利用“废纸干湿卷伸原理”，研制成功了“纸型自动控制器”，获得一项日本专利。

（2）调查分析法 设计师要了解当前国内外技术发展状况，大量查阅文献资料和专业书刊、专利资料、学术报告、研究论文等，掌握多种专业门类的最新研究成果。这是解决设计问题的重要源泉。

我们的知识来源于大自然，设计师有意识地研究大自然的形状、结构变化过程，对动植物生态特点深入研究，必将得到更多的启示，诱发出更多新的、可应用的功能解，或技术方案。通过对生物学和工程技术方面的关系的研究，开辟了仿生学或生物工程学科。利用自然现象来解决工程技术问题。例如，机器人的出现就是模仿人的听觉、视觉和部分思维及动作而产生的。

调查分析同类机电产品对其进行功能和结构分析，研究哪些是先进可靠的，哪些是陈旧落后的、需要更新改进的，这都对开发新产品、构思新方案、寻找功能原理解法有益处。

（3）设计目录法 设计目录法是设计工作的一种有效工具，是设计信息的存储器、知识库。它以清晰的表格形式把设计过程中所需的参考解决方案加以分类、排列，供设计者查找和调用。设计目录不同于传统的设计和标准手册，它提供给设计师的不是零件的设计计算方法，而是提供分功能或功能元的原理解，给设计者具体启发，帮助设计者具体构思。

4.求系统原理解

将各功能元解进行组合，就可得到多个系统原理解。

进行功能元解组合的常用方法是形态综合法。它是将系统的功能元列为纵坐标，各功能元的相应解列为横坐标，构成形态学矩阵，见表2-1。从每项功能元中取出一种解进行有机组合，即得到一个系统解。最多可以组合出N种方案：

N=n₁×n₂×…×n_i×n_m

式中 m——功能元数；

n_i——第i个功能元解的个数。

表2-1 系统解的形态学矩阵

例如，运用形态综合法来求解挖掘机设计的原理方案。可列出各功能元及其局部解的形态学矩阵，见表2-2。此系统解的可能方案数为

N=6×5×4×4×3=1440

表2-2 挖掘机的形态学矩阵

5.求最佳系统原理方案

在众多方案中，要寻求出最佳系统原理方案，一般需由粗到细进行方案比较，由定性到定量进行优选。首先进行粗筛选，把与设计要求不符的或各功能元解不相容的方案去除。例如上例挖掘机设计的功能元解的组合，若动力源选电动机，则与液力耦合器、气垫、液压缸传动等功能元解不相容，不能组成可实现的原理方案。定性选取出几个满意的方案后，如A₁+B₄+C₃+D₂+E₁⇒履带式挖掘机，A₅+B₅+C₂+D₄+E₂⇒液压轮胎式挖掘机。采用科学的评价方法进行定量评价，从中选出符合设计要求的最佳原理方案。

2.3 评价决策方法

机械设计过程是一个由发散至收敛，由搜索至筛选的多次反复过程。对设计工作中所获得的多个设计方案，必须通过方案评价与决策，才能优选出拟采用的最佳设计方案。

机械设计中的评价与决策是两种不同的概念。评价是对各方案的价值进行比较评定。决策是依据价值的高低选择并确定最终方案。但它们两者之间又紧密相关。评价是决策的依据，而决策是评价的最终目的。

2.3.1 评价目标

设计具有约束性、多解性、相对性这样三个特征。针对多解性，要求先对某问题提出尽可能多的解决方案，然后从众多满足要求的方案中，优选出最佳方案。

评价的依据是评价目标（评价标准），评价目标制定得合理与否是保证评价的科学性的关键问题之一。评价目标一般包括三方面的内容：

1）技术评价目标即评价方案在技术上的可行性和先进性，包括工作性能指标、可靠性、使用维护性等。

2）经济评价目标即评价方案的经济效益，包括成本、利润、实施方案的措施、费用以及投资回收期等。

3）社会评价目标即评价方案实施后对社会带来的效益和影响，包括是否符合国家科技发展的政策和规划，是否有益于改善环境（环境污染、噪声等），是否有利于资源开发和新能源的利用等。

评价目标来源于设计所要达到的目的，评价目标分为定性和定量两种指标。例如，美观程度只能定性描述，属于定性指标，而成本、重量、产量等可以用数值表示，称为定量指标。在评价目标中有时定量和定性指标是可以相互转化的。

产品设计要求有单项的，也有多项的，因此，评价指标可以是单个的，也可以是多个的。由于实际的评价目标不止一个，其重要程度亦不相同，因此需建立评价目标系统。所谓评价目标系统，就是依据系统论观点，把评价目标看成系统。评价目标系统常用评价目标树来表达。评价目标树就是依据系统可以分解的原则，把总评价目标分解为一级、二级等子目标，形成倒置的树状。图2-4所示为评价目标树的示意图。图中，Z为总目标，Z₁、Z₂为第一级子目标；Z₁₁、Z₁₂为Z₁的子目标，也就是Z的第二级子目标；Z₁₁₁、Z₁₁₂是Z₂₁₁的子目标，也是Z的第三级子目标。最后一级的子目标即为总目标的各具体评价目标。

图2-4 评价目标树

建立评价目标树是将产品的总体目标具体化，使之便于定性或定量评价。定量评价时应根据各目标的重要程度设置加权系数（重要度系数），如图2-5所示。图中目标名称（如Z₁₁₁）下面的数字，左边的0.67表示同属上一级目标Z₁₁的两个子目标Z₁₁₁和Z₁₁₂中Z₁₁₁的重要度系数。这样的同级子目标的重要度系数之和等于1，如Z₁₁₁和Z₁₁₂的重要度系数0.67+0.33=1。右边的数字表示该子目标在整个目标树中所具有的重要程度，它等于该目标以上各级子目标重要度系数的乘积，如Z₁₁₁₂的重要度系数0.25=1×0.5×0.67×0.75。

对目标系统进行评价时，使用最末一级子目标的重要度系数，用g_i表示，并有

图2-5 目标加权系数

确定重要度系数有两种方法：经验法和计算法。经验法是根据工作经验和判断能力确定目标的重要程度，给出重要度系数。计算法是将目标两两相比，按重要程度打分。目标同等重要时各给2分；某一项比另一项重要分别给3分和1分；某一项比另一项重要得多分别给4分和0分。然后按下式计算重要度系数：

式中 g_i——第i个评价目标的加权系数；

n——评价目标数；

ω_i——i个评价目标的总分。

最后比较重要度系数，g_i越大的子目标越重要。

例2-1 对某种产品进行评价，5个评价目标的重要程度依次是：价格、舒适性和寿命、维修性、外观，试确定各目标的加权系数。

解：按判别表法确定各评价目标的加权系数，见表2-3。

表2-3 判别表法确定各评价目标的加权系数

2.3.2 方案评价方法

在设计方案评选中，最常用的评价方法包括简单评价法、评分法、技术经济评价法、模糊评价法和最优化方法等，这里介绍前4种。

1.简单评价法

用简单评价法可对有关方案作定性的评价和优劣排序，不反映评价目标的重要程度和方案的理想程度。这里以点评价法为例介绍简单评价法。

点评价法是各方案评价目标逐项作粗略评价，用行（+）、不行（-）和信息不足（？）3种符号表示，最后做总评决策，见表2-4。

表2-4 点评价法

例2-2 6个专家对某型汽车的5种造型方案按名次计分法进行评价、排队后给分（最佳方案5分，最差给1分），见表2-5。

表2-5 汽车方案专家打分情况

由表2-5可以看出：方案优劣排序为：1—2—3—4—5

计算评价一致性系数C：

专家数m=6，方案数n=5

评价一致性较好。

2.评分法

评分法是用分值作为衡量方案优劣的尺度评分，如有多个评价目标，则先分别对各目标进行评分，再经过处理求得方案的总分。

方案评分可采用10分制或5分制。如果方案为理想状态则取最高分，不能用则取0分。

评分标准见表2-6。各评价目标的参数值与分值的关系可用评分系数估算。先根据评价目标的允许值、要求值和理想值分别给0分、8分和10分（10分制）或0分、4分和5分（5分制）。用三点定曲线的方法求出评分函数曲线，由该曲线再求各参数值对应的分值，如果产品成本1.5元为理想值（10分），2元为要求值（8分），4元为极限值（0分），根据这三点求出产品的评分函数曲线，如图2-6所示。若此产品的某种方案成本价为2.5元，则由该产品的评分的曲线求得其分值为6分。

表2-6 评分标准

图2-6 评分函数曲线

为减少个人主观因素对评分的影响，一般都采用集体评分法，即由几个评分者以评价目标为序对各方案评分。取平均值或去掉最大、最小值后的平均值作为方案的分值。

对于多评价目标的方案，其总分可用分值相加法、分值连乘法或加权记分法（有效值）等进行计算。其中加权记分法在总分计算中由于综合考虑了各评价目标的分值及其加权系数的影响，使总分计算更趋合理，应用也最广泛。

加权计分法（有效值法）的评分计分过程如下：

1）确定评价目标。整个设计评价目标系统可视为一个集合，评价目标集合可表示为Z={Z₁，Z₂，…，Z_n}。

2）确定各评价目标的加权系数。g_i≤1，，i=1，2，…，n，各评价目标的加权系数矩阵为G=[g₁，g₂，…，g_n]。

3）确定评分制式（采用10分制或5分制），列出评分标准。

4）对各评价目标评分（可用评分曲线或集体评分法），最后用矩阵形式列出m个方案n个评价目标的评分值矩阵，即

5）求m个方案n个评价目标的加权分值（有效值）矩阵，即

其中第j个设计方案的加权总分值（有效值）

R_j=w_j1g₁+w_j2g₂+…+w_jng_n

6）比较各方案的加权总分值（有效值），评选最佳方案，R_j的数值越大，表示此方案的综合性能越好，故R_j值大者为最佳方案。

例2-3 用加权计分法（有效值法）对某种手表的三种设计方案进行评价。

1）根据设计要求建立评价目标树，如图2-7所示。

2）评分及计算总分

图2-7 手表设计方案评价目标树

①确定评价目标，建立评价目标矩阵为

Z=[z₁，z₂，z₃，z₄，z₅，z₆，z₇]=[计时准确 防水 防磁 防震 夜光 外观美 成本低]

②确定各目标加权系数

③确定计分方法及标准（10分制）

④根据表2-7各评价目标的评分结果写出评价目标评分值矩阵：

表2-7 手表评分结果

⑤求加权分值矩阵，计算各方案分值

⑥评选最佳方案

所以方案1为最佳。

3.技术经济评价法

技术经济评价法是将总目标分为两个子目标，即技术目标和经济目标，求出相应的技术价w_t和经济价w_e，然后按照一定的方法进行综合，求出总价值w₀。诸方案中w₀最高者为最优方案。

技术评价的目的是依据目标树计算确定各目标的重要性系数g_i，然后按照下式求得技术价：

式中 w_i——子目标i的评分值；

w_max——最高分值（10分制的为10分，5分制的5分）。

一般可接受的技术价取作w_i≥0.65，最理想的技术价为1。

经济评价是根据理想的制造成本和实际制造成本求得方案的经济价：

式中 H——实际制造成本；

H₁——理想制造成本；

H₂——设计任务书允许的制造成本。

一般取H₁=0.7H₂。

经济价w_e越高，表明方案的经济性越好，一般取可接受的经济价w_e≥0.7，最理想的经济价为1。

计算得到技术价和经济价之后，可根据以下方法求得技术经济总价值w₀。

直线法

抛物线法

w₀值越大，说明方案的技术经济综合性能好，一般取可接受的w₀≥0.65。

用横坐标表示技术价w_t、纵坐标表示经济价w_e所构成的图称为优度图，如图2-8所示。

图2-8 优度图

图中每一点都代表一个设计方案，其中S^*对应最优设计方案，OS^*连线上有关系线w_t=w_e，称作“开发线”。总地来说，越接近S^*的方案越好，越接近OS^*的方案，其综合技术经济性能越好。图中阴影线区称作许用区，只有在这一区域内的方案才是技术经济指标超过最低允许值的可行方案。

4.模糊评价法

在方案评价中，有一些评价目标如美观、安全性、舒适性等无法进行定量分析，只能用“好、差、受欢迎”等模糊概念来评价。模糊评价是利用集合论和模糊数学将模糊信息数值化再进行定量评价的方法。

模糊评价的标准不是分值的大小，而是方案对某些评价概念（如：优、良、差）的隶属度的高低。模糊评价目标不是以简单的肯定（1）或否定（0）衡量其符合的程度，而是用0和1之间的一个实数去度量，这个0到1之间的数称为此方案对评价目标的隶属度。

隶属度可以采用统计法和已知隶属函数求得。

如评价某种自行车的外观，通过用户调查，其中30%认为很好，55%认为好，13%认为不太好，2%认为不好，则此自行车外观对四种评价概念的隶属度分别为0.30、0.55、0.13、0.02。

由评价目标组成的集合称为评价目标集，用Y表示；由评价概念组成的集合称为评价集，用X表示；由隶属度组成的集合称为模糊评价集，用R表示。

对单目标的评价问题，如对以上自行车外观评价，则有

X={x₁，x₂，…，x_m}={很好，好，不太好，不好}

简写为R={0.3，0.55，0.13，0.02}

对多目标的评价问题有

取加权系数集，其中，可建立方案的n个评价目标的模糊评价矩阵

和该方案的加权综合模糊评价集

对于多个设计方案，可分别建立各自的综合模糊评价集B₁，B₂，…，B_n，然后再构造综合模糊评价集，并据此进行方案的比较和优选。比较的方法有以下两种：

1）最大隶属度原则。按每个方案的综合评价集中的最高隶属度确定方案的优劣顺序。

2）顺序原则。在评价矩阵中，同级（列）中按隶属度高低顺序。在几个级中，依各级隶属度之和的大小排序。

例2-4 试用模糊评价法对家用洗衣机进行评价选优。三种被评的洗衣机为滚筒式洗衣机（T）、波轮式洗衣机（L）和搅拌式洗衣机（J）。

解：

（1）评价目标 通过调研确定家用洗衣机的评价目标并用经验法定加权系数，洗衣机评价目标树如图2-9所示。

图2-9 洗衣机评价目标树

（2）对三种洗衣机进行模糊评价 评价目标集

={洗净度，损衣度，价格，耗水量，耗电量，外观，噪声}

评价标准集

三种洗衣机的模糊评价矩阵如下：

滚筒式洗衣机模糊评价矩阵：

波轮式洗衣机模糊评价矩阵：

搅拌式洗衣机模糊评价矩阵：

加权系数矩阵：

用乘加法进行矩阵合成：

（3）决策 方案L、J总评为良，方案T总评为中，三者排序为L、J、T，波轮式洗衣机综合模糊评价最佳。

2.4 价值分析

1.价值和价值分析

价值是功能与成本的综合反映，当我们购物时，通常要选择“物美价廉”的产品，其中就体现了价值的涵义。价值就是某一功能与实现这一功能所需要的成本之间的比例，其数学表达式为

式中 V——产品的价值；

F——产品具有的功能；

C——取得该功能所耗费的成本。

价值分析是以功能分析为核心，以开发创造性为基础，以科学分析为工具，寻求功能和成本的最佳比例以获得最优价值的一种设计方法。

提高价值可以从以下三个方面着手：

1）功能分析：从用户需要出发，保证产品的必要功能，去除多余功能，调整过剩功能，必要时增加功能。

2）性能分析：研究一定功能下提高产品性能的措施。

3）成本分析：分析成本的构成，从各方面探求降低成本的途径。

2.选择价值分析对象的原则

1）设计年代久，多年没有重大改进的产品。

2）结构复杂，零部件较多的产品。

3）制造成本过高，影响市场竞争的产品。

4）使用功能不满足要求，性能差，可靠性差，用户不满意的产品。

3.选择价值分析对象的方法

（1）价值系数分析法 价值系数分析元件功能和成本的关系，寻求成本与功能不相适应的元件作为重点分析对象和改进目标。价值系数由功能系数和成本系数所决定，即

按零件在整个部件中的重要程度排队评分，求出每个元件相对于产品的功能系数（也称功能重要度系数）f_i，也可采用判别表法进行计算。功能系数越高说明零件对部件的功能影响越大，重要程度越高。

成本系数c_i为零件成本与产品总成本之比。

（2）ABC分析法 ABC分析法也称成本比重分析法。它是一种优先选择占成本比重大的零部件、工序或其他要素作为价值分析对象的方法。

意大利经济学家巴雷托（Pareto）将占产品零件总数的10%～20%，其成本占总成本的60%～70%的零件划分为A类；占产品零件总数的60%～70%，成本占总成本的10%～20%的零件划分为C类；其余零件为B类零件。

2.5 产品成本构成及估算方法

在确定原理方案时，往往要对产品的成本进行估计，重量和材料是影响机械成本的重要因素。

1.按重量估算法

（1）解析法 该方法的原理是产品的成本是重量的函数，即

式中 C——生产成本（元）；

W——产品的重量（kg）；

f_w——重量成本系数（元/kg）。

重量成本系数可以通过统计用最小二乘法正交回归曲线求得，其关系式为

f_w=KW^P

式中，K、P均为系数，随不同产品而异。上式两端取对数，得

lgf_w=lgK+PlgW

可见，这是一个对数坐标下的直线方程。如已知任意两点的f_w1、W₁和f_w2、W₂，则其直线的斜率

代入待求的点f_w、W，有

即

因此得

与式

f_w=KW^P

相比较可得

（2）作图法 通过调查某类产品几种重量W_i下的生产成本C_i，分别计算出相应的重量成本系数f_wi，即可用作图法求W-f_w曲线。常用对数坐标，这样得出来的关系是直线：

lgf_w=lgK+PlgW

如图2-10通过该曲线可以进一步由任意重量W求出相应的f_w。

图2-10 W-f_w曲线

（3）计算举例

例2-5 图2-11所示套类零件在不同重量下的生产成本见表2-5。试求W=76kg的此类零件的生产成本。

解：

1）由重量—成本统计值，按公式f_w=C/W，计算重量系数，见表2-8。

2）用作图法计算f_w，如图2-12所示。

图2-11 套类零件

表2-8 套类零件重量—成本统计表

图2-12 套类零件W-f_w曲线

由图2-12可得出，曲线上与横坐标W=76kg对应的点为f_w=6.1元/kg。此结果也可由解析法求出。

3）估算W=76kg的生产成本

C=f_wW=6.1×76元=463.6元

2.材料成本折算法

因为材料成本是生产成本的一个组成部分，若已知这个组成部分的百分率即成本率m，则可利用新产品的材料成本来估算其生产成本：

C=C_M/m

式中 C——产品的生产成本；

C_M——材料成本；

m——材料成本率。

根据统计可以得出各类产品的材料成本率m，见表2-9。

表2-9 各类产品的材料成本率

新产品的材料成本可按下式估算：

式中 Z——外购件成本（元）；

W——毛料成本（元）；

V_i——某类材料的体积（cm³）；

γ_i——某类材料的密度（kg/cm³）；

K_i——单位重量材料的价格（元/kg³）；

n——材料种类数。