1.2 机械产品概念设计概述

自从Pahl和Beitz于1984年在其《Engineering Design》一书中提出“概念设计”这一名词以来，人们已对概念设计进行了多年的研究。一般认为产品概念设计是在全面考虑各种设计约束的条件下，以产品设计目标为输入，以产品设计方案为输出的系统所包含的工作流程。显然，概念设计的目的和结果就是为后续设计提供合理的设计方案。

概念设计的结果将直接影响产品制造过程中能源的消耗，对环境的影响，制造过程的柔性、可操作性、零部件的可制造性及可装配性等，有关资料表明，概念设计阶段投入的费用只占产品总成本的5%，但该阶段的设计决策却决定了产品总成本的70%以上，更为重要的是，质量低劣的概念设计方案几乎不可能在详细设计阶段得到弥补。因而，概念设计在产品整个生命周期的位置变得越来越重要，概念设计的质量在很大程度上决定了产品的最终质量、市场竞争力及企业获利情况。正因为意识到概念设计的重要性，世界各国都将产品设计的理论研究和工程实践的重点向概念设计转移，以期对概念设计活动提供有力的支持。为了改善我国机械产品创新能力不足、设计落后、缺乏竞争力的被动局面，必须重视产品概念设计理论和方法的研究。

1.2.1 产品概念设计的内涵

对于概念设计的定义存在不同的观点，主要包括以下几种。

1984年德国学者Pahl和Beitz从设计方法学的角度将产品的设计过程划分为明确任务、概念设计、具体设计和详细设计四个阶段，并将概念设计定义为：概念设计是在确定任务之后，通过抽象化，拟定功能结构，寻求适当的作用原理及其组合等，确定出基本求解途径，得出求解方案。

Frence将概念设计定义为：概念设计首先是弄清设计要求和条件，然后生成框架式的广泛意义上的解；在此阶段，对设计师的要求较高，但却可以广泛地提高产品的性能；它需要将工程科学、产品加工方法和商业运作等各方面知识相互融合在一起，以作出一个产品全生命周期内最为重要的决策；这里“框架式的解”是指设计问题的一个轮廓，每个主要的功能都可以对应于其上，通过原理部件间的空间或结构上的关系，使它们有机地结合起来；我们从这个框架解中得到产品大致的成本、重量或总体尺寸及在目前的环境下的可行性等；这个框架只需对一些特征或部件有一个相对明确的描述，但并不要求详细。

近20多年来，随着对概念设计研究的深化，概念设计的内涵又有新的发展。

上海交通大学邹慧君教授在Frence及Pahl和Beitz研究工作的基础上，将产品的设计过程划分为：产品规划、概念设计、详细设计和改进设计四个阶段，并给出了概念设计定义：概念设计是根据产品生命周期各个阶段的要求，进行产品功能创造、功能分解及功能和子功能的结构设计；进行满足功能和结构要求的工作原理求解和实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计。

北京航空航天大学邓家褆教授等在分析概念产品的基础上将概念设计定义为：概念设计是由分析用户需求到生成概念产品的一系列有序的、可组织的、有目标的设计活动，它表现为一个由粗到精、由模糊到清楚、由抽象到具体、不断进化的过程。

由此看来，概念设计的内涵是十分广泛和深刻的，是一个发散思维和创新设计的过程，是一个求解实现功能的、满足各种技术和经济指标的、可能存在的各种方案并最终确定综合最优方案的过程。

1.2.2 产品概念设计的基本特征

从以上概念设计的论述可以看出，概念设计具有以下几个特征。

（1）创新性。创新是概念设计的灵魂，只有创新才有可能得到结构新颖、性能优良、价格低廉的富有竞争力的机械产品。这里的创新可以是多层次的，如从结构修改、结构替换的低层次创新工作到工作原理更换、功能修改和增加等高层次的创新活动都属于概念设计的范畴。功能创新是整个设计过程中最初的也是最重要的一步，它需要找出可以实现该产品功能的各种可能方案并进行优选，其关键是如何进行产品的功能定义和分解，并将一定功能的零部件组合来创建新产品。

（2）多样性。概念设计的多样性主要体现在其设计路径的多样化和设计结果的多样化。不同的功能定义、功能分解和工作原理等，会产生完全不同的设计思路和设计方法，从而在功能载体的设计上产生完全不同的解决方案。例如“计时”功能，如果用单摆和石英振荡两种不同的工作原理来实现，则产生用机械原理和用电子原理的两种设计思路与方法，从而产生了机械式手表和石英手表这两种完全不同的设计结果。

（3）层次性。概念设计是一个从抽象到具体的信息进化过程。概念设计的层次性体现在两方面，如图1.2所示。一方面，概念设计分别作用于功能层和载体结构层，并完成由功能层向结构层的映射。如功能定义、功能分解作用于功能层，而结构修改、结构变异则作用于结构层，只有通过映射关系才能将两层有机地连接起来。另一方面，在功能层和结构层中也有自身的层次关系。例如，功能分解就是将功能从一个层次向下一层次推进。功能的层次性也就决定了结构的层次性，不同层次的功能对应不同层次的结构，例如，结构“自行车”的功能就是代步，而自行车的子功能之一“控制行进方向”则由子结构“车把”完成。

（4）智能性。概念设计的最高境界是实现概念设计过程的智能化，它是概念设计发展的必然趋势。智能概念设计的目的是利用计算机全部或部分地替代设计人员从事设计的分析和综合过程，在计算机上再现设计者的创造性设计过程。

（5）经验性。在概念设计过程中，设计人员总是在已有经验和知识的基础上，根据用户的产品需求，按照一定的、有规律的设计步骤和流程，再结合个人的想象力和灵感，设计出符合用户需求的概念产品方案。

（6）阶段性。概念设计的过程是一个综合复杂的过程。在这一过程中，有些过程依赖于人类的抽象思维、逻辑思维及直觉灵感等，有些过程则侧重于逻辑推理，有些过程要求快速的求解速度和良好的人机界面。因此，必须对概念设计的过程进行合理的划分，针对阶段的特点，采用不同的求解策略。

（7）多目标性。设计是在各种因素的限制和约束下进行的，其中包括科学、技术、经济等发展状况和水平的限制，也包括生产厂家提出的特定的要求和条件，同时还涉及环境、社会等因素，这些限制和约束构成了一组边界条件，形成了设计师进行设计和构思的“设计空间”。只有满足这些约束目标，才可能得到可行解。

（8）残缺性。概念设计阶段区别于其他设计阶段的显著特点之一是，由于处于设计的初始阶段，因而在该阶段产品信息是残缺的，使得难以对该阶段进行准确定量描述，导致从问题空间到解空间的映射求解过程的不良结构问题，表现为产品信息是定性的、不精确的、不确定的、不完全的。

（9）反复迭代性。在方案求解的每个过程中，都是由多个子循环，即综合、分析和评价组成，各个子循环多次迭代的结果得到一个全局满意解。

为更好地体现概念设计的创新性、多样性和层次性，概念设计可定义如下：概念设计是对市场需求逐渐理解后，确定设计理念、实现广义功能，求得用简图符号形式表达的多种可行方案，选择综合最优方案的设计前期工作过程。

1.2.3 概念设计的层次和地位

（1）概念设计的层次

概念设计的全过程可划分为：前期的设计理念的确定与后期的原理设计及具体的方案设计两大阶段。

设计理念的确定是概念设计的前期阶段，即根据市场需求和机器功用进行设计思想和设计理念的构想。这一阶段属于“形象思维阶段”，但对概念设计十分重要，是概念设计中创新层次最高的一个设计阶段，创新的火花往往产生于这一阶段。这一阶段的设计目前更多的是借助于设计人员的创新思维能力、知识与经验的发挥。目前，缺乏针对这一阶段的程式化的设计理论的研究。

原理设计及方案设计是概念设计的后期阶段，这一阶段属于“逻辑思维阶段”，其中原理设计是方案设计的核心，方案设计是原理设计的具体化。目前对机械系统方案设计阶段的设计理论与方法的研究较多。

从已有的各种设计步骤论述中可以看出，概念设计应包括产品规划、功能设计和定性设计等内容，其具体内容与概念设计采用的方法有关。

（2）概念设计的地位

在上述产品设计过程中，概括起来说，机械产品设计的主要步骤是两步：一是概念设计，二是结构设计。前者的目的是制定方案，后者的目的是设计出具体结构，也称为详细设计。概念设计在机械产品设计过程模型中的地位及其作用如图1.3所示。由图表明，概念设计是设计过程的早期阶段，其目标是获得产品的基本形式或形状，即设计方案。

概念设计在产品开发中的重要性表现在：

（1）概念设计（方案设计）阶段在很大程度上决定最终产品的性能、创造性、价格、市场响应速度和效率等，此外，据有关资料显示，虽然方案设计阶段实际投入的费用只占产品开发总成本的5%，却决定了产品总成本的70%。

（2）结构设计（详细设计）阶段很难甚至不能纠正方案设计阶段的设计缺陷和错误。

1.2.4 产品概念设计的关键问题

概念设计是机械产品设计的前期工作阶段，概念设计的结果是产生产品设计方案，因此，概念设计是一个方案求解的过程。显然，概念设计可表述为一个从设计需求到设计方案的映射过程。概念设计过程以设计需求为输入，其输出为满足设计需求的设计方案。

产品概念设计方案求解问题，即研究如何如将用户的需求映射为最优设计方案的问题，包括两方面内容：

（1）采用何种合适的方法，将用户的需求映射到相应的物理空间，即设计方案的生成问题。

（2）在若干候选方案中，选择最佳设计方案，即设计方案的评价与决策问题。

显然，概念设计的推理问题也就是方案求解问题，概念设计方案求解包括方案生成和方案评价两个关键问题，方案求解问题偏重于求解方法的研究。

当前，概念设计研究主要都是围绕着这两方面展开的。本书的研究侧重于概念设计方案的生成和评价，即方案求解问题的研究。