高中工程学/设计流程
“设计”一词有多种含义。其中一种含义是指在制作物体或结构之前，显示其外观和功能的计划或图纸。在本节中，我们考虑的是这种设计含义。例如，这种设计含义包括
- 一组建筑师可能会开发建筑物的设计，指定建筑物的外观以及房间、门和走廊的布局；
- 一组工程师可能会开发新喷气发动机的设计，指定其结构和制造材料。
图 1 和图 2 展示了这种设计的示例。
在一般的谈话中，“设计”一词通常用于指代“线或形状的排列，形成图案或装饰”。图 3 展示了这种设计含义的示例；在本节中，我们不考虑这种含义。
创建物体或结构设计的过程称为“设计流程”。所有设计流程都有一些相似之处。它们都涉及创造力。它们都涉及决策。但是，工程设计往往比其他类型的设计需要更广泛和更专业的技术、数学和科学知识。
团队会进行几种不同的工程设计项目。大多数项目涉及修改或增强现有产品或流程；这些项目被称为增量设计。有时会从头开始开发新产品。这样的项目将是新设计。两种类型的项目都使用设计流程。
大多数设计项目的目的是开发满足客户和利益相关者需求的物体、结构或流程。客户是使用设计对象的个人；客户通常为产品付费。利益相关者是指对产品有兴趣的个人。客户是利益相关者；其他利益相关者可能包括政府机构、公司和个人。例如，新汽车设计方面的利益相关者可能包括购买汽车的个人、维护和修理汽车的技工、监测汽车排放的环保署以及提供燃油的石油公司。
设计问题几乎总是开放式的——它们很少只有一个正确答案。相反，通常会有多个解决方案可以满足所需需求。设计挑战之一是从众多可能的解决方案中进行选择。实际上，工程产品可能非常复杂，设计此类产品可能需要设计团队做出数百或数千个决定。如果没有明确定义的流程，团队可能无法开发出满足客户或其他利益相关者需求的设计；团队可能会做出错误的决定，或者忽略产品的关键属性。因此，使用结构化的设计流程非常重要。结构化设计流程提供了几个优势。它们提供了一个框架，使团队决策变得明确，并且决策过程可以得到充分记录。它们还降低了遗漏或忽视重要问题的可能性。
在本节中，我们描述了“工程设计流程”，这可能会让人感觉只有一个正确的流程。实际上，许多流程已成功应用于工程设计。本节中讨论的设计流程可能并不总是适用于给定项目或问题的最佳流程。设计流程不应该盲目应用，而应该根据设计团队和具体项目的实际情况进行调整。设计流程也应该不断改进，以便设计团队的绩效随着时间的推移而提升。
工程设计流程可能不会产生可行的设计，原因有多种
- 错误或不切实际的假设。
- 缺乏对所需需求或需要解决的根本问题的理解。
- 设计规范或表示（例如模型和图纸）中的错误。
- 对原型的测试不足。
- 设计选择不佳。
有时，在流程早期做出的错误设计决策将无法开发出成功满足客户需求的设计。
在本节中，我们将介绍一个典型的工程设计流程。其他对设计流程的描述可能将流程分解成略微不同的步骤，并可能使用略微不同的术语来描述这些步骤，但大多数设计流程与本流程相似。设计流程的实践部分中提供了一个如何应用此设计流程的示例。
我们基本的工程设计流程包括图 4 所示的步骤。请注意，图 4 显示每个步骤都在下一个步骤开始之前完成；此流程是按顺序进行的。在许多现实情况中，设计团队可能需要多次重新审视某个步骤才能创建最终设计。我们现在将更详细地描述这些步骤。
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定义问题。在问题定义步骤中，会调查潜在客户的需求；识别潜在竞争对手并描述他们的市场地位；识别政府法规或技术限制施加的约束；并确定设计工作方面的约束条件，例如可用的工作人员、时间和资金。问题定义过程将使人们清楚地了解设计项目的范围以及可用于解决设计问题的资源。这种理解通常以问题陈述的形式表达。这种理解也以标准和约束的形式表达。 确定标准和约束。标准和约束用于评估设计的质量。约束描述设计和设计流程必须满足的条件；设计必须满足所有约束。标准是可衡量的值，可用于比较几种设计并确定哪个更好。 生成创意。确定标准和约束后，设计团队会生成设计创意。这些创意来自许多不同的来源；包括现有产品（包括竞争对手的产品）、头脑风暴和其他创意活动，以及市场和技术研究。将创意组合起来生成潜在的设计；在此阶段，设计只是没有太多细节的理念。 探索可能性。生成潜在的设计后，会对其进行探索，以了解其特征以及可能存在的优点和缺点。 选择设计理念。根据约束和标准评估潜在的设计，并选择一个或多个设计进行详细设计和原型制作。这种选择是使用结构化流程进行的，该流程要求满足约束条件，并根据标准选择最佳设计。 开发详细设计。选择的设计将得到更详细的开发。设计架构是通过识别物理和功能块来建立的。确定形状和尺寸，选择材料和制造工艺，并确定产品组件。设计开发的足够详细，可以制作设计的原型和模型。 创建模型和原型。通常会实现一个或多个原型来描述设计的各个方面。原型可能是设计的物理模型，其中尺寸、材料和制造工艺模拟了设计的关键方面。越来越多的原型是使用模拟产品机械、电气和其他特征的计算机建模软件实现的。 测试和评估。对原型进行测试，以查看设计是否满足所有约束条件，以及是否相对于标准表现良好。 改进设计。测试和评估可能会发现设计的弱点，或者表明设计可以改进的地方。在此阶段，可以改进设计以更好地满足标准和约束条件。有时，测试和评估表明设计无法正常工作，因此必须选择不同的设计理念；在这种情况下，流程将回到“选择设计理念”步骤。 实施。根据具体情况，将生产或制造设计。 传达流程和结果。对设计流程的活动和结果进行记录。将此文档传达给设计中的适当利益相关者。 |
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图 4 中的设计过程通常被称为顺序过程，因为每个步骤都直接顺序地遵循前一个步骤。该模型没有考虑许多实际设计项目中的迭代性质；随着设计的开发、原型制作和评估，其优缺点得到了更好的理解，并且根据这种改进的理解对设计进行了更改。更改设计后，将重复原型制作和评估过程。迭代这些过程的设计过程通常称为螺旋式设计过程。图 5 说明了螺旋式设计过程。
使用螺旋式设计过程的优势在于，最终设计通常比初始设计好得多。螺旋式设计过程的显著缺点是，螺旋中的每个循环都需要时间和资源；如果没有对这些进行计划，项目很容易延误并超支。
本材料改编自可在 此处 找到的原始 CK-12 书籍。该作品根据知识共享署名-相同方式共享 3.0 美国许可获得许可