高中工程/设计过程实践
在本节中，我们将通过一个团队使用设计过程的例子。本节提供了关于顺序设计过程步骤的更多细节。
问题定义是设计过程中最关键的步骤之一。由于试图解决此问题的设计团队将付出巨大的努力，因此确保解决的问题实际上是潜在客户关心的问题非常重要。同样重要的是，问题必须被设计团队清楚地定义和理解。
许多技术可用于明确定义和理解问题。这些技术包括
- 收集来自客户和其他利益相关者的信息，
- 寻找专家信息（无论是在人与人之间，还是通过书籍或其他来源），
- 进行根本原因分析以确定真正的问题。
SCV 设计团队首先收集了有关与机动车通勤和交通拥堵相关问题的信息。他们找到了并阅读了几份政府报告。他们采访了通勤问题中的各种利益相关者；其中包括每天开车上下班的人，州和地方交通部门的官员以及环保团体的代表。他们还利用了他们自己的通勤经验。
问题陈述用作起点，以了解良好解决方案的特征。这些特征用约束和标准来描述。约束是设计必须满足的限制或条件。标准是设计可以衡量的标准或属性。约束和标准用于设计过程的后续步骤中，以确定在许多可能的方案中应实施哪一个。
确定了标准和约束后，设计团队便开始生成设计概念。这是创造力起着至关重要作用的步骤 - 好的设计通常与现有问题的解决方案大不相同。除了创造力之外，设计团队还必须使用纪律来确保他们探索了足够的选项和潜在解决方案，以保证良好的设计。因此，使用结构化流程来生成设计概念非常重要。可以使用许多不同的流程。此处介绍的流程改编自 Eppinger 和 Ulrich 的产品设计与开发，并且进行了简化。它包括问题分解、外部和内部搜索想法以及系统地探索可能的步骤。
当设计问题很复杂时，分解问题为子问题非常有益。子问题是必须解决的较小问题，才能解决总体问题。
将问题分解为子问题后，设计团队就可以开始寻找解决每个子问题的想法。一种想法来源是查看现有产品和想法，看看是否已经存在解决总体问题或已识别子问题的解决方案。外部信息的来源包括与潜在客户或子问题领域专家进行访谈，专利和其他技术数据库以及现有产品。现在互联网上可以获得大量此类信息。
内部搜索想法通常称为头脑风暴。头脑风暴的目标是开发尽可能多的想法，而不用担心它们是否可行。草图通常是捕捉想法并生成新想法的好工具。
外部和内部搜索将为每个子问题生成许多可能的解决方案。为了确保没有遗漏好的解决方案，使用结构化流程来检查可能的子问题解决方案组合非常重要。用于系统探索的工具是概念组合表。在此表中，组合每个子问题的解决方案；图 7 显示了通勤车的概念组合表。
要使用该表，请组合每个子问题的解决方案，然后创建结果概念的草图或描述。例如，如果概念如在图 8 中所示组合，则将得到图 9 中的可能设计。此设计可能与标准自行车非常相似，但增加了一个太阳能电池顶篷来遮挡驾驶员。自行车的踏板将被移除，并用驱动车辆前进的电动机代替。
请注意，设计元素的组合通常不会提供完整的设计概念；必须做出决策以填补空白。例如，如果设计中包含太阳能电池，则可以将其放置在车辆上，也可以将其放置在固定充电站中，该充电站为车辆上的电池充电；设计团队必须决定哪种配置最合理。
探索设计概念以了解其特征。例如，探索图 9 中的方案 1（太阳能自行车）导致以下结论
- 该设计仅使用可再生能源。
- 该设计制造成本相对较低，运行成本为零。
- 该设计可能对通勤者来说并不方便，因为电动机仅在阳光照射到太阳能电池阵列时才能运行。这意味着在晚上或阴天无法通勤。
- 该设计对通勤者来说并不十分舒适，因为他们会暴露在炎热、寒冷和雨天中，而且座椅看起来不舒服。
在概念选择之后，团队将拥有一个总体设计概念；他们已经决定如何解决每个子问题，并且对设计有一个整体的理解。在设计可以制造之前，团队需要开发设计的细节。详细设计包括
- 所有物理组件的形状和尺寸。
- 理解哪些组件将从外部供应商采购，哪些将由公司内部制造，以及如果由公司内部制造，将使用哪些材料和制造工艺。
- 任何电气子系统的详细示意图，以及任何嵌入式处理器的计算机代码。
- 组装工艺。
从设计概念开发详细设计可能占据新产品设计项目分配的大部分时间。此步骤也将对项目的成功产生重大影响；糟糕的详细设计会毁掉一个好的设计概念。
在开发详细设计的过程中，团队可能会使用许多或所有后续设计步骤，例如原型制作、测试和改进。此过程可能需要多次迭代，因为原型测试会揭示先前未知的设计特性。
从设计概念到详细设计的过程中，一个主要步骤是开发设计架构。设计架构是“将产品的功能元素分配给产品的物理构建模块”（Eppinger 和 Ulrich，2003）。
例如，SCV 设计的一个架构决策是如何将太阳能电池阵列纳入设计。电池阵列应该是车辆的独立物理模块，例如在图 9 中创建天蓬结构，还是应该作为框架的组成部分创建？第一个选项代表模块化架构，而第二个选项代表集成架构。
原型或模型是对设计某些方面的表示。模型和原型的目的是提供对设计及其性能的更多了解。原型可以仅实现设计的一小部分，也可以全面实现整个设计。例如，在开发概念 1 的详细设计时，设计团队可能最初希望仅开发电气系统的原型（太阳能电池阵列和电动机）。一旦验证了电气系统设计，他们可能会实现整个车辆的综合原型。
原型可以是物理的或虚拟的。物理原型可以用与制造最终设计时使用的材料非常相似的材料实现，或者为了降低成本或节省时间，可以使用其他材料来实现原型。可以使用计算机辅助设计和绘图 (**CADD**) 程序创建虚拟原型。现代程序可以模拟物理系统的许多方面，揭示缺陷或促进对设计的理解，而无需实际实现它。
原型的另一个重要功能是测试设计是否按预期工作。通过测试原型并相对于设计的约束和标准进行评估，可以获得对设计的理解，并建立其能够正常工作的信心。应仔细规划测试程序，以确保可以回答有关设计的问题，而无需花费太多时间和资源。测试结果应相对于反映约束和标准的规范进行评估。
原型测试和评估可能会揭示设计中的缺陷，或者可以提供用于改进设计的信息。在这种情况下，设计通常会得到改进，尤其是在它相对于某些标准或约束表现不佳的情况下。有时，选择的设计概念无法满足标准或约束，设计团队必须返回并进行更多概念生成，然后选择另一个概念。这是螺旋形设计过程的一个组成部分。
随着设计团队完成了设计过程，他们记录了他们使用的不同流程及其结果。通常，此信息用于创建产品的用户手册和维护手册。此信息对于将来需要更新或修改设计的团队成员很重要。在设计过程中会吸取经验教训，这些教训应该传达给公司的其他团队，或者传达给政府或学术界的外部利益相关者。设计过程的一个重要部分是记录这些问题并将结果传达给适当的利益相关者。
随着设计的完成，实施设计的努力将会增加。如果设计的是要制造的产品，则必须开发制造系统。例如，在替代通勤车设计中，必须找到诸如电机和太阳能电池之类的组件的供应商；建立制造框架的设施；并确定销售和营销人员。
- 人工制品
- 人类为了特定目的制造的物体。
- CADD
- CADD 代表计算机辅助设计和绘图。它是使用计算机软件来表示设计对象的几何形状的做法。
- 二氧化碳排放
- 二氧化碳是一种气体，由燃烧含碳燃料（例如煤炭和汽油）产生。由于二氧化碳是一种温室气体，它会捕获太阳辐射并将其重新辐射为热量，因此有证据表明，通过燃烧化石燃料将大量二氧化碳释放到大气中会导致全球变暖。
- 表征
- 通过发现某事物的独特特征来表征它。
- 概念生成
- 开发可能用于创建设计的创意的过程。
- 配置
- 以特定形式排列设计元素的安排。
- 约束
- 约束是设计必须满足的限制或条件。约束要么满足，要么不满足。
- 标准
- 标准是设计的可衡量标准或属性；例如，重量和尺寸都是标准。标准用于比较不同的可能设计，并确定哪些设计更好地解决设计问题。
- 客户
- 直接或通过购买产品为设计付费的个人或组织。
- 分解
- 分解是指分解成更简单的部分。
- 设计架构
- 设计架构是将设计执行的功能分配给设计的物理构建模块。
- 尺寸
- 高度、宽度、深度或长度的规格。
- 温室气体
- 温室气体是大气中的一种气体，它会捕获太阳辐射并将其重新辐射为热量，从而导致环境变暖。
- 增量式设计
- 增量式设计过程从要修改的现有设计开始。
- 基础设施
- 基础设施是社会运作所需的必要结构和组织。例如，汽车交通基础设施包括道路、桥梁、交通信号灯、交通标志等，这些都是驾驶汽车所需的。
- 迭代的
- 迭代过程是可以重复的过程。
- 模型
- 模型是对设计某些方面的有目的的抽象表示。模型的类型包括方程式、物理表示、计算机表示和其他表示。
- 光伏
- 光伏意味着将光能转换为电能（另请参见太阳能电池）。
- 问题陈述
- 问题陈述是对设计将解决的问题或需求的简要描述。
- 原型
- 原型是设计或设计某些方面的第一个或初步模型。原型通常是物理模型，但计算机模型的使用越来越多，作为原型。原型用于评估设计，发现缺陷和弱点。
- 再生制动器
- 通过将车辆的运动能量转换为可以存储在电池中的电能来减速车辆的制动器。
- 可再生能源
- 可再生能源是指来自使用不会永久枯竭的资源的能源。例如，太阳能和风能是可再生的，而煤炭和石油是非可再生的。
- 根本原因分析
- 对问题或情况进行分析，以找到问题的真正原因（根本原因）并解决它；如果没有根本原因分析，人们通常只处理问题的症状。
- 太阳能电池
- 太阳能电池是一种通常由金属和半导体制成的设备，它将光能转换为电能。
- 利益相关者
- 利益相关者是指对设计项目有利益（例如，对设计项目感兴趣或可能受其影响的人）的个人或组织。利益相关者通常包括用户和客户、设计团队以及雇用设计团队的公司。
- 可持续性
- 可持续解决方案是指可以在不消耗不可再生资源的情况下继续使用的一种解决方案。
- 不可行
- 如果设计不满足约束，则该设计是不可行的。
- 可行的
- 可行意味着能够成功地工作。
- ABET, Inc. "工程项目认证标准 2007-2008"。2007 年 3 月 17 日下载。可在网络上获取 http://www.abet.org/Linked%20Documents-UPDATE/Criteria%08%20EAC%20Criteria%2011-15-06.pdf
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