试论机械产品创新设计方法之绿色设计
【摘要】本文是以绿色为原型的创新设计原理，对于以往的经验
型设计提供了新的理论思维工具；介绍了面向产品全生命周期的机
械产品设计系统，分析了创新设计、绿色设计的基本理念及方法。
【关键词】 机械产品 创新设计 绿色设计
一、机械产品现代设计理论与方法
现代机械产品通过增加传感器，已经具有某些感知能力，计算机
的应用又使产品具有智能性。机械产品设计可以是应用新的原理或
新的概念，开发制造出新的机器，也可以是在已有机器上的重新设
计或改进。现代产品设计，设计者不仅只是考虑自然科学技术，还
要求面向产品的全生命周期进行设计，将“产品—人—环境—社会”
看成是设计中完整的一个系统。既要考虑产品本身，又要考虑产品
对环境的影响；既要考虑技术层面，又要考虑经济社会层面；既要
看当前发展，又要看长远发展。
1创新设计
就创新设计本身，是要求设计者充分发挥创造性思维，吸收最新
科技成果，运用现代设计理论和方法，设计出更具竞争力的新颖产
品。“creative leap”概念认为：创新是经过一系列思维飞跃而最
终获得的，每一次飞跃中都蕴藏着潜在的方法，而这些方法是可供
借鉴和遵循的。机械产品创新设计类型可分为3种：原创设计、变
异设计和反求设计。现代公司必须致力于开发新产品，必须学习如
何有效的刨新，从产品概念到投放市场，都必须融合新的“设计”。
从另外一方面上说，产品设计可以看成是一种以解决问题为直接目
标的活动，需要一系列复杂而系统的努力，包括：提出设计概念，
拓展设计概念，修改细节，评价合理的解决方案等。
2绿色设计
绿色设计指在产品整个周期内，着重考虑产品环境属性(可拆卸
性、可回收性、可维护性、可重复利用性等)，并将其作为设计目
标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、
品质等。机械产品的绿色设计原则有：
（1）生态效益最好原则：绿色设计强调不论是在产品制造过程
中，还是在产品使用过程中，都要求产品对周围环境“零污染”。
（2）经济效益最好原则：设计的机械零件既要功能满足客户要
求，又要成本低廉。考虑经济最佳性必须从设计和制造两个方面上
入手。
（3)安全可靠原则：安全可靠是机械产品品质的保证，必须确定
零件在强度、刚度、耐磨性、稳定性及热平衡性上满足设计要求。
（4)人机工程学原则：绿色设计倡导“以人为本”，进行人性化
设计，实现对人体的良好保护。通过研究组成人机系统的人和机器
的相互关系，以提高整个系统的工作效率，并使“人—机器—环境”
相互协调，以求达到人的能力与作业活动要求相适应，创造高效、
舒适、安全的劳动条件。
二、基于绿色原型的创新设计
1基于绿色原型的创新设计原理
传统的产品设计遵循“结构形式满足功能”的原则，在重视功能
的条件下，设计者过分强调技术层面的满足，忽视面向环境设计对
于产品全生命周期设计的重要性。此外，多数传统设计只考虑产品
使用过程中所表现的特性，缺乏对制造过程中产品的绿色指标的考
察，也不会考虑产品的使用报废与回收再利用。人类在自然环境中
生存，形成了最初的“人—环境—系统”。随着人的不断进化，人
的需求也日益扩大，在需求的发展膨胀过程中，人过分的依赖对资
源的消耗，已经面临着社会发展与环境资源之间深刻的矛盾。由此，
绿色设计理论的提出使此类问题的解决成为可能。这样，如果从产
品、人、自然环境和社会整个系统去研究产品的设计、制造、使用
和回收过程，以绿色原型为基础进行产品的创新设计，就为产品的
设计提出了一种新型的设计原理——基于绿色原型的创新设计。
2基于绿色原型的创新设计的实现
基于绿色原型的机械产品创新设计的具体步骤如下：
（1）产品问题空间的提出。应用列举法，分析产品对自然资源
的消耗和可能对周围环境、人产生的影响及造成的危害。分析产品
环境属性就是在产品设计时着重考虑材料的选择、零部件的再使
用、产品的拆卸及面向生命周期的评价等。材料的选择应注意如下
要点：尽量减少使用稀有昂贵原材料及有毒、有害材料；寻找稀有
昂贵材料的替代材料，多应用回收材料、废料及余料；减少所用材
料的种类，采用相容性好的材料，以利于产品报废后的回收与处理；
选用再生材料，形成一个有效使用资源的良性循环。采用系列化、
模块化的设计能够有效地保证零部件的再使用。
（2）寻找基于绿色的创新点。从用户期望出发，分析设计产品
的技术功能属性，寻找新颖的创新点是基于绿色原型的创新设计的
核心内容。寻找创新点需要设计者掌握很强的创造原理，充分发挥
创新性思维，应用工程数据库和工程知识库等技术支持平台，完成
产品创新概念设计。
（3）建立设计方案形态学矩阵。在这一阶段，以建立形态学矩
阵为基础，对创造对象进行因素分解，找出因素可能的全部形态，
并进行方案综合，以得到方案的多种解。
（4）分析、求解和组合方案。在分析、整理和求解方案中，根
据绿色设计方法与理念，设计者预先制订出一套选优标准，将形态
学矩阵中的所有方案进行组合，去除不符合要求的组合方案，最后
得到满足要求的方案可能有多个。
（5）形成产品最终设计方案。这里最终方案指的是进行一次设
计所实现的“最终”，任何成熟产品的设计都是经过反复多次修改
而完成，是一个不断改进、循环的设计过程，同时也是一个面向产
品全寿命周期的设计过程。
（6）分析产品的技术和功能属性，实现基于绿色原型的创新设
计。绿色设计的核心是要实现“产品—人—环境—社会”的生态平
衡，避免对环境的污染和资源的过多消耗。
3基于绿色原型的创新设计的特点
（1）体现绿色设计理念。基于绿色原型的创新设计所依赖的设
计实施技术方法群是建立在绿色设计的理论基础上，设计者充分利
用创造原理，发挥创新性思维，以寻找产品设计的创新点。
（2）面向产品全生命周期进行设计。传统设计方法局限于考虑
产品在使用过程中具有的功能属性（使用功能），设计者缺乏环境
保护意识。
（3）强调创造原理与程序化思考。创造性活动的开展和完成，
不仅依赖于创新性思维，更需要应用创造原理。
三、结论
基于绿色原型的创新设计方法，把绿色设计理念和创新智能充分
利用到产品设计中，考虑产品的全生命周期，从而提出了以绿色为
原型的创新设计原理，对于以往的经验型设计提供了新的理论思维
工具，显示了基于绿色原型的创新设计（下转第127页）
（上接第95页）方法在设计自动化理论和实践方面的重要作用。
参考文献：
［1］ 国家自然科学基金委员会工程与材料学部.学科发展战
略 研究报告（2006~2010）：机械与制造科学[m].北京：科
学出 版社，2006.
［2］ 邱宣怀，郭可谦等.机械设计[m].北京：高等教育出版
社.1997.
［3］ 刘晓叙，陈敏.机械产品绿色设计理念[j].机械设计，
2005，
22（11）：1 - 2.
［4］ 戚洪利，袁丰伟，李会暖.机电产品的绿色设计研究[j].
机电 产品开发与创新，2005，18（6）：56 - 57.
［5］ 吕仲文.机械创新设计[m].北京：机械工业出版社，2004.
［6］ 刘志峰.绿色设计[m].北京：机械工业出版社，2003.