1.寻找实现分功能的技术效应和功能载体

物理学、化学、生物学等中的一些原理，都是一种抽象的普遍现象和规律，将这些原理通过一定的结构形式在工程上加以应用，就形成了所谓的技术效应。本节主要讨论技术物理效应。

例如，力平衡是物理学原理，而根据力平衡原理导出的杠杆系、滑轮组等就属于技术物理效应，实现技术物理效应的具体构件，如杠杆、滑轮、支承等，即为功能载体。如果对每个分功能都找出其相应的技术物理效应和确定出功能载体，就可以组成具体的设计方案。

一种技术物理效应可以实现多项功能，同理，一项功能也可由多种技术物理效应来实现。因此，在寻求技术物理效应时，应针对分功能的要求尽可能地多提出几种物理效应，开阔思路。这有助于评价决策，并获得令人满意的结果。部分实现分功能的技术物理效应和功能载体见表2-1。

表2-1 部分实现分功能的技术物理效应和功能载体

2.功能载体的组合

若已找出了实现各分功能的技术物理效应和功能载体，再能把这些功能载体根据功能结构进行合理组合，就可得到实现总功能的总体方案。在进行方案构思时，利用形态学方法建立形态学矩阵，对开拓思路、探求科学合理的创新方案是很有效的。

在形态学矩阵中将系统的各个分功能作为目标标记，分功能的各种解法列为目标特征。表2-2所列为形态学组合原理，第1列F₁、F₂、…、F_m代表有m个分功能，对应于每个分功能的行代表该分功能解法，如J₁₁、J₁₂、…、J_1n1代表分功能F₁有n₁个解，J₂₁、J₂₂、…、J_2n2代表分功能F₂有n₂个解，依此类推。从每个分功能解法中取出一个解，并按功能结构图中的次序进行组合，即可获得一个全部分功能的原理组合，例如J₁₁—J₂₃—…—J_m2、J₁₃—J₂₂—…—J_m1等，都是可能的原理组合。理论上按形态学矩阵可以获得的原理组合总数N为

N=n₁n₂n₃…n_m （2-1）

表2-2 形态学矩阵组合原理

表2-3所列为挖掘机的形态学矩阵，理论上按式（2-1）可以获得6×5×4×4×3=1440个原理组合。其中，A1—B4—C3—D2—E1为履带式挖掘机，A5—B5—C2—D4—E2为液压轮胎式挖掘机。

表2-3 挖掘机的形态学矩阵

表2-4所列为取纸器的形态学矩阵，理论上按式（2-1）可以获得3×7×2=42个原理组合。

表2-4 取纸器的形态学矩阵(www.daowen.com)

在运用形态矩阵对功能复杂的系统进行求解时，如果所采用的形态矩阵系统过于庞大，这时可先将各分功能形态学矩阵建立起来，即局部方案先设计出来，然后再综合为整体方案。

通过形态学矩阵虽然可以得到许多方案，但不是所有的方案都具有实际意义，也不是所有的结构元件都能互相匹配和适应。所以在组合时从一开始就应舍弃掉一些明显不合理或意义不大的方案，把精力集中在那些合理的、可行的组合上。然后从物理原理上的相容性、技术经济效益、功率、速度、尺寸等功能参数方面对这些方案进行复核、检验、评审，从中选出少数几个好的候选方案。

3.确定基本结构布局

通常虽然已经确定了功能载体的组合关系，但仍会停留在功能性关系中，这是因为结构元件在空间的相互位置是可以进行不同处理的，即用同一分功能载体也可以构成不同的结构布局，从而可得到不同的总体设计方案。

图2-5所示为功能元件结构数目变化而导出的四种内燃机设计方案，图2-5a、b、c、d所示依次为单缸、双缸、三缸、七缸内燃机。

图2-5 功能元件结构数目变化而导出的四种内燃机设计方案

图2-6所示为在无心磨床上实现从储存仓到工件放取器的运送工件功能，通过运动类型变化导出了三种不同的设计方案。其中图2-6a所示的运送功能件机械手采用接送，图2-6b所示的运送功能件顶块采用移动，图2-6c所示的运送功能件带槽转盘采用转动，图2-6d所示则利用四杆机构的连杆作刚体导引即采用平面运动方式。

图2-6 在无心磨床上实现从储存仓到工件放取器的运送工件功能

图2-7所示为用三种不同的材料制作的夹子。选用不同的工程材料，往往同时伴随着加工工艺的变化。由于三种材料性能相差很大，因此，其结构形状相差甚远。

图2-7 用三种不同的材料制作的夹子

a）木材 b）塑料 c）金属

由上述可见，不同布局就会有不同的总体设计方案，它们的技术效果也不相同。