功能结构分析的方法与应用

1.功能结构分析的定义与功能结构图

对于任何一个产品，既存在一个构造体系，又同时存在一个功能体系。而功能体系则是更为本质的东西。功能结构分析就是将产品总功能分解为各级分功能，并按照一定的逻辑关系，将产品各组成部分的功能联系起来，绘制出功能结构图的过程。

功能结构分析不但是制订方案的出发点与求解问题的手段，而且从功能结构分析出发还便于抓住问题本质，广开设计思路，是更深刻认识事物的一种方法。同时，通过功能分析对功能做出定量描述和确定功能的水平与实现功能的费用，从而便于功能评价。

功能结构分析的核心就是研究产品局部功能与整体功能的逻辑关系，以区分产品的必要功能和非必要功能，提高产品的经济性。

在系统的功能结构中，存在着上下关系和并列关系。上下关系是指功能之间的目的与手段关系。目的功能称为上位功能，手段功能称为下位功能。一个功能对其上位功能来说是手段，而对其下位功能来说就是目的。所以，上位功能与下位功能都是相对的。并列关系是指某个上位功能之后，同时并列存在几个下位功能，这些并列功能又可能各自成为子系统，构成一个功能区，称为功能领域。

如果按照功能之间的这种上下与并列的逻辑关系，将产品的全部功能加以整理，就可以得到表示产品功能的多级递阶关系的功能结构图，见图5-13。

图5-13 多级递阶关系的功能结构图

需要特别强调的是，产品的功能递阶结构和产品的构造递阶结构往往不是完全对应的。例如，存在着一个构造单元同时负担几种功能，或一种功能同时由几个构造单元承担的复杂情况，如图5-14所示。

图5-14 产品功能结构与产品构造结构的对应关系

因此，设计的关键就在于如何找出功能与各子系统或单元的对应关系。在功能递阶结构中，一项功能往往可由多种不同的技术方案来实现，一个好的设计就在于能够从这众多的技术方案中，找出一种最好的技术方案来。

【案例5-4】关于船舶的功能递阶结构和构造递阶结构的对应表

图5-15给出了一个船舶的功能递阶结构和构造递阶结构对应图。从图中可以明显地看出：有的功能项与结构项是一一对应关系；有的一项功能对应多项结构；有的是多项功能对应一项结构。不外乎就是此三种情况。

图5-15 船舶的功能递阶结构和构造递阶结构对应图

图5-16 建立功能结构图的步骤

2.建立功能结构图的工作步骤

建立功能结构图的步骤如图5-16所示。

1）通过技术过程分析，划定技术系统的边界，确定总功能。(www.xing528.com)

2）总功能分解为分功能及功能元。

3）建立功能结构图。先拟订主要功能，排定主要功能的顺序，可根据时间空间顺序关系、因果关系或逻辑关系连接和组织各分功能。并以物料流、能量流和信号流为主流，提出初步方案，然后补充辅助功能，并加以完善。

4）实现同一总功能的功能结构可能有多种，因此可通过功能结构图的变换，求得多种新的功能结构方案，再经评审选出最满意的功能结构图。

变换功能结构图的方法包括：功能的进一步分解或重新整合、分功能连接形式或连接顺序的改变、系统边界条件的改变、系统功能范围的扩大与缩小等。

下面仍以材料拉伸试验机为例，说明功能结构图的建立过程。

【案例5-5】关于材料拉伸试验机功能结构图的建立

解：（1）确定总功能 用黑箱法描述总功能，通过材料拉伸试验机输入和输出关系的分析，求得其总功能为测量试件的受力和变形，如图5-17所示。

图5-17 材料拉伸试验机总功能

（2）总功能分解

1）先将总功能层分解为分功能层，包括能量转换为力和位移、试件加载、测力、测变形四项分功能。

2）再将分功能层进一步分解为功能元层，包括能量转换为力和位移、试件加载、测力、测变形、调节能量大小、装夹试件、标准值与实际值比较以及测量值放大共八个功能元，详见图5-4材料拉伸试验机功能分解的功能树。

（3）建立功能结构图

1）首先建立主要分功能的结构图，如图5-18所示。

图5-18 材料拉伸试验机主要分功能的结构图

2）然后，再增加四项辅助功能：调节能量大小、装夹试件、标准值与实际值比较以及测量值放大，建立包括辅助功能在内的完整的功能结构图，如图5-19所示。

图5-19 材料拉伸试验机完整的功能结构图