序
功能设计在整个产品设计过程中处于非常重要的阶段，然而目前在设计理论与方法领域，还未形成一种公认的、广泛适用的功能创新设计理论与方法，还不能为企业设计人员提供功能创新设计的理论指导，以满足企业对产品功能创新设计理论的迫切需要。产品创新过程包括3个阶段：模糊前端、新产品开发和商业化。模糊前端阶段是形成若干设想并根据市场机遇评估筛选设想的过程，然后依据设想确定新产品开发项目；新产品开发阶段由概念设计、技术设计、详细设计、工艺设计和加工制造几个步骤组成，将模糊前端阶段确定的创新设想转化为产品；商品化阶段是通过市场化运作，利用产品为企业创造效益，最终实现产品创新。
概念设计位于新产品开发前端，其主要任务是确定满足需求功能的原理解，即确定构成目标功能所用到的原理集。功能是概念设计中的关键因素，概念设计过程即需求功能确定、功能结构建立、功能实现原理和结构构建的过程，因此概念设计是面向功能的设计。该阶段是与产品创新紧密相关的一个设计阶段，在很大程度上决定着最终产品的性能、创造性、价格、市场响应速度和速率等。据统计，功能设计阶段实际投入的费用只占产品开发总成本的5%，但它却决定了产品总成本的70%～80%，而且后续技术设计和详细设计很难甚至不能纠正概念设计阶段的设计缺陷和错误。功能设计是产品设计的重要阶段，这一观点在各种设计理论和方法中得到了广泛认可。
本书主要根据国内企业产品和技术创新需求，针对产品功能创新设计中存在的关键问题，应用专利知识挖掘、TRIZ（发明问题的解决理论）等方法，研究产品功能创新设计过程中的功能建模、功能模型形式化表达、功能结构创新和功能原理解构建等，形成相应功能设计关键技术，进而构建支持产品功能创新设计的系统化过程模型，并以实例应用展开实证研究，以期为机械产品功能创新设计提供技术与方法支持，主要研究内容如下：
第一，功能创新事前准备技术研究。主要进行客户需求获取、需求聚类与需求进化研究，结合常规需求分析方法和需求进化定律，形成全面获取客户需求的系统化方法，得到面向产品创新的需求进化机制模型，基于专利分析抽取功能进化定律，将为功能创新设计提供一种新的途径，为后续功能创新设计明确设计目标，做好事前准备。
第二，功能创新形式化表达技术研究。主要进行功能分类、功能集构建和功能结构规范表达研究，形成功能创新设计中功能分解、功能原理解构建过程中的形式化表达技术，以规范说明和限定功能设计空间，从而使设计者更好地理解设计需求，及在功能空间进行有效推理。功能分类中安全性、可靠性、易用性和经济性等因素的引入，将从功能设计层面上为解决传统产品向可持续性产品转型问题提供一种可用的方法。
第三，功能创新原理方案构建技术研究。主要进行基于扩展效应的功能、效应，结构间映射研究及功能进化定律抽取，形成功能分解、功能原理解构建和功能结构创新的实现技术，为功能分解中横向功能关系的建立与功能原理解的建立提供支撑途径。
第四，功能创新设计过程模型研究与验证。针对不同的产品设计类型，分别建立新产品开发和已有产品改进两种创新设计过程模型。构建的功能创新设计的过程模型将为产品功能设计提供一种系统化方法。通过自顶向下与自底向上相融合的多层次映射，实现从需求获取、功能分解、功能结构创新到功能-结构映射的全过程，并应用与电池机械功能创新设计相关案例，验证本书建立的研究方法的可行性与有效性。
本书的研究成果在于，基于专利分析抽取功能进化定律，为功能创新设计提供了一种新的途径。功能分类中安全性、可靠性、易用性、经济性等因素的引入，为我们从功能设计层面解决传统产品向可持续性产品转型问题提供了一种可用的方法；构建的功能创新设计的过程模型，为产品功能设计提供了一种系统化方法。本研究对于改进和丰富产品设计理论，提高企业的自主创新能力和创新效率，增强企业的市场竞争能力，具有重要的理论意义和工程应用价值。
本书通过对客户需求特点和产品开发实际进行分析，利用TRIZ等技术创新方法和统计分析方法等，针对现有功能设计中存在的形式化、可操作性和创新性等问题进行改进，提出若干功能创新设计的关键技术，并最终形成了系统化功能创新设计过程模型。本书的创新点具体体现在；提出了功能类别与等级概念，并建立了标准功能集和产品功能建模符号，应用功能分解过程模型形成了形式化多层次融合功能建模方法；基于专利知识挖掘抽取了功能进化定律，并提出了功能进化定律的选取准则，为功能结构创新方向的确定提供了方法保证；建立了新产品开发和已有产品改进两类产品功能创新设计过程模型，具有更好的可操作性和实用性。
本书是在檀润华教授和曹国忠教授指导下的博士学位论文的基础上写作完成的。本书在写作过程中得到了国家自然科学基金项目“机械产品突破性概念创新设计机理研究（项目编号：51275153）”的重点支持与资助。本书虽然针对可持续性产品创新设计的技术风险进行了一定深度的研究和探索。但由于时间仓促和研究能力有限，建立完善的理论体系并取得理想的成果有一定难度，很多内容还有待进一步深入研究，其中出现的疏漏之处，敬请指正，共同探讨，以促进和改善我们今后的研究工作。
著者
2020年3月