《現(xiàn)代機械綜合設計理論與方法與應用》考試卷11

1、.東北大學研究生考試試卷評分考試科目： 現(xiàn)代機械綜合設計理論與方法及應用課程編號：閱卷人：考試日期：姓名：學號：注意事項1考前研究生將上述項目填寫清楚2字跡要清楚，保持卷面清潔3交卷時請將本試卷和題簽一起上交東北大學研究生院.專業(yè)資料 .1、簡要分析現(xiàn)代產(chǎn)品設計理論與方法的發(fā)展狀況？答：產(chǎn)品設計是一種建立在知識和經(jīng)驗基礎上的創(chuàng)造性勞動，設計的目的就是尋求一種滿足用戶、企業(yè)及社會所提出的質量要求的最佳方案，這是一種復雜的思維過程。（1）在 20 世紀 60 年代初，人們已將設計過程明確劃分為方案設計、技術設計、工藝設計階段，基本上屬于經(jīng)驗設計體系。20 世紀 70 年代，德國學者Pahl 和 B

2、eitz提出了最具代表性、權威性和系統(tǒng)性的產(chǎn)品設計方法學，將工程設計過程主要分為4 各階段：明確任務階段、概念設計階段、具體化設計階段和詳細設計階段。近20 年來，產(chǎn)品設計又引入了系統(tǒng)科學、信息科學理論和方法，更廣泛地借助于現(xiàn)代數(shù)學方法和計算技術，產(chǎn)品設計進入了系統(tǒng)工程、系統(tǒng)優(yōu)化和計算機輔助設計的階段。多年來各國學者對產(chǎn)品設計理論和方法進行了研究，提出了許多設計理論與方法，比較著名的設計理論與方法還有發(fā)明問題解決理論（Theory ofInventive ProblemSolving ）(TRIZ （拉丁文字首，即 TeorijaReshenija Izobretatel Zadach）、公理

3、化設計理論（ Axiomatic design ，AD）、三次設計法、面向對象的設計、并行設計、優(yōu)化設計、綠色設計、虛擬設計、數(shù)字化設計等等。到目前為止還沒有一種被公認的最好或最適合于工業(yè)界應用的設計理論和方法。 這些理論與方法多是在不同的條件下相互獨立地提出的，各有優(yōu)缺點。正如 MIT 公理性設計組的 Tate 博士通過對世界著名流派的設計理論進行分析時所指出的： “盡管設計理論的研究已有 100 多年的歷史，很多研究成果已在工業(yè)界得到應用，但設計理論并未成熟，目前仍處于準理論階段” 。（2）我國科技工作者對產(chǎn)品的設計理論與方法也進行過大量的和深入的研究，并取得了一大批新的研究成果， 如創(chuàng)新

4、設計、 綠色設計、設計概念、機構設計、傳動設計、動態(tài)設計、強度設計、可靠性設計、摩擦學設計、優(yōu)化設計、穩(wěn)健設計、智能設計、虛擬設計、數(shù)字化設計等，同時還將研究結果應用于產(chǎn)品研究、設計和開發(fā)過程中，解決了我國諸多重大機械裝備的設計問題， 為我國機電產(chǎn)品的設計制造趕上國際先進水平做出了重要貢獻。在科學發(fā)展觀和自主創(chuàng)新理念的指導下，我國科技工作者一定會在設計理論和方法的研究中會取得新的突破和進展。目前國外的研究狀況來看，產(chǎn)品的設計理論與方法正在向以下幾個主導方向發(fā)展：在科學發(fā)展觀和自主創(chuàng)新思想指導下的設計理論與方法；面向產(chǎn)品質量、成本或壽命的設計理論與方法；為加快設計進度及實施設計智能化的設計理論與

5、方法；.專業(yè)資料 .面向復雜系統(tǒng)和高難度（非線性、非穩(wěn)態(tài)、高維、強耦合、不確定、多變量等）問題的設計理論與方法： 1）以復雜機械系統(tǒng)為研究對象的設計理論與方法； 2）以非線性動力學為基礎的設計理論與方法。面向產(chǎn)品廣義質量的綜合設計理論與方法： 1）以滿足產(chǎn)品功能為主要目標的功能優(yōu)化設計； 2）以提高產(chǎn)品結構性能為主要目標的動態(tài)優(yōu)化設計； 3）以提高產(chǎn)品工作性能為主要目標智能優(yōu)化設計； 4）以提高產(chǎn)品工藝性能及廣義質量為目標的可視優(yōu)化設計。這些設計法各有各的特點和適用圍。 但是這些設計方法是以單一設計理論方法為基礎，所以對單一設計方法研究工作的深化是搞好綜合設計法的基礎的。在現(xiàn)有研究成果的基礎上

6、，所研究的設計理論與方法應該更加突出地按照科學發(fā)展觀的基本要求加以實施；方法應該更有效地提高產(chǎn)品質量、降低成本和保證使用壽命；應該考慮如何縮短設計和制造周期，更廣泛采用信息化技術；應該針對更復雜機械系統(tǒng)和更高難度（如非線性系統(tǒng)等）的問題進行研究，應該在最大圍來滿足用戶對產(chǎn)品廣義質量的要求等等。2、試述產(chǎn)品質量、功能與性能的關系？答：對產(chǎn)品設計工作者來說，設計產(chǎn)品所追求的首要目標是產(chǎn)品質量，假如某種產(chǎn)品的質量達不到要求，就會顯著降低它的使用價值，甚至完全喪失使用價值，它就會在市場中缺乏競爭力，最終將會被市場所淘汰。產(chǎn)品設計工作者所考慮的問題不只是產(chǎn)品的質量（指的是使用質量） ，他們所要考慮的問題

7、要比與使用質量相關的容要多得多，即應該考慮包括產(chǎn)品的質量在的五大要素，質量 Q（狹義的）、成本 C、設計制造周期 T、環(huán)境 E 和售后服務 S 等所有要求，這些要求可以概括為用戶、企業(yè)及社會對產(chǎn)品設計工作提出的各種質量要求。產(chǎn)品的基本功能或主功能通常是用來改變物質的狀態(tài)，具休地說，用來改變被處理物質、物體或物件的幾何形態(tài)、物理狀態(tài)、化學組成、生理機能或信息表現(xiàn)形式等各方面的工作，所以在機械產(chǎn)品中要出現(xiàn)物質形態(tài)的轉變過程，常常呈現(xiàn)物質流的形式，也就是將輸入物質的初始形態(tài)改變?yōu)樾碌男螒B(tài)。輔助功能是為了實現(xiàn)主功能而需要完成的一些輔助工作，常常包括物質的轉移、所需運動形式的轉換、所需能量的輸入、操縱指

8、令的輸入、信息的獲取及處理等，也就是常常出現(xiàn)物質流、運動形式流、能量流、指令信號流和控制信息流等。產(chǎn)品的功能，不管是主功能還是輔助功能，它們都有其限定的圍（產(chǎn)品的技術特性），如產(chǎn)品的規(guī)格尺.專業(yè)資料 .寸和加工圍（幾何參數(shù)） 、產(chǎn)量和效率（工藝參數(shù)） 、運動速度及形式（運動參數(shù)） 、承載能力或允許最大負荷和電機功率（動力參數(shù)）等。用戶根據(jù)實際工作的需要，總是要選擇規(guī)格尺寸適當大小的、性能參數(shù)圍符合要求的設備。產(chǎn)品的三大性能分別為結構性能、工作性能、工藝性能。而產(chǎn)品的功能往往從具體性能中體現(xiàn)出來，可以將功能包括在綜合性能中，如工效實用性和指標優(yōu)越性是功能的具體體現(xiàn)，又可以說它們是綜合性能中的一部

9、分。機械設備的結構性能包括系統(tǒng)可靠性、人機安全性、材質造應性、工作耐久性、結構緊湊性、環(huán)境無害性、造型藝術性、設計經(jīng)濟性。機械設備的工作性能包括工效實用性、運行穩(wěn)定性、指標優(yōu)越性、操作宜人性、設備動力性、狀態(tài)測控性、故障可診性、使用經(jīng)濟性。機械設備的制造性能或工藝性能包括結構工藝性、機器規(guī)性、容差合理性、生產(chǎn)時間性、設備維修性、裝運可行性、廢品回收性、制造經(jīng)濟性。產(chǎn)品質量的定義因不同的前提條件而有所區(qū)別, 產(chǎn)品質量分為產(chǎn)品的使用質量、設計質量、制造質量和包裝質量等。產(chǎn)品使用質量，或產(chǎn)品的質量 Q 的定義應是 : 執(zhí)行或完成使用的工作要求所能表現(xiàn)的能力 ( 或所能達到的水平 ) 。產(chǎn)品設計質量的

10、定義應是：執(zhí)行產(chǎn)品設計的工作要求所能表現(xiàn)的能力 ( 或所能達到的水平 ) ，產(chǎn)品設計質量 =功能 +性能。產(chǎn)品的設計質量應該包括產(chǎn)品所要求實現(xiàn)的功能和設計時所應考慮的綜合性能。在新產(chǎn)品開發(fā)中， 要充分考慮用戶的需求， 使產(chǎn)品具有良好的質量 （ Q）（狹義的） , 合適的價格（C）、較短的交貨時間或生產(chǎn)周期 （T）、（可把前兩者作為制造性能來考慮） 、優(yōu)良的工作環(huán)境（ E）及良好的售后服務（ S）這 5 個要素和前面所提出的三大性能是統(tǒng)一的，但三大性能的表述更為具體。此外 , 產(chǎn)品的設計質量也可以概括為主輔功能和三大性能的綜合， 通過功能與三大性能的表示產(chǎn)品的設計質量更為具體。 產(chǎn)品的質量與產(chǎn)品

11、的設計質量是不相同的 , 產(chǎn)品的質量主要體現(xiàn)用戶的要求 , 而產(chǎn)品的設計質量應體現(xiàn)用戶、企業(yè)和社會的所有要求。3、基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品設計7D 規(guī)劃模型的具體容？答：（1）明確設計理念：在科學發(fā)展觀和自主創(chuàng)新理念指導下完成產(chǎn)品設計工作；（2）考慮設計環(huán)境：如政治、經(jīng)濟、人文環(huán)境、法律環(huán)境、社會環(huán)境（指國際與人際環(huán)境）、生態(tài)環(huán)境、技術環(huán)境的要求等；.專業(yè)資料 .（3）擬訂設計步驟：設計過程和步驟是用戶需求獲取、制訂設計任務書、產(chǎn)品概念設計、詳細設計、工藝設計；（4）確定設計目標：也就是本書所指出的面向產(chǎn)品的廣義質量和實現(xiàn)產(chǎn)品功能和性能的優(yōu)化；（5）規(guī)劃設計容：設計容就是面向產(chǎn)品功能和三大性能的功能

12、優(yōu)化設計、動態(tài)優(yōu)化設計、智能優(yōu)化設計和可視優(yōu)化設計等；（6）選擇設計方法：如選擇優(yōu)化設計法、可視優(yōu)化設計法、數(shù)字化設計法等；（7）檢驗設計質量：建立產(chǎn)品質量的可靠性評估體系，采用模糊評價法、價值工程評價法等對產(chǎn)品設計質量進行評估，克服產(chǎn)品設計工作中的隨意性，進而可提高產(chǎn)品的設計質量，使企業(yè)產(chǎn)品的設計質量得到有效的保證。此外，還要通過試驗及在產(chǎn)品使用過程中來檢驗產(chǎn)品質量。對于產(chǎn)品設計的每一映射域的涵還應進一步地予以具體化， 不管是產(chǎn)品的設計理念或設計環(huán)境、還是設計目標、設計容、設計方法或設計質量的評估和檢驗，都應擬訂出實施的具體容和建立好實施的實際模型，包括實現(xiàn)的原理和執(zhí)行的步驟、實施的具體容和

13、方法、執(zhí)行的策略和規(guī)則等。4、詳細闡述“ 1+3+X”設計法的具體容？答：1+3+X 綜合設計法 , 這里的 1 是功能優(yōu)化設計， 3 是動態(tài)優(yōu)化設計、 智能優(yōu)化設計和可視優(yōu)化設計。它和 1+3 綜合設計法不同之點只是增加了某些產(chǎn)品對設計方法的特殊要求，而需要增加某種特殊設計方法對產(chǎn)品進行設計，所采用的特殊方法可以是一種、兩種，甚至更多，這依賴于所設計產(chǎn)品的特點和要求?！?”為產(chǎn)品的功能優(yōu)化設計，即是從產(chǎn)品所要實現(xiàn)的功能和用戶提出的基本要求出發(fā)，選定產(chǎn)品的設計方案，即確定產(chǎn)品機構的形式、各種系統(tǒng)和結構的組成，計算和選擇產(chǎn)品的主要的參數(shù)?！?”為動態(tài)優(yōu)化設計、智能化設計和可視化設計。動態(tài)優(yōu)化設計

14、是在已經(jīng)完成的產(chǎn)品的設計方案的基礎上， 進一步的分析和計算機械設備及其系統(tǒng)的運動學和動力學參數(shù)等，計算零部件的剛度、強度及工作耐久性，進而確定機械設備及其零件的尺寸；通過理論分析，研究機器及其系統(tǒng)的動態(tài)特性，并在可能進行的機構機構或其模型實驗的基礎上，對初步設計階段的圖形、尺寸和方案進行修改。 ：控制系統(tǒng)設計與智能優(yōu)化設計有兩種不同的含義，一是采用智能化的手段，來完成產(chǎn)品的設計；二是對所設計的產(chǎn).專業(yè)資料 .品的主要的參數(shù)和工作的過程實行智能控制和優(yōu)化，使機械設備具有更高的機械工作性能和智能化程度。可視化設計，也是局部圍的虛擬設計，在設計過程中采用三維的造型和各種先進的可視化技術手段，將機械設

15、備的結構、制造和裝配的過程、工作過程的特征形象地變現(xiàn)出來， 并通過可視化來檢驗產(chǎn)品的制造過程和裝配過程及機器的運動學和動力學過程、工藝過程的可行性和合理性，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設計中的不足，進而對產(chǎn)品的設計方案和圖紙進行修改，以便進一步提高產(chǎn)品的設計質量。對于大多數(shù)機械設備來說，產(chǎn)品制造完成后、出廠前的試驗及投產(chǎn)后運轉和運轉過程中的檢驗和測試工作，我們也可以把這些工作稱為X，因此 X 對于各類產(chǎn)品具有較大的靈活性，可由設計者根據(jù)實際情況來決定。5、舉例說明產(chǎn)品質量評價模型，可任意選用如模型M ( ,) ，M (?, ) ，M (,) ，M (?,) ，M (?, ) 的一種或別的方法完成某一產(chǎn)品質量的綜合

16、評價（要求不能與教材容相同）。答：選用 M ( , ) 模型對某新型振動設備進行質量評價，建立因素集：U=u1， u2，u3= 結構性能，工作性能，工藝性能由于結構性能（ u1）、工作性能（ u2）和工藝性能（ u3）都各自包括六個方面的容，所以要對產(chǎn)品質量進行綜合評價，就必須對上述三個因素進行一次模糊評價，即初級評價。利用其結果得到總體產(chǎn)品質量的評價矩陣R，最后完成對產(chǎn)品質量的二級模糊綜合評價。建立決策評估集V=v1，v2，v3，v4， v5= 優(yōu)秀，較好，號，一般，較差 （1）初級評價：結構性能集（ u1）主要考慮以下六個方面， u11 為系統(tǒng)可靠性， u12 為人機安全性， u13 為環(huán)

17、境無害性， u14 為工作耐久性， u15 為造型藝術性， u16 為設計經(jīng)濟性，其重要程度集為A1=（0.3 ，0.3 ， 0.05 ， 0.2 ，0.05 ，0.1 ）專家們對每個方面進行評價打分，得到結構性能的評價矩陣.專業(yè)資料 .0.70.10.10.100.50.30.10.10000.20.70.1R0.10.1000.8000100.10.80.100采用 M ( , ) 計算得到結構性能的評價結果：bd , jmin( ad ,1 ,r d ,1 j ), min( ad ,2 , rd , 2 j ), , min( ad ,m , rd , mj )B1=(0.53， 0.

18、22 ， 0. 1, 0.145 ，0.005)工作性能指集（ u2）主要考慮功效實用性 (u21) 、運行平穩(wěn)性（ u22）、指標優(yōu)越性（ u23）、設備動力性（ u24）、狀態(tài)測控性（ u25）和使用經(jīng)濟型（ u26）等六個方面容，其重要程度集A2=(0.3 ，0.2 ， 0.2 ， 0.1 ，0.1 ， 0.1)評價矩陣為0.60.20.10.100.60.30.1000.50.40.100R20.30.10.20.10.30.20.10.50.10.10.10.70.10.10B2= A2·R2 =(0.46 ，0.31,0.14 ， 0.07,0.02)工藝性能集（ u3）

19、包含結構工藝性（ u31）、機器規(guī)性（ u32）、生產(chǎn)周期性（ u33）、裝運可行性（ u34）、設備維修性（ u35）和制造經(jīng)濟性（ u36）等六方面的容，重要程度集為：A3=（0.3 ， 0.1 ，0.2 ， 0.05 ，0.05 ，0.3 ）評價矩陣為：0.800.200000.70.20.101000R3100000 0.1 0.5 0.4 00.6 0.2 0.1 0.1 0.專業(yè)資料 .B3=A3·R3=（ 0.47 ， 0.265 ，0.185 ，0.07 ， 0.01 ）由 B1，B2， B3 構成對產(chǎn)品總體質量二級評價的評價矩陣，0.530.220.10.1450.

20、005R0.460.310.140.070.020.470.2650.1850.070.01針對著眼因素集合 U，其模糊子集重要程度集由于用戶對結構性能、工作性能和設備工藝性能側重要求和產(chǎn)品類型的不同而不盡相同，舍模糊子集的重要程度集采用A=0.4 ，0.5 ，0.1則B=A·R=( 0.489 ，0.2695 ， 0.1285 ，0. 1 ， 0.013)由此，可以得到產(chǎn)品的總體質量的二級模糊評價結果：優(yōu)秀占 48.9%，較好占 26.95%，好為 12.85%，一般為 10%，差為 1.3%，即判定產(chǎn)品的總體質量等級為“優(yōu)秀”6、簡述綜合設計理論的特點及意義。答：機械綜合設計法的

21、主要組成部份是：功能優(yōu)化設計、動態(tài)優(yōu)化設計、智能優(yōu)化設計和可視優(yōu)化設計等四個主要容。綜合設計法依據(jù)其所采用的理論基礎即線理論和非線性理論可分為一般綜合設計法和高層的綜合設計法。（1）一般綜合設計法的特點根據(jù)機器類型的不同，可以在線性理論的基礎上完成的綜合設計，對于不少機械設備采用線性動力學理論和線性控制理論可以完成產(chǎn)品的設計，以線性理論為基礎的綜合設計法我們稱它為一般綜合設計法。（2）深層次綜合設計法的特點對于那些工作在以非線性動力學為基礎的機械，如汽輪機組，大型離心壓縮機等，采用線性動力學理論來處理產(chǎn)品的設計問題，不僅會有較大的誤差，甚至會發(fā)生質的錯誤，工作中的一些非線性動力學現(xiàn)象無法得到解

22、釋。因此，對于這些機械，就不能停留在以往一般功能優(yōu)化設計、一般動態(tài)優(yōu)化設計、一般的智能優(yōu)化設計及一般可視化設計的水平上，而是應該建立在現(xiàn)代科學技術高度發(fā)展的基礎上的功能優(yōu)化設計、動態(tài)優(yōu)化設計、智能優(yōu)化設計、動態(tài)可視化設計，即深層次的綜合設計法。深層次的綜合設計法的特點是：.專業(yè)資料 .1） 非穩(wěn)態(tài)特性，即慢變、突變、參變和滯后特性，即應考慮系統(tǒng)或工作過程中的非穩(wěn)定工況下的動態(tài)特性， 嚴格地說，幾乎所有的機械設備都處在非穩(wěn)態(tài)情況下運行（包括啟動和停機）。2） 非線性特性，應考慮系統(tǒng)與工作過程中的非線性因素，不論是機械系統(tǒng)，或是控制系統(tǒng)，幾乎都具有非線性的性質。 在目前多數(shù)的設計中， 常常忽略那些

23、非線性因素，而使計算結果具有較大的誤差，甚至會得出錯誤的結果。3）不確定性，許多機械，其幾何參量和物理參量是不確定的，對于這類機械要采用隨機的方法加以處理，這與一般常規(guī)的問題是不相同的。4）高維與強耦合特性，多數(shù)機器設備的實際工作系統(tǒng)是高維和強耦合的，因此，應該真實地反映機器實際工作的情況，即應該考慮系統(tǒng)的耦合性和高維的特性。5） 多參數(shù)或多變量的特性，應考慮機器實際工作過程中的具有多參數(shù)和多變量等復雜的實際情況。綜合設計理論的意義分為理論意義和現(xiàn)實意義。（1）理論上的意義：產(chǎn)品的研究與開發(fā)最重要環(huán)節(jié)是設計出高質量的產(chǎn)品，因此提出面向產(chǎn)品廣義質量的綜合設計法具有決定性的意義。1） 將這幾種重要的設計方法有機地結合起來，并綜合在一起對產(chǎn)品進行設計綜合設計，可以在較大圍考慮產(chǎn)品總體質量，這是國外科學技術工作者長期以來，試圖實現(xiàn)的目標，即找出一種或幾種較全面、較完整的設計方法，解決產(chǎn)品設計總體質量問題。這里提出的三優(yōu)綜合設