現(xiàn)代機械綜合設計理論與方法及應用考試題

1、2011現(xiàn)代機械綜合設計理論與方法及應用考試題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：在20世紀60年代初，人們將設計過程明確劃分為方案設計、技術(shù)設計和工藝設計階段，基本屬于經(jīng)驗設計體系。隨著科學和技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品設計不再完全依賴經(jīng)驗和靈感的創(chuàng)造藝術(shù)，逐步演變?yōu)橐婚T科學，以知識為依托，以科學方法為手段的工程創(chuàng)新活動。20世紀70年代，德國學者Pahl和Beitz提出了最具有代表性、權(quán)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個階段，：明確的任務階段、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)工程、信息科學理論和方法，更廣泛地借助于現(xiàn)代數(shù)學

2、方法和計算技術(shù)，產(chǎn)品設計環(huán)境進入系統(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：(1) 產(chǎn)品的設計理論與方法的研究有百余年的歷史,到現(xiàn)在已提出了數(shù)十種方法, 如創(chuàng)新設計、綠色設計、結(jié)構(gòu)設計、摩擦學設計、優(yōu)化設計、智能設計、虛擬設計、數(shù)字化設計等。(2) 比較著名的理論與方法有：1）發(fā)明解決問題的理論（TRIZ理論） TRIZ方法不是針對某一具體的結(jié)構(gòu)、機械或過程，而是建立思考問題、解決問題過程的科學化德依據(jù)。經(jīng)過50年的研究，TRIZ已形成了一系列方法與工具，特別是提出了設計沖突理論、標準解、ARIZ算法等。2）普適設計理論與方

3、法德國的普適設計理論是優(yōu)秀設計過程所積累經(jīng)驗的總結(jié)。理論的典型代表是Pahl及Betiz的普適設計方法學。該理論建立了設計人員在每一設計階段的工作步驟計劃。這些計劃包括策略、規(guī)劃、原理，從而形成一個完整的設計過程模型。3)公理化設計理論公理化設計的出發(fā)點是將傳統(tǒng)的、以經(jīng)驗為主的設計，建立以科學公理、法則為基礎的體系。其目的是在缺乏知識和信息的情況下，采用“公理”作為指導或決策規(guī)則，從而對制造系統(tǒng)各種復雜行為進行優(yōu)化。4)三次設計法與QFD設計法三次設計法主要內(nèi)容包括系統(tǒng)設計、參數(shù)設計和容差設計，統(tǒng)稱三次設計。QFD代表了從傳統(tǒng)設計方式式向現(xiàn)代設計方式的轉(zhuǎn)變，它是系統(tǒng)工程理念在產(chǎn)品設計過程中的具

4、體運用，并正在發(fā)展成為具有方法論意義的現(xiàn)代設計理論，成為現(xiàn)代設計方法論的運用典范。這些理論與方法大多是在不同的條件下相互獨立地提出的，各有優(yōu)缺點。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。2、試述產(chǎn)品質(zhì)量、功能與性能的關(guān)系？答：三者的定義：產(chǎn)品質(zhì)量的定義應該因不同的前提條件而有所區(qū)別，產(chǎn)品質(zhì)量分為產(chǎn)品的使用質(zhì)量、設計質(zhì)量、制造質(zhì)量和包裝質(zhì)量等。由此，產(chǎn)品的某種質(zhì)量可定義為“在某種前提條件下產(chǎn)品完成某種工作的要求所能表現(xiàn)的能力和水平”。產(chǎn)品功能是對需求信息或產(chǎn)品的效能用科學、準確、簡潔明確的語言進行抽象的描述。功能是產(chǎn)品與零件存在的依據(jù)，回答了“產(chǎn)品是做什么的?”。

5、功能是產(chǎn)品與環(huán)境互相作用過程中體現(xiàn)的，離開產(chǎn)品的動態(tài)過程，產(chǎn)品功能就無法體現(xiàn)。產(chǎn)品性能是指產(chǎn)品在一定條件下，實現(xiàn)預定目的或者規(guī)定用途的能力，產(chǎn)品功能要通過良好的性能得以實現(xiàn)和予以保證。三者的關(guān)系：1).產(chǎn)品的設計質(zhì)量有以下兩個主要的內(nèi)容：一是產(chǎn)品的功能（包括主功能和輔助功能），二是產(chǎn)品的綜合性能(結(jié)構(gòu)性能、工作性能和工藝性能等)，因此還可以說，產(chǎn)品的廣義質(zhì)量是“產(chǎn)品功能與性能的綜合體現(xiàn)”，產(chǎn)品的廣義質(zhì)量與其總功能和全性能是等價的，但它不等價于產(chǎn)品的使用質(zhì)量或狹義的產(chǎn)品質(zhì)量Q。因為狹義的產(chǎn)品質(zhì)量Q不包括價格（C）、交貨時間或生產(chǎn)周期(T)、工作環(huán)境（E）、售后服務（S）等及產(chǎn)品綜合性能中的產(chǎn)品制

6、造的部分工藝性能，這是因為產(chǎn)品的制造的部分工藝性能在產(chǎn)品使用過程中無法予以體現(xiàn)。2).產(chǎn)品的功能與性能具有不同的概念和含義，如某種產(chǎn)品雖然能很好地完成用戶提出的功能要求，但由于沒有良好的性能，例如缺乏安全性、可靠性或工作耐久性，工作時安全可靠性達不到要求，工作一段時間后很快就損壞了。所以說功能不等于性能，功能要通過良好的性能才得以實現(xiàn)和予以保證。3).一種質(zhì)量優(yōu)異的產(chǎn)品，它應該有良好的功能。4).產(chǎn)品的功能與產(chǎn)品的性能有密切的聯(lián)系，性能與功能組成一個完整的整體，只有功能要求，而沒有性能來保證是很難完成既定得工作任務的。5).實際上前面的幾點功能要求和下面更具體的性能要求是統(tǒng)一的，這也說明許多機

7、械產(chǎn)品的功能和性能是統(tǒng)一的，是相互交叉、相互融合的。6).產(chǎn)品質(zhì)量組成元素公式：產(chǎn)品的質(zhì)量和設計質(zhì)量包括五個方面的內(nèi)容，即主功能，輔助功能和結(jié)構(gòu)性能、使用性能及制造性能等，因此，質(zhì)量與設計質(zhì)量的組成元素公式為：式中分別表示主功能、輔助功能、結(jié)構(gòu)功能、使用性能和制造性能。3、基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品設計7D規(guī)劃模型的具體內(nèi)容？答：在設計產(chǎn)品時,除了解用戶的要求外,還要從系統(tǒng)工程的觀點出發(fā),做好以下7個方面的設計規(guī)劃(圖1),把這種設計規(guī)劃稱為7D總體規(guī)劃,具體內(nèi)容為：1) 明確設計思想 在科學發(fā)展觀和自主創(chuàng)新思想指導下完成產(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

8、國際與人際環(huán)境）、生態(tài)環(huán)境、技術(shù)環(huán)境、資金環(huán)境和市場環(huán)境等的要求。3) 擬訂設計步驟 設計過程和步驟包括用戶需求獲取、設計任務書制定、產(chǎn)品概念設計、詳細設計和工藝設計。4) 確定設計目標 也就是本文所指的面向產(chǎn)品的廣義質(zhì)量和對產(chǎn)品實現(xiàn)功能和性能的優(yōu)化。5) 規(guī)劃設計內(nèi)容 設計內(nèi)容就是面向產(chǎn)品功能和三大性能的功能優(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。6) 選擇設計方法 如選擇動態(tài)優(yōu)化設計法、智能優(yōu)化設計法、可視優(yōu)化設計法及數(shù)字化設計法等;7) 評價設計質(zhì)量 建立產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)量進行評估,克服產(chǎn)品設計工作中的隨意性和片面性,進

9、而可提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量,使企業(yè)產(chǎn)品的設計質(zhì)量得到可靠的保證。此外，還應通過試驗及在產(chǎn)品使用過程中來檢驗產(chǎn)品質(zhì)量。對于產(chǎn)品設計的每一映射域的內(nèi)涵還應進一步地予以具體化，不論是產(chǎn)品的設計思想或設計環(huán)境、還是設計目標、設計內(nèi)容、設計方法或設計質(zhì)量的評估和檢驗，都應擬定出實施的具體內(nèi)容和方法，并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、實施的具體內(nèi)容和方法，并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、實施的具體內(nèi)容和方法、執(zhí)行的策略和規(guī)則等。從圖1中，可以發(fā)現(xiàn)目前的書刊中所介紹的50多種設計方法都可以找到它們各自所處的合適位置和所占用的空間，它們對保證或提高產(chǎn)品的質(zhì)量與性能都會發(fā)揮各自

10、的積極作用。基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品的7D設計規(guī)劃模型明確設計思想應貫徹：1綠色設計2創(chuàng)新設計3基于系統(tǒng)工程的設計考慮設計環(huán)境應考慮：1政治環(huán)境2經(jīng)濟環(huán)境3人文環(huán)境4法律環(huán)境5國際環(huán)境6人際環(huán)境7生態(tài)環(huán)境8技術(shù)環(huán)境9資金環(huán)境10市場環(huán)境擬定設計步驟可選用：1常規(guī)設計過程2公理化設計過程3QFD設計過程4基于系統(tǒng)工程的設計過程選擇設計方法可選用：1優(yōu)化設計2智能設計3協(xié)同設計4平行設計5反求設計6虛擬設計7網(wǎng)絡設計8集成設計9優(yōu)勢設計10.CAE11.融合設計12模糊設計13綜合設計14改型設計15可視化設計16模塊化設計17相似性設計18柔性化設計19數(shù)字化設計20快速反應設計檢驗設計質(zhì)量可選用：1

11、模糊方法評價2系統(tǒng)工程質(zhì)量評價3價值工程質(zhì)量評價4通過試驗來檢查產(chǎn)品質(zhì)量5在使用過程中檢驗產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)劃設計內(nèi)容可選用：1方案設計2機構(gòu)設計3結(jié)構(gòu)設計4參數(shù)設計5驅(qū)動設計6傳動設計7強度設計8造型設計9摩擦學設計10可靠性設計11運動學設計12動力學設計13基礎設計14監(jiān)測系統(tǒng)設計15控制系統(tǒng)設計16診斷系統(tǒng)設計17容差設計18工藝設計19用試驗設計確定設計目標可選用：1全功能設計2全性能設計3全功能全性能優(yōu)化設計4普適設計5面向廣義質(zhì)量的設計6基于價值工程的設計7為縮短生產(chǎn)周期的設計圖1 基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品的7D設計規(guī)劃模型在產(chǎn)品的設計工作中應該努力貫徹以科學發(fā)展觀和自主創(chuàng)新的指導思想,同時必

12、須對設計的政治、經(jīng)濟、人文、法律、技術(shù)、生態(tài)及社會環(huán)境進行全面的考慮,應該符合國家方針、政策和制度,這也是對設計工作者提出的基本要求;在上述條件下,設計工作者可根據(jù)某一類或某一種產(chǎn)品的具體情況,對設計目標、設計內(nèi)容、設計方法及設計質(zhì)量的評價方法進行研究，并做出規(guī)劃,這樣可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量戰(zhàn)略、成本戰(zhàn)略和時間戰(zhàn)略得以同時實現(xiàn),使所研究的產(chǎn)品在國內(nèi)外市場的競爭中立于不敗之地。4、詳細闡述“1+3+X”設計法的具體內(nèi)容？答：1+3+X設計法是基于系統(tǒng)工程的一種較為理想的設計方法。一 以三優(yōu)綜合設計為基礎的1+3+X綜合設計法1+3+X綜合設計法如圖2所示，其中，1是功能優(yōu)化設計,3是動態(tài)優(yōu)化設計、智

13、能優(yōu)化設計和可視優(yōu)化設計。而X是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。例如：對轎車來說，車體外形的設計，即造型設計顯得特別重要，這就要求設計者在完成前面幾種方法的基礎上，進行附加的設計工作。因此，必須采用造型設計來完成該產(chǎn)品的設計。圖2 以三優(yōu)綜合設計為基礎的1+3+X綜合設計法此外，對于大多數(shù)機械設備，產(chǎn)品制造完成以后，產(chǎn)品出廠前得試驗及投產(chǎn)前后運轉(zhuǎn)過程中的檢驗和測試工作，我們也可以把這些工作歸為X，因此，X對于各類產(chǎn)品具有較大的靈活性，可由設計者來決定。該種設計法也可分為一般的和深層次的綜合設計法兩類。二 面向產(chǎn)

14、品三大性能的1+3+X的綜合設計法由圖3可知，面向產(chǎn)品功能和三大性能的設計法不足是沒有指出采用什么設計方法，近幾年來，大量的設計工作實踐已經(jīng)充分證明，動態(tài)優(yōu)化、智能優(yōu)化和可視優(yōu)化在保證設計質(zhì)量的過程中已發(fā)揮十分重要的作用。為克服設計工作中的隨意性，對設計方法予以明確規(guī)定，對保證與提高產(chǎn)品設計質(zhì)量是有益。產(chǎn)品的功能優(yōu)化設計：適用的工作機構(gòu)；適用的機器結(jié)構(gòu)適用的運行系統(tǒng)；適用的工藝參數(shù)適用的幾何參數(shù)；適用的運動參數(shù)適用的動力參數(shù)；參數(shù)系統(tǒng)可調(diào)性結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化設計工藝性能優(yōu)化設計工作性能優(yōu)化設計人機安全性；統(tǒng)可靠性；工作耐久性；材質(zhì)適應性；機器緊湊性；環(huán)境無害性；造型藝術(shù)性；設計經(jīng)濟性功效實用性；工作

15、穩(wěn)定性；指標優(yōu)越性；設備動力性；狀態(tài)測控性；故障診斷性；操作宜人性；使用經(jīng)濟性結(jié)構(gòu)工藝性；零件規(guī)范性；制造時間性；容差合理性；裝運可行性；設備維修性；報廢回收性；制造經(jīng)濟性X：產(chǎn)品出廠前的試驗及投產(chǎn)后的工作檢驗非穩(wěn)態(tài)、非線性、不確定、強耦合、高維、多變量圖3 面向產(chǎn)品功能與三大性能的1+3+X的綜合設計法5、舉例說明產(chǎn)品質(zhì)量評價模型，可任意選用如模型，的一種或別的方法完成某一產(chǎn)品質(zhì)量的綜合評價。答：模糊綜合評價是對涉及多種模糊因素的對象系統(tǒng)進行的總體評價。運用模糊綜合評價模型對目標對象的綜合評價具有一定的科學性和實用性。利用多級模糊綜合評價方法對產(chǎn)品質(zhì)量進行評價舉例說明如下(以某一小型移動機器

16、人為例)：1. 建立著眼因素集U：=結(jié)構(gòu)性能，工作性能，工藝性能由于結(jié)構(gòu)性能（）、工作性能（）和工藝性能（）都各自包含八個方面的內(nèi)容，所以要對產(chǎn)品質(zhì)量進行綜合評價，就必須對其三個方面分別先進行一次模糊評價，即初次評價，利用其結(jié)果得到總體產(chǎn)品質(zhì)量的評價矩陣R，最后完成對產(chǎn)品的二級模糊綜合評價。2. 建立決策評估集V：=（優(yōu)秀，較好，好，一般，差）3. 建立結(jié)構(gòu)性能集：共包含6方面內(nèi)容：系統(tǒng)可靠性、工作耐久性、環(huán)境無害性、人機安全性、結(jié)構(gòu)緊湊性、設計經(jīng)濟性。(1)重要程度集A1：=(0.4,0.2,0.05,0.1,0.15,0.1)(2)結(jié)構(gòu)性能的評價矩陣R1：(3)結(jié)構(gòu)性能的評價結(jié)果B1（采用

17、模型4計算）：=( 0.43,0.27,0.095,0.2,0.005)4. 建立工作性能集：包含6方面內(nèi)容：運行平穩(wěn)性、工效實用性、指標優(yōu)越性、操作宜人性、故障可診斷性、使用經(jīng)濟性。(1)重要程度集A2：=（0.3,0.3,0.1,0.1,0.1,0.1）(2) 工作性能的評價矩陣R2：(3) 工作性能的評價結(jié)果B2：=(0.47,0.32,0.15,0.04,0.02)4. 建立工藝性能集：包含6方面內(nèi)容：結(jié)構(gòu)工藝性、設備維修性、生產(chǎn)周期性、機器規(guī)范性、報廢回收性、制造經(jīng)濟性。(1)重要程度集A3：A3=（0.3,0.1,0.1,0.15,0.15,0.2）(2) 工藝性能的評價矩陣R3：

18、(3) 工藝性能的評價結(jié)果B3：=(0.53,0.16,0.205,0.095,0.01)一級評價結(jié)果得到：結(jié)構(gòu)性能、工作性能和工藝性能三方面的等級程度，產(chǎn)品的性能特性類型評價結(jié)果。5. 二級評價的評價矩陣R：6. 重要程度集A：A=(0.4,0.4,0.2)7. 二級評價的評價結(jié)果B：=(0.466,0.268,0.139,0.115,0.012)二級模糊評價得到產(chǎn)品總體質(zhì)量結(jié)果：優(yōu)秀 46.6%，較好 26.8%，好 13.9%，一般 11.5%，差 1.2%，可以判定產(chǎn)品的總體質(zhì)量等級為“優(yōu)秀”。6、簡述綜合設計理論的特點及意義。答：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

19、這幾種方法的綜合，可以使產(chǎn)品的綜合質(zhì)量:結(jié)構(gòu)性能、工作性能和工藝性能得到較全面的保證。不論在新產(chǎn)品的設計中，或老產(chǎn)品的改造中，采用這種綜合設計法是十分必要的，而且是有效的，這對提高產(chǎn)品設計的綜合質(zhì)量具有重要的意義。我們這里提出的綜合設計法，不應該停留在以往一般動態(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(shù)高度發(fā)展的基礎上的概念設計、動態(tài)優(yōu)化設計、智能優(yōu)化設計、動態(tài)可視化設計，即高層次的綜合設計法。一 綜合設計理論的特點: (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)

20、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(zhì)。在目前多數(shù)的設計中，常常忽略那些非線性因素，而使計算結(jié)果具有較大的誤差，甚至會得出錯誤的結(jié)果。(3)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。(4)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。由于非線性動力學理論與方法、智能控制理論與技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，為上述問題的解決提供了有效的方法和實現(xiàn)的可能性。目前我國不少產(chǎn)

21、品的設計，還是以結(jié)構(gòu)的靜態(tài)設計(或考慮一些較為簡單的動態(tài)問題)、線性系統(tǒng)的設計、非強耦合系統(tǒng)的設計為主，還沒有進入較高層次的動態(tài)設計。因此，我們主張無論是對新產(chǎn)品開發(fā)或是老產(chǎn)品改造，應該在較高層次上進行綜合設計，這樣，能夠在較高層次上和較大范圍內(nèi)實現(xiàn)對產(chǎn)品綜合質(zhì)量的要求，所提出的綜合設計法對于那些復雜的機械，特別是對于一些高速、大型、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)復雜的機械，尤為重要。二 綜合設計理論的意義 1. 綜合設計理論的理論意義：(1)綜合設計法可以在較大范圍內(nèi)考慮產(chǎn)品的綜合設計質(zhì)量，這是國內(nèi)外科學技術(shù)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(zhì)量問題。這里

22、提出的綜合設計法，可以在某種程度上實現(xiàn)上述要求與目標。這對于大型、高速、復雜的機械設備來說，尤為重要。(2)綜合設計法，在設計理論與方法上不是停留在一般水平上的動態(tài)優(yōu)化、智能化和可視化基礎上，在理論、方法和技術(shù)上應有較大的突破，使目前設計理論上的深層次和高難度的幾個問題能得到基本的解決和具體的實現(xiàn)，將提出一種基于非穩(wěn)態(tài)(慢變、參變和時滯)、強耦合、多參數(shù)的非線性動力學理論的動態(tài)優(yōu)化設計、智能優(yōu)化設計和可視優(yōu)化設計的理論與方法，這在理論上具有重要的意義。(3)建立一種較為完整的能用于新產(chǎn)品開發(fā)的與老產(chǎn)品改造的基于產(chǎn)品總體設計質(zhì)量的新體系。研究一種新的產(chǎn)品總體質(zhì)量的設計軟件平臺。這里所指的綜合設計法也可以是另外幾種方法在一起的綜合設計法?？萍脊ぷ髡叩每筛鶕?jù)各類產(chǎn)品的特點，提出另外幾種設計方法的組合，并將這些方法的內(nèi)在