《先进制造技术》第2版复习思考题答案.docx
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第1章制造业与先进制造技术
1.1简述制造、制造系统与制造业概念。
制造：
利用合适的工具，采用有效的工艺方法，将原材料转变产品并投放市场的过程。
狭义制造：
将原材料转变为成品的加工和装配的生产过程。
广义制造：
包含产品设计、加工装配、生产管理、市场营销等整个产品生命周期的全过程。
制造业：
是将制造资源转化为可供人们使用和消费产品的行业，是所有与制造有关的生产和服务
型企业群体的总称。
制造系统：
为实现制造目的所构建的物理型系统，包括制造过程、硬件、软件和相关人员等组成部分。
1.2制造业在国民经济中的地位和作用如何？
制造业地位：
制造业是一个国家经济发展的支柱，是国民经济收入的重要来源，不仅为现代工业
社会提供物质基础，也为信息与知识社会提供先进装备和技术平台。
制造业作用：
1）提高人们物质消费水平；
2）实现经济稳定增长的物质保证；
3）担当国际商品贸易的重要角色；
4）是加强农业基础、支持服务业更快发展的物质保障和重要条件；
5）是加快信息产业发展的物质基础；
6）是劳动力就业的重要平台；
7）是加快发展科学技术和教育事业的重要物质支撑；
8）是实现军事现代化和保障国家基本安全的基本保证。
1.3简述制造技术发展历程。
在生产方式方面：
经历了从单件/小批量生产--大批量生产--多品种小批量定制生产过程；
在制造技术方面：
经历了机械化--单机自动化--刚性自动化--柔性自动化--综合自动化过程；在资源配置方面:
经历了劳动密集型--设备密集型--技术密集型过程。
1.4试分析我国机械制造业的发展和面临的挑战。
我国机械制造业的发展：
目前我国机械制造业产值超过了德国、日本和美国，跃居为世界第一，
成为全球第一的机械制造大国。
我国机械制造业面临如下方面的挑战：
1）西方发达工业国家回归实体经济；
2）国外跨国集团公司技术优势；
3）国内生产要素成本提高。
4）当前我国制造业面临工业发达国高技术和发展中国家低成本优势的双向挤压。
1.5先进制造技术在怎样背景下推出的，其内涵与特点如何？
先进制造技术提出背景：
1）社会经济背景：
主题化、个性化和多样化社会消费需求；全球市场形成，加剧商品市场竞
争。
2）科学技术背景：
计算机技术、微电子技术、信息技术、自动化技术的快速发展。
3）可持续发展战略背景：
严峻的环境问题要求制造业对环境负面影响最小，资源利用率最高。
为此在20世纪80年代末，由美国政府首先提出“先进制造技术”概念。
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先进制造技术内涵：
先进制造技术是在传统制造技术基础上不断吸收现代技术成果，将其综合应用于产品设计、加工装配、经营管理等产品制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，提高市场适应和竞争能力的制造技术总称。
先进制造技术特征：
1）实用性，是以提高企业综合实力和市场竞争力为目标；
2）应用广泛性，涉及开发设计、生产准备、加工装配、销售服务等产品全生命周期所有技术；
3）发展动态性，是不断吸收各类高新技术，不断发展中的新技术；
4）技术集成性，是集机械、电子、信息、材料和管理技术为一体的集成技术；
5）系统性，是驾驭生产过程中的物质流、信息流和能量流的系统工程；
6）强调优质、高效、低耗、清洁、灵活生产；
7）最终目标是提高市场响应能力和竞争能力。
1.6分析先进制造技术与传统技术的比较？
传统制造技术
先进制造技术
系统性
仅驾驭生产过程中的物质流和能量流。
可驾驭生产过程中的物质流、信息流和能量流。
广泛性
仅指将原材料变为成品的加工装配工艺过程。
贯穿从产品设计、加工制造到产品销售的整个过程。
集成性
学科专业单一、独立，相互间界限分明。
专业和学科不断渗透、交叉融合，其界限逐渐淡化甚至消失。
动态性
静止的、不变的。
不断发展的，不同时期、不同国家的特点、重点、目标和内容不同。
实用性
与企业目标没有关联。
注重实际效果，是以提高企业综合实力和市场竞争力为目标。
1.7查阅资料，分析先进制造技术的最新发展。
略。
第2章现代设计技术
2.1试分析现代设计技术的内涵与特征。
现代设计技术内涵：
现代设计技术是在传统设计方法基础上继承和发展起来的，是一门多专业和多
学科交叉，综合性很强的基础技术科学，是一个由时间维、逻辑维和方法维共同组成的三维集成技术。
现代设计技术特征：
l）系统性，在设计前期便综合考虑后期的生产、应用等多方面问题；2）动态性，不仅考虑产品静态特性，还要考虑产品的动态特征；
3）创造性，运用各种创造方法和手段，开发出具有创新性的产品；
4）计算机化，计算机渗透到产品设计开发的各个环节，应用计算机弥补人天生不足，实现了人机优势互补。
5）强调设计过程的并行化、最优化、自动化和虚拟化；
6）主动性，在产品设计早期就对产品各种性能作出准确预测，体现了现代设计方式的主动性。
2.2描述现代设计技术的体系结构。
现代设计技术是由基础技术、主体技术、支撑技术和应用技术四个不同层次的技术集群组成。
l）基础技术：
包括运动学、静力学、动力学、材料力学、热力学、电磁学、工程数学等。
2）主体技术：
计算机辅助设计技术以其数值分析计算。
3）支撑技术：
包括设计方法学、可信性设计技术、设计试验技术等。
4）应用技术：
如汽车、飞机、船舶、机床、工程机械等专业领域产品设计知识和技术。
5）其它技术：
先进制造、材料科学、自动化技术、系统管理以及社会人文科学等。
2.3为什么说计算机辅助设计技术是现代设计技术的主体，它与其它技术的关系如何？
计算机辅助设计（CAD）的基本任务是以计算机为工具，从事产品造型、工程分析、图形处理、运动仿真等任务，最终完成产品数字模型的建立，这是产品设计工作的开端，是其它设计任务的重要基础。
一旦建立完成产品数据模型，后续的各项设计任务方可开展，如计算机辅助工艺规程设计、计算机辅助数控编程，优化设计可靠性设计等。
在现代设计体系结构中的基础技术和支撑技术与计算机辅助技术的关系是一种基础、支撑和工具关系，可使计算机辅助设计能够更快、更好、更为有效的进行。
应用技术为计算机辅助技术提供了应用领域。
2.4计算机辅助设计技术包括哪些主要内容，分析其中的关键技术。
计算机辅助设计技术基本内容：
1）从事产品造型、装配、工程图绘制以及相关设计文档处理；
2）应用产品渲染、动态显示等技术展示产品设计结果；
3）应用有限元分析、模型仿真、优化设计等工程分析方法对设计结果进行优化和改进。
计算机辅助设计关键技术
1）产品建模技术，对设计对象进行描述，并用合适的数据结构存储在计算机内；
2）单一数据库与相关性设计，有利于减少设计中差错，提高设计质量和设计效率；
3）NURBS曲面造型技术，可采用统一的数学模型精确表示自由曲线曲面，简化系统结构。
4）有限元分析及动态仿真技术，可对设计对象进行结构位移、应变应力、热分布分析，以及运动学和动力学工作状态的仿真；
5）CAD与其他CAX系统的集成技术，可实现设计资源的共享和应用。
6）标准化技术，利于支持异构、跨平台的工作环境。
2.5描述优化设计数学模型，何为设计变量、目标函数和设计约束，什么是规格化优化设计数学模型形式？
优化设计数学模型：
是用一组优选的设计参数在满足一系列限制条件下使设计指标达到最优的数学表达式，该表达式包括设计变量、目标函数和设计约束三要素。
设计变量：
是反映设计方案特性的若干参数，即：
éx1ù
êxú
X=ê2ú=（x，x，L，x）T
êLú 1 2 n
êxú
ënû
n
目标函数：
是用设计变量表示设计中所追求目标的函数，表示为
F（X）=F（x1，
x2，L，
x）T
设计约束：
是对设计变量取值的限制。
n
规格化优化设计数学模型：
minF（X），X=（x1，
x2，L，
x）T
st.
gu（X）£0
hv（X）=0
u=1，
v=1，
2，L，
2，L，
m
p2.6试分析优化设计过程与步骤。
优化设计步骤：
1）分析设计对象，明确优化设计的需求，合理确定优化的范围和目标。
2）确定设计变量和设计约束条件，选择若干对设计指标直接有影响的相互独立的参数作为设计变量，并确定各变量所满足的条件。
3）选择优化指标，确定目标函数，建立规格化目标函数模型。
4）选择合适的优化计算方法，进行优化计算。
5）分析优化结果，修改设计方案，求得满意的结果。
2.7分析可靠性设计解决什么问题，各项可靠性指标是什么含义。
可靠性：
即为在规定的条件和规定的时间内完成规定功能的能力。
可靠性设计是确定产品质量指标
的变化规律，以最少的费用以保证产品应有的工作寿命和可靠度，以最优的设计方案实现所要求的产品可靠性水平。
常用可靠性指标：
l）产品工作能力：
指产品功能参数达到技术要求时的完成规定功能所处的状态。
2）可靠度：
指产品在规定条件和规定时间内完成规定功能的概率。
3）失效率：
表示产品工作到某一时刻后在单位时间内发生故障的概率。
4）平均寿命：
对于不可修复产品，是指产品从开始工作到发生失效前的平均工作时间；对于可修复产品，是指两次故障之间的平均工作时间。
2.8什么是“应力-强度干涉模型”，如何利用该模型进行机械零件可靠性设计？
应力-强度干涉模型：
该模型是机械零件可靠性设计的基本模型，即要求零件强度X大于零件所受应
力Y的概率模型。
图示中强度X的概率密度与应力Y的概率密度分布曲线的相互搭接的阴影区域为零件可能出现失效的区域，其面积越小零件可靠性越高，应用概率论的卷积公式可求零件失效的概率密度函数，即：
h（z）=òyf（z+y）g（y）dy
其中，X、Y概率密度函数分别为f（x）和g（y），Z=X-Y为干涉随机变量。
2.9为什么说串联系统的可靠度比系统中最不可靠元件的可靠度还低，而并联系统的单元数目越多，则系统的可靠度越高？
如何合理进行可靠性分配？
n
串联系统：
设串联系统各元件可靠度分别为R1、R2、…、Rn，则串联系统可靠度Rs为
Rs=R1R2LRn-1Rn=ÕRi
i=1
由于系统各元件可靠度均小于1，所以串联系统可靠度比系统中最不可靠的元件可靠度还低。
n
并联系统：
并联系统可靠度Rs计算公式为Rs=1-Õ（1-Ri），设R1=R2=…=Rn=R时，则有
i=1
s
R=1-（1-R）n
同样，由于各元件可靠度均小于1，则并联系统单元数目越多，系统的可靠度越高。
可靠性分配原则:
1）组成单元越成熟，应分配的可靠度可相应增大；
2）单元在系统中的重要性越高，应分配的可靠度也越高。
3）对具有相同重要性和相同工作周期的单元，分配的可靠度也应相同；
4）综合考虑各组成单元结构、可维修性、工作环境、技术成熟度等因素，进行可靠度合理分配。
2.10简述价值工程的内涵，价值工程是如何解决实际工程问题的？
价值工程内涵：
价值工程是以产品的功能分析为核心，以提高产品的价值为目的，力求
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