现代机械设计理论与方法.ppt

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现代机械设计理论与方法,陈时锦：

机械制造及其自动化系,第一章概述,课程教学的目的培养学生运用现代先进的设计理论和方法解决工程问题的能力。

教学内容现代设计理论：

重点内容为系统分析法及创造性思维。

现代设计方法：

重点内容为有限元分析、优化设计和反求工程设计。

1.1传统设计与现代设计及其范畴,一传统设计与现代设计1设计的起源和设计技术的传递手工艺人的设计及技术传递师傅徒弟（实用的）传统设计技术的传递图纸、经验、类比（实验为基础的）现代设计理论体系的建立与发展仿真、理论分析（分析实验结合的）,1.1传统设计与现代设计及其范畴,一传统设计与现代设计2产品属性变化对设计的要求（传统产品与现代产品）产品的使用属性产品的社会属性产品的服务属性海尔是如何赚钱的？

你把保险公司的产品放到哪里去了？

3现代设计与传统设计的根本区别手工的、静态的、经验的设计，被动地分析产品的性能计算机化的、动态的、科学的设计，主动地设计产品的性能,1.1传统设计与现代设计及其范畴,二现代设计的范畴1信息论方法,如信息分析法、技术预测法等。

它是现代设计方法的前提。

2系统论方法,如系统分析法、人机工程以及面向产品生命周期的设计。

3控制论方法,如动态分析法等。

4优化论方法,它是现代设计方法的目标。

5对应论方法,如相似设计、反求工程设计等。

6智能论方法,如CAE、并行工程、人工智能等。

是现代设计方法的核心。

7寿命论方法,如可靠性设计、价值工程和稳健性设计等。

8离散论方法,如有限元和边界元方法。

9模糊论方法,如模糊评价和决策等。

10突变论方法,如创造性设计等。

它是现代设计方法的基础。

11艺术论方法,如艺术造型等。

1.2设计过程和设计技术简述,设计方法的研究内容设计素质的培养做合格的设计人员设计步骤和程式组织和执行设计解决具体问题的方法和手段科学而娴熟的方法,1.2设计过程和设计技术简述,一机械设计过程简述1基本设计步骤调查研究方案设计工作图设计样机试制与鉴定2系统分析设计模式3创造性设计模式,1.2设计过程和设计技术简述,二设计技术知识维逻辑维时间维三机械结构设计,第二章系统分析设计方法,传统设计方法的缺陷孤立、静止地分析问题得到的结论具有片面性和局部性增加系统的实现难度和成本失败的案例分析：

某大型企业的技术引进XX压力机设计现代设计方法注重产品设计的全过程注重分析系统内部单元的相对关系从功能分析入手解决产品方案设计,2.1技术系统的组成和处理对象,系统的组成系统单元系统结构边界条件输入和输出的要素,2.2系统分析设计方法,系统分析设计的内容系统设计系统制造系统运行系统分析设计涉及到产品开发和运行的所有环节，甚至包括产品的售后服务和产品失效（报废）后处理，所以系统分析设计不是单纯的产品设计。

2.2系统分析设计方法,一设计过程剖析1产品规划重要度：

极高。

极少数人行为确定，受控度低，无补救措施。

2方案设计重要度：

高。

少数人行为确定，受控范围小，补救困难。

3技术设计重要度：

中。

较多人行为确定，受控范围大，较易补救。

4施工设计重要度：

低。

受控度高，一般能及时发现，易补救。

工程设计中，大多数人理解施工设计十分重要，其原因是施工设计是十分费时而细致的工作，而且多数人只能看到施工设计或只有看见施工设计的能力。

2.2系统分析设计方法,二产品规划明确所设计系统的目的、任务和要求撰写设计任务书目的：

提供设计、评价和决策的依据,2.2系统分析设计方法,二产品规划1市场需求分析1）消费者对产品功能、性能、质量和数量等的具体要求2）现有类似产品的销售情况和销售趋势3）竞争对手在技术、经济方面的优缺点及发展趋向4）主要原料、配件和半成品的现状、价格及变化趋势等,2.2系统分析设计方法,二产品规划2可行性分析1）技术分析系统实现的难点和创新点2）经济分析成本、性能价格比分析3）社会分析产品开发的经济效益和社会效益,2.2系统分析设计方法,二产品规划3可行性分析报告的内容1）产品开发的必要性、市场调查和预测情况2）有关产品的国内外水平及发展趋势3）从技术上预期能达到的水平4）需要解决的关键技术问题5）经济效益、社会效益的分析6）投资费用及时间进度计划7）现有条件下开发的可能性及准备采取的措施,2.2系统分析设计方法,二产品规划4设计要求的拟定1）产品功能和性能2）设计参数和相关的指标3）制造及使用等方面的限制条件,2.2系统分析设计方法,三方案设计1功能分析和原理方案拟定1）功能分析2）创造性设计3）分析综合评价,2.2系统分析设计方法,三方案设计2功能分析的目的1）启发创造性2）全面掌握对产品各方面的要求3）避免设计的盲目性4）全面考虑功能和成本的关系功能分析,2.2系统分析设计方法,三方案设计3功能的分类1）基本功能和辅助功能手机的功能分析2）必要功能和不必要功能短命的产品金长城家用电脑的功能分析3）使用功能和外观功能二十年来服装的变化趋势或潮流,2.2系统分析设计方法,三方案设计4依据功能的设计1）参考有关资料、专利或产品求解2）利用各种创造性方法以开阔思想来探寻解法3）采用形态综合法或相关表和相关网法进行组合,2.2系统分析设计方法,三方案设计5功能分析设计法举例1）挖掘机的原理方案设计,2.2系统分析设计方法,三方案设计5功能分析设计法举例2）电子皮带秤的原理方案设计,2.2系统分析设计方法,四方案设计举例瓶盖整列装置的原理方案设计,2.2系统分析设计方法,四方案设计举例原理方案设计,2.2系统分析设计方法,四方案设计举例原理方案设计,第三章创造性设计方法,什么是创造建立新系统的过程狭义创造广义创造个体创造力创造性设计竞争力与创造性的关系典型企业特征Wintel用新产品进行“抢劫”麦当劳和肯德基为什么会亏损？

3.1创造力和创造过程,一培养创造力的条件创造力的培养1）丰富的知识和经验知识和经验是创造的基础,是智慧的源泉。

创造就是用已有的知识为前提去开拓新的知识。

浅谈水变油没有知识的创新只能是滑稽的创新浅谈海水变油1升海水所蕴含的能量相当于300升汽油,3.1创造力和创造过程,一培养创造力的条件创造力的培养2）高度的创造精神创造性思维能力并不是与知识量简单地成比例的,还需要有强烈的参与创造的意识和动力。

少年牛顿莱特兄弟孙圣和教授与博士生培养,3.1创造力和创造过程,一培养创造力的条件创造力的培养3）健康的心理品质要有不怕困难、刻意求新、百折不挠的坚强意志。

爱迪生与诺贝尔墙头漫步的精神病人,3.1创造力和创造过程,一培养创造力的条件创造力的培养4）科学而娴熟的方法必须掌握各种创造技法和其他的工程技术研究方法。

冯康教授与有限元法,3.1创造力和创造过程,一培养创造力的条件创造力的培养5）严谨而科学的管理创造需要引发和参与,也需要对其每个阶段或步骤进行严谨而科学的管理,这也是促进创造发明的实现的因素之一。

浅谈神州飞船,3.1创造力和创造过程,一培养创造力的条件创造力的培养1）要克服思想僵化和片面性,树立辩证观点。

2）要摆脱传统思想的束缚,不盲目相信权威等。

3）要消除不健康的心理,如胆怯和自卑。

4）要克服妄自尊大的排他意识,注意发挥群体的创造意识等。

从过高空悬索看我们自身的心理弱点。

从同学到上司。

我看文化革命。

3.1创造力和创造过程,二创造发明过程分析准备阶段提出问题、搜集材料、定向科学分析等。

创造阶段构思、顿悟和发现等。

整理结果阶段验证、评价和公布等。

尺有所短，寸有所长谈创造发明中的人才任用,3.1创造力和创造过程,二创造发明过程分析1意念什么是意念及意念的获取方法值得研究？

值得改进？

也许能实现？

顾客需要的不是这个？

顾客需要的也许是这个？

下属对我的做法不满意？

上级对我的工作不满意？

同级觉得和我沟通困难？

客户对我不满意？

客户流失？

3.1创造力和创造过程,二创造发明过程分析2概念报告（广义的履历表、计划表）概念报告的内容概念报告的修正概念报告的作用,3.1创造力和创造过程,二创造发明过程分析3可行模型4工程模型5可见模型从可视化到虚拟制造6样品原型7小批生产,3.2创造性思维,创造性思维和创造技法是创造的核心常规思维的主要特点常规性即习惯性、通常性单向性即只向常规的习惯方向思考单一性即只考虑一种方案、一种思路逻辑性即通常的逻辑思维范畴等创造性思维的主要特点独特性即与众不同多向发散性即立体性思维、多答案非逻辑性即出人意料连动性即由此及彼性综合性创造是多种思维方式的综合,在综合中创新,3.2创造性思维,一发散思维与收敛思维发散思维是一种让思路向多方向、多数量全面展开的立体型、辐射型的思维方式。

收敛思维是指针对由发散思维所提出的各种方案,分别逐一地进行讨论,做出比较、评价和选择,将问题集中到使它获得解决的某一种或某几种方案上,并最终使问题获得解决的思维过程。

发散思维和收敛思维都具有它们各自的特点,缺一不可。

3.2创造性思维,二想像想像是人脑在过去的感知的基础上对所感知的形象进行加工、改造，创建出新形象的过程。

是对没有关联的事物经过重新组合、搭配,构成新的有联系的事物的思维过程。

消极想像和积极想像再造想像、创造想像和憧憬,3.2创造性思维,三灵感人们在创造活动中,有时长期冥思苦想,找不出好的办法去解决问题,但在某种情况下却恍然大悟,问题迎刃而解。

这种现象称为灵感。

灵感具有突发性、目标性、独创性、随机性和瞬时性的特点,是创造性思维中作用巨大的一种思维形式,是创造活动中达到最高阶段出现的一种最富有创造性的心理状态。

3.2创造性思维,三灵感在长期积累的前提下偶然得之；在有意追求的过程中元意得之；在循常思维的基础上反常得之；在良好的精神状态下怡然得之；在和谐的环境中欣然得之。

3.3创造技法,一列举法希望列举法电冰箱的冷藏冷冻区域划分缺点列举法单放机的发明故事特性列举法专卖店与超市,3.3创造技法,二智爆法（集体联想方式）会议要求人员、计划解决的问题确定会议原则创新、聆听、赞赏实施程序气氛、主持人技巧,3.3创造技法,三提问追溯法5W1HWhen?

Where?

Who?

What?

Why?

How?

二维微位移工作台的工程图设计问题举例,3.3创造技法,三提问追溯法奥斯本检核表法1）可否将产品的形状、制造方法等加以改变?

2）可否另作他用?

3）有无其他更佳设想?

4）改变一下如何?

5）放大如何?

6）缩小如何?

7）用别的替代如何?

8）反之如何?

9）组合起来如何?

3.3创造技法,四反向探求和向前推演法反向探求法对现有的解决方案系统地加以否定或寻找其他的甚至相反的一面,找出新的解法或启发新的想法。

向前推演法从一个最初的设想按一定方向逐步向前探索,寻找新的想法。

3.3创造技法,五联想类推法相似联想法河蚌育珠、牛黄抽象类比法喷气发动机与沙漠中的沙丘借用法、仿生法蜂窝结构,3.3创造技法,六组合法主体附加手机和收音机异类组合手表和U盘同类组合DVD和VCD分解组合前掠翼飞机单兵飞行器辐射组合纳米技术坐标组合北京某肉制品厂的起死回生,3.3创造技法,七功能分析法八同中求异与异中求同对于熟悉的事物把它看成是“陌生的”清华校训“自强不息，厚德载物”：

出自周易：

“天行健，君子以自强不息”、“地势坤，君子以厚德载物”。

哈工大校训“规格严格，功夫到家”：

航天人的精神被概括为：

特别能吃苦，特别能战斗，特别能攻关，特别能奉献。

对陌生的事物持“熟悉的”态度快速虎钳的设计案例,第四章机械可靠性设计,什么是可靠性可靠性能不能被量化可靠、不可靠；十分可靠、很不可靠；可靠度达到99.99%?

可靠性与合格可靠性的代价数据的获取代价产品失效的代价,4.1关于机械可靠性设计的几个问题,一为什么要研究可靠性的问题由于市场竞争激烈,产品更新快,许多新元件、新材料、新工艺等未及成熟试验就被采用,因而造成故障。

随着产品或系统日益向大容量、高性能参数发展,尤其是机电一体化技术的发展,使整机或系统变得复杂,零、部件的数量大增,致使其发生故障的机会增多,往往由于一个小零件、小装置的失效而酿成大事故。

为了维护用户的利益,在一些工业国家中实行产品责任索赔办法。

产品或系统可靠性的提高可使用户获得较大的经济效益和社会效益。

4.1关于机械可靠性设计的几个问题,二我国机电产品可靠性现状可靠性差汽车电子产品芯片的生产方式阻碍新技术的应用航天研究中的新技术应用,4.1关于机械可靠性设计的几个问题,三为什么会出现可靠性问题安全系数为主的机械设计方法计算安全系数时认为材料的强度F和零件所承受的应力S都是取单值的坦克的设计问题坦克的战场寿命坦克的损坏方式,4.1关于机械可靠性设计的几个问题,三为什么会出现可靠性问题可靠性设计假设强度分布和应力分布都是正态分布,4.1关于机械可靠性设计的几个问题,三为什么会出现可靠性问题,4.1关于机械可靠性设计的几个问题,四机械可靠性设计的内容可靠性理论基础。

如可靠性数学,可靠性物理,可靠性设计技术、可靠性环境技术,可靠性数据处理技术,可靠性基础实验以及人在操作过程中的可靠性等。

可靠性应用技术。

如使用要求调查,现场数据收集和分析,失效分析,零件、机器和系统的可靠性设计和预测,软件可靠性,可靠性评价和验证,包装、运输、保管和使用的可靠性规范,可靠性标准等。

4.2可靠性的概念和指标,可靠性：

产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。

故障：

产品丧失规定的功能。

维修度：

可以维修的产品在规定条件下使用，在规定的时间内按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复到能完成规定功能的能力。

有效度：

可以维修的产品在某时刻所具有的或能维持规定功能的能力。

4.2可靠性的概念和指标,产品完成的规定功能1）性能不超过规定范围的“性能可靠性”2）结构不断裂破损的“结构可靠性”3）狭义可靠性和广义可靠性,4.2可靠性的概念和指标,可靠性的指标1）可靠度（Reliability）2）失效率或故障率（FailureRate）3）平均寿命（MeanLife）4）有效寿命（UsefulLife）5）维修度（Maintainability）6）有效度（Availability）7）重要度（Importance）,4.2可靠性的概念和指标,一可靠度和失效率可靠度是时间的函数故障（失效）概率,4.2可靠性的概念和指标,一可靠度和失效率故障概率密度函数,4.2可靠性的概念和指标,一可靠度和失效率故障分布函数（累计故障概率密度函数）可靠度失效率,4.2可靠性的概念和指标,二三种失效率失效模式随机失效指数分布失效概率为常数功能失效正态分布零件的疲劳寿命和强度韦布尔分布,4.2可靠性的概念和指标,三平均寿命平均寿命又称平均失效时间（MTBF）,它是一个和可靠性有关的很有用的数量指标。

它是失效的平均间隔时间,即平均无故障工作时间。

4.3可靠性设计方法举例,（自学）主要设计依据应力强度干涉理论期望、标准差平均寿命、可靠度设计方法查表数值积分,4.4系统的可靠性设计,系统的组成单元子系统系统靠性设计的含义可靠性预测可靠性分配,4.4系统的可靠性设计,一系统模型1串联系统,4.4系统的可靠性设计,一系统模型2并联系统,4.4系统的可靠性设计,一系统模型3混联系统,4.4系统的可靠性设计,一系统模型4备用冗余系统,4.4系统的可靠性设计,一系统模型5复杂系统,4.4系统的可靠性设计,一系统模型6表决系统如果组成系统的n个单元中,只要有K个单元不失效,系统就不会失效,这样的系统称为n中取K系统,简写成K/n系统。

4.4系统的可靠性设计,一系统模型严格地说,上述六种系统中,除串联系统外,都可称为冗余系统或贮备系统。

因为并联、混联、等待系统等等,实际上也都是部分单元在工作,而另一些单元是作为备用的。

备用冗余系统又可分为:

冷贮备系统和热贮备系统两类。

贮备单元在贮备期间没有失效的叫冷贮备系统;而贮备单元在贮备期间可能失效时,则称为热贮备系统。

因此,并联系统和表决系统是热贮备系统。

4.4系统的可靠性设计,二系统的可靠性预测1串联系统的可靠度计算对于串联系统,虽然提高其组成单元的可靠度或降低它们的失效率可以提高整个系统的可靠度,但提高单元可靠度必将提高产品的制造成本,因此宜权衡其得失。

例如,对于一个由10个单元组成的串联系统。

假定这10个单元的可靠度相同,则当失效率从10%降低到1%,系统的可靠度将从0.0026%升高到36.6%。

然而,这个数值对一般产品或系统来说,并不是很理想的。

但失效率从10%降到1%却是件不容易的事。

这样一权衡,可能是得不偿失的。

如果把同种零、部件进行并联组合,却可在不提高零件可靠度（即不降低失效率）的条件下,提高产品或系统的可靠度。

4.4系统的可靠性设计,二系统的可靠性预测2并联系统的可靠度计算这类系统只有当所有的组成单元都失效时系统才失效。

4.4系统的可靠性设计,二系统的可靠性预测3混联系统的可靠度计算混联系统是串联和并联系统的组合,它们的可靠度计算可直接参照串联和并联系统的公式进行。

也可以采用等效单元的办法进行计算,即首先把其中的串联和并联系统分别进行计算,得出等效单元的可靠度,然后再就等效单元组成的系统进行综合计算,从而给出系统的可靠度。

4.4系统的可靠性设计,二系统的可靠性预测4备用冗余系统的可靠度计算假定贮备单元在储备期时间t内不发生故障,且转换开关（自动或手动的）是完全可靠的。

则当各单元的可靠度函数是指数分布,并且时,则系统的可靠度为:

4.4系统的可靠性设计,二系统的可靠性预测5表决系统的可靠度计算设表决系统中每个单元的可靠度为R（t）,则系统的可靠度为:

4.4系统的可靠性设计,二系统的可靠性预测5复杂系统的可靠度计算当系统可以分解为串联、并联和混联系统时,复杂系统可靠度的计算就可以按照前面说明的方法进行。

但在实际中,有的系统是不能简单地分解成串联、并联等来进行计算的。

例如,桥式网络系统和非串、并联系统就是这类系统。

对这类复杂系统,可以采用分解法、布尔真值表法或卡诺图法进行计算。

4.6失效分析方法失效树分析,第五章有限元分析方法,什么是有限元法连续问题转换为规则离散区域计算的方法有限元法的发展早期应用名词提出有限元法所能解决的问题,第五章有限元分析方法,有限元应用结构分析流体及空气动力学分析电场及磁场分析线性分析非线性分析,5.1有限元分析方法的基本概念,一物体离散化二单元特性分析三单元组集四求解未知节点位移,5.2有限元法中单元特性的导出方法,一直接方法运用基本定义直接推导单元特性,5.2有限元法中单元特性的导出方法,一直接方法运用基本定义直接推导单元特性,5.2有限元法中单元特性的导出方法,一直接方法Kij表示j号节点的单位位移对i号节点力的贡献。

由功的互等定理有,所以单元刚度矩阵是对称的。

5.2有限元法中单元特性的导出方法,一直接方法,5.2有限元法中单元特性的导出方法,一直接方法,5.2有限元法中单元特性的导出方法,一直接方法,5.2有限元法中单元特性的导出方法,二虚功原理1设定位移函数,5.2有限元法中单元特性的导出方法,二虚功原理1设定位移函数,5.2有限元法中单元特性的导出方法,二虚功原理1设定位移函数,5.2有限元法中单元特性的导出方法,二虚功原理1设定位移函数,5.2有限元法中单元特性的导出方法,二虚功原理1设定位移函数,5.2有限元法中单元特性的导出方法,二虚功原理1设定位移函数,5.2有限元法中单元特性的导出方法,二虚功原理2由位移函数求应变,5.2有限元法中单元特性的导出方法,二虚功原理3由应变求应力,5.2有限元法中单元特性的导出方法,二虚功原理4由虚功原理求单元的刚度矩阵根据虚功原理,当结构受载荷作用处于平衡状态时,在任意给出的节点虚位移下,外力（节点力）及内力所做的虚功之和应等于零。

5.2有限元法中单元特性的导出方法,二虚功原理平面应力问题的三角形单元刚度矩阵,5.3有限元法的解题步骤,一单元剖分和插值函数的确定二单元特性分析三单元组集四解有限元方程五计算应力,5.3有限元法的解题步骤,六用梁单元进行计算的实例1.单元剖分,5.3有限元法的解题步骤,六用梁单元进行计算的实例2.单元特性分析,5.3有限元法的解题步骤,六用梁单元进行计算的实例2.单元特性分析,K,K,5.3有限元法的解题步骤,六用梁单元进行计算的实例2.单元特性分析,5.3有限元法的解题步骤,六用梁单元进行计算的实例2.单元特性分析,5.3有限元法的解题步骤,六用梁单元进行计算的实例3.单元组集把单元,组合起来,形成原结构的整体。

因为各个节点是处于平衡状态的,所以节点1,3的内力Fy1,Mz1和Fy3,Mz3分别等于节点1,3处的支反力和支反弯矩。

5.3有限元法的解题步骤,六用梁单元进行计算的实例3.单元组集组集后，外力为：

5.3有限元法的解题步骤,六用梁单元进行计算的实例3.单元组集组集后，右端项为：

5.3有限元法的解题步骤,六用梁单元进行计算的实例3.单元组集由单元的形式表示为：

5.3有限元法的解题步骤,六用梁单元进行计算的实例3.单元组集从单元刚阵组集成全结构总刚阵,就是将各个单元的对应于各自由度的刚度系数,按原节点自由度对应的行号和列号对号入座,填入全结构总刚阵相对应的行号和列号的位置中去。

对于几个单元共用的节点,则应将这几个单元对应于该节点各自由度的刚度系数相加,作为全结构刚阵中该节点自由度的刚度系数。

而在没有刚度系数与之对应的地方,就填入0。

5.3有限元法的解题步骤,六用梁单元进行计算的实例4.求解变形边界条件处理因为由结构支承条件给出两端为刚性固支：

对于固支的自由度可以直接消除掉行和列。

5.3有限元法的解题步骤,六用梁单元进行计算的实例4.求解变形,5.3有限元法的解题步骤,六用梁单元进行计算的实例5.求解支反力可将已求得的、的数值一起代入方程组即可。

5.3有限元法的解题步骤,七用三角形单元计算的实例（理解利用对称性降低求解难度和提高求解精度）,5.4结构分析的有限元法,一矩形单元二薄板弯曲问题如板的厚度t与板在其他两方向的尺寸之比小于1/15时,可认为是薄板。

对一般机器的箱体、支承件等,在用有限元计算将其离散为单元时,大都采用这类薄板单元。

5.4结构分析的有限元法,二薄板弯曲问题薄板弯曲问题在小变形时有如下的基本假设:

1）法线假设一一在板变形前垂直于中面的法线段,在板变形后仍然垂直于弯曲了的中面。

法线假设类似于梁弯曲的平截面假设;2）正应力假设一一在平行于中面的截面上,正应力可忽略不计；3）小挠度假设一一板的中面只发生弯曲变形,且挠度很小。

假设中面内各点没有平行于中面的变形。

5.4结构分析的有限元法,三矩形薄板单元的位移函数,5.5结构动力学问题的有限元法,一结构的动力学方程完整的动力学方程求解的难度和意义简化的求解方法求解的实际意义,5.5结构动力学问题的有限元法,二单元的质量矩阵一致质量矩阵集中质量矩阵,5.5结构动力学问题的有限元法,三结构系统动力学问题的有限元解法求解系统特征值问题的方法,有雅可比方法、幕迭代法和反迭代法、子空间迭代法等。

求解系统响应问题的方法,有振型叠加法和逐步积分法（显式和隐式）等。

5.6有限元法的前后置处理简介,一有限元网格自动生成结构的计算机表示形式自动剖分的一般步骤线段剖分面剖分体剖分,5.6有限元法的前后置处理简介,二有限元法的后置处理模型图描述曲线表示表格表示,第六章优化设计方法,6.1优化设计概述实现要求的功能,期