现代设计方法作业.docx

现代设计方法作业.docx

《现代设计方法作业.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代设计方法作业.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

现代设计方法作业

一、绿色设计作业

1.试述绿色设计与传统产品设计的特点与区别。

绿色设计的特点：

（1）环境保护。

绿色产品从生产到使用乃至废弃、回收处理的各个环节都对环境无害或危害甚小。

这就要求企业在生产过程中选用清洁的原料和工艺过程,生产出清洁的产品;用户在使用产品时不产生环境污染或只有微小的污染;报废的产品在回收处理过程中产生的废弃物很少。

（2）最大限度地利用材料资源。

绿色产品应尽量减少材料使用量,减少使用材料的种类,特别是稀有昂贵材料及有毒、有害材料。

这就要求在设计产品时,在满足产品基本功能的条件下,尽量简化产品结构,合理使用材料,并使产品中零件材料能最大限度地再利用。

（3）最大限度地节约能源。

绿色产品在其生命周期的各个环节所消耗的能源应最少，使物资和能源有效地利用。

传统设计的特点：

传统的产品设计是以功能经济性为主要指标的设计，设计过程中仅考虑产品的基本属性（功能质量、寿命、成本），很少或根本没有考虑资源的再生利用以及产品生命周期全过程对生态环境的影响。

这样设计生产制造出来的产品，在其使用寿命结束后回收利用率低，资源、能源浪费严重，特别是其中的有毒有害物质，会严重污染生态环境，影响生产发展的持续性。

两者的区别：

在设计目的方面，传统设计为需求设计，绿色设计为需求和环境设计，满足可持续发展的要求；在设计依据方面，传统设计依据用户对产品提出的功能、性能、质量及成本要求来设计，绿色设计则依据环境效益和生态环境指标与产品功能、性能、质量及成本要求来设计；在设计人员方面，传统设计的人员很少或者没有考虑到有效的资源再生利用及对生态环境的影响，绿色设计要求人员在产品的构思及设计阶段，必须考虑降低能耗、资源重复利用和保护生态环境；在设计技术或工艺方面，传统设计在产品设计、制造和使用过程中很少考虑产品回收处理（有也仅是有限的材料回收），采取“末端治理”措施，绿色设计则在产品设计、制造和使用过程中充分考虑可拆卸、一挥手，不产生或产生最少的废弃物，从根本上消除了污染物的产生：

产品特性方面，传统设计是传统意义上的一般产品，绿色设计则为绿色产品或者绿色标志产品。

2.结合实例，试述产品绿色设计的意义。

答：

作为新时代、新环境下的设计师，我们应该竭尽所能，为解决全球变暖和环境污染问题寻找一个新的突破口。

而这一设计新思潮——绿色设计，正代表了以人为本，生态、环保、可持续发展的原则。

绿色设计遵循着以下这些被公认为“3R”的原则，即Reduce（减少），Reuse（回收），Recycle（再生），就是减少环境污染、减少能源消耗，产品和零部件的回收再生循环或者是重新利用。

通过绿色设计的三个原则，我们不难归纳出一种设计方法，就是“少量化设计”。

以下的一些具体的设计实例可以说明绿色设计理念是如何通过这种少量化设计体现出来的。

通过上面的这些设计我们不难发现，“少量化设计”对产品设计有着极大的促进作用。

利用绿色设计这一环保理念，我们可以使产品在变得更轻、更薄、更短、更小的同时，尽量减少对环境的污染，同时达到产品、人与自然三者的平衡。

绿色设计体现着更为人性化的设计，是符合现代社会发展趋势以及大众生理和心理需求的。

目前，绿色设计的方法还比较多样化，有的强调产品生命周期，有的强调可拆卸性，有的则强调协调工作⋯⋯但无论是以何种方式、何种形式去运用绿色设计，在整个产品生命周期里，甚至是失去使用价值后，始终保持着以人为本，生态第一的观念。

因为，绿色设计不仅仅是一种技术上的突破，更是人们思想观念上的革命。

它的每个决策都充分考虑着环境效益，体现着“环境亲和性”、“价值创新性”和“功能全程性”。

然而，绿色设计也并不仅限于对环境因素的考虑，也包括对人心理因素的设计。

设计是否能给予人舒适感，或者是一种情绪，甚至是其他的情感表达，都对使用者产生一种情绪的影响。

而使用者情绪的变化必然会导致其使用产品难易程度的加深。

优秀的设计往往能给予使用者超出产品本身的快乐，也让使用者更为方便和更为乐意地使用产品。

在全球变暖的今天，设计也正在为挽救气候发挥着不可忽视的作用。

全球的许多设计师正在把绿色设计理念带入到他们的设计中去，各国的政府也正积极地采取措施推广绿色环保观念，各大媒体也时刻关注最新的环保设计概念。

事实上，设计并不是设计师一人的职责，而是全社会各方面职责的总和。

地球是个整体，存在于地球上的任何事物之间都有着一种不可见而又密不可分的连带关系，而如今全球变暖把这些关系呈现得清晰可见，所以我们也必须拿起知识的武器，解决这些日益严重的危机，而绿色设计就是这些武器中具有强大威力的一支。

3.手机已成为人们日常生活中不可或缺的通讯工具，同时手机被废弃和淘汰的速度也越来越快。

每部手机一般配备两块电池和一个充电器，若按平均每个用户每四年更换一部手机的频率来考虑，由此带来的资源浪费和产生的环境问题是不容小觑的。

试以手机的绿色设计为题进行任务设计。

答：

（1）模块化与标准化设计

模块化就是通过对某一类产品系统的分析和研究，把其中含有相同或相似的功能单元分离处理，用标准化的原理进行统一、归并、简化，以通用单元的形式独立存在。

这就是分解而得到的模块，然后用不同的模块组台来形成多种产品，这种分解和组合的全过程就是模块化。

模块是模块化设计和制造的功能单元，具有三大特征:

相对独立性，可以对模块单独进行设计、制造、调试、修改和存储，这便于由不同的专业化企业分别进行生产;互换性，模块接口部位的结构、尺寸和参数标准化，容易实现模块间的互换，从而使模块满足更大数量的不同产品的需要;通用性，有利于实现横系列、纵系列产品间的模块的通用，实现跨系列产品间的模块的通用。

对于手机来言，我们可以认为电池是一个模块、充电器是一个模块、手机壳是一个模块、王板是一个模块、显示屏是一个模块等等。

将部分手机模块规格标准化可以大量减少电子垃圾的产生。

现在手机设计的现状在模块化设计上做的远远不够，就拿手机电池、充电器及充电接口、耳机接口这些经常需要更换的模块而言，规格尺寸方面没有一个标准的规定，特别是电池，几乎是一种手机一种电池规格。

以至于消费者换一个手机就得同时换电池和充电器，原来的手机电池和充电器就成了电子垃圾。

这些废弃的手机充电器和电池不仅造成了社会财富和物质资源的浪费，更对环境造成了极大的破坏，资料显示一块手机电池的污染量相当于100块普通干电池，可严重污染约六万升水。

模块化设计不仅需要手机厂商和设计师的参与更需要全球各个国家政府部门的参与，尽快制定相应的生产标准和成立相关的监管部门，比如手机电池可以制定几种规格标准，制定统一的充电接口标准、统一的耳机接口等等。

在模块化设计这一方面我们现在的手机厂商和设计师做的远远不够，例如某国际知名品牌的手机不仅没夜备用电池，甚至电池根本取不出来，我们知道手机的电池相对于其他手机部件来说寿命是相对短暂的，试想电池不能用了手机也就成了电子垃圾。

另外该手机品牌的SIM卡槽设计成小尺寸规格，违背了模块化与标准化设计原则，给消费者带来使用上的麻烦，这种设计应尽量避免。

因此希望手机厂家和设计师们尽量采用模块化与标准化设计，减少不必要的浪费，减少对环境的危害。

（2）简洁设计

绿色设计强调尽量减少无谓的材料消耗。

在绿色设计中，“小就是美”，“少就是多”具有了新的含义。

从20世纪80年代开始，一种追求极端简单的设计流派，将产品的造型化简到极致，这就是所谓的“简约王义”（Minimalism）。

简约设计不仅是功能上达到了使用的目的，而最为重要的在于材料的节约和加工的方便。

在手机设计中我们可以尽量减少多余的装饰，造型简洁，没有多余装饰的手机产品不仅适宜大批量生产，而且大大降低了生产成本。

自从1Phonel代于2007年6月29日在美国上市以来，每年一度的iPhone发布会，2007年到2012年，这个iPhone发布会已经举行了5次，而iPhone也已经进入了它的第5代产品。

从iPhone的产品我们不难发现它的设计简洁到极致，没有多余装饰，这种简洁设计不仅降低了生产成本，减少了生产难度和材米韦肖耗，同时也迎合了消费者的审美观。

（3）服务设计

根据手机的发展趋势，可以预测未来手机业的走向将向智能手机全面转型，这类手机将是一个综合性的智能平台，除了传统的语音、短信和上网外，就像泞人电脑一样，可以运行各种复杂的第三方蜘牛，从社交聊天、游戏到办公蜘牛等无所不包。

智能手机的出现为手机的功能扩展了无限的空间，同时伴随着3G网络的迅速兴起，“智能手机+3G网络十应用软件服务”已成为手机终端与服务融合模式的典型。

这些第三方的应用蜘牛服务就是我们所说的手机服务设计，当我们希望手机拥有更多的新功能时，我们不需要购买新的手机，我们只需要安装相应的第三方软件即可。

手机服务设计不仅满足了消费者个性化的需求，同时也成为手机生产企业扩大市场份额、提高其在产业链中所占优势的重要策略。

苹果应用商店是服务设计的一个典范，苹果应用商店是苹果公司提供给软件开发泞人或者大型公司发售自己开发出的在iPhone、iPad或者ipodToueh上的应用软件的地方，其英文为aPP一ieationstore。

A即Store允许用户从iTunesStore浏览和下载一些为了iPhoneSDK开发的应用程序。

用户可以购买或免费试用，让该应用程序直接下载到iPhone或iP0dtouch。

其中包含:

游戏，日历，翻译程式，图库，以及许多实用的软件。

APPstore模式的意义在于为第三方软件的提供者提供了方便而又高效的一个软件销售平台，成为第三方软件的提供者参与其中的积极性空前高涨，迎合了手机用户们对个性化软件的需求，从而使得手机蜘牛业开始进入了一个高速、良一生发展的轨道，其意义已远远超越了“iPhone的蜘牛应用商店”本身。

（4）其他方法:

除了以上提到的绿色设计方法还有可拆卸设计、可维修设计、可回收设计等绿色设计方法。

可拆卸设计的王要目标是方便维修和回收、可维修设计的王要目标是延长产品的使用寿命、可回收设计的王要目标是资源的回收和再利用，都是以“3R”原则为指导，以减少对环境造成的影响为最终目的。

二、田口方法和试验设计

1.何谓稳健设计？

此方法可以解决产品质量设计的什么样的问题？

答：

稳健设计就是通过调整设计变量及控制其容差使可控因素和不可控因素当与设计值发生变差时仍能保证产品质量的一种工程方法。

换言之，若作出的设计即使在各种因素的干扰下产品质量也是稳定的，或者用廉价的零部件能组装出质量上乘、性能稳定与可靠的产品，则认为该产品的设计是稳健的。

　　目前有关机械稳健设计的方法大体上可分为两类:

一类是以经验或半经验设计为基础的传统的稳健设计方法，主要有田口稳健设计法、响应曲面法、双响应曲面法、广义线性模型法等。

另一类是以机械工程模型为基础与优化技术相结合的机械稳健优化设计方法，主要有容差多面体法、灵敏度法、变差传递法、随机模型法等。

　　稳健设计（也称为鲁棒设计、健壮设计、robust设计），是在日本学者田口玄一提出的三次设计法上发展起来的、低成本、高稳定性的产品设计方法。

稳健设计包括产品设计和工艺设计两个方面。

通过稳健设计，可以使产品的性能对各种噪声因素的不可预测的变化，拥有很强的抗干扰能力。

产品性能将更加稳定、质量更加可靠。

　　如，x为可控的设计因素，z为不可控的噪声因素（分散性无法控制），产品质量y受设计因素和噪声因素综合影响。

通过合理调整设计因素x，可以使得y对噪声因素z不再敏感，从而获得较好的产品质量稳健性。

　　稳健设计，就是使系统的性能对制造期间的变异或使用环境的变异不敏感，并且使系统在寿命周期内，无论其参数、结构发生漂移或老化，都能持续满意地工作的一种系统的设计。

根据可靠性的定义：

”产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力”。

其中，规定功能是指设备的主要性能指标和技术要求。

同时按故障的定义，故障就是产品丧失规定功能。

产品故障的形式应该包含两种，一种是损坏性的，即无法再继续运行，像由于电阻器开路、电容器断路、半导体器件击穿等引起的设备损坏。

另一种是漂移性的，表现为设备还能工作，但性能指标和技术要求，再也不是所规定的值了，无法满足需要。

它是属于功能稳定性问题，通常是由于设计时没有考虑组成系统的元器件本身就有容差，而且随着环境的变化，其特性和参数都在变化，这些变化导致产品不能达到规定的性能、技术要求，使产品不能完成规定的功能。

健壮设计本身就是针对产品功能稳定性问题，而实施的一种可靠性设计技术。

稳健设计的应用现状由于发达国家非常重视稳健设计，并已取得了巨大的经济效益。

2.何谓产品的质量特性，它的波动是由何原因引起的？

答：

产品的质量特性是影响和决定产品质量水平波动的各级参数集合，是产品固有特性和产品质量的载体，用以区分产品个体间质量的性质、性能与特点。

在产品全生命周期中，由于评价要求的广泛性和动态性，存在基于卓越、基于产品属性、基于满足用户需求、基于符合制造和基于价值等不同的产品质量定义。

为了清楚的描述产品质量并便于控制，产品质量特性的表征、表达与描述将成为关键。

产品质量的一般性描述应从功能、性能、可靠性、符合性、耐用性、可维护性、美感性和认同性等多方面展开。

可见，在人们的认识中，产品质量特性是具有多维性特征的。

可用“质量损失”来对产品质量进行定量描述。

质量损失是指产品出厂后“给社会带来的损失”，包括直接损失，如空气污染、噪声污染等；间接损失，如顾客对产品的不满意以及由此而导致的市场损失、销售损失等。

质量特性值偏离目标值越大，损失越大，即质量越差，反之，质量就越好。

对待偏差问题，传统的方法是通过产品检测剔除超差部分或严格控制材料、工艺以缩小偏差。

这些方法一方面很不经济，而且有时技术上也难以实现。

田口方法是调整设计参数，使产品的功能、性能对偏差的起因不敏感，以提高产品自身的抗干扰能力。

为了定量描述，产品质量损失，田口提出了“质量损失函数”的概念，并以信噪比来衡量设计参数的稳健程度。

3.什么是响应面模型法？

试举例说明此方法在工程中的应用。

从稳健设计技术发展来看稳健设计方法可以分为三类：

损失模型法、响应面模型法和工程模型法，其中响应面模型法稳健设计就是把响应面方法应用到稳健设计中来。

响应面法是以试验设计为基础的用于处理多变量问题建模和分析的一套统计处理分析技术。

把响应面法应用于稳健设计一般分为3个阶段：

因素的筛分、寻域和优化。

先用少数几次试验筛分出影响产品质量特性或者与噪声因素相互影响的主要设计参数，从这些试验中拟合出线性模型，通过模型分析查明在设计空间中参数的变动范围并弄清应按哪个方向去寻找最佳的设计参数值；当设计参数的变动区域确定后，进行最后的试验，拟合出二阶的响应面模型，通过模型分析，确定设计参数值的最佳组合。

下面以实例来说明分别基于物理试验和仿真试验时的试验设计。

质子交换膜燃料电池是燃料电池的一种，其中流场板的设计非常重要，流场板由各种图案的沟槽与脊构成，蛇形流场是PEMFC中广泛采用的一种流场。

图1为单通道蛇形流场板沟槽形状，其中有三个主要的特征尺寸，沟槽宽度（a）、脊部宽度（b）和沟槽深度（c），我们可以通过改变这三个特征尺寸来提高流场板的设计质量。

把这三个特征尺寸作为本问题的设计变量（因素），它们的设计范围分别为：

沟槽宽度（x1）：

1.14~1.4mm

脊部宽度（x2）：

0.89~1.4mm

沟槽深度（x3）:

1.02~2.04mm

图1单通道蛇形流场板示意图

在响应面模型法中为了计算二次回归方程的系数，每个变量所取的水平应大于等于3，因而所要做的试验次数是比较多的。

人们在研究了这个矛盾以后提出了一种中心组合设计，所谓的中心组合设计就是在因子空间中选择二水平的因子设计点（2n）、）2n个轴点和nc个中心点具有不同特点的点，把它们组合起来而形成试验计划。

图2中是n=3的中心组合设计，n为因子个数（设计变量），二水平（+1和-1）的全因子试验的试验点个数为23，分布在3个坐标轴上的轴点为2x3个，α为待定参数，由设计者选定，各变量都取零水平的中心点可以只做一次，也可以重复二次或多次。

图2中心组合设计

在本例每个设计变量的变化范围中取两个水平值，见表1，把各变量的水平值按照中心组合设计的要求做一下编码变换，得中心组合设计试验点的坐标值如表2，其中α取1.215。

试验设计矩阵（从略）用D1来表示，每一行代表一次试验，每个数值为设计变量的编码变量，按此矩阵来进行试验。

[000]为中心点，中心点可以根据试验条件重复多次。

4.什么是随机模型法？

试举例说明此方法在工程中的应用。

答：

设影响产品质量的因素分为随机设计变量x和随机参数ω。

则可将产品的功能指标（或输出特性）表示为n+k维多元随机函数

即是说,产品的质量需用m+1项指标来评价。

需注意的是

也是定义于概率空间（Ω,J,P）内的随机变量，但不是设计变量。

随机参数与随机设计变量的区别在于：

随机参数

在设计中不仅已知它的分布类型而且也已知它的分布参数，如材料的强度极限

~N（375,14）Mpa，摩擦系数μ~LN（0.3,0.045）等；随机设计变量

。

是一些需要在设计中确定其均值（对称分布时就是名义值）及其允许的最大上偏差和下偏差的结构参数,而且该参数将服从某种分布规律，如尺寸制造误差可认为服从正态分布（有些情况也用均匀分布）、滚动轴承寿命服从威布尔分布等。

在设计时这种分布类型一般可以事先确定，如根据以往的经验，或是通过样品试验与观测并经过数据处理所获得的分布类型。

上下偏差之和就是该参数的设计容差。

倘若它是服从正态分布的,则可按“3σ”原则近似确定其分布参数—标准离差。

这样,产品质量设计就可以进一步简述为通过调整设计参数的均值和最优控制其血广和上下偏差值来达到“最好”的设计。

由于产品功能特性受诸多随机因素的影响,所以它也是服从某种分布的随机变量,例如在图1中给出了两个设计方案的功能特性,由于设计一的特性比设计二具有更严重的不确定性，故当对功能指标给出它的容差时,可以肯定它会造成更多的废品或不合格品。

为此，可引入“产品质量可接受水平”的概念,并用可行设计的满足概率来量度：

单向功能限制：

双向功能限制：

例如当a=99%时,即表明在100件产品中有99件各项功能指标都满足设计要求。

另外当需要从许多可行设计方案中选择“最优”时,应引入设计准则。

一般地说,设计准则需依产品设计要求而定,可以有以下几种选择:

制造费用最小；质量损失最少；功能特性超标的概率最小。

计算方法：

对于设计模型式的求解,要比解确定型问题复杂得多,其中最主要的是需要有一套适用的随机模型概率分析的数值计算方法,以求得目标函数、约束函数的概率统计性值,如:

均值、方差、高阶矩,概率以至概率密度函数等。

就以计算式（2一4）或式（2一5）为例，简单约束的概率为：

其中N=n+k。

对于联合概率：

在积分域

。

式中都是多元积分,除了一些极其简单的分布类型可以精确计算外,对一般情况不是不可能也是极其复杂的,为此我们提出了几种利用计算机的数值计算方法:

随机模拟方法、自变量网格方法和等价转换逐次逼近法等。

这些方法都可以作为模型概率分析的基本工具,它比Jc方法更为精确与有效。

另外,由于质量指标的概率分布不一定服从常见的理论分布,因此也可利用基于样本矩的最大嫡分布MEP或最佳逼近分布MPM,它们都有明确的解析表达式。

最大嫡分布：

最佳逼近分布：

实践证明,后一种方法不仅计算效率较高,而且所需的样本数在同样精度要求下可以少些。

在图3中给出了这两种方法用6阶样本矩拟合威布尔分布（理论分布）的结果,其中R表示它们与理论分布的积累误差。

有了这些计算工具,对产品功能特性的概率分析与计算就不会有困难。

.

示例：

压力容器的设计

图4所示为一种民用的薄壁压力容器，根据以往式中K.为薄壁（R/h很大）容器纵向表面裂缝的应力强度因子；

为纵向与周向的最大拉应力。

利用上述模型和计算方法，可求得H=360mm，R=185mm，V=26305.14cm3。