《现代机械综合设计理论与方法及应用》考试题1.docx

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《现代机械综合设计理论与方法及应用》考试题1

2011《现代机械综合设计理论与方法及应用》考试题

１、简要分析现代产品设计理论与方法的发展状况?

答：

在2０世纪60年代初,人们将设计过程明确划分为方案设计、技术设计和工艺设计阶段,基本属于经验设计体系。

随着科学和技术的发展，产品设计不再完全依赖经验和灵感的创造艺术，逐步演变为一门科学,以知识为依托，以科学方法为手段的工程创新活动。

２0世纪70年代，德国学者Pａhl和Ｂｅitz提出了最具有代表性、权威性和系统性的产品设计方法学,将工程设计过程主要分为４个阶段，:

明确的任务阶段、概念设计阶段、具体化设计阶段和详细设计阶段。

近20年来，产品设计又引入了系统工程、信息科学理论和方法，更广泛地借助于现代数学方法和计算

技术，产品设计环境进入系统工程、系统优化和计算机辅助设计的阶段。

多年来各国学者对产品设计理论和方法进行了研究，提出了许多设计理论与方法:

（1）产品的设计理论与方法的研究有百余年的历史,到现在已提出了数十种方法,如创新设计、绿色设计、结构设计、摩擦学设计、优化设计、智能设计、虚拟设计、数字化设计等。

（2）比较著名的理论与方法有:

1）发明解决问题的理论（TＲＩZ理论）

TRIＺ方法不是针对某一具体的结构、机械或过程,而是建立思考问题、解决问题过程的科学化德依据。

经过50年的研究,TRＩZ已形成了一系列方法与工具,特别是提出了设计冲突理论、标准解、ＡRIZ算法等。

２）普适设计理论与方法

德国的普适设计理论是优秀设计过程所积累经验的总结。

理论的典型代表是Pahｌ及Ｂｅtiz的普适设计方法学。

该理论建立了设计人员在每一设计阶段的工作步骤计划。

这些计划包括策略、规划、原理，从而形成一个完整的设计过程模型。

3）公理化设计理论

公理化设计的出发点是将传统的、以经验为主的设计,建立以科学公理、法则为基础的体系。

其目的是在缺乏知识和信息的情况下,采用“公理”作为指导或决策规则，从而对制造系统各种复杂行为进行优化。

4）三次设计法与QFD设计法

三次设计法主要内容包括系统设计、参数设计和容差设计，统称三次设计。

QFD代表了从传统设计方式式向现代设计方式的转变,它是系统工程理念在产品设计过程中的具体运用，并正在发展成为具有方法论意义的现代设计理论,成为现代设计方法论的运用典范。

这些理论与方法大多是在不同的条件下相互独立地提出的，各有优缺点。

到目前为止,还没有一种被公认的最好或最适合于工业界应用的设计理论和方法。

2、试述产品质量、功能与性能的关系?

答:

三者的定义:

产品质量的定义应该因不同的前提条件而有所区别,产品质量分为产品的使用质量、设计质量、制造质量和包装质量等。

由此,产品的某种质量可定义为“在某种前提条件下产品完成某种工作的要求所能表现的能力和水平”。

产品功能是对需求信息或产品的效能用科学、准确、简洁明确的语言进行抽象的描述。

功能是产品与零件存在的依据，回答了“产品是做什么的?

”。

功能是产品与环境互相作用过程中体现的，离开产品的动态过程,产品功能就无法体现。

产品性能是指产品在一定条件下,实现预定目的或者规定用途的能力,产品功能要通过良好的性能得以实现和予以保证。

三者的关系:

１）.产品的设计质量有以下两个主要的内容:

一是产品的功能（包括主功能和辅助功能），二是产品的综合性能（结构性能、工作性能和工艺性能等）,因此还可以说，产品的广义质量是“产品功能与性能的综合体现”,产品的广义质量与其总功能和全性能是等价的，但它不等价于产品的使用质量或狭义的产品质量Q。

因为狭义的产品质量Ｑ不包括价格（C）、交货时间或生产周期（T）、工作环境（E）、售后服务（S）等及产品综合性能中的产品制造的部分工艺性能,这是因为产品的制造的部分工艺性能在产品使用过程中无法予以体现。

2）.产品的功能与性能具有不同的概念和含义,如某种产品虽然能很好地完成用户提出的功能要求,但由于没有良好的性能,例如缺乏安全性、可靠性或工作耐久性,工作时安全可靠性达不到要求,工作一段时间后很快就损坏了。

所以说功能不等于性能，功能要通过良好的性能才得以实现和予以保证。

３）.一种质量优异的产品,它应该有良好的功能。

4）.产品的功能与产品的性能有密切的联系,性能与功能组成一个完整的整体，只有功能要求，而没有性能来保证是很难完成既定得工作任务的。

５）.实际上前面的几点功能要求和下面更具体的性能要求是统一的,这也说明许多机械产品的功能和性能是统一的,是相互交叉、相互融合的。

６）.产品质量组成元素公式:

产品的质量和设计质量包括五个方面的内容,即主功能，辅助功能和结构性能、使用性能及制造性能等，因此，质量与设计质量的组成元素公式为：

式中

分别表示主功能、辅助功能、结构功能、使用性能和制造性能。

3、基于系统工程的产品设计7D规划模型的具体内容?

答:

在设计产品时,除了解用户的要求外，还要从系统工程的观点出发,做好以下7个方面的设计规划（图1）,把这种设计规划称为7D总体规划，具体内容为:

1）明确设计思想在科学发展观和自主创新思想指导下完成产品设计工作。

２）考虑设计环境　如政治、经济、人文环境、法律环境、社会环境（指国际与人际环境）、生态环境、技术环境、资金环境和市场环境等的要求。

３）拟订设计步骤　设计过程和步骤包括用户需求获取、设计任务书制定、产品概念设计、详细设计和工艺设计。

4）确定设计目标也就是本文所指的面向产品的广义质量和对产品实现功能和性能的优化。

5）规划设计内容　设计内容就是面向产品功能和三大性能的功能优化设计、动态优化设计、智能优化设计和可视优化设计等。

6）选择设计方法如选择动态优化设计法、智能优化设计法、可视优化设计法及数字化设计法等；

７）评价设计质量　　建立产品质量的可靠性评估体系,采用模糊评价法、价值工程评价法等对产品设计质量进行评估,克服产品设计工作中的随意性和片面性，进而可提高产品的设计质量,使企业产品的设计质量得到可靠的保证。

此外,还应通过试验及在产品使用过程中来检验产品质量。

对于产品设计的每一映射域的内涵还应进一步地予以具体化,不论是产品的设计思想或设计环境、还是设计目标、设计内容、设计方法或设计质量的评估和检验,都应拟定出实施的具体内容和方法，并建立好实施的实际模型,包括实现的原理和执行的步骤、实施的具体内容和方法，并建立好实施的实际模型,包括实现的原理和执行的步骤、实施的具体内容和方法、执行的策略和规则等。

从图1中，可以发现目前的书刊中所介绍的50多种设计方法都可以找到它们各自所处的合适位置和所占用的空间，它们对保证或提高产品的质量与性能都会发挥各自的积极作用。

图1基于系统工程的产品的7Ｄ设计规划模型

在产品的设计工作中应该努力贯彻以科学发展观和自主创新的指导思想，同时必须对设计的政治、经济、人文、法律、技术、生态及社会环境进行全面的考虑,应该符合国家方针、政策和制度，这也是对设计工作者提出的基本要求；在上述条件下,设计工作者可根据某一类或某一种产品的具体情况,对设计目标、设计内容、设计方法及设计质量的评价方法进行研究，并做出规划,这样可以保证产品的质量战略、成本战略和时间战略得以同时实现，使所研究的产品在国内外市场的竞争中立于不败之地。

４、详细阐述“１+3+X”设计法的具体内容?

答:

１+3＋X设计法是基于系统工程的一种较为理想的设计方法。

一以三优综合设计为基础的1＋3+X综合设计法

1+3+X综合设计法如图2所示，其中,1是功能优化设计，3是动态优化设计、智能优化设计和可视优化设计。

而X是需要增加某种特殊设计方法对产品进行设计,所采用的特殊方法可以是一种、两种,甚至更多,这依赖于所设计产品的特点和要求。

例如：

对轿车来说,车体外形的设计，即造型设计显得特别重要,这就要求设计者在完成前面几种方法的基础上，进行附加的设计工作。

因此，必须采用造型设计来完成该产品的设计。

图２以三优综合设计为基础的１＋３＋Ｘ综合设计法

此外,对于大多数机械设备,产品制造完成以后，产品出厂前得试验及投产前后运转过程中的检验和测试工作，我们也可以把这些工作归为X，因此，X对于各类产品具有较大的灵活性,可由设计者来决定。

该种设计法也可分为一般的和深层次的综合设计法两类。

二面向产品三大性能的１＋３+Ｘ的综合设计法

由图3可知,面向产品功能和三大性能的设计法不足是没有指出采用什么设计方法，近几年来，大量的设计工作实践已经充分证明,动态优化、智能优化和可视优化在保证设计质量的过程中已发挥十分重要的作用。

为克服设计工作中的随意性，对设计方法予以明确规定,对保证与提高产品设计质量是有益。

图3面向产品功能与三大性能的1＋3+X的综合设计法

5、举例说明产品质量评价模型,可任意选用如模型

，

，

，

的一种或别的方法完成某一产品质量的综合评价。

答:

模糊综合评价是对涉及多种模糊因素的对象系统进行的总体评价。

运用模糊综合评价模型对目标对象的综合评价具有一定的科学性和实用性。

利用多级模糊综合评价方法对产品质量进行评价举例说明如下（以某一小型移动机器人为例）：

1.建立着眼因素集Ｕ:

={结构性能，工作性能,工艺性能}

由于结构性能（

）、工作性能（

）和工艺性能（

）都各自包含八个方面的内容，所以要对产品质量进行综合评价，就必须对其三个方面分别先进行一次模糊评价，即初次评价，利用其结果得到总体产品质量的评价矩阵R,最后完成对产品的二级模糊综合评价。

2.建立决策评估集V：

=（优秀，较好，好，一般,差）

3.　建立结构性能集

:

共包含6方面内容：

系统可靠性

、工作耐久性

、环境无害性

、人机安全性

、结构紧凑性

、设计经济性

。

（１）重要程度集A1：

＝（0.4，0.2,0.0５,0．１，0.1５，０．１）

（2）结构性能的评价矩阵R1：

（3）结构性能的评价结果B1（采用模型4计算）：

=（0.43，0.27,0．095，0.2,０．00５）

4.建立工作性能集

：

包含6方面内容：

运行平稳性

、工效实用性

、指标优越性

、操作宜人性

、故障可诊断性

、使用经济性

。

（１）重要程度集A２:

=（0.3,０．3,0.1,0.1,0.1,0．1）

（2）工作性能的评价矩阵R２：

（3）工作性能的评价结果B2：

＝（０.47,0.32,0．15,０.04，0．02）

4．建立工艺性能集

：

包含6方面内容:

结构工艺性

、设备维修性

、生产周期性

、机器规范性

、报废回收性

、制造经济性

。

（１）重要程度集A3：

A3＝（0.３,０.1,0.1，0．1５,0.1５,0.2）

（2）工艺性能的评价矩阵R３：

（3）工艺性能的评价结果B３：

=（0.5３,0.１6,0．2０5,０．０95,0．01）

一级评价结果得到:

结构性能、工作性能和工艺性能三方面的等级程度，产品的性能特性类型评价结果。

5.二级评价的评价矩阵R:

6.重要程度集A：

A=（0.4，0.４，0.２）

７.二级评价的评价结果Ｂ：

=（0.466,0.２6８,0.1３9，0.115，０．0１2）

二级模糊评价得到产品总体质量结果：

优秀　46.6%,

较好26.8%，

好　　　13.9%，

一般　　1１.５%，

差1.2%，

可以判定产品的总体质量等级为“优秀”。

6、简述综合设计理论的特点及意义。

答：

功能优化设计、动态优化设计、智能优化设计和可视优化设计这几种方法的综合,可以使产品的综合质量:

结构性能、工作性能和工艺性能得到较全面的保证。

不论在新产品的设计中,或老产品的改造中，采用这种综合设计法是十分必要的,而且是有效的,这对提高产品设计的综合质量具有重要的意义。

我们这里提出的综合设计法，不应该停留在以往一般动态优化设计、一般的智能优化设计及一般可视化设计的水平上，而是应该建立在现代科学技术高度发展的基础上的概念设计、动态优化设计、智能优化设计、动态可视化设计，即高层次的综合设计法。

一综合设计理论的特点:

（1）非稳态特性,即慢变、突变、参变和滞后特性，即应考虑系统或工作过程中的非稳定工况下的动态特性，严格地说，几乎所有的机械设备都处在非稳态情况下运行（包括启动和停机）。

（2）非线性特性,应考虑系统与工作过程中的非线性因素，不论是机械系统，或是控制系统,几乎都具有非线性的性质。

在目前多数的设计中，常常忽略那些非线性因素，而使计算结果具有较大的误差，甚至会得出错误的结果。

（3）高维与强耦合特性,多数机器设备的实际工作系统是高维和强耦合的,因此,应该真实地反映机器实际工作的情况,即应该考虑系统的耦合性和高维的特性。

（４）多参数或多变量的特性,应考虑机器实际工作过程中的具有多参数和多变量等复杂的实际情况。

由于非线性动力学理论与方法、智能控制理论与技术和计算机技术的迅速发展，为上述问题的解决提供了有效的方法和实现的可能性。

目前我国不少产品的设计,还是以结构的静态设计（或考虑一些较为简单的动态问题）、线性系统的设计、非强耦合系统的设计为主，还没有进入较高层次的动态设计。

因此,我们主张无论是对新产品开发或是老产品改造，应该在较高层次上进行综合设计,这样,能够在较高层次上和较大范围内实现对产品综合质量的要求,所提出的综合设计法对于那些复杂的机械，特别是对于一些高速、大型、结构或系统复杂的机械，尤为重要。

二综合设计理论的意义

1.综合设计理论的理论意义：

（1）综合设计法可以在较大范围内考虑产品的综合设计质量，这是国内外科学技术工作者长期以来，试图实现的目标，即找出一种或几种较全面、较完整的设计方法，解决产品设计总体质量问题。

这里提出的综合设计法,可以在某种程度上实现上述要求与目标。

这对于大型、高速、复杂的机械设备来说,尤为重要。

（2）综合设计法,在设计理论与方法上不是停留在一般水平上的动态优化、智能化和可视化基础上，在理论、方法和技术上应有较大的突破,使目前设计理论上的深层次和高难度的几个问题能得到基本的解决和具体的实现,将提出一种基于非稳态（慢变、参变和时滞）、强耦合、多参数的非线性动力学理论的动态优化设计、智能优化设计和可视优化设计的理论与方法，这在理论上具有重要的意义。

（3）建立一种较为完整的能用于新产品开发的与老产品改造的基于产品总体设计质量的新体系。

研究一种新的产品总体质量的设计软件平台。

这里所指的综合设计法也可以是另外几种方法在一起的综合设计法。

科技工作者得可根据各类产品的特点,提出另外几种设计方法的组合，并将这些方法的内在联系有机地结合在一起,建立起具有各自特色的综合设计法。

２．综合设计理论的实际意义

（１）对产品的性能及相关行业整体技术水平提高发挥积极作用

１）通过动态设计，将会使大型旋转机械,如汽轮机、离心压缩机、大型风机、核泵等机械设备的动态性能得到改善与提高,克服现有设计上的缺陷和不足。

可靠性设计技术的引入，使设备的工作可靠性、安全性和使用寿命得到提高;改善因产品故障造成的各种损失，进而提高产品在市场中的竞争力。

2）大型机械装备的工作参数和工作过程的智能控制和优化,首先是完成多变量参数控制系统的智能建模,进而研究在智能模型基础上的智能控制的理论与方法,并对工作参数实现最优化。

显然这会大幅度提高械装备的工作性能和使用性能,进而获得更高的经济效益与社会效益,并会提高产品在国内外市场上的竞争能力。

3）可视化设计将显著提高产品的设计速度与设计水平,将真正有效地加速企业对先进三维CAD/CAE/CAM设计、分析、制造和虚拟技术的应用,可显著提高企业设计人员的技术水平、新产品开发的设计水平和新产品的开发能力。

（２）会给国家制造业带来显著的经济效益与社会效益

大型机电设备产品设计与制造技术代表了一个国家的制造业的发展水平。

因此,国内外的制造业都力求从不同角度来提高其产品的档次和水平,研制出高质量、低成本的产品,缩短产品开发周期,提高产品在国际市场的竞争力，进而会给国家制造业带来显著的经济效益与社会效益。

目前我们己在若干机械设备的设计中采用了综合设计法，并已取得了初步效果。

总之,采用综合法对现代机械产品进行设计，将会有效地加速企业对先进理论与方法的应用，加速提高企业产品设计的技术水平,并进而提升我国装备制造业设计技术水平和企业在市场中的竞争能力，同时会显著提高企业的经济效益与社会效益。