试验设计-导论(2010).ppt

1 试验优化设计 公共选修课 32学时 长春理工大学 2 导论 课程的任务 熟悉并掌握近代最常用 最有效的几种试验优化设计方法的基本原理及其应用 课程的性质 试验设计方法是一项通用技术 是当代科技和工程技术人员必须掌握的技术方法 3 一 试验优化设计 从不同优良性出发 合理设计试验方案 有效控制试验干扰 科学处理试验数据 全面进行优化分析 直接实现优化目标的一种理论或技术或一门科学 1 定义 4 为什么要试验 实践是检验真理的唯一标准 原理论假设理论 试验 新理论 高级试验 验证 检验 总结 发现新结果 科学研究的实际过程 试验 2 研究对象 试验 试验是用于发现新的现象 新的事物 以肯定或否定先前的调查研究结论而进行的一种有计划的活动 5 实物试验 非实物试验 广义试验 由专门人员 在确定条件下 利用某些仪器 设备和一定的测试技术 进行的实地试验 实物试验存在问题 a 耗费的人力 物力 财力 时间较大 b 受某些条件限制 实施困难 广义试验 为考察某事的结果或某物的性能而从事的某种活动 6 3 研究内容 A 设计试验方案 首先满足专业技术要求 具有优良性 试验点 少 人 财 物 时 少 多快好省 设计范围 工艺设计方案 工艺条件 配料 配方配比 社会调查 生产计划 领导决策 产品销售 设备人员配置 人员资金使用等 B 控制试验干扰 C 处理数据获取信息 寻求最优条件 产品 检验最优条件 验收 使用最优条件 应用 7 4 常用工具 拉丁方 正交表 均匀表等 5 目的 力图以最小的代价 人 财 物 时 寻求 科学地 有效地 最佳系统 最佳产品 系统内或产品中主要参数间的变化规律 以便进行最佳决策 8 二 为什么学习试验设计 1 现代优化设计内容 直觉优化 进化优化 数学优化 试验优化 2 多目标 全过程优化 多个指标同时优化 设计方案 实施方案 处理数据 较多的优化成果 9 3 通用技术 通用科学 应用数学的一个分支 且是一个最活跃的分支 技术领域 系统设计 产品设计 工艺改进 技术改造 质量管理非技术领域 市场动态分析 产品试销 民意测验 用户使用跟踪科研 基础科学 应用科学 10 4 现代技术 新技术 是迅速发展的新兴科学 满足时代的需要 信息 效益 新兴科学三个里程碑 试验设计 通过试验方法提高获取信息效率的一种通用技术 11 三 试验设计的应用领域 试验设计在工业生产和工程设计及科学研究中能发挥重要的作用 例如 提高产量 减少质量的波动 提高产品质量水准 大大缩短新产品试验周期 降低成本 延长产品寿命多用在化工 电子 材料 建工 建材 石油 冶金 机械 交通 电力 农业 军事 12 应用情况教学应用 20多所院校 吉林大学 北京大学 上海交通大学 大连理工大学等 20多个专业 选为本科生与研究生的教材 汽车 拖拉机 内燃机 汽运 应用数学 化工 食品科学与工程 包装工程 农业机械化工程 冶金 金属学 材料加工 机械设计与制造 机械维修与制造 机械设计及自动化等 据不完全统计 近20个大 中型企业 一汽集团公司 沈阳金杯 广西玉柴机器有限公司 淄博柴油机厂 上海汽车拖拉机工业公司 东风朝阳柴油机公司等选为培训班教材 有本科生 硕士生 博士生和各种专业培训班的学员3万多人 学习过此门课程 13 采用正交设计优化自行车车圈电阻滚焊工艺的多元系统 试验次数从1105次下降到25次 试验材料费节约13万元 应用于生产后 两年内仅节约钢材费用达36 72万元 应用情况企业生产应用 上海凤凰自行车公司 14 采用均匀设计优化非光滑形态 发明的仿生非光滑耐磨轧辊 使用寿命比冷硬铸铁轧辊平均提高2倍 新增产值近7000万元 新增利税2000多万元 获吉林省科技进步一等奖 通化钢铁集团公司企业公司 15 仿生非光滑减粘降阻犁壁开发 利用D 最优设计开发了仿生非光滑机引犁壁 形成针对水田与旱田 黄土和黑土 等不同土质和不同牵引机型的三种系列多个品种犁壁 脱附率约90 减阻8 12 节油7 2 应用情况农业领域应用 16 空气介质下仿生减阻 军工 863 项目 利用二次旋转设计使大型风洞试验次数从860次减少到50多次 节约试验费121万元 使飞行器减阻达5 以上 应用情况军工领域应用 17 1 试验设计产生于20世纪20年代 至今已有80多年得历史 整个发展阶段可分为三个阶段 第一阶段 早期的方差分析法 1935年 英国生物统计学家 数学家费希尔Fisher首次提出试验设计的基本原则 开始主要应用于农业 生物学 遗传学方面 取得了丰硕的成果 运用均衡排列的拉丁方 解决了长期未能解决的试验条件的不均匀问题 提出了方差分析 四 试验设计的发展 18 20世纪30年代到40年代 英国 美国 苏联等国家都对此进行研究 逐步推广到工业生产领域中 在采矿 冶金 建筑 纺织 机械 医药等行业都有所应用 第二次世界大战期间 英国 美国采用这种方法在工业生产中取得了显著效果 R A Fisher 1890 1962 19 第二阶段 传统的正交试验设计法第二次世界大战后 日本面临着恢复国民经济的问题 他们把试验设计方法作为质量管理技术之一从英国 美国引进 1949年以田口玄一为首的一批研究人员在日本电讯研究所研究电话通讯的系统质量时应用此方法 并发现了它的不足 他们加以改进 创造了正交试验设计法 即用正交表安排试验的方法 据统计 推广这种方法的前10年 试验项目超过100万项 其中有1 3效果十分明显 获得极大的经济效益 在日本 正交表设计技术早已成为企业界人士 工程技术人员 研究人员和管理人员必备的技术 称为工程师们共同语言的一部分 20 第三阶段 稳健 robust 设计 又称为鲁棒性 降低误差因素的影响 使产品性能对误差因素的变化不敏感 提高产品质量 又降低成本的设计方法 1957年 田口玄一把信噪比设计和正交表设计 方差分析相结合 用信噪比作为特征数来衡量质量 用正交表来安排试验 选择最佳的参数组合 从而确立了稳健设计的基本原理 开辟了更为重要 更为广泛的应用领域 它可以进行评价与改善计测仪表的计测方法的误差 解决产品或工序的最佳稳定性和最佳动态特性问题 21 2 我国试验设计方法 60年末期代 华罗庚教授在我国倡导与普及的 优选法 如黄金分割法 分数法和斐波那契数列法等 数理统计学者在工业部门中普及 正交设计 法 70年代中期 优选法在全国各行各业取得明显成效 22 1978年 七机部由于导弹设计的要求 提出了一个五因素的试验 希望每个因素的水平数要多于10 而试验总数又不超过50 显然优选法和正交设计都不能用 方开泰教授 中国科学院应用数学研究所 和王元院士提出 均匀设计 法 这一方法在导弹设计中取得了成效 华罗庚 王元 23 第一届中国 试验设计与质量改进 会议在宁波召开 2007 http www doe 3 我国试验设计会议 会议是在全国上下重视和开展狠抓产品质量的形势下召开 开得及时 鼓舞人心 试验设计会议用 试验设计与质量改进 来命名 突出强调了试验设计与质量改进密不可分的关系 而且认为质量改进是试验设计的最终目的或主要目的 而试验设计实际上是质量改进的一种最高境界 跟美国和日本相比 我国在整体上还有较大差距 尤其是应用方面 需要广大试验设计与质量工作者更加积极努力 24 第二届中国 试验设计与质量改进 会议在许昌召开 2009 10 实现过程和目标的最优化 既快又省地取得既多又好的成效 已成为解决科学研究 工程设计 生产管理以及其他方面实际问题的一项重要原则 试验技术具有设计灵活 计算简便 试验次数少 优化成果多 可靠性高 适用面广等特点 已成为现代优化技术体系中一种先进的优化方法 它对于提高生产率和创造利润起着巨大的作用 25 五 如何学好试验设计这门课 1 以讲授为主 重点在应用 主要讲设计方法的基本原理和使用方法 关键掌握如何用 数学推导证明从略 2 联系实际理解 结合你的实际情况 记好笔记 认真复习 只要态度好 经过踏实努力 定能学好 考核办法平时考勤 作业与考试相结合 工作中再学习 26 本门课程所用教材 27 28 一 试验设计及其优化 正交试验设计干扰控制试验设