《现代机械综合设计理论与方法及应用》考试试卷

东 北 大 学研 究 生 考 试 试 卷评分考试科目：现代机械综合设计理论与方法及应用课程编号： 阅 卷 人： 考试日期： 姓 名： 学 号： 注 意 事 项1考 前 研 究 生 将 上 述 项 目 填 写 清 楚2字 迹 要 清 楚，保 持 卷 面 清 洁3交 卷 时 请 将 本 试 卷 和 题 签 一 起 上 交东北大学研究生院.1、简要分析现代产品设计理论与方法的发展状况？答：产品设计是一种建立在知识和经验基础上的创造性劳动，设计的目的就是寻求一种满足用户、企业及社会所提出的质量要求的最佳方案，这是一种复杂的思维过程。（1）在20世纪60年代初，人们已将设计过程明确划分为方案设计、技术设计、工艺设计阶段，基本上属于经验设计体系。20世纪70年代，德国学者Pahl和Beitz提出了最具代表性、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各阶段：明确任务阶段、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科学、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，产品设计进入了系统工程、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，比较著名的设计理论与方法还有发明问题解决理论（Theory ofInventive Problem Solving）(TRIZ（拉丁文字首，即TeorijaReshenija Izobretatel Zadach）、公理化设计理论（Axiomatic design，AD）、三次设计法、面向对象的设计、并行设计、优化设计、绿色设计、虚拟设计、数字化设计等等。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。这些理论与方法多是在不同的条件下相互独立地提出的，各有优缺点。正如 MIT公理性设计组的Tate 博士通过对世界著名流派的设计理论进行分析时所指出的：“尽管设计理论的研究已有100多年的历史，很多研究成果已在工业界得到应用，但设计理论并未成熟，目前仍处于准理论阶段”。（2）我国科技工作者对产品的设计理论与方法也进行过大量的和深入的研究，并取得了一大批新的研究成果，如创新设计、绿色设计、设计概念、机构设计、传动设计、动态设计、强度设计、可靠性设计、摩擦学设计、优化设计、稳健设计、智能设计、虚拟设计、数字化设计等，同时还将研究结果应用于产品研究、设计和开发过程中，解决了我国诸多重大机械装备的设计问题，为我国机电产品的设计制造赶上国际先进水平做出了重要贡献。在科学发展观和自主创新理念的指导下，我国科技工作者一定会在设计理论和方法的研究中会取得新的突破和进展。目前国内外的研究状况来看，产品的设计理论与方法正在向以下几个主导方向发展：在科学发展观和自主创新思想指导下的设计理论与方法；面向产品质量、成本或寿命的设计理论与方法；为加快设计进度及实施设计智能化的设计理论与方法；面向复杂系统和高难度（非线性、非稳态、高维、强耦合、不确定、多变量等）问题的设计理论与方法：1）以复杂机械系统为研究对象的设计理论与方法；2）以非线性动力学为基础的设计理论与方法。面向产品广义质量的综合设计理论与方法：1）以满足产品功能为主要目标的功能优化设计；2）以提高产品结构性能为主要目标的动态优化设计；3）以提高产品工作性能为主要目标智能优化设计；4）以提高产品工艺性能及广义质量为目标的可视优化设计。这些设计法各有各的特点和适用范围。但是这些设计方法是以单一设计理论方法为基础，所以对单一设计方法研究工作的深化是搞好综合设计法的基础的。在现有研究成果的基础上，所研究的设计理论与方法应该更加突出地按照科学发展观的基本要求加以实施；方法应该更有效地提高产品质量、降低成本和保证使用寿命；应该考虑如何缩短设计和制造周期，更广泛采用信息化技术；应该针对更复杂机械系统和更高难度（如非线性系统等）的问题进行研究，应该在最大范围内来满足用户对产品广义质量的要求等等。2、试述产品质量、功能与性能的关系？答：对产品设计工作者来说，设计产品所追求的首要目标是产品质量，假如某种产品的质量达不到要求，就会显著降低它的使用价值，甚至完全丧失使用价值，它就会在市场中缺乏竞争力，最终将会被市场所淘汰。产品设计工作者所考虑的问题不只是产品的质量（指的是使用质量），他们所要考虑的问题要比与使用质量相关的内容要多得多，即应该考虑包括产品的质量在内的五大要素，质量Q（狭义的）、成本C、设计制造周期T、环境E和售后服务S等所有要求，这些要求可以概括为用户、企业及社会对产品设计工作提出的各种质量要求。产品的基本功能或主功能通常是用来改变物质的状态，具休地说，用来改变被处理物质、物体或物件的几何形态、物理状态、化学组成、生理机能或信息表现形式等各方面的工作，所以在机械产品中要出现物质形态的转变过程，常常呈现物质流的形式，也就是将输入物质的初始形态改变为新的形态。辅助功能是为了实现主功能而需要完成的一些辅助工作，常常包括物质的转移、所需运动形式的转换、所需能量的输入、操纵指令的输入、信息的获取及处理等，也就是常常出现物质流、运动形式流、能量流、指令信号流和控制信息流等。产品的功能，不管是主功能还是辅助功能，它们都有其限定的范围（产品的技术特性），如产品的规格尺寸和加工范围（几何参数）、产量和效率（工艺参数）、运动速度及形式（运动参数）、承载能力或允许最大负荷和电机功率（动力参数）等。用户根据实际工作的需要，总是要选择规格尺寸适当大小的、性能参数范围符合要求的设备。产品的三大性能分别为结构性能、工作性能、工艺性能。而产品的功能往往从具体性能中体现出来，可以将功能包括在综合性能中，如工效实用性和指标优越性是功能的具体体现，又可以说它们是综合性能中的一部分。机械设备的结构性能包括系统可靠性、人机安全性、材质造应性、工作耐久性、结构紧凑性、环境无害性、造型艺术性、设计经济性。机械设备的工作性能包括工效实用性、运行稳定性、指标优越性、操作宜人性、设备动力性、状态测控性、故障可诊性、使用经济性。机械设备的制造性能或工艺性能包括结构工艺性、机器规范性、容差合理性、生产时间性、设备维修性、装运可行性、废品回收性、制造经济性。产品质量的定义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。产品使用质量，或产品的质量Q的定义应是:执行或完成使用的工作要求所能表现的能力(或所能达到的水平)。产品设计质量的定义应是：执行产品设计的工作要求所能表现的能力(或所能达到的水平)，产品设计质量=功能+性能。产品的设计质量应该包括产品所要求实现的功能和设计时所应考虑的综合性能。在新产品开发中，要充分考虑用户的需求，使产品具有良好的质量（Q）（狭义的）,合适的价格（C）、较短的交货时间或生产周期（T）、（可把前两者作为制造性能来考虑）、优良的工作环境（E）及良好的售后服务（S）这5个要素和前面所提出的三大性能是统一的，但三大性能的表述更为具体。 此外, 产品的设计质量也可以概括为主辅功能和三大性能的综合，通过功能与三大性能的表示产品的设计质量更为具体。产品的质量与产品的设计质量是不相同的, 产品的质量主要体现用户的要求,而产品的设计质量应体现用户、企业和社会的所有要求。3、基于系统工程的产品设计7D规划模型的具体内容？答：（1）明确设计理念：在科学发展观和自主创新理念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、技术环境的要求等；（3）拟订设计步骤：设计过程和步骤是用户需求获取、制订设计任务书、产品概念设计、详细设计、工艺设计；（4）确定设计目标：也就是本书所指出的面向产品的广义质量和实现产品功能和性能的优化；（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：如选择优化设计法、可视优化设计法、数字化设计法等；（7）检验设计质量：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，进而可提高产品的设计质量，使企业产品的设计质量得到有效的保证。此外，还要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，不管是产品的设计理念或设计环境、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，都应拟订出实施的具体内容和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。4、详细阐述“1+3+X”设计法的具体内容？答：1+3+X 综合设计法,这里的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。它和1+3 综合设计法不同之点只是增加了某些产品对设计方法的特殊要求，而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。“1”为产品的功能优化设计，即是从产品所要实现的功能和用户提出的基本要求出发，选定产品的设计方案，即确定产品机构的形式、各种系统和结构的组成，计算和选择产品的主要的参数。“3”为动态优化设计、智能化设计和可视化设计。动态优化设计是在已经完成的产品的设计方案的基础上，进一步的分析和计算机械设备及其系统的运动学和动力学参数等，计算零部件的刚度、强度及工作耐久性，进而确定机械设备及其零件的尺寸；通过理论分析，研究机器及其系统的动态特性，并在可能进行的机构机构或其模型实验的基础上，对初步设计阶段的图形、尺寸和方案进行修改。：控制系统设计与智能优化设计有两种不同的含义，一是采用智能化的手段，来完成产品的设计；二是对所设计的产品的主要的参数和工作的过程实行智能控制和优化，使机械设备具有更高的机械工作性能和智能化程度。可视化设计，也是局部范围内的虚拟设计，在设计过程中采用三维的造型和各种先进的可视化技术手段，将机械设备的结构、制造和装配的过程、工作过程的特征形象地变现出来，并通过可视化来检验产品的制造过程和装配过程及机器的运动学和动力学过程、工艺过程的可行性和合理性，发现产品设计中的不足，进而对产品的设计方案和图纸进行修改，以便进一步提高产品的设计质量。对于大多数机械设备来说，产品制造完成后、出厂前的试验及投产后运转和运转过程中的检验和测试工作，我们也可以把这些工作称为X，因此X对于各类产品具有较大的灵活性，可由设计者根据实际情况来决定。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（要求不能与教材内容相同）。答：选用模型对某新型振动设备进行质量评价，建立因素集：U=u1，u2，u3=结构性能，工作性能，工艺性能由于结构性能（u1）、工作性能（u2）和工艺性能（u3）都各自包括六个方面的内容，所以要对产品质量进行综合评价，就必须对上述三个因素进行一次模糊评价，即初级评价。利用其结果得到总体产品质量的评价矩阵R，最后完成对产品质量的二级模糊综合评价。建立决策评估集V=v1，v2，v3，v4，v5=优秀，较好，号，一般，较差（1）初级评价：结构性能集（u1）主要考虑以下六个方面，u11为系统可靠性，u12为人机安全性，u13为环境无害性，u14为工作耐久性，u15为造型艺术性，u16为设计经济性，其重要程度集为A1=（0.3，0.3，0.05，0.2，0.05，0.1）专家们对每个方面进行评价打分，得到结构性能的评价矩阵 采用计算得到结构性能的评价结果： B1=(0.53，0.22，0. 1, 0.145，0.005)工作性能指集（u2）主要考虑功效实用性(u21)、运行平稳性（u22）、指标优越性（u23）、设备动力性（u24）、状态测控性（u25）和使用经济型（u26）等六个方面内容，其重要程度集A2=(0.3，0.2，0.2，0.1，0.1，0.1)评价矩阵为B2= A2R2 =(0.46，0.31,0.14，0.07,0.02)工艺性能集（u3）包含结构工艺性（u31）、机器规范性（u32）、生产周期性（u33）、装运可行性（u34）、设备维修性（u35）和制造经济性（u36）等六方面的内容，重要程度集为：A3=（0.3，0.1，0.2，0.05，0.05，0.3）评价矩阵为：B3=A3R3=（0.47，0.265，0.185，0.07，0.01）由B1，B2，B3构成对产品总体质量二级评价的评价矩阵，针对着眼因素集合U，其模糊子集重要程度集由于用户对结构性能、工作性能和设备工艺性能侧重要求和产品类型的不同而不尽相同，舍模糊子集的重要程度集采用A=0.4，0.5，0.1则B=AR=( 0.489，0.2695，0.1285，0. 1，0.013)由此，可以得到产品的总体质量的二级模糊评价结果：优秀占48.9%，较好占26.95%，好为12.85%，一般为10%，差为1.3%，即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：机械综合设计法的主要组成部份是：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四个主要内容。综合设计法依据其所采用的理论基础即线理论和非线性理论可分为一般综合设计法和高层的综合设计法。（1）一般综合设计法的特点根据机器类型的不同，可以在线性理论的基础上完成的综合设计，对于不少机械设备采用线性动力学理论和线性控制理论可以完成产品的设计，以线性理论为基础的综合设计法我们称它为一般综合设计法。（2）深层次综合设计法的特点对于那些工作在以非线性动力学为基础的机械，如汽轮机组，大型离心压缩机等，采用线性动力学理论来处理产品的设计问题，不仅会有较大的误差，甚至会发生质的错误，工作中的一些非线性动力学现象无法得到解释。因此，对于这些机械，就不能停留在以往一般功能优化设计、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功能优化设计、动态优化设计、智能优化设计、动态可视化设计，即深层次的综合设计法。深层次的综合设计法的特点是：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）不确定性，许多机械，其几何参量和物理参量是不确定的，对于这类机械要采用随机的方法加以处理，这与一般常规的问题是不相同的。4）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。5） 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。综合设计理论的意义分为理论意义和现实意义。（1）理论上的意义：产品的研究与开发最重要环节是设计出高质量的产品，因此提出面向产品广义质量的综合设计法具有决定性的意义。1） 将这几种重要的设计方法有机地结合起来，并综合在一起对产品进行设计综合设计，可以在较大范围内考虑产品总体质量，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。这里提出的三优综合设计法，可以在某种程度上实现上述要求与目标。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