北京科技大学现代机械设计考题

1、现代机械设计课程思考题绪论：1、结合自身体会，谈谈产品与人类社会生活的关系。人类的社会生活无时无刻不是在于形形色色的产品打交道， 正是 由于有了各种各样的产品，才使人类的生活丰富多彩。 就我而言，每 天睡在用棉花做成的被褥中，起床后的第一杯水，洗漱用的牙膏，牙 刷，还有丰盛的早饭都是我们正常生活中不可或缺的产品。 而进入学 习生活中时， 我的每一步甚至是每一个动作， 又都有可能在与某种产 品打交道。比如：上课用的书包，课本，钢笔；做设计所用的电脑； 打印各种资料；等等。可以想像，如果没有各种各样的产品，我的生 活会是多么的步履维艰。 总而言之， 人类的生活离不开各种各样的产 品，而各种各样的产

2、品又为人生活的正常运转提供保障。2、简述传统设计方法与现代设计方法的特点及区别。传统设计 又称常规设计，分为初步设计、技术设计、 施工设 计三个步骤。将传统设计方法与现代设计方法相比较， 可以说传统设计方法是 静态的、经验的、手工分的方法； 而现代设计方法是动态的、 科学的、 计算机话的方法。 传统的设计方法是被动的重复分析产品的性能， 而 现代设计方法则可以做到主动的分析产品的参数。 现代设计与传统设计比较，有下列几个特征： 1）系统性现代设计把设计对象看作一个系统， 同时考虑系统与外界的联系，用系统工程概念进行分析和综合，通过功能分析、系统综合等方法， 力求系统整体最优，使人机之间的功能相

3、互协调。（2）创造性现代设计强调创造能力开发和充分发挥人的创造性；重视原理方 案的设计、开发和创新产品。只有创新才能有所发明。但是，今天的 科学技术已经高度发展， 创新往往是在已有技术基础上的综合。 有的 新产品是根据别人的研究实验结果而设计， 有的是博采众长， 加以巧 妙地组合。（3）综合性现代设计在设计过程中，综合考虑、分析市场需求、设计、生产、 管理、使用、销售各方面的因素；综合运用优化是系统工程、可靠性 理论、价值工程、 技术等学科的知识，探索多种解决设计问题的科学 途径。（4）程式性现代设计研究设计的一般进程， 包括一般设计战略和用于设计 各个具体部分的战术方法。要求设计者从产品规划

4、、 方案设计、 技术 设计、施工设计到实验、试制，按步骤有计划地进行设计。现代设计是复杂的思维过程，设计过程蕴涵着创新和发明的机 会。现代设计是随着电子技术、计算机技术、网络技术的迅猛发展， 信息时代产生的， 它是对传统设计的丰富和发展， 它是以市场需求为 动力，以知识获取为中心，以现代设计思想、方法和现代技术手段为 工具，考虑产品的整个生命周期和人、 机、环境相容性等因素的设计。现代设计 将传统设计中的经验、类比法设计提高到逻辑的、 理性的、系统的新设计方法，是在静态分析的基础上，进行动态多变 量的最优化。3、通过查阅资料，综述某种现代设计方法的发展及应用。 智能论方法 以发挥智能载体（人、

5、机、生物、有机体等）作用为核 心的方法。 如计算机辅助设计、 计算机辅助计算等、 计算机辅助工程、 智能机械化方法等。智能的运用是现代设计的核心。 下面以计算机辅助设计（ CAD ）为例介绍其发展及应用：20世纪 50年代在美国诞生第一台计算机绘图系统，开始出现具 有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。 60 年代初期 出现了 CAD 的曲面片技术，中期推出商品化的计算机绘图设备。 70 年代，完整的 CAD 系统开始形成，后期出现了能产生逼真图形的光 栅扫描显示器 ， 推出了手动游标、 图形输入板等多种形式的图形输 入设备，促进了 CAD 技术的发展。 80 年代，随着强有力的超大

6、规模 集成电路制成的微处理器和存储器件的出现， 工程工作站问世 ，CAD 技术在中小型企业逐步普及。80年代中期以来，CAD技术向标准化、 集成化、智能化方向发展。 一些标准的图形接口软件和图形功能相继 推出，为 CAD 技术的推广、软件的移植和数据共享起了重要的促进 作用；系统构造由过去的单一功能变成综合功能， 出现了计算机辅助 设计与辅助制造联成一体的计算机集成制造系统； 固化技术、 网络技 术、多处理机和并行处理技术在 CAD 中的应用， 极大地提高了 CAD 系统的性能；人工智能和专家系统技术引入 CAD ，出现了智能 CAD技术，使 CAD 系统的问题求解能力大为增强， 设计过程更趋

7、自动化。 现在， CAD 已在电子和电气、科学研究、机械设计 、软件开发、机 器人、服装业、出版业、工厂自动化、土木建筑、地质、计算机艺术 等各个领域得到广泛应用。系统设计及创造性设计：1、什么是功能分析法？试述其用途。 概念：功能分析法是通过将功能分解为相互独立的功能单元， 对于每 个功能单元列出所有可能的可行方案， 再按一定的规则将这些单元方 案组合起来形成总方案， 然后对这些总方案进行筛选和评估， 最后确 定实现总功能的最佳总体方案的方法。用途：功能分析是设计中的一个重要手段， 只有用功能的观点来观察 和认识技术系统才能抓住其本质。一个系统可以逐步分解为许多分功能或功能单元。 由总功能分

8、解 为分功能， 最后作出功能结构的过程称为功能分析。 功能分析的过程 就是设计人员酝酿系统实体解答的过程，这个过程往往不是一次完 成，而是随着设计工作的逐步深入而不断修改、不断完美的。功能分析是通过将功能分解为相互独立的功能单元，对于每个功 能单元列出所有可能的可行方案， 再按一定的规则将这些单元方案组 合起来形成总方案， 然后对这些总方案进行筛选和评估， 最后确定实 现总功能的最佳总体方案。2、试述运用系统化设计法进行原理方案设计的主要步骤。总体上可分为系统分析 , 系统设计 , 系统综合评价决策 （ 1）确定求解的问题。 系统设计的第一步是明确求解的问题和范围， 就是说明确设计目的和要求。

9、（2）因素分析。对与被描述问题有关的因素进行分析，确定因素的 类型：可控的、不可控的、质的属性、量的属性。系统的最优化就是 对量的可控因素优化确定的过程。（3）模型的建立。建立模型就是用适当的（一般是数学的）方式来 描述问题与因素之间的关系， 建立模型时一般应忽略次要因素， 突出 主要因素。（4）决策过程。所谓决策是运用适当的手段求解模型，确定实现系 统目标的系统结构及其运用方法。 当所建的是数学模型时， 则可运用 数学规划法去求解。（5）运用与管理。 <1>验证： 根据实际情况确定决策过程中的各种参 数是否符合实际； <2>预测：预测系统各变化时对输出的影响； <

10、;3> 系统运行的评价： 主要评价系统是否达到预期的目的， 评价可从下面 几个方面着手，即可靠性、响应性、稳定性、适应性、可维修性、经 济性和对环境的影响； <4>修正：根据评价结果确定是否需要进行修 正，一般情况下， 系统经过数次修正后，系统的特性总能得到逐步改 善。对于无法改善的系统，则应考虑重新进行系统设计。3、何为创造性思维？试述创造性思维的基本特点及型式。创造性思维， 是一种具有开创意义的思维活动， 即开拓人类认识 新领域、开创人类认识新成果的思维活动，是以感知、记忆、思考、联想、理解等能力为基础 ,以综合性、探索性和求新性特征的高级心理活动。3.1 创造性思维的特

11、点1 思维的求实性2 思维的批判性3 思维的连贯性4思维的灵活性5 思维的综合性3.2 创造性思维的形式1、抽象思维: 亦称逻辑思维。 是认识过程中用反映事物共同属性 和本质属性的概念作为基本思维形式，在概念的基础上进行判 断、推理，反映现实的一种思维方式。2、形象思维 : 形象思维是用直观形象和表象解决问题的思维。 其 特点是具体形象性。3、直觉思维 : 直觉思维是指对一个问题未经逐步分析 ,仅依据内 因的感知迅速地对问题答案作出判断 ,猜想、设想 ,或者在对疑难 百思不得其解之中 ,突然对问题有“灵感”和“顿悟” ,甚至对未 来事物的结果有“预感” “预言”等都是直觉思维。4、灵感思维 :

12、 是指凭借直觉而进行的快速、顿悟性的思维。它不 是一种简单逻辑或非逻辑的单向思维运动， 而是逻辑性与非逻辑 性相统一的理性思维整体过程。5、发散思维 : 是指从一个目标出发，沿着各种不同的途径去思考，探求多种答案的思维，与聚合思维相对。6、收敛思维 : 是指在解决问题的过程中， 尽可能利用已有的知识 和经验，把众多的信息和解题的可能性逐步引导到条理化的逻辑 序列中去，最终得出一个合乎逻辑规范的结论。7、分合思维8、逆向思维 : 它是对司空见惯的似乎已成定论的事物或观点反 过来思考的一种思维方式。9、联想思维 : 是指人脑记忆表象系统中， 由于某种诱因导致不同 表象之间发生联系的一种没有固定思维

13、方向的自由思维活动。4、试述常用的创造技法及其所适用的方面。常用的创造技法1 智力激励法：人的创造性思维特别是直觉思维在受激发情况下能 得到较好地发挥。一批人集合在一起，针对某个问题进行讨论时， 由于各人知识、经验不同，观察问题的角度和分析问题的方法各异， 提出的各种主意能互相启发，填补知识空隙，启发诱导出更多创造 性思想，通过激励、智慧交流和集智达到创新的目的。智力激励法 的应用非常广泛，不仅可以应用于创造发明，而且还可以应用于企 业管理。2 提问追溯法：提问追溯法是有针对性地、系统地提出问题，在回 答问题过程中，便可能产生各种解决问题的设想，使设计所需要的 信息更充分，解法更完善。3 联想

14、类推法： 通过由此及彼的联想和异中求同， 同中求异的类比，寻求各种创新解法。 利用联想进行发明创新是一种常用而且十分有效的办法。4 返向探求法：将人们通常思考问题的思路反转过来，从背逆常规 的途径探寻新的解法，因此返向探求法亦称逆向思维法。5 系统分析法：对于技术系统，根据其组成所有影响其性能的全部 参量，系统地依次分析搜索，以探索更多和解决问题的途径。6 组合创新法：组合创新法是将现有技术和产品通过功能、原理、 结构等方面的组合变化形成新的技术思想和新产品。 组合法应用的 技术单元一般是已经成熟和比较成熟的技术，不需要从头开始，因 而可以最大限度地节约人力、物力和财力。并行设计1、并行设计与

15、串行设计有何区别与联系？传统串行开发模式或顺序工程模式中， 产品设计、 回顾、制造、 测试等活动是各自独立和串行的 (Turino ，1992)，因此产品设计产 生的问题会逐步影响后面活动， 使得产品必须反复修改才能满足客 户需求。这样推迟了产品上市的时间，增加了产品开发成本，削弱 了产品的竞争力。该模式中设计数据零散分布于开发过程，缺乏统 一有效的管理，数据无法保持一致，数据信息很少进行文档管理， 容易丢失，使设计修改更加花费时间， 设计者通常不知道成本信息， 他们不能有意识地把成本作为设计目标。并行工程是一种集成系统的方法，设计、制造、测试、售后支 持等活动同时进行考虑， 使得在产品开发时

16、各种问题尽早地被考虑 到，产品设计修改减少，从而降低了产品开发成本，缩短了产品上 市时间。其与串行工程的根本区别在于并行工程把产品开发的各个 活动看成是一个整体、集成的过程，要求产品开发人员从设计伊始 就要考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品处理的全部因素， 并从全局优化的角度出发，对集成过程进行管理与控制。并行工程 的重要目标就是尽可能使产品设计一次性成功 （熊光楞， 2001）。2、并行设计的关键技术包括哪些内容？ 并行设计是一种系统化、集成化的现代设计技术，它以计算机 作为主要技术手段，除了通常意义下的 CAD 、CAPP、CAM 、产品 数据管理系统（Product Data Man

17、agementSystePDMS）等单元技术的应用外，还要着重解决以下一些关键技术问题 ：（ 1 ）产品并行开发过程建模及优化 并行设计的思想是在研究产品开发过程的基础上形成的， 要实 现产品的并行设计，首先要建立起产品并行开发的信息模型。（ 2）支持并行设计的计算机信息系统 信息交流对产品开发具有特别重要的意义。 根据国外的调查资 料，产品开发工程师的全部工作时间中有30%40%用于信息交流，产品开发过程由串行转变为并行后，对信息交流的直接性、及 时性、透明度提出了更高的要求。因此，计算机信息系统是支持并 行设计的文体框架。（ 3）模拟仿真技术并行设计的含义不仅在于设计过程中某些工作步骤的平

18、行交叉，而且还在于在产品设计阶段就能充分考虑加工、装配，甚至使用、维修这些与产品开发相关的后续过程。（4）产品性能综合评价和决策系统 并行设计作为现代设计方法，其核心准则是 “最优化 ”。在对产 品各项性能进行模拟仿真的基础上，要进行产品各项性能，包括可 加工性、可装配性、可检验性、易维护性，以及材料成本、加工成 本、管理成本的综合评价和决策系统是并行设计系统不可缺少的模 块。（5）并行设计中的管理技术 并行设计系统是一项复杂的人机工程，不仅涉及技术科学，而 且还涉及管理科学。3、简述复杂系统的分析和建模方法？ 系统一般来说是比较复杂的，为便于分析和设计，常采用系统 分解法这个设计中常用的方法

19、， 把复杂的系统分解为若干个相联系 的、相对比较简单的子系统，这样可以使系统的分析和设计比较简 单。根据需要，各子系统还可再分解为更小的子系统，依次逐级分 解，直到能进行适宜的设计和分析为止。系统分析是系统设计中的一项重要工作。 系统分析不同于一般 的技术经济分析，它是从系统的整体优化出发，采用各种工具和方 法，对系统进行定性和定量分析的过程。系统分析时，不仅分析技 术经济方面的有关问题，而且还要分析内部系统、外部系统之间及 系统内部各子系统之间的联系因素，并且作出评价，为决策者选择最优系统方案提供主要依据。系统分析的一般步骤如下：1）分析与确定系统的目的和要求。2）模型化。3）系统最优化。4

20、）系统评价。 建模方法：模型是描述实体系统的映象，包括各种数学模型、实 物模型、计算机模型和各种图表等。4、并行设计中的协调工作是什么？试说明其组织模型？ 通信和协调是并行设计计算机信息系统的两个主要功能。 由于工作群组的成员不一定同处一地，不一定同时工作。因此， 并行设计要求计算机信息系统具有多种通信功能（同时同地、同时 异地、异时同地、异时异地） ，并且能对产品开发中发生的冲突和 分歧进行协调。例如，分处两地的群组成员可以通过计算机通信会商有关问 题，共同处理同一电子文件，或绘制同一张图样。又如，工作群组的某个成员（或某个小组）根据强度校核计算 的结果修改了某个尺寸，却没有意识到这一修改将

21、对另一成员（或 另一小组）的工作发生影响，约束条件网络发现了这一问题，马上 向双方发出警告信息，提醒双方进行协调。5、什么是集成化的产品模型？什么是产品数据交换技术？什么是产 品数据管理？般建模方法是寻求一种有效的产品信息处理和表达的方式。 而集成化的产品模型强调合理地组织产品信息数据， 使模型能够成为一 个完整的信息表达和处理的系统， 能够体现产品生命周期中的各种有 价值的信息。一个功能完善的 CAD 系统可能包括很多独立的模块，如设计计 算、图形处理、数据管理、 有限元分析、 优化设计、数控代码输出等。 一些现成的软件系统往往只是针对某一类问题而设计的， 如图形软件（AutoCAD等）有很

22、强的图形生成和编辑能力，有限元分析系统（如ANS YS等）擅长有限元分析计算，数据库管理系统（如 Foxpro等） 适合于建立和管理数据库， 我们可以利用这些现成的资源， 通过数据 转换接口实现不同CAx集成。PDM 可以定义为以软件技术为基础，以产品为核心，实现对产 品相关的数据、过程、资源一体化集成管理的技术。稳健设计：1、何谓稳健设计？稳健设计就是通过调整设计变量及控制其容差使可控因家和不 可控因素当与设计值发生变差时仍能保证产品质盘的一种工程方法。 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，或者用康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

23、的设计是稳健的 .2、稳健设计的基本原理是什么？稳健设计可分为哪几类？RPD（robust product design）稳健性产品设计充分利用系统的非线 性性质，通过合适地选择可控因素的位级组合， 使产品性能对各种干 扰（内干扰，外干扰，物品间干扰）最不敏感，从而达到提高产品质 量和降低成本的目的。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。

24、 绿色设计： 1、结合所见所闻，谈谈需求、资源、环境、人类之间的辩证关系？近代以来， 由于科学技术水平的发展， 人类认识自然、改造自然 的能力大大提高， 人类实践的范围不断扩大， 使得更多的天然自然转 化为人化自然， 人类在征服自然、利用自然取得巨大成果的同时，对 自然均衡状态的破坏也达到了相当严重的程度。 目前全球存在的人与 自然的问题：人口问题（人类自身问题） 、资源问题（自然问题） 、环 境问题、生态问题（人与自然的关系问题）相当突出。环境污染、生态失衡已成为世界性公害。据世界卫生组织报告： 目前全世界有 10亿以上人口生活在污染严重的城市， 而在洁净环境中 生活的城市人口不到 20。全

25、世界有近三分之一的人口缺少安全用 水，每天有数以万计人的死与水污染有关，食品中毒事件经常发生。 由于自然资源非正常利用， 异生型人工自然物的大量滋生， 干扰了自 然生态的正常演化， 破坏了整体自然生态系统的稳定和平衡， 出现了全球性的生态危机。其中：臭氧层的破坏”、温室效应”、酸雨危害”，已成为世界性的生态危机的三大突出问题。人与自然关系严重 失衡，造成这一失衡的原因是多方面的，但主要有四个方面不可忽视： 一是人类认识自然的水平有限；二是人类对技术的控制能力不够；三 是功利主义思想的影响，国家利益、民族利益、地区利益、集体利益 以及个人利益代替了人与自然的整体利益和长远利益；四是价值偏 见。人

26、们在实践过程中，往往只注意到眼前自然资源的使用价值，而 忽略了自然永存的内在价值，为了满足眼前局部的利益，对自然资源 进行掠夺性开采，以至危及人类的持续发展。建立人与自然的和谐共处、协调发展关系，实现人类与自然界关 系的全面、协调发展是人类生存与发展的必由之路。为此，首先必须 确立大自然观。现代意义上的自然观，真正视人类与自然是相互依存、 相互联系的整体，从整体上把握住规律，并以此作为认识自然和改造 自然的基础。其次，必须走出 人类中心”的误区，建立人与自然全面 和谐共处和协调发展的关系。科学证明人类不过是众多生物种类中的 一种，人类只是自然的一部分，不是万物的尺度， 同时由于主客观条 件的限

27、制，人类的认识具有很大的局限性，况且人类的认识正确与否、 能否得到完善和发展，一点也不能离开认识自然和改造自然的活动（即实践），尤其是对自然规律的认识和把握，更是离不开人与自然 的联系，在当今世界变革的大潮中，新出现的诸如大科技观”、持续发展观”、生态价值观”等等，就是对 人类中心论”的否定。其三， 必须全方位的探讨自然的价值。 不仅要征服自然、利用自然，从自然 中获取有利于人类发展的使用价值； 同时要善待自然、保护自然、尊 重自然。要树立大价值观念，即在评价一切经济活动和社会活动时， 不仅要考虑其经济价值， 而且要考虑其生态价值； 不仅要考虑眼前价 值，而且要考虑长远价值；不仅要考虑从自然中

28、所得，还要考虑如何 回报自然等等。只有这样，才能真正建立起人与自然和谐共处的关系， 实现人与自然和谐共处，协调发展。2、结合实例，简述绿色设计的意义？绿色设计之环境的需求 环保的产品 在不少国家和地区，交通工具不仅是空气和噪声污染的主要来 源，并且消耗了大量宝贵的能源和资源。因此交通工具， 特别是汽车 的绿色设计备受设计师们的关注。 新技术、新能源和新工艺的不断出 现，为设计出对环境友善汽车工辟了崭新的前景。 不少工业设计师在 这方面进行了积极的探索， 在努力解决环境问题的同时， 也创造了新 颖、独特的产品形象。 绿色设计不仅成了企业塑造完美企业形象的一 种公关策略，也迎合了消费者日益增强的环

29、保意识。减少污染排放是汽车绿色设计最主要的问题。 以技术而言， 减少 尾气污染的方法主要有两个方面， 一是提高效率从而减少排污量， 二 是采用新的清洁能源。2004款Prius将是第一台装备新的高压/高量的混合协同驱动系 统的丰田车。 完全混合动力系统的优势是非常明显的， 更重要的是在 某些情况下汽车可以完全用电能驱动， 这在燃料消耗以及排放的减少 上，意义非常。混合协同驱动系统的排放比当前已经非常环保的 Prius还要低 30%。比普通的内燃机引擎尾管排出的废气物质低了近90%另外非常重要的一点是 Prius 彻底打破了环保与性能不可兼得的定 论。3、何谓绿色设计？何为绿色产品？ 绿色设计是

30、指在产品及其寿命周期全过程的设计中， 要充分考虑 对资源和环境的影响， 在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成 本的同时， 更要优化各种相关因素， 使产品及其制造过程中对环境的 总体负影响减到最小，使产品的各项指标符合绿色环保的要求。绿色产品是指生产过程及其本身节能、节水、低污染、低毒、可 再生、可回收的一类产品，它也是绿色科技应用的最终体现。4、试述何为绿色设计？绿色设计的主要特点表现在哪些方面？绿色设计(Green Design)也称为生态设计(Ecological Design),环 境设计(Design for Environment)等。虽然叫法不同，内涵却是一致的， 绿色设计是指在产品及其寿命周期全过程的设计中， 要充分考虑对资 源和环境