工程设计讲解

工程设计讲解大纲本次讲座我们将向您介绍工程设计流程讨论大多数工程师在产品设计过程中遵循的基本步骤。探讨在设计中考虑可持续性的重要性大纲引入重要的设计因素，例如团队合作项目进度安排材料选择经济因素工程标准和规范参考《系统工程与分析》（第二版），BenjaminS.Blanchard和WolterJ.Fabrycky著，PrenticeHall出版社，1990年。（这是系统工程领域的“圣经”）。工程学：创造性职业入门，第五版，乔治·C·比克利、多诺万·L·埃文斯、约翰·伯特兰·基茨著，麦克米伦出版公司，1986年。

什么是工程设计？工程设计是指设计系统、组件或流程以满足所需需求的过程。这是一个决策过程，通常是迭代的，其中应用基础科学、数学和工程科学来转化资源，以实现既定目标。结构化问题解决活动设计流程——基本步骤你的书中概述了以下步骤：意识到对某种产品或服务的需求问题定义与理解研究与准备概念化合成评估优化推介会分析与创造性问题解决能力1找出问题所在。明确工作标准或目标。研究并收集数据。集思广益，提出创意。分析。建立模型并进行测试。做出决定。沟通并明确具体细节。实施并商业化。准备实施后审查和评估。1Oakes等人与科学方法的对比明确问题所在。收集事实。提出假设。执行测试。评估结果。请注意，科学并不太关注实施，而只关注知识的收集。设计流程——基本步骤第一步：认识到对产品或服务的需求设计流程——基本步骤步骤二：问题定义与理解这是任何设计过程中最重要的一步。在您进行下一步之前请确保你理解了问题所在。确保问题定义清晰明确。优秀的解决问题者首先会充分理解问题是什么。设计流程——基本步骤步骤三：研究和准备收集有用信息搜索以确定产品是否已存在或许您可以采用或修改现有组件。以适当的方式审查和整理收集到的信息。第四步：概念化提出能够为你的问题提供合理解决方案的想法或概念设计流程——基本步骤步骤五：合成此时你开始考虑细节。进行计算，运行计算机模型，缩小所用材料的范围，确定系统组件的尺寸，并回答有关产品制造方式的问题。请查阅相关法规和标准以确保合规性设计流程——基本步骤步骤六：评估更详细地分析问题确定关键设计参数并考虑它们对最终设计的影响请确保所有计算均正确执行。必须从各种备选方案中找出最佳方案。设计细节必须完全制定完毕。设计流程——基本步骤步骤7：优化——最小化或最大化优化是基于某些特定标准，例如成本、强度、尺寸、重量、可靠性、噪音或性能。优化工程系统中的各个组件并不一定能得到一个最优的系统。设计流程——基本步骤步骤8：演示你需要向客户传达你的解决方案，客户可能是你的老板、公司内部的其他团队，也可能是外部客户。工程师需要定期向各个小组提交口头和（书面）进度报告；因此，汇报很可能成为许多其他设计步骤中不可或缺的一部分。设计流程图概念设计初步的设计详细的设计

设计评估

设计优化

设计评估

设计评估原型设计最终的设计现实世界的工程开发流程？热情。摘自：《OMNI》杂志，1980年7月。未参赛者也能获得名誉和荣誉。惩罚无辜者。找出罪魁祸首。恐慌。幻灭。18系统生命周期的四个主要阶段概念性的初步的设计细节设计与发展生产和/或建造产品用途逐步淘汰，和处置LCC=购置成本+

维持成本生命周期成本汽车低成本汽车虚构成本宝马3系对比奔驰C级维持成本购置成本设计流程——基本步骤优化程序例3.1–优化已知：

预算为1680美元，用于购买储罐。可用占地面积为90平方英尺。制造商A：16立方英尺，每个售价120美元，需要7.5平方英尺的占地面积制造商B：24立方英尺，每个售价240美元，需要10平方英尺的占地面积寻找：

在预算和空间限制范围内，实现最大的存储容量例3.1–优化解决方案：

设x₁=16立方英尺容量，x₂=24立方英尺容量。那么，我们希望最大化的目标函数Z变为

最大化Z=16x₁+24x₂例3.1–优化由线性不等式给出的区域可行的解决方案其他工程设计考虑因素工程经济学材料选择团队合作冲突解决项目进度安排和任务图评估各种方案专利、商标和版权工程标准和规范工程经济学经济因素在工程设计决策中始终发挥着重要作用。价格过高的产品无法以消费者能够承受的价格出售，否则公司将无法盈利。产品设计必须不仅要提供服务以改善我们的生活，还要为制造商创造利润。更多内容请见第20章材料选择材料的选择是一项重要的设计决策。选择材料时需要考虑的特性示例密度终极力量灵活性可加工性耐久性热膨胀导电性和导热性耐腐蚀性材料特性材料性能取决于多种因素材料的加工方式它的年龄其确切化学成分材料内部的任何不均匀性或缺陷随着材料老化，其材料性能会随温度和时间的变化而变化。实际上，设计时通常使用制造商提供的属性值；教科书中的属性值是典型值。3-28材料特性电阻率密度弹性模量刚性模量抗拉强度综合实力回弹模量韧性模量强度重量比热膨胀热导率热容量粘度蒸汽压压缩模量团队合作设计团队一群拥有互补专业知识、问题解决能力和才能的人，他们共同努力解决问题或实现共同目标。雇主正在寻找不仅具备扎实的工程基础知识，而且还能在团队环境中与他人良好合作的人才。优秀团队的共同特征成功的团队包含以下要素：分配给团队的项目必须有清晰且实际的目标。这些目标必须得到团队所有成员的理解和接受。互补专业知识、问题解决能力、背景和才能的人员组成。团队必须有一位优秀的领导者。优秀团队的共同特征团队领导和讨论环境应促进开放、尊重和诚实。团队目标和需求应该优先于个人目标和需求。优秀团队成员的辅助角色组织者——经验丰富、自信，深受团队成员信赖，并担任整个项目的协调人。创造者——擅长提出新想法，与其他团队成员分享，并让团队进一步完善这些想法。收集者——热情洋溢，善于获取资源、寻找机会和拓展人脉。优秀团队成员的辅助角色激励者——精力充沛、自信外向；善于找到克服障碍的方法评估人员——思维敏捷，能够全面理解项目的全部范围；善于正确判断结果。团队合作者——努力让所有人团结一致，不喜欢团队成员之间的摩擦或问题。优秀团队成员的次要作用提供者——可靠、果断，能够将概念转化为实际解决方案。收尾者——能够按时完成分配的任务；注重细节，并且可能会担心团队完成任务的进度。影响团队绩效的其他因素公司的组织方式项目如何分配团队可以使用哪些资源来完成他们的任务企业文化：是否提倡开放、诚实和尊重。冲突当一群人一起工作时，有时会产生冲突。冲突可能是由以下原因造成的：沟通不畅性格差异团队成员对事件和行为的解读方式冲突解决冲突管理是团队动态的重要组成部分。在处理冲突时，重要的是要认识到人可以分为三种类型：乐于助人妥协协作冲突解决——这类人善待团队成员——避免冲突允许强势的人占据主导地位。取得整体进展很困难可能导致团队决策失误冲突解决——这类人妥协的团队成员展现适度的自信和合作精神。为了维护团队团结，团队可能通过妥协而放弃了最佳解决方案。协作式冲突解决方法团队展现出高度的自信和合作精神不指责任何人团队提出解决方案评价方法结合多种解决方案，以达到理想解决方案。冲突解决项目进度安排和任务图工程经理用来确保项目按时按预算完成的流程评估备选方案当设计方案缩小到几个可行的概念后，在进行详细设计之前，需要对这些概念进行评估。每个设计方案都有其自身的评估标准。评估工作表示例设计中的可持续性可持续性和可持续工程可以定义为：“在满足当代人需求的同时，不损害后代人满足自身需求的能力。”设计中的可持续性

工程师对我们社会的公共和私营部门都做出了贡献。在私营部门，他们设计和生产我们日常生活中使用的商品和服务，使我们能够享受高品质的生活。在公共部门，他们支持地方、州和联邦政府的各项使命，例如满足我们的基础设施需求、能源和粮食安全以及国防。设计中的可持续性由于全球社会经济趋势、环境问题以及地球资源的有限性，人们对工程师的期望越来越高。未来的工程师们需要设计并提供能够提高生活水平、促进医疗保健发展的产品和服务，同时还要解决严峻的环境和可持续发展问题。在设计产品和服务时，工程师必须考虑地球有限资源、环境、社会、伦理、技术和经济因素之间的联系。概括无论背景如何，所有工程师在设计产品和服务时都应该了解所有工程师遵循的基本设计步骤。你应该意识到，经济学在工程决策中扮演着重要角色。你应该意识到，材料的选择是一项重要的设计决策。你应该熟悉优秀团队的共同特征。运动型多用途车（SUV）

防抱死制动系统（ABS）问题识别需要什么？必须采取哪些措施？为什么？问题范围——明确问题的边界。例如——防抱死制动系统能否成功地将为小型汽车开发的ABS系统改装到较重的运动型多用途车上？研究问题我们能否将问题分解成易于处理的子问题？此步骤定义了例如：针对类似问题及其解决方案进行文献综述。相关分析和建模技术。测试要求。设计限制。资源需求和分配。项目进度安排。研究——ABS示例文献检索；互联网搜索ABS。约束条件（示例）保留紧凑型轿车的ABS系统架构。SUV的ABS成本不能超过目前紧凑型轿车ABS系统成本的110%。上市时间——3个月。绩效标准；SUV总制动时间比紧凑型轿车增加15%。SUV车轮抱死打滑时间比紧凑型轿车增加10%。方法：建立ABS系统的MATLAB模型。利用模型进行参数分析。修改系统常量。解决问题制定替代方案。例如：硬件和软件设计方案。建模或仿真中需要改变的自变量列表。造型概念模型。物理模型和工程样机。图形模型。数学模型。计算机模型。决策矩阵替代方案标准轻松的屁股分数分数分数分数功能成本稳定总分重量35%25%25%15%100%1234514045125615071055205688888865773991017520015045570210200125135670280200175135790280200175150805解决问题实验计算机模拟。例如，测试；地面测试。飞行测试。合成子问题解决方案已合并。例如，制造和工程部门解决与可制造性相关的问题。解决问题–ABS示例除了与SUV的接口外，ABS硬件和系统架构已修复。控制软件可以修改。Matlab仿真。通过防滑试验验证仿真结果。向产品开发团队汇报结果。ABS制动仿真模型仿真结果车辆重量=1600磅液压滞后–0.01秒仿真结果车辆重量=2900磅液压滞后–0.01秒仿真结果02468101214161801020304050607080车辆速度和车轮速度速度（弧度/秒）时间（秒）车辆速度（西v）车轮速度（西西）车辆重量=2900