《材料试验设计》课件 第1章-试验设计概述与应用

试验设计概述与应用田为军试验未知某个结论去探索

未知方法的探索探索性实验已知某个结论去验证

已知方法的操作验证性实验和试验•

科学研究的必要手段—实验、试验求实创新，

励志图强医药、仪器、

电子产品等新产品及其他科研成果产生流程求实创新，

励志图强规律研究试验数据分析提高产品性能多次反复试验降低成本能耗•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。•课程的任务：让学生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。求实创新，

励志图强•

研究如何科学、

合理、

编制试验计划

，

制定试验方案，并进而统计其试验结果

，从而使试验工作达到好省之效果。

是一种数学方法。•

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。•

是利用拉丁方、

正交表等作为工具

，

设计方案、

控制干扰、

处理数据

，

直接寻求最优组合条件（最优给药条件、

药物合成、

最佳保存时间等）

的一种科学方法。求实创新，

励志图强•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。为考察某事的结果或某物的性能而从事的某种活动。非实物试验实物试验

广义试验求实创新，

励志图强•

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。•

科学研究的实际过程－试验Why？实践是检验真理的唯一标准！总结发现新结果验证、检验

试验原理论假设理论高级试验新理论求实创新，

励志图强A、设计试验方案•

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）控制试验干扰处理数据获取信息设计试验方案求实创新，

励志图强•

试验的设计明确试验目的

，确定要考察的因素及其变动范围

，

根据试验目的制定出合理的试验的方案。•

试验的实施按设计的试验方案

，

进行试验

，

获取必要的数据结果。•

试验结果的分析对试验所得数据进行分析

，

判定所考察的因素中的主要因素

，

从而确定出最好的生产条件

，

即最优方案。求实创新，

励志图强•创立和发展了试验优化法

，这种方法将优化思想和要求贯穿于试验的全过程。•在试验领域里

，特别是多因素试验

，往往是盲目地增加试验次数

，对通过试验得到的试

验数据

，只是被动简单地处理。过去20世纪

70年代前近代求实创新，

励志图强

•试验安排要求达到最优化的安排。现在试验安排•最佳系统

，最佳产品；•系统内或产品中主要参数的变化规律

，以便进行最佳决策。•研究提高抗菌素发酵单位

，按原配方搭配进行试验需要

6561次试验

，需要2年时间

，采用正交设计

，6天27次试验

即可找到较好的配方。拉丁方、

正交表、

均匀表等以最小的代价（人、财、物、

时）寻求

（科学地、有效地）科学地、有效地求实创新，

励志图强设计方案方案优良性少量试验点获取丰富的试验信息实施方案控制干扰

，

试验精度高试验结果处理计算分析简便、

科学处理结果目标多、

结果是最优的组合好！•现代优化设计的内容直觉优化、进化优化、数学优化、试验优化•多目标

，全过程优化

，多个指标同时优化求实创新，

励志图强•

多快好省地获取试验信息的现代通用技术。技术领域：

系统设计、

药品工艺改进、

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、

应用科学黑色系统灰色系统白色系统提高信息获取效率

效益定量定性模糊求实创新，

励志图强1925年系统介绍近代统计学方法The

Statistical

Methods

for

Research

Workers1935年

，

首次提出试验设计的基本原则

The

Design

of

experiments运用均衡排列的拉丁方

，解决了长期未能解决的试验条件不均匀问题

，提出了方差分析

，创立了试验设计！20世纪30s到40s

，

英、

美、

苏等逐步推广到工业生产领域

，

在采矿、

冶金、

建筑、

纺织、

机械、医药等行业都有所应用,并取得了显著效果。求实创新，

励志图强第一里程碑：创立R.A.Fisher(1890-1962)•

产品的性能与许多误差因素有关

，

要想通过消除这些误差因素来提高产品的性能往往是不现实的。尽可能降低误差因素的影响

，

使产品性能对误

差因素的变化是不敏感的

，

或称为是稳健的。•这种对产品的性能、

质量和成本做综合考虑

，

所提出的既提高产品质量

，

又降低成本的设计方法就第三里程碑：稳健试验设计称为稳健设计。求实创新，

励志图强方开泰、

王元创建

均匀设计法1970.4华罗庚推广优选法、

统筹

法

，

1978年优选法用于五粮液获

成功。范福仁

，

中国著名的生物统计学家和早期田间试验技术的先驱者之一。

首次提出以相关变量分析应用于拟复因子试验。求实创新，•

会议内容涉及试验设计与质量改进的多个方向

，

包括设计方案的基本理论

，

试验结果的统计分析

，

试验设计在全程优化、

工程仿生、

工业生产等领域的应用。求实创新，

励志图强•

这次会议的成功举行

，

对于积极推动试验设计技术在提高我国产品质量水平方面

，必将会起到很好的•

任露泉院士做题为“试验设计的全程优化及其工程仿生应用”的大会特邀报告。作用。求实创新，

励志图强任露泉院士被推荐为“中国现场统计研究会试验设计分会”名誉理事长

，

杨印生教授被推荐为常务理事

，丛茜教授被推荐为理事。求实创新，

励志图强求实创新，

励志图强仿生钻头的非光滑形态设计与优化•传统牙轮钻头在复杂地层中存在机械钻速低、

使用寿命短的问题

，难以满足高效钻井需求

，

导致单井钻井周期长、

作业成本居高不下

，

制约油气、

矿产等资源勘探开发效率。求实创新，

励志图强•自然界生物非光滑表面（如昆虫表面、

土壤动物体表）

具有减阻耐磨、

抗黏附等优良特性

，

为工程部件性能优化提供仿生原型。•非光滑形态参数（如凹坑直径、

深度、

排布方式等）

对钻头性能影响复杂

，

需通过科学的试验方案

，

以最小试验成本获取最优设计方案

，

实现钻头性能与经济性的平衡。求实创新，

励志图强•采用试验优化技术优化设计了孕镶金刚石仿生钻头的非光滑形态

，所设计的仿生钻头平均机械钻速达0.77米/小时

，

进尺16.1米

，

与同井、

同地层相邻牙轮钻头相比

，

钻速提升19.7%

，寿命延长3.88倍

，

一只钻头在一口井上使用

，

就可降低钻井费用105万元。求实创新，

励志图强•炊具易粘黏

，

会食物粘锅

，

烹饪不易

，

并且很难清洁

，

不粘炊具需求。•聚四氟乙烯等传统不粘涂层存在高温分解、

机械强度低等问题

，影响食品安全和使用寿命。•生物界的不粘现象启发

，

仿生微结构可降低食物与炊具的接触面积

，

通过仿生结构优化

，

增强炊具表面抗刮擦能力。求实创新，

励志图强•采用试验优化技术

，研究仿生不粘炊具表面非光滑单元体参数

，研究成果于2005年获深圳第七届中国国际高新技术交易会优秀产品奖

，

2008年获得科技成果转化优秀奖。求实创新，

励志图强•水泥是我国的四大基础材料之一•水泥粉磨系统重大问题：

磨损

2024年

，我国水泥产量为18.25亿吨

，

占全球市场份额近47%

，磨耗耐磨材料约90万吨；

磨损导致系统部件形状改变

，效率下降

，

引起辊压机振动

，加剧部件的损坏

，严重时甚至使辊压机和系统无法运行；

水泥的综合电耗中60-70%用于水泥粉磨；

部件磨损消耗占水泥生产成本的15－18％。求实创新，

励志图强•生物如蜣螂、

穿山甲、

蜥蜴和潮间贝类等

，

体表有强韧性、高硬度和极好的耐磨性能。其体表表面具有凸包、

条纹、

凹坑、鳞片等形态

，结构为多层复合结构、

多孔结构、

软硬结合。求实创新，

励志图强毛蚶及其表面棱纹结构脉红螺及其表面棱纹结构新疆岩蜥体视显微照片和染色切片照片新疆岩蜥变色沙蜥•吉林省重大攻关项目-水泥粉磨系统仿生减粘耐磨核心部件研发

，

通过试验设计方法设计优化了仿生磨辊的结构参数

，

使磨辊耐磨性提高27%

，挤压辊使用寿命为12000h

，

可在工作环境温度200-400℃条件下一直正常运行。•项目为亚泰集团节省设备制造费用

，

取得直接和间接的经济效益。求实创新，

励志图强•热作模具作为"永不衰亡的工业"的核心装备

，

其表面失效占整体失效的80%热疲劳是主要失效形式。•自然界生物结构（如蜻蜓翅膀网状脉络、

植物叶片网络结构）

具有优异的抗疲劳特性。•激光仿生耦合技术将生物结构特征与激光熔凝/堆焊工艺结合

，

使抗热疲劳性能显著提升。求实创新，

励志图强•采用试验优化技术对热作模具的激光加工参数、

仿生表面参数进行了优化；•所开发的仿生机械部件热疲劳性能和磨损性能显著提高

，综合寿命提高1倍以上。求实创新，

励志图强•制动毂是鼓式制动器的核心部件

，

其作用是通过摩擦实现车辆减速或停车•制动毂频繁制动导致高温（可达600℃以上）

，

降低摩擦系数

，影响制动性能•制动产生磨损

，

且摩擦副振动可能引发噪声。求实创新，

励志图强•

甲虫外骨骼的梯度材料与蜂窝结构提供高抗冲击性

，

适用于制动毂表面耐磨设计；•植物根系的分形网络结构启发散热流道设计

，提升热管理效率；•采用优化设计的方法创建了仿生制动毂设计、

制备与检验的全程优化体系；•研制的制动毂耐磨性和抗热疲劳性能显著提高

，综合寿命提高1倍以上

，

生产成本降低6.75%。求实创新，

励志图强•穿刺针在刺入血管、

体腔或组织器官抽取组织液或注入药物的临床治疗过程中

，

会使患者感觉到难以忍受的疼痛

，产生恐惧心理。•从仿生学角度出发

，

应用非光滑减阻理论

，

通过分析蚊子、

蝉等昆虫的刺吸式口器的结构形态特征与其刺吸方式的关系

，发明仿生无痛针头。求实创新，

励志图强•设计合理的仿生针头非光滑结构形态

，

并进行制备与表面加工工艺研发。

采用正交试验设计技术

，

进行仿生针头痛感试验与非光滑结构参数优化

，

有效降低了针头的阻力。求实创新，

励志图强•泥浆泵活塞是钻井用泥浆泵的核心部件。•泥浆泵活塞决定着泥浆泵的使用性能

，

直接影响钻井的效率。•泥浆泵的失效形式80%是由于缸套活塞组的磨损引起的

，延长泥浆泵活塞的使用寿命是钻井行业亟待解决的技术难题。求实创新，

励志图强•活塞工作表面上设计出仿生非光滑结构

，

改善泥浆泵活塞缸套摩擦系统的界面润滑条件

，解决泥浆泵活塞缸套系统的摩擦磨损问题。•设计了凹坑、

条纹仿生活塞

，

并进行了正交试验设计与分析。•优化的仿生活塞根部受力小、

变形小

，利于保护活塞根部。•仿生活塞与缸套在活塞唇部的接触压力高

，利于活塞密封。求实创新，

励志图强•在科技部国家高技术发展计划（863）项目“仿生非光滑表面减阻材料”实施过程中，•采用二次旋转设计得到了旋成体阻力关于凹坑直径、深度以及凹坑轴向间距三个因素的二次回归方程

，以此模型得到了最优的减阻表面参数尺寸及最高减阻率。试验设计用于旋成体仿生表面减阻研究

，解决了超音速下旋成体仿生表面设计难题

，总阻力减小4%以上。求实创新，

励志图强•在JW科技委国防创新特区主题项目“变体跨介质无人XX仿生关键技术”中

，采用试验优化技术优化跨介质航行器流体动力布局及动力匹配参数优化

，

保证了航行器干飞及潜行的流体动力性能及入水性能

，

大大缩短了研发周期。求实创新，

励志图强•在国家自然科学基金高铁联合基金“高速列车受电弓气动噪声仿生控制关键技术”项目中

，采用试验优化技术

，获得了设计于受电弓弓头、

弓角的仿生结构参数尺寸对于气动噪声的影响规律

，

并根据受电弓的运行工况进行了优化

，

受电弓气动噪声降低3dB

，

节约风洞试验费用、

模型加工费。求实创新，

励志图强牛舌乳突仿生原型

仿生脱粒部件•在国家重点研发计划项目支持下

，采用二次回归正交组合设计方法,以牛舌乳突结构为仿生原型

，

对仿生齿形的倾斜角度、

放大比例及脱粒间隙等关键结构参数开展原理性试验优化

，

设计了具有低损高效性能的仿生脱粒部件；

采