現(xiàn)代機械綜合設(shè)計理論與方法及應(yīng)用

1、東 北 大 學(xué)研 究 生 考 試 試 卷評分考試科目：現(xiàn)代機械綜合設(shè)計理論與方法及應(yīng)用課程編號： 閱 卷 人： 考試日期： 姓 名： 學(xué) 號： 注 意 事 項1考 前 研 究 生 將 上 述 項 目 填 寫 清 楚2字 跡 要 清 楚，保 持 卷 面 清 潔3交 卷 時 請 將 本 試 卷 和 題 簽 一 起 上 交東北大學(xué)研究生院.1、簡要分析現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計理論與方法的發(fā)展?fàn)顩r？現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)是先進制造技術(shù)中的首要關(guān)鍵技術(shù)，它是現(xiàn)代科技發(fā)展和全球市場競爭的產(chǎn)物。設(shè)計理論是對產(chǎn)品原理和機理的科學(xué)總結(jié)。設(shè)計方法是使產(chǎn)品滿足以及判斷產(chǎn)品是否滿足設(shè)計原則的依據(jù)?，F(xiàn)代設(shè)計方法是基于設(shè)計理論形成的，因而更具

2、科學(xué)性和邏輯性。但一些方法還有完善和發(fā)展的過程，所以現(xiàn)代設(shè)計方法還不能完全取代傳統(tǒng)設(shè)計方法，一些行之有效的經(jīng)驗方法目前仍在廣泛使用，它們?nèi)允乾F(xiàn)代設(shè)計方法的重要組成。英國工業(yè)革命推進了資本主義的發(fā)展，后來，經(jīng)濟衰退了，教訓(xùn)之一是沒有認識到設(shè)計工作是國民經(jīng)濟的命根所在。到了六十年代初，英國政府明確提出要改善產(chǎn)品設(shè)計，并以政策和財政來支持推廣設(shè)計新技術(shù)。聯(lián)邦德國工程師協(xié)會(VDI)曾于1963年召開了一次“關(guān)鍵在于設(shè)計”的會議。1983年出版了一本“設(shè)計作為科學(xué)”的文集。經(jīng)過二十多年的努力，全體工程師協(xié)會成員共同合作，制訂了一系列有關(guān)設(shè)計的指導(dǎo)性文件，如：技術(shù)產(chǎn)品的方案性設(shè)計、技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品方法學(xué)、

3、產(chǎn)品設(shè)計入機工程學(xué)、工業(yè)產(chǎn)品模塊化設(shè)計、精密機械工業(yè)造型設(shè)計以及其它設(shè)計規(guī)范、設(shè)計目錄和設(shè)計守則等。美國在第二次世界大戰(zhàn)末期，為了加強對設(shè)計的指導(dǎo)，成立“工業(yè)設(shè)計委員會”。到1972年改為“設(shè)計委員會”。1985年美國科學(xué)基金會召開了設(shè)計理論和設(shè)計方法研究的目標(biāo)和優(yōu)化項目的討論會，制訂相應(yīng)的政策以提高產(chǎn)品的競爭能力。美國機械工程師學(xué)會每年召開一次“設(shè)計自動化會議”，每次會議都有創(chuàng)新內(nèi)容。對日本設(shè)計領(lǐng)域沖擊最大的是美國關(guān)于自動設(shè)計和CAD的發(fā)展，他們很快地將機械設(shè)計過程看作是一個完整的系統(tǒng)，將設(shè)計看作是技術(shù)、經(jīng)濟、美學(xué)、人機學(xué)的一體化整體，并激勵推廣和采用新技術(shù)，從而大大提高了機械產(chǎn)品在國際市場

4、的競爭力。近年來在國際上召開了一系列與設(shè)計有關(guān)的國際會議。如1980年在英國樸次茅斯召開的“設(shè)計研究會議”，1981年在意大利羅馬召開的“國際工程設(shè)計會議”，1982年在英國倫敦召開的“設(shè)計政策會議”等等，發(fā)展到最近，每年開會一次。這些會議的議題是探討設(shè)計的新理論和新方法。從具體內(nèi)容米看，在工業(yè)發(fā)達國家，優(yōu)化設(shè)計于六十年代開始研究并應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計，目前已廣泛應(yīng)用。如機械產(chǎn)品及系統(tǒng)的方案優(yōu)化設(shè)計，機械動態(tài)性能的優(yōu)化設(shè)計，熱力系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計等，在CAD方面，八十年代工業(yè)發(fā)達國家己約有75的中小企業(yè)采用，大企業(yè)幾乎毫無例外地采用，設(shè)計效率比人工設(shè)計提高了三到二十倍。到二十一世紀(jì)，估計制造和設(shè)計之間的聯(lián)

5、系手段圖紙將失去作用。人工智能和專家系統(tǒng)將逐步應(yīng)用于CAD中。計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)，從概念設(shè)計、計算分析、圖形處理，NC技術(shù)到柔性加工設(shè)備，成為一個集成的整體。以超級微機為基礎(chǔ)工作站得到迅猛發(fā)展。動態(tài)分析及計算機仿真技術(shù)用于設(shè)計。圖形與非圖形數(shù)據(jù)統(tǒng)一的工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的實用化將逐漸得到解決。工程圖樣的自動輸入將進一步發(fā)展和得到應(yīng)用。工藝特征實體造型將進一步完善。設(shè)計軟件將實現(xiàn)接口標(biāo)準(zhǔn)化、圖形標(biāo)準(zhǔn)化、制造標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)管理標(biāo)準(zhǔn)化。新一代CAD集成軟件將出現(xiàn)。工業(yè)發(fā)達國家對設(shè)計方法學(xué)的研究日益重視和深入。原聯(lián)邦德國在六十年代就開始研究，逐漸形成了他們自己的體系，其研究特點是強調(diào)設(shè)計的系統(tǒng)

6、化和邏輯分析，要求按步驟有規(guī)律地進行設(shè)計。近年來還注意將設(shè)計方法學(xué)密切聯(lián)系生產(chǎn)，如價值工程、模塊化設(shè)計等，還加強設(shè)計方法學(xué)與CAD的結(jié)合。日本發(fā)展設(shè)計方法學(xué)的特點是密切將本國實際和消化引進國外技術(shù)相結(jié)合，強調(diào)引進技術(shù)的國產(chǎn)化。美國技術(shù)界較多地強調(diào)創(chuàng)造性設(shè)計。1985年9月美國國家科學(xué)基金會提出“設(shè)計理論和設(shè)計方法學(xué)研究的目標(biāo)和優(yōu)先項目”的報告作為幾個重要學(xué)會的特殊聯(lián)合文件，由ASME出版。該報告指美國產(chǎn)品的質(zhì)量及競爭力落后于其它先進國家的原因在于：缺少一個能指導(dǎo)設(shè)計過程的統(tǒng)一原則和方法體系；缺乏有劍新思想并能把它們迅速轉(zhuǎn)化為有競爭力產(chǎn)品的專門人才。認為設(shè)計方法學(xué)是設(shè)計師能夠運用設(shè)計理論于工程設(shè)

7、計的有關(guān)設(shè)計程序、工具和技術(shù)的集合。在報告中還擬定了設(shè)計理論與方法學(xué)的五個重要研究領(lǐng)域：設(shè)計的定量方法和系統(tǒng)方法；方案設(shè)計(概念設(shè)計)和創(chuàng)新；智能系統(tǒng)和以知識為基礎(chǔ)的系統(tǒng)；信息、綜合和管理：設(shè)計的人類學(xué)接口問題，這次會議對美國設(shè)計理淪和方法學(xué)研究與實踐是一個促進。我國機械設(shè)計的發(fā)展經(jīng)歷了一個曲折的過程。1958年以前，所謂設(shè)計，主要是照抄前蘇聯(lián)的圖紙進行仿制。長期以來我國采用傳統(tǒng)的“三段設(shè)計法”，即方案設(shè)計(初步設(shè)計)、技術(shù)設(shè)計、施工設(shè)計。其中起決定作用的方案設(shè)計通常是根據(jù)提出的設(shè)計任務(wù)的技術(shù)要求，找樣本、專利、圖紙、研究報告等資料，然后靠設(shè)計者的經(jīng)驗進行，其本質(zhì)是經(jīng)驗性的，以模仿為主，局限性

8、很大。到了60年代初，開始加強了薪產(chǎn)品的開發(fā)漫計與實驗研究工作，從而使設(shè)計從仿制和經(jīng)驗設(shè)計逐步走向試驗研究和計算分析階段，典型的例子是：30kt模鍛水壓機和125kt臥式擠壓機的設(shè)計和試制成功，將模型試驗、電測和光彈試驗以及建成后實測等技術(shù)引入大型設(shè)備的技術(shù)中。1965年在全國召開了機械產(chǎn)品設(shè)計革命化工作會議，會議上將設(shè)計工作提到“生產(chǎn)技術(shù)中的第一道工序”的高度，并總結(jié)了一條：“試驗、研究、設(shè)計、制造、安裝、使用、維護”的“七事一貫制”的方法。到了70年代初，開始建立了機械產(chǎn)品的研究及測試基地。到80年代初再次召開機械產(chǎn)品設(shè)計工作會議，開始在國內(nèi)介紹一些國際上的先進技術(shù)與方法。同時計算機引入設(shè)

9、計領(lǐng)域，對設(shè)計工作的發(fā)展起了很大的推動作用。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)品的科技含量和性能價格比不斷提高，企業(yè)間的競爭曰益激烈，而且己成為世界范圍內(nèi)技術(shù)水平、經(jīng)濟實力的全面競爭。企業(yè)要在不斷變化的產(chǎn)品需求和激烈的市場競爭中占有一席之地， 就必須改進設(shè)計理念， 使用先進的設(shè)計制造技術(shù)提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、提高生產(chǎn)率，生產(chǎn)出符合用戶需求的高科技產(chǎn)品。現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)也將向以下方向發(fā)展：設(shè)計由自由發(fā)展走向有計劃的發(fā)展；設(shè)計人員由單人走向團隊；智能性產(chǎn)品設(shè)計思想進一步深化；開放式設(shè)計人才培養(yǎng)體系的形成；對設(shè)計人員的要求不斷提高；綠色設(shè)計思想更加重要。2、試述產(chǎn)品質(zhì)量、功能與性能的關(guān)系？產(chǎn)品

10、的廣義質(zhì)量由以下兩個主要內(nèi)容組成：一是產(chǎn)品的功能（包括主功能和輔助功能），二是產(chǎn)品的綜合性能（結(jié)構(gòu)性能、工作性能和工藝性能等）。因此，還可以說產(chǎn)品的廣義質(zhì)量是“產(chǎn)品功能與性能的綜合體現(xiàn)”。產(chǎn)品功能的要求與產(chǎn)品的綜合性能在某些方面有交叉和重復(fù)的地方，這是很自然的，但它們來自不同的角度，一是從功能角度提出的要求，二是從產(chǎn)品整機性能提出的要求。對于一些結(jié)構(gòu)方案已經(jīng)確定或其功能已經(jīng)滿足要求的產(chǎn)品，它的廣義質(zhì)量與綜合性能是等價的。產(chǎn)品的廣義質(zhì)量與其全功能和全性能是等價的，但它不等價于產(chǎn)品的使用質(zhì)量或狹義的產(chǎn)品質(zhì)量Q，因為狹義的產(chǎn)品質(zhì)量Q不包括價格C、生產(chǎn)周期T、環(huán)境保護E和售后服務(wù)S等及產(chǎn)品綜合性能中的

11、產(chǎn)品制造的部分工藝性能，這是因為產(chǎn)品制造的部分工藝性能在產(chǎn)品使用過程中無法予以實現(xiàn)。3、基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品設(shè)計7D規(guī)劃模型的具體內(nèi)容？（1）明確設(shè)計思想：在科學(xué)發(fā)展觀和自主創(chuàng)新思想指導(dǎo)下完成產(chǎn)品設(shè)計工作；（2）考慮設(shè)計環(huán)境：如政治、經(jīng)濟、人文環(huán)境、法律環(huán)境、社會環(huán)境（指國際與人際環(huán)境）、生態(tài)環(huán)境、技術(shù)環(huán)境的要求等；（3）擬訂設(shè)計步驟：設(shè)計過程和步驟是用戶需求獲取、制訂設(shè)計任務(wù)書、產(chǎn)品概念設(shè)計、詳細設(shè)計、工藝設(shè)計；（4）確定設(shè)計目標(biāo)：面對產(chǎn)品廣義質(zhì)量和對產(chǎn)品實現(xiàn)功能和性能的優(yōu)化。（5）規(guī)劃設(shè)計內(nèi)容：設(shè)計內(nèi)容就是面對功能和三大性能的功能優(yōu)化設(shè)計、動態(tài)優(yōu)化設(shè)計、智能優(yōu)化設(shè)計和可視化優(yōu)化設(shè)計等。（6）

12、選擇設(shè)計方法：如選擇動態(tài)優(yōu)化設(shè)計法、智能優(yōu)化設(shè)計法、可視優(yōu)化設(shè)計法及數(shù)字化設(shè)計法等。（7）檢驗設(shè)計質(zhì)量：建立產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性評價體系，采用模糊評價法、價值工程評價法等對產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量進行評優(yōu)，克服產(chǎn)品設(shè)計工作中的隨意性和片面性，進而可提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，使企業(yè)鏟平的設(shè)計質(zhì)量得到可靠的保證。此外，還應(yīng)通過實驗及在產(chǎn)品使用過程中檢驗產(chǎn)品質(zhì)量。4、詳細闡述“1+3+”設(shè)計法的具體內(nèi)容？一種基于“功能優(yōu)化設(shè)計、動態(tài)優(yōu)化設(shè)計、智能優(yōu)化設(shè)計和可視優(yōu)化設(shè)計”的面對現(xiàn)代機械產(chǎn)品廣義質(zhì)量的高層次的“l(fā)+3+”設(shè)計法(圖1所示)，試圖應(yīng)用這種綜合設(shè)計法對新產(chǎn)品進行開發(fā)，對老產(chǎn)品進行改造，以及進行裝備基地的建設(shè)，以便

13、在較大程度上滿足產(chǎn)品總體質(zhì)量或綜合技術(shù)性能的要求，進而最大限度地滿足用戶對產(chǎn)品的各種需求。面對現(xiàn)代機械產(chǎn)品廣義質(zhì)量的高層次的“l(fā)+3+”設(shè)計法，是以“動態(tài)優(yōu)化設(shè)計、智能控制系統(tǒng)設(shè)計和可視優(yōu)化設(shè)計”三種設(shè)計方法為核心內(nèi)容的一種新盼設(shè)計方法，利用三種方法為一體的設(shè)計法對產(chǎn)品進行設(shè)計，可以在較大范圍內(nèi)考慮前面提出的包括Q、T、C、E、S內(nèi)容的產(chǎn)品廣義綜合質(zhì)量，或總體質(zhì)量(即包括機器的結(jié)構(gòu)性能、工作性能和工藝性能)的基本要求。面對現(xiàn)代機械產(chǎn)品廣義質(zhì)量的高層次的“l(fā)+3+”綜合設(shè)計法，其目的就是要克服單一設(shè)計方法的局限性，在現(xiàn)有的一些主要的方法中找出對產(chǎn)品總體質(zhì)量有決定性影響，或有重要影響的、能夠從不同

14、側(cè)面滿足產(chǎn)品設(shè)備性能要求的幾種方法，在設(shè)計中加以綜合地考慮與實施，可以在較大范圍內(nèi)，考慮設(shè)計中應(yīng)該考慮綜合質(zhì)量的幾個主要問題，能相對較多地或較全面地反映用戶對產(chǎn)品設(shè)計綜合質(zhì)量的要求。綜臺設(shè)計法的數(shù)學(xué)表達式是：（1+3）+括號中的“l(fā)”表示產(chǎn)品設(shè)計初始階段的功能優(yōu)化設(shè)計或概念設(shè)計，例如采用質(zhì)量功能展開法；“3”是“三化”綜合設(shè)計法，即綜合“動態(tài)優(yōu)化設(shè)計、智能優(yōu)化設(shè)計和可視優(yōu)化設(shè)計”為一體的廣義優(yōu)化方法：而“”則是依據(jù)產(chǎn)品的特點采用的設(shè)計方法或者實現(xiàn)產(chǎn)品廣義質(zhì)量的其它手段，對于一般產(chǎn)品，刨新沒計和綠色設(shè)計十分重要，“”就是創(chuàng)新設(shè)計和綠色設(shè)計；汽車的設(shè)計，造型設(shè)計十分重要，“”就是造型設(shè)計；也可以是

15、實驗方法。圖1面對產(chǎn)品廣義質(zhì)量的“1+3+”綜合設(shè)計法5、舉例說明產(chǎn)品質(zhì)量評價模型，可任意選用如模型，的一種或別的方法完成某一產(chǎn)品質(zhì)量的綜合評價（要求不能與教材內(nèi)容相同）。答：以某一旋轉(zhuǎn)機械產(chǎn)品運動方案為例，建立著眼因素集要對產(chǎn)品質(zhì)量進行綜合評價，就必須對其五個方面分別先進行一次模糊評價，即初級評價，利用其結(jié)果得到總體產(chǎn)品質(zhì)量的評價矩陣R，最后完成對產(chǎn)品質(zhì)量的二級模糊綜合評價。建立決策評估集1. 初級評價1) 機構(gòu)的性能機構(gòu)的性能主要考慮以下兩方面內(nèi)容，為運動規(guī)律的型式，為傳動精度，其重要程度集為專家們對各個方面進行評價打分，得到機構(gòu)的性能的評價矩陣由此，得到機構(gòu)的性能評價結(jié)果：2) 機構(gòu)的工

16、作性能機構(gòu)的工作性能主要考慮以下四方面內(nèi)容，為應(yīng)用范圍，為可調(diào)性，為運轉(zhuǎn)速度，為承載能力。其重要程度集為機構(gòu)的工作性能評價矩陣為：由此，得到機構(gòu)的工作性能評價結(jié)果：3) 機構(gòu)的動力性能機構(gòu)的動力性能主要考慮以下四方面內(nèi)容，為加速度峰值，為噪聲，為耐磨性，為可靠性。其重要程度集為機構(gòu)的工作性能評價矩陣為：由此，得到機構(gòu)的工作性能評價結(jié)果：4) 機構(gòu)的經(jīng)濟性機構(gòu)的經(jīng)濟性主要考慮以下四方面內(nèi)容，為制造難易，為制造誤差敏感性，為調(diào)整方向性，為能耗大小。其重要程度集為經(jīng)濟性評價矩陣為：由此，得到經(jīng)濟性評價結(jié)果：5) 結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)構(gòu)緊湊主要考慮以下三方面內(nèi)容，為尺寸，為重量，為結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。其重要程度集為結(jié)構(gòu)

17、緊湊評價矩陣為：由此，得到結(jié)構(gòu)緊湊評價結(jié)果：2. 二級評價由、構(gòu)成對產(chǎn)品總體質(zhì)量二級評價的評價矩陣對于著眼因素集U，故其模糊子集的重要程度采用則：由此，可以得到產(chǎn)品總體質(zhì)量的二級模糊評價結(jié)果：優(yōu)秀占41.4%，較好占33.9%，好占16.5%，一般占8.0%，差占0.2%，即判定產(chǎn)品的總體質(zhì)量等級為“優(yōu)秀”。6、簡述綜合設(shè)計理論的特點及意義。綜合設(shè)計理論的特點是：(1)非穩(wěn)態(tài)特性，即慢變、突變、參變和滯后特性，即應(yīng)考慮系統(tǒng)或工作過程中的非穩(wěn)定工況下的動態(tài)特性，嚴格地說，幾乎所有的機械設(shè)備都處在非穩(wěn)態(tài)情況下運行(包括啟動和停機)。(2)非線性特性，應(yīng)考慮系統(tǒng)與工作過程中的非線性因素，不論是機械系

18、統(tǒng)，或是控制系統(tǒng)，幾乎都具有非線性的性質(zhì)。在目前多數(shù)的設(shè)計中，常常忽略那些非線性因素，而使計算結(jié)果具有較大的誤差，甚至?xí)贸鲥e誤的結(jié)果。(3)高維與強耦合特性，多數(shù)機器設(shè)備的實際工作系統(tǒng)是高維和強耦合的，因此，應(yīng)該真實地反映機器實際工作的情況，即應(yīng)該考慮系統(tǒng)的耦合性和高維的特性。(4)多參數(shù)或多變量的特性，應(yīng)考慮機器實際工作過程中的具有多參數(shù)和多變量等復(fù)雜的實際情況。綜合設(shè)計理論的意義是：(1)綜合設(shè)計法可以在較大范圍內(nèi)考慮產(chǎn)品的綜合設(shè)計質(zhì)量，這是國內(nèi)外科學(xué)技術(shù)工作者長期以來，試圖實現(xiàn)的目標(biāo)，即找山一種或幾種較全面、較完整的設(shè)計方法，解決產(chǎn)品設(shè)計總體質(zhì)量問題。這里提出的綜合設(shè)計法，可以在某種程度上實現(xiàn)上述要求與目標(biāo)。這對于大型、高速、復(fù)雜的機械設(shè)備來說，尤為重要。(2)綜合設(shè)計法，在設(shè)計理論與方法上不是停留在一般水平上的動態(tài)優(yōu)化、智能化和可視化基礎(chǔ)上，在理論