6現(xiàn)代設(shè)計方法機械工程師資格考試指導(dǎo)書課后思考題

1、機械工程師資格考試指導(dǎo)書(第 2版)課后思考題三、機械產(chǎn)品設(shè)計3.6現(xiàn)代設(shè)計方法(1)優(yōu)化設(shè)計(2)可靠性設(shè)計(3)有限元分析(4)模塊化設(shè)計(5)其他設(shè)計方法(并行設(shè)計 綠色設(shè)計TRIZ 人機工程設(shè)計 模 塊化設(shè)計)課后思考題：簡述優(yōu)化設(shè)計的基本概念、設(shè)計過程和設(shè)計方法選擇的基本 原則。答：1)在設(shè)計過程中，常常需要根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計要求，合理確定各種 參數(shù)，如質(zhì)量、成本、性能、承載能力等，使其達到最佳的設(shè)計目標(biāo)。將最優(yōu)原理和計算機技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計領(lǐng)域， 是一種把經(jīng)驗的、感性的、 類比的傳弦設(shè)計方法轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)的、 理性的、立足于計算分析的設(shè)計 方法。使得在解決復(fù)雜設(shè)計問題時，能從眾多的設(shè)計方案中尋找

2、到盡 可能完善的或最適宜的設(shè)計方案，這種設(shè)計方法能夠大大提高設(shè)計效 率和設(shè)計質(zhì)量。2)設(shè)計過程：(1)根據(jù)設(shè)計要求和目的定義優(yōu)化設(shè)計問題。(2)建立優(yōu)化設(shè)計問題數(shù)學(xué)模型。(3)選用合適的優(yōu)化計算方法。機械工程師資格考試指導(dǎo)書(第 2版)課后思考題(4)確定必要的數(shù)據(jù)和設(shè)計初始點。(5)編寫包括數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化算法的計算機程序，通過計算機的求 解計算獲取最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。(6)對結(jié)果數(shù)據(jù)和設(shè)計方案進行合理性或適用性分析。簡述可靠性設(shè)計的基本概念。及其評價指標(biāo)的內(nèi)含。答：1)可靠性設(shè)計的基本概念：產(chǎn)品質(zhì)量是產(chǎn)品滿足使用要求所具有的固有屬性，其中既包括功能指標(biāo)，也包括可可靠性指標(biāo)。可靠性的數(shù)值指標(biāo)就是可靠

3、性的尺度，常用可靠度、實效率、平均壽 命、有效壽命、維修度、有效度和重要度等來表示。有了可靠性的尺 度，產(chǎn)品在可靠性方古典文學(xué)具有了明確而統(tǒng)一的指標(biāo)。這樣，在設(shè) 計和生產(chǎn)產(chǎn)品時，可以利用數(shù)學(xué)方法來計算和預(yù)測它們的可靠性； 在 產(chǎn)品生產(chǎn)出來之后，可用一定的試驗方法來評定其可靠性。2)可靠性評價指標(biāo)：(1)可靠度：產(chǎn)品的可靠性可用其可靠度(無故障概率來衡量。可 靠度是用概率表示產(chǎn)品的可靠的程度。其定義為：“產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成功能的概率”?？煽慷鹊幕疽厝缦拢篈)對象：包括系統(tǒng)、機器、部件等，可以是非常復(fù)雜的機械設(shè) 備，也可以是一個零件。如果對象是一個系統(tǒng)，則不僅包括硬件，還 包

4、括軟件和人的判斷和操作等因素。B)使用條件：包括運輸、儲存及允許條件。機械工程師資格考試指導(dǎo)書（第 2版）課后思考題C）規(guī)定時間：指研究對象的工作期限，可以用時間表示，也可 以用距離、次數(shù)來表示。例如通常滾動軸承的工作期限用小時，車輪 的工作期限用行車公里數(shù)。D）規(guī)定功能：所謂“完成規(guī)定功能”，是指研究對象在規(guī)定的使 用條件下能維修正常工作而不失效（或發(fā)生故障）。E）概率：“可靠度”是可靠性的概率表示。概率是一個特定形 式的事件出現(xiàn)的可能性，用分數(shù)或百分數(shù)來表示。2）累計失效概率（故障概率）Ft :指產(chǎn)呂在規(guī)定條件規(guī)定時間內(nèi)失效的概率。可靠度與累計失效概率構(gòu)成一個完整的事件組。即 Pt +Ft

5、 =1（3）平均壽命（平均無故障工作時間） MTBF指產(chǎn)品在使用壽命期內(nèi)的某個觀察期間累計工作時間與故障 次數(shù)之比。（4）失效率（故障率）：指工作到某時刻尚未失效的產(chǎn)品，在該時 刻后單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率。簡述有限元分析方法的基本概念和特點，及其應(yīng)用領(lǐng)域。答：1）基本概念：是一種實用性很強的數(shù)值方法，它避開了在整個求 解區(qū)域上尋找連續(xù)解析函數(shù)這一難點，轉(zhuǎn)為尋求在各子域（單元）上 適當(dāng)控制方程，并滿足整個物體的邊界條件和連續(xù)條件的分塊近似的 插值函數(shù)。2）特點：（1）可受物體幾何形狀限制，可以用大大小小的多種單元機械工程師資格考試指導(dǎo)書(第 2版)課后思考題進行拼裝，以適應(yīng)各種工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜幾

6、何形狀。(2)可分析包括各種特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體。同時，單元之間材料性質(zhì)可以有跳躍性變化，能處理許多物體內(nèi)部帶有間斷性的復(fù)雜問題。(3)可以適應(yīng)不連續(xù)的邊界條件和載荷條件。(4)便于實現(xiàn)規(guī)范化和在計算機上統(tǒng)一編織，容易將程序編成模塊式結(jié)構(gòu)。(5)有限元法最后得到的大型聯(lián)立方程組的系數(shù)是一個稀疏矩陣，其中所有元素分布在矩陣的主對角線附近， 且是對稱的正定矩陣，方程間的聯(lián)系較弱。這種方程計算工作量小，穩(wěn)定性好，便于求解。3)應(yīng)用領(lǐng)域：在機械工程中，可以用有限元法解決的問題主要有以下方面：(1)包括桿、梁、板、殼、三維塊體、二維平面、管道等各種單元復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜力分析。(2)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動力分析，包

7、括頻率、振型和動力響應(yīng)計算。(3)復(fù)雜機械系統(tǒng)(如水壓機、汽車、發(fā)電機、機床等)的靜力和動力分析。(4)工程結(jié)構(gòu)和機械零部件的彈塑性應(yīng)力分析及大變形分析。(5)工程結(jié)構(gòu)和機械零件的熱彈性蠕變、黏彈性、黏塑性分析。簡述并行設(shè)計和綠色設(shè)計基本概念、設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計原則。答：1.1)并行設(shè)計基本概念：并行設(shè)計是產(chǎn)品在設(shè)計時與相關(guān)過程進行集成的一種系統(tǒng)化設(shè)計方法。換言之，并行設(shè)計是在產(chǎn)品設(shè)計階機械工程師資格考試指導(dǎo)書(第 2版)課后思考題段側(cè)重于同時考慮產(chǎn)品全生命周期 (從概念形成到產(chǎn)品回收或報廢 處理)的各種主要性能指標(biāo)，從而避免在產(chǎn)品研制后期出現(xiàn)不必要 的返工與重復(fù)性工作。并行設(shè)計內(nèi)容與原則：(1)

8、產(chǎn)品開發(fā)過程的并行重組及團隊工作方式。產(chǎn)品開發(fā)是一個從市場獲得需求信息，據(jù)此構(gòu)思產(chǎn)品方案，最終 形成產(chǎn)品投放市場的過程。雖然在產(chǎn)品開發(fā)過程中并非所有步驟都可以平行進行，但根據(jù)對產(chǎn)品開發(fā)過程的信息分析，可以通過一些工 作步驟的平行交叉，大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。(2)統(tǒng)一的產(chǎn)品信息模型。統(tǒng)一的產(chǎn)品信息模型是實施并行設(shè)計的基礎(chǔ)， 產(chǎn)品設(shè)計過程是一 個產(chǎn)品信息由少到多、由粗到細不斷創(chuàng)作、積累和完善的過程，這些 信息不僅包括完備的幾何形狀、尺寸信息。而且包含精度信息、加工 工藝信息、裝配工藝信息、成本信息等。二維幾何模型顯然不能滿足 這一要求，僅包含幾何信息的三維模型也不能滿足這一要求。因此， 并行設(shè)計的

9、產(chǎn)品信息模型應(yīng)能將來自不同部門、 不同內(nèi)容、不同形式、 不同關(guān)系、不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品信息，包容在一個統(tǒng)一的信息模型之中。(3)具有人工智能處理不完備、不確定信息的功能。正因為產(chǎn)品設(shè)計過程是一個產(chǎn)品信息由少到多、 由粗到細的過程, 因此在設(shè)計的初期，有關(guān)產(chǎn)品的信息往往是不完備，甚至是不確定的， 同時，在產(chǎn)品設(shè)計的全過程中，要處理的信息是多種形式的，既有數(shù)字 信息，又有非數(shù)字信息；既有文字信息，又有圖象信息；還要涉及大機械工程師資格考試指導(dǎo)書(第 2版)課后思考題量知識型信息(概念、規(guī)劃等)。因此，并行設(shè)計系統(tǒng)一定要具有處 理以上這些信息的人工智能。(4)基于時間的決策。設(shè)計的過程是優(yōu)化決策的過程，實

10、施并行設(shè) 計的首要目的是大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期， 因此要通過一系列的優(yōu)化 決策，組織、指導(dǎo)并控制產(chǎn)品開發(fā)過程，使之能以最短的時間開發(fā)出 優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。(5)分布式軟硬件環(huán)境。并行設(shè)計意味著在同一時間內(nèi)多機、多程序?qū)ν辉O(shè)計總是并行協(xié)同求解，因此，網(wǎng)絡(luò)化、分布式的信息系統(tǒng) 是其必要條件。并行設(shè)計面向?qū)ο蟮能浖到y(tǒng)，分布式的知識庫、數(shù) 據(jù)庫，能夠根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的要求動態(tài)編聯(lián)成相互獨立的模塊，在多臺終端上同時運行，并利用網(wǎng)絡(luò)的機間通訊功能實現(xiàn)相互之問的同步協(xié) 調(diào)。(6)開放式的系統(tǒng)界面。并行設(shè)計系統(tǒng)是一個高度集成化的系統(tǒng)，一 方面應(yīng)具有優(yōu)良的可擴展性、可維護性，可以按照產(chǎn)品開發(fā)的需要將不同的功能模塊組成

11、完成產(chǎn)品開發(fā)任務(wù)的集成系統(tǒng)；另一方面，并行設(shè)計系統(tǒng)又是整個企業(yè)計算機信息系統(tǒng)的組成部分，在產(chǎn)品開發(fā)過程中，必須與其他系統(tǒng)進行頻繁的數(shù)據(jù)交換。因此，開放的系統(tǒng)界 面對并行設(shè)計系統(tǒng)是至關(guān)重要的。 標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)交換規(guī)范，如數(shù)據(jù)交 換條件、交互式圖形交換標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品建模數(shù)據(jù)的交換標(biāo)準(zhǔn)等，以及大 容量、高速度的數(shù)據(jù)交換通道，如局域網(wǎng)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)、寬帶等， 是構(gòu)造開放式界面的關(guān)鍵技術(shù)。(7)系統(tǒng)化、集成化設(shè)計技術(shù)。并行設(shè)計是一種系統(tǒng)化、集成化的機械工程師資格考試指導(dǎo)書(第 2版)課后思考題現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)，它以計算機作為主要技術(shù)手段，除了通常意義下的 CAR CAPR CAM等單元技術(shù)的應(yīng)用外，還著重解決以

12、下一些關(guān)鍵問 題:產(chǎn)品并行開發(fā)過程建模及優(yōu)化；支持并行設(shè)計的計算機信息 系統(tǒng)；模擬仿真技術(shù)；產(chǎn)品性能綜合評價和決策系統(tǒng)；并行設(shè) 計中的管理技術(shù)。綠色設(shè)計的基本概念：綠色設(shè)計通常也稱為生態(tài)設(shè)計、環(huán)境設(shè)計、生命周期設(shè)計或環(huán) 境意識設(shè)計等，由于這些方法的目標(biāo)基本相同，都是設(shè)計和制造生命 周期環(huán)境影響為最小的產(chǎn)品，因而經(jīng)常被互換使用。綠色設(shè)計是在產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)， 著重考慮產(chǎn)品環(huán)境屬性(可 拆卸性、可回收性、可維護性、可綜合利用性等)，并將其作為設(shè)計 目標(biāo)，在滿足環(huán)境要求的同時，保證產(chǎn)品應(yīng)有的功能、使用的壽命、 質(zhì)量等。也就是說，要從根本上防止環(huán)境污染，節(jié)約資源和能源，關(guān) 鍵在于設(shè)計與制造過程中的綠

13、色設(shè)計理念， 不能等產(chǎn)品產(chǎn)生不良的環(huán) 境后果再采取防治措施，這就是綠色設(shè)計的基本思想。綠色設(shè)計的主要內(nèi)容：(1)綠色設(shè)計的材料選擇與管理。(2)產(chǎn)品的可回收設(shè)計。(3)產(chǎn)品的裝配與拆卸性設(shè)計。(4)產(chǎn)品包裝設(shè)計。(5)綠色產(chǎn)品的成本分析(6)綠色產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)庫與知識庫。機械工程師資格考試指導(dǎo)書(第 2版)課后思考題2.3綠色設(shè)計的原則與方法：綠色設(shè)計與并行設(shè)計關(guān)系緊密，并行設(shè)計方法對綠色設(shè)計的實施有著重要的支撐作用。并行綠色設(shè)計實質(zhì)上是“綠色” 與“并行”有機結(jié)合的先進設(shè)計方法，充分體現(xiàn)了綠色化、并 行化、集成化的整體優(yōu)勢。有效的綠色設(shè)計應(yīng)在并行環(huán)境下實 施，其實施過程具有閉環(huán)特性。簡述基于T

14、RIZ理論的創(chuàng)新設(shè)計方法的基本概念、主要內(nèi)容， 簡述設(shè)計中的沖突及其解決的原理。答：1)概念：TRIZ理論是基于知識的、面向人的解決發(fā)明問題的系 統(tǒng)化方法學(xué)，其核心是技術(shù)系統(tǒng)進化原理、TRIZ理論的來源及主要構(gòu) 成。TRIZ理論是解決發(fā)明同題的理論，是實現(xiàn)發(fā)明創(chuàng)造、創(chuàng)新設(shè)計、 概念設(shè)計的有效方法。2)主要內(nèi)容：(1)產(chǎn)品進化理論。發(fā)明問題解決理 論的核心是技術(shù)系統(tǒng)進行理論， 該理 論指出技術(shù)系統(tǒng)一直處理進化之中，解決沖突是進化的推動力。(2)分析。分析是TRIZ理論的工具之一，是解決問題的一個重要階 段。它包括產(chǎn)品的功能分析、可用資源分析和沖突區(qū)域的確定等。功 能分析的目的是從完成功能的角度分

15、析系統(tǒng)、子系統(tǒng)和部件。設(shè)計中的重要突破、成本和復(fù)雜程度的顯著降低往往是功能分析的結(jié)果。(3)沖突解決原理。是獲得沖突解決所應(yīng)遵循的一般規(guī)律，TRIZ理論 主要研究技術(shù)與物理兩種沖突。技術(shù)沖突是指傳統(tǒng)設(shè)計中所說的折中，機械工程師資格考試指導(dǎo)書(第 2版)課后思考題即由于系統(tǒng)本身某一部分的影響，所需要的目標(biāo)不能達到。(4)效應(yīng)。效應(yīng)指應(yīng)用本領(lǐng)域和其他領(lǐng)域的相關(guān)定律解決設(shè)計中的 問題,如采用數(shù)學(xué)、化學(xué)、生物和電子等領(lǐng)域中的原理解決機械設(shè)計 中的創(chuàng)新問題。3)簡述設(shè)計中的沖突及其解決的原理：(1)沖突的基本概念與分類。沖突即矛盾或不協(xié)調(diào)、不和諧。機械 產(chǎn)品是多種功能的復(fù)合體，為了實現(xiàn)這些功能，產(chǎn)品要由

16、具有相互關(guān)聯(lián)的多個零部件組成。通常的沖突分類為兩個層次，第一個層次分為三種沖突：工程沖突、社會沖突及自然沖突。(2)物理沖突及其解決原理。(3)技術(shù)沖突及其解決方法。簡述人機工程設(shè)計的一般指導(dǎo)原則。答：人機工程設(shè)計的一般指導(dǎo)原則如下：1)工作空間應(yīng)符合人體尺寸和工作類型，身體姿勢、體力和運動三 者應(yīng)適宜操作并互相制約。不同姿勢下的工作空間和有利工作區(qū)域與 方向在考慮工作空間時，應(yīng)使四肢具有足夠的活動空間。工作器具應(yīng) 與人的四肢相適應(yīng)。各種操縱器具的布置應(yīng)在人體功能可能實現(xiàn)的范 圍內(nèi)。2)信息的顯示與信號的選擇設(shè)計和布置，應(yīng)與人的感覺能力(視覺、 聽覺、觸覺)相適應(yīng)。信息的顯示有視覺、聽覺和觸覺

17、三類。通常，機械工程師資格考試指導(dǎo)書（第 2版）課后思考題信息通過視覺獲得但在緊急情況下使用聽覺顯示的效果更大。因為對于突然發(fā)生的聲音，人具有特殊的反應(yīng)能力。但過度地應(yīng)用聽覺顯示， 易使人疲勞。3）操縱、調(diào)節(jié)部件的選擇造型和布置，應(yīng)適合有關(guān)身體部位及其運 動，并考慮有關(guān)靈敏度、精確度、速度、作用力等方面的要求?？刂?件設(shè)計的一般要求如下：.控制件的運動方向應(yīng)與被控制動作或顯示器的運動方向一致；.控制件的造型應(yīng)s21使操作者只用一般的體力；.要求精確度較高的操作活動只能使用較小的體力， 但應(yīng)保持適當(dāng) 的阻力，使操作者對操作的精確度有所感覺；.不同設(shè)備完成相同功能控制件的大小和形狀應(yīng)一致；.控制件

18、應(yīng)易于識別，可以用顏色、尺寸、開關(guān)或在控制面板上加 說明予以區(qū)別；.除非故意聯(lián)動，控制件的使用不應(yīng)互相干擾；.要求迅速或精確高速的地方用手進行操作；.為執(zhí)行若干個分段控制，應(yīng)采用止動型控制；.當(dāng)控制件要求用力大或要求連續(xù)向前用力時，可選用腳操作。4）環(huán)境、安全和技術(shù)文件等方面的考慮。工作環(huán)境對人的工能力和 安全有巨大影響。但廣義工作環(huán)境設(shè)計的探討已超出設(shè)備設(shè)計的范疇。 環(huán)境條件包括溫度、濕度、輻射熱、灰塵、射線、氣體、氣壓、重力、 加速度、照明、色彩、噪聲、振動等。在人-機設(shè)計中著重考慮的應(yīng) 是設(shè)備本身對人（操作人員或服務(wù)對象）所處環(huán)境的劣化和設(shè)備設(shè)計10機械工程師資格考試指導(dǎo)書（第 2版）課后思考題嘆人所處環(huán)境的改善兩個方面。在交通運輸市畝中，設(shè)備為有關(guān)人員 提供了 “小”環(huán)境備件，空調(diào)、通風(fēng)、減振、降噪等是此類設(shè)備的設(shè) 計所必須考慮的人機界面問題。簡述?？旎O(shè)計的含義和劃分原則。答：模塊化設(shè)計是在對產(chǎn)品進行市場分析、預(yù)測、功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計出一系列通用的功能模塊， 根據(jù)用戶要求，對模塊進行選擇和組合，構(gòu)成不同功能或功能相同性能不同、規(guī)格不同的產(chǎn)品。