现代机械综合设计理论与方法及应用.doc

研 究 生 考 试 试 卷考试科目：现代机械综合设计理论与方法及应用东北大学研究生院.1、简要分析现代产品设计理论与方法的发展状况？现代设计技术是先进制造技术中的首要关键技术，它是现代科技发展和全球市场竞争的产物。设计理论是对产品原理和机理的科学总结。设计方法是使产品满足以及判断产品是否满足设计原则的依据。现代设计方法是基于设计理论形成的，因而更具科学性和逻辑性。但一些方法还有完善和发展的过程，所以现代设计方法还不能完全取代传统设计方法，一些行之有效的经验方法目前仍在广泛使用，它们仍是现代设计方法的重要组成。英国工业革命推进了资本主义的发展，后来，经济衰退了，教训之一是没有认识到设计工作是国民经济的命根所在。到了六十年代初，英国政府明确提出要改善产品设计，并以政策和财政来支持推广设计新技术。联邦德国工程师协会(VDI)曾于1963年召开了一次“关键在于设计”的会议。1983年出版了一本“设计作为科学”的文集。经过二十多年的努力，全体工程师协会成员共同合作，制订了一系列有关设计的指导性文件，如：技术产品的方案性设计、技术系统和产品方法学、产品设计入机工程学、工业产品模块化设计、精密机械工业造型设计以及其它设计规范、设计目录和设计守则等。美国在第二次世界大战末期，为了加强对设计的指导，成立“工业设计委员会”。到1972年改为“设计委员会”。1985年美国科学基金会召开了设计理论和设计方法研究的目标和优化项目的讨论会，制订相应的政策以提高产品的竞争能力。美国机械工程师学会每年召开一次“设计自动化会议”，每次会议都有创新内容。对日本设计领域冲击最大的是美国关于自动设计和CAD的发展，他们很快地将机械设计过程看作是一个完整的系统，将设计看作是技术、经济、美学、人机学的一体化整体，并激励推广和采用新技术，从而大大提高了机械产品在国际市场的竞争力。近年来在国际上召开了一系列与设计有关的国际会议。如1980年在英国朴次茅斯召开的“设计研究会议”，1981年在意大利罗马召开的“国际工程设计会议”，1982年在英国伦敦召开的“设计政策会议”等等，发展到最近，每年开会一次。这些会议的议题是探讨设计的新理论和新方法。从具体内容米看，在工业发达国家，优化设计于六十年代开始研究并应用于产品设计，目前已广泛应用。如机械产品及系统的方案优化设计，机械动态性能的优化设计，热力系统优化设计等，在CAD方面，八十年代工业发达国家己约有75的中小企业采用，大企业几乎毫无例外地采用，设计效率比人工设计提高了三到二十倍。到二十一世纪，估计制造和设计之间的联系手段图纸将失去作用。人工智能和专家系统将逐步应用于CAD中。计算机集成制造系统(CIMS)，从概念设计、计算分析、图形处理，NC技术到柔性加工设备，成为一个集成的整体。以超级微机为基础工作站得到迅猛发展。动态分析及计算机仿真技术用于设计。图形与非图形数据统一的工程数据库管理系统的实用化将逐渐得到解决。工程图样的自动输入将进一步发展和得到应用。工艺特征实体造型将进一步完善。设计软件将实现接口标准化、图形标准化、制造标准化和系统管理标准化。新一代CAD集成软件将出现。工业发达国家对设计方法学的研究日益重视和深入。原联邦德国在六十年代就开始研究，逐渐形成了他们自己的体系，其研究特点是强调设计的系统化和逻辑分析，要求按步骤有规律地进行设计。近年来还注意将设计方法学密切联系生产，如价值工程、模块化设计等，还加强设计方法学与CAD的结合。日本发展设计方法学的特点是密切将本国实际和消化引进国外技术相结合，强调引进技术的国产化。美国技术界较多地强调创造性设计。1985年9月美国国家科学基金会提出“设计理论和设计方法学研究的目标和优先项目”的报告作为几个重要学会的特殊联合文件，由ASME出版。该报告指美国产品的质量及竞争力落后于其它先进国家的原因在于：缺少一个能指导设计过程的统一原则和方法体系；缺乏有剑新思想并能把它们迅速转化为有竞争力产品的专门人才。认为设计方法学是设计师能够运用设计理论于工程设计的有关设计程序、工具和技术的集合。在报告中还拟定了设计理论与方法学的五个重要研究领域：设计的定量方法和系统方法；方案设计(概念设计)和创新；智能系统和以知识为基础的系统；信息、综合和管理：设计的人类学接口问题，这次会议对美国设计理沦和方法学研究与实践是一个促进。我国机械设计的发展经历了一个曲折的过程。1958年以前，所谓设计，主要是照抄前苏联的图纸进行仿制。长期以来我国采用传统的“三段设计法”，即方案设计(初步设计)、技术设计、施工设计。其中起决定作用的方案设计通常是根据提出的设计任务的技术要求，找样本、专利、图纸、研究报告等资料，然后靠设计者的经验进行，其本质是经验性的，以模仿为主，局限性很大。到了60年代初，开始加强了薪产品的开发漫计与实验研究工作，从而使设计从仿制和经验设计逐步走向试验研究和计算分析阶段，典型的例子是：30kt模锻水压机和125kt卧式挤压机的设计和试制成功，将模型试验、电测和光弹试验以及建成后实测等技术引入大型设备的技术中。1965年在全国召开了机械产品设计革命化工作会议，会议上将设计工作提到“生产技术中的第一道工序”的高度，并总结了一条：“试验、研究、设计、制造、安装、使用、维护”的“七事一贯制”的方法。到了70年代初，开始建立了机械产品的研究及测试基地。到80年代初再次召开机械产品设计工作会议，开始在国内介绍一些国际上的先进技术与方法。同时计算机引入设计领域，对设计工作的发展起了很大的推动作用。随着科学技术的飞速发展，新技术不断涌现，产品的科技含量和性能价格比不断提高，企业间的竞争曰益激烈，而且己成为世界范围内技术水平、经济实力的全面竞争。企业要在不断变化的产品需求和激烈的市场竞争中占有一席之地， 就必须改进设计理念， 使用先进的设计制造技术提高产品质量、降低成本、提高生产率，生产出符合用户需求的高科技产品。现代设计技术也将向以下方向发展：设计由自由发展走向有计划的发展；设计人员由单人走向团队；智能性产品设计思想进一步深化；开放式设计人才培养体系的形成；对设计人员的要求不断提高；绿色设计思想更加重要。2、试述产品质量、功能与性能的关系？产品的广义质量由以下两个主要内容组成：一是产品的功能（包括主功能和辅助功能），二是产品的综合性能（结构性能、工作性能和工艺性能等）。因此，还可以说产品的广义质量是“产品功能与性能的综合体现”。产品功能的要求与产品的综合性能在某些方面有交叉和重复的地方，这是很自然的，但它们来自不同的角度，一是从功能角度提出的要求，二是从产品整机性能提出的要求。对于一些结构方案已经确定或其功能已经满足要求的产品，它的广义质量与综合性能是等价的。产品的广义质量与其全功能和全性能是等价的，但它不等价于产品的使用质量或狭义的产品质量Q，因为狭义的产品质量Q不包括价格C、生产周期T、环境保护E和售后服务S等及产品综合性能中的产品制造的部分工艺性能，这是因为产品制造的部分工艺性能在产品使用过程中无法予以实现。3、基于系统工程的产品设计7D规划模型的具体内容？（1）明确设计思想：在科学发展观和自主创新思想指导下完成产品设计工作；（2）考虑设计环境：如政治、经济、人文环境、法律环境、社会环境（指国际与人际环境）、生态环境、技术环境的要求等；（3）拟订设计步骤：设计过程和步骤是用户需求获取、制订设计任务书、产品概念设计、详细设计、工艺设计；（4）确定设计目标：面向产品广义质量和对产品实现功能和性能的优化。（5）规划设计内容：设计内容就是面向功能和三大性能的功能优化设计、动态优化设计、智能优化设计和可视化优化设计等。（6）选择设计方法：如选择动态优化设计法、智能优化设计法、可视优化设计法及数字化设计法等。（7）检验设计质量：建立产品质量的可靠性评价体系，采用模糊评价法、价值工程评价法等对产品设计质量进行评优，克服产品设计工作中的随意性和片面性，进而可提高产品的设计质量，使企业铲平的设计质量得到可靠的保证。此外，还应通过实验及在产品使用过程中检验产品质量。4、详细阐述“1+3+X”设计法的具体内容？一种基于“功能优化设计、动态优化设计、智能优化设计和可视优化设计”的面向现代机械产品广义质量的高层次的“l+3+x”设计法(图1所示)，试图应用这种综合设计法对新产品进行开发，对老产品进行改造，以及进行装备基地的建设，以便在较大程度上满足产品总体质量或综合技术性能的要求，进而最大限度地满足用户对产品的各种需求。面向现代机械产品广义质量的高层次的“l+3+X”设计法，是以“动态优化设计、智能控制系统设计和可视优化设计”三种设计方法为核心内容的一种新盼设计方法，利用三种方法为一体的设计法对产品进行设计，可以在较大范围内考虑前面提出的包括Q、T、C、E、S内容的产品广义综合质量，或总体质量(即包括机器的结构性能、工作性能和工艺性能)的基本要求。面向现代机械产品广义质量的高层次的“l+3+X”综合设计法，其目的就是要克服单一设计方法的局限性，在现有的一些主要的方法中找出对产品总体质量有决定性影响，或有重要影响的、能够从不同侧面满足产品设备性能要求的几种方法，在设计中加以综合地考虑与实施，可以在较大范围内，考虑设计中应该考虑综合质量的几个主要问题，能相对较多地或较全面地反映用户对产品设计综合质量的要求。综台设计法的数学表达式是：（1+3）+X括号中的“l”表示产品设计初始阶段的功能优化设计或概念设计，例如采用质量功能展开法；“3”是“三化”综合设计法，即综合“动态优化设计、智能优化设计和可视优化设计”为一体的广义优化方法：而“x”则是依据产品的特点采用的设计方法或者实现产品广义质量的其它手段，对于一般产品，刨新没计和绿色设计十分重要，“x”就是创新设计和绿色设计；汽车的设计，造型设计十分重要，“x”就是造型设计；也可以是实验方法。图1面向产品广义质量的“1+3+X”综合设计法5、举例说明产品质量评价模型，可任意选用如模型，的一种或别的方法完成某一产品质量的综合评价（要求不能与教材内容相同）。答：以某一旋转机械产品运动方案为例，建立着眼因素集要对产品质量进行综合评价，就必须对其五个方面分别先进行一次模糊评价，即初级评价，利用其结果得到总体产品质量的评价矩阵R，最后完成对产品质量的二级模糊综合评价。建立决策评估集1. 初级评价1) 机构的性能（）机构的性能主要考虑以下两方面内容，为运动规律的型式，为传动精度，其重要程度集为专家们对各个方面进行评价打分，得到机构的性能的评价矩阵由此，得到机构的性能评价结果：2) 机构的工作性能（）机构的工作性能主要考虑以下四方面内容，为应用范围，为可调性，为运转速度，为承载能力。其重要程度集为机构的工作性能评价矩阵为：由此，得到机构的工作性能评价结果：3) 机构的动力性能（）机构的动力性能主要考虑以下四方面内容，为加速度峰值，为噪声，为耐磨性，为可靠性。其重要程度集为机构的工作性能评价矩阵为：由此，得到机构的工作性能评价结果：4) 机构的经济性（）机构的经济性主要考虑以下四方面内容，为制造难易，为制造误差敏感性，为调整方向性，为能耗大小。其重要程度集为经济性评价矩阵为：由此，得到经济性评价结果：5) 结构紧凑（）结构紧凑主要考虑以下三方面内容，为尺寸，为重量，为结构复杂性。其重要程度集为结构紧凑评价矩阵为：由此，得到结构紧凑评价结果：2. 二级评价由、构成对产品总体质量二级评价的评价矩阵针对着眼因素集U，故其模糊子集的重要程度采用则：由此，可以得到产品总体质量的二级模糊评价结果：优秀占41.4%，较好占33.9%，好占16.5%，一般占8.0%，差占0.2%，即判定产品的总体质量等级为“优秀”。6、简述综合设计理论的特点及意义。综合设计理论的特点是：(1)非稳态特性，即慢变、突变、参变和滞后特性，即应考虑系统或工作过程中的非稳定工况下的动态特性，严格地说，几乎所有的机械设备都处在非稳态情况下运行(包括启动和停机)。(2)非线性特性，应考虑系统与工作过程中的非线性因素，不论是机械系统，或是控制系统，几乎都具有非线性的性质。在目前多数的设计中，常常忽略那些非线性因素，而使计算结果具有较大的误差，甚至会得出错误的结果。(3)高维与强耦合特性，多数机器设备的实际工作系统是高维和强耦合的，因此，应该真实地反映机器实际工作的情况，即应该考虑系统的耦合性和高维的特性。(4)多参数或多变量的特性，应考虑机器实际工作过程中的具有多参数和多变量等复杂的实际情况。综合设计理论的意义是：(1)综合设计法可以在较大范围内考虑产品的综合设计质量，这是国内外科学技术工作者长期以来，试图实现的目标，即找山一种或几种较全面、较完整的设计方法，解决产品设计总体质量问题。这里提出的综合设计法，可以在某种程度上实现上述要求与目标。这对于大型、高速、复杂的机械设备来说，尤为重要。(2)综合设计法，在设计理论与方法上不是停留在一般水平上的动态优化、智能化和可视化基础上，在理论、方法和技术上应有较大的突破，使目前设计理论上的深层次和高难度的几个问题能得到基本的解决和具体的实现，将提出一种基于非稳态(慢变、参变和时滞)、强耦合、多参数的非线性动力学理论的动态优化设计、智能优化设计和可视优化设计的理论与方法，这在理论上具有重要的意义。(3)建立一种较为完整的能用于新产品开发的与老产品改造的基于产品总体设计质量的新体系。研究一种新的产品总体质量的设计软件平台。这里所指的综合设计法也可以是另外几种方法在一起的综合设计法。科技工作者得可根据各类产品的特点，提出另外几种设计方法的组合，并将这些方法的内在联系有机地结合在一起，建立起具有各自特色的综合设计法。