3.6现代设计方法 机械工程师资格考试指导书课后思考题.

机械工程师资格考试指导书（第2版）课后 思考题

三、机械产品设计 3.6现代设计方法 （1）优化设计 （2）可靠性设计 （3）有限元分析 （4）模块化设计

（5）其他设计方法（并行设计 绿色设计 TRIZ 人机工程设计 模块化设计） 课后思考题：

3.6.1、简述优化设计的基本概念、设计过程和设计方法选择的基本原则。

答：1）在设计过程中，常常需要根据产品设计要求，合理确定各种参数，如质量、成本、性能、承载能力等，使其达到最佳的设计目标。将最优原理和计算机技术应用于设计领域，是一种把经验的、感性的、类比的传弦设计方法转变为科学的、理性的、立足于计算分析的设计方法。使得在解决复杂设计问题时，能从众多的设计方案中寻找到尽可能完善的或最适宜的设计方案，这种设计方法能够大大提高设计效率和设计质量。 2）设计过程：

（1）根据设计要求和目的定义优化设计问题。 （2）建立优化设计问题数学模型。 （3）选用合适的优化计算方法。

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（4）确定必要的数据和设计初始点。

（5）编写包括数学模型和优化算法的计算机程序，通过计算机的求解计算获取最优结构参数。

（6）对结果数据和设计方案进行合理性或适用性分析。

3.6.2、简述可靠性设计的基本概念。及其评价指标的内含。 答：1）可靠性设计的基本概念：

产品质量是产品满足使用要求所具有的固有属性，其中既包括功能指标，也包括可可靠性指标。

可靠性的数值指标就是可靠性的尺度，常用可靠度、实效率、平均寿命、有效寿命、维修度、有效度和重要度等来表示。有了可靠性的尺度，产品在可靠性方古典文学具有了明确而统一的指标。这样，在设计和生产产品时，可以利用数学方法来计算和预测它们的可靠性；在产品生产出来之后，可用一定的试验方法来评定其可靠性。 2）可靠性评价指标：

（1）可靠度：产品的可靠性可用其可靠度（无故障概率来衡量。可靠度是用概率表示产品的可靠的程度。其定义为：“产品在规定的条件下和规定的时间内完成功能的概率”。可靠度的基本要素如下：

A）对象：包括系统、机器、部件等，可以是非常复杂的机械设备，也可以是一个零件。如果对象是一个系统，则不仅包括硬件，还包括软件和人的判断和操作等因素。

B）使用条件：包括运输、储存及允许条件。

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C）规定时间：指研究对象的工作期限，可以用时间表示，也可以用距离、次数来表示。例如通常滚动轴承的工作期限用小时，车轮的工作期限用行车公里数。

D)规定功能：所谓“完成规定功能”，是指研究对象在规定的使用条件下能维修正常工作而不失效（或发生故障）。

E）概率：“可靠度”是可靠性的概率表示。概率是一个特定形式的事件出现的可能性，用分数或百分数来表示。 2）累计失效概率（故障概率）Ft :

指产吕在规定条件规定时间内失效的概率。可靠度与累计失效概率构成一个完整的事件组。即Pt +Ft =1 （3）平均寿命（平均无故障工作时间）MTBF：

指产品在使用寿命期内的某个观察期间累计工作时间与故障次数之比。

（4）失效率（故障率）：指工作到某时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内发生失效的概率。

3.6.3、简述有限元分析方法的基本概念和特点，及其应用领域。 答：1)基本概念：是一种实用性很强的数值方法，它避开了在整个求解区域上寻找连续解析函数这一难点，转为寻求在各子域（单元）上适当控制方程，并满足整个物体的边界条件和连续条件的分块近似的插值函数。

2）特点：（1）可受物体几何形状限制，可以用大大小小的多种单元

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进行拼装，以适应各种工程结构的复杂几何形状。

（2）可分析包括各种特殊结构的复杂结构体。同时，单元之间材料性质可以有跳跃性变化，能处理许多物体内部带有间断性的复杂问题。 （3）可以适应不连续的边界条件和载荷条件。

（4）便于实现规范化和在计算机上统一编织，容易将程序编成模块式结构。

（5）有限元法最后得到的大型联立方程组的系数是一个稀疏矩阵，其中所有元素分布在矩阵的主对角线附近，且是对称的正定矩阵，方程间的联系较弱。这种方程计算工作量小，稳定性好，便于求解。 3）应用领域：在机械工程中，可以用有限元法解决的问题主要有以下方面：

（1）包括杆、梁、板、壳、三维块体、二维平面、管道等各种单元复杂结构的静力分析。

（2）各种复杂结构的动力分析，包括频率、振型和动力响应计算。 （3）复杂机械系统（如水压机、汽车、发电机、机床等）的静力和动力分析。

（4）工程结构和机械零部件的弹塑性应力分析及大变形分析。 （5）工程结构和机械零件的热弹性蠕变、黏弹性、黏塑性分析。

3.6.4、简述并行设计和绿色设计基本概念、设计内容和设计原则。 答：1.1)并行设计基本概念：并行设计是产品在设计时与相关过程进行集成的一种系统化设计方法。 换言之, 并行设计是在产品设计阶

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段侧重于同时考虑产品全生命周期 (从概念形成到产品回收或报废处理) 的各种主要性能指标, 从而避免在产品研制后期出现不必要的返工与重复性工作。 1.2）并行设计内容与原则：

（1）产品开发过程的并行重组及团队工作方式。

产品开发是一个从市场获得需求信息, 据此构思产品方案, 最终形成产品投放市场的过程。 虽然在产品开发过程中并非所有步骤都可以平行进行, 但根据对产品开发过程的信息分析, 可以通过一些工作步骤的平行交叉, 大大缩短产品开发周期。 （2）统一的产品信息模型。

统一的产品信息模型是实施并行设计的基础，产品设计过程是一个产品信息由少到多、由粗到细不断创作、积累和完善的过程，这些信息不仅包括完备的几何形状、尺寸信息。而且包含精度信息、加工工艺信息、装配工艺信息、成本信息等。二维几何模型显然不能满足这一要求,仅包含几何信息的三维模型也不能满足这一要求。因此，并行设计的产品信息模型应能将来自不同部门、不同内容、不同形式、不同关系、不同结构的产品信息,包容在一个统一的信息模型之中。 （3）具有人工智能处理不完备、不确定信息的功能。

正因为产品设计过程是一个产品信息由少到多、由粗到细的过程，因此在设计的初期，有关产品的信息往往是不完备，甚至是不确定的，同时,在产品设计的全过程中,要处理的信息是多种形式的,既有数字信息,又有非数字信息；既有文字信息，又有图象信息；还要涉及大

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量知识型信息（概念、规划等）。因此，并行设计系统一定要具有处理以上这些信息的人工智能。

（4）基于时间的決策。设计的过程是优化决策的过程，实施并行设计的首要目的是大幅度缩短产品开发周期，因此要通过一系列的优化決策，组织、指导并控制产品开发过程，使之能以最短的时间开发出优质的产品。

（5）分布式软硬件环境。并行设计意味着在同一时间内多机、 多程序对同一设计总是并行协同求解，因此，网络化、分布式的信息系统是其必要条件。并行设计面向对象的软件系统， 分布式的知识库、 数据库，能够根据产品设计的要求动态编联成相互独立的模块，在多台终端上同时运行，并利用网络的机间通讯功能实现相互之问的同步协调。

（6）开放式的系统界面。并行设计系统是一个高度集成化的系统, 一方面应具有优良的可扩展性、 可维护性，可以按照产品开发的需要将不同的功能模块组成完成产品开发任务的集成系统；另一方面，并行设计系统又是整个企业计算机信息系统的组成部分, 在产品开发过程中, 必须与其他系统进行频繁的数据交换。因此，开放的系统界面对并行设计系统是至关重要的。标准化的数据交换规范，如数据交換条件、交互式图形交换标准、产品建模数据的交换标准等，以及大容量、高速度的数据交换通道，如局域网、综合业务数据网、宽带等，是构造开放式界面的关键技术。

（7）系统化、集成化设计技术。并行设计是一种系统化、集成化的

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现代设计技术，它以计算机作为主要技术手段，除了通常意义下的CAD、CAPP、CAM等单元技术的应用外，还着重解決以下一些关键问题:①产品并行开发过程建模及优化；②支持并行设计的计算机信息系统；③模拟仿真技术；④产品性能综合评价和决策系统；⑤并行设计中的管理技术。 2.1绿色设计的基本概念：

绿色设计通常也称为生态设计、 环境设计、 生命周期设计或环境意识设计等，由于这些方法的目标基本相同，都是设计和制造生命周期环境影响为最小的产品，因而经常被互换使用。

绿色设计是在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性（可拆卸性、可回收性、可维护性、可综合利用性等），并将其作为设计目标，在满足环境要求的同时，保证产品应有的功能、使用的寿命、质量等。也就是说，要从根本上防止环境污染，节约资源和能源，关键在于设计与制造过程中的绿色设计理念，不能等产品产生不良的环境后果再采取防治措施，这就是绿色设计的基本思想。 2.2绿色设计的主要内容： （1）绿色设计的材料选择与管理。 （2）产品的可回收设计。 （3）产品的装配与拆卸性设计。 （4）产品包装设计。 （5）绿色产品的成本分析

（6）绿色产品设计数据库与知识库。

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2.3绿色设计的原则与方法：

绿色设计与并行设计关系紧密, 并行设计方法对绿色设计 的实施有着重要的支撑作用。并行绿色设计实质上是“绿色” 与“并行”有机结合的先进设计方法，充分体现了绿色化、并 行化、集成化的整体优势。有效的绿色设计应在并行环境下实 施，其实施过程具有闭环特性。

3.6.5、简述基于TRIZ理论的创新设计方法的基本概念、主要内容，简述设计中的冲突及其解决的原理。

答：1）概念：TRIZ理论是基于知识的、面向人的解决发明问题的系统化方法学，其核心是技术系统进化原理、TRIZ理论的来源及主要构成。TRIZ理论是解决发明同题的理论，是实现发明创造、创新设计、概念设计的有效方法。 2）主要内容：

（1）产品进化理论。发明问题解决理 论的核心是技术系统进行理论，该理 论指出技术系统一直处理进化之中，解决冲突是进化的推动力。 （2）分析。分析是TRIZ理论的工具之一，是解决问题的一个重要阶段。它包括产品的功能分析、可用资源分析和冲突区域的确定等。功能分析的目的是从完成功能的角度分析系统、子系统和部件。设计中的重要突破、成本和复杂程度的显著降低往往是功能分析的结果。 （3）冲突解决原理。是获得冲突解决所应遵循的一般规律, TRIZ理论主要研究技术与物理两种冲突。技术冲突是指传统设计中所说的折中，

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即由于系统本身某一部分的影响，所需要的目标不能达到。 （4）效应。效应指应用本领域和其他领域的相关定律解决设计中的问题,如采用数学、化学、生物和电子等领域中的原理解决机械设计中的创新问题。

3）简述设计中的冲突及其解决的原理：

（1）冲突的基本概念与分类。冲突即矛盾或不协调、不和谐。机械产品是多种功能的复合体，为了实现这些功能， 产品要由具有相互关联的多个零部件组成。

通常的冲突分类为两个层次，第一个层次分为三种冲突：工程冲突、社会冲突及自然冲突。 （2）物理冲突及其解决原理。 （3）技术冲突及其解决方法。

3.6.6、简述人机工程设计的一般指导原则。 答：人机工程设计的一般指导原则如下：

1） 工作空间应符合人体尺寸和工作类型，身体姿势、体力和运动三者应适宜操作并互相制约。不同姿势下的工作空间和有利工作区域与方向在考虑工作空间时，应使四肢具有足够的活动空间。工作器具应与人的四肢相适应。各种操纵器具的布置应在人体功能可能实现的范围内。

2） 信息的显示与信号的选择设计和布置，应与人的感觉能力（视觉、听觉、触觉）相适应。信息的显示有视觉、听觉和触觉三类。通常，

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信息通过视觉获得但在紧急情况下使用听觉显示的效果更大。因为对于突然发生的声音，人具有特殊的反应能力。但过度地应用听觉显示，易使人疲劳。

3） 操纵、调节部件的选择造型和布置，应适合有关身体部位及其运动，并考虑有关灵敏度、精确度、速度、作用力等方面的要求。控制件设计的一般要求如下：

①. 控制件的运动方向应与被控制动作或显示器的运动方向一致； ②. 控制件的造型应s21使操作者只用一般的体力；

③. 要求精确度较高的操作活动只能使用较小的体力，但应保持适当的阻力，使操作者对操作的精确度有所感觉；

④. 不同设备完成相同功能控制件的大小和形状应一致；

⑤. 控制件应易于识别，可以用颜色、尺寸、开关或在控制面板上加说明予以区别;

⑥. 除非故意联动，控制件的使用不应互相干扰； ⑦. 要求迅速或精确高速的地方用手进行操作； ⑧. 为执行若干个分段控制，应采用止动型控制；

⑨. 当控制件要求用力大或要求连续向前用力时，可选用脚操作。 4） 环境、安全和技术文件等方面的考虑。工作环境对人的工能力和安全有巨大影响。但广义工作环境设计的探讨已超出设备设计的范畴。环境条件包括温度、湿度、辐射热、灰尘、射线、气体、气压、重力、加速度、照明、色彩、噪声、振动等。在人-机设计中着重考虑的应是设备本身对人（操作人员或服务对象）所处环境的劣化和设备设计

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叹人所处环境的改善两个方面。在交通运输市亩中，设备为有关人员提供了“小”环境备件，空调、通风、减振、降噪等是此类设备的设计所必须考虑的人机界面问题。

3.6.7、简述模快化设计的含义和划分原则。

答：模块化设计是在对产品进行市场分析、预测、功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用的功能模块，根据用户要求，对模块进行选择和组合，构成不同功能或功能相同性能不同、规格不同的产品。 模块化莾计的划分原则是力求以少数模块组成尽可能多的产品，并在满足要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉，且模块结构应简单规范，模块间的联系尽可能简单。划分模块既要兼顾制造管理方便，具有较大灵活性，避免组合时产生混乱，又要考虑到该模块系列将来的扩展和向专用、变型产品的辐射。划分的优劣直接影响模块系列设计的成功与否。划分前必须对系统进行仔细、系统的功能分析和结构分析，并要注意下各点：

1） 模块在整个系统中的作用及其更换的可能性和必要性； 2） 保持模块在功能及结构方面有一定的独立性和完整性； 3） 模块间的接合要素应便于联接与分离； 4） 模块的划分不能影响系统的主要功能。

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叹人所处环境的改善两个方面。在交通运输市亩中，设备为有关人员提供了“小”环境备件，空调、通风、减振、降噪等是此类设备的设计所必须考虑的人机界面问题。

3.6.7、简述模快化设计的含义和划分原则。

答：模块化设计是在对产品进行市场分析、预测、功能分析的基础上，划分并设计出一系列通用的功能模块，根据用户要求，对模块进行选择和组合，构成不同功能或功能相同性能不同、规格不同的产品。 模块化莾计的划分原则是力求以少数模块组成尽可能多的产品，并在满足要求的基础上使产品精度高、性能稳定、结构简单、成本低廉，且模块结构应简单规范，模块间的联系尽可能简单。划分模块既要兼顾制造管理方便，具有较大灵活性，避免组合时产生混乱，又要考虑到该模块系列将来的扩展和向专用、变型产品的辐射。划分的优劣直接影响模块系列设计的成功与否。划分前必须对系统进行仔细、系统的功能分析和结构分析，并要注意下各点：

1） 模块在整个系统中的作用及其更换的可能性和必要性； 2） 保持模块在功能及结构方面有一定的独立性和完整性； 3） 模块间的接合要素应便于联接与分离； 4） 模块的划分不能影响系统的主要功能。

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