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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