现代机械设计理论及方法大作业及考试题
一、提交一份现代机械设计理论与方法理论及实际应用综述报告要求：阐述五种以上现代设计方法，参考文献不低于10篇，其中必须包含有英文参考文献。
二、完成现代机械设计理论与方法开卷试题，试卷题目如下：
1、采用系统化设计流程说明某公司今年需要投资研发一款新型汽车的整个设计流程。
（20）
（1）请具体阐述采用何种工作方法，如何去完成汽车的规划设计过程？
答：首先需要通过市场调研，了解现有汽车的性能特点及市场上不同消费阶层客户对汽车功能、外观、能耗、及性价比的期望，然后与设计、营销人员共同分析讨论研究，明确所设计汽车的类别、目的和任务，最后结合实际现有生产能力的情况策划出生产汽车的品种样式，为后续工作做准备。
（2）请具体阐述采用何种工作方法，如何去完成汽车的方案设计过程？
答：根据前一阶段制定的设计汽车类别和任务要求，利用系统化设计方法确定所设计汽车的总功能，然后将该总功能分解成为单个的分功能（功能元），然后利用物理数学知识及创造技法对该功能元求解，以得到最佳原理解，再通过最佳原理解的组合得到不同的设计方案。
最后再根据对汽车的设计任务要求选择最佳设计方案。
（3）请具体阐述采用何种工作方法，如何去完成汽车的技术设计过程？
答：根据方案设计阶段确定的汽车设计方案，召集设计人员初步设计出汽车的设计总图，然后对汽车进行可靠性设计、造型设计和工艺设计，以定性设计出汽车的结构，再选取汽车不同部件的材料、尺寸，通过对汽车进行价值设计、有限元设计、优化设计和动态设计，以定量设计汽车的具体结构尺寸。
最后，请专家对这一阶段设计的汽车进行技术评价分析。
（4）请具体阐述采用何种工作方法，如何去完成汽车的施工设计过程？
答：首先根据对汽车的前期设计和评价分析，对汽车进行总体设计，即通过专家系统、CAD/CAM 等技术设计出汽车的装配图，然后对汽车的零部件进行具体设计，即通过机械制造技术、装配、检验等方法确定汽车具体零部件的图纸，最后编写汽车设计的技术文件，图纸校正和汇总，以得到汽车最终设计说明书。
2、用系统化设计方法分析并提出垃圾清洁系统（车）的总体方案；用一种评价方法进行评价，得出合理方案，并建立该系统优化数学模型。
(20分)
答：首先，通过问卷调查等方式明确垃圾清洁车的总功能——压缩运输物料；然后，对其进行功能分解：压缩运输物料分为压缩物料和运输物料，而压缩物料又分为传动和压缩，运输物料分为传动和移位；再对分功能求解，通过垃圾清洁车的形态学得到具体的分功能解；最后方案组合，从得到的垃圾清洁车众方案中通过评价分析选取出效率高、承载能力强、生产及使用环境友好的垃圾清洁车，即最佳方案。
现代社会垃圾清洁车的生产要求成本低，使用要求寿命长且维修方便。
因此采用技术——经济评价法来对垃圾清洁车的设计方案进行评价。
技术——经济评价法即对设计方案就经济和技术方面进行评价，求出加权相对价值，再进行综合比较。
（1）获得垃圾清洁车的技术评价Wt
垃圾清洁车的技术评价目标是求方案的技术价Wt ，就是求出垃圾清洁车的各项技术性能评价指标的评分值和加权系数乘积之和与最高分值的比值：
max 1p q p W n i i i t ∑-=
其中，i p 是各项技术评价指标的评分值；
i q 是各项评价技术指标的加权系数，11=∑-n i i q ；max p 是最高分。
（2）获得垃圾清洁车的经济评价Wt
垃圾清洁车的经济评价目标是求方案的经济价Ww ，就是求出垃圾清洁车的理想生产成本与实际生产成本的比值：
17.0≤==H H H H W z i w
其中，H 是实际生产成本；
i H 是理想生产成本；z H 是允许生产成本，经济价
w W 越大，经济效果越好。
（3）计算垃圾清洁车的技术——经济评价W
采用双曲线法
w t W W W =
垃圾清洁车的技术——经济评价W 越高，说明该方案越科学。
3、请阐述有限元法的分析过程？并阐述在有限元软件中如何实现机械结构有限元分析过程？
答：a.有限元的分析过程：（1）通过对实际问题的边界条件、约束条件和外载荷条件适当地简化以得到结构力学模型，即结构力学模型的简化；（2）将实际的连续体离散化成为一个个有限的单元，以替代原来的结构，即结构的离散化；
（3）选择合适的位移模式，即根据研究问题的不同，选择合适的位移逼近函数来近似单元的位移；（4）利用几何方程、物理方程和虚功原理对单元的力学特性分析，以得到单元的刚度矩阵；（5）将作用在单元边界上的力按照虚功原理等效到节点上去，用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力，计算等效节点力；
(6)依据所有的单元刚度方程，建立整个结构的平衡方程；(7)求解未知节点位移和计算单元应力。
b.有限元软件中对机械机构的有限元分析过程主要分为三部分：前处理、计算分析和后处理。
前处理主要是建模、加载和划分网格等，其中划分网格时，网格划分的密度和单元类型的选择与研究对象的吻合程度都将影响计算精度；后处理主要是对结果的分析。
4、进行可靠度分配时应该注意哪些原则？如果考虑系统单元或者子系统的复杂度、重要度、工作时间以及它们与系统之间的失效关系，应该采用哪种分配方案比较合适？
答：进行可靠度分配时应该注意的原则：（1）随着单元可靠度技术水平的提高，所分配的可靠度也相应增大；（2）单元在系统中的重要性越高，分配的可靠
度就越高；（3）对具有相同重要性和工作周期的单元，应分配相同的可靠的度；
(4)技术上不成熟的产品分配较低的可靠性指标；（5）不易维修、更换的产品分配较高的可靠性指标。
在进行可靠性分配时，应考虑根据实际情况对上述原则进行适当的剪裁，特别是对于约束条件的处理，可以根据实际情况增加分配原则。
应允许承制方对系统以下各层次的指标灵活地分配，但这些分配值经过相互补偿应能够达到系统要求。
如果分配的总指标超出了目前技术发展水平和费用约束的现实的定量与定性要求，根据相关的程序，重新确定要分配的总指标或调整其它约束条件。
目的是使最终的分配结果做到技术上合理、经济上效益高、时间方面见效快。
如果考虑系统单元或者子系统的复杂度、重要度、工作时间以及它们与系统之间的失效关系，采用AGREE 法进行分配比较合适。
5、某零件强度的均值和标准差分别为180MPa 和22.5MPa ；工作应力的均值和标准差分别为130MPa 和13MPa ，且强度和应力均服从正态分布。
计算零件的失效概率与可靠度。
答：该零件的可靠度系数为
1.924113
5.221301802222=+-=+-=s s R Z σσμμδδ 查正态分布表，得到所求可靠度为R=0.9728=97.28﹪
则其失效概率为1-R=2.72﹪。