东北大学15年6月考试《现代设计方法》考核作业答案

东北大学继续教育学院
现代设计方法试卷（作业考核线下）B 卷（共 4 页）
一．选择题（可多选，各2分，共20分）
1. 机械设计主要应体现哪些特点（BDE ）。

A) 整体性B) 系统性C) 相关性
D) 多解性E）创新性
2. 机械系统的总体设计中不包括以下哪些内容（BE ）。

A) 功能原理方案设计B) 技术可行性报告
C) 总体布局设计D) 系统主要参数计算
E）结构草图设计
3. 室内工作的机械选择（B ）作为动力机不太合适。

A）电动机B）内燃机C）液压马达D）气动马达
4. 利用对未知系统的外部观测，分析该系统与环境之间的输入和输出，通过输入和输出的转换关系确定系统的功能、特性所需具备的工作原理与内部结构，这种方法称为（ A ）。

A) 黑箱法B) 列举法C) 移植法D) 筛选法
5. （A ）执行系统，要求执行系统实现预期精度的动作（位移、速度、加速度等），而对执行系统中各构件的强度、刚度无特殊要求。

A. 动作型
B. 动力型
C. 动作——动力型
6. 考虑到强度问题时，（C ）图的设计比较合理。

A) (a) B) (b) C) (c)
7. 对（a
面的（b）图和（c
A) （b）图
8.
A) 设计空间B) 设计维数C) 设计可行域
9. 已知某零件的失效时间随机变量服从指数分布，其故障率是5×10-4/小时，那么在工作时
间100小时的可靠度水平是：（C ）
A) 0.05B) 0.85C) 0.95
10. 对野外工作的机械及移动式机械，其动力机一般不选择（A ）。

A）电动机B）内燃机C）液压马达D）气动马达
二．判断题：（正确：T；错误：F，各2分，共20分）
1. 一个机械系统必须由动力系统、执行系统、传动系统、操纵控制系统、架体支撑系统几部分组成。

（ F ）
2. 机械产品的施工设计阶段要完成全部图纸资料和相关的技术文件。

（T ）
3. 利用对未知系统的外部观测，分析该系统与环境之间的输入和输出，通过输入和输出的转换关系确定系统的功能、特性所需具备的工作原理与内部结构，这种方法称为黑箱法。

（ T ）
4. 执行系统由执行构件和执行机构组成，其中执行构件往往是执行机构中的一个构件。

（ T ）
5. 双线性位移模式灵活性较好，而线性位移模式则灵活性较差。

（ F ）
6. 单元刚度矩阵具有对称性、奇异性和稀疏性。

（ F ）
7. 设计可行域指设计空间中满足所有等式约束条件的空间。

（ F ）
8. 机械设计学强调从结构学的观点来看机器的组成，因为这更有利于和设计过程中的工作特点相协调。

（ F ）
9. 结构设计时应优先考虑结构件的主要功能展开设计，再尽量满足其它功能。

（T ）
10. 结构离散化就是将复杂结构划分成通过节点相连的若干个单元。

（ T ）
三．简答题（各6分，共36分）
1. 在进行机械设计时应遵循哪些基本原则？
答：在进行机械设计时应遵循以下原则：
（1）实用性原则：又称功能明确原则。

主要表现在机器应具有明确合理的功能。

（2）创造性原则：创造性设计是机械设计最基本的特点。

任何一个机械产品的设计都包含继承和创新的成分，仅有程度不同而已。

（3）优化原则：设计者初步判定的设计方案或模型常是原始的，并且有经验的，必须通过推理、分析、计算，使设计成果达到当代科学技术的先进水平和该产品创造及使用的最佳水平，在技术、经济等方面，经全面分析和计算而达到最优化的结果。

（4）可靠性原则：可靠性是衡量机械产品好坏的一个重要指标。

目前，可靠性设计方法已为机械产品设计所运用，
它能保证产品在规定的工作条件下，在规定的服役时间内，完成规定功能的能力。

（5）安全性原则：机械产品的不安全因素常会导致机械和人身事故，甚至造成重大的经济损失和严重的社会影响。

在机械产品设计中必须贯彻安全性设计原则，其主要包括产品应具有足够的强度、刚度和必要的安全保护措施等。

应根据人—机工程学原理使机器和人互相适应，创造舒适和安全的工作环境，从而提高工作效率；还应考虑机械和环境的关系，防止对环境的污染，即目前所提倡的绿色设计等。

（6）经济性原则：产品的经济性好坏是产品具有市场竞争力的一个重要方面，主要表现为在确保产品功能的前提下，尽力降低产品成本，提高经济效益。

（7）评价审核原则：机械设计是一个复杂的工作过程，涉及到很多因素和方面，因而设计过程也是一种信息加工、处理分析、判断决策和修正过程，为减少设计失误，实现高效、优质、经济的设计，必须对每一设计程序获得的结果随时进行评审和审核，决不允许不良的甚至是错误的信息流入下一个设计程序，再设计过程中，应使评价审核做到规范化和制度化。

（8）及时性原则：机械设计必须满足市场需求，而市场是有时效性的，因此，必须保证设计是及时的，满足当前市场的需要。

2. 试说明功能原理设计的内容和一般步骤。

答：基于产品的功能分析，构思能够实现产品功能目标的新的解法原理，即为产品的功能原理设计。

功能原理设计的任务是：针对某一明确的“功能目标”寻求一些“物理效应”并借用某些“作用原理”来求得一些实现该功能目标的“解法原理”
功能原理设计步骤包括：
（1）明确的给出设计的功能目标，该目标式设计的依据，也是产品验收的依据；
（2）明确任务之后用黑箱分析系统的总功能；
（3）总功能确定以后，通过功能分析的方法，画出系统的功能结构图或功能树；
（4）从功能分析中得到的个功能单元，寻求个功能的作用原理；
（5）从个功能单元求解后可列出形态学矩阵，从多个方案中求得可行功能原理方案来；
（6）经评价优选出最佳功能原理方案来；
3. 机械系统设计中，依据什么样的原则选定动力机的形式？
答：在设计机械系统时，选用任何形式的动力机，主要应从以下三个方面进行分析比较：（1）分析工作机械的负载特性和要求，包括工作机械的载荷特性、工作制度、结构布局、和工作环境等。

（2）分析动力机本身的机械特性，包括动力机的功率、转矩、转速等特性，以及动力机所能适应的工作环境。

使动力机的机械特性与工作机械的负载特性相匹配。

（3）进行经济性的比较，当同时可用多种类型的动力机进行驱动时，经济性的分析是必不可少的，包括能量的供应与消耗，动力机的制造、运行和维修成本的比较等。

除上述三方面外，有些动力机的选择还要考虑对环境的影响，如对空气的污染和噪声的污染等。

4. 结构件有哪些主要功用？
答：结构件的主要功用有：（1）承受载荷（2）传递运动和动力
（3）保持有关零部件之间的相对位置或运动轨迹关系（4）其他公用，如润滑、密封等
5. 有限元分析时，为减小解题规模，常用哪些措施？
答：有限元分析时，为减少解题规模，常用的措施有：
（1）对称性和反称性
（2）周期性条件
（3）降维处理和几何简化
（4）子结构技术
（5）线性近似化
（6）多工况载荷的合并处理
（7）节点编号的优化
6．系统的可靠度分配主要考虑哪几个方面？
（1）技术水平。

对技术成熟的单元，能够保证实现较高的可靠性，或预期投入使用时可靠性可有把握的 增长到较高水平，则可分配给较高的可靠度。

（2）复杂程度。

对较简单的单元，组成该单元的零部件数量少，组装容易保证质量或故障后易于修复，则可分配较高的可靠度。

（3）重要程度。

对重要的单元，该单元失效后产生严重的后果，或该单元失效常会导致全系统的失效，则应分配给较高的可靠度。

（4）任务情况。

对整个任务时间内均需连续工作或工作条件严酷，难以保证很高可靠性的单元，则应分 配给较低的可靠度。

四、如图所示，已知跨距为l 、截面为矩形的简支梁，其材料密度为ρ，许用弯曲应力为[]F σ，允许挠度为[]f ，在梁的中点作用一集中载荷P ，梁的截面宽度b 不得小于min b ，要求设计此梁重量最轻，试写出这—优化问题的数学模型。

（12分）
这一优化问题的数学模型为
[][]12
113
2312
3212
42min ()()min
()43()()0
F f x plx x g x x b pl g x f Ex x pl g x x x g x x σ==≥=≤=≤=>
五、若在5==n m 的串－并联系统与并－串联系统中，单元可靠度均为()75.0=t R ，试分别求出这两个系统的可靠度。

（12分）
（1）当相邻两设计点的移动距离已达到充分小时。

若用向量模计算它的长度，则
11ε≤-+k k x x
或用1+k x 和k x 的坐标轴分量之差表示为
21ε≤-+k i k i x x （n i ,,2,1 =）
（2）当函数值的下降量已达到充分小时。

即
()()
31ε≤-+k k f f x x
或用其相对值 ()()()
41ε≤-+k k
k f f f x
x x （3）当某次迭代点的目标函数梯度已达到充分小时，即
()
5ε≤∇k f x。