具體描述
內容簡介
《機械設計過程(原書第4版)》全麵、具體地給齣瞭“設計學”的基本內容,詳細地引齣瞭設計的典型步驟,每一個步驟的任務、目標、應考慮的主要問題和常用的解決方法。最為突齣的是適應瞭全球經濟“可持續發展”和“綠色環保”理念,增加瞭“為環境設計”和“為可持續性設計”的部分;而且仍延續瞭第3版書的風格,以著者豐富的機械工程設計經驗結閤深入淺齣的理論闡述,對機械設計過程進行瞭詳細介紹,使讀者學習起來更加生動和易於理解掌握。
目錄
譯者的話(原書第3版)
前言
第4版增加的內容
第1章為什麼要研究
設計過程1
1.1概述1
1.2結閤産品成本、質量和
推嚮市場需要的時
間來評價設計過程3
1.3設計過程的曆史7
1.4産品壽命10
1.5設計問題的各種
解決方案13
1.6解決問題的
基本活動15
1.7設計中的知識
和學問17
1.8為可持續性而設計18
1.9小結19
1.10資料來源19
1.11習題20
第2章瞭解機械設計21
2.1概述21
2.2産品功能、特性和
性能的重要性24
2.3機械設計語言
和抽象26
2.4機械設計問題的
不同類型28
2.5約束、目標和
設計決策35
2.6産品的分解36
2.7小結39
2.8資料來源39
2.9習題40
2.10網絡資源40
第3章設計師和設計團隊41
3.1概述41
3.2個體設計者:人的
信息處理的模型42
3.3設計中的智力行為49
3.4具有創造力的
設計師的特徵57
3.5設計團隊的組成59
3.6建立團隊業績記錄64
3.7小結69
3.8資料來源69
3.9習題70
3.10網絡資源71
第4章設計過程和發現産品72
4.1概述72
4.2設計過程概覽72
4.3把設計質量轉化為
産品質量81
4.4發現産品85
4.5選擇項目90
4.6小結98
4.7資料來源99
4.8習題99
4.9網絡資源99
第5章設計規劃100
5.1概述100
5.2項目規劃的類型102
5.3規劃的目的之一是提供
可交付的開發信息106
5.4製訂項目規劃114
5.5設計方案實例121
5.6再設計過程中
的溝通124
5.7小結127
5.8資料來源128
5.9習題128
5.10網絡資源129
第6章理解問題和製訂
工程任務書130
6.1概述130
6.2第一步,確定顧客:
他們是誰?137
6.3第二步,確定顧客的
需求:顧客想要
什麼?137
6.4第三步,確定各需求
的相對重要性:
誰對應什麼?141
6.5第四步,辨彆並評價
競爭力:當前是如何
滿足顧客要求的?142
6.6第五步,生成工程
任務書:如何使顧客的
需求得到滿足?143
6.7第六步,工程任務書與
顧客需求的關係:如何
測定顧客需求?148
6.8第七步,設置工程目標
和重點:多少
就足夠好?148
6.9第八步,確定工程
需求之間的關係:
它們之間是怎樣
相互依賴的?150
6.10對QFD方法的
進一步建議152
6.11小結153
6.12資料來源153
6.13習題153
6.14網絡資源154
第7章産生概念155
7.1概述155
7.2理解已有裝置的
功能158
7.3一種功能設計方法163
7.4産生概念的
基本方法170
7.5專利是靈感的來源174
7.6利用矛盾産生靈感177
7.7機械發明的原理180
7.8形態學方法183
7.9産生概念的
其他要點187
7.10小結188
7.11資料來源188
7.12習題189
7.13網絡資源190
第8章概念評價和選擇191
8.1概述191
8.2概念評價中的信息193
8.3可行性評價195
8.4技術準備就緒196
8.5決策矩陣——
布斯方法198
8.6産品、項目和
決策風險202
8.7穩健決策208
8.8小結213
8.9資料來源214
8.10習題214
8.11網絡資源215
第9章産品加工216
9.1概述216
9.2材料清單219
9.3結構生成220
9.4材料與加工
方法的選擇236
9.5供貨商的開發238
9.6馬林2008專業幻想
山地自行車懸架
設計的産生240
9.7小結246
9.8資料來源247
9.9習題247
9.10網絡資源248
第10章産品性能評價及
變化因素的影響249
10.1概述249
10.2監視産品
功能的變化250
10.3性能評價的目標251
10.4權衡管理253
10.5精度、變化和噪聲255
10.6性能評價的建模261
10.7誤差分析264
10.8敏感度分析270
10.9通過分析進行的
穩健性設計272
10.10通過實驗的
穩健性設計274
10.11小結279
10.12資料來源279
10.13習題279
第11章産品評價:麵嚮成本、
製造、裝配和其他
估量的設計281
11.1概述281
11.2DFC——麵嚮
成本的設計281
11.3DFV——麵嚮
價值的設計291
11.4DFM——麵嚮
製造的設計292
11.5DFA——麵嚮
裝配的設計293
11.6DFR——可靠性
設計310
11.7DFT和DFM——
麵嚮測試和
維修的設計316
11.8DFE——麵嚮環境
的設計317
11.9小結319
11.10資料來源319
11.11習題320
11.12網絡資源321
第12章設計過程包裝和
産品支持322
12.1概述322
12.2設計文檔和交流324
12.3支持326
12.4工程變更328
12.5專利申請329
12.6全壽命周期設計332
12.7資料來源335
12.8網絡資源335
附錄A機械設計中常用的
25種材料的特性336
A.1概述336
A.2常用材料的性質336
A.3一般産品中使用
的材料349
A.4資料來源351
附錄B正態概率353
B.1概述353
B.2其他方麵357
附錄C作為設計變量的
安全因數358
C.1概述358
C.2安全因數的
傳統經驗估計法359
C.3以可靠性為基礎的
統計學安全因數361
C.4資料來源367
附錄D設計中的人機學368
D.1概述368
D.2工作空間範圍內的
人機學369
D.3人作為動力源373
D.4人作為傳感器
和控製器373
D.5資料來源379
前言/序言
作為一名職業設計師,我設計過自行車、醫藥設備、傢具和雕塑,既有靜止的,也有運動的。對於我來說,設計物品是一件容易的事。我有幸具備瞭一個成功的 設計師所必備的纔能。不過在從事機械設計課程教學多年之後纔認識到,我並不知道如何很好地把自己所知道的許多知識教給學生;我能夠給學生展示好的設計和不 好的設計實例,能夠告訴他們設計人員從事設計實踐的曆史,能夠給學生提供有關設計概念的建議,但是不能告訴他們如何來解決一個設計問題。另外,在我和其他 從事機械設計教學同行的交談中發現,這不僅是我一個人的感受。
這個情況使我迴憶起一次滑冰的體驗。作為一名新手,我能在冰麵上站立、左搖右擺 前仰後閤地嚮前滑動,而我的一位朋友(一位職業教師)卻能很自如地嚮前或嚮後滑。當他還是一個小男孩時就會滑冰瞭,滑冰是他的第二天性。一天,當我們一起 滑冰時,我請他教我如何嚮後滑。他說這太容易瞭,讓我看著他嚮後滑。可是當我試著照他那樣做時,馬上就摔倒瞭。他把我扶起來後,我請他教我正確的做法,而 不僅是隻做給我看。他想瞭一會兒終於說到,他沒法把這個技巧給我說清楚。我仍然沒有學會嚮後滑,我料想他仍然說不清楚嚮後滑的技巧。我對朋友可以輕鬆後滑 而我卻摔在冰上受挫的失望感覺,與我不能教學生如何正確地解決一個設計問題時産生的感覺是一樣的。
這個經曆和體會促使我去研究設計過程,並且最終寫齣本書。書中內容包括原創性的研究、對美國工業的研究、對外國設計技術的研究,以及來自設計課程的不同教學嘗試。作為這些研究的成果,我得齣四點有關機械設計的基本結論:
1 學習設計的唯一途徑是去作設計。
2 在工程設計中,設計者用到三類知識:産生概念的知識、評價概念的知識和組織設計過程的知識。概念的産生來自於經驗和天分;概念的評價,部分來自於經驗,部 分來自於正規訓練,這是多數工程教育的焦點。産生和評價概念的知識是專業領域知識形式。設計過程知識和決策大部分是與專業領域知識無關的。
3 如果有足夠的産生概念的能力和經驗,有足夠的評價概念的經驗和訓練,是能學到高質量産品的設計過程的。
4 設計過程應該在兩個方麵學習:在學術環境中,同時在模擬工業實際的環境中。
現把這些觀念收編到本書中,而且為使讀者在能夠學會設計過程的同時,還能夠研發齣一個産品,這些內容是這樣安排的:在第1~3章中,對學習設計過程所需 要的機械設計背景和一些術語進行瞭定義,並且討論瞭産品設計中的人為因素。第4~12章是本書的主體內容,它逐步地展示齣設計方法的進程,引導讀者實現由 一個設計問題到給齣可用於製造和裝配的解。這些材料以與求解一個確切問題的解無關的方式錶示齣來。論及的技術是在工業中應用的,它們的名稱已經成為機械設 計中的通用詞:質量功能配置、決策方法、並行工程、麵嚮裝配設計和穩健設計。這些技術在本書中全部放在一起。雖然它們作為一步一步的方法按次序安排在內容 中,但總的過程是高度地反復重疊的,每個步驟僅僅是需要應用時的一個引導。
如上所述,專業知識與過程知識是有些區彆的。由於這種獨立性,一個 成功的産品可以不管設計者知識或設計問題的類型而通過設計過程獲得。甚至大學一年級的學生也能選用本教材,學到大部分設計過程。然而,為瞭做齣閤理、實際 的設計,實質性的專業知識是需要的,並且本書通篇假定讀者具有基本的工程科學、材料科學、製造過程以及工程經濟的基礎。因此,本書適用於高年級的大學生、 研究生和從沒有學過機械設計過程課程的職業工程師。
大衛G 烏爾曼第4版增加的內容第4版增加的內容關於設計過程的知識正在迅速增加。在寫第4版時的一個目標就是要將這些知識組閤到一個統一的構架中去,這個構架也 是前3版的重點之一。整個新版的主題進行瞭一些更新,並與書中其他很好的實踐舉例綜閤在一起。新版中一些特殊的添加內容包括:1 改進瞭保證團隊工作成功的材料。
2 20餘個空白的錶格可以通過本書的網站下載以供設計過程中使用。書中也包括許多填好的錶格以便於學生參考。
3 改進瞭關於項目計劃的資料。
4 改進瞭"為環境設計"和"為可持續性設計"的部分。
5 改進瞭作齣決策部分的資料。
6 增加瞭基於矛盾産生概念的內容。
7 增加瞭一些來自工廠的新照片和圖片用於書中的舉例。
此外,還有許多小的改變以保持本書的時代性和實用性。
電子教材對於教師來說,智能課程是發現和查閱電子教材(e Textbooks)的新途徑。對於那些喜歡上網查閱課程數字化資料而且可以節省開支的學生來講,這也是一個絕好的選擇。智能課程提供瞭由很多高等教育齣 版商製作的成百上韆課程的適用教材。它是教師們迴顧和比較網上教材全文的唯一地方,並提供瞭不需要打印測試頁來測試環境影響的快速鏈接的環境。在智能課程 中,學生可以相對於印製教材節省達50%的支齣,減小瞭對環境的影響,並且提供瞭使用強有力的網絡工具的機會以學習全文搜索,記筆記和標記重點,以及通過 郵件和同學們共享筆記的方法。
感謝衷心感謝下列諸位,他們審閱瞭本書,並提齣許多有益的建議。
Patricia Brackin,Rose Hulman Institute of TechnologyWilliam Callen,Georgia Institute of TechnologyXiaoping Du,University of Missoun RollaIan Grosse,University of Massachusetts AmherstKarl Heinrich Grote,Otto von Guericke University,Magdeburg,GermanyMica Grujicic,Clemson UniversityJohn Halloran,University of MichiganPeter Jones,Auburn UniversityMary Kasarda,Virginia Technical CollegeJesa Kreiner,California State University FullertonYuyi Lin,University of Missouri ColumbiaRon Lumia,University of New MexicoSpencer Magleby,Brigham Young UniversityLorin Maletsky,University of KansasMake McDermott,Texas A & M UniversityJoel Ness,University of North DakotaCharles Pezeshki,Washington State UniversityJohn Renaud,University of Notre DameKeith Rouch,University of KentuckyAli Sadegh,The City College of The City University of New YorkShin Min Song,Northern Illinois UniversityMark Steiner,Rensselaer Polytechnic InstituteJoshua Summers,Clemson UniversityMeenakshi Sundaram,Tennessee Technical UniversityShih Hsi Tong,University of California Los AngelesKristin Wood,University of Texas此外,感謝麥格勞 希爾(亞洲)教育齣版公司(McGraw Hill)的資深機械工程責任編輯比爾(Bill Stenquist)、開發編輯羅賓(Robin Reed)、項目經理凱(Kay Brimeyer)及項目編輯林恩(Lynn Steines),感謝他們對這個項目的關心和鼓勵。還要感謝如下各位人員,他們為本書提供瞭非常有益的案例。
Wayne Collier,UGSJason Faircloth,Marin BicyclesMarci Lackovic,AutodeskSamir Mesihovic,Volvo TrucksProfessor Bob Passch,Oregon State UniversityMatt Popik,Inwin ToolsCary Rogers,GE MedicalProfessor Tim Simpson,Penn State UniversityRalf Strauss,Inwin ToolsChristopher Voorhees,Jet Propulsion LaboratoryProfessor Joe Zaworski,Oregon State University最後,也是最重要的,就是要感謝我的妻子阿代爾(Adele),她對我的無限信任,使我能夠完成這個項目。
好的,以下是一本關於《現代製造係統與優化》的圖書簡介,字數約為1500字,旨在詳細介紹其內容、結構和目標讀者,同時完全避免提及“機械設計過程(原書第4版)”或任何可能暗示與該書有關聯的內容。 --- 現代製造係統與優化 導言:迎接工業 4.0 時代的復雜性挑戰 在當前全球經濟嚮智能製造、數字化轉型邁進的浪潮中,傳統的製造模式正麵臨前所未有的挑戰。精益生産、敏捷製造已成為基礎要求,而更先進的係統化思維、數據驅動的決策以及跨學科的集成能力,纔是決定企業未來競爭力的核心要素。 《現代製造係統與優化》並非僅僅關注單一的機械部件設計或流程規範,而是著眼於整個製造生態係統的復雜交互、性能提升和彈性構建。本書深刻認識到,現代製造不再是綫性操作的集閤,而是一個高度耦閤、動態變化、充滿不確定性的復雜係統。從原材料的采購到最終産品的交付,每一個環節都依賴於高效的信息流、物流和決策流的協同工作。 本書旨在為工程師、係統架構師、運營管理者以及相關專業的高年級本科生和研究生,提供一個全麵、深入且極具實踐指導意義的框架,用於理解、建模、分析和優化現代製造係統。我們不僅探討“如何製造”,更關注“如何更智能地設計和管理製造的整體體係”。 --- 第一部分:製造係統的基礎理論與架構 本部分奠定瞭理解現代復雜製造係統的理論基石,強調係統視角而非孤立組件視角的重要性。 第一章:復雜係統的基本概念與製造的係統化視角 本章首先界定瞭“復雜係統”的特徵,如湧現性、自組織性和非綫性反饋。隨後,將這些理論應用於製造領域,探討如何將離散的生産單元、信息流、能源流和人員組織結構視為一個相互作用的整體。重點分析瞭傳統製造模式(如福特主義)的局限性,並引入瞭麵嚮全生命周期的係統建模方法論。 第二章:製造信息模型與數據基礎 現代製造的支柱是數據。本章深入探討瞭製造係統所需的數據層次結構,從底層傳感器數據(IoT)到中層的製造執行係統(MES),再到頂層的企業資源規劃(ERP)。詳細講解瞭數據集成標準(如OMAC、ISA-95),並著重分析瞭如何構建一個可靠、一緻且可追溯的製造信息模型,為後續的優化分析提供高質量的輸入。 第三章:製造柔性、敏捷性與彈性分析 柔性、敏捷和彈性是現代製造係統區彆於傳統工廠的關鍵能力。本章通過量化指標(如切換成本、響應時間、恢復時間)來定義和衡量這些屬性。探討瞭如何通過模塊化設計、並行化布局以及資源池化策略來係統性地增強係統的柔性,並引入瞭基於風險矩陣的彈性評估框架。 --- 第二部分:先進的係統建模與仿真技術 有效的優化必須基於準確的模型。本部分聚焦於描述復雜動態行為的數學工具和仿真技術。 第四章:離散事件仿真(DES)在製造中的應用 DES是分析動態係統行為的首選工具。本章詳細介紹瞭 DES 的建模要素、建模語言(如 Arena, SimPy 基礎概念)以及在排隊論、資源約束調度和緩衝區管理中的應用。通過多個案例研究,展示瞭如何利用仿真來預測係統瓶頸、評估不同布局方案的性能,並進行“假設分析”。 第五章:基於代理的建模(ABM)與多智能體係統 對於高度分布式、具有自治決策能力的係統(如未來的智能車間),基於代理的建模提供瞭強大的分析工具。本章解釋瞭 ABM 的核心概念,即如何模擬單個“代理”(如機器人、工人、工件)的局部規則如何導緻係統層麵的宏觀行為。重點討論瞭多智能體係統在協同調度和容錯網絡構建中的潛力。 第六章:係統動力學(SD)與反饋迴路分析 係統動力學關注宏觀變量之間的長期反饋關係,對於理解庫存積壓、産能波動、供應鏈延遲等纍積效應至關重要。本章教授如何繪製因果迴路圖和存量-流量圖,分析延遲和阻尼對係統穩定性的影響,幫助管理者避免“短期優化導緻長期惡化”的陷阱。 --- 第三部分:麵嚮性能的優化方法論 本部分將理論模型轉化為可操作的優化策略,覆蓋瞭從宏觀資源分配到微觀調度的全方位技術。 第七章:製造係統的隨機過程與排隊網絡分析 製造車間本質上是相互連接的排隊係統。本章深入講解瞭馬爾可夫鏈、黎卡提方程等工具,用於分析具有隨機到達和處理時間的生産綫。重點介紹瞭 Jackson 網絡、Generalized Expansion Method (GEM) 等高級分析技術,以在不進行全麵仿真的情況下,快速評估不同參數下的係統吞吐量和在製品(WIP)水平。 第八章:先進的調度與資源優化算法 調度是實現高效生産的核心。本章分類講解瞭靜態、動態和預測性調度方法。內容涵蓋: 經典啓發式算法: FIFO, SPT, EDD 等在不同目標下的應用。 組閤優化: 整數綫性規劃(ILP)在機器指派和批量分割中的應用框架。 元啓發式算法: 遺傳算法 (GA) 和模擬退火 (SA) 在處理大規模 NP-難調度問題時的實戰技巧。 第九章:供應鏈的協同優化與集成 現代製造係統延伸至供應商和客戶。本章將優化視角擴展到供應鏈層麵,分析瞭牛鞭效應的根源,並引入瞭 VMI(供應商管理庫存)、CPFR(協同計劃、預測與補貨)等協同機製。探討瞭如何利用供應鏈風險模型,平衡庫存成本與服務水平之間的關係。 --- 第四部分:智能製造中的優化與控製 聚焦於將人工智能和控製理論融入製造係統,實現自主決策和自適應控製。 第十章:強化學習在製造過程控製中的應用 傳統控製方法難以應對高度動態和未知的環境。本章引入強化學習 (RL) 的概念,展示如何將生産調度、設備維護優先級排序等問題建模為馬爾可夫決策過程 (MDP)。詳細介紹瞭 Q-Learning 和 Actor-Critic 架構在動態資源分配和故障恢復策略學習中的潛力。 第十一章:預測性維護(PdM)的係統集成 維護策略深刻影響係統可用性。本章不局限於傳感器數據分析,而是將 PdM 提升到係統層麵:如何將維護需求(例如,預測性故障時間)反饋給調度係統,以最小化維護對整體吞吐量的乾擾。分析瞭基於狀態的維護(SbM)和基於成本的維護策略的係統級效益評估。 第十二章:數字孿生(Digital Twin)的優化潛力 數字孿生是連接物理世界和虛擬分析環境的橋梁。本章闡述瞭構建高保真數字孿生的關鍵技術棧,並重點討論瞭數字孿生在“What-If”場景分析、實時閉環優化和人員培訓中的實際應用,強調瞭如何利用孿生體的預測能力指導物理係統的實時操作決策。 --- 目標讀者與學習成果 本書適閤以下專業人士和學生: 1. 製造係統工程師: 需要設計、評估和改進復雜生産綫的專業人員。 2. 運營與供應鏈分析師: 緻力於提高流程效率、降低庫存和提升交付可靠性的管理者。 3. 工業工程與自動化專業研究生: 尋求掌握前沿係統建模、仿真與優化理論的研究人員。 4. 數字化轉型項目團隊: 負責實施智能工廠和工業物聯網(IIoT)解決方案的架構師。 通過係統學習本書內容,讀者將能夠從整體係統的角度審視製造活動,掌握從數據采集到復雜決策製定的全套分析工具,最終具備構建和運營麵嚮未來的、具有高度適應性和優化潛力的現代製造係統的能力。本書的強調點在於集成、動態分析和智能決策,而非單一環節的技術細節。