第四节　优化设计

学习目标

1．理解设计优化的意义。

2．了解运用试验来检验设计产品的方法。

3．认识产品润色的作用。

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设计是一个产生有用产品的系统的创造性过程。在明确设计问题、选择设计方案、模型制作等过程中，都需要运用工程思维进行比较和权衡。在模型或原型制作完成后，还要进行一系列的测试，检验它是否能达到预期的目的。如未达到，还需要进行设计方案的优化。

一、设计方案优化

你见过农村的舂米机吗？它是一种把稻谷脱壳的简单机械。如图3.84所示，人用脚踩杠杆的一端，使舂头抬高，脚离开杠杆后，舂头自由下落并撞击石臼里的稻谷使其脱壳。你能否对这个设备进行优化，将人力驱动方式改为水力驱动方式？

图3.84　舂米机简图

（一）方案设计及模型制作

实现舂米的设计方案很多，图3.85是其中一种设计方案。它是一种杠杆式的机械，在杠杆左侧装有“自动翻斗”，右侧为舂头。当贮水容器中的水流入自动翻斗中时，左侧下沉，右侧舂头抬起。当自动翻斗中的水满时，翻斗的重心升到支点之上，翻斗即刻翻倒，水全部倒出，于是舂头下落，冲击到米臼中。翻斗中的水倒出之后，翻斗又恢复初始状态，随着水重新流入翻斗中，杠杆使舂头又翘起如此反复，即可实现自动舂米。

图3.85　舂米机设计方案

在方案的设计过程中，主要考虑以下因素：自动翻斗的自身重力G₁，舂头的重力G₂，自动翻斗中水满时的重力G_满，自动翻斗到支撑轴心的力臂L₁，舂头到支撑轴心的力臂L₂。设计要同时满足G₁L₁＜G₂L₂（图3.86）和G_满L₁＞G₂L₂的条件。

图3.86　关键尺寸设计

（二）模型的测试

一旦模型制作完成后，就要对其进行测试，以检验设计方案是否达到预期的目的，图3.87所示为桥梁模型的承重试验。

对模型进行测试，有助于设计人员了解方案是否满足有关要求。一旦设计需要考虑产品批量生产，就要用实际材料做成样品机器（原型），还要通过试验来

判断这种设计是否可行。实际生产的产品，需要通过专门的、权威的职能部门进行正规的测试和鉴定，以图3.87桥梁模型的承重试验保证质量和安全生产。

在模型测试中，按照其应满足的功能提出测试问题，再设计方案进行试验来回答这些问题，以期改进设计。针对图3.87所示的桥梁模型是否能够达到设计目标，提出可能的测试问题如下：

桥梁的整体结构是否稳固安全？

桥梁构件间的连接方式是否可靠？

桥梁的最大承重力是否满足要求？

外观和造型可以改进吗？

……

试验中的每一次测试数据都必须记录下来，以便进行进一步的数据分析。例如在进行桥梁最大承重力测试中，逐次增加砝码的质量，记录下每一次桥梁的变形情况，由此来作为检验桥梁的设计方案能否满足最大承重力要求的参考。表3.13为桥梁模型承重试验记录表。

表3.13　桥梁模型承重试验记录