设计控制

设计控制27.3设计验证的方法（1）ISO9000标准要求应对所有的设计进行验证，以确保达到产品规范的要求。除设计评审外，设计验证应包括下列一种或多种方法：1）变换方法进行计算，以验证原来的计算结果和分析的正确性。应当指出，换一个人用与原来相同的方法再计算一遍，这只是验算，而不属于验证。2）进行试验和证实，如模型或样机（样品）试验，若采用这种方法，则应明确制定试验大纲，并将结果形成文件。37.3设计验证的方法（2）3）进行独立验证，以验证原来的计算结果（或类比其他设计活动）的正确性。有关设计评审，请参阅第6章。在这些设计验证方法中，有些可能要花很高的代价。因此，采用什么方法在设计阶段的什么时候进行验证，都应当慎重考虑并作出计划安排。设计验证除了变换方法进行计算、与已证实的类似设计进行比较和对发放前的设计阶段文件进行评审外，利用模型试验、模拟试验、仿真以及对原形样机（样品）进行试验均是行之有效、可供选用的设计验证方法，本节将逐一加以简单的介绍。47.3.1变换方法进行计算某些设计特性的验证应尽可能用“变换方法进行计算”进行，而不是通过试验、检验或论证来达到，因为这种设计验证方法代价不高。变换方法进行计算，实际上是一种校验，多用于验证设计计算所依据的数学模型、假设及计算结果正确与否。这里关键在于用一种计算方法，来校核已设计产品设计数据的正确与否。众所周知，为了设计计算产品的某一参数、特征，往往有多种计算方法，有多种通用的计算机软件，如结构强度方面的有限元程序就有SAP-5、ADINA、ANSYS、SYSTUS等，有解析法、有图量法和剩余弯矩法（即普劳尔prohl法）。由于采用有同的计算方法进行计算，其结果不可能完全一致，因此，当使用这种验证方式时，应确定允许误差范围，并将其规定在验证计划中。但总的来说，应做到殊途同归，不同方法的计算结果基本一致。57.3.1变换方法进行计算变换方法进行计算的设计验证和谐可以包括完全重新计算，也可以是仅对关键件或关键系统进行部分的重新计算，其目的是验证在设计中所采纳的关键数据的正确性和有效性。事先采用这种设计验证方法，找出设计存在问题，要比花费大量的精力和物力，做完一次全面试验验证后发现问题更经济有效，因为全面试验花费的代价往往是相当昂贵的。由于这种“变换方法进行计算”的具体方法因各专业而异，也不属于本书范围，故此处从略。67.3.2类比验证设计验证往往是一项代价很高的活动。因此，一个可避免不必要的代价的方法，是与一个已被证实能满足同样设计要求的类似设计进行对比，从而判定设计的成熟性，即类比验证。类比验证是利用同类事物间静态与动态的相似性，将新设计与已证实的类似设计进行比较，来验证新设计对象有关参数的一种科学方法。这种方法经常用于同类事物的模化结构设计中（在产品系列化设计中应用此方法，可以大幅度减少设计工作量）。按现有的设计进行模化，不需要进行一系列试验或必要的验证，只要它们的性能是已经过证实可靠的设计的一部分，或经过使用证明已达到了要求。使用这种验证方法时应注意类比的前提，即条件是相同的或相似的，且其证据对证明符合要求是有效的。经过类比验证对新设计的产品只要评估新产品的附加特性能否满足设计验证的要求即可。在进行这种新设计与同灯设计比较时，产品设计的任何变化及其对整个设计的影响，都应进行专门的相关试验加以证实。77.3.3模型试验（1）模型试验是使用模型代替实物的试验，模型试验用的模型非一般意义上的模型，而是指将某种物理现象的长度、时间、力、速度等缩小或扩大来进行实验的装置。它和不满足这种条件的模型（如玩具）的科学意义大不一样。这种模型一般特地将其称为相似模型。在用相似模型所作的实验中，必须能够再现原来的现象的本质，也就是说要用比较容易、比较迅速、比较方便的方法再现实际发生的现象。所谓相似，人们常常认为是长度的相似，即几何相似，然而在相似模型中，所有的物理量（例如时间、力、密度、粘性等）都必须相似，即运动相似和动力相似。模型试验作为设计开发和设计验证的一种手段，已越来越广泛地应用于工程项目的设计研究中。这是因为模型试验不仅形象直观，而且由于模型与实物相比要小，甚至小得多，这样不仅节省能源，还可降低所设计研究物体的制造和更改成本。特别是当有些理论87.3.3模型试验（2）还不能圆满地解决所有问题而必须用试验予以补充时，模型试验更具有独特的、无可替代的作用，如在航空、汽车等行业的风洞试验，水利工程的水工模型试验等。模型试验方法的理论基础则是相似理论和量纲分析，对此本节将分别给予简单的介绍。（1）相似理论由于经济上的考虑及技术上的限制，对原型实验进行试验会遇到很大的困难。因此，很多机械性能或自然现象机理的研究，是在实验室条件下以实物模型来进行的。但在试验条件下，应该怎样选择参数才能便模型试验的现象确实能反映原型实物的现象，如何将试验模型时所得到的结果换算到原型实物上去，是首先应该解决的问题。这就需要应用相似理论。97.3.3模型试验（3）相似定理：如果两个现象的单值条件相似，并且从单值条件旱所引出来的相似判据相等，则这两个现象相似。单值条件：把具体现象从一群现象中区别出来的条件。相似准则：由现象的特征量所组成的无量纲数。在模型试验中，必须首先要得到两相似物体的相似数，即相似准则（判据）。可以根据各种单项相似情况，求得相似准则，常见的单项相似举例如下：1）几何相似两个结构相似的物体中任何相当的几何尺寸的比值为常量，即几何相似。107.3.3模型试验（4）设两个结构相似的物体，有x、y、z与、、三个尺寸要素，则比值、、，几何相似即：这是几何相似最主要的特征，在大多数模型试验中，只要按比例制造物体的外廊就够了。但在某些特定类型的试验研究中，可能有进一步的几何相似要求。如在附面层稳定性的试验研究中，还要求模型和原型的表面粗糙度相似；在颤振研究中，还必须在质量分布和弹性分布方面，模型与原型相似。'x'y'zxxkx'yyky'zzkz'常数zyxkkk117.3.4模拟试验（1）模拟法是利用异类事物间的相似性进行模拟的科学类比方法。模拟法，现在已从数学模拟、物理模拟发展到了功能模拟，甚至智能模拟。它可在原理探讨、结构分析以及初步设计方案的合理性诸方面，以模拟技术补充或代替原型机的试验，为设计提供更全面的科学根据。所用模拟装置基本上是三种形式，即物理模型、电子回路组成的模拟计算机以及利用数字计算机对产品系统的仿真。如流体运动问题，我们可以列出说明流体运动的一般方程，然而这些方程用普通的数学方法却不能求解。遇到这种情127.3.4模拟试验（2）况，有时可采用电场之类的其他物理系统（其他物理现象）来进行研究，这类系统的方程在形式上与流体场的相同，并且其边界条件也相对应。这样，用与原来系统相似的物理系统进行实验研究，便可解决问题。这种方法也可用以验证理论或达到其他目的，因为用模拟方法进行试验时所需的设备和能耗要比用原来系统误差直接进行试验时少得多。流场与电场之间的对应性，以及导线电流感应的磁场与滑线诱导速度场之间的对应性，便是这种模拟的简单例子。137.3.5样机（样品）试验（1）样机（样品）试验也称鉴定试验。鉴定试验是尽快完成设计总体目标要求的有效手段，具有最好的预测、计划和强有力地促进设计改进的能力。样机试验的结果，对设计能作出客观的判断，可以省去对设计作持久，而又难以定论的详细评估。因为在评估中设计者会根据各自的经验和成见坚持自己的观点，从而引起无休止的争论，但样机试验却能直接有效地证明样机的功能是否能满足设计要求。在ISO9000标准中，把样机试验作为设计验证的方法之一，而在QS9000中，则为了确信设计验证结果的正确性，需要147.3.5样机（样品）试验（2）以那些将进入生产的典型样品来验证设计。除非当设计与以前验证过的设计或标准相似或者设计得意到在进行试生产期间就能得到足够的证据时，可不要求作样机试验。当制作样机时，应按生产将使用的产品那样去使用同样的材料、场所、供方、工具及工艺，以便将偏离减至最低限度。ISO9000中对检测设备的要求也适用于研制过程，如果使用不受控的检测设备，开发试验将不会得到正确的结果。因此，在设计阶段对试验设备的控制应与生产阶段一样，符合标准要求。157.3.5样机（样品）试验（3）对试验验证活动应进行跟踪，以便及时地监视试验验证的完整性和符合性。为此，应把跟踪活动作为试验验证计划的一部分。跟踪活动计划应包括计划活动进行的次序，并列出全部策划的活动。计划应付诸实施并保持所需记录的完整性。验证活动计划应对策划和每个活动的实际日期以及记录加以说明并作出规定，例如，当程序不能执行时的反应计划。在各个系列试验的前后进行试验评审是必要的，以便在延续无效试验之前，可以采陂改进措施。当不具备进行设计验证用的必需设备的场合，这些试验验证活动可以进行分包。这时，需要与供方订立合同，并要按采购要素要求来确定采取的控制行动并安排试验纲要。167.3.5样机（样品）试验（4）应要求供方提供试验计划和程序，在试验开始之前，由委托方审批，除非由委托方自己提供这些资料。为确信试验会产生有效的验证资料，需要对试验配置、试验设备、试验及监测方法进行评审。在试验期间，委方应有一代表参加并具有决定试验的开始和停止权。在对与设计规范是否相符合进行验证时，需要作全性能的样机试验的场合，应制定试验规范。试验规范需要规定出试验参数、极限值及运行条件。对于每个试验规范应有一个相应的试验程序，程序逻辑规定如何对测量参数使用特定的试验设备并计及测量的不确定度。只要试验整个机能、设备或分系统成为可能，试验规范应制定成每个可试验的177.3.5样机（样品）试验（5）项目。当决定应由一个试验规范来确定项目时，需要考虑对于产品的构成和维修的对策，这里需要考虑的两个主要因素是：1）作为备件出售的可试验项目。2）供方设计（或制造）的产品的可试验项目。QS9000要求给出在设计验证标题下对寿命试验、可靠性试验及耐久性试验的考虑。无论如何，如果要对零件和材料进行证实其可靠性或而久性的试验，那么这些试验应考虑作为验证性试验，例如，可以在实验室中试验材料的耐腐187.3.5样机（样品）试验（6）蚀性或铰接的可能性。当这些项目被设置在完工的产品中时，那就在实际操作条件下实现了确认试验。样机试验证实了产品的功能特性，试验验证在另一方面用来展示使用特性，如易接近性和可维修性，包括互换性、可维修性和耐用性，也可能用以证明如顾客保护那样的安全性能。然而，需要证明的最重要特性是可生产性，是否能有效地以要求的批量经济地生产产品？试验验证应确定设计是否健全。设计人员可以在元件的能力的允许范围之内选定元件，最不利发问分析应是在最差的重要任务下进行验证。也就是说，当所有装配的零件处于它们公差范围的极限值时，产品将按规范运行。197.3.6计算机仿真（1）计算机仿真就是利用计算机对系统的模型进行实验，以达到分析、研究、设计系统或训练人员的目的。具体地说，就是建立系统的数学模型并将数学模型放到计算机上进行“实验”。通常计算机仿真由以下三个主要步骤构成：1）建模阶段：根据研究目的及实验数据建立数学模型。即把实验系统抽象成数学公式或流程图，并确定所研究系统的边界及约束条件。2）模型变换阶段：根据原始数学模型的形式计算机的类型及住址目的，将原始数学转换成适合于计算机处理的形式。包括要输入哪些信号，改变哪些参数，记录哪些变量等。这些技术也称仿真算法。207.3.6计算机仿真（2）3）模型试验阶段：该阶段主要是设计好一个试验的流程，然后对模型进行装载，并使它在计算机上运转起来。同时记录模型运行中各个变量的变化情况，最后按试验要求整理成报告并输出。（1）建立数学模型的途径和方法通常建立数学模型的途径有以下三种：1）演绎法：基于先验信息建立数学模型。这是一个从一般到特殊的过程。如电力系统、动力系统、航空、航天等多用此方法建立模型。217.3.6计算机仿真（3）如直流电机可用微分方程式来描述它们的运动规律。其中，U为外加电压，I为电枢电流，n为转速，R