2025年高性能制造《工業(yè)設計》專項訓練考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)）1.在高性能制造背景下，工業(yè)設計的目標除了滿足基本功能外，日益強調(diào)（）。A.最小化制造成本B.實現(xiàn)極致性能C.最大化產(chǎn)品美觀度D.確保絕對耐用性2.增材制造（3D打?。┘夹g的出現(xiàn)，對工業(yè)設計帶來的主要影響之一是（）。A.強制設計簡化以降低成本B.使復雜幾何結構的設計成為可能C.顯著增加了制造成本D.必須使用特定類型的材料3.工業(yè)設計中的人機工程學原理，在高性能制造裝備設計中主要體現(xiàn)在（）。A.盡可能減少設備的物理尺寸B.最大化操作者的體力輸出效率C.確保操作者舒適、安全、高效地使用設備D.采用最先進的人機交互界面技術4.“可制造性設計（DFM）”的核心思想是（）。A.在設計階段就充分考慮并優(yōu)化產(chǎn)品的制造過程B.盡可能地使用高精度的制造工藝C.設計出外觀上最復雜的零件D.簡化產(chǎn)品設計以適應任何制造方法5.高性能制造通常要求材料具備（）等特性。A.輕量化、高剛度、耐高溫、抗疲勞B.透明度高、色彩豐富、價格低廉C.易于回收、外觀美觀、柔軟舒適D.成本最低、加工最簡單、密度最大6.在設計高性能運動器材時，選擇碳纖維復合材料主要是利用了其（）的優(yōu)勢。A.良好的導電性B.高比強度和高比模量C.自潤滑性D.磁屏蔽能力7.工業(yè)設計流程中，進行用戶研究的主要目的是（）。A.為產(chǎn)品確定一個炫酷的外觀B.獲取用戶需求，為設計決策提供依據(jù)C.評估產(chǎn)品的市場銷售潛力D.驗證設計的可制造性8.智能制造環(huán)境下的工業(yè)設計，需要更多地考慮（）。A.產(chǎn)品與人的物理交互B.產(chǎn)品遠程監(jiān)控與數(shù)據(jù)傳輸功能C.產(chǎn)品的個性化定制需求D.產(chǎn)品包裝的美觀性9.下列哪項不屬于工業(yè)設計在可持續(xù)性方面的關注點？（）A.產(chǎn)品的可回收性設計B.選用環(huán)保、低碳材料C.提高產(chǎn)品的能源使用效率D.追求極致的產(chǎn)品輕量化10.設計一款用于精密實驗室的高性能儀器時，首要考慮的設計原則是（）。A.操作便捷性和娛樂性B.外觀時尚與色彩搭配C.高精度、高穩(wěn)定性和易用性D.低成本和高產(chǎn)量二、簡答題（每題5分，共25分）1.簡述高性能制造對工業(yè)設計提出了哪些新的挑戰(zhàn)和機遇。2.請解釋“設計對于制造（DFM）”的概念，并列舉至少兩點DFM在設計實踐中的具體體現(xiàn)。3.在高性能制造產(chǎn)品的設計中，如何平衡性能、成本和可持續(xù)性這幾個方面的要求？4.人機工程學在高性能制造裝備設計中扮演著怎樣的角色？請舉例說明。5.選擇一種你熟悉的高性能制造產(chǎn)品（如智能手機、汽車、高端醫(yī)療器械等），簡述其在工業(yè)設計方面為體現(xiàn)高性能特點所做的努力。三、案例分析題（15分）假設你需要為一款用于航空航天領域的先進復合材料部件進行工業(yè)設計。該部件需要具備高強度、輕量化、耐高溫、抗疲勞等性能要求，并且需要在接近地球赤道的無人值守平臺上進行現(xiàn)場更換維護。請基于以上背景，分析在進行該部件的工業(yè)設計時，需要重點考慮哪些因素？并就至少三個方面（例如：結構形式、材料選擇、人機交互、可持續(xù)性等）提出你的設計思考和分析。四、設計思考題（40分）設想一個未來場景：隨著智能制造的發(fā)展，工廠的自動化水平大幅提高，許多重復性、高強度的體力勞動被機器臂替代。請圍繞“人機協(xié)作”或“人在環(huán)路中”的理念，構思一款未來高性能制造車間中的人機交互界面（HMI）或輔助工具的設計方案。請闡述你的設計目標、核心功能、關鍵交互方式以及你認為該設計如何提升未來制造車間的工作效率和安全性。試卷答案一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項的字母填在題后的括號內(nèi)）1.B2.B3.C4.A5.A6.B7.B8.B9.D10.C二、簡答題（每題5分，共25分）1.解析思路：首先回答挑戰(zhàn)：高性能制造通常意味著更復雜的工藝、新材料、更高的精度要求，這可能增加設計的難度（如DFM/DFA要求）；同時，技術更新快，要求設計師持續(xù)學習。然后回答機遇：新技術（如增材制造）使復雜結構設計成為可能；新材料帶來性能和美學上的新選擇；智能制造環(huán)境為智能化設計交互提供了基礎；對輕量化、高性能的追求推動設計創(chuàng)新。高性能制造對工業(yè)設計提出了挑戰(zhàn)，如需要掌握更復雜的制造工藝知識（如增材制造、精密加工）并應用可制造性設計（DFM）、可裝配性設計（DFA）原則；新材料的應用需要設計師具備相應的知識儲備。同時，技術更新迭代快，要求設計師具備持續(xù)學習的能力。機遇在于，高性能制造技術（如先進材料、精密加工）為設計提供了更多可能性，使復雜結構、輕量化設計得以實現(xiàn)；新材料的應用拓展了產(chǎn)品的性能邊界和美學表現(xiàn)力；智能制造環(huán)境催生了人機交互、遠程監(jiān)控等新的設計方向；對極致性能和效率的追求也激發(fā)了設計創(chuàng)新。2.解析思路：首先解釋DFM概念：它是設計階段充分考慮制造能力，以優(yōu)化產(chǎn)品性能、降低成本、縮短上市時間的設計理念。然后列舉體現(xiàn)：如簡化零件數(shù)量以減少裝配步驟、采用常見零件以利用標準化生產(chǎn)、優(yōu)化材料使用以降低成本或適應特定工藝、設計易于檢測的結構等。DFM（DesignforManufacturing）是指在進行產(chǎn)品設計時，充分考慮產(chǎn)品的制造過程、工藝能力和成本因素，從而優(yōu)化設計方案，使其更容易、更經(jīng)濟、更高效地制造出來的設計理念。具體體現(xiàn)包括：結構設計上，通過合并零件、簡化幾何形狀來減少零件數(shù)量和裝配工作量；材料選擇上，選用易于加工且成本合理的材料，或選擇能充分發(fā)揮特定制造工藝優(yōu)勢的材料；工藝路徑上，考慮如何將設計轉化為具體的加工步驟，優(yōu)化生產(chǎn)流程。3.解析思路：從設計決策角度出發(fā)，強調(diào)需要在不同目標間進行權衡。高性能通常成本高，輕量化可能犧牲部分結構強度，可持續(xù)性可能限制材料選擇，需要在滿足核心性能要求的前提下，通過創(chuàng)新設計、優(yōu)化工藝、合理選材等方式，尋求這幾個目標之間的最佳平衡點。在高性能制造產(chǎn)品的設計中平衡性能、成本和可持續(xù)性，需要在滿足核心性能需求的前提下進行權衡。設計師需要在設計階段就進行多目標優(yōu)化，例如，通過創(chuàng)新的結構設計在保證高性能的同時實現(xiàn)輕量化，從而降低材料成本和運輸能耗；選用性價比高且環(huán)保的材料，兼顧性能與可持續(xù)性；通過優(yōu)化設計提高產(chǎn)品壽命和可維修性，既保證性能又減少資源消耗和廢棄物產(chǎn)生。這需要設計師具備系統(tǒng)思維和決策能力。4.解析思路：闡述人機工程學在保障操作安全、提高工作效率、提升舒適體驗方面的作用。結合高性能制造裝備的特點（如精度高、速度快、力量大、環(huán)境特殊），說明如何通過人機工程學設計來適應這些特點，例如，合理的操作界面布局、清晰的視覺/聽覺提示、符合人體尺寸的操縱部件、安全的防護裝置等。人機工程學在高性能制造裝備設計中扮演著至關重要的角色，它關注人與機器之間的相互作用，旨在優(yōu)化人的使用體驗，保障操作安全，提高工作效率。對于高性能制造裝備（如數(shù)控機床、工業(yè)機器人），其特點是精度高、速度快、力量大、操作環(huán)境可能復雜或危險。應用人機工程學，可以通過設計符合人體尺寸和力量范圍的操縱界面，減少操作疲勞；通過合理的布局和清晰的視覺、聽覺、觸覺反饋，降低誤操作風險；設計安全防護裝置和緊急停止機制，保障操作人員安全；提供舒適的操作座椅和良好的工作環(huán)境，維持長時間工作的專注度。5.解析思路：選擇一個具體產(chǎn)品，結合其特點分析。例如，選擇高性能跑鞋：輕量化材料（如碳纖維板）的應用體現(xiàn)了對速度和耐用性的追求；仿生結構設計（如能量回彈片）體現(xiàn)了對性能提升的思考；人體工程學鞋楦設計體現(xiàn)了對舒適性和足部支撐的關注；色彩和紋理設計可能結合了性能區(qū)域劃分和美觀性。選擇其他產(chǎn)品（如電動汽車、高端相機）也可類似分析。以高性能跑鞋為例，其工業(yè)設計為體現(xiàn)高性能特點所做的努力包括：采用輕量化材料（如碳纖維板、超輕泡沫），以減輕體重、提高速度；通過仿生學原理和空氣動力學設計，優(yōu)化鞋型以減少空氣阻力、提升能量回彈；運用人體工程學原理設計鞋楦和足弓支撐，提供舒適的跑步體驗和良好的足部保護；鞋底采用多層復合材料和不同硬度分區(qū)，以提供最佳的抓地力和緩震性能。同時，設計也會考慮耐用性、透氣性等因素。三、案例分析題（15分）解析思路：1.明確核心要求：抓住“高性能”、“復合材料”、“航空航天”、“現(xiàn)場更換維護”這幾個關鍵信息。2.識別關鍵設計因素：*結構形式：需要考慮部件在飛行狀態(tài)下的承載能力、抗疲勞性，同時還要考慮現(xiàn)場更換的便利性，可能需要設計快速連接/分離結構。*材料選擇：除了高性能要求（高強度、輕量化、耐高溫、抗疲勞），還要考慮材料的可加工性（是否便于現(xiàn)場裝配）、與環(huán)境的兼容性、以及更換的可行性。*人機交互/工具：既然是現(xiàn)場更換，必須考慮為維護人員提供輔助工具或設備，使其能夠安全、高效地完成更換任務。這涉及到工具的設計或更換操作界面的設計。*可持續(xù)性：考慮材料是否易于回收，部件設計是否便于維修或升級，減少廢棄物。*環(huán)境適應性：航空航天環(huán)境通常溫度、濕度變化大，設計需考慮防護。*安全性：設計需考慮操作過程中的風險，如部件拆卸/安裝時的墜落、高溫等。3.展開具體思考：對選定的三個方面進行詳細闡述。例如，在結構形式上，如何設計既堅固又便于拆裝的接口？在材料選擇上，如何在滿足性能和耐久性的同時，考慮現(xiàn)場加工或裝配的需求？在工具/交互設計上，具體設計了什么來輔助更換操作？在為用于航空航天領域的先進復合材料部件進行工業(yè)設計時，需要重點考慮以下因素：*結構形式與可維護性：部件的結構設計需滿足航空航天級的強度、剛度、耐高溫和抗疲勞性能要求。同時，由于部件需在接近赤道的無人值守平臺上進行現(xiàn)場更換，結構形式必須便于非專業(yè)人員或借助簡單工具進行快速、安全的拆卸和安裝。因此，設計中應重點考慮采用模塊化設計，設置快速連接/分離接口（如特殊卡扣、液壓/電動鎖緊裝置），并優(yōu)化拆卸/安裝的操作路徑，減少操作步驟和體力消耗。*材料選擇與性能匹配：材料選擇是體現(xiàn)高性能的關鍵。需選用具有高比強度、高比模量、優(yōu)異的耐高溫性能、抗蠕變和抗疲勞性能的先進復合材料（如碳纖維增強樹脂基復合材料、陶瓷基復合材料等）。同時，材料必須具有良好的可加工性，以適應可能的現(xiàn)場修復或更換需求（如熱熔連接、膠粘劑修復等）。還需考慮材料的耐濕熱環(huán)境能力和長壽命特性，以及材料回收的可能性，符合可持續(xù)性要求。*輔助工具/交互設計：現(xiàn)場更換環(huán)境復雜且通常無人值守，必須為維護人員提供有效的輔助工具或設備。設計可以圍繞更換過程展開，例如，設計一套集成化的拆卸工具系統(tǒng)，能夠自動或半自動完成部分拆卸步驟；或者設計一個智能輔助平臺，提供操作指導、狀態(tài)監(jiān)控和遠程支持功能。同時，需要設計清晰的操作手冊或視覺引導系統(tǒng)，確保維護人員能夠準確理解操作步驟，降低誤操作風險，提高更換效率和安全性。四、設計思考題（40分）解析思路：1.理解核心概念：明確“智能制造”、“人機協(xié)作”、“人在環(huán)路中”的含義。智能制造意味著自動化程度高，人更多是監(jiān)控者和決策者。人機協(xié)作強調(diào)人與機器協(xié)同工作。人在環(huán)路中強調(diào)人作為系統(tǒng)核心，機器圍繞人來設計，人或機器可隨時介入。2.設定設計目標：基于未來場景和核心理念，確定HMI或輔助工具要解決的核心問題，如提高效率、增強安全性、降低認知負荷、提升交互體驗等。3.構思核心功能：圍繞目標，列出具體功能。例如，實時狀態(tài)監(jiān)控、任務調(diào)度與分配、異常預警與處理、人機協(xié)同操作指令下達與反饋、維護支持等。4.設計關鍵交互方式：考慮未來技術（如增強現(xiàn)實AR、語音交互、腦機接口等），設計直觀、高效、低干擾的交互方式。強調(diào)簡潔性、容錯性和情境感知能力。5.論證設計方案：解釋為什么這樣設計能提升效率和安全性，如何體現(xiàn)人機協(xié)作和人在環(huán)路中，以及設計的創(chuàng)新點。設計目標：本設計方案旨在為未來高性能制造車間設計一款先進的人機交互界面（HMI），以支持高效、安全的人機協(xié)作模式，體現(xiàn)“人在環(huán)路中”的理念，提升制造車間的整體運行效率和應對復雜情況的能力。核心功能：1.全景透明化監(jiān)控：提供車間內(nèi)所有設備、物料、人員狀態(tài)的實時、可視化監(jiān)控，包括設備運行狀態(tài)、生產(chǎn)進度、環(huán)境參數(shù)等，支持多維度數(shù)據(jù)展示和篩選。2.智能任務協(xié)同與調(diào)度：根據(jù)生產(chǎn)計劃和實時情況，自動生成任務列表，并允許操作員進行調(diào)整和優(yōu)先級排序。界面能清晰展示任務分配、執(zhí)行狀態(tài)和預計完成時間，支持跨設備、跨工位的任務協(xié)同。3.情境感知輔助決策：結合傳感器數(shù)據(jù)和AI分析，對潛在故障、生產(chǎn)瓶頸、安全隱患等進行提前預警，并提供可能的解決方案建議，輔助操作員快速決策。4.動態(tài)人機交互指令平臺：允許操作員根據(jù)需要，通過圖形化界面、語音指令或手勢（未來技術）等方式，向機器人或自動化設備下達精確的操作指令或進行協(xié)同操作，并實時接收設備反饋。5.個性化維護與支持：根據(jù)操作員的身份和任務，提供定制化的信息顯示和操作權限。在需要維護時，能快速調(diào)取設備手冊、維修記錄，并提供AR指導或遠程專家支持。關鍵交互方式：1.多模態(tài)融合交互：采用