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1概述

1．1标准关于设计验证的定义和要求

IS09000：

2000中对“验证”定义为验证：

证实和提供客观证据，表明规定要求已经满足。

注1：

“验证过的”一词用来表示相应的状态。

注2：

证实可包含以下活动，如：

——变换方法进行计算；——将新设计与已证实的类似设计进行比较；——进行试验验证；

——对发放前的设计阶段文件进行评审。

IS09001：

2000标准对设计验证提出了以下要求：

3．5设计和开发验证

应实施设计和开发的验证，以确保输出满足设计和开发输人要求，应记录验证结果及必要的措施。

1．2设计验证的目的

为了有效地提高设计和规范质量，应开展设计验证工作。

设计验证是IS0900l中设计控制要素的重要内容。

验证是通过检查和提供客观证据，表明规定要求已经满足的认可过程。

在设计和开发中，验证是指对某项规定活动的结果进行检查，以确定该项活动能否达到规定要求的过程。

IS0900l标准要求在设计的适当阶段，进行设计验证，以确保设计阶段的输出满足该设计阶段输入的要求，即证实产品确实达到了产品规范的要求。

1．3设计验证记录对设计验证活动应保留必要的记录，以证实设计的正确性和可行性。

这种记录可以令人信服地相信整个设计过程具有严密的科学性。

在多数情况下，设计验证可同时使用两种或两种以上的方法（设计评审可作为使用的方法之一）。

但无论使用什么样的验证方法，都要有一定的策划和文件化的活动，并需要有一定资格的人员来完成。

正确的验证方法和文件化的表式使用则取决于产品的本身需要和复杂程度。

本章将就设计验证计划、设计验证时机、设计验证方法等主要内容作进一步的叙述。

1．4设计验证计划

在设计和开发的策划中，同设计评审一样，应列出需开展的设计验证活动。

规定实施这一活动的职责，并为其配备充分的资源，包括能胜任此活动的人员。

为此，必须制订设计验证计划，以便验证每一个重要的设计要求。

设计验证计划应具有适合性，需包括下列的部分或全部内容：

1）确定经过验证的产品设计规范。

2）计划的目标，可以包括不同方面要求的几个计划。

3）确定用来定出每个达到要求所采用的规范和程序。

4）确定在开发阶段中的步骤，在这些步骤下执行的验证可能最为经济5）鉴定用于证明达到设计要求的不同模式。

6）确定完成鉴定或确认设计的验证活动，并确定每个产品在生产中保证运用经鉴定合格的设计标推和方法。

7）确定进行验证活动所需要的试验设备、辅助设备及装置。

8）确定验证活动依次进行的时间进程。

9）标明验证活动的聚会地点。

10）标明对领导每次验证活动负责的部门（机构）。

11）依据制定的程序、规范和记录，提出在整个验证活动中实施的控制、在过程期间进行评审以及用于开始、中止及完成验证运作的判据。

也应涉及对设计更改的终止及其补救、试验及行动的措施。

设计验证计划应经设计者及那些验证活动实施者的同意，验证计划批准之后，应纳人文件控制程序。

设计验证往往是一项代价很高的活动，因此，应对计划中的任何变更在成本和时间安排上的影响，作出分析。

对于那些用试验的方法来验证设计时，需要制定试验规范，包括试验参数、极限值、运行条件及试验程序，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。

当试验规范改变，并且要配置新的设备，购买新的模具、电缆等时，进度可能要推迟数月。

即使设计是小型的，验证计划对产品的性能也至关重要，任何没有注意到的细节，均可能导致在生产期间返工，使生产进度迟后数月，甚至数年。

2设计验证的时机

IS0900I标准要求“在设计的适当阶段，应进行设计验证”。

标准未指明具体在何时进行设计验证，但“在设计的适当阶段”意味着在产品投产后来验证设计是不适当的。

应该指出，在设计中加强管理措施，防止出现因设计差错引起的不合格是最大的预防。

在设计各阶段中，验证应尽早安排，以免造成更大的损失。

因此，绝大多数的验证应在设计输出以前完成。

而对设计输出后制作出的样机所进行的试验，只是最后、全面地考验设计效果。

这时，大部分是为了验证制造与设计的偏离，因为，一旦样机失败，贝肪目应的工装、模具等都可能报废，在时间上的损失更难以弥补。

设计验证有两种方式：

一种验证活动是在设计期间进行，并验证产品的组成部分与规范的一致性；另一种验证活动是在完成设计时进行，以验证性能。

需要区分的是：

批量生产的产品，在完成设计后，先试制样机并进行试验，这种试验仍属于设计验证，而不是设计确认，只有最终产品在规定的使用条件下进行的试验才属于设计确认。

零件、材料试验和产品、系统试验应遵循提前进行试验的原则。

通过设计试制，确定了质量或成本方面存在问题时，必须对设计进行变更。

有时局部的变更也会影响到与其相关联的部位，所以对相关部位也必须反复多次地进行试制和试验。

在这种情况下，不但会加大试制和试验的成本，而且研发的计划也会大大推迟。

为了防止这种事态的发生，应注意尽可能将试验提前进行。

也就是对于材料、零件和分系统等能够单独进行检测的项目。

提前进行检测，以力求早期发现其中潜在的问题。

如果不事先进行检验，直到产品完成之后再对所有的项目进行检验，表面上看似乎可以加快开发的速度，提高效率，但实

际上却恰恰相反。

其理由是：

1）如果一处的变更牵扯到许多关联部位都要变动时，研发的计划将会受到极大的影响，造成研发进度的拖延。

2）容易在相关部位变更后质量确认工作不彻底的情况下，直接转人正式生产，从而会引起意想不到的质量问题的发生。

3）当需要查明质量问题的原因时，很难搞清到底是由于零件或材料的原因造成的，还是由于组装上的原因造成的，或者是设计本身就存在问题，致使在原因的判定和对策的研究方面花费颇多时间，或者造成决策上的失误。

4）当多项质量问题同时发生时，容易造成原因查明和对策研究上的不彻底。

为了有成效地进行工作，应注意尽量使工作过程简单明了。

即使做不到这一点，也须在大量问题集中发生的设计开发阶段将一些问题先期解决，待到对组装的成品进行质量确认时，则仅对余下的只有在组装完成之后才能搞清的因素进行试验，不再牵扯其他问题。

对试制品进行整体试验，应该以只有通过整体才能了解到的特性为中心进行。

例如：

产品的款式、局部因素之间几何上的干涉及间隙的检查和评定；运转时发生的振动和异常声响、相互间的电磁干扰以及噪声的评定等等。

因此，应建立这样一种体制：

当所研发的产品在技术上和销售上含有大量新的因素时，尽量提前对其组成的零件和分系统进行检验，从而把在最终产品检验中检查出来的问题减少到最低程度。

应该指出，对零件、材料试验和产品、系统试验，均应按提前试验原则，先行安排。

标准要求：

“对发放前的设计阶段文件进行评审”，这是一项设计验证活动。

其他设计验证活动宜放在有关的，设计评审之前，并作为设计评审活动的重要输入。

从这个意义上说，验证的适当阶段将因此反映出设计评审的进程，当有了能证明其满足要求的输出时，设计验证的要求就完成了。

当设计一个系统时，应有对每个分系统、每个设备、每个单元等直到元件及原料这一等级的设计要求。

对于这些设计的每一个要求，都应按照在每阶段设计输出之前，对其进行验证的原则来安排。

验证可以采用文件评审、实验室试验、交换方法计算、类比性分析或试验，以及以提交的样品、样机等的方式。

3设计验证的方法

IS09000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。

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、仿真以及对原型样机（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。

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。

这里关键在于用另一种计算方法，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、特性，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、有图解法、有经验公式等，如计算汽轮机转子临界转速，一般就有能量法和剩余弯矩法（即普劳尔prohl法）。

由于采用不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。

变换方法进行计算的设计验证程序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，也不届于本书的范围，故此处从略。

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，不需要进行一系列的试验或必要的验证，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类设计比较时，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。

3．3模型试验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使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。

相似定理：

如果两个现象的单值条件相似，并且从单值条件里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。

设两个结构相似的物体，有J、y.1z与x'y'2’三个尺寸要素，则比值Kx=于，xy=专，匕=专，几何相似即：

Kx=Kv=Ks=A=常数

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廓就够了。

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。

2）运动相似

物体各对应点处质量、运动、速度成比例，即运动相似。

静态与动态运动速度分别可为：

变速运动：

物体对应点处的质点上作用着同一性质的力，并且有同一比值，即为

动力相似。

若两物体作用同一性质的力，分别为

以上是相似模型必须满足的基本相似准则，其他的相似准则判据则是在此基础上，根据不同现象的模型试验来加以确定的。

这往往是最关键、最重要，但却是最困难的。

（2）量纲分析

当我们研究某一现象时，首先，要引进表征该现象的状态的一些特征量。

例如，当研究力学过程时，要考虑力、密度、速度等等。

其次，要引进测量这些量的单位，使我们可以用一些数值来表示这些特征量。

特征量数值的大小与所选的量度单位有关。

不同特征量之间存在着由物理定律或这些量的定义本身所确定的关系式。

因此，宜先规定那些彼此独立的特征量的量度单位，而其余各量的量度单位，即由这些独立的量度单位所决定。

这些独立量的量度单位称为基本单位。

其余量的量度单位称为导出单位。

在工程中，一般取长度、时间与质量（或

力）的量度单位为基本单位，并用I、T、M（或F）来表示。

在物理单位制中，L的量纲为m,T的量纲为s,M的量纲为kg。

一切力学量的量度单位都可以从这些单位中导出来。

显而易见，这种选取也不是任意的,例如我们已定义速度是位移与时间的比值,就不能同时选取速度、长度和时间作基本量，因为它们并非彼此独立的。

一个量的单位用基本单位来表达时，如果我们撇开基本单位的具体大小，而只着眼于基本单位的种类，如长度、时间和质量（或力）等，则我们说这个量具有长度几次、时间几次和质量几次（或力几次）的量纲。

如此，任何特征量A的量纲为如A为无量纲的数，则〔A〕=1即a、津、y皆等于零。

有量纲的特

征量的等式或不等式两边的量纲应该相同，这称为量纲齐次性原理。

由此

这就是量纲分析中的量定理。

它表明任何有量纲的量间的物理关系，必可化为无量纲数间的关系，从而减少了问题中的变量。

这些无量纲数一般可以由理论计算或实验的方法来决定。

这样，就可以从某一些已知特征量的数值，计算另一些特征量的数值。

（3）模型试验实例及应用情况介绍为进一步理解建立在相似理论和量纲分析基础上的模型试验，本节简要介绍船模的推进阻力。

试验，即根据模型试验的结果来计算原型（实船）的推进阻力的基本思路。

在造船业中，模型试验已是历史悠久的成熟技术，是经原型试验验证的模型试验。

因此，用这类模型试验进行设计验证是比较可靠的。

模型试验的一般程序如下：

1）现象的物理解释船的推进阻力由下列三部分组成：

水对船的运动的粘性阻力；波阻力；空气对于船的露出水面部分的阻力。

第一和第二部分阻力与水的惯性、粘性及重力有关，第三部分阻力，即空气产生的阻力，这里可以忽略不计。

2）支配现象的物理法则根据物理学原理及方式可以建立惯性力、粘性力和重力的关系式。

3）相似难则根据相似理论和量纲分析可建立船模型的相似准则。

根据相似准则，如果在模型试验中使用与原型相同的水（2f=2J'）,

则有j=j'使得到模型试验不可能实现的结论。

如果在模型试验中使用别的流体，那么运动粘度就应与长度相似比的3／2次幂成正比。

有了运动粘度等参数，便可运用流体力学公式计算出粘性阻力。

再根据物理公式可计算出惯性力和粘性力。

4）相似准则的放宽

实际上，在模型试验中，往往不可能使两个形状相似而尺寸不同（即

模型与实物原型）的所有无量纲数（相似判据）都满足。

此时，应抓住其中起主要作用的参数，即利用相似准则的放宽的规则。

以本例为例，只要仔细观察这个现象就会发现，粘性的影响只限于最靠近船体的地方，与水的上下运动（兴阻）有关的重力影响则限于水离开船体时。

这样就可使计算大为简化。

5）试验

通过船模试验求得模型的总阻力，从而依据相似族则可求出实船的总阻力。

模型试验已获得广泛的应用，在表7-1列示了模型实验的应用。

3．4模拟试验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。

3．5样机（样品）试验样机（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IS09000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，需要以那些将进人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简单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。

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，可以采取改进措施。

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。

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、试验环境及监测方法进行评审。

在试验期间，委托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。

只要试验整个机组、设备或分系统成为可能，试验规范应制定成每个可试验的项目。

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，这时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耐久性的试验，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，最不利情况分析应是在最差的条件下进行验证。

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。

3．6计算机仿真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、计算机的类型及仿真目的，将原始数学模型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。

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