第一章现代设计方法概述
机械设计方法分为常规设计方法(传统设计方法)和现代设计方法。
1.1 常规设计方法
常规设计方法是指采用一定的理论分析和计算，结合人们在长期的设计和生产实践中总结出的方法、公式、图表等进行设计的方法。
1) 理论设计
是根据现有的设计理论和实验数据所进行的设计。
2) 经验设计
是根据同类机器及零件已有的设计和长期使用累积的经验而归纳出的经验公式，或者是根据设计者的经验用类比法所进行的设计。
经验设计对于那些使用要求变化不大而结构形状已典型化的部件，是很有效的设计方法。
3) 模型实验设计
即把初步设计的零、部件或机器做成小模型或小样机，通过模型或样机实验对其性能进行检验，根据实验结果修改初步设计，从而使设计结果满足工作要求。
这种方法对于那些尺寸特大、结构复杂、难以进行理论计算的重要零件的设计是一种很有效的方法。
常规设计方法有如下不足：
（1）方案设计过分依赖设计者个人的经验和水平；技术设计一般满足于获得一个可用方案，而不是最佳方案；
（2）受计算手段的限制，难以进行真正的理论分析，简化假定较多，影响了设计质量；
（3）设计工作周期长、效率低，不能满足市场竞争激烈、产品更新速度加快的新形势。
传统设计法的优点是比较简单，设计费用低廉。
尽管现代设计方法已经兴起，但常规设计方法仍然是目前广泛和长期所采用的设计方法。
1.2 现代设计方法
20世纪80年代以来，随着各种现代数学的高速发展及计算机的普及，现代设计方法得到了迅速发展。现代设计方法是指在近二、三十年发展起来的更为完善、科学、计算精度高、设计与计算速度更快的机械设计方法。
到目前已有几十种现代设计方法。如：设计方法学、优化设计、可靠性设计、有限元法、机械动态设计、计算机辅助设计、反求工程设计、三次设计、摩擦学设计、相似性设计、模块化设计、疲劳设计、并行工程、人机工程、工业艺术造型设计、价值工程、智能工程、专家系统、工程遗传算法、人工神经元计算方法、模糊设计、方案设计、虚拟设计、创新设计、稳健设计、绿色设计等。
现代设计方法将传统设计中的经验、类比法设计提高到逻辑的、理性的、系统的新设计方法，是在静态分析的基础上，进行动态多变量的最优化。
起重机结构中常用和实用的现代设计方法主要有优化设计、可靠性设计、有限元法、计算机辅助设计、机械动态设计。
1.3 现代设计方法与传统设计方法比较
1）系统性
现代设计方法把设计对象看作一个系统，同时考虑系统与外界的联系，用系统工程的概念进行分析和综合，通过功能分析、系统综合等方法，力求系统整体最优，使人机之间的功能相互协调。
2）创造性
现代设计方法强调创造能力开发和充分发挥人的创造性；重视原理方案的设计、开发和创新产品。只有创新才能有所发明。但是，今天的科学技术已经高度发展，创新往往是在已有技术基础上的综合。有的新产品是根据别人的研究实验结果而设计，有的是博采众长，加以巧妙地组合。
3）综合性
现代设计方法在设计过程中，综合考虑、分析市场需求、设计、生产、管理、使用、销售能各方面的因素；综合运用系统工程、可靠性理论、价值工程、技术等学科的知识，探索多种解决设计问题的科学途径。 4）程式性
现代设计方法研究设计的一般进程，包括一般设计战略和用于设计各个具体部分的战术方法。要求设计者从产品规划、方案设计、技术设计、施工设计到实验、试制，按步骤有计划地进行设计。
第二章有限元方法简介
2.1 有限元法的概念
有限元法（FEM，Finite Element Method）就是把物理结构分割成有限个区域，这些区域称为单元。每个单元中有有限个节点，单元间通过节点相连。对每一个单元建立作用力方程，所有单元的方程组合成整个结构的系统方程，求解该系统方程，得到结构的近似解。
节点、单元、自由度的概念：
1) 节点: 空间中的坐标位置，具有一定自由度和存在相互物理作用。
2) 单元: 一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵描述（称为刚度或系数矩阵)。单元有线、面或实体以及二维或三维的单元等种类。
有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷。
3) 自由度(DOFs) 用于描述一个物理场的响应特性。如结构分析时用位移表示其自由度。
节点自由度随连接该节点的单元类型变化。
2.2 有限元法的分析步骤
1）连续体离散化。
①首先根据连续体的形状选择最能完满地描述连续体形状的单元。
②进行单元划分，将连续的结构划分为有限个单元组成的离散体，习惯上称为有限元网络划分。
③对单元和节点按顺序编号。
④施加载荷及约束。
2）单元分析
即分析单元的受力与变形关系，建立各个单元的节点位移和结点力之间的关系式。
e
e k
e
}
=（1）
{δ
]
F}
{
[
式中(F)e——单元节点力分量列阵；[k]e——单元刚度矩阵；(δ)e——单元节点位移分量列阵。
3）整体分析。
利用节点的力平衡和节点变形协调条件建立整个连续体的节点力和节点位移的关系式。即[K]{δ}={R} （2）
式中 [K]——整体刚度矩阵；{δ}——全部结点位移组成的列阵；{R}——全部结点荷载组成的列阵。
进行有限元分析时，所划分单元的大小对计算精度影响很大，在一定条件下，单元越小，精度越高，但计算成本相应增大，因此应合理设置单元的划分精度。
第三章有限元分析程序ANSYS简介
3.1 ANSYS的功能
ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。
前处理模块(Preprocessor)用于创建有限元模型并进行网格划分。ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：自由网格划分(free)、映射网格划分(mapped)、扫掠网络划分（Sweep）和自适应网格划分(Adaptive)。
ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。
映射网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映射网格。
扫掠网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。
自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。
还可以对重要部分的网格进行局部细化。
分析计算模块(Solution)可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，对有限元模型进行单元分析，系统组装，有限元系统求解以及有限元结果生成。
后处理模块(General Postproc /TimeHist Postproc)包括两个部分：通用后处理模块POST1和时间历程后处理模块POST26。通过友好的用户界面，可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表两种。辅助用户判定计算结果与设计方案的合理性。
3.2 ANSYS的分析类型
1)结构分析
2) 热分析
3) 电磁场分析
3) 声学分析
4) 压电分析
5) 流体动力分析
7) 多场耦合分析
8) 设计灵敏度及优化分析
3.3 ANSYS的单元类型
ANSYS的单元库中有近200种单元类型，每一个单元类型有一个特定的编号和一个标识单元级别的前缀，如BEAM4、PLANE182、SHELL63等。
常用单元：
1) 常用2-D实体单元：PLANE42、PLANE82、PLANE182等。
2) 常用3-D实体单元：如solid45、solid95、silod65，solid92，solid185，solid187等。
3) 壳体结构——如SHELL63、SHELL93、SHELL99、SHELL41等。
4) 梁柱结构——如BEAM3、BEAM4、BEAM188/BEAM189、BEAM44等。
5) 杆系结构——如LINK1、LINK8、LINK10等。
6) 间隙/接触单元——间隙单元：如combin40；接触单元：如CONTAC52。
此外，还有管单元（PIPE）、质量单元(MASS21)、弹簧单元combin等。
3.4 ANSYS的坐标系
包括：
总体坐标系Global CS（Cartesian CS 、Spherical CS 、Cylindrical CS）：ANSYS中规定，总体坐标系是一个固定不变的坐标系，也称之为绝对坐标系。
工作平面坐标系Working Plane CS：是创建几何模型的参考平面(X,Y)，默认情况下，工作平面坐标系与绝对坐标系相重合，工作平面坐标系可改变位置和方向。
局部坐标系Local CS：是用户定义的坐标系，可以是直角、球、柱坐标系，其位置、角度可变。
单元坐标系Element CS：其方向在单元类型的描述中可以找到（见帮助文件）。
节点坐标系Node CS：每一个节点都有一个附着的坐标系。节点坐标系缺省总是笛卡尔坐标系并与总体笛卡尔坐标系平行。
3.5 实常数
实常数是为了补充某种单元在形式上无法表现，但在计算中又很重要的几何量。如板壳(SHELL)单元的厚度、杆(LINK)单元的截面面积、梁(BEAM)单元的截面面积及截面惯性矩等。不同的单元类型，需设置不同的实常数。
3.6 材料力学参数
材料属性是与几何模型无关的本构关系，如弹性模量、泊松比、材料密度等。
3.7 ANSYS 的单位
除电磁分析以外，不必为ANSYS设置单位系统。简单地确定将采用的单位制，然后保证所有输入数据均采用该种单位制就可以。所确定的单位制将影响尺寸、实常数、材料特性和载荷等的输入值。
3.8 ANSYS建模、求解及后处理操作
第四章平面结构有限元分析
4.1 平面问题简介
平面应力、平面应变及轴对称问题通常称为平面问题。
1）平面应力
用来分析诸如承受面内载荷的平板、承受压力或远离中心载荷的薄圆盘等结构。假定在Z方向上的应力为零，Z方向上允许具有一定厚度。主要有以下特点：
·当Z方向上的几何尺寸远远小于X和Y方向上的尺寸才有效。
·所有的载荷均作用在XY平面内。
·在Z方向上存在应变。
·运动只在XY平面内发生。
2）平面应变
用于分析那种一个方向的尺寸（指定为总体Z方向）远远大于其它两个方向的尺寸，并且垂直于Z轴
的横截面是不变的,如水坝、隧道等。假定在Z方向的应变为零，主要具有以下特点：
·当Z方向上的几何尺寸远远大于X和Y方向上的尺寸才有效。
·所有的载荷均作用在XY平面内。
·在Z方向上存在应力。
·运动只在XY平面内发生。
3）轴对称
假定三维实体模型是由XY面内的横截面绕Y轴旋转360o 形成的(管，锥体，圆盘等)。
·对称轴必须和整体 Y 轴重合。
·不允许有负 X 坐标。
·Y 方向是轴向，X方向是径向， Z方向是周向。
·周向位移是零；周向应变和应力十分明显。
·只能承受轴向载荷。
4.2 平面问题常用2-D 实体单元
如：PLANE42，PLANE82，PLANE182等。
PLANE42单元即可以作为平面单元(plane stress or plane strain) 也可以作为轴对称单元。四边形单元有四个节点(I,J,K,L)，每个节点有两个平动自由度，即2个位移（UX，UY）。除可以进行一般的线性分析外，还可以进行塑性、蠕变、膨胀、应力硬化、大变形以及大应变等非线性分析。
PLANE82是PLANE42的高阶形式，有8个节点，每个节点有两个平动自由度（UX，UY），具有较高的计算精度，适于具有弯曲边界的模型。
第五章 3-D实体结构有限元分析
3-D实体结构单元可用来模拟桥墩、轴承座、减速器壳体等三维实体结构。常用3-D实体单元：如solid45、silod65 、solid95，solid92，solid185等。
5.1 常用3-D实体单元的特性
1) SOLID45单元为3-D 8节点固体结构单元（六面体），每个节点有3个平动自由度，即3个位移（UX，UY，UZ）。该元素有塑性、蠕变、膨胀、应力硬化、大变形和大应变分析能力。
2) SOLID95单元为20节点3-D固体结构单元（带中间节点的六面体），每个节点有3个平动自由度。是SOLID45单元的高阶形式，适于具有弯曲边界的模型。计算精度高，但计算成本也高。
3) SOLID92单元为10节点3-D固体结构单元（带中间节点的四面体），每个节点有3个平动自由度。适用于形状不规则的体结构。对结构的计算功能同SOLID45。
4) SOLID65单元为3-D钢筋混凝土固体单元（六面体），每个单元由8个节点组成，每一节点有3个平动自由度，即3个位移（UX，UY，UZ）。其增加了特别的断裂和压碎功能，最重要的方面是对非线性材料的性质的处理。
SOLID185 单元和SOLID187单元分别是SOLID45和SOLID92的更新版本，其集成了对于几乎不可压缩的弹塑性材料和完全不可压缩的超弹性材料的变形计算功能。
5.2 实体单元的选择
选用单元类型时，如果所分析的结构比较简单，可以很方便的全部划分为六面体单元，或者绝大部分
是六面体，只含有少量四面体和棱柱体，此时，应该选用六面体单元（SOLID45，SOLID185）；如果所分析的结构比较复杂，难以划分出六面体，应该选用带中间节点的四面体单元（SOLID92，SOLID187）。
对复杂结构如果选用六面体单元，由于结构比较复杂，六面体划分不出来，单元将全部退化为四面体，此时，计算结果的精度很差，所以要根据具体结构选择单元。
第六章板壳结构有限元分析
当一个3D实体结构的厚度不大(相对于长宽), 且变形是以翘曲为主时，这种结构称为板壳结构，可以用板壳单元(shell element)来模拟这个问题。
常用Shell单元的类型： SHELL63、SHELL93、SHELL41 、SHELL43、SHELL143、 SHELL91、SHELL99、SHELL181等
6.1 常用Shell单元的特性
1） SHELL63称为elastic shell，因为它只支持线性弹性的材料模式。SHELL63每个单元有4个节点（可退化为三角形单元），每个节点有6个自由度：3个平动（UX, UY, UZ）及3个转动（ROTX, ROTY, ROTZ）自由度。
2） SHELL93(8-Node Structural Shell)是二阶的板壳元素，每个单元有8个节点，每个节点有六个自由度。适合模拟弯曲的壳。
3） SHELL41(Membrane Shell)：是3-D四边形薄膜单元，采用薄膜理论。忽略弯曲和横向剪切，只包含薄膜效应。每个单元有4个节点（可退化为三角形单元），每个节点有3个平动自由度。通过SHELL63的KEYOPT(1)选项，可以将SHELL63修改成一个薄膜单元。
4）SHELL43(4-Node Plastic Large Strain Shell)，SHELL143(4-Node Plastic Small Strain Shell)：塑性材料壳单元。两者的差别是在于SHELL43使用了大应变理论（large strain theory），而SHELL143则是使用小应变理论（small strain theory）。
5）层板单元：如果结构是由多层不同材料构成的，可以选择：SHELL99限于linear elasticity，而SHELL91可以支持非线性材料。
6.2 壳单元的选择
实际工程中常用的SHELL单元有SHELL63，SHELL93。SHELL93是带中间节点的四边形SHELL单元(可以退化为三角形)，计算精度比SHELL63更高，但由于节点数比SHELL63多，计算量会增大。
对于薄壁结构，最好选用SHELL单元而不是SOLID单元，SHELL单元可以减少计算量。如果选SOLID 单元，薄壁结构承受弯矩时，如果在厚度方向的单元层数太少，有时计算结果误差较大，反而不如SHELL 单元计算准确。
第七章梁、杆结构有限元分析
7.1 常用LINK单元的特性
杆单元可以模拟桁架、绳索、铰链及弹簧等结构。每个杆件的主要变形为轴向变形，杆单元LINK不能承受弯矩。
常用杆单元：LINK1，LINK8，LINK10(双线性)。
1) LINK1为二维杆单元，只能承受轴向拉伸或压缩，一个单元有二个节点，每个节点有两个平动自由度，即UX，UY。
2) LINK8为三维杆单元，在工程结构中可以模拟三维空间桁架等结构，单元只能承受轴向拉伸或压缩，一个单元有二个节点，每个节点有3个平动自由度。单元坐标系的X轴方向由节点I指向节点J。
3) LINK10为仅受拉或仅受压的三维杆单元。这种特性可以用来模拟一个松驰的电缆或松驰的铰链以及模拟斜拉桥中斜拉索这类索结构。
建模时，杆单元用线来表示，并且实际结构中的一根杆件，只能作为一个杆单元。
杆单元的实常数只有杆件截面面积A和初始应变(△/L可选)。
在General Postproc中可以直接得到各节点的位移值和约束处的支反力，但杆件的内力及应力需要利用定义单元表（ETABLE）的方法获得：
Main Menu→General Postproc→Element Table→Define Table→Add→By sequence num，其主要选项见表7-1。
表7-1 LINK单元常用输出选项
可通过General Postproc→Element Table→Plot Elem Table/List Elem Table查看单元表中的数据。
7.2 常用BEAM单元的特性
梁单元可以模拟支柱和横梁、纵梁等细长结构，即可以承受轴向力、横向力和弯矩的构件。常用梁单元，如BEAM3、BEAM4、BEAM188(线性)/BEAM189(二次）、BEAM44（变截面梁单元）等。
1) BEAM3(2-D Elastic Beam)是二维弹性梁单元，每个单元有二个节点，每个节点有三个自由度：2个位移（UX, UY）及1个转动（ROTZ）自由度。单元X轴定义为从节点I到节点J，平面内与X轴垂直的为单元Y轴。实常数包括：截面面积、绕单元Z轴的惯性矩IZZ、截面高度等。
2) BEAM4(3-D Elastic Beam)是三维弹性梁单元，每个单元有二个节点。每个节点有6个自由度：3个位移（UX, UY, UZ）及3个转动（ROTX, ROTY, ROTZ）自由度。单元X轴由节点I指向节点J，当单元X轴平行某一整体坐标面时，默认单元Y轴方向与总体坐标系X-Y平面平行。单元X轴不平行任一整体坐标面时，可通过输入方向角θ或第三个节点的方式确定单元Z轴的方向。
BEAM4需输入的实常数有截面面积，绕单元Y轴、Z轴的惯性矩IYY 、IZZ；截面沿单元Y、Z轴方向的厚度TKY、TKZ。
BEAM单元的内力及应力、应变等需利用定义单元表的方法获得，如表7-2。
表7-2 BEAM4单元常用输出选项
3）BEAM188是3-D线性梁单元，每个节点有6或7个自由度，自由度数取决于因子KEYOPT(1)，当KEYOPT(1)= 0 (THE DEFAULT)，有6个自由度；WHEN KEYOPT(1) = 1，应考虑第7个自由度。
BEAM188的最大特点是支持梁截面形状显示，同时也能由用户定义任意的截面形状。
BEAM188不需要定义实常数，但建模时必须定义截面形状，程序自动计算截面特性参数。单元X轴由节点I指向节点J，默认截面的水平、垂直轴分别作为Y、Z轴，Y轴正向水平向右。在划分网格前必须为每一根梁指定方向点。方向点用来确定梁截面的方向。
4）BEAM189是三维二次梁单元，每个单元有3个节点，其余同BEAM188。
BEAM188/BEAM189单元的计算结果可在General Postproc中查看，或通过定义单元表查看。
General PostProc→Plot Results/List Results→Reaction Solu；
General Postproc→Element Table→Plot Elem Table/List Elem Table。
7.3 梁单元的选择
对具有两个对称轴的截面（如矩形截面、工字形截面等)用BEAM拟合时，弯矩引起的应力将准确计算，但对其他单轴对称或无对称轴的截面（如槽钢、角钢等）计算误差较大，此时应采用BEAM188单元（或BEAM189），可避免这种误差。
第八章ANSYS动力学分析
ANSYS动力学分析主要包括模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析、谱分析等。
8.1 模态分析
模态分析一般用于确定结构或机器部件的振动特性，即频率响应和振型。
模态分析属于线性分析，即在模态分析中只有线性行为是有效的。如果在分析中指定了非线性单元，在计算中将被忽略并被作为线性处理。可以对有预应力的结构进行模态分析。
进行模态分析时，结构视为自由振动系统。典型的模态分析中唯一有效的“载荷”是零位移约束。
ANSYS提供了七种模态提取方法：
⑴ Block Lanczos(分块Lanczos法)
⑵ Subspace(子空间迭代法)
⑶ Powerdynamics(快速动力法)
⑷ Reduced(缩减法)
⑸ Unsymmetric(非对称法)
⑹ Damped(阻尼法)
⑺ QR Damped(QR阻尼法)
8.2 谐响应分析
谐响应分析主要用于分析结构在持续的简谐载荷作用下，结构系统中产生的周期响应。
谐响应分析是一种线性分析，任何非线性特性都会被忽略。但可以对有预应力结构进行分析计算。
谐响应分析有三种求解方法：Full（完全法）、Reduced（缩减法）、Mode Superposition（模态叠加法）。
谐响应分析的使用局限：
·所有载荷必须随时间按正弦规律变化；
·所有载荷必须有相同的频率；
·不允许有非线性位移；
·不计算瞬态响应。
这些局限可以通过进行瞬态动力学分析来克服。
指定一个完整的简谐载荷需要输入三条信息：Amplitude(幅值)、Phase angle(相位角)、forcing frequency range强制频率范围及子步数。
8.3 瞬态动力学分析
瞬态动力学分析也称时间历程分析，用于确定在任意随时间变化载荷作用下结构的动力学响应。
8.4 耦合和约束方程
1) 耦合
自由度耦合是指把一组节点某个方向的自由度约束在一起，使这些自由度在这个方向上都具有相同的变形，称为这些自由度的耦合。
当需要迫使两个或多个自由度取得相同（但未知）值，可以将这些自由度耦合在一起。
典型的耦合自由度应用包括：①施加对称性条件；②模拟接触面；③在两重复节点间形成销钉、铰链、万向节和滑动连接；④使模型的一部分表现为刚体。一个耦合设置可含有任意个节点，但只有一个自由度卷标－如：ux,uy或temp。
2) 约束方程
约束方程定义了节点自由度之间的线性关系。
约束方程的特点：
·自由度卷标的任意组合
·任意节点号
·任意实际的自由度方向――在不同的节点上ux可能不同。
例：Constant = Coef1 * DOF1 + Coef2 * DOF2 + ...
8.5 质量单元、弹簧-阻尼器单元介绍
1) Mass21质量单元：是由单个节点构成的点单元，单元有6个自由度：3个位移（UX, UY, UZ）及3个转角（ROTX, ROTY, ROTZ）。单元的每个坐标方向上都可以施加质量和转动惯量。
2) COMBIN14弹簧—阻尼器单元，用于模拟纵向拉压或扭转弹簧,并可同时考虑阻尼的作用。每个单元有两个节点。轴向弹簧-阻尼器选项[KEYOPT(3)=0]对应为单轴拉压单元，在每个节点上至多有3个平动自由度，即3个位移（UX, UY, UZ）。扭转弹簧-阻尼器选项[KEYOPT(3)=1]对应单纯的抗扭单元，在每个节点上有3
个转动自由度，即3个转角（ROTX, ROTY, ROTZ）。
对所有的弹簧单元，在划分线网格时必须严格控制线上的单元份数，一条线划分为两个COMBIN14单元相当于两个弹簧阻尼器串联，三个单元则三个串联，其他如此类推。所以，应正确设置线上的单元数。
，如果是静态分析或无阻尼的模态分析，则COMBIN14单元的实常数包括：弹簧刚度K及阻尼系数C
V
不需考虑阻尼系数。
第九章优化设计
一、优化设计方法的概念
优化设计就是以数学规划理论为基础，以计算机为工具，在充分考虑各种设计约束的前提下，寻求满足某些预定目标的最优设计方案。
二. 优化设计的数学模型
设计变量、目标函数和约束条件是优化设计数学模型的三个要素。
求X=[x1,x2,….,x n]T，X∈R n
使min f(X)=f(x1,x2,….,x n)
s.t. g i(X)≤0 (i=1,2,…,p)
h j(X)=0 (j=1,2,…,q)
式中x i为设计变量；f(x)为目标函数；g i(X)、h j(X)为不等式及等式约束条件。
三、优化方法分类
线性规划：目标函数F(X)和约束条件g i(X)、h j(X)都是线性函数，称为线性规划问题。
非线性规划：目标函数F(X)和约束条件g i(X)、h j(X)中有一个为非线性函数，称为非线性规划问题。
整数规划：设计变量为整数时，称为整数规划。
动态规划：如果可能的方案与时间有关，则为动态规划问题。否则是静态规划问题，
多目标规划：目标函数不止一个
四. 优化方法
优化方法的基本思想是搜索、迭代和逼近。即求解时，从某一初始点出发，利用函数在某一局部区域的性质和信息，确定每一迭代步骤的搜索方向和步长，去寻找新的迭代点，这样一步一步地重复数值计算，用改进后的新设计点替代老设计点，逐步改进目标函数，并最终逼近极值点。
优化算法：
优化算法有很多种，单纯形法是求解线性规划问题的通用方法。求解非线性无约束优化问题的方法有单纯形法、牛顿法、共轭梯度法等；非线性约束优化方法有复合形法、可行方向法、罚函数法等。
五、桥式/龙门起重机主梁优化的数学模型
设计变量：截面参数
目标函数：主梁自重
约束条件：疲劳强度、静强度、静刚度、动刚度、局部稳定等
六、龙门起重机结构（主梁、支腿）优化的数学模型
现代设计方法与传统设计方法区别 （1）直觉设计阶段古代的设计是一种直觉设计。当时人们或是从自然现象中直接得到启示，或是全凭人的直观感觉来设计制作工具。设计方案存在于手工艺人头脑之中，无法记录表达，产品也是比较简单的。直觉设计阶段在人类历史中经历了一个很长的时期，17世纪以前基本都属于这一阶段。 （2）经验设计阶段随着生产的发展，单个手工艺人的经验或其头脑中的构思已很难满足这些要求。于是，手工艺人联合起来，互相协作。一部分经验丰富的手工艺人将自己的经验或构思用图纸表达出来，然后根据图纸组织生产。图纸的出现，即可使具有丰富经验的手工艺人通过图纸将其经验或构思记录下来，传与他人，便于用图纸对产品进行分析、改进和提高，推动设计工作向前发展；还可满足更多的人同时参加同一产品的生产活动，满足社会对产品的需求及提高生产率的要求。因此，利用图纸进行设计，使人类设计活动由直觉设计阶段进入到经验设计阶段。 （3）半理论半经验设计阶段 20世纪以来，由于科学和技术的发展与进步，设计的基础理论研究和实验研究得到加强，随着理论研究的深入、实验数据及设计经验的积累，已形成了一套半经验半理论的设计方法。这种方法以理论计算和长期设计实践而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。依据这套方法进行机电产品设计，称为传统设计。所谓“传统”是指这套设计方法已延用了很长时间，直到现在仍被广泛地采用着。传统设计又称常规设计。 （3）现代设计阶段近30年来，由于科学和技术迅速发展，对客观世界的认识不断深入，设计工作所需的理论基础和手段有了很大进步，特别是电子计算机技术的发展及应用，对设计工作产生了革命性的突变，为设计工作提供了实现设计自动或和精密计算的条件。例如CAD技术能得出所需要的设计计算结果资料、生产图纸和数字化模型，一体化的CAD/CAM 技术更可直接输出加工零件的数控代码程序，直接加工出所需要的零件，从而使人类设计工作步入现代设计阶段。此外，步入现代设计阶段的另一个特点就是，对产品的设计已不是仅考虑产品本身，并且还要考虑对系统和环境的影响；不仅要考虑技术领域，还要考虑经济、社会效益；不仅考虑当前，还需考虑长远发展。例如，汽车设计，不仅要考虑汽车本身的有关技术问题，还需考虑使用者的安全、舒适、操作方便等。此外，还需考虑汽车的燃料供应和污染、车辆存放、道路发展等问题。 传统设计是以经验总结为基础，运用长期设计实践和理论计算而形成的经验、公式、图表、设计手册等作为设计的依据，通过经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。传
设计概论复习资料 教材重点是第2、3、4、5、6章，次重点是1、7、8、9、10、11、12、13、14、15章，其余为一般章节。设计元素、原则、思维方法、程序、设计师及设计特征和设计形态是设计概论课程考核的主要内容。 第一章设计内涵 设计含义 广义上的设计，是蕴含于宇宙万物中的一种追求平衡与有序的力量，是人类试图统一和支配一切的冲动和需要。 1.1 设计 △1.1.1 设计是人的冲动和需要？ 1、人类，作为宇宙自然的结晶，同样继承了这种试图统一和支配一切的力量。在人类设计的每件作品中，设计者都遵循着一种与宇宙一样古老的冲动，这是一种追求统一的力量和冲动，也就是设计的力量和冲动。 2、自然界存在着许多设计师们无法企及的设计杰作，它是我们无尽灵感的来源，蕴含着设计的元素和原则。其中蕴含的是一种自然本能的冲动和力量，是一种对我们自身的自然表达。 3、设计是人类所具有的一种和宇宙一样古老的，对秩序和规律的渴望和冲动，他是一种人性的反映，一种对人类生命节奏和内心灵魂的终极关怀。 1.1.2 设计的语源学意义？ 1、“设计”一词，最早可能追溯到拉丁语，其意为“画记号”。演变成意大利语后意为“素描、描画”，在意大利文艺复兴时期进入艺
术领域。 2、在中国古代艺术概念中，与之相对应的是另一个词“经营”。 3、从各自的语源背景及学科背景来看，他们的核心含义都是基本一致的，可以说，设计师人类为实现魔种目的而进行的创造性活动。 六法论 一气韵，生动是也；二骨法，用笔是也；三应物，象形是也；四随类，赋彩是也；五经营，位置是也；六传移，摹写是也”（谢赫《古画品录》）。 1.2 现代设计 1.2.1 现代设计的产生和发展？ 1、现代意义上的设计，发端于英国工业革命产生以后的伦敦世界博览会； 2、现代设计是工业革命造就的工业化大批量生产技术条件下的必然产物；同时有时设计界改变以往专为权贵服务的方向，转而提出要为民众服务的口号下的产物，是设计民主化的表现； 3、现代设计的形成是基于社会的日益丰裕、中产阶级日益在社会生活中起主导作用、社会日益向消费时代转化、科学技术日益发展、知识传播对社会危机的不断思考和忧虑得到表达和完成的一个过程。 1.2.2 现代设计的含义、特点和形态？ △现代设计的一般含义，指的是把一种计划、设想、规划、问题解决的方法，通过视觉的方式传达出来的活动过程。其核心内容包括
3.用梯度法求下列无约束优化问题：MinF(X)=x12+4x22，设初始点取为X(0)={2,2}T，以梯度模为终止迭代准则，其收敛精度为5。 1)求初始点梯度▽F(X) ▽F(X)={2x1,8x2}T▽F(X(0))={4,16}T (2)第一次搜索 |▽F(X(0))|=16.5,S(0)=- ▽F(X(0))/16.5=-{0.243,0.97}T α(0)=2.157 X(1)=X(0)+α(0)S(0)={1.476,-0.923}T ▽F(x(1))={2.952,-0.738}T |▽F(x(1))|=3.043<5.0 故满足要求，停止迭代。 最优点X*={1.476,-0.0923}T 最优值F(X*)=2.21 4.
5.
6. 用外点法求解约束优化问题： ()()12211221min ..0()0 f X x x s t g X x x g X x =+=-≤=-≤ ， 收敛准则：(1) ()0.10.01k k X X εδ+-≤=，约束容限＝ 解：（1）利用外点法惩罚法构造无约束优化问题 () ( ) 12()22()212121(min ,()() k k k x x X r x x r x x r x +??Φ=?++-+-??可行域内）（可行域外） （2）此例只是为了说明外点法的思路，用微分法求解上述无约束优化问题。 用极值条件求解： 在可行域内：偏导数不可能等于0，即可行域内无极值 在可行域外，令： ()2()11211 ()2122 14()2012()0k k k r x x x r x x r x x x ?Φ =+-+=??Φ =--=?
现代设计方法试卷1及答案 一、单项选择题 1.属于无约束优化问题求解算法中的直接法是（ C ） A. 梯度法 B.牛顿法 C.POWELL法 D.变尺度法 2.按类型划分，惩罚函数法属于（ D ） A.一维优化方法 B.无约束优化方法 C.直接法 D.约束优化方法 3.对于只含有不等式约束的优化问题，满足每一个设计约束的设计点，称为 （D） A.边界点 B.非可行点 C.外点 D.内点 4.坐标轮换法以为搜索方向。（C） A.梯度方向 B.共轭方向 C.坐标轴方向 D.负梯度方向 5.一个多元函数F（X）在点X*附近偏导数连续，则该点为极小值点的充分条件是（ B ） A.▽F（X*）=0 B. ▽F（X*）=0,H（X*）正定 C. H（X*）=0 D. ▽F（X*）=0,H（X*）负定 6.在有限元分析中，将构件分割成单元的方法称之为( C ) A.有限化 B.单元化 C.网格化 D.分割化 7.平面问题的弹性矩阵与材料的（ D） A.弹性模量有关，泊松比无关 B.弹性模量无关，泊松比有关 C.弹性模量和泊松比都无关 D.弹性模量和泊松比都有关 8.当零件材料的强度均值小于应力均值时，零件的平均安全系数为n，等效概率为F，则（A ） A.n<1，F>50% B. n>1，F>50% C. n<1，F<50% D. n>1，F<50% 9.串联系统的失效模式大多服从（ D ）
A.正态分布 B.对数正态分布 C.指数分布 D.威布分布 10.抽取100只灯泡进行实验，灯泡工作到50小时有12只损坏，工作到70小 时又有20只损坏，从50小时到70小时这段时间内灯泡的平均失效密度为（ C ） A. 0.006 B. 0.004 C. 0.01 D. 0.12 二、填空题 11.单元刚度矩阵具有对称性、 分块 性和奇异性。 12.机电产品零件失效曲线分为三个区域，分别为： 早期失效区域 、正常工 作区域和功能失效区域。 13.函数()223212221+-+=x x x x x F 在点（1，0）处的梯度为 [6,-2]T 。 14.组成并联系统的零件的可靠度与该并联系统的可靠度相比较， 并联系统 的可靠度高。 15.一批产品从投入运行到发生失效的平均时间称为 平均寿命 。 16.可靠度是对产品可靠性的 概率 度量。 17.设某系统由10个零件串连组成，每个零件的可靠度均为0.95，系统的可靠度为 0.599 。 18.根据处理约束条件的方式不同，求解约束优化问题的方法分为 直接法 和间接法。 19.根据是否满足约束条件可以将设计点分为：可行点和 不可行点 。 20.利用目标函数的一阶导数或二阶导数信息构成搜索方向的方法称为 导数法 。 三、名词解释 21、（定义）可靠度：指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率，用R 表示。 22、（定义）失效率：又称故障率，产品工作t 时刻时尚未失效（或故障）的产品，在该时刻
现代设计方法简答题 1、与文件系统相比，数据库系 统的主要特征有哪些? 答：1)实现了数据共享,减少了数 据的冗余。2）数据存储的结构 化3)增强了数据的独立性。４） 加强了对数据的保护。 ２，CAD技术在机械工业中的应用主要有哪几方面? 答：CAD技术在机械工业中的主 要应用有以下几方面： （1)二维绘图(2）图形及符号库 ３)参数化设计(４）三维造型（5) 工程分析(６)设计文档和生产报 表，特征造型是如何定义的？ 特征是指能反映零件特点的,可 按一定原则分类的、具有相对独 立意义的典型结构形状。基于特 征的造型称为特征造型。基于特 征的造型是把特征作为产品零 件定义的基本单元，将产品描述 为特征的集合，包括形状特征、 精度特征、材料特征和其他工艺 特征,从而为工艺设计和制造过 程的各个环节提供充分的信息。 ３三维实体模型的实现方法中,体素构造法（ＣＳG）的基本思想是什么？需要存储的几何模型信息有哪些？ 答：(1)体素构造法(CSG）的基本 思想是:各种各样形状的几何形 体都可以由若干个基本单元形 体,经过有限次形状拼合运算构 建得到。2）需要存储的几何模 型信息是:所有的基本形体的类参数和所采用的拼合运算过程。 4简述三维实体模型的实现方法 中的ＣSG方法和Ｂ-ｒｅｐ方法 各自的基本思想。 答;CSG方法的基本思想是:各种 各样形状的几何形体都可以由 若干个基本形体,经过有限次形 状集合运算（又称拼合运算）构 建得到。需要存储的几何模型信 息是：所有的基本形体的类型、 参数和所采用的拼合运算过 程。B -ｒep方法的基本思 想:几何实体都是由若干边界外 表面包容的,可以通过定义和全 面存储这些边界外表面信息的 方法建立实体几何模型。 5. 消隐算法中的基本测试方法 有哪些?各适合哪些方面的测 试？ 基本测试方法有:面的可见性测 试、最大最小测试、包含性测试 和深度测试。面的可见性测试适 合于单凸物体的自隐藏面和自 隐藏线的测试。 最大最小测试用来检查两个多 边形是否重叠。包含性测试用来 检查一个给定的点是否位于给 定的多边形内。深度测试是用来 测定一个物体遮挡其它物体的 基本方法。 ６.在进行图形处理时,为什么要 引入规格化设备坐标系？ １）用于用户的图形是定义在世 界坐标系里,而图形的输出是定 义在设备坐标系里。不同的图形 设备具有不同的设备坐标系且 其工作范围也不相同。 （２)为了便于图形处理,有必要 定义一个标准设备,引入与设备 无关的规格化设备坐标系,采用 一种无量纲的单位代替设备坐 标，当输出图形时，再转化为具 体的设备坐标。 (３）规格化设备坐标系的取值范 围是左下角（0,0)，右上角（1, １）,其工作范围为0～1。 7.简述参数化绘图方法中的几何 作图局部求解法的核心思想。 几何作图局部求解法的核心思 想是:在交互作图过程中随时标 注每个新增加几何元素的自由 度和所受的约束关系；判断几何 求解的局部条件是否充分，通过 遍历检测，依次解出条件成熟的 元素参数；当图形的尺寸标注完 整时，用批处理程序经过多遍扫 描,解出绘图需要的所有未知数。 8．说明直线段编码剪裁算法的 思想和该算法的两个主要步骤。 直线段编码剪裁算法的思想:每 一线段或者整个位于窗口内，或 者能够被窗口分割而使其中的 一部分能很快地被舍弃。两个主 要步骤:第一步先确定一条线段 是否整个位于窗口内,若不是,则 确定该线段是否整个位于窗口， 外，若是，则舍弃；第二步，若 第一步的判断都不成立,那么就
现代设计方法 现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的,以计算机辅助设计技术为主体,以知识为依托,以多种科学方法及技术为手段,研究、改进、创造产品和工艺等活动过程所用到的技术和知识群体的总称。 现代设计方法有:并行设计、虚拟设计、绿色设计、可靠性设计、智能优化设计、计算机辅助设计、动态设计、模块化设计、计算机仿真设计、人机学设计、摩擦学设计、反求设计、疲劳设计。 一、并行设计 并行设计是一种对产品及其相关过程(包括设计制造过程和相关的支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模式。强调产品开发人员一开始就考虑产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误、矛盾和冲突尽可能及早地发现和解决，以缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量。 二、虚拟设计 在达到产品并行的目的以后，为了使产品一次设计成功，减少反复，往往会采用仿真技术，而对机电产品模型的建立和仿真又属于是虚拟设计的范畴。所谓的虚拟制造(也叫拟实制造)指的是利用仿真技术、信息技术、计算机技术和现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，发现制造过程中可能出现的问题，在真实制造以前，解决这些问题，以缩减产品上市的时间，降低产品开发、制造成本，并提高产品的市场竞争力。 三、绿色设计 绿色设计是指以环境资源保护为核心概念的设计过程，其基本思想就是在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳人产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小。 产品设计的基本流程为：市场调研--草图构思--方案设计。 四、可靠性设计 机电产品的可靠性设计可定义为:产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性设计是以概率论为数学基础，从统计学的角度去观察偶然事件，并从偶然事件中找出其某些必然发生的规律，而这些规律一般反映了在随机变量与随机变量发生的可能性(概率)之间的关系。用来描述这种关系的模型很多，如正态分布模型、指数分布模和威尔分布模型。 五、智能优化设计 随着与机电一体化相关技术不断的发展，以及机电一体化技术的广泛使用，我们面临的将是越来越复杂的机电系统。解决复杂系统的出路在于使用智能优化的设计手段。智能优化设计突破了传统的优化设计的局限，它更强调人工智能在优化设计中的作用。智能优化设计应该以计算机为实现手段，与控制论、信息论、决策论相结合，使现代机电产品具有自学习、自组织、自适应的能力，其创造性在于借助三维图形，智能化软件和多媒体工具等对产品进行开发设计。 六、计算机辅助设计 机械计算机辅助设计（机械CAD）技术，是在一定的计算机辅助设计平台上，对所设计的机械零、部件，输入要达到的技术参数，由计算机进行强度，刚度，稳定性校核，然后输出标准的机械图纸，简化了大量人工计算及绘图，效率比人工提高几十倍甚至更多。 七、动态设计 动态设计法是在计算参数难以准确确定、设计理论和方法带有经验性和类比性时，根据施工
课程名称：机电产品现代设计方法上课时间：2015年春季 机电产品现代设计方法实验报告 姓名： 学号： 班级： 所在学院：机电工程学院 任课教师：张旭堂
一、实验项目与实验目的 实验项目: 典型机电产品多学科协同优化设计。 试验目的： (1) 掌握典型机电产品多学科协同优化设计软件环境组成，包括建模软件、分析软件、协同平台。 (2）自主设计产品模型、分析过程、优化目标。 (3) 对得到的优化结果进行定性分析，解释结果的合理性，编写上机实验报告。 二、实验环境 网络协同设计环境，如下图所示：包括产品CAD建模、有限元分析FEM、动力学仿真ADAMS和控制仿真MATLAB。计算机网络硬件环境和相应软件环境。图形工作站和路由器，安装协同设计仿真软件。
型 协同设计仿真平台组成 三、实验原理 典型机电产品协同设计仿真工作流程如下图所示。 1）利用CAD建模工具，建立产品模型； 2）利用ADAMS建立产品运动学模型； 3）根据CAD和ADAMS传过来的结构模型和边界条件分析零件应力场和应变场； 4）用ADAMS分析得到的运动参数（位移、速度）。
协同设计仿真平台组成 四、实验内容与步骤 （1）总体方案设计 SysML语言是UML语言(Unified Modeling Language，统一建模语言，一种面向对象的标准建模语言，用于软件系统的可视化建模)在系统工程应用领域的延续和扩展，是近年提出的用于系统体系结构设计的多用途建模语言，用于对由软硬件、数据和人综合而成的复杂系统的集成体系结构进行可视化的说明、分析、设计及校验。 在这里我们绘制参数图如下。在下面的参数图中，我们确定了系统中各部件的相互约束情况。
《现代设计方法》课程习题集 西南科技大学成人、网络教育学院 版权所有 习题 【说明】：本课程《现代设计方法》（编号为09021）共有单选题,计算题,简答题, 填空题等多种试题类型，其中，本习题集中有[ 填空题,单选题]等试题类型未进入。 一、计算题 1. 用黄金分割法求解以下问题（缩小区间三次）。 342)(m in 2+-=x x x f ，给定初始区间[][]3,0,=b a ，取1.0=ε。 2. 用黄金分割法求解以下问题（缩小区间三次） 32)(m in 2+=x x f ，给定[][],1,2a b =-，取1.0=ε 3. 用黄金分割法求解以下问题（缩小区间三次） 432+=x )x (f min ，给定[][]40,b ,a =，取10.=ε。 4. 用黄金分割法求解以下问题（缩小区间三次）。 12)(m in 3+-=x x x f ，给定初始区间[][]3,0,=b a ，取5.0=ε 5. 用黄金分割法求解以下问题（缩小区间三次）。 107)(m in 2+-=x x x f ，给定初始区间[][]3,0,=b a ，取1.0=ε 6. 用梯度法求解无约束优化问题： 168)(m in 22221+-+=x x x X f ，取初始点[]T X 1,1)0(= ，计算精度1.0=ε。 7. 用梯度法求解96)(m in 12221+-+=x x x X f ，[]T X 1,1)0(= ，1.0=ε。 8. 用梯度法求解44)(m in 22221+-+=x x x X f ，[]T X 1,1)0(=，1.0=ε 。
9. 用梯度法求解无约束优化问题：1364)(m in 222 121+-+-=x x x x X f ，取初始点[]T X 1,1)0(=，计算精度1.0=ε。 10. 用梯度法求解1212221422)(m in x x x x x X f --+=,[]T X 1,1)0(=，1.0=ε 。（请迭代两次） 11. 有三个可靠度均为0.9的子系统组成的并联系统，试比较纯并联及2/3[G]表决系统的可靠度。 12. 一个由2个子系统组成的系统，其可靠度指标为0.85，试按等同分配法分配子系统的可靠度：（1）组成串联系统，（2）组成并联系统。 13. 已知某零件的应力和强度均呈正态分布，零件强度：MPa 516=δμ（均值），MPa S 2.24=δ（标准差），应力：MPa 378=σμ（均值），Mpa S 5.41=σ（标准差），试计算零件的可靠度与失效概率。 14. 由应力分析表明，某零件所承受的应力是拉应力，可用正态分布来描述，MPa T 3500=μ，标准差MPa S T 400=。该零件在制造过程中所引起的残余应力也可用正态分布来描述，其均值MPa C 1000=μ，标准差MPa S C 150=。由强度分析表明，该零件的强度也服从正态分布，其均值MPa 5000=δμ。现要求出当保证该零件的可靠度不低0.999时，零件强度的标准差的最低值应为多少? 15. 由应力分析表明，某零件所承受的应力是拉应力，可用正态分布来描述，MPa T 3500=μ，标准差MPa S T 400=。该零件在制造过程中所引起的残余应力也可用正态分布来描述，其均值MPa C 1000=μ，标准差MPa S C 150=。由强度分析表明，该零件的强度也服从正态分布，其均值MPa 5000=δμ。现要求出当保证该零件的可靠度不低0.999时，零件强度的标准差的最低值应为多少?
课程名称：机电产品现代设计方法 上课时间：2014年春季 机电产品现代设计方法实验报告 姓名： 学号： 班级： 所在学院：机电工程学院 任课教师：金天国张旭堂
实验名称机电产品现代设计方法 姓名学号班级 实验地点实验日期评分 指导教师张旭堂同组成员其他 1 静态存储器扩展实验 1.1 实验目的 （1）掌握典型机电产品多学科协同优化设计软件环境组成，包括建模软件、分析软件、协同平台； （2）自主设计产品模型、分析过程、优化目标； （3）对得到的优化结果进行定性分析，解释结果的合理性，编写上机实验报告。 1.2 实验内容 (1) 轴的有限元分析 (2) 基于Adams的运动学分析与仿真 1.3实验相关情况介绍（包含使用软件或实验设备等情况） 1.3.1使用软件 本实验使用软件为Adams及abaqus，利用Adams进行运动学仿真分析，利用abaqus进行有限元分析。 1.3.2实验设备 计算机。 1.4实验结果 1.4.1基于ADAMS 的运动学仿真 （1）构造ADAMS样机机械模型 根据指导书建立铲车的三维模型。三维模型可以通过专门三维建模软件进行建模，然后导入ADAMS，也可以直接用ADAMS建模。利用ADAMS建模过程在《adams 运动仿真例子》中有详述，直接给出建模后的模型，如图1所示：
图1 铲车模型 （2）构建约束 根据要求构造四个约束：基座和座架之间的创建转动副，轴肩与座架间构建转动副，铲斗与悬臂间构建转动副，悬臂与轴肩之间构建平动副。构建后的模型如图2所示： 图2 添加约束铲车模型 （3）添加运动 根据题意分别对四个运动副添加运动函数： （a）基座和座架之间的创建转动副：360d*time；
环境变量 一．用牛顿法求函数 2214121)2()2(),(x x x x x f -+-= 的极小值点坐标（迭代二次）。 解 初始点T x ]2,3[0 = 则初始点处的函数梯度、海森矩阵及其逆矩阵为 ?? ????=??????---+-=?42)2(4)2(2)2(4)(21213 1 0x x x x x x f ????? ?--=??????--+-=?844148442)2(12)(21 02x x f ???? ??? ???=?=487241241121 )]([1 02x f 代入牛顿法迭代公式，得 T x f x f x x ? ? ? ???=??-=34,38)()]([0 1 2 1 - ??? ?????=??????---+-=?02732)2(4)2(2)2(4)(212 1311x x x x x x f 代入牛顿法迭代公式，得
?? ? ???=??-=26.152.2)()]([1 1 12 1 2 x f x f x x - 二、分析比较牛顿法、阻尼牛顿法、共轭梯度法、变尺度法和鲍威尔法的特点，找出前四种方法的相互联系。 比较牛顿法：牛顿法收敛很快，对于二次函数只需迭代一次便达到最优点，对非二次函数也能较快迭代到最优点，但要计算二阶偏导数矩阵及其逆阵，对维数较高的优化问题，其计算工作和存储量都太大。 阻尼牛顿法：可以看出原始牛顿法就相当于阻尼牛顿法的步长因子取成固定值1的情况。阻尼牛顿法每次迭代都在牛顿方向上进行一维搜索，避免了迭代后函数值上升的现象，从而保持了牛顿法二次收敛的特性，而对初始点的选取并没有苛刻的要求。 这类方法的主要缺点计算复杂，工作量大，要求计算机存储量大 共轭梯度法：共轭方向主要是针对二次函数的，但也可以用于一般非二次函数。共轭方向法是二次收敛的，计算程序简单，存储量相对较少 变尺度法：只需用到函数的一阶梯度；下降算法，故收敛全局；计算量小（不需要求矩阵逆）；一般可以达到超线性收敛（速度快） 鲍威尔法：多维无约束优化算法是在无约束优化算法之一，首先选取一组共轭方向，从某个初始点出发，求目标函数在这些方向上的极小值点，然后以该点为新的出发点，重复这一过程直到获得满意解，其优点是不必计算目标函数的梯度就可以在有限步内找到极值点。 三、已知约束优化问题minf(x)=(x 1-2)2+(x 2-x 1)2
课程名称： 现代设计方法 一、 单选题 ( 每题1分，共10题，共10分，下列各小题备选答案中，只有一个符合题意的答案。多选、错选、不选均不得分 ) 1. 参数化绘图在定义图形时关键是利用了图形的（ ） A ．相似性 B ．多样性 C ．个别性 D ．特殊性 2. 下列设备不属于CAD 作业输入设备的，有（ ） A ．绘图仪 B ．键盘 C ．数字化仪 D ．光笔 3. 二维图形比例变换矩阵中?? ????=d a T 00，可有（ ） A.a=0,d=1 B. a=1,d=0 C. a=d=1 D. a=d=0 4. 内点罚函数法的特点是（ ） A.能处理等式约束问题 B.初始点必须在可行域内 C. 初始点可以在可行域外 D.后面产生的迭代点序列可以在可行域外 5. 对于极小化F(x)，而受限于约束g μ(x)≤0(μ= 0,1,2,…,m)的优化问题，其内点罚函数表达式为（ ） A.∑=-=Φm k k X g r X F r X 1)()()(/1)(),(μμ B.∑=+=Φm k k X g r X F r X 1)()()(/1)(),(μμ C.∑=-=Φm k k X g r X F r X 1)()()](,0m ax[)(),(μμ D.∑=-=Φm k k X g r X F r X 1)()()](,0m in[)(),(μμ 6. 设F (X )为区间(0,3)上的单峰函数，且F (1)=2、F (2)=1.5，则可将搜索区间(0,3)缩小为（ ） A ．(0,2) B ．(1,2) C ．(2,3) D ．(1,3) 7. 标准正态分布是定义为（ ） A.μ＝1，σ＝0.5的正态分布 B.μ＝1，σ＝1的正态分布 C.μ＝0，σ＝1的正态分布 D.μ＝0.5，σ＝1的正态分布 8. 抽取100只灯泡进行实验，灯泡工作到50小时有12只损坏，工作到70小时有20只损坏，从50小时到70小时这段时间内灯泡的平均失效密度是（ ） A.0.006 B.0.004 C.0.01 D.0.12 9. 当转换开关的可靠度为1时，非工作冗余系统的可靠度为R1, 工作冗余系统的可靠度为R2，则R1与R2之间的关系为（ ） A. R1＜R2 B. R1＞R 2 C. R1= R2 D. R1≤R2 10. 设试验数为N 0，累积失效数为N f (t)，仍正常工作数N s (t)，则存活频率是指（ ） A ．0) (N t N f B ．0)(N t N s C ．)()(t N t N f s D ．) ()(t N t N s f
现代设计概论复习
现代设计概论复习 名词解释判断简答论述 一、名词解释 1设计 广义是指人类改变原有事物，使其变化、增益、更新、发展的创造性活动。 狭义是指把一种规划、设想、问题解决的方法，通过视觉方式传达出来的活动过程，即：以明确的观念作为最终作品的充分前提，以推进其实现并达成目标的现实手段为基础，完成对形式的建构过程和创造性活动，在专业领域内称为设计。广告设计是将一个广告宣传意图外化为某种视觉样式的创造性行为。 传达：传达是指信息发送者利用符号向信息接受者传递信息的过程。它可以是个体内的传达，也可能是个体之间的传达。 2人物： 威廉莫里斯： 威廉莫里斯，英国诗人兼文学家、社会活动家，英国工艺美术运动领导者，“现代设计之父”。
他的主张：1、艺术设计是为大众服务的；2、强调手工艺，明确反对机械化批量生产，认为手工制品永远比机械产品更容易做到艺术化；3、在产品装饰上反对矫揉造作的维多利亚风格和古典主义复兴，主张艺术家和技术加团结协作，设计时艺术家、技术加团结协作的创造劳动。 主要贡献：1、在设计观念上提倡整体设计思想，主张实行以建筑为主题、全面处理室内外生活环境、以生活为中心的设计思想；2、在实践上，提倡并亲自组织了设计与制作一贯制的做法，主张艺术家、技术家、工匠相结合。 代表作：《歌舞海报》 朱尔斯·谢瑞特： 法国“现代招贴广告设计之父”，他逐步研究出一种用三色和四色进行套印的方法，创作了数以千计的招贴广告，也是运用蚀版技术进行招贴广告设计和印刷的第一人。他的创作生涯和现代招贴广告诞生、蚀版印刷技术的完善和应用是同步的。作品涉及歌舞剧海报，主题常是跳舞的歌女，人称“谢瑞特女士”。 风格：自然流畅，充满了浪漫色彩，采用简单明快的颜色。他的作品划定了传统的早期招贴和现
习题一答案 1-1、什么是机电一体化？ 机电一体化技术综合应用了机械技术、微电子技术、信息处理技术、自动控制技术、检测技术、电力电子技术、接口技术及系统总体技术等群体技术，在高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的最佳功能价值的系统工程技术。 1-2、什么是机电一体化的变参数设计？ 在设计方案和结构原理不变的情况下，仅改变部分结构尺寸和性能参数，使之适用范围发生变化的设计方式。例如，同一种产品不同规格型号的相同设计。 1-3、机电一体化技术与传统机电技术的区别。 传统机电技术的操作控制主要以电磁学原理的各种电器来实现，如继电器、接触器等，在设计中不考虑或很少考虑彼此间的内在联系。机械本体和电气驱动界限分明，整个装置是刚性的，不涉及软件和计算机控制。机电一体化技术以计算机为控制中心，在设计过程中强调机械部件和电器部件间的相互作用和影响，整个装置在计算机控制下具有一定的智能性。 1-4、试分析机电一体化技术的组成及相关关系。 机电一体化系统是多学科技术的综合应用，是技术密集型的系统工程。其技术组成包括：机械技术、检测技术、伺服传动技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术和系统总体技术等。现代的机电一体化产品甚至还包含了光、声、化学、生物等技术等应用。 1-5、一个典型的机电一体化系统，应包含哪些几个基本要素？ 机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。我们将这些部分归纳为：结构组成要素、动力组成要素、运动组成要素、感知组成要素、智能组成要素；这些组成要素内部及其之间，形成通过接口耦合来实现运动传递、信息控制、能量转换等有机融合的一个完整系统。 1-6、试简述机电一体化系统的设计方法。 机电一体化系统的设计过程中，一直要坚持贯彻机电一体化技术的系统思维方法，要从系统整体的角度出发分析研究各个组成要素间的有机联系，从而确定系统各环节的设计方法，并用自动控制理论的相关手段，进行系统的静态特性和动态特性分析，实现机电一体化系统的优化设计。1-7、机电一体化系统（产品）开发的类型。
机械设计方法实验报告 姓名： 学号： 成绩： 指导教师：
进退试算法实验报告 一、实验目的 1.加深对进退试算法的基本理论和算法步骤的理解。 2.培养独立编制、调试计算机程序的能力。 3.掌握常用优化程序的使用方法。 4.培养灵活运用优化设计方法解决工程实际问题的能力。 二、实验要求 1.明确进退试算法基本原理及程序框图。 2.编制进退试算法程序。 三．实验内容 计算实例：用进退试算法求函数())2 t f的搜索区间。 (+ =t t ①.进退试算法基本原理简述 进退试算法的基本思想是：按照一定的规律给出若干试算点，一次比较各试算点的函数值的大小，直到找出相邻的三点的函数值按“高——低——高”变化的单峰区间为止。
②、程序的流程图 ③.编制进退试算法程序 #include
设计概论——填空题 第一章：导论 1．设计（design）,在汉语中最基本的词义是设想与规划. 2．在文学艺术方面,与设计同义的还有（意匠）一词,意匠即意图与匠心,指创作中的构思与设想. 3．汉语中的”设计”,最早是（计谋）的意思. 4．设计师人类改变原有事物，使其（变化、增益、更新、发展）的创造性。设计师构想和解决问题的过程，即人类一切（有目的）的价值创造活动。 5．环境艺术设计是一个新兴的设计学科,它所关注的是人类（生活设施）和（空间环境）的艺术设计. 6．平面设计来自英文”Graphic Design”一词，1922年美国设计师（德维金斯）在讲述自己的书籍装贞设计时第一次使用了这个词。这是设计一词最先使用。 7．平面设计，其设计的对象和范围限定在“二维”的空间维度之中。二维的设计，主要是（图形）、（文字）等形象和（信息要素）的综合设计。 8．“装潢”原指古代书画卷轴的（“装裱”）。 9．染织设计包括了（印染）和（织造）两部分 10．20世纪上半叶，随着商品经济的发展，书籍装祯、商品包装、广告等设计取得好的业绩、（美术家同时也是设计家）的现象是当时一大特色。
11．中国建筑师以自强的民族性格设计出一批富有民族传统优秀建筑和室内设计作品，如（吕彦直）设计的（南京中山陵）和（广州中山堂）、（中山藏经楼）等建筑。 10．（贝律铭）设计北京香山饭店。 11．从20世纪50年代初期至20世纪70年代，（花布设计）是主体。 第二章：艺术设计的历史 1．可以说人类的设计是从（石器）。 2．（陶器的制作）是人类文明史上第一次利用火将一种物质改变成另一种物质的伟大创举，以（陶器的产生）为标志，人类亦结束了上百万年的狩猎生活而开始农耕和定居。 3．（彩陶）是中国新石器时代陶器中最具有代表性的器物。中国现今发现较早的彩陶距今约（6000年）。 4．中国现今发现最早的陶器距今约（一万年） 5．（东汉时代）在中国浙江余姚、上虞、慈溪等地成功创造了人类历史上真正的瓷器——（青瓷）。最早（创烧）成功的是（青瓷）。 6． 7．宋代在唐代南青北白两大瓷系的基础上形成六大瓷系：北方地区的定窑系、耀州窑系、钧窑系和南方地区的龙泉窑系、景德镇的青白瓷系，（六大窑系）孕育了著名的宋代（五大名窑：定、汝、官、哥、钧窑）。
现代设计方法综述及在农业机械领域的应用 令狐采学 随着科技的发展，许多新的成果被引人优化设计，特别是信息化技术的发展推动了设计方法的革命，开发了系列软件，其中包括：CAD、AN SYS、AD AM S、VB、VC等，这些软件各有特色，在应用上相互交叉。其中CAD软件是应用最广，对产业发展影响最大的软件，完全代替了传统的设计方法，使设计更加快捷方便，且具有记忆功能，使传输、保存、调用更加方便。ADAMS软件不但具备虚拟制造、试验和测试功能，而且通过二次开发还可以优化参数，VB和VC软件具有较强的可视性，适合机构的运动学和动力学目标的优化。优化是现代设计的核心技术。现代设计思想和方法大大推动了制造业的发展；反过来，每个设计者必须掌握现代设计方法，并熟练使用各种软件工具。 在国际上，航空、航天、汽车、军工制造业等率先使用现代设计的新技术，农机制造业相对滞后，一般来说在上个世纪相差3—5年，到本世纪时差缩短到l 一3年。在上世纪80年代后期，中国开始引入CAD技术。到本世纪已经推广到高校、研究院所和企业，随着应用和推广，CAD技术不断完善和拓宽，功能更加强大，现在任何机械设计单位如果在设计中不使用CAD软件几乎不可思议。其他软件也有了不同程度的应
用，中国技术力量的构架决定现代设计方法和软件工具首先被研究型高等院校应用，之后是普通院校和大型研究所，最后逐渐转入生产企业。但是现代设计的核心——系统的优化设计技术在国内应用较少，仅仅局限在个别的学科领域，这是因为系统优化首先要建立理论模型、采用适宜的优化方法、设计相关的优化软件的基础上，是一个难度很大的系统工程。例如，应用较为普遍的航空、导弹理论研究面对的介质是空气，其物理性质相对变化较小；而农业机械所处理各种物料，其物理性质差异很大，理论研究和优化方法有其特殊性，不能照搬其他理论和方法。现代设计方法的应用如果包括了系统优化则必须建立设计平台。本文在介绍现代设计方法的同时也将介绍课题组在建设平台方面所做的探索性工作。 1 平台的内容 1．1创新方法的建立 农业机械的创新有特殊性也有其普遍性。农业机械的创新首先是机构的创新，新的机构能够完成传统机构所不能完成的技术要求。机构创新由两部分组成：发现机构创新元素和找到实现创新元素的实施方案。两者都非常重要，但是对不同的项目，相对难度有所不同：有的发现创新元素难度大，有的寻求实施方案难度更大。 1．2理论研究成果
1、现代产品设计在产品开发中的地位。 随着制造科学的提出和先进制造工艺、制造装备的导入，使得现在产品设计在产品开发中的作用已经比以前任何时期都更加突出，到目前为止，已经形成一个重要的研究热点，并且设计理论和方法的研究，也不仅仅停留在学术讨论和实际问题的个别解决上，而是面向全局的现代产品设计理论。作为产品整个生命周期中最重要的一个环节——产品设计占据极为重要的地位。在产品全生命周期中，产品设计阶段决定了整个成本约70％左右的成本，而制造阶段及后续其他相关阶段只决定约30％的总成本。并行工程的研究与实践也表明：约85％的产品开发费用由产品设计阶段的工作决定，而这一阶段本身所耗费的成本却不到总成本的7％。正因如此，对产品设计阶段的研究，尤其是概念设计过程的研究，愈来愈受到国内外广大设计研究人员、企业和学术团体的高度重视。积极开展现代产品设计理论方法与实践方面的研究，并在我国制造业中推广这种策略，对于提高企业的竞争能力，具有重要的意义。当前现代产品设计理论的研究主要包含以下三大部分，即现代设计理论、产品设计过程、产品设计求解和产品设计过程中的功能，因此现代产品设计是产品开发的重要环节，无论是制造新产品，还是改造老产品，产品设计都是一项复杂而又细致的工作。它是决定产品质量的关键，直接影响产品的制造成本、生产周期、工艺准备、物资供应、生产组织等。在技术上决定着产品的前途和命运。 2、现代机电产品的文化特点并举例。 1)文化的普遍性，指它是一种社会现象，是社会和群体的纽带，具有极强的共性，正是基于这种特性，才使企业了解和把握消费成为可能。如林肯汽车机械设备生产线生产的汽车的贵族文化、由机电设备生产出的“阿迪达斯”运动产品的运动文化、由酿酒机械设备生产的“孔府家酒”的家文化等，都在产品中注入了贵族、吉祥、浪漫、亲切等众多的人类情感，使人产生联想、回味、感慨等许多美好的感觉，使机电产品接近消费者的情感，征服消费者的心灵，受到消费者的喜爱。 2)文化的相对稳定性。一种文化现象一旦形成具有极大的稳定性，并且对大多数在其环境中的人有着普遍的影响力，不会因为某些外在因素的加入而改变，正是这种稳定性使得企业把握消费群的特点，制定相应的产品战略和营销战略具有实际意义。全球化商品总是依 靠在文化的创造性工作，这创造性可以表现在令人喜爱产品的设计、优秀的品质、崭新的市场观念和有效的成本降低等而使产品风靡全球。如德国人严谨和理性能从他们的机电产品如宝马汽车、西门子生产的数控机床等能使人感受到德国人的一丝不苟的民族文化传统。 3)文化的差异性。由于地域环境、社会经济、民族习惯的不同，一个民族有其自身的风俗人情、生活方式、审美情趣和文化精神，这种民族的文化精神在设计机械设备产品中体现出不同的文化风格。比如：德国人严谨和理性，使他们的设计风格体现出严密的科学性和逻辑性；法国人追求艺术和情调，使他们的设计风格体现出的浪漫和时尚。而中华民族稳重、含蓄、和谐的民族传统文化精神，在设计中体现出的使深沉、储蓄、平稳、圆满的文化风格。 4)文化的可变性。文化是相对稳定的，又不是固定不变的，它会伴随着社会生产力的发展而变化，表现就是人们新的价值观念、审美观念、生活态度、消费观念等，这种变化有一定的偶然因素和不确定性。如中国的海尔集团积极的国际化模式不断丰富企业文化内涵，如今海尔的节能、人性化的设计深层地昭示着中国人乐善、仁厚的儒家思想。提高企业文化层次和品位才能在不久的将来赶上或超过世界名牌产品。 3、现代产品设计中的数字化与并行化特点并举例。 数字化设计特征。具有统一的产品定义模型。数字化设计与制造主要包括用于企业的计算机辅助设计数字化仿真及其相应文档的建立。数字化设计的内涵是支持企业的产品开发全过程、支持企业的产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持企业产品开发流程的控制与优化等，归纳起来就是产品建模是基础，优化设计是主体，数控技术是工具，数据管理是核心。数字
现代设计方法学综述摘要 现代设计方法已经成为一个新的技术领域。经阅读文献 本文从现代设计方法的基本定义出发 通过与传统机械设计方法的对比 阐述现代设计方法的 特点及主要内容 特别是该方法体现的先进性,接着立足于其现状 展望其发展趋势。关键字 现代设计方法 设计思想 传统机械设计方法 主要内容 趋势0 引言目前 随着 科学技术的迅猛发展和计算机技术的广泛应用 市场竞争愈演愈烈 而且市场竞争已是国 际化的、动态化的和多元化的。当前, 我国国民经济各部门也迫切需要质量好、效率高、消耗低、价格便宜的先进的机电产品,而产品设计是决定产品性能、质量、水平和经济效益的重要环节。传统的机电产品设计是一种以强度和低压控制为中心的安全系数设计、经验设计、类比设计和机电分离设计,也称常规设计。而现代机电产品设计方法则是强调创造性 以电子计算机为手段, 运用工程设计的新理论和新方法, 使计算结果达到最优化, 使设计过程实现高效化和自动化。因此, 运用现代设计方法可以适应市场剧烈竞争的需要, 提高设计质量和缩短设计周期。1 现代设计方法的定义及设计思想1. 1 现代设计方法的涵义现代设计方法 Modern Design Technigue 是新理论与计算机应用相结合的产物。它是以思维科学、设计理论系统工程为基础,以方法论为手段,以计算机为工具的各种方案、图样和程序的总和。对此定义作出以下解释: 1 迄今为止, 尚未阅读或检索到有明确给出过现代设计方法的定义, 尽管这种叫法、书名有很多, 或偶尔见到有对现代设计方法(技术)作过某种解释, 但很难视之为对这一概念的定义。 2 虽有文献报道, 在机械设计理论、设计技术等方面出现的新领域中, 已有设计方法学---- 是研究科学的设计思想、设计步骤和设计组织等的方法 及设计系统学---- 是研究对于同一问题所能取得几种设计方案的科学方法, 可也未提到现代设计方法。 3 于是, 借助于各种字词典, 对现代设计方法做出上述定义寻找依据: 现代是个泊来词 是指现在这个时代(中国多指1919 年至现在)。设计为了满足人类和社会的功能需求 将预定的目标通过人们创造型思维 经过一系列规划、分析和决策 产生载有相应的文字、数据、图形等信息的技术文件 以取得最满意的社会与经济效益。方法多指解决问题的门路、程序等。如工作方法、思想方法。综合以上解释, 加之考量现代设计方法领域的实际, 成为定义现代设计方法依据。基于以上依据而给出上述现代设计方法的这个定义, 只是个人认识, 不一定完全正确, 也不一定十分科学, 仅供参考, 并请大家 讨论。1.2 现代设计方法的设计思想科学技术发展的历史和实际表明, 机械工业是科学技术物化为生产力的重要载体。在以前的工业革命尤其是现在的工业化过程中, 机械与电子、信息、冶金、电力、化工、轻工、建筑等诸多领域科技成果的有机结合, 为国民经济的发展和人们生活质量的提高不断地提供了先进设备、器械和用品。科学技术成果要转变为有竞争力的新产品, 设计起着关键性的作用。现代机械设计以理论计算为设计主题 最本质的工作是从无到有创造出一部机器以满足我们的要求 由设计分析和设计综合共同构成贯穿 整个设计过程的始终。也就是说, 机械设计问题是一个决定机械产品一序列的技术、经济及社会环境效果的问题。2 现代设计方法与传统设计方法的比较2.1 传统机械设计方法在传统设计理论发展时期 由于受机械生产水平的制约、客观条件的限制以及当时计算手段的局限等一系列原因, 人们的思维还未被充分开发。同时 社会对机械生产的要求不象今天这样向高速、高效、精密、轻量化、自动化方向发展, 机械系统和产品结构也不象今天这样日趋复杂。传统设计在进行理论分析时, 基于其观念的制约和所确定的力学—数学模型的需要, 常将复杂的具体问题作了一些等效处理,使理论分析的目的性和问题的本质更加明确, 也使分析的过程得到简化。2.1.1 传统设计方式方法分类 1 理论设计根据长期总结出来的设计理论和实验数据所进行的设计称为理论设计。如对简单受拉杆的强度设计设计强度计算式σ≤σlim / s 或F/ A ≤σlim / s 式中 F :作用在杆上的外载荷A :拉杆的横