《现代设计理论与方法》教学模式探讨

《现代设计理论与方法》教学模式探讨
第一篇：《现代设计理论与方法》教学模式探讨
摘要：本文针对《现代设计理论与方法》这门课的特点，以虚拟设计技术为实例，以提高学生应用能力，进而实现创新能力的培养为目标，针对《现代设计理论与方法》课程的教、学、考等方面的教学模式进行了分析探讨。

引言
随着科学技术的迅猛发展以及计算机技术的广泛应用，设计领域正在进行一场深刻的变革，各种现代设计理论与方法不断涌现，设计方法更为科学、系统、完善和先进。

传统设计方法已发展成为一门新兴的综合性、交叉性学科——现代设计理论与方法。

现代设计理论与方法的广泛应用，必将为我国的工业生产带来巨大的经济效益，对提高我国工业产品的设计质量，缩短设计周期，推动设计工作的现代化、科学化方面将发挥巨大作用。

《现代设计理论与方法》涉及到的内容较多，设计方法种类繁多，而且课时有限，传统的讲解授课模式，教学效果必然是课堂气氛沉闷，学生感觉枯燥、单调，为此应根据《现代设计理论与方法》课程的特点，积极探讨教学方法，分析学生的知识结构，以应用为主导，适可兼并理论，综合应用多种教学手段，多侧面、多角度的向学生展示知识信息。

1.教学模式的探讨
1.1传统设计与现代设计的比较
传统设计常用的设计方法有理论设计、经验设计和模型试验设计，设计过程是利用经验公式通过大量的手工或计算机计算，对所设计的产品的尺寸参数、性能等计算求解，制作模型样机，对实物样机进行试验分析、研究，有些试验是破坏性的，当通过试验发现缺陷时，又要回头修改设计制作样机，并再用样机试验，只有通过周而复始的设计——试验——设计过程，产品才能达到设计要求。

现代设计设计方法很多：优化设计、虚拟设计、有限元分析，并
行设计，设计过程是利用现代设计手段，辅助计算机应用技术，在各种虚拟环境中真实地模拟产品的各种特性、工作环境，快速分析各种设计方案，进行对实物样机而言难以进行或根本无法进行的试验，直到获得最优的设计。

通过现代设计与传统设计的比较教学，使学生认识到现代设计的优点和传统设计的弊端，充分认识现代设计的设计过程、特点，以便更好的理解现代设计，利用现代设计方法进行产品设计开发，增加学习的积极性。

1.2理论教学与应用教学的统一
现代设计理论与方法设计理论复杂，牵扯的内容深，范围广，本科生很难理解和接受，所以教学中多利用现有的、成熟的设计实例，介绍其在产品设计中的使用过程、分析方法，同时兼顾设计理论的要点，使学生即会利用设计方法的设计过程、特点，同时明白设计方法的理论及应用，这样对于设计比较复杂的产品、较深的设计理论，枯燥的设计方法学习使学生能够用得得心应手，游刃自由。

1.3多媒体观摩教学
要提高教学质量，还必须进行教学手段的革新。

多媒体技术是利用多媒体计算机综合处理和控制文字、图形、声音、图形、图像、动画和活动视频多种形式的媒体信息，是计算机辅助教学的最佳手段，可以按照教学需要、在诸多媒体元素之间建立起一定的逻辑关系，从而把它们有机的结合并呈现出来，同时完成一系列的人机交互式操作，并在这种交互过程中完成教学目标。

1.4网络教学
建立网上教学平台，以浏览器为用户界面，将课程教学文件、教学研究、学术动态及相关信息上网，用于指导学生学习，建立教学论坛，充分利用网络功能，调动学生的学习积极性，主动性，使师生共同学习，共同进步。

2.实践教学模式的探讨
2.1开设现代设计理论与方法设计综合设计实验周
由于学生课堂学习有限，很难做到现代设计理论与应用的综合试
验训练，通过开设综合实验周，使学生集中一定时间，利用产品现代设计与开发过程，综合练习、理解掌握现代设计理论与方法的理念、应用和技巧，达到理论与实践的学习，充分掌握现代设计方法。

2.2现代设计方法与理论课外大赛
采用命题与自主命题的方式，在规定的时间内，要求学生利用现代设计方法完成某个小产品的设计开发、并进行有关的性能分析。

通过举办现代设计课外作品大赛，一是可以普及推广现代设计的应用，还可以增加学生利用现代设计理论与方法能力的锻炼、增强学生的学习积极性，更好地融汇理解学习自己的专业知识。

3.考试模式的探讨
现代设计理论与方法的特点，是培养学生利用现代设计的能力，所以考试命题应注重应用能力的培养，考试可采用多种形式，如笔试测验与产品设计应用大作业综合训练的方式进行。

3.1教师命题上机操作
上课教师根据教学的重点，选择适合的命题，要求学生利用一种现代设计方法，在规定时间内，在计算机上完成产品的现代设计与分析试验研究；同时为了兼顾更好地、更多地掌握现代设计理论与方法，可以笔试测验一部分现代设计方法，以更广泛的掌握理解现代设计理论与方法，即采用实际操作与笔试联合考核的方式进行。

3.2设计论文
这种测试方法是把设计的内容、要求发给学生，要求学生在一段时间内完成设计，并提交设计分析论文，这种测试方法灵活性强，题目可大可小，也可以因人的能力不同，适合布置设计题目，同时设计题目可以是实际工程上的真题真做，也可以真题假做，学生可以充分发挥能动性，知识性、实用性和趣味性、创造性，在虚拟环境下设计出符合要求的产品，并议论文的形式写下来，这样既可以考核学生掌握现代设计理论与方法的掌握，又能锻炼学生的创新能力。

4.结论
实践证明，通过教、学、考等环节的模式教学行之有效，可明显改善传统教学模式的种种弊端，增加教学的可视性、知识性、实用性
和趣味性，使教学过程生动、鲜活、附有节奏感和时代气息，激发学生学习兴趣和创造性、参与性，提高学生分析实际问题的能力，为学生将所学理论和技能应用于生产和科研工作中打下坚实的基础。

第二篇：《现代设计理论与方法》复习提纲
《现代设计理论与方法》复习提纲
第一章
设计方法学
1.现代设计目标：缩短产品设计周期；提高产品质量；降低生产成本。

T--缩短产品设计周期
Q--提高产品质量
C--降低其成本
2.传统设计法特点：静态的、经验的、手工式的、（近似计算）
现代设计法特点：动态的、科学的、计算机化的、（精确计算）
3.现代设计理论与方法的发展分为：（1)直觉设计阶段
（2)经验设计阶段
（3)半理论半经验设计阶段
（4)现代设计阶段4.系统－执行特定功能而达到特定目的，相互联系，相互作用的元素。

具有特定功能的、相互间具有一定联系的许多要素构成的一个整体，即由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体都是系统。

5.系统化设计的特征：由上而下、由总到细。

基本方法：系统的分析和综合。

6.黑箱法定义：把系统看成是一个不透明的，不知其内部结构的“黑箱”，在不打开黑箱的前提下，利用外部观测，通过分析黑箱与周围环境的信息联系,了解其功能的一种方法。

根据系统的某种输入及要求获得某种输出的功能要求，从中寻找出某种物理效应或原理来实现输入-输出之间的转换，得到相应的解决方法，从而推求出“黑箱”的功能结构，使“黑箱”逐渐变成“灰箱”、“白箱”的一种方法。

7.系统化设计的步骤：
8、评价的目标内容：
（1)技术评价目标——可行性，创造性，可靠性
（2)经济评价目标——成本，利润，市场潜力
（3）社会评价目标——社会效益和影响
9.技术-经济评价法
（a)技术价 Wt :
Wt=(Piqi)/Pmax
（Pi-各技术评分值；qi-加权系数；Pmax-最高分值5分或10分）《现代设计理论与方法》复习提纲
（b)经济价Ww：
Ww=Hi/H=0.7Hz/H
（Hi-理想成本；H-实际成本）
（c)技术-经济综合评价：
均值法：W=（Wt+Ww)/2
双曲线法：
W=(Wt.Ww)
10.产品价值
V=F/C
(F-功能
C-成本)
11.寿命周期成本（要会画出它的曲线图，并做分析）
C=C1+C2
C1-生产成本
C2-使用成本
12、提高V途径（分5种情况讨论）
F ↑
/C →
=V ↑ 功能F →
/C ↓
=V
F ↑
/C ↓
=V ↑ 功能、成本F ↑↑
/C ↑
=V ↑ 功能
F ↓
/C ↓↓
=V ↑ 成本
第二章
机械优化设计
1.优化设计的数学模型
统一形式描述：
min f(x)x=[x1,x2,………xn]
T s.t.gi(x)<=0 i=1,2,3…m hj(x)=o j=1,2,……n(p
X（k+1）=x（k）+α（k）s（k）
x（k）——第K步迭代点
α（k）——第K步迭步长
s（k）——第K步迭代方向
3.终止准则：
X(k+1)-Xk=αksk≤ε1（1）点距准则：《现代设计理论与方法》复习提纲
(2)下降准则：
f(X(k+1))-f(Xk)≤2
k+1(3）梯度准则：
34.一维搜索方法: 对一维（也称一元或单变量）函数f(x)寻求其极值点x*就是一维优化方法中限制最优解问题。

5.无约束极小化问题（无约束优化问题）：对于一个n维目标函数，在没有任何限制条件下寻求它的极小点的问题。

数学上表达为
X
R n
6、无约束优化方法分为哪两类方法，它们分别是什么？
（1）非梯度算法（不使用导数信息）：随机搜索法、坐标轮换法、Powell法、模式搜索法、单纯形法；
（2）梯度算法（使用导数信息）：梯度法、共轭梯度法、牛顿法、变尺度法。

7、变尺度法集合了梯度法和牛顿法的哪些优点？
前期属于梯度法，收敛速度快；后期属于牛顿法，在迭代极值点速度最快。

8.单纯形法——对整个区间的点进行搜索，典型的直接法。

复合形法基本思路：在可行域中选取K个设计点（n+1≤K≤2n）作为初始复合形的顶点。

比较各顶点目标函数值的大小，去掉目标函数值最大的顶点(称最坏点)，以坏点以外其余各点的中心为映射中心，用坏点的映射点替换该点，构成新的复合形顶点。

反复迭代计算，使复合形不断向最优点移动和收缩，直至收缩到复合形的顶点与形心非常接近，且满足迭代精度要求为止。

初始复合形产生的全部K个顶点必须都在可行域内。

9.有约束优化问题的分类：
直接法包括：网格法、复合形法、随机试验法、随机方向法、可行方向法。

间接法包括：惩罚函数法（内点法、外点法、混合法）、广义乘子法
10、要学会用公式构造惩罚函数（内点法和外点法）。

内点法
ε∇f(X)≤ε1 或φ(X,r(k))=f(X)-r(k)φ(X,r)=f(X)-r∑i=1gi(X)(k)(k)m∑[ln(-g(X)]ii=1m r(k)=0 r(k+1)=Cr(k)(0<C<1)limk→∞外点法
φ(X,r(K))=f(X)+r(K)p⎧m2⎫2⎡⎤max(0,g(X))+h(X)[]⎨∑∑i⎣j⎦⎬i=1j=1⎩
⎭
r(k+1)=Cr(k)(1<C)
K(φ(X,r(K))=f(X)-r11+(K)∑ri=1gi(X)3
m)∑⎡⎣h(X)⎤⎦jj=1p2 《现代设计理论与方法》复习提纲
11.要学会用黄金分割法、牛顿法，梯度法进行具体的计算12.多目标优化方法常用方法:（1）线性加权组合法；（2）功效系数法；（3）主要目标法。

第三章有限元法及其应用
1.你所知道的有限元分析软件有哪些？
ANSYS、SAP、ASKA、MARC、ADINA、NASTRAN、FEPG、COSMOS等 2.ANSYS包括三个部分：
前处理模块、分析计算模块、后处理模块。

3.有限元的基本思想是什么？(网上答案：自己删节)是把连续的几何机构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，同时选定场函数的节点值作为基本未知量并在每一单元中假设一个近似插值函数以表示单元中场函数的分布规律，再建立用于求解节点未知量的有限元方程组，从而将一个连续域中的无限自由度问题转化为离散域中的有限自由度问题。

求解得到节点值后就可以通过设定的插值函数确定单元上以至个集合体上的场函数。

对每个单元，选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部、在子域分界面上以及子域与外界面上都满足一定的条件。

单元组合体在已知外载荷作用下处于平衡状态时，列出一系列以节点、位移为未知量的线性方程组，利用计算机解出节点位移后，再用弹性力学的有关公式，计算出各单元的应力、应变，当各单元小到一定程度，那么它就代表连续体各处的真实情况。

4、有限元法的分析过程？
1)连续体离散化
2）单元分析
3)整体分析
4）确定约束条件
5)有限元方程求解
6)结果分析与讨论
5、有限元求解应力问题的三种方法：位移法、力法、混合法。

6、有限元法的力学基础是什么？
弹性力学，结构力学、材料力学等
7、三种常见杆状单元：杆单元、平面梁单元、空间梁单元。

8、形函数N：反映单元内位移的分布形态，是x y坐标的连续函数。

形函数N仅与坐标值x y有关，与位移大小无关《现代设计理论与方法》复习提纲
第四章机械可靠性设计
1.可靠性的由来和发展
研究对象：寿命特征
基础：概率论、数理统计理论
知识：系统工程学、人机工程学、价值工程学、安全工程学等2.机械可靠性设计的难点
1）应力因素对机械产品的失效率的影响难以准确预计
2）机械产品的寿命试验都很昂贵。

3）机械产品的可靠性数据资源非常缺乏。

3.可靠性：是指产品在规定条件和规定时间内，完成规定功能的能力。

四要素：１）研究对象
２）规定的条件
３）规定的时间
４）规定的功能4.可靠度R（t）：产品在规定的条件下和在规定的时间内，完成规定功能的概率。

5、失效概率F（t）：产品在规定的条件下和在规定的时间内，丧失规定功能的概率。

R（t）+(t)=1
R(t)=1-F(t)
0≤R(t)≤1，0≤F(t)≤1
6、失效率λ(t)
失效率即故障率，是判断产品失效规律的基本参数。

简化定义：产品工作到时刻t,在此时刻以后的单位时间内发生失效的概率。

近似计算公式为：
λ*(t)=(n(t+Δt)-n(t))/([N-n(t)]Δt)
7、失效率曲线的三个特征区（要求能画出浴盆曲线）
早期失效区——试车、跑合阶段
正常工作区——使用寿命区λ(t)≤ λ0
功能失效区——疲劳和磨损阶段
8、会计算以下可靠性寿命指标
平均寿命——MTTF，MTBF
MTTF：
MTBF：
维修度：在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法完成维修的概率。

(M(t))
有效度：可以维修的产品在某时刻具有或维持规定功能的概率。

可靠寿命——tr
中位寿命及特征寿命——t0.5
9、应力-强度干涉理论。

（书p109）《现代设计理论与方法》复习提纲
10、可靠性系数的计算公式，并学会通过查表得出其可靠度。

若令ZR=μc-μsσ+σ2c2s则R=Φ(ZR)
ZR-----称为可靠性系数（或可靠性指数）
两类可靠性问题：
①已知ZR，求R=Φ(ZR)
可靠性估计
②已知R，求ZR=Φ-1(R)
可靠性设计 10.典型机械系统分为哪几种？
串联、并联、混联、表决系统
11.机械系统可靠度分配一般遵循哪些原则？
（1）技术水平。

对技术成熟的单元，能够保证实现较高的可靠性，或预期投入使用时可靠性可有把握地增长到较高水平，则可分配给较高的可靠度。

（2）复杂程度。

对较简单的单元，组成该单元零部件数量少，组装容易保证质量或故障后易于修复，则可分配给较高的可靠度。

（3）重要程度。

对重要的单元，该单元失效将产生严重的后果，或该单元失效常会导致全系统失效，则应分配给较高的可靠度。

（4）任务情况。

对整个任务时间内均需连续工作以及工作条件严酷，难以保证很高可靠性的单元，则应分配给较低的可靠度。

其它章节（以概念题为主，此部分占分较少）
1.列出你所知道的现代设计方法有哪些？
如并行设计、相似设计、稳健设计、绿色设计、智能设计、模糊设计、虚拟设计、动态设计和疲劳设计等
2.CAE——计算机辅助工程
CAM——计算机辅助制造
CAPP——计算机辅助工艺设计（前两者的联系桥梁）
PDM——产品数据管理
MPR-II——制造资源规划
ERP——企业资源规划
CIM/CIMS——现代集成制造系统《现代设计理论与方法》复习提纲
3.相关性设计
相关性设计是为设计工作提供了极大的方便，系统会自动地更新与用户所修改的部分有关系的内容。

4.动态分析法
实际产品往往是由一定数量的零件通过各种方式联接而成的机械系统，这时需要对整个系统进行静态和动态分析。

用黑箱法对此进行分析：首些要建立对象的数学模型，通常用复域中的传递函数、频域中的频率特性及时域中的微分特性来描述其数学模型。

5.变型设计
它是实现快速响应的一种方法，这种方法特别强调对企业产品信息的标准化、规范化重组，通过对企业现有成熟产品的变型再设计，使企业的宝贵信息资源得到尽可能多的重用，从而实现快速响应，以赢得市场。

基本方法：相似设计和模块化设计 6.快速成型
它是近年来形成的一种全新技术，它完全摆脱传统“去除材料”加工方法，而是采用全新的“增加材料”加工法，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合。

7.绿色设计的概念
通常也称为生态设计、环境设计、生命周期设计或环境意识设计等
设计过程划分：1）产品提高
2）产品再设计
3）产品功能创新
4）产品系统创新 8.虚拟设计：
虚拟设计是随着科学技术的发展，特别是计算机辅助技术的发展而发展起来的新设计方法。

它是以虚拟现实技术为基础，以机械产品为对象的设计手段。

9.虚拟现实：
在这工具帮助下，设计人员可预先以连续的、更加直观的方式观察和探索新概念、新工程或新产品。

目前，没有任何技术可以代替它。

10.虚拟设计的特点：
它能使产品设计实现更自然的人机交换，能系统考虑各种因素，把握新产品开发周期的全过程，提高产品设计的一次性成功率，缩短产品开发周期，降低生产成本，提高产品质量 11.虚拟技术有以下显著的特性：
1）自主性
2）交互性
3）沉浸感
4）实时性 12.虚拟环境交互技术主要集中在三个方面：
听觉、触觉反馈系统、视觉
13.虚拟设计的近期目标：把设计人员从键盘和鼠标上解脱下来。

远期目标：创新设计
责任编辑：金祖近、朱苏凯
第三篇：现代设计理论与方法试卷
现代设计方法试题
一、单项选择题
1．CAD一词已经成为世界通用的名词，它是指（A）A．计算机辅助工程 B．计算机辅助制造
C计算机辅助设计 D．计算机辅助工艺规程设计 3．设备坐标系的维数一般为（B）A．一维 B．二维 C三维 D．四维 4．将平面图形沿X方向平移10个单位，沿Y方向平移15个单位，其坐标变换矩阵为（A）A． B．
C．D．
7．对约束优化问题，设计变量的选择（C）A．可以在可行域中B．不允许在可行域中 C．只允许在可行域中 D．不一定在可行域中8．要将一个有约束问题的求解转化为一系列无约束问题的求解，可以选择（C）A．复合形法B．简约梯度法C．罚函数法D．共轭梯度法9．在解决线性规划问题时，首选的优化方法为（B）A．外点罚函数法 B．单纯形法 C．拟牛顿法 D．变尺度法 11．有限元分析中，下列单元属于二维单元的是（D）
A．六面体单元B．四面体单元C．杆单元D．三角形单元12．用有限元方法求解问题获得的解属于（A）A．近似解B．精确解C．解析解 D．半解析解
13．采用杆单元进行平面刚架有限元分析，杆单元的一端具有（B）A．两个自由度 B．三个自由度 C．四个自由度 D．六个自由度14．某刚架单元两节点对应的总体编码为5和3，则局部座标系下的单元刚度系数k在总体刚度矩阵中的位置为（D）
A．第5行第3列
B．第14行第3列
C．第5行第14列
D．第14行第14列 1 5．在平面应变问题中，沿轴线方向（C）
A．应变、应力都为零 B．应力为零，但应变不为零
C．应变为零，但应力不为零 D．应变、应力都不为零
16．若产品的平均寿命等于失效率的倒数则产品的寿命服从（C）A．正态分布B．泊松分布C．指数分布D．二项分布17．在平均安全系数不变的情况下，由于强度(或应力)的分散度增大会使零件的可靠度（A）A．降低 B．提高 C．不变 D．无法确定
18．当系统中任何—个零件发生故障都会导致整个系统失效，该系统是（A）A．串联系统B．冗余系统C．表决系统D．非工作冗余系统 19．并联系统的可靠度比组成该系统的零件的可靠度（B）A．底B．高 C．相等 D．不确定
20．产品工作到t时刻后的单位时间内发生失效的概率称为（D）A．平均寿命 B．平均失效密度 C．平均可靠度 D．平均失效率
二、多项选择题
21．下列设备属于CAD的输入设备的，有（BCE）
A．显示器 B．扫描仪 C．键盘 D．绘图仪 E．光笔
22．通过矩形窗口与矩形视区的匹配，可以实现图形的（ABD）A．放大 B．缩小 C．锗切 D．摇视 E平移
23．下列方法中属于利用目标函数的导数构造搜索方向的优化方法有（BE）A．坐标轮换法 B．梯度法 C．单纯形 D．Powell法 E．变尺度法 24．单元刚度矩阵具有（ACE）
A．奇异性 B．正定性 C．分块性 D．稀疏性 E．对称性
25．如图所示的2／4表决系统，下列情况系统可以正常工作的是（ABCDE）A．a、b失效c、d正常 B．a失效b、c、d正常 C．a、
b、c、d正常 D．a、c正常b、d失效 E．a、d失效b、c正常
三、填空题
26．可靠度是对产品可靠性的概率度量。

27．系统的可靠度取决于组成系统的零部件的可靠度和零部件的组合方式。

28．CAD系统的软件根据其用途可分为三类，它们是：系统软件、支撑软件和专用。

29．在实体的边界表面表示法(B--re：p)中，实体外表面信息数据可分为两类，它们是几何信息数据和拓扑结构信息数据。

30．优化问题按目标函数的性质和约束的性质分为无约束优化问题和有约束优化
31．对于一种优化算法，如果从理论上讲经过有限步搜索可求出二次目标函数的极值点，则这种算法具有二次收敛性。

32．工程数据采用程序化方法处理时，一般有两种方法，一种为查表、插值的方法，另一种为将数据和线图拟合成经验公式。

33．梯度方向是指函数值增长最快的方向。

34．对结构进行有限元分析时，结构所受的载荷可以分为节点载荷和非节点载荷，对于非节点载荷需要进行载荷的移置处理。

35．用有限元法求解汽车在路面谱激励下的响应，该问题属于瞬态问题。

四、简答题
38.在有限元分析中，对结构划分的单元数是否越多越好？为什么？答．不是。

单元的数量取决于要求的精度、单元的尺寸和自由度数。

虽然一般单元的数量越多精度越高，但也有一个界限，超过这个值，精度的提高就不明显。

39.系统的可靠分配按分配原则不同，有哪些分配方法？各自分配原则是什么？答．（1）系统的可靠度分配方法有：等同分配法、加权分配法和动态规划最优分配法。

（2）（a）等同分配法按系统中各元件（子系统或零部件）的可靠相等的原则进行可靠度分配。

（b）加权分配法按各子系统在整个系统中的重要度以及各子系统的复杂度作为权重的原则来分配可靠度。

（c）动态规划最优分配法可以把系统的成本等因素为最小作为目标函数，而把可靠度不小于某给定值作为约束条件的原则分配可靠度；也可以把系统的可靠度尽可能大作为目标函数分配可靠度。

43．一组合变换如下，先将图形绕（3，4）点旋转60°，然后放大一倍。

试求该组合变换的变换矩阵；。