现代设计理论与方法

第一章

1现代设计理论与方法是一门基于思维科学、信息科学、系统工程、计算机技术等学科，研究产品设计规律、设计技术和工具、设计实施方法的工程技术科学。

2设计的概念，广义概念是指对发展过程的安排，包括发展的方向、程序、细节及达到的目标。狭义概念是指将客观需求转化为满足需求的技术系统(或技术过程)的活动。

3设计的含义：为了满足人类与社会的功能要求，将预定的目标通过人们创造性思维，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，这就是设计。

4设计的特征：需求特征、创造性特征、程序特征、时代特征。

5设计的四个发展阶段：直觉设计阶段、经验设计阶段、半理论半经验设计阶、现代设计阶6现代设计与传统设计的区别:

传统设计：以经验总结为基础，运用力学和数学而形成的经验、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。传统设计方法基本上是一种以静态分析、近似计算、经验设计、手工劳动为特征的设计方法。

现代设计：是一种基于知识的，以动态分析、精确计算、优化设计和CAD为特征的设计方法。

7现代设计方法与传统设计方法相比，主要完成了以下几方面的转变：

1）产品结构分析的定量化；2）产品工况分析的动态化；3）产品质量分析的可靠性化；4）产品设计结果的最优化；5）产品设计过程的高效化和自动化。

8现代产品设计按其创新程度可分为：开发性设计、适应性设计、变形设计三种类型。

第二章

1功能分析组合方法：求总功能（黑箱法）分功能求解方法（调查分析法、创造性方法、设计目录法）原理解组合（形态分析法）

第三章

1创造技法：（一）集体激智法：(专题会议法，德尔菲法，635法)通过多人的集体讨论和书面交流，互相启迪，并发灵感，进而引起创造性思维的连锁反应，形成综合创新思路的一种创新技法。（二）提问追溯法：（奥斯本提问法，阿诺尔特提问法，5W-1H提问法）是通过对问题进行分析和推理来扩展思路，或将复杂的问题加以分解，找到各种影响因素，从而扎到问题的解决方案的一种创造性技法。（三）联想类比法：（联想发明发，类比发明发，仿生法，综摄法）通过启发、联想、类比、综合等手段，创造出新的想法，这种创造技法就称联想类比法（四）组合创新法：（性能组合，原理组合，功能组合，结构组合）利用事物间的内在联系，用已有的知识和现有的成果进行新的组合。从而产生新的方案。

第四章

1优化设计的数学模型三要素：设计变量、目标函数和约束条件

设计变量X=[n x x x x ...,,321]T

目标函数),...,()(21n x x x f X f =

约束条件根据形式不同分为不等式约束和等式约束根据性质分为边界约束(是设计变量的约束）和性能约束（是对原料工时约束）

2数值迭代公式()())()(1k k k k S a X X +=+（可行性）且满足)()()()1(k k X f X f 〈+（适用性）

3一维优化方法：直接法（斐波那契法和黄金分割法）间接法（牛顿法和二次插值法） 无约束优化方法：间接（梯度法、牛顿法、变尺度法、共轭方向法、共轭梯度法）。直接法：坐标轮换法、鲍威尔法。

常用的约束优化方法：（直接法）复合形法、可行方向法，（间接法)拉格朗日乘子法和惩罚函数法

4黄金分割法的算法原理：黄金分割法亦称0.618法。它是通过对黄金分割点函数值的计算和比较，不断缩小初始区间得到极小点的一维搜索算法。黄金分割法的特点每次区间缩小的比率都是相等的为0.618.

5二次插值法的算法原理：二次插值法又称抛物线法，是多项式逼近法的一种，它是利用目标函数在单峰区间的两个端点和其间一点（3个点），构成一个与目标函数相接近的二次插值多项式，以该多项式的极小点作为新的中间插入点，进行区间缩小的一维搜索算法。 6梯度法的基本思想：以迭代点的负梯度方向作为每次迭代的搜索方向，直至找到极小点。 7变尺度法与牛顿法、梯度法的区别和联系？

变尺度法的迭代公式)()()()()()1(k k k k k X f H a X X ∇-=+若I H k =)(时是梯度法，若1)()()]([-=k k X H H 是阻尼牛顿法 8牛顿法的基本思想：在点迭代点()k X 附近用一个二次函数()X φ近似的代替目标函数()X f ，()()X X f φ≈，然后用()X φ的极小点作为()X f 的下一个迭代点()1+k X 。

9牛顿法的迭代公式：()()()()[]()()k k k k X f X H X X ∇-=-+11，

阻尼牛顿法又称修正牛顿法的迭代公式：()()()()()[]()()

k k k k k X f X H X X ∇-=-+11α 变尺度法的迭代公式：)()()()()()1(k k k k k X f H a X X ∇-=+

10惩罚函数法的基本思想：在原目标函数中添加一些与约束有关的项，形成一个新的目标函数（即罚函数）以取代原目标函数，然后用无约束优化方法求新目标函数的最优解 惩罚函数法分为内点法和外点法、混合法。

11内点罚函数法与外点罚函数法的区别？

内点法是求解不等式约束优化问题的一种方法，原理是将惩罚函数定义于可行域内，迭代过程在可行域内进行。

外点法是求解等式约束优化问题的一种方法，原理是将惩罚函数定义于可行域外。 混合法求解不等式约束，等式约束优化问题的一种方法

12优化设计一般包括两部分内容：

1）将实际设计问题转变为数学规划问题，即建立数学模型。2）采用适当的最优化方法求解这个数学规划问题，即求解这个数学模型。

13迭代求优的核心：每次迭代方向()k S

和步长因子()k a 的确定。各种优化方法也主要是在

这个核心问题上显示出各自的特色。

14函数极值点所在搜索区间（单峰区间）特征：若已知方向()k S 上的三点123x x x <<及其函数值1()f x 、2()f x 、3()f x ，函数值呈“大—小—大”的关系，即123()()()f x f x f x >< 15梯度法的一般迭代式：()()()()k k k k S X X α+=+1

16梯度法的搜索方向：()()()k k X f S -∇=

17约束优化直接法的基本思想：设法使每一次迭代产生的新迭代点限制在可行域内，且使目标函数值逐步下降，直至最后获得一个在可行域内的约束最优解。直接法要求对产生的每一个新迭代点都要进行可行性和适用性检查。

18约束优化间接法的基本思想：通过一定的变换，将约束优化问题转化为无约束优化问题，然后采用各种无约束优化方法求解。这种方法对不等式约束问题和等式约束问题都适用。 19复合形法的基本思想：通过对复合形各顶点函数值的计算与比较，反复进行点的映射与复合形的收缩，使之逐步逼近约束最优解。

第五章

1可靠性的定义：即可靠性是指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。 2可靠性设计的常用指标的概念及计算公式：

1可靠度：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

2不可靠度：产品在规定的条件下和规定的时间内丧失规定功能的概率

3失效概率密度函数：对不可靠度函数的微分

4失效率产品工作t 时刻时尚未失效的产品，在该时刻t 以后的下一个单位时间内发生失效的概率。

5平均寿命：产品寿命的平均值

3与传统设计方法相比，机械可靠性设计的特点：

1在可靠性设计中，认为作用于零件上的载荷（工作应力）和材料的强度都不是确定量，而是随机变量，具有明显的离散性质。2在可靠性设计中，认为所设计的零部件存在一定的失效可能性，但失效概率应控制在允许范围内，不得超过允许值。