(完整版)机械优化设计试卷期末考试及答案

第一、填空题

1.组成优化设计的数学模型的三要素是 设计变量 、目标函数 和 约束条件 。

2.可靠性定量要求的制定，即对定量描述产品可靠性的 参数的选择 及其 指标的确定 。

3.多数产品的故障率随时间的变化规律，都要经过浴盆曲线的 早期故障阶段 、 偶然故障阶段 和 耗损故障阶段 。

4.各种产品的可靠度函数曲线随时间的增加都呈 下降趋势 。

5.建立优化设计数学模型的基本原则是在准确反映 工程实际问题 的基础上力求简洁 。

6.系统的可靠性模型主要包括 串联模型 、 并联模型 、 混联模型 、 储备模型 、 复杂系统模型 等可靠性模型。

7. 函数f(x 1,x 2)=2x 12 +3x 22-4x 1x 2+7在X 0=[2 3]T 点处的梯度为 ，Hession

矩阵为 。

（2.）函数()22121212,45f x x x x x x =+-+在024X ⎡⎤=⎢⎥⎣⎦点处的梯度为120-⎡⎤

⎢⎥⎣⎦，海赛矩阵为2442-⎡⎤⎢⎥

-⎣⎦

8.传统机械设计是 确定设计 ；机械可靠性设计则为 概率设计 。 9.串联系统的可靠度将因其组成单元数的增加而 降低 ，且其值要比可靠

度 最低 的那个单元的可靠度还低。

10.与电子产品相比，机械产品的失效主要是 耗损型失效 。 11. 机械可靠性设计 揭示了概率设计的本质。

12. 二元函数在某点处取得极值的充分条件是()00f X ∇=必要条件是该点处的海赛矩阵正定。

13.对数正态分布常用于零件的 寿命疲劳强度 等情况。

14.加工尺寸、各种误差、材料的强度、磨损寿命都近似服从 正态分布 。 15.数学规划法的迭代公式是 1k k k k X X d α+=+ ，其核心是 建立搜索方向，

模型求解 两方面的内容。

17.无约束优化问题的关键是 确定搜索方向 。

18.多目标优化问题只有当求得的解是 非劣解 时才有意义，而绝对最优解存在的可能性很小。

19.可靠性设计中的设计变量应具有统计特征，因而认为设计手册中给出的数据

范围涵盖了均值左右 3σ 的区间。

20.产品可靠性定义的要素为 规定条件 、规定时间 和 规定功能 。 21.与电子、电器设备构成的系统相比，机械产品可靠性特点一是寿命不服从 指数 分布，二是零部件 标准化 程度低。

22.可靠性设计的内容包括 可靠性预测 和 可靠性分配 。 23.

24.并联系统的可靠度 高于 其中任何一个元件的可靠度，且随着并联元件个数的 增加而增加 。

25.最速下降法以 负梯度 方向作为搜索方向，因此最速下降法又称为梯度法，其收敛速度较 慢 。

26. 在选择约束条件时就特别注意避免出现 相互矛盾的约束， ，另外应当尽量减少不必要的约束 。

27. 拉格朗日乘子法的基本思想是通过增加变量将 等式约束 优化问题变成 无约束 优化问题，这种方法又被称为 升维 法。

28.数值迭代方法的核心是 建立搜索方向d k 和 确定合适的搜索步长αk 。 二、名词解释 1．备用冗余系统：

在产品或系统中，将同功能单元或部件重复配置以作备用：当其中一个单元或 部件失效时，用备用的来替代以继续维持其功能，这种系统称为备用冗余系统。 2.凸规划（p32）

对于约束优化问题

()min f X

..s t ()0j g X ≤ (1,2,3,,)j m =⋅⋅⋅

若()f X 、()j g X 都为凸函数，则称此问题为凸规划。 3.可靠性预测

是从所得的失效数据预报一个零部件或系统实际可能达到的可靠度，预报这些零部件或系统在规定的条件下和在规定的时间内，完成规定功能的概率。 4.并联系统

在由若干个单元组成的系统中，只要有一个单元仍在发挥其功能，产品或系统就能维持其功能：或者说，只有当所有单元都失效时系统才失效，这样的系统称为

并联系统。 5．可行搜索方向

是指当设计点沿该方向作微量移动时，目标函数值下降，且不会越出可行域。 6.可行域

满足所有约束条件的设计点，它在设计空间中的活动范围称作可行域。 7.维修性

可维修产品在规定时间内，按照规定的程序或方法进行维修，使其恢复到完成规定功能的可能性。 8.非劣解

是指若有m 个目标()()1,2,i f X i m =⋅⋅⋅，当要求m-1个目标函数值不变坏时，找不到一个X ，使得另一个目标函数值()i f X 比()i f X *更好，则将此X *为非劣解。 9.优化

从几种方案中选出最好的一优选：从设计空间中的无数种方案中用计算机选出最好的一优化。 10.性能约束

指满足特定的工作性能而建立健全的约束条件，如曲柄存在条件、工作应力小于许用应力等。 三、简答题

1.简述机械可靠性的定性设计准则。（10分）[p16-18（10条）]

答：（1）简单化设计准则；（2）模块化、组件化、标准化设计准则；（3）降额设计和安全裕度设计准则；（4）合理选材准则；（5）冗余设计准则；（6）耐环境设计准则；（7）失效安全设计准则；（8）防错设计准则；（9）维修性设计准则；（10）人机工程设计准则。

2.简述根据收敛条件确定的几种迭代终止准则。（6分）[p16-17(3条)] 答：

3.简述可靠度分配的一些原则。（6分）p89

答：（1）对系统的关键部位，分配的可靠性指标应高一些；（2）对易实现高可靠度的子系统，可以提出高可靠度要求；对不宜实现高可靠度的子系统，应提出低的可靠度要求；（3）对元件数目多、复杂程度高的子系统，分配的可靠度可低一些；（4）对改进潜力较大的子系统，分配的可靠度应高一些；（5）对工作环境恶劣的子系统，分配的可靠度可低一些；（6）对便于维修和人工补救的子系统，分配的可靠度可低一些。

4.为什么内点惩罚函数法是机械设计中一般愿意采用的方法？（4分）p136 答：内点惩罚函数法是机械设计中一般愿意采用的方法。应为它有一个诱人的特点，就是在给定一个可行的初始方案后，它能给出一系列逐步改进的可行设计方案。因此，只要设计要求允许，设计人员可以选用其中任一个无约束最优解X *(r (k))，而不一定取最后的约束最优解X *，使设计方案储备一定的能力。

5.简述机械可靠性设计的主要内容。（5分）p13

答：（1）研究产品的故障物理和故障模型；（2）确定产品的可靠性指标及其等级；（3）可靠性预测：（4）合理分配产品的可靠性指标值；（5）以规定的可靠性指标值为依据对零件进行可靠性设计。

6．什么是内点惩罚函数法？什么是外点惩罚函数法？它们各自适用的优化问题是什么？在构造惩罚函数时，内外点法的惩罚因子的选取有何不同？ （6分） 答： 1）内点惩罚函数法是将新目标函数定义于可行域内，序列迭代点在可行域内逐步逼近约束边界上的最优点。（1分）内点法只能用来求解具有不等式约束的优化问题。（1分） 内点惩罚函数法的惩罚因子是由大到小，且趋近于0的数列。（1分）2）外点法相邻两次迭代点在可行域之外，序列迭代点从可行域之外逐渐逼近约束边界上的最优点。（1分）外点法可以用来求解含不等式约束的优化问题。（1分）外点惩罚函数法的惩罚因子，它是由小到大，且趋近于∞的数列。惩罚因子按下式递增1(1,2,)k k r cr k -==⋅⋅⋅，式中c 为惩罚因子的递增系数，