现代设计理论与方法(最终版)

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）（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 ↑成本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]Ts.t. gi(x)<=0 i=1,2,3…mhj(x)=o j=1,2,……n(p<n)2. 迭代过程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：（1）点距准则：(1)1 k k k ksαε+-=≤X X(2)下降准则：(3）梯度准则：4.一维搜索方法 : 对一维（也称一元或单变量）目标函数f(x)寻求其最优解x*的过得程称为一维优化，所使用的方法称为一维优化方法。

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 minf (X) X R n6、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()()i 11(,)()()mk k i r f r g φ==-∑X X X ()()1(,)()[ln(()]mk k ii r f r g φ==--∑X X X 或外点法[]22()()11 (,)()max(0,())()p m K K i j i j r f rg X h X φ==⎧⎫⎡⎤=++⎨⎬⎣⎦⎩⎭∑∑X X()(1)() 1k k r Cr C +=<()(1)() 01k k r Cr C +=<<() lim 0k k r →∞=(1)2()()k k f f ε+-≤X X 13()k f ε+∇≤X混合法2 ()()()i1111(,)()()()pmK KjKjir f r h Xg rφ==⎡⎤=-+⎣⎦∑∑X XX11.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？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)≤16、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，MTBFMTTF：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——t0.59、应力-强度干涉理论。

（书p109）10、可靠性系数的计算公式，并学会通过查表得出其可靠度。

Φ()R RZ R Z==若令则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。