机械优化设计课程教学大纲

《机械优化设计》课程教学大纲

一．课程基本信息

开课单位：机械工程学院

英文名称：Mechanical Optimize Design

学时：总计48学时，其中理论授课36学时，实验（含上机）12学时

学分：3.0学分

面向对象：机械设计制造及其自动化，机械电子工程等本科专业

先修课程：高等数学，线性代数，计算机程序设计，工程力学，机械原理，机械设计

教材：《机械优化设计》，孙靖民主编，机械工业出版社，2012年第 5版

主要教学参考书目或资料：

1.《机械优化设计》，陈立周主编，上海科技出版社，1982年

2.《机械优化设计基础》，高健主编，机械工业出版社，2000年

3.其它教学参考数目在课程教学工作实施前另行确定

二．教学目的和任务

优化设计是60年代以来发展起来的一门新学科，它是将最优化方法和计算机技术结合、应用于设计领域而产生的一种现代设计方法。利用优化设计方法可以从众多的设计方案中寻找最佳方案，加快设计过程，缩短设计周期，从而大大提高设计效率和质量。优化设计方法目前已经在机械工程、结构工程、控制工程、交通工程和经济管理等领域得到广泛应用。在机械设计中采用最优化方法，可以加速产品的研发过程，提高产品质量，降低成本，从而达到增加经济效益的目的。学生通过学习《机械优化设计》课程，可以掌握优化设计的基本原理和方法，熟悉建立最优化问题数学模型的基本过程，初步具备对工程中的优化设计问题进行建模、编程和计算的应用能力，为以后从事有关的工程技术工作和科学研究工作打下一定的基础。

三．教学目标与要求

本门课程通过授课、计算机编程等教学环节，使学生了解优化设计的基本思想，优化设计在机械中的作用及其发展概况。初步掌握建立数学模型的方法，掌握优化方法和使用MATLAB优化工具箱能力。并具备一定的将机械工程问题转化为最优化问题并求解的应用能力

四．教学内容、学时分配及其基本要求

第一章优化设计概述（2学时）

（一）教学内容

1、课程的性质、优化的含义；优化方法的发展与应用；机械优化设计的内容及目的；机械优化设计的一般过程

2、机械优化设计的基本概念和基本术语；优化设计的数学模型；优化问题的几何描述；优化设计的基本方法

（二）基本要求

1、明确本课程的研究对象、内容、性质、任务，明确优化的含义、机械优化设计的内容及目的。

2、了解机械忧化设计的一般过程（步骤）。

3、掌握设计变量、目标函数、约束条件以及优化设计数学模型的一般形式。

第二章优化方法的数学基础（6学时）

（一）教学内容

1、函数的梯度与二阶导数

2、无约束目标函数的极值点存在条件

3、函数的凸性与凸函数

4、目标函数的约束极值问题

（二）基本要求

1、掌握函数的方向导数与梯度、函数的泰勒展开式与海塞矩阵的求解方法。

2、理解凸集、凸函数与凸规划的概念。

3、理解优化问题的数值迭代法；无约束优化问题的极值条件；约束优化问题的极值条件。

第三章一维优化方法（6学时。含讲授4学时，上机2学时）

（一）教学内容

1、一维优化的基本思想；初始搜索区间的确定

2、黄金分割法，二次插值法

（二）基本要求

1、了解一维优化的基本思想。

2、掌握确定搜索区间的方法与区间消去法原理。

3、掌握黄金分割法；二次插值法。

第四章无约束优化方法（10学时。含讲授6学时，上机4学时）

（一）教学内容

1、最速下降法、牛顿型方法

2、共轭方向法、共轭梯度法、DFP变尺度法

3、坐标轮换法、鲍威尔（Powell）法

（二）基本要求

1、掌握最速下降法、牛顿型方法。

2、了解共轭方向法、共轭梯度法、变尺度法。

3、掌握坐标轮换法、鲍威尔法。

第五章线性规划（4学时。含讲授2学时，上机2学时）

（一）教学内容

1、线性规划的标准形式与基本性质

2、基本可行解的转换

3、单纯形法及其应用

（二）基本要求

1、了解线性规划的基本知识。

2、掌握单纯形法求解线性规划问题。

第六章约束优化方法（10学时。含讲授8学时，上机2学时）（一）教学内容

1、随机方向法、复合形法

2、可行方向法、惩罚函数法

（二）基本要求

1、了解约束优化设计的基本思想。

2、了解随机方向法、复合形法、可行方向法。

3、掌握惩罚函数法。

第七章多目标及离散变量优化方法（4学时）

（一）教学内容

1、多目标优化问题及方法

2、离散变量优化问题及方法

（二）基本要求

1、了解多目标优化问题及离散变量优化问题。

2、掌握多目标优化方法和离散变量优化方法。

第八章机械优化设计实例（6学时。含讲授4学时，上机2学时）（一）教学内容

1、MATLAB优化工具箱介绍

2、优化设计在机械设计中的应用（或其它机械方面的）举例（二）基本要求

1、掌握MATLAB优化工具箱常用的优化函数的使用。

2、理解机械优化设计的一般步骤，建立优化数学模型的原则。

3、能够对机械设计问题进行优化设计计算。

五．教学方法及手段

本课程以课堂教学为主，配以适当的上机编程练习。课堂教学全部采用多媒体教学。六．考核方式及考核方法

考核方式：考查

成绩计算方式：总评成绩 = 期末笔试60% + 平时考核40%

七．课内实验（上机）教学安排

（性质：必做、选做；类型：演示、验证、综合、设计研究）