现代设计方法第三章
【2019年整理】现代设计方法(ch1)
子系统，超系统：汽车=轮胎+发动机+转向系，交通系统性
③ 技术过程：加工过程，工作过程
④ 技术过程的特点：不唯一
1.3 技术系统及其确定
一、技术系统 2.技术过程的确定步骤：
① 根据信息集约和调研预测的资料，分析确定作业对 象及其主要转换要求；
② 分析比较传统理论、现代理论和实践，确定实现主 要转换的工作原理；
7 经济成本
8 人机工程
9安 全
10 包装运输
课题名称 起止时间 课题经费
基本功能 辅助功能 作业对象：物料形状、尺寸、理化性质等 工 况：负载情况 环 境：温度、湿度、振动、噪声、灰尘等 动 力：功率、力、转矩等 运 动：运动形式、速度、加速度等 结构尺寸：作业尺寸、体积、重量 生产率(理论的、额定的、实际的) 可靠度、维修度和有效度 一次性使用寿命、多次性使用寿命(大修) 材料费、设计费、制造加工费、管理费、税费 操作方便、省力、视野宽广、舒适、仪表显示清晰、造型美观适度 保证人身安全、设备安全、如：过载保护 触电保护、连锁装置等 考虑运输方法,如：防震 、防腐、防锈、各种标记等
3. 评价过程中的几项主要工作
选定评价准则。如：成本低、寿命长、结构简单、 可靠性高等等 为评价准则选定度量尺度。即评价好坏的标准
确定评价对象有关各项准则的价值。即按预定 度量尺度对评价对象进行评定
对各单独评价值进行合成，以便对评价对象做 出总的比较
4、评价的意义
评价是决策的基础和依据
方案评价是提高产品质量的首要前提
地设计，必须对每一设计程序的信息，随时进行审核， 决不许有错误的信息流入下一道工序。实践证明，产品 设计质量不好，其原因往往是审核不严造成的。因此， 适时而严格地审核是确保设计质量的一项重要原则。
现代设计理论和方法-3c
三、技术----经济评价法
先评出方案的技术价Wt和经济价Ww，然后 用相对价W和Wt、Ww构成的平面坐标系作出优 度图，对方案进行技术一经济综合评价。 下面举例说明。
例 2： 高速专用磨床的主轴前支承有三种方案。 1、三排深沟球轴承 2、三瓦液体动压轴承 3、球面液体静压轴承 已知各方案的技术指标b1i、W2i 、W3i及加权 系数qi，和各方案的生产成本Hi 及理想成本HI ， 试评价决策出较好方案。
投资隶属度
隶属度函数式为： 优：
(0 c 5) 1 15 c (c ) (5 c 15) 15 5 0 (15 c)
(c 5) (5 c 15) (c 15) (15 c 30 ) (c 30 )
0 c5 15 5 中： (c) 1 30 c 30 15 0
为比较各目标的重要程度，定量评价时要设加 权系数。一般各加权系数qi <1，而∑qi=1。
总目标为b，一阶子目标为b1，b2…，二阶子 目标为b11，b12，…，b21，b22，…。依此类推。 加权系数也有一阶加权系数q1 ，q2，…，二 阶加权系数q11 ，q12，…，q21 ，q22，…。 子目标加权系数之和等于上一级目标的加权系 数。 评价目标树如下图所示。
例3
对建立某计算机管理系统的三个方案进行评 价决策。投资控制在30万元以内，15万元为中， 低于5万元为优。要求性能完善、建成周期短。 方案和评价目标情况见下表。
评价目标树见下图
解： 评价目标集B=（投资 ，性能，周期） 评价集P=（优，中，差） 加权系数集Q=（0.2，0.55，0.25） 对投资求隶属度：先用隶属函数求隶属度，在 模糊数学的十几种隶属函数中，选直线隶属函数， 求隶属度如下图。
现代设计方法课件----讲稿
讲稿课程名称：现代设计方法Modern Design Method 课型：选修课总学时：40学分数：2任课教师：ooooo授课对象：2006级华中农业大学工学院《现代设计方法》课程大纲第一章绪论（2h）第一节概述第二节现代设计方法的概念第三节现代设计方法的主要内容第四节现代设计方法的学习的目的与意义第二章优化设计（20h）第一节优化设计的基本概念与数学模型第二节优化设计的几何意义与终止准则第三节一维搜索方法第四节无约束优化方法第五节约束优化方法第六节多目标优化方法与离散变量优化问题第三章可靠性设计（8h）第一节可靠性设计概述第二节可靠性基本概念和理论第三节系统可靠性模型的建立、可靠性预计和分配第四节可靠性设计方法第四章有限元法（8h）第一节有限元法概述第二节有限元法的基本思想及其应用第三节有限元法求解实例第四节几种大型有限元分析系统简介第五章其他现代设计方法（2h）第一节可靠性设计第二节动态设计第三节人机工程学第四节其它方法简介本章小结第一章绪论第一节概述一、现代设计的概念设计：设计在通俗中说来是把各种先进技术成果转化为生产力的一种手段和方法。
它是从给出的合理的目标参数出发，通过各种方法和手段创造出一个所需的优化系统或结构的过程。
设计方法设计中的一般过程及解决具体设计问题的方法、手段。
传统设计(Traditional Design)：人类的设计活动经历了直觉设计阶段、经验设计阶段、半理论半经验设计阶段，即所谓的传统设计阶段。
现代设计(Modern Design)：以市场需求为驱动、以知识获取为中心、以现代设计思想、方法和现代技术手段为工具，考虑产品的整个生命周期和人、机、环境相容性等因素的设计。
二、现代设计方法的产生背景（以机械工业为例）：1)设计理论和实践的变化：过去，机械产品设计理论主要以力学为基础，在实践上主要以经验作为基础，现在，作为基础的理论远不止力学，还有系统论、控制论、信息论、传感理论、信号处理理论、电子学、计算机等等，作为实践的基础远不止经验，而且还涉及各有关的学科，同时，自身也在形成自己的学科体系——制造理论、工艺理论。
现代设计方法第三章试题
现代设计方法 第三章试题第一部分 选择题一、单项选择题 (每小题1分) 在每小题列出的四个选项中只有一个选项是符合题目要求的，请将正确选项前的字母填在题后的括号内。
1、若把平面应力问题的单元刚度矩阵改为平面应变问题的单元刚度矩阵只需将（ ） A.E 换成E/(1-μ2)，μ换成μ/(1-μ2) B.E 换成E/(1-μ2)，μ换成μ/(1-μ) C.E 换成E/(1-μ)，μ换成μ/(1-μ2) D.E 换成E/(1-μ)，μ换成μ/(1-μ) 2、对一根只受轴向载荷的杆单元，k ij 为负号的物理意义可理解为（ ） A.当节点j 沿轴向产生位移时，在节点i 引起的载荷与其方向相同 B.当节点j 沿轴向产生位移时，在节点i 引起的载荷与其方向相反 C.当节点j 沿轴向产生位移时，在节点i 引起的位移与其方向相同 D.当节点j 沿轴向产生位移时，在节点i 引起的位移与其方向相反3、某平面三角形单元，其局部码依次对应的总码分别为8、2和6。
该单元刚度矩阵中的元素k 25，应放入总体刚度矩阵[K]的（ ）A.第20行5列B.第16行11列C.第20行10列D.第16行8列 4、平面刚架结构与桁架结构的单元刚度矩阵各为( )A. 6×6，6×6B. 6×6，4×4C. 4×4，6×6D. 4×4，4×4 5、平面刚架单元刚度矩阵的坐标转化为( )A.［K ］(e)=T(e)[T]［k ］(e)［T ］(e) B.［K ］(e)=［T ］(e)［k ］(e)T(e)[T]C.［K ］(e)=T(e)[T]［k ］(e)-1(e)[T]D.［K ］(e)=-1(e)[T]［k ］(e)T(e)[T]6、半斜带宽矩阵r 行s 列的元素对应于竖带矩阵元素( )。
A.r 行s 列B.r 行s-r 列C.r 行s-r+1列D.r 行s-r-1列 7、图示三角形单元非节点载荷的节点等效载荷（厚度t=1cm ）（ ）A. F yi =-100KN F yj =-50KN F yk =0B. F yi =-80KN F yj =-70KN F yk =0C. F yi =-70KN F yj =-80KN F yk =0D. F yi =-50KN F yj =-100KN F yk =08、对于平面桁架中的杆单元，每个节点在整体坐标系中的位移分量个数为（ ） A 、1 B 、2 C 、3 D 、4 9、在任何一个单元内（ ）A 、只有节点符合位移模式B 、只有边界点符合位移模式C 、只有边界点和节点符合位移模式D 、单元内任意点均符合位移模式10、对于每节点具有三个位移分量的杆单元，两节点局部码为1，2，总码为4和3.则其单元刚度矩阵中的元素k 12应放入总体刚度矩阵［K ］的（ ） A 、第1行第2列上 B 、第4行第3列上 C 、第4行第6列上 D 、第10行第11列上 11、平面应力问题中(Z 轴与该平面垂直)，所有非零应力分量均位于（ ）A 、XY 平面内B 、XZ 平面内C 、YZ 平面内D 、XYZ 空间内 12、平面三角形单元内任意点的位移可表示为三个节点位移的（ ）A 、算术平均值B 、代数和C 、矢量和D 、线性组合 13、坐标转换矩阵可归类为（ ）A 、正交矩阵B 、奇异矩阵C 、正定矩阵D 、对称矩阵14、在一平面桁架中，节点3处铅直方向位移为已知，若用置大数法引入支承条件，则应将总体刚度矩阵中的（）A、第3行和第3列上的所有元素换为大数AB、第6行和第6列上的对角线元素乘以大数AC、第3行和第3列上的所有元素换为零D、第6行和第6列上的所有元素换为零15、图示平面结构的总体刚度矩阵［Ｋ］和竖带矩阵［K*］的元素总数分别是（）A、400和200B、400和160C、484和200D、484和16016、图示弹簧系统的总体刚度矩阵为（）A、1B、C、D、17、轴对称问题中，值等于零的应变是（）A.γrθB.γrzC.εθD.εr18、在有限元分析中，划分单元时，在应力变化大的区域应该（）A、单元数量应多一些，单元尺寸小一些B、单元数量应少一些，单元尺寸大一些C、单元数量应多一些，单元尺寸大一些D、单元尺寸和数量随便确定22、在弹性力学平面刚架问题中，已知相邻节点总码的最大差值为5，则半宽值为( )A. 10B. 18C. 15D. 1223、图示的四根杆组成的平面刚架结构，用杆单元进行有限元分析，单元和节点的划分如图示，则总体刚度矩阵的大小为（）A、8×8阶矩阵B、10×10阶矩C、12×12阶矩阵D、16×16阶矩阵24、已知单元的节点局部与总码的对应关系如下，单元e:1(e)、2(e)、3(e)——5 、3 、2试写出单元e 在整体坐标中的单元刚度矩阵为( )A.［K ］(e)= 222325323335525355K K K K K K KK K B.［K ］(e)=555352353332252322K K K K K K KK K C.［K ］(e)=223252233353253555K KK K K K K K K D.［K ］(e)=223525533323523222K KK K K K K K K25、对薄平板来说其沿板厚方向的应力问题( )A.应力为零，应变为零B.应力不为零，应变为零C.应力为零，应变不为零D.应力不为零，应变不为零 26、 从作图的结构体中取出单元体进行应力状态分析，正确的是( ) A 、σx =σy =0,τxy ≠0 B 、τxy =τyz =0,σx =σy ≠0 C 、τyz =τxz =0,σz =0 D 、σx =σy ≠0,τxy =027、如图所示由5根弹簧组成的系统中，每根弹簧的刚度系数如图，系统4个节点，系统的总体刚度矩阵中K 13为（ ）。
现代设计史第三章
设计元素－－昆虫、女人体、
植物
以葡萄为设计主题的项链，项链上的葡萄叶子用 珐琅制成，折射出清冷晶莹的光辉，搭配着猫眼 石制作的璀璨葡萄颗粒。
海藻项链， 美丽精致， 以蓝宝石、 钻石、月亮 石、铂金及 黄金不同的 色泽与光辉 设计的相得 益彰，给人 愉悦的视觉 享受
ROSE
the Heart of Rose
坠 饰 设 计
格 拉 斯 哥 艺 术 学 院 图 书 馆 设 计 1906
第三节 法国—新风格设计 法国设计最重要的艺术表现形式是建 筑和应用美术领域。法国的新风格设 计主张艺术家从事产品设计，主张师 从自然，采用植物、动物纹样作为设 计依据，反对采用直线，反对机械化 生产。
第三章
现代设计新风尚
第一节 新艺术设计运动 19世纪90年代至20世纪初，莫里斯引 导的英国设计启蒙运动传到其他国家， 兴起了一场现代设计新风尚——新艺 术运动。 借用动植物花纹，像绘画那样新鲜 而自由奔放的视觉化造型风格设计。
印象派 莫奈 睡莲
新艺术运动的三大源泉
三大源泉：哥特式、罗可可式、 日本浮世绘（江户时期）
塔赛勒饭店（Tassel House）
塔 赛 勒 饭 店 1 8 9 2 1 8 9 3 年
塔 赛 勒 饭 店
B. 埃 特 维 尔 德 公 馆
C. 霍塔公馆
（Maison Horta）
霍尔塔自己的 住宅，位于布 鲁塞尔美国路 （1898-1899 年）；卷须状 的铁支架盘绕 在阳台上，支 柱上的叶饰仿 佛他早些时候 设计的楼梯。
（2）“方格霍夫曼”
Josef（Joseph） Hoffmann
设计原则：功能是我们的指导原则，实用是我们的首 要条件。我们必须强调良好的比例和适当地使用材料。 在需要时我们可以进行装饰，但不能不惜代价去追求 它。
《现代设计方法》教学大纲
《现代设计方法》教学大纲一、课程概述：二、课程目标：1.熟悉现代设计方法的概念和发展历程。
2.掌握现代设计方法的基本理论和实践技巧。
3.培养学生的创新思维和解决问题的能力。
4.提高学生的设计实践能力和团队合作意识。
三、课程内容：第一章现代设计方法概论（6课时）1.1现代设计方法的定义与作用1.2现代设计方法的研究领域与方法论1.3现代设计方法的发展历程与趋势第二章问题定义与用户需求分析（12课时）2.1设计问题定义的重要性与技巧2.2用户需求分析的方法与实践2.3问题定义与用户需求分析的案例分析与讨论第三章创意发散与评估（18课时）3.1创意发散的概念与方法3.2创意评估的标准与技巧3.3创意发散与评估的实践案例分析与讨论第四章设计方案生成与优化（24课时）4.1设计方案生成的方法与工具4.2设计方案优化的原则与策略4.3设计方案生成与优化的实践案例分析与讨论第五章原型制作与用户测试（18课时）5.1原型制作的方法与技巧5.2用户测试的设计与实施5.3原型制作与用户测试的案例分析与讨论第六章项目管理与团队合作（12课时）6.1项目管理的基本概念与流程6.2团队合作的原则与技巧6.3项目管理与团队合作的案例分析与讨论四、教学方法与评价方式：1.教学方法：本课程采用以学生为主体、教师为引导的探究式学习方法，注重理论与实践的结合。
课堂将结合案例分析、小组讨论和实践操作等形式进行教学。
2.评价方式：本课程的评价方式包括平时表现、课堂参与、实践作业和期末综合考核等。
平时表现和课堂参与占比30%，实践作业占比40%，期末综合考核占比30%。
五、教材与参考资料：1.教材：2.参考资料：-相关学术论文及案例分析以上是《现代设计方法》教学大纲，旨在培养学生的现代设计思维和实践能力，帮助学生成为具有创新意识和团队合作能力的设计专业人才。
《现代设计方法》教学大纲(机械)
《现代设计方法学》课程简介课程内容：《现代设计方法学》课程是机械设计制造及其自动化专业本科的一门专业课，以研究产品设计为对象。
它以计算机为手段，运用工程设计的新理论和新方法，使计算结果达到最优化，使设计过程实现高效化和自动化。
现代设计方法学作为现代机械设计的有力工具，涉及到设计方法学、有限单元法、优化设计以及可靠性工程等内容。
本课程将根据机械设计和创新设计的需求，详细介绍了现代设计方法的的基本概念、常用方法和分析步骤等内容。
通过本课程的学习，使学生掌握先进的设计理念；掌握现代的设计方法；培养学生分析研究的能力。
Brief IntroductionCourse Description:Modern Design Theory and Methodology is a professional classes for the Mechanical Design, Manufacturing and Automation students. As a powerful analysis tool for mechanic design, Modern Design Theory and Methodology involves in design methodology, finite element method, optimization of design，reliability engineering and etc. This course aims to develop the students' appreciation of basic principles, common methods and analysis steps.After taking this unit, the student should be able to improve the advanced designing ideas, modern designing methods and analysis capabilities.《现代设计方法学》课程教学大纲一、教学内容第一章绪论1.1 设计的概念1.2 传统设计与现代设计1.3 部分现代设计方法简介1.4 学习现代设计方法的意义教学重点：近代设计学的发展及学科组成教学难点：部分现代设计方法第二章设计方法学2.1 概述2.2 设计系统2.3 技术系统及其设计类型2.4 产品规划方法2.5 方案的系统化设计2.6 创造性思维和方法2.7 TRIZ原理与计算机辅助创新2.8 设计中的评价与决策教学重点：设计系统及技术系统，设计的决策方法教学难点：创新设计第三章优化设计3.1 优化问题的数学描述3.2 优化方法的数学基础3.3 一维优化3.4 多维无约束优化方法3.5 多维约束化方法3.6 机械最优化设计中的其他相关问题3.7优化设计工具软件3.8优化设计实例教学重点：各种优化问题的数学描述及求解教学难点：实际问题的优化求解第四章可靠性设计4.1 概述4.2 可靠性的定义及度量指标4.3 可靠性工程中的常用概率分布4.4 可靠性设计原理4.5 机械强度可靠强度计算4.6 系统的可靠性设计4.7 故障树分析教学重点：可靠性设计原理及可靠性的度量指标教学难点：系统的可靠性设计第五章有限元法5.1 概述5.2 弹性力学的基本理论5.3 弹性力学有限元法5.4 等参数单元的原理及数值积分5.5 有限元分析中的若干处理方法5.6有限元分析软件5.7有限元方法应用实例教学重点：弹性力学有限元法教学难点：有限元分析中的若干处理方法二、教学要求第一章绪论教学要求：通过本章教学使学生了解现代设计方法的基本概念，熟悉现代设计方法的内容。
现代设计方法课后习题答案第三章
3.1 可靠性：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。
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。
可靠度计算方法：R(t)=(N-n(t))/N3.2失效率：产品工作t 时刻尚未失效（或故障）的产品，在该时刻t 以后的下一个单位时间内发生失效（或故障）的概率。
λ（t ）=0lim N t →∞∆→()()[()]n t t n t N n t t+∆--∆ 关系: R(t)= ()t t dt o e λ-⎰ 3.3早期失效期：失效率开始由很高的数值急剧地下降到一个稳定的数值。
正常运行期：失效率低且稳定，近似为常数。
损耗失效期：失效率随工作时间增加而上升。
常用分布函数：二项分布 F(r ≤k)=0k r n r c =∑r n r p q -泊松分布 F(t ≤k) =0!r k r r e μμ-=∑指数分布 F(t)=1-t eλ- 正态分布F(x)= 22()2()x x dx x e μσ---∞-∞<<∞⎰对数正态分布F(x)=21()20(0)1y y y dx x μσ-->⎰ 威布尔分布 F(x)=1-()x e βγη--3.4(1)可靠性设计和常规设计的主要区别在于，可靠性设计把一切设计参数都视为随机变量（1）传统设计方法是将安全系数作为衡量安全与否的指标，但安全系数的大小并没有同可靠度直接挂钩，这就有很大的盲目性，可靠性设计与之不同，她强调在设计阶段就把可靠度直接引进到零件中去，即由设计直接确定固有的可靠度。
（2）传统设计方法是把设计变量视为确定性的单值变量并通过确定性的函数进行运算，而可靠性设计则把设计变量视为随机变量并运用随机方法对设计变量进行描述和运算。
（3）在可靠性设计中，由于应力s 和强度c 都是随机变量，所以判断一个零件是否安全可靠，就以强度c 大应力s 的概率大小来表示。
（4）传统设计与可靠性设计都是以零件的安全或失效作为研究内容，两者兼有密切的联系，可靠性设计是传统设计的延伸与发展3.5 (1)最大可能的工作应力都要小于零件的可能的极限强度。
现代设计方法课件_优化设计_PPT
现代设计方法
/2
>/2
可行下降方向所在的区域
现代设计方法
假设现已由初始点沿着目标函数的负梯度方向，找到 处于约束条件边界上的点 ，此时目标函数的梯度为f (X(k)) ，约束条件gu(X) ≤0 的梯度为 gu (X(k)) ，并设下 一步的迭代方向为 S(k) 。要求沿 S(k)方向迭代时，既能 满足使目标函数值有所下降的条件，即 [f (X(k))]TS(k)) <0(两向量夹角大于90)，又能满足约束条件，即 [gu (X(k))]TS(k) <0 (两向量夹角大于90)，则 S(k) 必须位于阴 影区。
现代设计方法
满足 [f (X(k))]TS(k)) <0的 S(k)称为下降方向； 满足 [gu (X(k))]TS(k)) <0的 S(k)称为可行方向； 两者都满足的 S(k) 称为可行下降方向。 即:可行下降方向区是位于点X(k)的约束曲线的切线 与目标函数等值线的切线所围成的扇形区域内。
现代设计方法
现代设计方法
第三章 优化设计 Optimization Design
现代设计方法
本章主要内容
➢ 优化设计概述 ➢ 优化问题的数学分析基础 ➢ 一维探索优化方法 ➢ 无约束多维问题的优化方法 ➢ 约束问题的优化方法 ➢ 多目标函数的优化方法 ➢ LINGO在优化设计中的应用
现代设计方法
3.5 约束问题的优化方法
约束问题的优化方法： 设计变量的取值受到某种 限制时的优化方法。只要目标函数和约束函数为 连续、可微的函数，且存在一个有界的非空可行 域，约束优化问题就一定有解。 约束问题的优化方法主要解决三个问题：探索方 向、步长以及初始可行点。
现代设计方法
1. 约束优化问题的直接法---可行方向法 在可行域内按照一定的准则，直接探索出问题的最优 点，而无须将约束问题转换成无约束问题去求优的方 法，称为约束优化问题的直接法。 约束条件常常使得可行域非凸集出现众多的局部极值 点，不同的初始点往往会导致探索点逼近不同的局部 极值点，因此需要多次变更初始点进行多路探索。
第3章机械设计及现代设计方法(上课课件)
4、可靠性设计
可靠性设计——以概率论和数理统计为基础
，为保证产品可靠采用的一系列分析与设计技术
机械产品的可靠性设计分为：
1、方案论证阶段：可靠性指标 2、审批阶段：可靠性的评价 3、设计研制阶段：可靠性预测、分配和故障模式 4、生产及试验阶段：规范生产、进行寿命试验等 5、使用阶段：收集可靠性数据
➢形象思维与抽象思维： 形象思维：人脑对客观事物或现象的外在特点和
具体形象的反映活动。
抽象思维：凭借概念、判断、推理而进行的反映
客观现实的思维活动。
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3.3.2 创新思维
➢发散思维和收敛思维：
发散思维：一种求出多种答案的思维形式。 收敛思维：一种寻求某种正确答案的思维形式。 在创造活动中，光有发散思维的活动并不能使问 题获得有效的解决，所以发散思维之后尚需进行 收敛思维。 这两种思维的有效结合组成了创造活动的一个循 环过程。
10
3.2 现代设计方法
3.2.2 传统设计与现代设计
传统设计
以生产经验为基础，运用经验、公式、图表、设 计手册等，着眼于产品的功能和技术规范，通过 经验公式、近似系数或类比等方法进行设计。
传统设计的每一个环节都是依靠设计者用手 工方式来完成的：
方案设计
11
3.2 现代设计方法
分析计算 信息处理、经验或知识的存储和重复使用没有一 个理想有效的方法 传统设计是以静态分析、近似计算、经验设计、 手工劳动为特征的设计方法。
1、产品的质量、性能、成本等在很大程度 上取决于设计的水平与质量。
2、统计资料表明：机械产品的质量事故约 有50%是由于设计不当造成的，产品成 本的70%-90%是由设计阶段决定的。
5
3.1.2 设计的类型
第三章 现代设计的理论与原则
现代设计的理论和方法 概述
现代设计的方法
5、绿色设计
废物利用
设 计 导 论 |第三章现代设计的理论与原则
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Theories and Methods of Modern Design
现代设计的理论和方法 概述
现代设计的方法
5、绿色设计
把报纸留给他人看
设 计 导 论 |第三章现代设计的理论与原则
卡通表情水龙头
设 计 导 论 |第三章现代设计的理论与原则
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Theories and Methods of Modern Design
现代设计的理论和方法 概述
现代设计的方法
5、绿色设计
废物利用
设 计 导 论 |第三章现代设计的理论与原则
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Theories and Methods of Modern Design
绿色设计不仅是一种技术层面的考量，更重要的是 一种观念上的变革，要求设计师放弃那种过分强调产品 在外观上标新立异的做法，而将重点放在真正意义上的 创新上面，以一 种更为负责的方法去创造产品的形态， 用更简洁、长久的造型使产品尽可能地延长其使用寿命。
设 计 导 论 |第三章现代设计的理论与原则
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设 计 导 论 |第三章现代设计的理论与原则
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Theories and Methods of Modern Design
现代设计的理论和方法 概述
现代设计的方法
5、绿色设计 对工业设计而言，绿色设计的核心是“3R”，即 Reduce、Recycle和Reuse，不仅要尽量减少物质和能源 的消耗、减少有害物质的 排放，而且要使产品及零部 件能够方便地分类回收并再生循环或重新利用。
现代设计的理论和方法 概述
车辆现代设计方法
面饰工艺规程
各种制造、装配、
设
效果图、检验标准 造型、装饰、检 各种工艺学
计
技术文件
验等方法
造型工艺文件
试制商
品 化
修改
批量生产
第三节 车辆的现代设计
车辆的现代设计方法
(1) 车辆计算机辅助设计CAD; (2) 车辆计算机辅助工程CAE; (3) 车辆优化设计; (4) 车辆可靠性设计; (5) 车辆性能的计算机仿真; (6) 车辆噪声分析及设计; (7) 车辆动态设计。 现代的汽车设计方法并不是各自孤立的，它们既有自己的优势， 又互相渗透，在汽车设计的技术领域中发挥着各自的重要作用。
工业美学 模块化设计、相
计
机械性能设计
似理论
评价决策
评价决策
工艺性设计 有限元法、动态
最优结构方案 最优造型方案
自动化设计
设计、摩擦学设 计、高等机构学 、
智能工程、专家
最优技术方案
系统
总体布置图、装配草图、技术文件 总体效果图、外观效果模型
第二节 机械产品设计
零件工作图 外观件加工工艺、
施
工
部件装配图
计算机辅助设计（CAD）方法
主要过程
汽车车身
汽车的CAD系统一般可以完成一个完整的汽车整车或 零部件的设计过程，它包括：输入关键数据进行几何造 型；利用多种计算和分析方法进行工程分析；从生产工 艺的角度进行设计评价；按照设计完成的数据进行自动 绘图。
汽车离合器壳
第三节 车辆现代设计
计算机辅助设计（CAD）方法
图形等信息。
狭义的概念是指：将客观需 求转化为满足该需求的 技术系统的活动，包括 机械产品在内的各种产
品的设计。
现代设计方法复习题资料
的 X* 、f (X*) 。
12
第二章 优化设计的数学基础
§ 2-1 目标函数的基本性质 一 函数的等值面（线）
函数的等值面（线）是用来描述、研究函数的整体性质的。
二 函数的最速下降方向
f
梯度
x1
f
X
ห้องสมุดไป่ตู้
f
x2 f
f X
现代设计方法总复习
1
可靠性设计的主要内容
第一章: 1、可靠性的概念 2、可靠性的尺度及其含义 3、可靠度和失效率之间的关系 4、浴盆曲线 5、可靠性设计与传统设计之间的区别 第二章、 了解常用的各种分布 第三章： 了解分布参数的估计和分布函数的假设检验
2020/6/27
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第四章： 1、应力强度干涉模型 2、干涉理论及其相应的推论 3、一般可靠度的表达式 4、应力和强度分布的确定方法 5、已知应力和强度分布情况下可靠度的表达式 （联结方程） 6、数值积分法、图解法和蒙特卡罗模拟方法求
性能约束 由结构的某种性能或设计要求，推导出来 的约束条件。
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（2）根据约束条件的形式分
不等式约束
gu X 0
等式约束
u=1,2, ···，m
hv X 0 v = 1，2， ···，p < n
一个 n 维的优化设计问题中，等式约束的个数必须 少于 n 。
显式约束 隐式约束
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五 可行域 可行域 : 在设计空间中，满足所有约束条件的所构成的
空间 。
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六 优化设计的数学模型 （一）优化设计的数学模型
min f X
X Rn
s.t. gu X 0 ,u 1, 2,L ,m hv X 0 ,v 1, 2,L , p n
现代设计方法基础(第3章)
现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰
第三章 优化设计
3．5无约束优化设计方法
3点函数 迭代方向判断
现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰
第三章 优化设计
3．5无约束优化设计方法
3．5．2 变尺度法
1、多元函数的泰勒展开
(k) T (k) (k) 1 F( X ) Φ( X ) = F( X )+ F( X ) X X + X X A( X ) X X 2 (k) (k) (k) T (k)
在机械设计中，目标函数主要根据设计准则建立，例如： 在机构优化中，运动误差，主动力、约束反力的最大值等可以设 定为目标函数。 在结构优化中，重量、效率和可靠性等可以设定为目标函数。 在产品设计中，成本、价格和寿命等可以设定为目标函数。
现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰
第三章优化设计
第三章优化设计
3．1 概述 1.基本思想
现代优化设计方法是从上个世纪60年代发展起来的，其核心内 容是数学规划和计算机技术，优化方法可以从众多设计方案中 找到最完善也是最合理的设计， 可以同时改善设计质量和提高 效率。
2.实际效果
1)一级减速器优化。某单位对在各种工程和设备中广泛使用的一级 减速器进行优化设计后，其重量减轻了12%。这对于减速器这样 大批量生产和使用的基本设备来说，其经济效益和社会效益是 非常巨大的。
现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰
第三章优化设计
3．1 概述
5.简例3-2---角支架设计
F
H
b
D
d
现代设计方法基础，孟宪颐，高振莉，刘永峰
第三章优化设计
3．1 概述
6.简例3-3---装载机翻斗机构设计
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f1(x) f1((
x)
f2 (x1, x2,L
, xn )
L L
fq (x) fq (x1, x2,L , xn )
f (x) W1 f1(x) W2 f2 (x) ... Wq fq (x) Wq：加权因子，是个非负系数。
优化设计概述
*优化设计问题的数学模型
等式约束：h (x) 0 对设计变量取值的限制最严格（降低设计维数）
不等式约束：gu (x) 0 要求设计点在设计空间中约束曲面 gu (x) 0
的一侧（包括曲面本身）
优化设计概述
*优化设计问题的数学模型
∙目标函数（评价函数）：把设计目标（设计指标）用设计 变量的函数形式表示出来，这个函数就叫做目标函数，用 它可以评价设计方案的好坏，所以它又被称作评价函数。
1）最优方案（最优点）：x* [x1*, x2*,L , xn*]T
2）最优目标函数值： f (x*) min f (x)
优化设计概述
*优化设计问题的数学模型
建立数学模型要求： 1）希望建立一个尽可能完善的数学模型，精确的表
达实际问题； 2）力求所建立的数学模型尽可能的简单，方便计算
求解。
优化设计概述
优化设计概述
优化设计：
根据给定的设计要求和现有的设计条件，应用专业理论 和优化方法，在计算机上满足给定设计要求的许多可行 方案中，按给定的目标自动地选出最优的设计方案。
机械优化设计：
在满足一定约束的前提下，寻找一组设计参数，使机械 产品单项设计指标达到最优的过程。
优化设计概述
机械优化设计 机械设计理论+优化方法得到设计参数的最优值
优化设计概述
*优化设计问题的数学模型
∙ 设计变量：在设计过程中进行选择并最终必须确定的各项 独立参数，称为设计变量。
设计变量向量： x [x1x2 L xn ]T
设计常量：根据设计要求事先给定的参数 设计变量：在设计过程中进行优选的参数
连续设计变量：有界连续变化的量。 离散设计变量：表示为离散量。
*优化设计问题的数学模型
作业：现用薄板制造一体积5m3，长度不小于4m的无上盖的 长方体货箱。要求该货箱的钢板耗费量最少，试确定货箱 的长、宽和高的尺寸，写出该优化问题的数学模型。
优化设计概述
*优化设计问题的数学模型
∙优化问题的几何解释： 无约束优化问题：目标函数的极小点就是等值面的中心 等式约束优化问题：设计变量x的设计点必须在 h (x) 0
求设计变量x [x1x2 L xn ]T 使目标函数f (x) f (x1, x2,L , xn ) min
且满足约束条件h (x) 0( 1, 2,L ,l)
和gu (x) 0(u 1, 2,L , m)
约束优化问题 无约束优化问题：υ=u=0
优化设计概述
*优化设计问题的数学模型
建立优化的数学模型，在计算机上求得的解，就称为优化 问题的最优解，它包括：
优化设计概述
*优化设计问题的数学模型
∙优化设计的维数：设计变量的数目称为优化设计的维数， 如有n(n=1，2，…)个设计变量，为n维 设计问题。
x [x1 x2]T
x [x1 x2 x3]T
二维和三维的设计空间
任意一个特定的向量都可以说是一个“设计”
优化设计概述
*优化设计问题的数学模型
∙设计空间：由n个设计向量为坐标所组成的实空间
所表示的面或线上
不等式约束优化问题：可行点 gu (x) 0
f (x) f (x1, x2, , xn )
f (x) f (x1, x2,L , xn ) min
f (x) f (x1, x2,L , xn ) max f (x) f (x1, x2,L , xn ) min
优化设计概述
*优化设计问题的数学模型
∙单目标函数优化问题：在最优化设计问题中，可以只有一 个目标函数。 ∙多目标函数优化问题：当在同一设计中要提出多个目标函 数时，这种问题称为多目标函数的优化问题。
现代设计方法
长安大学工程机械学院建筑机械系
长安大学工程机械学院建筑机械系
第三章 优化设计
1
优化设计概述
2
优化设计的数学分析基础
2
一维探索优化
3
无约束多维问题的优化
4
约束问题的优化
5
多目标函数的优化
优化设计概述
优化设计是20世纪60年代初，在电子计算 机技术广泛应用的基础上发展起来的一门新的 设计方法。主要采用“自动探索”的方式和最 优数学方法，在计算机上进行半自动或自动设 计，利用最优化原理和方法寻求最优设计参数 的一门先进设计技术。
传统设计：在调查分析的基础上，参考同类产品通过估 算、经验类比或试验等方法来确定初始方案，然后通过 计算各个参数是否能满足设计指标的要求，如果不符合 要求就凭借经验对参数进行修改，反复进行分析计算— —性能检验——参数修改，直到符合设计指标为止。
优化设计：借助计算机技术，应用一些精度较高的力学 的数值分析方法（如有限元法等）进行分析计算，并从 大量的可行设计方案中寻找到一种最优的设计方案。
指在一定条件(各种设计因素) 影响下所 能得到的最佳设计值。 （相对概念）
优化设计概述
机械优化设计方法
1)解析法: 主要利用微分学和变分学的理论，适应解决小型和简 单问题；
2)数值计算方法: 使利用已知信息，通过迭代计算来逼近最优化问题 的解，因此运算量很大，直到计算机出现后才得以 实现。
优化设计概述
优化设计概述
*优化设计问题的数学模型
一个优化设计问题一般包括三个部分： 1.需要合理选择的一组独立参数，称为设计变量； 2.需要最佳满足的设计目标，这个设计目标是设计变
量的函数，称为目标函数； 3.所选择的设计变量必须满足一定的限制条件，称为
约束条件（或称设计约束）。
优化设计问题数学模型的三要素：设计变量、目 标函数和约束条件。
∙设计空间的维数（设计的自由度）：设计变量愈多，则设 计的自由度愈大、可供选择的方案愈多，设计愈灵活，但难 度亦愈大、求解亦愈复杂。
∙含有2—10个设计变量的为小型设计问题 ∙10—50个为中型设计问题 ∙50个以上的为大型设计问题
优化设计概述
*优化设计问题的数学模型
∙约束条件：在优化设计中，对设计变量取值时的限制条件， 称为约束条件或设计约束，简称约束。