现代设计方法考试

1、设计：传统设计、现代设计 、主要特点

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、近似系数或类比公式等方法进行设计。现代设计：是传统设计的延伸和发展，是一种以动态分析、精确计算、优化设计和CAD 为特征的设计方法。

现代设计与传统设计比较，有下列几个特征：

1）系统性

现代设计把设计对象看作一个系统，同时考虑系统与外界的联系，用系统工程概念进行分析和综合，通过功能分析、系统综合等方法，力求系统整体最优，使人机之间的功能相互协调。

2）创造性

现代设计强调创造能力开发和充分发挥人的创造性；重视原理方案的设计、开发和创新产品。只有创新才能有所发明。今天的科学技术已经高度发展，创新往往是在已有技术基础上的综合。有的新产品是根据别人的研究实验结果而设计，有的是博采众长，加以巧妙地组合。

3）综合性

现代设计在设计过程中，综合考虑、分析市场需求、设计、生产、管理、使用、销售各方面的因素；综合运用优化系统工程、可靠性理论、价值工程、技术等学科的知识，探索多种解决设计问题的科学途径。

4）程式性

现代设计研究设计的一般进程，包括一般设计战略和用于设计各个具体部分的战术方法。要求设计者从产品规划、方案设计、技术设计、施工设计到实验、试制，按步骤有计划进行设计。

2、可靠性设计：可靠度、失效率、两者联系与区别、浴盆曲线定义及其特点

可靠性：(Reliability)：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R(t)：(Reliability)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。 其中：T 为产品的寿命；ｔ为规定的时间；事件{Ｔ>ｔ}有下列三个含义：产品在时间ｔ内完成规定的功能； 产品在时间ｔ内无故障；产品的寿命Ｔ大于ｔ。

不可靠度或失效概率F(t)定义：是指产品在规定的条件下，在规定的时间内、产品不能完成规定功能的概率。它也是时间的函数，记作F(t),也称为累积失效概率。 显然 失效率（故障率）

例：若有100件产品，实验10小时已有2件失效。此时观测1小时，发现有1件失效，这时 若实验到50小时时共有10件失效。再观测1小时，也发现有1件失效，这时

失效率曲线（也称浴盘曲线）

若定义： 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。 则： 为失效率 )

()(t T p t R >=N t n N t R )()(-=)()(t T p t F ≤=N t n t F )()(=1)()(=+t F t R t t n N t n t ∆-∆≈))(()()(λdt t F t dF t N t n N t n t t t N t N ))(1()()(1)(lim )(lim )(00-=∆⎪⎭⎫ ⎝⎛-∆==→∆∞→→∆∞→λλ11(10)98λ==⨯（100-2）111(50)90λ==⨯（100-10）1

（1）早期失效

原因：设计制造、贮存运输及调试、跑合、起动不当等导致的产品缺陷

特点：失效率递减迅速下降

（2）偶然失效

原因：由非预期的过载、误操作、意外天灾等偶然因素造成。

特点：失效率稳定，恒定

(3) 功能失效（耗损失效）

原因：产品疲劳老化磨损腐蚀等引起

特点：失效率递增

3、优化设计：定义、黄金分割法、算法思路、多目标优化概念及其方法

优化设计是借助最优化数值计算方法和计算机技术，求取工程问题的最优设计方案。即：进行最优化设计时，首先必须将实际问题加以数学描述，形成一组由数学表达式组成的数学模型，然后选择一种最优化数值计算方法和计算机程序，在计算机上运算求解，得到一组最佳的设计参数。

黄金分割法，又称0.618法，它是一种等比例缩短区间的直接搜索方法。该算法的基本思路是：通过比较单峰区间内两个插点的函数值，不断舍弃单峰区间的左端或右端一部分，使区间按照固定区间缩短率（缩小后的新区间与原区间长度之比）逐步缩短，直到极小点所在的区间缩短到给定的误差范围内，而得到近似最优解。

在工程优化设计问题中，如果优化模型中的目标函数仅涉及一项设计指标，称为单目标优化问题。如果涉及两项及两项以上多个设计指标，称为多目标优化问题。多目标优化实际上是根据重要性对各个目标进行量化，将不可比问题转化为可比问题，以求取一个对每个目标来说都相对最优的非劣解。

方法：根据处理各个目标的不同方式，多目标问题优化方法可分为两类：一类：将多目标问题转化为一系列单目标问题求解；另一类：则根据多个目标构造一个综合的评价函数，然后以单目标优化问题进行求解。常用的多目标优化方法：统一目标函数法；主要目标法；理想点法；功效系数法。

4、有限元设计：定义、求解步骤

有限元法——FEM (Finite Element Method 有限单元法)：一种将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合，以求解连续体力学问题的数值方法。有限元分析——FEA (Finite Element Analysis)使用有限元法，以计算机为工具，对实际物理问题进行模拟求解。

求解步骤：有限元求解问题的基本步骤通常为：

第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。

第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网格越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。

第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。

第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括