现代设计方法鲍威尔法powell法.ppt
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现代设计方法概述62页PPT
45、法律的制定是为了保证每一个人 自由发 挥自己 的才能 ，而不 是为了 束缚他 的才能 。—— 罗伯斯 庇尔
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该学很多。——洛克
现代设计方法概述
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
现代设计方法
现代机械设计理论及方法⏹课程教学的目的⏹培养学生运用现代先进的设计理论和方法解决工程问题的能力。
⏹教学内容⏹现代设计理论：重点内容为系统分析法及创造性思维。
⏹现代设计方法：重点内容为有限元分析、优化设计、可靠性设计和创新设计。
⏹教材：陶栋材主编《现代设计方法》中国石化出版社1.1设计的概念与特征1、传统概念设计是人类改造自然的基本活动之一。
设计，即英语的Design，起源于拉丁语Designare，此词由“De”(记下)和“Signare”(符号、记号、图形之意)两词组成。
最初含义是：记下(画上)符号、记号、图形之类的意思，相当于“图案”、“意匠”等意。
设计有广义和狭义两种概念:广义的概念是指对发展过程的安排，包括发展的方向、程序、细节及达到的目标。
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(或技术过程)的活动。
各种产品包括机、电产品的设计即属此种。
2、新提法现代化工业产品的设计，在国外也叫做工业设计。
1964年在比利时召开的国际工业设计教育讨论会上，对工业设计定义如下：工业设计是一种创造性行为，它的目的在于决定产品的正式品质。
所谓正式品质：除了产品外形和表面特点外，更重要的是决定产品结构和功能关系，以获得一种使生产者和消费者都能满意的整体。
近些年来对设计有些新的提法：⏹设计是一种创造性活动，设计的核心是创造性，如果没有创新，就不叫设计。
⏹设计是一种优化过程，是在给定条件下，针对目标谋求最优解的过程。
⏹设计是把各种先进技术转化为生产力的一种手段，它反映当时生产力的水平，是先进生产力的代表。
⏹设计是一种技术性、经济性、社会性、艺术性的综合产物。
⏹设计是为满足需求而进行的一种创造性思维活动的实践过程。
⏹设计是通过分析、创造与综合，创造性地建立满足特定功能要求的技术系统的活动过程。
3、设计的特征(1)需求特征设计始于需要，没有需要就没有设计。
(2)创造性特征设计者应适应条件变化，不断更新老产品，创造新产品。
《现代设计方法》课件第5章
分形几何学就是研究自然界中没有特征长度而又具有自 相似性的形状和现象的学科。
第5章 相似设计与模块化设计
（7）同类相似：同一类事物之间的相似特性。例如， 不同型号汽车外形特征、内部结构等特性相似。对于同类相 似特性，因遵从相同自然规律，故可用相同数学方程式来描 述。
（8）异类相似：不同类之间的相似。例如，温度场、 电势场和重力场是不同类型的场，但都可用同一个微分方程 来描述。
相似设计法以定律分析法、方程分析法或因次（量纲）分析 法为基础，根据事件之间的联系导出相似准则，根据相似原理建 立起对应的模型并推广到产品实物上，从而得到表征实际产品工 作规律的模型，以此开始产品的整体和局部设计。
第5章 相似设计与模块化设计
由前述已知，在进行产品结构设计时，把功能和原理相 同，结构相同或相似，而结构尺寸和主要规格参数按照一定 比例关系变化的纵系列产品称为相似系列产品。它是在基型 产品的基础上，按照相似原理通过一定的计算而求出的，所 以采用相似设计可缩短产品设计周期，提高设计效率，降低 设计成本。
在进行产品性能设计时，采用相似设计方法可快速、准 确建立模型并进行模型分析与试验。
第5章 相似设计与模块化设计
5．2．2 相似的基本理论 1.相似的概念及类型 相似、相像是自然界普遍存在的现象，一般可将相似分
为以下几种类型。 （1）一般相似：广义上的事物间普遍存在的相似。它
包括自然科学、社会科学、工程技术中各种系统特性相似， 例如，社会分工的相似性，社会发展的相似性，机械工程中 组合设计、成组技术等。
第5章 相似设计与模块化设计
3．优先数系列及优先数的选用 优先数系列的选用原则及方法如下所述。 （1）在满足技术与经济要求的前提下，遵循“先疏后 密”的原则，尽可能采用基本系列并按照R5、R10、R20、 R40的顺序选择。 （2）当基本系列不能满足要求时，可选用公比较大和 延伸项中包含有项值为1的派生系列。 （3）在产品系列范围很宽，不同区间内需要量和功能 价值相差很大时，可分段选用基本系列和派生系列而组成复 合系列。
第5章 相似设计与模块化设计
（7）同类相似：同一类事物之间的相似特性。例如， 不同型号汽车外形特征、内部结构等特性相似。对于同类相 似特性，因遵从相同自然规律，故可用相同数学方程式来描 述。
（8）异类相似：不同类之间的相似。例如，温度场、 电势场和重力场是不同类型的场，但都可用同一个微分方程 来描述。
相似设计法以定律分析法、方程分析法或因次（量纲）分析 法为基础，根据事件之间的联系导出相似准则，根据相似原理建 立起对应的模型并推广到产品实物上，从而得到表征实际产品工 作规律的模型，以此开始产品的整体和局部设计。
第5章 相似设计与模块化设计
由前述已知，在进行产品结构设计时，把功能和原理相 同，结构相同或相似，而结构尺寸和主要规格参数按照一定 比例关系变化的纵系列产品称为相似系列产品。它是在基型 产品的基础上，按照相似原理通过一定的计算而求出的，所 以采用相似设计可缩短产品设计周期，提高设计效率，降低 设计成本。
在进行产品性能设计时，采用相似设计方法可快速、准 确建立模型并进行模型分析与试验。
第5章 相似设计与模块化设计
5．2．2 相似的基本理论 1.相似的概念及类型 相似、相像是自然界普遍存在的现象，一般可将相似分
为以下几种类型。 （1）一般相似：广义上的事物间普遍存在的相似。它
包括自然科学、社会科学、工程技术中各种系统特性相似， 例如，社会分工的相似性，社会发展的相似性，机械工程中 组合设计、成组技术等。
第5章 相似设计与模块化设计
3．优先数系列及优先数的选用 优先数系列的选用原则及方法如下所述。 （1）在满足技术与经济要求的前提下，遵循“先疏后 密”的原则，尽可能采用基本系列并按照R5、R10、R20、 R40的顺序选择。 （2）当基本系列不能满足要求时，可选用公比较大和 延伸项中包含有项值为1的派生系列。 （3）在产品系列范围很宽，不同区间内需要量和功能 价值相差很大时，可分段选用基本系列和派生系列而组成复 合系列。
优化设计-(Powell)法+鲍威尔修正算法
它是直接利用函数值来构造共轭搜索方向的一种共轭
搜索方向法，又称鲍威尔共轭方向法或方向加速法。由于对 于n维正定二次函数，共轭搜索方向具有n次收敛的特性，所
以鲍威尔法是直接搜索法中十分有效的一种算法，一般认为 对于维数n ≤20的目标函数它是成功的。鲍威尔法是在研究具
有正定对称矩阵 H的二次函数的极小化问题时形成的，其基 本思想是在不用函数导数信息的前提下，在迭代过程中逐次
否则，则继续下面的迭代计算。
4）计算 f (Xi (k) ) ( i = 1, 2, … , n ) ，并求
△m(k) = max { f (Xi-1(k) ) - f (Xi (k) ) , i=1,2,…, n } = fm-1 - fm 及与之对应的两个点Xm-1(k)和Xm(k) (1≤m ≤n),则第k轮迭 代中贡献最大的方向为
依此进行下去，直到获得满足迭代收敛精度要求的 近似极小点为止。 根据这一原理构造的迭代算法称为鲍威尔基本 算法。 x2
S(1) S2(1) X3 (1) X2 (1) X2
* X (2)
S(2)
X1 (2) S1(1)
(1)
X0
(1)
X1
x1
2.3.3鲍威尔基本算法的缺点 鲍威尔基本算法仅具有理论意义，不要说对于 一般的函数，就是对于二次函数，它也可能失效。 因为在迭代过程中的 n个搜索方向有时会变成线性相
新搜索方向替换这个贡献最大的搜索方向，以保证 逐次生成共轭方向，即每一轮迭代的搜索方向组线 性无关。
对第 k 轮迭代，记
f 1 = f (X0(k) ) 并记
f 2 = f (Xn(k) )
f 3 = f (2Xn(k) -X0(k) )
及 △m(k) = max { f (Xi-1(k) ) - f (Xi (k) ) , i=1,2,…, n }， Sm(k)为与△m(k)相对应的搜索方向， S(k) = Xn(k) -X0(k)
搜索方向法，又称鲍威尔共轭方向法或方向加速法。由于对 于n维正定二次函数，共轭搜索方向具有n次收敛的特性，所
以鲍威尔法是直接搜索法中十分有效的一种算法，一般认为 对于维数n ≤20的目标函数它是成功的。鲍威尔法是在研究具
有正定对称矩阵 H的二次函数的极小化问题时形成的，其基 本思想是在不用函数导数信息的前提下，在迭代过程中逐次
否则，则继续下面的迭代计算。
4）计算 f (Xi (k) ) ( i = 1, 2, … , n ) ，并求
△m(k) = max { f (Xi-1(k) ) - f (Xi (k) ) , i=1,2,…, n } = fm-1 - fm 及与之对应的两个点Xm-1(k)和Xm(k) (1≤m ≤n),则第k轮迭 代中贡献最大的方向为
依此进行下去，直到获得满足迭代收敛精度要求的 近似极小点为止。 根据这一原理构造的迭代算法称为鲍威尔基本 算法。 x2
S(1) S2(1) X3 (1) X2 (1) X2
* X (2)
S(2)
X1 (2) S1(1)
(1)
X0
(1)
X1
x1
2.3.3鲍威尔基本算法的缺点 鲍威尔基本算法仅具有理论意义，不要说对于 一般的函数，就是对于二次函数，它也可能失效。 因为在迭代过程中的 n个搜索方向有时会变成线性相
新搜索方向替换这个贡献最大的搜索方向，以保证 逐次生成共轭方向，即每一轮迭代的搜索方向组线 性无关。
对第 k 轮迭代，记
f 1 = f (X0(k) ) 并记
f 2 = f (Xn(k) )
f 3 = f (2Xn(k) -X0(k) )
及 △m(k) = max { f (Xi-1(k) ) - f (Xi (k) ) , i=1,2,…, n }， Sm(k)为与△m(k)相对应的搜索方向， S(k) = Xn(k) -X0(k)
《现代设计方法》演示幻灯片
强经验、弱理论的技术领域，很多设计知识和经验很难用规 则表达，而这些知识和经验往往决定了企业的生存和发展。
机械产品设计知识内涵丰富，包括来自各种设计文献资 料的方法规定、各种工业标准、设计经验、设计公理、公式 和专利等，但更重要的是企业及其设计人员长期积累的设计 经验和技能。
44
现代CAD技术的内容
网络化——支持动态联网中协同设计所需的环境与设计 技术。
智能化——在实现集成化和网络化时采用的智能技术， 如人工智能、专家系统技术等。
47
现代CAD技术的内容
2、现代CAD技术的研究内容 （1）设计理论和方法
深入研究并行设计、协同设计、虚拟设计、大规模定制设计、 分形设计的概念。
（2）设计环境
协同设计环境的支持技术，如B/S、C/S结构的计算机系统以 及平台体系；协同设计管理。
《现代设计方法》
主讲教师：张洪丽
复习
1、现代设计方法概念的界定；
二战以后，电子计算机技术及相关技术的发
2、展现和代成设熟是计现与代传设统计方设法计产。生的前提。
（1）设计方案的表达工具——手工绘图、AutoCAD。 （2）工程问题的解析求解——传统设计的计算依赖工
程问 题的解析求解方法、现代设计是CAE技术。 （3）传统设计——串行设计；现代设计——并行设计。
2
2 计算机辅助设计CAD
2.1 概述 2.2 现代CAD技术的主要内容 2.3 工程数据的处理 2.4 数据库及应用
3
第二讲：
内容提要
CAD的涵义；CAD过程； CAD、计算机绘图与计算机图形学; 工程数据处理方法：程序化和建立工程数据库； 数据表格和线图的处理方法； 数据库发展及应用。
9
概述
机械产品设计知识内涵丰富，包括来自各种设计文献资 料的方法规定、各种工业标准、设计经验、设计公理、公式 和专利等，但更重要的是企业及其设计人员长期积累的设计 经验和技能。
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现代CAD技术的内容
网络化——支持动态联网中协同设计所需的环境与设计 技术。
智能化——在实现集成化和网络化时采用的智能技术， 如人工智能、专家系统技术等。
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现代CAD技术的内容
2、现代CAD技术的研究内容 （1）设计理论和方法
深入研究并行设计、协同设计、虚拟设计、大规模定制设计、 分形设计的概念。
（2）设计环境
协同设计环境的支持技术，如B/S、C/S结构的计算机系统以 及平台体系；协同设计管理。
《现代设计方法》
主讲教师：张洪丽
复习
1、现代设计方法概念的界定；
二战以后，电子计算机技术及相关技术的发
2、展现和代成设熟是计现与代传设统计方设法计产。生的前提。
（1）设计方案的表达工具——手工绘图、AutoCAD。 （2）工程问题的解析求解——传统设计的计算依赖工
程问 题的解析求解方法、现代设计是CAE技术。 （3）传统设计——串行设计；现代设计——并行设计。
2
2 计算机辅助设计CAD
2.1 概述 2.2 现代CAD技术的主要内容 2.3 工程数据的处理 2.4 数据库及应用
3
第二讲：
内容提要
CAD的涵义；CAD过程； CAD、计算机绘图与计算机图形学; 工程数据处理方法：程序化和建立工程数据库； 数据表格和线图的处理方法； 数据库发展及应用。
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概述
现代的设计方法的案例-PPT课件
（1）相容性：分功能必须相容，否则不予组合。
（2）优先选用分功能较佳的解。
（3）剔除不满足设计要求和约束条件的解或不满意解。
设计实例——废水泵设计
1.明确设计任务 （1）需求分析与调研 河道污染已成为严重的公害，因此有必要将工厂、家庭 的污水引到集水池，再由废水泵送给净化装置。根据市 场分析，需要下列范围工作的泵：
2.功能分解 （扩展构思，建立功能系统图 ）
功能原理设计（确定各个功能元的原理方案）
1.功能元求解（功能载体）
功能——工作原理——功能载体
（1）参考有关资料、专利或相似产品 求解 （2）利用各种创造性方法开阔思路， 探寻解法。
（3）利用设计目录求解
设计目录
机构选型解法目录
2.作用原理的组合（形态矩阵法）
• 单通道离心泵
涡流泵
射流泵
4.其它功能分解 5.组合功能分解，实现总动能
优化设计
优化设计： 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。 ① 建立数学模型 ② 采用适当的最优化方法求解数学模型。 机械优化设计： 在给定的载荷或环境条件下，在机械产品的形态、几何尺 寸关系或其它因素的限制（约束）范围内，以机械系统的性 能和经济型等为优化对象，选取设计变量，建立目标函数和 约束条件，并使目标函数获得最优值的一种现代设计方法。
多维约束优化方法
全局最优解和局部最优解
多维有约束非线性优化方法
多维有约束线性优化方法
线性规划的标准形式：
• 矩阵形式：
• 不等式：引入松弛因子
• 数学模型：
• 标准形式：
优化设计工具
• MATLAB（MATrix LABoratory）是由美国mathworks 公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式 程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵 计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模 和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗 环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效 数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方 案。
《现代设计方法》课件第7章
第7章 稳健设计 设计因素x是产品设计中的一些可控因素的集合，即
xT (x1, x2,, xn )
在设计时所确定出的名义值为
(7－4)
xT (x1, x2,, xn )
(7－5)
经加工制造产生的偏差的最大允许值（容差）为
xT (x1, x2,, xn ) (7－6)
一般情况下，在设计中需要确定的不仅是设计变量名义值
(7－2)
其中， y 和 y 称为质量特性的容差，是产品质量特性波动的允许
界限，如图 7-2 所示。 例如，某材料的抗拉强度按其技术规范规定为(45±2)MPa，则该材料
抗拉强度的容差 y y y=2MPa ，名义值 y 45MPa ，极差
R y [43, 47]MPa 。只要该材料出厂的抗拉强度在此极差内都认为是合
第7章 稳健设计
图7－4 稳健设计的图解表示
第7章 稳健设计 稳健设计要求达到以下两个目的。 （1
y y y0 min 或 y2 (y y0)2 min
达此目的的主要方法：①通过产品的方案设计（概念设 计），改变输入输出之间的关系，使其功能特性尽可能接近 目标值。②通过参数设计调整设计变量的名义值，使输出均 值达到目标值。
x Rn ，有时还要合理确定它的容差 x Rn 。在多数情况下，还
要知道变差在容差范围内的概率分布类型和分布参数。
第7章 稳健设计
噪声因素z是不可控因素的集合，即
zT (z1, z2,, zk )
(7－7)
噪声因素一般是属于概率空间 ,,P 内且服从某种概
率分布的一些随机变量。
质量特性y是设计结果的输出。由于受到设计因素x和噪 声因素z的影响，因此y是x和z的线性、非线性、显式或隐式
下半年现代设计方法串讲73页PPT
2010年下半年现代设计方法串讲
现 代 一、单项选择题 设 以下优化设计问题是线性规划问题的是 （ C, P74 ） 计 方 法
试 卷 分 析
2010年下半年现代设计方法串讲
现
代 一、单项选择题
设
计
D, P91
方
法
试
B, P91
卷
分
析
2010年下半年现代设计方法串讲
现
代 一、单项选择题
设
计
C, P103
A.水平线上有1280个扫描点，共有1024条水平扫描线，每个点最多可有8种颜色
法 B.水平线上有1024个扫描点，共有1280条水平扫描线，每个点最多可有8种颜色
C.水平线上有1024个扫描点，共有1280条水平扫描线，每个点最多可有256种颜色
D.水平线上有1280个扫描点，共有1024条水平扫描线，每个点最多可有256种颜色
C.专用软件
分
析
B.支撑软件 D.分析软件
2010年下半年现代设计方法串讲
现
代 一、单项选择题
设 在CAD工作过程中，定义规范化设备坐标系是为了图形 （ D, P21 ）
计 A．显示方便
B．打印方便
方 C．编程方便
D．程序移植方便
法 在CAD使用中，为了方便定义图形通常采用不同坐标系，在以下坐标系中，
设
第一节 优化设计概论
计
方
第二节 优化设计的基本概念
法
第三节 一维搜索方法
第四节 无约束设计的最优化方法
第五节 有约束优化设计的方法
试
卷
第六节 优化设计的若干问题
分
析
2010年下半年现代设计方法串讲
现代设计理论与方法-优化设计.ppt
变异运算用来模拟生物在自然的遗传环境 中由于各种偶然因素引起的基因突变，它以很 小的概率随机地改变遗传基因（表示染色体的 符号串的某一位）的值。在染色体以二进制编 码的系统中，它随机地将染色体的某一个基因 由1变为0，或由0变为1。
若只有选择和交叉，而没有变异，则无法在 初始基因组合以外的空间进行搜索，使进化过 程在早期就陷入局部解而进入终止过程，从而 影响解的质量。为了在尽可能大的空间中获得 质量较高的优化解，必须采用变异操作。
可见，这是一个三维非线形规划问题。为了
简化问题，可根据等式约束条件消去一个设计变
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ量：
h = 3 /（ l ·w）
则该问题从原来的三维问题转化为二维问题。
4．建立数学模型的一般过程 1）分析设计问题，初步建立数学模型 即使是同一设计对象，如果设计目标和设计
条件不同，数学模型也会不同。因此，要首先弄 清问题的本质，明确要达到的目标和可能的条件， 选用或建立适当的数学、物理、力学模型来描述 问题
交叉体现了自然界中信息交换的思想。交叉 有单点交叉、多点交叉、还有一致交叉、顺序 交叉和周期交叉。单点交叉是最基本的方法， 应用较广。它是指染色体切断点有一处，例：
A:101100 1110 101100 0101
B : 001010 0101001010 1110
（3）变异 (Mutation Operator)
3．约束条件 1）概念 为产生一个可接受的设计，设计变量本身或
相互间应该遵循的限制条件，称为约束条件。
2）表示方法
约束条件一般可表示为设计变量的不等式约束函数 形式和等式约束函数形式，即
gi（χ）= gi（χ1，χ2，…，χn）≤0 或者 gi（χ）= gi（χ1，χ2，…，χn）≥0
若只有选择和交叉，而没有变异，则无法在 初始基因组合以外的空间进行搜索，使进化过 程在早期就陷入局部解而进入终止过程，从而 影响解的质量。为了在尽可能大的空间中获得 质量较高的优化解，必须采用变异操作。
可见，这是一个三维非线形规划问题。为了
简化问题，可根据等式约束条件消去一个设计变
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ量：
h = 3 /（ l ·w）
则该问题从原来的三维问题转化为二维问题。
4．建立数学模型的一般过程 1）分析设计问题，初步建立数学模型 即使是同一设计对象，如果设计目标和设计
条件不同，数学模型也会不同。因此，要首先弄 清问题的本质，明确要达到的目标和可能的条件， 选用或建立适当的数学、物理、力学模型来描述 问题
交叉体现了自然界中信息交换的思想。交叉 有单点交叉、多点交叉、还有一致交叉、顺序 交叉和周期交叉。单点交叉是最基本的方法， 应用较广。它是指染色体切断点有一处，例：
A:101100 1110 101100 0101
B : 001010 0101001010 1110
（3）变异 (Mutation Operator)
3．约束条件 1）概念 为产生一个可接受的设计，设计变量本身或
相互间应该遵循的限制条件，称为约束条件。
2）表示方法
约束条件一般可表示为设计变量的不等式约束函数 形式和等式约束函数形式，即
gi（χ）= gi（χ1，χ2，…，χn）≤0 或者 gi（χ）= gi（χ1，χ2，…，χn）≥0
现代设计方法PPT模板.ppt
现代设计方法
现代设计方法的主要内容
1、信息论方法—现代设计方法的前提，如信息
分析法、技术预测法等。
2、系统论方法，如系统分析法、人机工程以及
面向产品生命周期中各个阶段的设计。
西
3、控制论方法，如动态分析法等。
南 科 技
4、优化论方法—现代设计方法的目标。 5、对应论方法，如相似设计、反求工程设计等。
大 学
6、智能论方法—现代设计方法的核心，如、、
网 络
并行工程、虑拟设计、人工智能等。
教
7、寿命论方法，如可靠性设计、价值工程和稳
育 系
定性设计等。
列
课
程
现代设计方法的主要内容
8、离散论方法，如模糊评价和决策等。
9、突变论方法—现代设计方法的基础，如创新
性设计等。
10、艺术论方法，如艺术造型等。
西
2.2 现代技术的主要内容
1、现代技术的概念
“现代技术”的概念，可表述如下：
现代技术是指在复杂的大系统环境下，支持产
品自动化设计的设计理论和方法，设计环境，设计
西 工具各相关技术的总称，它们能使设计工作实现集
南 科
成化，网络化和智能化，达到提高产品设计质量，
技 大
降低产品成本和缩短设计周期的目的。
西 南 科 技 大 学 网 络 教 育 系 列 课 程
西
2 计算机辅助设计
南
科
技
大 学
2.1 概述
网 络
2.2现代技术的主要内容
教 育 系
2.3工程数据的处理
列
课
程
2.1 概述
技术的内涵
１、 定义
( )是一种用计算机硬件，软件系
现代设计方法的主要内容
1、信息论方法—现代设计方法的前提，如信息
分析法、技术预测法等。
2、系统论方法，如系统分析法、人机工程以及
面向产品生命周期中各个阶段的设计。
西
3、控制论方法，如动态分析法等。
南 科 技
4、优化论方法—现代设计方法的目标。 5、对应论方法，如相似设计、反求工程设计等。
大 学
6、智能论方法—现代设计方法的核心，如、、
网 络
并行工程、虑拟设计、人工智能等。
教
7、寿命论方法，如可靠性设计、价值工程和稳
育 系
定性设计等。
列
课
程
现代设计方法的主要内容
8、离散论方法，如模糊评价和决策等。
9、突变论方法—现代设计方法的基础，如创新
性设计等。
10、艺术论方法，如艺术造型等。
西
2.2 现代技术的主要内容
1、现代技术的概念
“现代技术”的概念，可表述如下：
现代技术是指在复杂的大系统环境下，支持产
品自动化设计的设计理论和方法，设计环境，设计
西 工具各相关技术的总称，它们能使设计工作实现集
南 科
成化，网络化和智能化，达到提高产品设计质量，
技 大
降低产品成本和缩短设计周期的目的。
西 南 科 技 大 学 网 络 教 育 系 列 课 程
西
2 计算机辅助设计
南
科
技
大 学
2.1 概述
网 络
2.2现代技术的主要内容
教 育 系
2.3工程数据的处理
列
课
程
2.1 概述
技术的内涵
１、 定义
( )是一种用计算机硬件，软件系
004第四章Powell法
例4-2 74页
上述基本算法仅具有理论意义 :
3.改进的鲍威尔方法
在改进的算法中首先判断原向量组是否需要替换。 如果需要替换，还要进一步判断原向量组中 哪个向量最坏，然后再用新产生的向量替换这个 最坏的向量，以保证逐次生成共轭方向。
3.改进的鲍威尔方法
为此，要解决两个关键问题：
（1）dk＋1是否较好？是否应该进入新的方向组？ 即方向组是否进行更新？
0 1 2 2 x d d x 此轮基本方向组为 3 ， 3 ，起始点为 0 ＝ ，先 1 0 d 后沿 d 3 ， 3 方向，进行一维搜索，得
4 x ， 2
2 1
4 x 2
2 2
4 x ， 2
2 1
4 x 2
2 2
检验终止条件
x22 x02 0
3.96 x 1.9
1 2
f 2 f ( x1 ) 7.996 2
• （2）第2轮迭代计算
3.96 x 1.9
1 2
f 2 f ( x1 ) 7.996 2
构成新的方向
3.96 3.8 0.16 d x x 1.94 1.7 0.24
1.共轭方向
(d 0 )T Gd 1 0 (d 0 )T 2 f ( x)d 1 0
就是使d1直指极小点x* ， d1所必须满足的条件 。
两个向量 d 和d1称为G的共轭向量，或称
d 和d 对G是共轭方向。
0 1
0
共轭方向的性质
性质1 性质2 性质3 若非零向量系d0,d1,d2,…,dm-1是对G共轭， 在n维空间中互相共轭的非零向量的个数 从任意初始点出发，顺次沿n个G的共轭方 则这m个向量是线性无关的。
现代设计法》讲义第二章
方法 分值相加法
公式
特点 计算简单直观
分值连乘法 均值法
分值相差较大便于比 较
简单直观
相对值法
能看出与理想的差距
有效值法
考虑了各评价目标之 间的重要程度
2021/4/22
23
2021/4/22
24
电池评分线图
2021/4/22
25
2021/4/22
26
1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的开关按键来实现功 能的一种设计方式。
❖ 经验法：根据以往或他人的经验，人为地给定评价目 标的加权系数gi<1,并且gi和为1，i取1,2,3,…….
❖ 判别表计算法：该方法是根据评价目标的重要程度两 两加以比较，并给分进行计算，目标同等重要各给2分， 某一项比另外一项重要分别给3分和1分，某一项比另 外一项重要的多，则分别给4分和0分，各评价目标的 加权系数为：
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15
判别表计算法
2021/4/22
16
例：对某种产品进行评价，5个评价目标的重要程度依次 是：价格，舒适性和寿命，维修性，外观，试确定各目 标的加权系数 解：按判别表法确定各评价目标的加权系数如下表
比较目标 价 维 舒 寿 外 Ki
评价目标
格 修适 命 观
性性
价格 － 4 3 3 4 14
反馈给控制单元 ❖ 结构单元，实现系统 各部分的连接与支撑
2021/4/22
5
技术系统的模型
2021/4/22
6
2 信息集约
信息集约由企业各部门共同完成，分工如下： ❖ 情报部门：产品的技术资料及发展趋势，专业情报，专业技术情
鲍威尔法
根据这一原理构造的迭代算法称为鲍威尔基 本算法。
（二）鲍威尔法的缺陷
鲍威尔基本算法不可能对每一个都起作用，因为在迭代 过程中的n个搜索方向有时会变成线性相关的，而不能形 成共轭方向，导致随后的迭代搜索在降维（退化）的空间 中进行，可能求不到极小点，故而进行改进。
（三）鲍威尔修正算法
为了避免这种“退化”现象的发生，鲍威尔对这一算法 进行了修正。即在每一轮产生新的搜索方向 后，首先 判断原搜索方向组是否可以直接用下一轮迭代的方向组， 若可以，即用。否则，还要进一步判断原搜索方向组中哪 个方向上的函数值下降量最大，然后再用新搜索方向替换 这个下降量最大的搜索方向，以保证逐次生成共轭方向， 即每一轮迭代的搜索方向组线性无关。
并求出 （5）计算 判断
是否成立 若成立，则由 出发沿 方向进行一维搜索，求出目标 函数f(x)的极小点 ，并作为k+1轮的初始点 ，然后进行 k+1轮搜索，挤掉 ，同时把 放在方向组的最后 构成新一轮的方向组。
（6）若上述判断条件不成立，则k+1轮的初始点和方向组为 = 即此时k+1轮的n个搜索方向全部用第k轮的搜索方向。 （7）每轮迭代结束，都应检验收敛条件，若能满足：
鲍威尔法
鲍威尔（Powell）法又称方向加速度法， 它是利用共轭方向可以加快收敛速度的性质 形成的一种搜索方法。该方法不用对目标函 数求导，当目标函数的导数不连续时也能应 用，因此，鲍威尔法是一种十分有效的直接 搜索法。
一 共轭方向的概念与共轭向量的性质
（一）共轭方向 设A为n阶实对称正定矩阵，若有两个n维向量 和 能满足 A =0 则称向量 与 对矩阵A共轭，共轭向量的 方向称为共轭方向。
二 鲍威尔法
（一）鲍威尔法的基本原理和迭代过程
现代设计方法鲍威尔法powell法.ppt
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现代设计方法
Ⅱ、鲍威尔法缺陷
• 当某一循环方向组中的矢量系出现线性相关的情况（退 化、病态）时，搜索过程在降维的空间进行，致使计算 不能收敛而失败。
e3
新一轮搜 索方向
新一轮搜索 e3 方向和原方
向线性相关
e2
e2
(1)
X0
(1)
S4
(1)
X3
(1)
S4
(1)
X3
e1
(1)
据是否满足条件计算：
Sk (n)
f1=f(Xk(0))
X2
f3
f2=f(Xk(n)) f3=f(Xk(n+2))
X (n2) k
f2
X (n1) k
X k(n)
f1
2
X k (0)
1
X k (1)
X1
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现代设计方法
X
(1) 2
X 0(1)
(3 1)2 (1.5 1)2 2.06
计算各个方向的函数下降量：
△1= f(X0(1))－f(X1(1))=-3－(-7)=4 △2= f(X1(1))－f(X2(1))=-7－(-7.5)=0.5
m max1, 2 4
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现代设计方法
Ⅰ、鲍威尔法基本原理、迭代格式 • 原始的Powell法是沿着逐步产生的共轭方向
进行一维搜索的。 • 现以二维二次目标函数为例来说明。 如下图所示，选定初始点X0(1)，初始方向：
S1(1)=e1=[1,0]T S2(1)=e2=[0,1]T
现代设计方法ppt课件
59
机械设计系列课程教学改革中的创新能力培养
2. 现代设计方法 现代设计方法强调以计算机为
工具，以工程软件为基础，运用现 代设现计代理设念计进方行法的从机不械同设角计度。深化 了机械设计，提高了产品的设计质 量，可也靠降性低设了计产、品优的化成设本计。、有限 元设计、计算机辅助设计、虚拟设 计60等都是常用的现代设计方法。
学习现代设计方法的意义与任务
1. 意义 设五计、对学习产本品课的程的制意造义与、任上务 市及其
整个生命周期都有重要影响；把好 产品设计关，可以降低制造成本、 保证产品使用性能和使用寿命、增 强产品的市场竞争能力等等。因而
53
学习现代设计方法的意义与任务
2. 任务 掌握现代设计方法的理论与原
理，了解其作用与局限性，并学会 用所学知识解决工程实际问题。
36 1)实用性特征 体现使用功能，
现代设计方法的主要内容
3、 有限元法 有限元法是以计算机为工具的一
种现代数值计算方法。不仅用于工程 中复杂的非线性问题(如结构力学、 流体力学、热传导、电磁场等)的求 解，而且还用于工程设计中复杂结构 的37 静态和动力学分析，并能精确地计
现代设计方法的主要内容
17
概述
“现代设计”与“传统设计”只 是相对的概念（随着时间的流逝， 它们之间的差别会逐渐消失，当前 的现代设计将成为传统的）。二战 以后，电子计算机技术及相关技术
18
概述
1. 传统设计与现 代（设1计）比设较计方案的表达工具——手工 绘图、AutoCAD。
19
概述
20
概述
21
概述
22
概述
39
现代设计方法的主要内容
6、 虚拟设计 虚拟现实(Virtual Reality,VR)
机械设计系列课程教学改革中的创新能力培养
2. 现代设计方法 现代设计方法强调以计算机为
工具，以工程软件为基础，运用现 代设现计代理设念计进方行法的从机不械同设角计度。深化 了机械设计，提高了产品的设计质 量，可也靠降性低设了计产、品优的化成设本计。、有限 元设计、计算机辅助设计、虚拟设 计60等都是常用的现代设计方法。
学习现代设计方法的意义与任务
1. 意义 设五计、对学习产本品课的程的制意造义与、任上务 市及其
整个生命周期都有重要影响；把好 产品设计关，可以降低制造成本、 保证产品使用性能和使用寿命、增 强产品的市场竞争能力等等。因而
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学习现代设计方法的意义与任务
2. 任务 掌握现代设计方法的理论与原
理，了解其作用与局限性，并学会 用所学知识解决工程实际问题。
36 1)实用性特征 体现使用功能，
现代设计方法的主要内容
3、 有限元法 有限元法是以计算机为工具的一
种现代数值计算方法。不仅用于工程 中复杂的非线性问题(如结构力学、 流体力学、热传导、电磁场等)的求 解，而且还用于工程设计中复杂结构 的37 静态和动力学分析，并能精确地计
现代设计方法的主要内容
17
概述
“现代设计”与“传统设计”只 是相对的概念（随着时间的流逝， 它们之间的差别会逐渐消失，当前 的现代设计将成为传统的）。二战 以后，电子计算机技术及相关技术
18
概述
1. 传统设计与现 代（设1计）比设较计方案的表达工具——手工 绘图、AutoCAD。
19
概述
20
概述
21
概述
22
概述
39
现代设计方法的主要内容
6、 虚拟设计 虚拟现实(Virtual Reality,VR)
精品课件-现代设计方法-第2章
总之，认识一种需求本身就是一件创造性的工作，有时提 出设计并不比完成设计容易，应努力探求有价值的创意与构思。
第2章 项目策划及功能分析设计方法
2．产品开发需求分析方法 需求分析可按照市场调查和预测来进行。 1）市场调查 市场调查是指根据具体的目的和任务，通过市场调研员与 消费者面对面的交流访谈，或充分利用现代信息技术，展开广 泛的市场需求调研，以获得社会需求的大量数据和信息。
（1）市场需求状况，开发该项目的必要性。既要看到现 实需求，还要看到潜在的、未来的需求。
（2）国内外发展现状及水平。是否有同类同功能的产品？ 技术先进程度如何？特别是其存在的不足或问题。
（3）拟开发产品的性能特点、技术规格和参数。对市场 中已经存在的同类产品，计方法
（2）感觉、领悟能力。以直觉预感到某种社会需要，特 别是潜在的市场需求。
（3）捕获、解读及评判信息的能力。
第2章 项目策划及功能分析设计方法
产品设计一般有两种情况：其一是全新原创设计，获得这 种需求的关键是信息，应充分掌握产品及市场情况；其二是再 设计（或重新设计），当市场对某产品不满意时，可通过重新 设计来解决其存在的问题，例如提高产品质量，降低成本，减 少或根治环境污染，采用最新技术等。对于重新设计，提出需 求的关键是明确存在的问题是什么，为什么要重新设计。
第2章 项目策划及功能分析设计方法
确定项目及设计任务后，即可根据设计要求进行原理方案 设计。开发一项全新的技术系统，其原理方案往往是未知数， 即便是开发非全新的一般系统，要获得市场的认可，设计人员 也要花费很大的心血。为此，需要设计师开展创造性思维和技 术活动，充分应用现代设计方法、设计原理，广纳成熟的、先 进的科学技术成果，尽力使设计在原理上新颖、正确，在实践 中可行，在技术上先进，在经济上合理，富有时代感。设计的 核心是创意、构思、规划原理方案以及通过什么样的技术途径 获得特定功能的系统。
第2章 项目策划及功能分析设计方法
2．产品开发需求分析方法 需求分析可按照市场调查和预测来进行。 1）市场调查 市场调查是指根据具体的目的和任务，通过市场调研员与 消费者面对面的交流访谈，或充分利用现代信息技术，展开广 泛的市场需求调研，以获得社会需求的大量数据和信息。
（1）市场需求状况，开发该项目的必要性。既要看到现 实需求，还要看到潜在的、未来的需求。
（2）国内外发展现状及水平。是否有同类同功能的产品？ 技术先进程度如何？特别是其存在的不足或问题。
（3）拟开发产品的性能特点、技术规格和参数。对市场 中已经存在的同类产品，计方法
（2）感觉、领悟能力。以直觉预感到某种社会需要，特 别是潜在的市场需求。
（3）捕获、解读及评判信息的能力。
第2章 项目策划及功能分析设计方法
产品设计一般有两种情况：其一是全新原创设计，获得这 种需求的关键是信息，应充分掌握产品及市场情况；其二是再 设计（或重新设计），当市场对某产品不满意时，可通过重新 设计来解决其存在的问题，例如提高产品质量，降低成本，减 少或根治环境污染，采用最新技术等。对于重新设计，提出需 求的关键是明确存在的问题是什么，为什么要重新设计。
第2章 项目策划及功能分析设计方法
确定项目及设计任务后，即可根据设计要求进行原理方案 设计。开发一项全新的技术系统，其原理方案往往是未知数， 即便是开发非全新的一般系统，要获得市场的认可，设计人员 也要花费很大的心血。为此，需要设计师开展创造性思维和技 术活动，充分应用现代设计方法、设计原理，广纳成熟的、先 进的科学技术成果，尽力使设计在原理上新颖、正确，在实践 中可行，在技术上先进，在经济上合理，富有时代感。设计的 核心是创意、构思、规划原理方案以及通过什么样的技术途径 获得特定功能的系统。
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解:
X (1) 0
X0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 1
f1=f(X0(1）)=－3
第一次循环：沿坐标轴方向e1进行一维 搜索：
X (1) 1
X
(1) 0
(1) 1
S (1) 1
1 1
(1) 1
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§5.4.3 鲍威尔法（ Powell法）
• 两次平行搜索产生一个共轭方向，Powell法 也是一种共轭方向法，能在有限步长内极 小化一个二次函数，是直接搜索方法中使 用效果最佳的一种方法。
• 对于维数n<20的目标函数求最优化问题， 此法可获得满意效果。
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现代设计方法
• 找出前一轮迭代法中函数值下降最多的方向 m及下降量△m，即：
△m=max｛[f(Xk(i))－f(Xk(i+1))]（i=0,1,…,n-1）｝ = f(Xk(m-1))－f(Xk(m))
• 可以证明：若 f3 <f1 (f1 -2f2+f3)(f1-f2- △m)2< 0.5△m(f1-f3)2
X k(n)
2
X k (0)
1
X k (1)
X1
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现代设计方法
• 例：试用修正Powell法求f(X)=X12+2X22－ 4X1-2X1X2的最优解。X0=[1,1]T ，收敛精度 ε=0.001 。
同时成立
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现代设计方法
• 表明方向Sk(n)与原方向组成线性无关，可以 用来替换对象△m所对应的方向Sk(m)。否则仍 用原方向组进行第k+1轮搜索。
X2 f1
Sk (n)
f3
X (n2) k
f2
X (n1) k
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现代设计方法
Ⅰ、鲍威尔法基本原理、迭代格式 • 原始的Powell法是沿着逐步产生的共轭方向
进行一维搜索的。 • 现以二维二次目标函数为例来说明。 如下图所示，选定初始点X0(1)，初始方向：
S1(1)=e1=[1,0]T S2(1)=e2=[0,1]T
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S (1) X 0(2)
S
(1) 2
S1(1)
X
(1) 1
• 由图可知点X0(2) 、X2(2) 是先后两次沿S(1)方向一 维搜索的极小点。
• 由共轭性质知：连接 X0(2) ，X2(2)构成的矢量 S(2) 与S(1)对H共轭。
X1
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据是否满足条件计算：
Sk (n)
f1=f(Xk(0))
X2
f3
f2=f(Xk(n)) f3=f(Xk(n+2))
X (n2) k
f2
X (n1) k
X k(n)
f1
2
X k (0)
1
X k (1)
X1
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S (1)
X2
模式方向
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S (2)
X
(1) 0
X
( 1
2)
X (3) 0
X
( 2
2)
X
(1) 2
S (1) X 0(2)
S
(1) 2
S1(1)
X
(1) 1
0 X1
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S (1)
f2
X (n1) k
X k(n)
映射点
f1
2
X k (0)
1
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X k (1) X1
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• 和原始Powell法的主要区别在于：在构成第
k+1次循环方向组时，不用淘汰前一循环中的
第一个方向S1(k)的办法，而是计算函数值并根
X1
(1)
X2
e1
(1)
X0
(1)
X1
(1)
X2
为了避免此种情况产生，提出了修正的Powell法。
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Ⅲ、修正Powell法
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• 为了避免鲍威尔法缺陷，提出了修正算法。
Sk (n)
X2
f3
X (n2) k
X (1) 2
X (1) 0
S (2)
X (2) 2
X
(2) 0
S(1)与S(2)之间的关系？
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现代设计方法
S (1)
S (2)
X2
X
(1) 0
X
( 1
2)
X (3) 0 X 2(2)
X
(1) 2
S (2)
X2
现代设计方法
X 0(1)
X
(2) 1
X (3) 0 X 2(2)
X 2(1)
S (1) X 0(2) S 2 (1)
S1(1)
X
(1) 1
第一循环 第二循环
初始点
X (1) 0
方向
e1 e2
X
(2) 0
[
X (1) 3
]
e2 S (1)
终点
X (1) 2
X (2) 2
新方向 X1
S (1)
思考：如采用原始Powell法，如 何判别此题具有几次收敛性？ 修正Powell算法是否具有同样的 收敛性？ 提示：先沿(e1,e2)进行搜索： e1=[1,0]T，e2=[0,1]T
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f(X)=X12+2X22－4X1-2X1X2
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• 从理论上讲，二维二次正定函数经过这组共 轭方向的一维搜索，迭代点已达到函数的极 小点X* 。
• 将此结构推广至n维二次正定函数，即依次沿 n个（S(1) ，S(2)，…，S(n)）共轭方向一维搜 索就能达到极小点。
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Ⅱ、鲍威尔法缺陷
• 当某一循环方向组中的矢量系出现线性相关的情况（退 化、病态）时，搜索过程在降维的空间进行，致使计算 不能收敛而失败。
e3
新一轮搜 索方向
新一轮搜索 e3 方向和原方
向线性相关
e2
e2
(1)
X0
(1)
S4
(1)
X3
(1)
S4
(1)
X3
e1
(1)