现代设计方法课程教学大纲

《现代设计方法》课程教学大纲

课程名称：现代设计方法课程代码：MEAU2028

英文名称：Modern Design Methods

课程性质：专业选修课程学分/学时：2学分/36学时

开课学期：第6学期

适用专业：机械工程

先修课程：高等数学、线性代数、概率与数理统计、理论力学、材料力学、机械设计、计算机基础等

后续课程：无

开课单位：机电工程学院课程负责人：王阳俊

大纲执笔人：王阳俊大纲审核人：倪俊芳

一、课程性质和教学目标（在人才培养中的地位与性质及主要内容，指明学生需掌握知识与能力及其应达到的水平）

课程性质：《现代设计方法》是机械工程专业的一门专业选修课程。本课程主要针对现代产品设计制造的过程中存在的工程实际问题，着力于培养学生对科学问题与工程问题的思维方法，使学生形成利用现代设计工具获得设计方案与进行科学研究的基本能力。

教学目标：现代设计方法是以产品设计为对象，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的一门方法论。本课程主要包括优化设计方法、可靠性设计方法、有限元设计方法与动态设计方法等基本内容，通过相关内容学习，使学生理解机械工程专业各门专业课与高等数学等基础课程在机械产品设计过程中如何通过融合解决实际工程问题，提高学生从事机械工程及自动化领域内实际工作中的系统的解决问题的能力。

本课程的具体教学目标如下：

1.掌握优化设计方法的基本理论、数学模型与优化方法，培养学生在解决复杂工程问题过程中进行获得系统优化方案的基本能力。

2.掌握可靠性设计的基本理论、基本指标与设计方法，培养学生在复杂工程问题中进行可靠性分析的基本能力；

3.掌握有限元分析的基本理论，基本方法与设计工具，培养学生利用现代工具解决机械设计实际问题的基本能力。

4.掌握动态设计的基本理论、基本方法与设计工具，培养学生利用现代工具分析问题与获得工程解决方案的基本能力。

教学目标与毕业要求的对应关系：（暂时不写！不要删除此项！）

二、课程教学内容及学时分配（含课程教学、自学、作业、讨论等内容和要求，指明重点内容和难点内容。重点内容：★；难点内容：∆）

1、优化设计概述（2学时）（支撑教学目标1）

1.1概述

1.2最优化数学模型

1.3数值迭代方法

➢目标及要求：

1)掌握优化设计的基本思想★；

2)掌握最优化设计数学模型的基本要素★；

3)掌握数值迭代的基本思想与方法∆；

➢作业内容：

建立基本的最优化数学模型。

2、最优化方法的数学基础（2学时）（支撑教学目标1）

2.1多维函数的偏导数与梯度

2.2多维函数的泰勒展开式

2.3多维函数的极小点存在条件

2.4局部极小点与全域极小点

➢目标及要求：

1)掌握多维函数偏导数与梯度的计算方法∆；

2)掌握多位函数泰勒展开式的计算方法∆；

3)掌握多维函数的极小点存在条件∆；

4)了解局部极小点与全域极小点的区别；

➢作业内容：

计算函数的梯度、海色矩阵与极小点存在条件验证。

3、一维搜索方法（2学时）（支撑教学目标1）

3.1概述

3.2进退法

3.3黄金分割法

3.4二次插值法

➢目标及要求：

1)掌握一维搜索方法的基本思想★；

2)掌握进退法的基本思想与基本步骤★；

3)掌握黄金分割法的基本思想与基本步骤★∆；

4)掌握二次插值法的基本思想与基本步骤★∆。

➢作业内容：

1)利用黄金分割法进行一维搜索练习；

2)利用二次插值法进行一维搜索练习。

4、无约束优化直接方法（2学时）（支撑教学目标1）

4.1坐标轮换方法

4.2鲍威尔共轭方法

➢目标及要求：

1)掌握坐标轮换法的基本思想与基本步骤★；

2)掌握鲍威尔共轭方法的基本思想与基本步骤★；

➢作业内容：

两种优化方法基本步骤的区别与练习。

5、无约束最优化间接方法（2学时）（支撑教学目标1）

5.1概述

5.2梯度法

5.3牛顿法

5.4变尺度法

➢目标及要求：

1)掌握梯度法的基本思想与基本步骤★；

2)掌握牛顿法的基本思想与基本步骤★；

3)掌握变尺度法的基本思想与基本步骤★∆。

➢作业内容：

分别应用三种方法进行优化练习。

6、有约束最优化直接方法（2学时）（支撑教学目标1）

6.1随机方向搜索法

6.2复合形法

➢目标及要求：

1)掌握随机方向搜索法的基本思想与基本步骤★；

2)掌握复合形法的基本思想与基本步骤★∆；

➢作业内容：

编制实现两种方法的计算机程序。

7、有约束最优化间接方法（2学时）（支撑教学目标1）

7.1内点惩罚法

7.2外点惩罚法

7.3混合惩罚法

➢目标及要求：

1)掌握内点惩罚法的基本思想与基本步骤∆；

2)掌握外惩罚法的基本思想与基本步骤∆；

3)掌握混合惩罚法的基本思想与基本步骤；

➢作业内容：

编程实现三种方法的计算机程序。

8、最优化设计方法的若干问题（2学时）（支撑教学目标1）

8.1优化问题的建模

8.2优化计算结果的分析与处理

➢目标及要求：

1)掌握目标函数、设计变量与约束函数的选取原则★∆；

2)掌握优化设计计算结果处理的原则与技巧★。

➢作业内容：

针对具体问题进行优化问题的建模与分析。

9、可靠性概述（2学时）（支撑教学目标2）

9.1概述

9.2可靠性指标

➢目标及要求：

1)掌握可靠性概念★；

2)掌握常用的可靠性指标★；

➢作业内容：

计算常用的可靠性指标。

10、可靠性设计常用分布函数（2学时）（支撑教学目标2）

10.1二项分布