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
10.2泊松分布
10.3正态分布
10.4威布尔分布
10.5对数正态分布
10.6指数分布
➢目标及要求：
1)掌握不同分布函数下可靠度指标的计算方法★∆；
➢作业内容：
计算不同分布函数下可靠度指标。

11、可靠性设计原理（2学时）（支撑教学目标2）
11.1应力强度干涉模型
11.2应力与强度均服从正态分布时可靠度计算
11.3应力与强度均服从指数分布时可靠度计算
➢目标及要求：
1)掌握应力强度干涉模型的基本原理∆；
2)掌握联结方程的意义★∆；
3)掌握不同概率分布条件下，可靠度的计算方法★；
➢作业内容：
计算不同概率分布下可靠度。

12、零部件的可靠性设计（2学时）（支撑教学目标2）
12.1零部件静强度的可靠性设计
12.2零部件疲劳强度的可靠性设计
➢目标及要求：
1)理解材料全概率疲劳曲线（R-S-N曲线）的意义★∆；
2)理解材料的分布化等寿命疲劳极限图的意义★∆；
3)理解零部件可靠性设计的意义；
➢作业内容：
利用两种曲线计算零部件可靠度。

13、系统可靠性设计（2学时）（支撑教学目标2）
13.1系统可靠性预测
13.2系统可靠性分配
13.3故障树分析法在系统设计中的应用
➢目标及要求：
1)理解系统可靠性的基本概念；
2)掌握系统可靠性的预测方法★；
3)掌握系统可靠性的分配方法★；
4)理解故障树的基本概念和分析方法。

➢作业内容：
计算串联系统、并联系统和其他类型系统的可靠度，并根据给定可靠度指标分配系统不同部件的可靠度。

14、有限元法概述（2学时）（支撑教学目标3）
14.1有限元法的基本思想
14.2有限元法在工程中的应用
14.3有限元法求解问题的基本步骤
➢目标及要求：
1)理解有限元法的基本思想★；
2)掌握有限元法的基本步骤★∆；
➢作业内容：
推导一维单元的有限元方法具体过程。

15、平面刚架的有限元法（2学时）（支撑教学目标3）
15.1结构的离散化
15.2单元刚度矩阵的建立
15.3总体刚度矩阵的建立
15.4位移的求解
➢目标及要求：
1)掌握二维刚架有限元法的基本思想；
2)掌握结构离散化的原则★∆；
3)掌握单元刚度矩阵的推导方法★∆；
4)掌握总体刚度矩阵的集成方法★∆；
5)掌握位移的求解方法。

➢作业内容：
利用二维刚架有限元法，求解实际问题。

16、弹性力学平面问题的有限元法（2学时）（支撑教学目标3）
16.1弹性力学的基本方程
16.2单元刚度矩阵的建立
16.3总体刚度矩阵的集成
16.4总体刚度方程的求解
➢目标及要求：
1)掌握弹性力学有限元法的基本思想；
2）掌握结构离散化的原则★∆；
3）掌握单元刚度矩阵的推导方法★∆；
4）掌握总体刚度矩阵的集成方法★∆；
5）掌握位移的求解方法。

➢作业内容：
利用平面问题有限元法，求解实际问题。

17、传递矩阵建模方法（2学时）（支撑教学目标4）
17.1轴系扭转振动分析
17.2轴系横向振动分析
➢目标及要求：
1）掌握轴系扭转振动状态传递方程★∆；
2）掌握轴系扭转振动固有频率和主振型的计算方法；
3）掌握轴系横向振动状态传递方程★∆；
4）掌握轴系横向振动固有频率和主振型的计算方法。

➢作业内容：
推导两种状态传递方程。

18、动态设计试验建模方法（2学时）（支撑教学目标4）
17.1机械阻抗与频率响应函数
17.2振动系统频率响应的图示法
17.3传递函数测量的模态分析
➢目标及要求：
1）掌握幅频和相频特性曲线；
2）掌握实频与虚频曲线；
3）掌握奈奎斯特图；
4）掌握模态分析的方法★∆。

5）掌握参数识别的概念与意义；
➢作业内容：
传递函数推导过程，奈奎斯特图画法。

三、教学方法
本课程的教学主要包括四部分内容，分别为优化设计方法、可靠性设计方法、有限元方法与动态设计方法，其课程的共性特点是：用定量、动态和优化的思路提供机械系统设计的方法论，在解决复杂工程系统的设计过程中，加深学生对工程属性中实践性、多解性、集成性和可靠性的基本认识，本课程的学习过程中既要启发学生对工程问题的系统认识，又要引导学生将现代设计方法的基本思想与实际工程问题结合，利用基本数学理论建立解决工程问题的抽象模型，做到理论与实践的统一。

因此在教学方法上，基于案例与例题的讲授教学方法是基本的教学方法，这样可以做到学生不断地将抽象的方法与实际案例相印证，逐渐深化对方法的定义与内涵的认识。

在讲授的过程中，采用引导启发的教学方法可以将现代设计方法的历史背景与内在逻辑思考过程融合起来，让学生清楚设计方法思想的来龙去脉，让现代设计方法的思想自然而然被学生所接受，使学生学习过程中体会到现代设计方法中严谨的逻辑性，有利于培养学生通过自身的严谨的思考分析与解决问题的逻辑能力。

在教学过程中，用软件演示仿真的教学方法，引导学生对现代计算机工具软件的运用加深认识，并给予足够的重视，“工欲善其事，必先利其器”，让学生认识到设计方法与设计工具的必须统一，有利于学生毕业后进行科研与实际工作中设计能力的提高，做到知行合一。

教学方法要根据教学内容与教学对象而与时俱进，工科专业的教学内容随着科学技术不断发展发生着深刻的变化，比如现代设计方法中蒙特卡罗方法随着人工智能的兴起已经成为了现代设计方法的教学内容，多尺度仿真方法随着复杂系统在宏观微观维度的发展成为了现代设计过程中不可或缺的重要方法。

教学对象的世界观、人生观和价值观也随着时代的发展而变化，科学与技术哲学中可证伪性代替因果性，不确定性代替确定性的思考逐渐向工程领域渗透，也直接影响到教学对象的思维方式与思维方法，因此，通过对学生培养目标、学生专业课程设置和本门课程学习目标的不断加深认识，通过与学生在学习、工作、生活问题上的适当交流，教学方法将会不断改进。

在现代设计方法的教学方法实践上，已进行了合理质疑的讨论方法以及工程哲学思维引导的教学方法的实践，未来促进学校与企业之间采用现代设计方法实践合作的模式，提出面向实际工程项目案例的系统化教学方法，对养成学生系统思考的习惯和提高解决复杂工程问题的能力应该十分有益。

四、考核及成绩评定方式
考核方式：闭卷笔试
成绩评定方式：笔试成绩80%，平时成绩20%
五、教材及参考书目
教材：
孙新民等，现代设计方法实用教程，清华大学出版社，2009。

参考书目：
[1]孙靖民等，现代机械设计方法，哈尔滨工业大学出版社，2003。

[2]康崇禄，蒙特卡罗方法理论和应用，科学出版社有限责任公司，2017
[3]张鄂等，现代设计理论与方法，科学出版社，2014。

[4]孙靖民等，机械优化设计，机械工业出版社，2012。

[5]Elsayed A. Elsayed，杨舟，可靠性工程，电子工业出版社，2013。