河南理工《现代设计理论》复习题

《现代设计理论》复习内容1绪论现代设计理论与方法是一门基于思维科学、信息科学、系统工程、计算机技术等学科，研究产品设计规律、设计技术和工具、设计实施方法的工程技术科学。现代设计理论与方法的主要特点体现在：最优化、数字化、智能化、系统性、创新性和网络化。设计的概念：（狭义）将客观需求转化为满足需求的技术系统(或技术过程)的活动。设计的特征：需求特征、创造性特征、程序特征、时代特征。设计的四个发展阶段：直觉设计阶段、经验设计阶段、半理论半经验设计阶段、现代设计阶段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、近似系数或类比等方法进行设计。传统设计方法的特点：基本上是一种以静态分析、近似计算、经验设计、手工劳动为特征的设计方法。现代设计特点：是一种基于知识的，以动态分析、精确计算、优化设计和CAD为特征的设计方法。现代设计方法与传统设计方法相比，主要完成了以下几方面的转变：（1）产品结构分析的定量化；（2）产品工况分析的动态化；（3）产品质量分析的可靠性化；（4）产品设计结果的最优化；（5）产品设计过程的高效化和自动化。现代产品设计按其创新程度可分为：开发性设计、适应性设计、变形设计三种类型。开发性设计：它是在全部功能或主要功能的实现原理和结构未知的情况下，运用成熟的科学技术成果所进行的新型工业产品的设计，也可以称之为“零—原型”的设计。适应性设计：在工作原理不变的情况下，只对产品作局部变更或增设部件，其目的是使产品能更广泛的适应使用要求。例如对各种不同的工况条件的适应性、产品工作的安全性、可靠性、寿命、工作效率、易控性等。变形设计：在工作原理和功能都不变的情况下，变更现有产品的结构配置和尺寸，使之满足不同的工作要求。现代产品设计的三个阶段：功能原理设计、实用化设计、商品化设计三个重要阶段。2系统分析设计方法设计的一般进程模式（时间维）：产品规划阶段，方案设计阶段，技术设计阶段和施工设计阶段。4优化设计优化设计的内容：（1）将实际设计问题转变为数学规划问题，即建立数学模型。（2）采用适当的最优化方法求解这个数学规划问题，即求解这个数学模型。例4.1有一边长为6m的正方形钢板，四角各裁去一个小的方块，做成一个无盖的货箱。试确定裁去的四个小方块的边长，以使做成的货箱具有最大的容积。优化设计数学模型的一般形式：min()nfXXRs.t.p,,,uXg210unq,,,v)X(h210v优化设计的数学模型三要素：设计变量、目标函数和约束条件可行域与不可行域数值迭代法的终止准则（1）点距准则相邻两点(1)kX和()kX的向量差的模(1)()1kkXX（2）函数值下降量准则(1)()3()()kkffXX或(1)()4()()()()kkkfffXXX（3）梯度准则()5()kfX数值迭代法的求优过程如下：1）初选一个尽可能接近极小点的初始点(0)X，从点(0)X出发沿某一方向(0)S(此方向由某种优化方法所规定)，以初选步长(0)a去搜索一个新点(1)X，这个新点为(1)(0)(0)(0)aXXS且应满足适用性要求，即(1)(0)()()ffXX2）在得到优于点(0)X的新设计点(1)X之后，又以(1)X为新起点按类似的方法和公式寻找下一个新设计点(2)X，(2)(1)(1)(1)aXXS，且满足(2)(1)()()ffXX。3）如此继续。中间过程的每一次的迭代公式：(1)()()()kkkkaXXS，且满足(1)()()()kkffXX迭代求优的核心：每次迭代方向()kS和步长因子()ka的确定。各种优化方法的区别就在于此。函数极值点所在搜索区间（单峰区间）特征：若已知方向()kS上的三点123xxx及其函数值1()fx、2()fx、3()fx，函数值呈“大—小—大”的关系，即123()()()fxfxfx黄金分割法的算法原理：黄金分割法亦称0.618法。它是通过对黄金分割点函数值的计算和比较，不断缩小初始区间得到极小点的一维搜索算法。二次插值法的算法原理：二次插值法又称抛物线法，是多项式逼近法的一种，它是利用目标函数在单峰区间的两个端点和其间一点（3个点），构成一个与目标函数相接近的二次插值多项式，以该多项式的极小点作为新的中间插入点，进行区间缩小的一维搜索算法。梯度法的基本思想：以迭代点的负梯度方向作为每次迭代的搜索方向，直至找到极小点。梯度法的一般迭代式：kkkkSXX1梯度法的搜索方向：kkXfS梯度法的迭代步骤：（1）任取初始点0X，选定收敛精度＞0，令0k。（2）计算kXf。（3）若kXf≤，则迭代终止，取k*XX，否则进行步骤（4）。（4）用一维搜索求kkSXfmin，得最优步长k。（5）令kkkkXfXX1，1kk，返回步骤（2）。例4.6用梯度法求目标函数222125xxXf的最优解。取初始点T022X，迭代精度0050.。（只要求完整求解第一轮）梯度法的“最速下降”方向并不是最理想的迭代捷径。其根本原因在于梯度的最速下降性质只是迭代点邻域内的一种局部性质，从全局来看这种方向并没有“最速”的性质。牛顿法的基本思想：在点迭代点kX附近用一个二次函数X近似的代替目标函数Xf，XXf，然后用X的极小点作为Xf的下一个迭代点1kX。牛顿法的迭代公式：kkkkXfXHXX11，阻尼牛顿法又称修正牛顿法的迭代公式：kkkkkXfXHXX11变尺度法的基本思想？迭代公式？变尺度矩阵与牛顿法梯度法的关系？鲍威尔法的基本思想：从选定的初始点出发，先依次沿每个坐标方向一维搜索后，把初始点和终点相连产生一个新方向，然后沿新生方向一维搜索，完成一环的迭代。复合形法的基本思想：通过对复合形各顶点函数值的计算与比较，反复进行点的映射与复合形的收缩，使之逐步逼近约束最优解。内点罚函数法与外点罚函数法的概念及二者的区别。要求能够应用惩罚函数的内点和外点罚函数法进行简单问题的优化，如下题：求01tsminuxXg..xXf的最优解例4.11习题4-1，4-2（1），4-7，4-11，4-125可靠性设计可靠性的定义：即可靠性是指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。可靠性设计的常用指标的概念及计算公式：①可靠度：②不可靠度或失效概率：③失效概率密度函数：④失效率或故障率产品的失效率()t与时间t的关系曲线及其三个特征区。与传统设计方法相比，机械可靠性设计的特点：（1）在可靠性设计中，认为作用于零件上的载荷（工作应力）和材料的强度都不是确定量，而是随机变量，具有明显的离散性质。（2）在可靠性设计中，认为所设计的零部件存在一定的失效可能性，但失效概率应控制在允许范围内，不得超过允许值。应力－强度干涉模型：应力S和强度服从某一概率分布，分别用)(sf和)(g表示应力和强度的概率密度函数。将它们画在同一坐标系中，两种分布曲线有重叠，如图5-10的右图所示（图中的阴影线部分），这种重叠称为应力－强度干涉现象。将这种干涉称为应力－强度干涉模型。当应力和强度的均值一定时，降低强度和应力的标准差和s，可以提高可靠度。应力与强度均呈正态分布的可靠度计算：例5-2什么是串联系统？如何计算串联系统的可靠度？例5-4，例5-5什么是并联系统？如何计算并联系统的可靠度？例5-7习题：5-1~5-4，5-7~5-106有限元分析法有限元法求解问题的基本步骤：（1）连续体离散化；（2）分析单元特性，建立单元刚度矩阵；（3）组成结构和总体刚度方程；（4）确定约束条件，求解方程组；（5）计算单元的内力、应力及应变有限元法中，单元分析和整体分析的目的？7反求工程反求工程根据反求对象的不同，可以分为实物反求、影像反求、软件反求和局部反求四种类型。9.1TRIZ理论TRIZ主要研究技术冲突和物理冲突。TRIZ引导设计者挑选能解决特定冲突的原理，其前提是要按标准工程参数确定冲突。有39条标准冲突和40条原理可供应用。9.7绿色设计绿色设计基本思想是：在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小。绿色设计的主要内容包括：绿色产品设计的材料选择与管理；产品的可拆卸性设计；产品的可回收性设计