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习题
【说明】：本课程《现代设计方法》（编号为09021）共有单选题,计算题,简答题, 填空题等多种试题类型，其中，本习题集中有[ 填空题,单选题]等试题类型未进入。
一、计算题
1. 用黄金分割法求解以下问题（缩小区间三次）。
342)(min 2+-=x x x f ，给定初始区间[][]3,0,=b a ，取1.0=ε。
2. 用黄金分割法求解以下问题（缩小区间三次）
32)(min 2+=x x f ，给定[][],1,2a b =-，取1.0=ε
3. 用黄金分割法求解以下问题（缩小区间三次）
432+=x )x (f min ，给定[][]40,b ,a =，取10.=ε。
4. 用黄金分割法求解以下问题（缩小区间三次）。
12)(min 3+-=x x x f ，给定初始区间[][]3,0,=b a ，取5.0=ε
5. 用黄金分割法求解以下问题（缩小区间三次）。
107)(min 2+-=x x x f ，给定初始区间[][]3,0,=b a ，取1.0=ε
6. 用梯度法求解无约束优化问题：
168)(min 22221+-+=x x x X f ，取初始点[]T X 1,1)0(= ，计算精度1.0=ε。
7. 用梯度法求解96)(min 12221+-+=x x x X f ，[]T X 1,1)0(= ，1.0=ε。
8. 用梯度法求解44)(min 22221+-+=x x x X f ，[]T X 1,1)0(=，1.0=ε 。
9. 用梯度法求解无约束优化问题：1364)(min 222121+-+-=x x x x X f ，取初始点
[]T X 1,1)0(=，计算精度1.0=ε。
10. 用梯度法求解1212221422)(min x x x x x X f --+=,[]T X 1,1)0(=，1.0=ε 。
（请迭代两次）
11. 有三个可靠度均为0.9的子系统组成的并联系统，试比较纯并联及2/3[G]表决系统的可靠度。
12. 一个由2个子系统组成的系统，其可靠度指标为0.85，试按等同分配法分配子系统的可靠度：（1）组成串联系统，（2）组成并联系统。
13. 已知某零件的应力和强度均呈正态分布，零件强度：MPa 516=δμ（均值），
MPa S 2.24=δ（标准差）
，应力：MPa 378=σμ（均值），Mpa S 5.41=σ（标准差），试计算零件的可靠度与失效概率。
14. 由应力分析表明，某零件所承受的应力是拉应力，可用正态分布来描述，MPa T 3500=μ，标准差MPa S T 400=。该零件在制造过程中所引起的残余应力也可用正态分布来描述，其均值MPa C 1000=μ，标准差MPa S C 150=。由强度分析表明，该零件的强度也服从正态分布，其均值MPa 5000=δμ。现要求出当保证该零件的可靠度不低0.999时，零件强度的标准差的最低值应为多少?
15. 由应力分析表明，某零件所承受的应力是拉应力，可用正态分布来描述，MPa T 3500=μ，标准差MPa S T 400=。该零件在制造过程中所引起的残余应力也可用正态分布来描述，其均值MPa C 1000=μ，标准差MPa S C 150=。由强度分析表明，该零件的强度也服从正态分布，其均值MPa 5000=δμ。现要求出当保证该零件的可靠度不低0.999时，零件强度的标准差的最低值应为多少?
16. 零件在工作中，作用在零件上的应力呈指数分布，均值为MPa 1000=σμ，强度服从正态分布，均值：MPa 2100=δμ，标准差：Mpa S 168=δ，试计算该零件的可靠度与失效概率。
17. 已知某一发动机零件所承受的应力服从正态分布，其均值MPa 3500=σμ，标准差Mpa S 400=σ；强度也服从正态分布。其均值MPa 8200=δμ，标准差MPa S 800=δ。求此时零件的可靠度是多少?
18. 由四个零件分别组成一个工作串联系统和并联系统，四个零件的可靠度分别为 RA ＝0.9，RB ＝0.8，RC ＝0.7, RD ＝0.6。求该两个系统的可靠度R 。并比较两个系统的可靠度。
19. 已知某产品的强度和应力均服从指数分布，己知应力的变化率MPa 03.0=σλ。现要求出，当可靠度为0.9时，产品的强度变化率应控制在什么数值上?
20. 有一批钢轴，规定钢轴直径不超过1.5cm 就是合格品，已知钢轴直径尺寸X 服从N(1.49，0.0052)。（查正态分布表得 )2(Φ＝0.97725，)1(Φ＝0.8413，φ（1）＝0.2420，φ（2）＝0.05399，64485.1)05.0(1＝-Φ，74485.1)04.0(1＝-Φ）
(1)试判断这批钢轴的废品率是多少？
(2)如果要保持有95％的合格率，那么应该规定钢轴直径的合格尺寸是多少？
二、简答题
21. 设计数据处理的常用方法有那些？
22. 结合实际应用，说明CAD 的工作过程。
23. 请简述现代CAD 技术的概念。
24. 请简述现代CAD 技术研究的内容。
25. 传统CAD 涉及以哪些基础技术？
26. 试述方向导数与梯度的关系。
27. 简述求解优化问题的图解法基本步骤。
28. 简述什么是梯度？梯度的基本性质。
29. 什么是共轭梯度法？试述梯度法与共轭梯度法的区别。
30. 简述什么是优化设计？下降迭代算法的构成需要解决哪几个基本问题？ 31. 下降迭代算法的收敛准则有哪些？
32. 优化设计的数学模型由哪三部分组成？建立优化设计的数学模型的基本步骤是什么？
33. 请简述梯度法和共轭梯度法的特点。
34. 请简述下降迭代算法构成的基本步骤。
35. 无约束优化方法分为哪两类？
36. 一般机械产品的可靠性设计程序分哪几个阶段？
37. 试述可靠性的定义及机械可靠性设计方法的主要特征。
38. 什么是可靠度？系统的可靠性预测和可靠性分配有何不同?
39. 简述可靠性的重要意义。
40. 可靠性分配需考虑哪些因素？
三、 填空题
11. CAD 系统硬件一般由主机、输出设备、输入设备和 设备四部分组成。
12. 工程设计的参数一般可分为几何参数和 两种类型。
13. 有限元位移法中单元分析的主要内容 。
14. 一个多元函数F(X)在点x *附近偏导数连续，则该点为极大值点的充分条件是 。
15. 偏导数、方向导数都是研究某点沿给定方向的 。
16. 设某约束优化问题目标函数为F (X )，3个约束条件为g i (X )≤0，(i =1,2,3)，在X 0点满足 －?F (X 0)＝2?g 1(X 0)＋?g 2(X 0)，则起作用的约束为 。
17. 可靠度是对产品可靠性的 度量。
18. 机电产品零件失效率曲线有 区域 、正常工作区域、 区域。
19. 若y ＝ln x 服从正态分布，则随即变量x 服从 分布。
20. 弹性模量E 是指单元体只在X 方向拉伸时，X 方向上的正应力(σX )与 的比值。
四、单选题
1. CAD 系统中不是按其描述和存储内容的特征划分的几何模型（ ）
A.线框几何模型
B.表面几何模型
C.实体几何模型
D.曲面几何模型
2. 工程数据处理中，使用线性插值法完成（ ）
A.一元插值
B.二元插值
C.曲线拟合
D.曲线绘制
3. 三维图形变换矩阵?????
???????=s n m l r j i h q f e d p c b a T ，中l 表示产生的（ ） A.比例变换 B.对称变换 C.错切变换 D.平移变换
4. 求f(x 1,x 2)＝2x 12-8x 1+2x 22-4x 2+20的极值及极值点（ ）
A. x*=[1，1]T 12
B.
x*=[2，1]T 10 C. x*=[2，2]T 12 D. x*=[1，0]T 14
5. 梯度法与变尺度法所具有的收敛性分别为（ ）
A ．一次收敛性．一次收敛性
B ．二次收敛性．二次收敛性
C ．一次收敛性．二次收敛性
D ．二次收敛性．一次收敛性
6. 对于极小化F(x)，而受限于约束g μ(x)≤0(μ= 0,1,2,…,m)的优化问题，其内点罚函数表达式为（ ）
A.∑=-=Φm k k X g r X F r X 1)()()(/1)(),(μμ
B.∑=+=Φm
k k X g r X F r X 1)()()(/1)(),(μμ C.∑=-=Φm k k X g r X F r X 1)()()](,0m ax[)(),(μμ D.∑=-=Φm k k X g r X F r X 1
)()()](,0m in[)(),(μμ
7. N 台具有相同可靠度为R 的设备组成系统，恰好有r 台设备失效时系统的可靠度为（ ）
A ．R S ＝∑=--r i r r n r n R R C 0)1(
B ．R S ＝∑=--n
i r r n r n R R C 0)1(
C ．R S ＝r r n r n R R C )1(--
D ．R S ＝∑=---r i r r n r n R R C
0)1(1 8. N 台具有相同可靠度为R 的设备组成系统，若系统允许 r 台设备失效仍认为正常
工作，则该系统的可靠度函数R S 为（ ）
A ．R S ＝∑=---n r i i i n i n n R R C )1(
B ．R S ＝∑=--n i r r n r n R R
C 0)1(
C ．R S ＝r r n r n R R C )1(--
D ．R S ＝∑=---r i r r n r n R R C
0)1(1
9. 设试验数为N 0，累积失效数为N f (t)，仍正常工作数N s (t)，则存活频率是指（ ）
A ．0)
(N t N f B ．0)(N t N s C ．)()(t N t N f s D ．)
()(t N t N s f 10. 在t ～t ＋△t 的时间间隔内的平均失效密度f (t )表示（ ）
A ．平均单位时间的失效频数
B ．平均单位时间的失效频率
C ．产品工作到t 时刻，单位时间内发生失效的概率
D ．产品工作到t 时刻，单位时间内发生的失效数与仍在正常工作的数之比
答案
一、计算题
1. 解：第一次缩小区间
043.1,146.1)03(382.0011==-?+=f x
459.2,854.1)03(618.0022==-?+=f x
由于21f f <，故新区间[][][]854.1,0,,2==x a b a
因为1.0854.1>=-a b ，所以应继续缩小区间。
第二次缩小区间
令043.1,146.11212====f f x x
171.1,708.0)0854.1(382.0011==-?+=f x
由于21f f >，故新区间[][][]854.1,708.0,,1==b x b a
因为1.0146.1>=-a b ，所以应继续缩小区间。
第三次缩小区间
令043.1,146.12121====f f x x
346.1,416.1)708.0854.1(618.0708.022==-?+=f x
由于21f f <，故新区间[][]416.1,708.0,2
=x a 因为1.0708.0>=-a b ，所以应继续缩小区间。
2. 解：第一次缩小区间
043.3,146.03382.0111==?+-=f x
459.4,854.03618.0122==?+-=f x
由于21f f <，故新区间[][][]854.0,1,,2-==x a b a
因为1.0854.1>=-a b ，所以应继续缩小区间。
第二次缩小区间
令043.3,146.01212====f f x x
171.3,292.0854.1382.0111=-=?+-=f x
由于21f f >，故新区间[][][]854.0,292.0,,1-==b x b a
因为1.0146.1>=-a b ，所以应继续缩小区间。
第三次缩小区间
令043.3,146.02121====f f x x
346.3,416.0)292.0854.0(618.0292.022==+?+-=f x
由于21f f <，故新区间[][]416.0,292.0,2-=x a
因为1.0708.0>=-a b ，所以应继续缩小区间。
3. 解：第一次缩小区间
004115281461801011.f ,.).(x ==?-+=
33222472246180022.f ,..x ==?+=
由于21f f <，故新区间[][][]472202.,x ,a b ,a ==
因为10472204722...>=-，所以应继续缩小区间。
第二次缩小区间
令0041152811212.f f ,.x x ====
6736944047223820011.f ,...x ==?+=
由于21f f <，故新区间[][]52810.,b ,a =
因为105281..a b >=-，所以应继续缩小区间。
第三次缩小区间
令673694401212.f f ,.x x ====
0235584052813820011.f ,...x ==?+=
由于
21f f <，故新区间[][]944002.,x ,a =
因为109440..a b >=-，所以应继续缩小区间。 4. 解：第一次缩小区间
2131.0,146.1)03(382.0011==-?+=f x
6648.3,854.1)03(618.0022==-?+=f x
由于21f f <，故新区间[][][]854.1,0,,2==x a b a
因为5.0854.1>=-a b ，所以应继续缩小区间。
第二次缩小区间
令2131.0,146.11212====f f x x
0611.0,708.0)0854.1(382.0011-==-?+=f x
由于21f f <，故新区间[][][]146.1,0,,2==x a b a
因为5.0146.1>=-a b ，所以应继续缩小区间。
第三次缩小区间
令0611.0,708.01212-====f f x x
208.0,438.0)0146.1(382.0011==-?+=f x
由于21f f >，故新区间[][][]416.1,438.0,,1==b x b a
因为5.0708.0>=-a b ，所以应继续缩小区间。
5. 解：第一次缩小区间
291.3,146.1)03(382.0011==-?+=f x
459.0,854.1)03(618.0022==-?+=f x
由于21f f >，故新区间[][][]3,146.1,,1==b x b a
因为1.0854.1>=-a b ，所以应继续缩小区间。
第二次缩小区间
令459.0,854.12121====f f x x
791.0,292.2)146.13(618.0146.122-==-?+=f x
由于21f f >，故新区间[][][]3,854.1,,1==b x b a
因为1.0146.1>=-a b ，所以应继续缩小区间。
第三次缩小区间
令791.0,292.22121-====f f x x
370.1,562.2)854.13(618.0854.122-==-?+=f x
由于21f f >，故新区间[][][]3,292.2,,1==b x b a
因为1.0708.0>=-a b ，所以应继续缩小区间。
6. 解：求：??????-=?822)(21x x X f ，??
????-=?62)()0(X f 令：??
????-=-?=62)()0()0(X f S 则：??
????+-=??????-+??????=+=αααα61216211)0()0()1(S X X )(16)61(8)61()21()(22)1(αφααα=++-++-=X f
令0)(='αφ，可得5.0=α，??
?
???=40)1(X ，0)()1(=X f 因：0)()1(=?X f ，可得此问题的最优解：??
????=40*X ，0)(*=X f 。 7. 解：??
????-=?21262)(x x X f ，??????-=?24)()0(X f 令：??
????-=-?=24)()0()0(X f S 则：??????-+=??????-+???
???=+=α
ααα21412411)0()0()1(S X X )(9)41(6)21()41()(22)1(αφααα=++--++=X f
令：0)(='αφ 可得：5.0=α ，??
????=03)1(X ，0)()1(=X f 因：0)()1(=?X f ，可得此问题的最优解：??
????=03*X ，0)(*=X f 。 8. 解：求：??
????-=?422)(21x x X f ，??????-=?22)()0(X f 令：??
????-=-?=22)()0()0(X f S
则：??
????+-=??????-+??????=+=αααα21212211)0()0()1(S X X )(4)21(4)21()21()(22)1(αφααα=++-++-=X f
令0)(='αφ，可得5.0=α，??
????=20)1(X ，0)()1(=X f 因：0)()1(=?X f ，可得此问题的最优解：???
???=20*X ，0)(*=X f 。 9. 解：求：??
????--=?6242)(21x x X f ，??????--=?42)()0(X f 令：??
????=-?=42)()0()0(X f S 则：????
??++=??????+???
???=+=αααα41214211)0()0()1(S X X )()24()12()(22)1(αφαα=-+-=X f
令0)(='αφ，可得5.0=α，??
?
???=32)1(X ，0)()1(=X f 因：0)()1(=?X f ，可得此问题的最优解：??
?
???=32*X ，0)(*=X f 。 10. 解：1）第一次迭代
求 ,42422)(2121??????+---=?x x x x X f ??
????-=?24)()0(X f 令 ??????-=-?=24)()0()0(X f S
则 ??
????-+=??????-+??????=+=αααα21412411)0()0()0()1(S X X )()41(4)21)(41(2)21(2)41()(22)1(αφααααα=+--+--++=X f 对这种简单的一元函数，可以直接用解析法对α求极小。
令 016)41(4)21(8)21(8)41(8)(=-++----+='αααααφ
解得 ,25.04
1==α,5.02)1(??????=X 5.5)()1(-=X f 因,25.4)()1(ε>=
?X f 还应继续迭代计算。 2)第二次迭代
因,21)()
1(??????--=?X
f ,21)1(??????=S ??????++=??????+??????=+=αααα25.02215.02)1()1()1()2(S X X )()2(4)25.0)(2(2)25.0(2)2()(22)2(αφααααα=+-++-+++=X f 令 04)2(4)25.0(8)25.0(8)2(2)(=-+-+-+++='αααααφ
解得 ,5.0=α ,5.15.2)2(??????=X ,75.6)()2(-=X f ,12)()2(??
????-=?X f 因,5)()2(ε>=?X f 可知X (2) 不是极小点，还应继续进行迭代。
11. 解：纯并联的系统可靠度为：
999.0)9.01(1)1(133=--=--=R R S
表决系统可靠度为：
972.0)9.0(2)9.0(3233232=-=-=R R R S
由上述计算结果可以看出，采用并联系统都大大地提高了可靠度。而2/3[G]表决系统的可靠度比纯并联系统要低一些。
12. 解：1）组成串联系统：9219.0)85.0()(2
11**===n S i R R
即要求：9219.0*2*1==R R （2）组成并联系统：6127.0)85.01(1)1(12
11**=--=--=n S i R R
即要求：6127.0*2*1==R R 。 13. 解：87.25.412.243785162222=+-=+-=σδσ
δμμS S Z R
查正态表得可靠度：99795.0)87.2(=Φ=R
失效概率00205.01=-=R F 。
14. 解：87.25.412.243785162222=+-=+-=σδσ
δμμS S Z R
查正态表得可靠度：99795.0)87.2(=Φ=R
失效概率00205.01=-=R F 。
15. 解：已知 M P a N M P a
N C T ），＝残余应力，（拉应力1501000()4003500σσ=
故平均有效应力为：MPa MPa C T 2500)10003500(=-=-=μμμσ 应力的标准差为：MPa S S S C T 2.4271504002222=+=+=σ
根据标准正态积分表，可以由要求可靠度0.999反过来查出标准正态随机变量1.3-=Z , 代入公式22σ
δδ
δμμS S Z +--= 可以求出:222.427250050001.3+--=-δS
由上式解出：MPa S 684=δ。
16. 解：3101
-==σσμλ
由公式)2(21
222)(1)(1δσσδλλμδδσδδδ
λμφμφS e S S S R --??????------=可得：
???????-??-??
?????------=---)168101021002(21exp 168168102100(1)1682100(126323φφR []8758.0)332.12(1)5.12(1086.2=-----=-e φφ
失效概率为1242.08758.011=-=-=R F 。
17. 解：因为安全系数34.23500
8200===σδμμη
故在此安全系数下零件的可靠度为：
25.5800400350082002222-=+--=+--=σδδ
δμμS S Z
根据25.5-=Z 及标准正态积分表，可查出可靠度R=0.9999999。
18. 解：串联系统的可靠度为：
3024
.06.07.08.09.0)(1=???=???==∏=D
C B A n i t S R R R R t R R
并联系统的可靠度为：
9976
.0)6.01)(7.01)(8.01)(9.01(1)]
(1[11=-----=--=∏=n
i t S t R R
对比可知，并联的组合方法将大大地提高系统的可靠度。
19. 解：已知某产品的强度和应力均服从指数分布，则强度δ有
)exp()(δλλδδδ?-=f （0≤δ≤∞）
对于应力σ有 )e x p ()(σλλσσσ?-=f （0≤σ≤∞）
δ
σσδσσδδδσσλλλσσλλλσσλλλσλλσδδσσδ+=?+-=???????-?-=??????=>=???
?∞∞
∞∞00
00])(exp[)exp()exp()()()(d d d d f f P R 可得： δλ+=
03.003.09.0 则 M P a M P a 0033.0)03.09.003.0(9
.01=?-=δλ。 20. 解：(1)已知005.049.1＝，＝σμ
02275.0)2(1)005
.049.15.1(1)5.1(1)5.1(=Φ-=-Φ-=≤-=>X P X P 因此，该批钢轴的废品率是0.02275。
(2)设规定钢轴直径的合格尺寸是X ，则有95.0)(=≤x X P
即95.0)005
.049.1005.049.1(=-≤-x X P 从而)()(95.095.0u u z P Φ=≤ 其中005
.049.195.0-=
x u 由正态分布表查得64485.195.0=u 代入可得：cm x 498.1005.064485.149.1≈?+= 因此，规定钢轴直径的合格尺寸是1.498cm 。
二、简答题
21. 答：通常对设计数据处理的方法有以下两种：（1）将设计数据转变为程序，即程序化。采取编程的方法对数表及图线进行处理，通常不外乎两种方法：第一，采用数组存储在程序中，用查表、插值的方法检索所需数据；第二，拟合成公式编入程序，由计算获得所需数据；(2)利用数据库管理设计数据。将数表中的数据或线图经离散化后的数据按规定的格式存放在数据库中，由数据库自身进行管理，独立于应用程序，因此，可以被应用程序所共享。
22. 答：CAD 的工作过程为：
１)通过CAD 系统人机交互界面输入设计要求，构造出设计产品的几何模型，并将相关信息存贮于数据库中；
2)运用计算方法库的计算分析：包括有限元分析和优化设计，同时确定设计方案和零部件的性能参数；
3)通过人机交互方式，对设计结果进行评价决策和实时修改，直至达到设计要求为止，利用图形库支持工具，绘制所需图形，生成各种文档；
4)设计结果可直接进入CAPP 和CAM 阶段。
23. 答：现代CAD 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，设计工具各相关技术的总称，它们能使设计工作实现集成化，网络化和智能化，达到提高产品设计质量，降低产品成本和缩短设计周期的目的。 24. 答：1)研究现代设计理论与方法
2）研究与设计工具相关的技术
①协同设计环境的支持技术，
②协同设计的管理技术。
3）研究与设计环境相关的技术
①产品数字化定义及建模技术，
②基于PDM 的产品数据管理与工作流（过程）管理技术，
③发展集成的CAx 和DFx 工具。
25. 答：1)处理技术，如自动绘图，几何建模，图形仿真及其他图形输入，输出技术。
2)分析技术，如限元分析，优化设计及面向各种专业的工程分析等。
3)数据管理与数据交换技术，如数据库管理，产品数据管理，产品数据交换规范及接口技术等。
4)文档处理技术，如文档制作，编辑及文字处理等。
5)软件设计技术，如窗口界面设计，软件工具，软件工程规范等。
26. 答：函数在一点的梯度是函数在该点变化率的全面描述。当方向S 与梯度的夹角为零时，方向导数达到最大值；这时梯度的模就是函数的最大变化率，此方向称之为梯度方向，函数在给定点的梯度方向必定是该点等值线或等值面的法线方向。当方向S 与点X ( k)的梯度相垂直时，函数在该点沿S 的方向导数等于零，即
[]
0)()()()(=??=??S X f S X f T k k ，这说明方向S 位于该点等值线的切线上或等值面的切平面内。因此函数在一点的梯度方向是该点上方向导数最大的方向，或者说函数值增长得最快的方向。
27. 答：图解法的基本步骤是：首先确定设计空间；再作出约束可行域；画出目标函数的一簇等值线；最后根据等值线与可行域的相互关系确定最优点。
28. 答：函数在点X(K)的梯度是由函数在该点的各个一阶偏导数组成的向量，即为一个列向量，可用行向量的转置来表示：
T n k k k k x x f x x f x x f x f ])(,......,)()([)()(2)(1)()(??????=?，
梯度的基本性质为：
(1)函数在一点的梯度是一个向量。梯度的方向是该点函数值上升得最快的方向，梯度的大小就是它的模长。
(2)一点的梯度方向与过该点的等值线或等值面的切线或切平面相垂直的方向或等值面的法线方向。
(3)梯度是函数在一点邻域内局部性态的描述。在—点上升得快的方向不—定上升得快，甚至可能下降。
29. 答：共轭梯度法是以函数的梯度构造共轭方向的一种算法，具有共轭方向的性质。共轭梯度法具有超线性收敛速度。梯度法与共轭梯度法的区别是：
1)最速下降法(梯度法) ：搜索方向为目标函数负梯度方向，计算效率优于坐标轮换法。开始几步搜索下降快，但愈接近极值点下降愈慢。对初始点的选择要求不高，适合与其它方法结合使用。
2)共轭梯度法：第一步搜索沿负梯度方向，然后沿负梯度的共轭方向搜索。计算效率介于梯度法和牛顿法之间。对初始点没有特殊的要求，不需要计算二阶偏导数矩阵及其逆矩阵，计算量与梯度法相当。适用于各种规模的问题。
30.答：1)优化设计是指，将工程设计问题转化为最优化问题，利用数学规划方法，借助电子计算机高速度、高精度和大储存量的运算处理能力，从满足设计要求的一切可行方案中自动寻求最佳设计方案的设计方法。
2)下降迭代算法的构成需要解决以下三个基本问题：选择搜索方向，确定步长因子，给定收敛准则。
31.答：下降迭代算法的收敛准则有：
(1)点距准则：相邻两迭代点的距离来判断；
(2)值差准则：相邻两迭代点的函数值之差来判断；
(3)梯度准则：梯度的模长判断。
32.答：（1）优化设计的数学模型由设计变量、目标函数和约束条件组成。
（2）建立优化设计的数学模型的基本步骤是：
1）识别要确定的未知变量（设计或决策），并用代数符号表示它们；
2）识别目标或判别标准，并将其表示为要最大化或最小化的函数；
3）识别问题的约束或限制，并将它们表示未知变量的线性或非线性的等式或不等式组。
33.答：（1）梯度法的特点。
1）梯度法理论明确，程序简单，计算量和存储量较少，对初始点的要求不严格。
2）负梯度方向不是理想的搜索方向，梯度法也不是一种理想的方法，梯度法的收敛速度并不快。
3）梯度法的迭代全过程的搜索路线呈锯齿状。
（2）共轭梯度法的特点
1）全局收敛（下降算法）,线性收敛；
2）每步迭代只需存储若干向量（适用于大规模问题）；
3）有二次终结性（对于正定二次函数，至多n次迭代可达opt.）
34.答：1）给定一个初始点X(0)和收敛精度ε
2）选取一个搜索方向S(k)
3）确定步长因子a k，按上式得到新的迭代点
4）收敛判断：若X(k+1)满足收敛精度，则以X(k+1)作为最优点，终止计算；否则，以X(k+1)作为新的起点，转2）进行下一轮迭代。
35.答：无约束优化方法分为两类: 第一类：直接解法。这种方法中只用到函数f(x)，
而不涉及其导数，如坐标轮换法、鲍威尔法(Powell法)、随机搜索法、单纯形法等；第二类：间接解法。它要用到f(x)的导数，如用到一阶导数的方法有梯度法、共扼梯度法和变尺度法；用到二阶导数的方法以牛顿法为代表。间接解法也称为解析法。36.答：一般机械产品的可靠性设计程序，可大致分为以下几个阶段：
(1)方案论证阶段：确定可靠性指标，对可靠性和成本进行估算分析；
(2)审批阶段：对可靠度及其增长初步评估、验证试验要求、评价和选择试制厂家；
(3)设计研制阶段：主要进行可靠性预测、分配和故障模式及综合影响分析，进行具体结构设计；
(4)生产及试验阶段：按规范进行寿命试验、故障分析及反馈、验收试验等；
(5)使用阶段：收集现场可靠性数据，为改型提供依据。
37.答：1)可靠性是指机械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，它是衡量机械产品质量的一个重要指标。
2)机械可靠性设计方法的主要特征就是将常规设计方法中所涉及的设计变量，如材料强度、疲劳寿命、载荷、几何尺寸及应力等所具有的多值现象都看成是服从某种分布的随机变量。根据机械产品的可靠性指标要求，用概率统计方法设计出零、部件的主
要参数和结构尺寸。
38.答：1)可靠度是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。2) 系统的可靠性预测和系统的可靠性分配的区别是：系统的可靠性预测是按系统的组成形式，根据已知的单元和子系统的可靠度计算求得的；系统的可靠性分配是将已知系统的可靠性指标合理地分配到其组成的各子系统和单元上去，从而求出各单元应具有的可靠度。
39.答：可靠性的有以下重要意义：
1）提高产品的可靠性，可以防止故障和事故的发生；
2）提高产品的可靠性，能使产品总的费用降低；
3）提高产品的可靠性，可以减少停机时间，提高产品可用率；
4）对于企业来说，提高产品的可靠性，可以改善企业信誉，增强竞争力，扩大产品销路，从而提高经济效益；
5）提高产品的可靠性，可以减少产品责任赔偿案件的发生，以及其他处理产品事故费用的支出，避免不必要的经济损失。
40.答：可靠性分配考虑的因素：
1）子系统复杂程度的差别；
2）子系统重要程度的差别；
3）子系统运行环境的差别；
4）子系统任务时间的差别；
5）子系统研制周期的差别。
三、填空题
（略）……
四、单选题
（略）……
现代设计方法复习资料 1.设计是指通过认识和利用自然法则来弥补人类自身条件不足的创造性、能动性的活动。亦是围绕目标问题的求解活动，主要以心理学研究为基础。 2.设计发展史：直觉设计、经验设计、中间试验辅助设计、现代设计。 3.设计方法可化分为传统设计方法（直觉设计、经验设计、中间试验辅助设计）和现代设计方法。 4.现代设计所指的全新理论与方法包括有限元法、并行设计、虚拟设计、反求设计、网络设计、计算机仿真、遗传算法、神经网络算法、模糊理论及智能设计等。 5.传统设计方法主要指在计算机出现以前，设计者凭直觉和经验，借助一些推导出的简单公式和经验公式进行计算，做小规模且粗糙的实验，对类似的产品和设计进行类比等的设计方法。其特点：人工试凑、经验类比、以静态为假设条件、设计者和制造者分离。 6.现代设计方法是指计算机技术得到广泛应用后，从20世纪60年代以来在设计领域出现的设计理论和方法。主要包括：设计方法学、优化设计、可靠性设计、有限元法、动态设计、计算机辅助设计、人工神经元算法、遗传算法、智能工程、价值工程、工业造型设计、人机工程、并行设计、模块化设计、相似性设计、摩擦学设计、三次设计、、反求工程。 7.现代设计方法特点有：①设计手段更新，“无纸化设计”作为现代设计的主流极大地提高了设计效率，降低了设计成本。②产品的表示从基于投影原理的二维平面图样转变到三维实体模型。③以有限元法、优化设计、动态设计、可靠性设计等为代表的分析手段使得设计分析实现了从静态分析向动态分析转变，从定性分析向定量分析转变、从零部件计算向整体计算转变、从手工设计计算向自动化设计计算转变。?以有限元法、并行设计、虚拟设计、反求设计、网络设计、计算机仿真、遗传算法、神经网络算法、模糊理论及智能设计等新的设计理论和方法不断出现和发展。⑤设计方法从传统的串行方式发展到并行方式。⑥实现了CAD、CAM、CAPP、CAE的一体化⑦网络技术、数据库技术的发展实现了设计的远程化、网络化。 8.优化设计是借助于最优化理论和算法在计算机上寻求问题的最优设计方案，是在现代计算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术。 9.动态设计是按照机械动态特性的要求对机械产品或构图（图形）进行动力学建模，并作动特性分析；根据对其动特性或预定的动态设计目标，进行结构修改，再设计和结构重分析，直到满足结构动特性的设计要求。 合各方面的因素，以人机配合方式或“自动搜索”方式，在计算机上进行的半自动或自动设计，以便选出在现有条件下的最佳设计方案的一种现代设计方法。 12.优化设计工作主要包括建立数学模型和求解数学模型。 13.机械优化设计就是在给定的载荷或环境条件下，在对机械产品的性态、几何尺寸关系或其他因素的限制（约束）范围内，选取设计变量，建立目标函数并使其获得最优值的一种设计方法。 14.优化设计的数学模型三要素：设计变量、目标函数、约束条件。 15.设计变量：在优化设计过程中其取值大小需要调整、修改并最终确定的参数。 16.目标函数：又称评价函数，是标量函数。用来评价设计方案好坏的标准。任何一项机械设计方案的好坏，总可以用一些设计指标来衡量，而这些设计指标可以用设计变量的函数的取值大小加以表征，
1、设计是创造性的劳动，设计的本质是创新。 2、现代设计方法有六个特点,分别是:程式性、创造性、系统性、优化性、综合性、计算机辅助设计（CAD）。 3、传统的分析方法往往把事物分解为许多独立的互不相干的部分进行研究。由于是孤立、静止地分析问题，所得的结论往往是片面的、有局限性的。而系统工程的方法是把事物当作一个整体的系统来研究，从系统出发，分析各组成部分之间的有机联系及系统与外界环境的关系，是一种较全面的综合研究方法。 4、设计系统是一种信息处理系统。 5、系统工程的观点，设计系统是一个由时间维、逻辑维和方法维组成三维系统。时间维：反映按时间顺序的设计工作阶段；逻辑维：解决问题的逻辑步骤；方法维：设计过程中的各种思维方法和工作方法。 6、设计工作阶段—时间维一般工程设计可分为四个阶段： 1）产品规划（明确设计任务）；2）原理方案设计；3）技术设计；4）施工设计。产品规划过程中的调查研究，包括：市场调研、技术调研、社会调研、环境调研。产品规划阶段形成的是可行性研究报告或设计任务书。 原理方案设计形成方案原理图。技术设计阶段形成零件草图等。 施工设计阶段形成零件图、部件装配图、全部生产图纸、设计说明书、工艺文件、使用说明书。 7、产品设计的三种类型 （1）开发型设计针对设计任务提出新的功能原理方案，完成从产品规划到施工设计的全过程的设计，此类设计是创新设计。 （2）适应型设计在原理方案基本保持不变的情况下，变化更换部分部件或结构，使产品更广泛地适应使用要求的设计。 （3）变参数型设计产品功能、原理方案、结构型式基本确定，通过改变尺寸与性能参数，满足不同的工作需要的设计。（测绘与仿制） 8、解决问题的合理逻辑步骤是：分析-综合-评价-决策。 评价是筛选的过程二、原理方案设计 1、系统功能分析法—系统化设计方法，它是将工程设计任务或机械产品看作技术系统，用系统工程方法进行分析和综合。 2、技术系统—以一定技术手段来实现社会特定需求的人造系统。 技术系统的功能就是将输入的能量、物料和讯号进行有目的的转换或变化后输出。技术系统是一个转换装置。随时间变化的能量、物料和讯号称为能量流、物料流和讯号流。 主要传递讯号流的技术系统—仪器。 主要传递能量流与物料流的技术系统—机器。 3、对输入和输出的变换所作的抽象描述称为系统。 技术系统的用途或所具有的特定能力称为系统的功能 4、分析系统的总功能常采用“黑箱法”。分析比较系统的输入和输出能量、物料和讯号，其差别和关系反映的就是系统的总功能。黑箱法要求设计者不要首先从产品结构着手，而应从系统功能出发设计产品。 5、功能分解分解到直接找到解法的分功能称为功能元。功能分析的结果用功能树的形式表达 完成分功能的技术实体是功能载体。 6、求系统原理解N=n1·n2······ni······nm 式中：m—功能元数；ni—第i 种功能元解的个数。 7、功能分析法的设计步骤
机械系统设计讨论课汇报 班级：机设08-1 组内成员：庞沙沙何宏雷宋盈盈指导老师：汪飞雪 完成时间：2011年10月26日
目录 一、平行辊矫直机原理 (3) 二、平行辊矫直机结构参数计算 (3) 三、平行辊矫直机力能参数计算 (5) 四、平行辊矫直机工艺参数计算 (8) 五、讨论感想 (9) 六、参考文献 (9) 七、组内分工 (9)
一、平行辊矫直机原理 平行辊矫直机属于连续性反复弯曲的矫直设备，这种矫直机克服了脚力矫直机断续工作的缺点，是矫直效率成倍提高，使矫直工序得以进入连续生产线。 金属材料在较大弹塑性弯曲条件下，不管其原始弯曲程度有多大区别在弹复后所残留的弯曲程度差别会显著减小，甚至会趋于一致。随着压弯程度的减小其弹复后的残留弯曲必然会一致趋近于零值而达到矫直目的。因此平行辊矫直机必须具备两个基本特征，第一是具有相当数量交错配置的矫直辊以实现多次反复弯曲；第二十压弯量可以调整，能实现矫直所需要的压弯方案。 二、平行辊矫直机结构参数计算 1、辊系与辊数 （1）辊系 首先需要选定辊系，为了兼顾扩大适用范围及缩小空桥区的两个目 的，曾提出双交错变辊矫直辊系，如图3-8所示，辊系中,2、,3、,4及,5各辊为液压恒压支承或在形成连续梁受力时自动卸载变为零压支承。其恒压是只能对工件头尾有矫直作用的压力。于是这种辊系，第一，可矫直中等断面的工件，相当于辊距为p=21t 的矫直机；第二，可矫中等断面的工件，使,2、,3、,4及,5各辊处于浮动状态，其压力只能矫直头尾，而对其他各辊只有较小的增压作用；第三，可矫大型断面的工件，上述恒压辊在变成零压辊之后辊距增大到p=3t +2 t 61t ，也达到了变距的效果。这样“变辊距”要比其他办 法有三个优点，其一为容易调整；其二为机架刚性好；其三为空桥区很短。
现代设计方法复习题 一、选择题 1．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，坐标系的定 义域是连续且无界的是 【A 】 A.世界坐标系 B.显示器坐标系 C.规格化设备坐标系 D.绘图仪坐标系 2．CAD 系统中不是按其存储容的特征划分的几何模型 【 D 】 A.线框几何模型 B.表面几何模型 C.实体几何模型 D.曲面几何模型 3．在单峰搜索区间[x1, x3](x1 现代设计方法与传统设计方法区别 （1）直觉设计阶段古代的设计是一种直觉设计。当时人们或是从自然现象中直接得到启示，或是全凭人的直观感觉来设计制作工具。设计方案存在于手工艺人头脑之中，无法记录表达，产品也是比较简单的。直觉设计阶段在人类历史中经历了一个很长的时期，17世纪以前基本都属于这一阶段。 （2）经验设计阶段随着生产的发展，单个手工艺人的经验或其头脑中的构思已很难满足这些要求。于是，手工艺人联合起来，互相协作。一部分经验丰富的手工艺人将自己的经验或构思用图纸表达出来，然后根据图纸组织生产。图纸的出现，即可使具有丰富经验的手工艺人通过图纸将其经验或构思记录下来，传与他人，便于用图纸对产品进行分析、改进和提高，推动设计工作向前发展；还可满足更多的人同时参加同一产品的生产活动，满足社会对产品的需求及提高生产率的要求。因此，利用图纸进行设计，使人类设计活动由直觉设计阶段进入到经验设计阶段。 （3）半理论半经验设计阶段 20世纪以来，由于科学和技术的发展与进步，设计的基础理论研究和实验研究得到加强，随着理论研究的深入、实验数据及设计经验的积累，已形成了一套半经验半理论的设计方法。这种方法以理论计算和长期设计实践而形成的经验、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。依据这套方法进行机电产品设计，称为传统设计。所谓“传统”是指这套设计方法已延用了很长时间，直到现在仍被广泛地采用着。传统设计又称常规设计。 （3）现代设计阶段近30年来，由于科学和技术迅速发展，对客观世界的认识不断深入，设计工作所需的理论基础和手段有了很大进步，特别是电子计算机技术的发展及应用，对设计工作产生了革命性的突变，为设计工作提供了实现设计自动或和精密计算的条件。例如CAD技术能得出所需要的设计计算结果资料、生产图纸和数字化模型，一体化的CAD/CAM 技术更可直接输出加工零件的数控代码程序，直接加工出所需要的零件，从而使人类设计工作步入现代设计阶段。此外，步入现代设计阶段的另一个特点就是，对产品的设计已不是仅考虑产品本身，并且还要考虑对系统和环境的影响；不仅要考虑技术领域，还要考虑经济、社会效益；不仅考虑当前，还需考虑长远发展。例如，汽车设计，不仅要考虑汽车本身的有关技术问题，还需考虑使用者的安全、舒适、操作方便等。此外，还需考虑汽车的燃料供应和污染、车辆存放、道路发展等问题。 传统设计是以经验总结为基础，运用长期设计实践和理论计算而形成的经验、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 学习“现代设计方法”课程感想 11材料2班夏万林学号20110410210234 现代设计方法，用英文取名为“Modern Design Technique”，是当今时代为产品制造或工程项目完成到实体化全过程而制订的技术上的方案、图样与程序。“现代设计方法”是对应于传统设计方法而提出与发展的，为一种大概念，有大的范畴，其下位可有现代机械设计方法、现代模具设计方法等。 进入大三，迎接我们的是真正的专业课，不再是以前的公共课或者是专业基础课，而《优化设计导论》作为专业课中的必修课，即是非常重要的一门课，同时也是一门结合机械类各科目知识的一门综合性课程。在近一学期的学习中，我不仅仅是学到了比较多的综合性设计方法同时也很好的认识了我们的好老师-卢老师。卢老师的课堂教学非常幽默且具有非常强的科学性。卢老师基本上是每节课都会要求同学自己动手画画做做，不要总是这样听着而什么是事都不做，尽量调动大家学习的积极性，让大家多学点，让同学愿意听，想去学。 这门课程给我们讲解了有限元设计、优化设计、机电一体化设计、计算机辅助设计、创新设计、生命周期设计、虚拟设计、稳健设计、并行设计、智能设计等十种现代设计方法。其中前面四种为较成熟应用正普及类，后面六种为较新颖内容正发展类，可以说是设计学的一个大综合。广义最优化方法有解析法、数值法、图解法、实验法、情况研究法等，工程技术问题中的最优化方法主要是指解析法和数值法，且以数值法为最典型、最具代表性，因此、本书主要讲述数值法。 纵观世界机械类设计发展历史，从19世纪中叶英国工业革命至今，机械工业不断革新其要求也不断改变，现今对各个设计员的要求不断提升，由以前的单一机械结构设计到后来的机电一体化再到如今的机、电、计算机三位一体的设计要求，这样对于我们大学生尤其是三本院校的大学生，本身基础较薄弱，学习现代设计要求也不断提高、相应的难度也在提升。 通过这半个学期的学习，自己对现代设计方法有了一定的认知和掌握。我觉得开设本课程要达到的主要目的是：通过对经典解析法、线性规划与非线性规划法、数值法中的基本概念、理论和方法的学习，对工程设计实例分析的了解和熟悉，我们可以拓宽视野，增强创新设计意识，掌握现代设计方法的基本思想和基本方法，初步具有解决机械优化设计和分析问题的能力。学校的图书馆也有许多相关的书籍期刊，通过课本的学习和课外知识的学习以及《机械设计》课程学习的基础，我对设计过程的复杂性和相关基础过程有了一定的认识，其过程主要为首先是任务的提出，确定需求和潜在的需求；然后是可理解的形成，即概念设计，包括扫描技术可能和产生矛盾统一设想；最后是对可能解的评估、优选和确认，并产生最终解。通过这门课程的学习我还解决了另一个问题，对机械设计的现代设计方法的相关类型有了一定的认识。通过课程中的优化设计、解析法、数值法等方面的学习我深刻的认识到现代设计方法主要基于以下四个类型开展设计方案的。主要是结构模块化设计方法、基于产品特征知识的设计方法、系统化设计方法、智能化设计方法四个方面的设计方法，我的学习提 内蒙古民族大学2013-2014学年二学期 试卷答案（考查） 课程名称：机械系统设计考试时间：110分钟年级：11级 专业：机制、农机 一、简答题（6小题，共60分） 1、什么是专家系统？专家系统的作用是什么？简述现代虚拟样机仿真分析的目的与意义。答：一个或一组能在某特定领域内，以人类专家水平去解决该领域中困难问题的计算机程序。 专家系统的作用：减少设计人员的负担；适用于常规方法和分析程序无能为力的地方；快速；防止设计人员出错及保留系统的知识和经验的领域。 虚拟样机仿真分析的目的与意义：化设计；缩短周期、降低成本；提高性安全性；提高产品开发效率及产品设计质量。 2、试从人机工程学观点分析汽车驾驶室的布置设计。 答：人机工程学是运用生理学、心理学和其他有关学科知识，使人和机器相互适应，创造舒适和安全的环境条件从而提高工效的学科。 驾驶座椅的设计，根据不同的体格可以调整高度和前后位置。而且坐姿操作可减少疲劳。显示装置的设计，如速度里程表、油表等的设计充分利用人体工程及人的视觉习惯，便于观察，警醒作用。操纵装置设计，方向的大小以人施力最适宜的尺寸，而且活动灵活，长期驾驶不易疲劳。档位杆的设计充分考虑人手生理学特点，手握舒适，不产生滑动，施力方便。脚操纵的刹车，离合，油门等，与坐姿操作相适应。踏板采用矩形或椭圆性。转向按钮与方向盘一体便于操作。照明灯及前后镜子的设计也充分考虑人的视觉规律。 汽车驾驶室的设计，充分运用人体工程学的原理，使人在最舒适最不易疲劳的最易观察的角度安全驾驶。 3、机械工作状态能量信息论；机械工作过程能量损失论；机械工作过程节能效益论。 曲柄压力机动力机容量的选择，根据压力机负载而确定的有效能+系统广义储能+系统损耗能的综合，在乘以安全系数，便是动力机容量。 4、典型闭环控制系统有哪些基本环节组成？各有什么作用？ 答：给定环节、测量环节、比较环节、校正及放大环节和执行环节。 给定环节是给出与反馈信号同样形式和因次的控制信号。 测量环节用于测量被控变量，并将被控变量转换为便于传送和便于处理的另一物理量的环节。 比较环节是将来自给定环节的输入信号与测量环节发出的有关被控变量的反馈信号进行比较的环节。 校正及放大环节将偏差信号做必要的校正，并进行放大以便推动执行环节。 执行环节接受放大的控制信号，驱动被控对象按照预期的规律运行的环节。 《现代设计方法》课程习题集 西南科技大学成人、网络教育学院 版权所有 习题 【说明】：本课程《现代设计方法》（编号为09021）共有单选题,计算题,简答题, 填空题等多种试题类型，其中，本习题集中有[ 填空题,单选题]等试题类型未进入。 一、计算题 1. 用黄金分割法求解以下问题（缩小区间三次）。 342)(m in 2+-=x x x f ，给定初始区间[][]3,0,=b a ，取1.0=ε。 2. 用黄金分割法求解以下问题（缩小区间三次） 32)(m in 2+=x x f ，给定[][],1,2a b =-，取1.0=ε 3. 用黄金分割法求解以下问题（缩小区间三次） 432+=x )x (f min ，给定[][]40,b ,a =，取10.=ε。 4. 用黄金分割法求解以下问题（缩小区间三次）。 12)(m in 3+-=x x x f ，给定初始区间[][]3,0,=b a ，取5.0=ε 5. 用黄金分割法求解以下问题（缩小区间三次）。 107)(m in 2+-=x x x f ，给定初始区间[][]3,0,=b a ，取1.0=ε 6. 用梯度法求解无约束优化问题： 168)(m in 22221+-+=x x x X f ，取初始点[]T X 1,1)0(= ，计算精度1.0=ε。 7. 用梯度法求解96)(m in 12221+-+=x x x X f ，[]T X 1,1)0(= ，1.0=ε。 8. 用梯度法求解44)(m in 22221+-+=x x x X f ，[]T X 1,1)0(=，1.0=ε 。 9. 用梯度法求解无约束优化问题：1364)(m in 222 121+-+-=x x x x X f ，取初始点 现代设计方法 现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的,以计算机辅助设计技术为主体,以知识为依托,以多种科学方法及技术为手段,研究、改进、创造产品和工艺等活动过程所用到的技术和知识群体的总称。 现代设计方法有:并行设计、虚拟设计、绿色设计、可靠性设计、智能优化设计、计算机辅助设计、动态设计、模块化设计、计算机仿真设计、人机学设计、摩擦学设计、反求设计、疲劳设计。 一、并行设计 并行设计是一种对产品及其相关过程(包括设计制造过程和相关的支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模式。强调产品开发人员一开始就考虑产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误、矛盾和冲突尽可能及早地发现和解决，以缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量。 二、虚拟设计 在达到产品并行的目的以后，为了使产品一次设计成功，减少反复，往往会采用仿真技术，而对机电产品模型的建立和仿真又属于是虚拟设计的范畴。所谓的虚拟制造(也叫拟实制造)指的是利用仿真技术、信息技术、计算机技术和现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，发现制造过程中可能出现的问题，在真实制造以前，解决这些问题，以缩减产品上市的时间，降低产品开发、制造成本，并提高产品的市场竞争力。 三、绿色设计 绿色设计是指以环境资源保护为核心概念的设计过程，其基本思想就是在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳人产品设计之中，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。 产品设计的基本流程为：市场调研--草图构思--方案设计。 四、可靠性设计 机电产品的可靠性设计可定义为: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。可靠性设计是以概率论为数学基础，从统计学的角度去观察偶然事件，并从偶然事件中找出其某些必然发生的规律，而这些规律一般反映了在随机变量与随机变量发生的可能性(概率)之间的关系。用来描述这种关系的模型很多，如正态分布模型、指数分布模和威尔分布模型。 五、智能优化设计 随着与机电一体化相关技术不断的发展，以及机电一体化技术的广泛使用，我们面临的将是越来越复杂的机电系统。解决复杂系统的出路在于使用智能优化的设计手段。智能优化设计突破了传统的优化设计的局限，它更强调人工智能在优化设计中的作用。智能优化设计应该以计算机为实现手段，与控制论、信息论、决策论相结合，使现代机电产品具有自学习、自组织、自适应的能力，其创造性在于借助三维图形，智能化软件和多媒体工具等对产品进行开发设计。 六、计算机辅助设计 机械计算机辅助设计（机械CAD）技术，是在一定的计算机辅助设计平台上，对所设计的机械零、部件，输入要达到的技术参数，由计算机进行强度，刚度，稳定性校核，然后输出标准的机械图纸，简化了大量人工计算及绘图，效率比人工提高几十倍甚至更多。 七、动态设计 动态设计法是在计算参数难以准确确定、设计理论和方法带有经验性和类比性时，根据施工 哈尔滨理工大学课程设计 题目：分级变速主传动系统设计 学院：机械动力工程学院 姓名： 指导教师：段铁群 系主任：段铁群 2013年08月29日 目录 第一章运动计算 1.1 课程设计的目的 1.2 课程设计的内容 1.3 课程设计的题目，主要技术参数和技术要求1.4 运动参数及转速图的确定 1.5 核算主轴转速误差 第二章动力计算 2.1 带传动设计 2.2 计算转速的计算 2.3 齿轮模数计算及验算 2.4 传动轴最小轴径初定 2.5 执行轴合理跨距计算 第三章主要部件的校核 3.1 主轴强度，刚度校核 3.2 传动轴刚度校核 3.3 轴承寿命校核 第四章总结 第五章参考文献 第1章运动计算 1.1课程设计的目的 《机械系统设计》课程设计是在学完本课程后，进行一次学习设计的综合性练习。通过课程设计，使学生能够运用所学过的基础课、技术基础课和专业课的有关理论知识，及生产实习等实践技能，达到巩固、加深和拓展所学知识的目的。通过课程设计，分析比较机械系统中的某些典型机构，进行选择和改进；结合结构设计，进行设计计算并编写技术文件；完成系统主传动设计，达到学习设计步骤和方法的目的。通过设计，掌握查阅相关工程设计手册、设计标准和资料的方法，达到积累设计知识和设计技巧，提高学生设计能力的目的。通过设计，使学生获得机械系统基本设计技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力，并为进行机械系统设计创造一定的条件。 1.2课程设计的内容 《机械系统设计》课程设计内容由理论分析与设计计算、图样技术设计和技术文件编制三部分组成。 1.2.1 理论分析与设计计算： （1）机械系统的方案设计。设计方案的分析，最佳功能原理方案的确定。 （2）根据总体设计参数，进行传动系统运动设计和计算。（3）根据设计方案和零部件选择情况，进行有关动力计算和校核。 1.2.2 图样技术设计： （1）选择系统中的主要机件。 （2）工程技术图样的设计与绘制。 1.2.3编制技术文件： （1）对于课程设计内容进行自我经济技术评价。 一、绪论 1.设计活动的特征有哪些？ 时空性、物质性、需求性、创造性、过程性 2.试比较传统设计和现代设计的区别？ 传统设计师静态的、经验的、手工的方法，在设计过程中被动地分析产品的性能；而传统设计师动态的、科学的、计算机化的方法，在设计过程中可以做到主动地设计产品参数。 3.简述现代设计方法的主要内容和基本特点。 主要内容：设计理论是对产品设计原理和机理的科学总结。设计方法是使产品满足设计要求以及判断产品是否满足设计原则的依据。 现代设计方法主要内容：设计方法学、计算机设计、有限元法、优化设计、可靠性设计 基本特点：程式性、创造性、系统性、最优性、综合性、数字性 二、设计方法学 1.设计过程包括哪几个阶段？ 计划阶段、设计阶段、样机试制阶段、批量生产阶段、销售阶段 2.常用的创造性技法有哪些？ 智力激励法、提问追溯法、联想类推法、组合创新法、反向探求法及系统搜索法6类 3.运用功能分析法进行系统原理方案设计的主要步骤有哪些？ 三、相似理论及相似设计方法 1.相似三定理的内容和用途各是什么？ 相似定理是用来判断两个现象相似的充分必要条件及其所应遵循的法则 内容： 第一定律：对于彼此相似的现象，其相似指标为1，相似判据为一个不变量； 第二定律：某个现象的物理量总数为n，量纲独立的物理量总数为k，则该现象相似准则的个数为n-k，且描述该现象各个物理量之间的关系可表示为相似准则π1，π2，，，，，，πn-k之间的关系，即 π，π，，，，，，π 第三定律：凡同一完整的方程组所描述的同类现象，当单值条件相似，且由单值条件的物理量所组成的相似准则在数值上相等，则这些现象就相识。 用途： 第一定理：介绍相似现象的属性； 第二定理：确定相似准则的个数以及相似结果的推广，也称π； 第三定理：也称模型化法则，也是相似现象的充要条件。 2.相似准则的导出方法及基本依据是什么？ 导出方法：方程分析法、量纲分析法 基本依据：表示各物理量之间关系的方程式，其各项量纲必须是相同的 3.相似准则有哪些特点和性质？ 如果两个现象相似，则这两者的无量纲形式的方程组和单值条件应该相同，具有相同的无量纲形式解。 出现在这两者的无量纲形式的方程组及单值条件中的所有无量纲组合数对应相等。 4.白炽灯的功率为其主要技术参数。现在要求在10~100W之间按几何级数分级设计六种型号。试确定其 功率系列（将计算值按0.5圆整） 解： 四、有限单元法 1.试简述有限单元法的主要思路、具体步骤及其依据。 核心思想：将复杂结构分解成形状简单、便于方程描述的规则单元，列出方程组求解 基本思路： “分”：用有限个规则单元代替原来的各种各样的连续系统，并用近似方程对每个单元的行为加以描述。 “和”：根据一定的规则，把关于单元的方程组合起来构成方程组，并引入外载及约束条件进行求解。 三个步骤：结构的离散化、单元分析、整体分析 2.单元刚度矩阵的物理意义是什么，具有哪些主要特征？ 现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科。以满足市场产品的质量、性能、时间、成本、价格综合效益最优为目的,以计算机辅助设计技术为主体,以知识为依托,以多种科学方法及技术为手段,研究、改进、创造产品和工艺等活动过程所用到的技术和知识群体的总称。 现代设计方法有:并行设计、虚拟设计、绿色设计、可靠性设计、智能优化设计、计算机辅助设计、动态设计、模块化设计、计算机仿真设计、人机学设计、摩擦学设计、反求设计、疲劳设计 一、并行设计 并行设计是一种对产品及其相关过程(包括设计制造过程和相关的支持过程)进行并行和集成设计的系统化工作模式。强调产品开发人员一开始就考虑产品从概念设计到消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误、矛盾和冲突尽可能及早地发现和解决，以缩短产品开发周期、降低产品成本、提高产品质量。并行设计作为现代设计理论及方法的范畴，目前已形成的并行设计方法基本上可以分为两大类: (l)基于人员协同和集成的并行化。就是把组成与产品方面有关的，针对给定设计任务的专门的、综合性的设计团体(企业)协同起来。 丰田的产品开发过程有四个主要内容： ●一个产生主要设计的概念论文的规划阶段 ●同步设计的系统设计阶段 ●一个具有设计标准的详细设计阶段 ●一个精益生产的样机模具阶段。 ●广泛地协调，不仅仅在设计而且还有生产以及销售 ●协调从概念到市场完整的项目 ●概念创造以及概念支持者 ●规格、成本目标、设计以及主要部件选择，确信产品概念精确地被转换为车型的技术细节 ●直接地、经常地与设计师以及工程师交流 ●建立与顾客直接接触（产品经理办公室实施它自己的市场调查，除了通过市场营销进行的定期市场调查）。 前端设计 设计环节与供应商实现设计的集成 多部门协调研发 以客户为中心 降低批量规模 (2)基于信息、知识协同和集成的并行化。该方法基于计算机网络来实现，各零部件的设计人员通过计算机网络对机电产品进行设计，并进行可制造性、经济性、可靠性、可装配性等内容的分析及时的反馈信息，并按要求修改各零部件的设计模型，直至整个机电产品完成为止。可以采用面向制造(DFM)和面向装配(DFA)的设计方法，涉及CAX技术、产品信息集成(PDM)技术以及与人员协同集成有关的信息技术。 当然，这两种机电产品并行设计方法并不是相互独立的。在实际应用过程中，它们往往是紧密结合在一起的。实例： 第一章绪论 重点：机械，机械系统的相关概念及学科中的位置。 难点：学习机械系统设计课程的重要性。 讲授提示与方法：回顾机械工程的发展历程，注重机械系统的整体性，提高学生对机械系统设计的认知程度。 1.1机械系统设计在机械工程科学中的地位及作用 一、机械工程科学 1.机械工程科学的定义： 机械工程科学是研究机械产品（或系统）的性能、设计和制造的基础理论与技术的科学。 2.机械工程科学的组成： P1图1.1 （1）机械学：机械设计过程（核心部分）； （2）机械制造：机械制造过程（基础部分）。 3.机械学所包含的内容： P3图1.5 二、机械、机械系统、系统 1.机械：关于机械的定义，目前尚无严格的定论，一般可归纳为： （1）须由两个以上的零、部件组成； （2）这些零、部件的运动部件，应按设计要求作确定的运动； （3）将外来的能源转变为有用的机械功。 【举例】机械产品：汽车、拖拉机、机床、钟表…… 2.系统：是指具有特定功能的、相互间具有一定联系的许多要素构成的一个整 体。即由两个或两个以上的要素组成的具有一定结构和特定功能的整体都是 系统。 3.机械系统：由若干个零、部件及装置组成的，彼此间有机联系，并能完成特 定功能的系统，称之为机械系统。 4.系统应具有下述特性： （1）目的性：完成特定的功能 （2）相关性与整体性： 1）相关性：各构成要素之间是相互联系的 2）整体性：评价一个系统的好与坏要看该系统的整体功能 （3）环境的适应性：系统对外部环境变化和干扰有良好适应性 三、机械系统的组成： P4图1.6 1.动力系统：为系统提供能源（动力源） 2.执行系统：是系统的执行输出部分 3.传动系统：把运动和动力由动源传递给执行系统的中间环节 4.操纵、控制系统：使前三者协调动作和运行 5.支承系统：支承和联系各机件 6.润滑、冷却与密封系统： 设计概论自考复习资料 赵平勇主编 填空题： 1、设计的艺术性包含设计物象的造型形态特征，色彩装饰特征，材料肌理特征。 2、设计应遵循功能性，精神性，象征性原则 3、艺术设计的方法有分散法，形象法，对比法，逻辑法。 4、利用直观的图像和表格来说明设计意图，这是形象的设计方法。 5、将大量的设计问题化整为零、选择主要矛盾予以解决。这是一种分散设计方法。 6、设计的目的是为了更好的生活，而生活的最高境界是艺术 7、公元前3200年左右，古代埃及人利用丰富的纸莎草资源，发明了莎草纸。 8、古代埃及建筑的伟大杰作是作为国王陵墓的金字塔。 9、古代希腊建筑的最高成就是雅典卫城的设计与建成。雅典卫城是多利亚柱式的典型，其余两种柱式称为爱奥尼亚柱式和科林斯柱式。 10、维特鲁威的《建筑十书》是罗马建筑技术的总结，是西方设计实务的第一部系统完整的著作。 11、古中国石器工具的设计是原始社会最早的最主要的设计内容，并将其进一步12、分为以打制石器为主的旧石器时代和以磨制石器为主的新石器时代。 13、陶器是“火为精灵土为胎”的产物，陶器的设计发明标志着人类设计由设计阶段进入了手工设计阶段。彩绘是我国新大哭时代制陶工艺中最为成功的一种装饰设计手法。14、商代青铜器的主要纹样是饕餮纹，商代后期的司母戊大方鼎是目前所见世界上最大的青铜铸鼎。 15、成书于战国时期的《考工记》，是我国最早关于设计与制作的著作 16、青铜器是铜，锡，铅的合金。 17、现存北魏时期建造的河南嵩岳寺砖塔，是留存至今最早的佛塔。 18、隋唐时期工匠李春设计修建的赵州桥是世界上最早的敞肩劵大石桥。 19、北宋李诫编著的政府颁布的《营造法式》全面总结了隋唐以来的建筑经验，是我们和 世界建筑史上的珍贵文献。我国明代宋应星编著了世界上第一部农业和手工业的技术全书《天工开物》。 20、北京故宫是明清两代不断营造的结果，是现存是大的古建筑群。 系统是指具有特定功能的，相互间具有有机联系的诸多要素组成的一个整体 机械系统：由若干机械要素组成，彼此间有机联系完成特定功能。 1系统的特性：1 目的性2 整体性3相关性4环境适应性。 2系统的组成：1动力系统2传动系统3执行系统4控制系统5支承系统. 3系统的6个原理：1整体性原理2结构性3开发性4动态性5层次性6目的性 4机械系统的基本要求：1功能要求2性能要求3可靠性要求4工作效率5适应性6经济性7寿命要求5系统的一般设计过程：市场需求-产品策划-产品设计-产品制造-产品销售-产品运行-产品报废与回收 6机械系统设计的前沿设计：模块化设计，协同设计，绿色设计，虚拟设计，动态设计 7设计类型：开发设计，适应性设计，变异设计 8总体设计的原则：1需求原则2信息原则3系统原则4简单原则 9总体设计的内容：1原理方案设计2确定参数3总体结构设计4分析与评价 10工业技术系统处理对象：能量物料信息 11待设计系统的功能：变换传递保存 功能元：是指能够直接从技术效应和逻辑关系中找到可以满足功能要求的最小单位，是产品功能的基本单位，是产品功能分析的基本单元（物理功能元，数学功能元,逻辑功能元） 12总体布置的基本要求：1功能要求2性能要求3结构要求4工艺要求5使用要求 13主要技术参数的确定：1尺寸参数2 运动参数3 动力参数 14创新技法：类比创新法，组合创新法，头脑风暴法，TRIZ法 15方案评价的方法：加权评价法价值工程评价法模糊评价法（单因素，多因素） 传动系统的功能：1实现从动力源到执行件的升降速功能2实现执行件的变速功能3实现执行件运动形式和运动规律的变化功能4实现对不同执行件的运动分配功能5实现从动力源到执行件的动力转化16传动系统的类型：分级变速传动系统无级变速传动系统定比传动系统 17传动系统的组成：变速装置启停和换向装置制动装置安全保护装置 18扩大传动系统的变速范围1 增加传动组2采用分支传动3采用背轮机构4采用混合公比 19系统结构设计的原则：1从内到外2从主到此3从局部到整体4从粗略到详细 20执行系统的功能：1传递和输出所需要的运动2传递和输出所需要的动力3实现运动形式和运动规律的变换4完成预定的辅助功能 21执行系统的组成：1执行末端件：执行系统中直接完成工作任务的零部件完成一定动作 2执行机构：驱动执行构件，传递变换运动和动力以满足执行构件要求 22箱体轴线布置：1 平面布置2三角布置3轴线互相重合布置 23支撑件的静刚度：1自身刚度2局部刚度3接触刚度 24支撑件的截面形状：1 圆形截面扭转惯性炬较大矩形截面弯曲惯性矩较大2空心截面可以增大惯性矩3封闭结构的惯性矩比未封闭的大 25支承件的结构：1隔板2加强筋3窗孔4连接结构 26设计支撑件时在满足使用要求的前提下应尽量便于铸造焊接加工和装配 27提高支承件动态性能的措施：1提高支撑件的静刚度2增加支撑件的阻尼 28转速图的拟定原则：1前多后少2 前密后疏3 “升2降4”原则4 前慢后快 超速现象：当一条传动路线工作时，在另一条不工作的传动路线上传动件出现高速空转的现象。危害：加剧齿轮和离合器磨损及噪声，增大空载损失 29载荷的确定方法：1 类比法2实测法3计算法 机械系统设计总结 1.机械是机构和机器的统称。机械零件是组成机械系统的基本要素。人与机器组成了生产中的最基本单元。 2.系统是指具有特定功能的相互间具有有机联系的若干个要素所组成的一个整体。 3.系统可以分为两种：流系统（柔性连接），结合系统（刚性连接）。 4.机械系统的定义：任何机械都是由若干装置部件和零件组成的一个特定系统，是一个由确定的质量刚度和阻尼的物体组成的，彼此有机联系的，并能完成特定功能的系统。 5.机械系统的组成：动力系统传动系统执行系统操作控制系统框架支承结构系统润滑系统等子系统组成。机械零件是组成机械系统的基本要素。 6.内部系统：机械本身构成的系统外部系统：人和环境构成的系统 7.现代机械系统：由计算机信息网络协调与控制用于完成包括机械力运动和能量流等动力学任务的机械和（或）机电部件相互联系的系统。 8.从系统类型来看，机械系统本身通常为结合系统。 9.机械系统特性：集合性整体性相关性目的性环境适应性。 10.整体性是系统所具有的最重要和最基本的特性。 11.动力系统包括动力机及其配套装置，是机械系统工作的动力源。按能量转换 性质的不同，动力机可分为一次动力机和二次动力机。一次动力机是把自然界的能源转变为机械能的机械，如内燃机汽轮机水轮机等。二次动力机是把二次能源（如电能液能气能）转变为机械能的机械，如电动机液压马达气动马达等。动力机输出的运动通常为转动，而且转速高。 12.选择动力机时，应全面考虑执行系统的运动和工作载荷机械系统的使用环境和工况工作载荷的机械特性等要求，使系统既有良好的动态性能，又有较好的经济性。 13.执行系统包括机械的执行机构和执行构件，是利用机械能来改变作业对象的性质状态形状和位置，或对作业对象进行检测度量等，以进行生产或达到其他预定要求的装置，根据不同的功能要求，各种机械的执行系统也不同，而且对运动和工作载荷的机械特性要求也不同。 艺术设计与美学复习资料 一、人名、成就、名言、作品 伽利略2——科学家。现代科学研究方法的奠基人 培根2——科学家。被誉为“自然大臣”；书籍《新工具》、提出“知识就是力量” 笛卡尔2——科学家。笛卡尔二元论逻辑 牛顿2——科学家。三大运动基本定律和万有引力定律 法拉第、麦克斯伟3——科学家。电磁理论 阿尔文·托夫勒4——美国著名未来学家；书籍《第三次浪潮》 塞尚7——印象派画家。现代艺术之父 莫奈7——印象派画家。《阿尔让特依大桥》 修拉7——印象派画家。点彩画法；《大碗岛的星期天下午》毕加索7——立体主义画家。对现代设计影响最大的艺术家M. 金兹堡9——俄国构成主义设计师；书籍《风格与时代》艾尔·利兹斯基30——俄国构成主义主要代表。海报《红楔子攻打白色》 康定斯基9、43——抽象表现主义画家，包豪斯教师 杜斯伯格28——“风格派”理论家、发言人 蒙德里安9、29——荷兰“风格派”核心人物，画家。《红黄蓝》系列油画 里特维德29——“风格派”家具、建筑设计师。《红蓝椅子》鲍姆伽通16——德国哲学家。书籍《美学》 康德16——德国哲学家 黑格尔15——德国哲学家 彼得托齐纳16——捷克设计师，提出技术美学的概念 鲍列夫16——苏联美学家 泽姆佩尔16——德国建筑学家，最早研究美学的学者，其理论成为现代设计理念形成的基础 约瑟夫·帕克斯顿21——“万国博览会”英国“水晶宫”的设计师 拉斯金23——英国艺术理论家。把造型艺术称为“大艺术”，设计称为“小艺术” 莫里斯23——英国艺术设计家、作家。拉斯金思想的传承人，英国工艺美术运动奠基人；书籍《乌有乡消息》、《乔叟集》（书籍装帧第一书）；设计史上第一次提出整体设计概念 穆特修斯、凡德·威尔德27——德意志制造联盟成员，双方发生著名的争吵 沙利文31、54、134——美国现代主义建筑大师。提出“形式服从功能” 斐迪南·保时捷32——电动汽车之父，开发出“大众汽车”、“甲壳虫” 弗兰克·皮克34——30年代英国工业设计代表人物，英国设计与工业协会主席 《当代设计办法》课程考前复习资料 1、什么是优化设计？简述优化设计分类。 答：优化设计亦称为最优化设计，它是以数学规划理论为基本，以电子计算机为辅助工具一种设计办法宏观世界一方面将设计按规定格式建立数学模型，并选取适当优化办法，选取或编制计算机程序，然后通过电子计算机计算自动获得最优化设计方案。 优化办法大体上可分为两类： （1计算目的函数值，比较目的函数值，并以之作为抚今迭代、收敛依照办法。 （2变量函数极值理论为甚础运用目的函数以性态，并以之作为寻优、迭代收敛依照办法。 2简述求总体刚度矩阵办法？ 答：求总体刚度矩阵办法重要有两种：一种是直接依照总体刚度系数定义分别求出它们，从而写出总体刚度矩阵：另一种是分别先求出各单元刚度矩阵，依照叠加原理，然后运用集成办法求出总体刚度矩阵。 3 在有限元分析中，为什么要采用半带存储？答：（1）单元尺寸越小，单元数越多，分析计算精度越高单元数越多，总体刚度矩阵阶数越高，所需计算内存量和计算量越大。（2）总体刚度矩阵具备对称性、稀疏性、奇异性以及非零元素带形颁布规律。（3）只存储主对角线元素以上三角矩阵中宽为Nb斜带形区内元素，可以大大减小所需内存量。 4可靠性工程领域重要涉及哪几种方面内容？答：可靠性工程领域重要涉及如下三方面内容：(1)计。它涉及了设计方案分析、对比与评价，必要时 也涉及可靠性实验、生产制造中质量控制设计及使用维修规程设计等。(2)分析。它重要是失效分析，也涉及必要可靠性实验和故障分析。这方面工作为可靠性设计提供根据，也为重大事故提供科学责任分析报告。(3)数学。这是数理记录办法在开展可靠性工程上发展起来一种数学分支。5机械CAD支撑软件从功能上可分为哪三类？详细涉及哪些软件？ 答：机械CAD支撑软件从功能上可分三类：第一类解决几何图形设计问题；第二类解决工程分析与计算问题； 第三类解决文档写作与生成问题。 详细涉及：基本图形资源软件；二维绘图软件；几何造型软件；工程分析及计算软件；文档制作软件。 6简述多维空间一维搜索最优化办法？答：多维空间最优化办法，普通遵循这样一种基本形式：从一种初始点X0出发，按一定规定律拟定一种搜索S0，然后在搜索S0上搜索到目的函数极小点X1；接着双以X1为新出了点，拟定一种搜索S1，再在S1方向上搜索到目的极小点X2，作为下一次迭代出了点。如此重复上述过程，直到把目的函数调节到最优值F（X）为止。 7简述用有限元法求解问题环节？ 答：对整个构造进行简化，将其分割成若干个单元，单元间彼此通过节点相连；（1）刚度矩阵；体刚度矩阵并写出总体平衡方程；（3）承条件，求出每个节点位移；（4）单元内应力和应变。 8惯用可靠度分派办法有哪三种？各自分派原则是什么？ 答：（1）等同分派法：它按照系统中各单元（子系统或零部件）可靠度均相等原则进行分派。（2）加权分派法：把各子系统在整体系统中重要度以现代设计方法与传统设计方法区别
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