《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
[]T
X 1,1)0(=，计算精度1.0=ε。 10. 用梯度法求解1212221422)(m in 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?
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
3.用梯度法求下列无约束优化问题：MinF(X)=x12+4x22，设初始点取为X(0)={2,2}T，以梯度模为终止迭代准则，其收敛精度为5。 1)求初始点梯度▽F(X) ▽F(X)={2x1,8x2}T▽F(X(0))={4,16}T (2)第一次搜索 |▽F(X(0))|=16.5,S(0)=- ▽F(X(0))/16.5=-{0.243,0.97}T α(0)=2.157 X(1)=X(0)+α(0)S(0)={1.476,-0.923}T ▽F(x(1))={2.952,-0.738}T |▽F(x(1))|=3.043<5.0 故满足要求，停止迭代。 最优点X*={1.476,-0.0923}T 最优值F(X*)=2.21 4.
5.
6. 用外点法求解约束优化问题： ()()12211221min ..0()0 f X x x s t g X x x g X x =+=-≤=-≤ ， 收敛准则：(1) ()0.10.01k k X X εδ+-≤=，约束容限＝ 解：（1）利用外点法惩罚法构造无约束优化问题 () ( ) 12()22()212121(min ,()() k k k x x X r x x r x x r x +??Φ=?++-+-??可行域内）（可行域外） （2）此例只是为了说明外点法的思路，用微分法求解上述无约束优化问题。 用极值条件求解： 在可行域内：偏导数不可能等于0，即可行域内无极值 在可行域外，令： ()2()11211 ()2122 14()2012()0k k k r x x x r x x r x x x ?Φ =+-+=??Φ =--=?
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 单项选择题(在每小题的四个备选答案中，选出一个正确答案，并将正确答案的 序号填在题干的括号内。) 1. f(x)在区间［x 1,x 3］上为单峰函数，x 2为区间中的一点，x 4为利用二次插值法求得的近似极值点，若x 4-x 2＜0,且f(x 4)≥f(x 2)，则新的搜索区间为( D ) A. ［x 1,x 4］ B. ［x 2,x 3］ C. ［x 1,x 2］ D.［x 4,x 3］ 2.对于平面桁架中的杆单元，每个节点在整体坐标系中的位移分量个数为（B ） A1 B2 C3 D4 3.应用四节点等参数单元时，由整体坐标系到自然坐标系单元的映射关系是（C ） A 任意四边形→任意四边形 B 正方形→任意四边形 C 任意四边形→正方形 D 正方形→正方形 4.在任何一个单元内（ D ） A 只有节点符合位移模式 B 只有边界点符合位移模式 C 只有边界点和节点符合位移模式 D 单元内任意点均符合位移模式 4.若强度r 的概率密度函数为f r (r)=λr e r r -λ,则知其分布为（ C ） A 正态分布 B 对数正态分布 C 指数分布 D 威布尔分布 6.标准正态分布的均值和标准离差为（ D ） A μ=1,σ=0 B μ=1,σ=1 C μ=0,σ=0 D μ=0,σ=1 7.若组成系统的诸零件的失效相互独立，但只有某一个零件处于工作状态，当它出现故障后，其它处于待 命状态的零件立即转入工作状态。这种系统称为（ C ） A 串联系统 B 工作冗余系统 C 非工作冗余系统 Dr/n 表决系统 8已知方程组5611327121 2x x x x +=+=??? ()()12，用高斯消元法对式(2)进行向前消元一步运算后，结果为（ C ） A. -=245652x B. x x 122373+= C.-=85252x D. -=-243343 2x 9.Powell 修正算法是一种（ D ） A 一维搜索方法 B 处理约束问题的优化方法 C 利用梯度的无约束优化方法 D 不利用梯度的无约束优化方法 10.某产品的寿命服从指数分布，若知其失效率λ=0.002，则该产品的平均寿命为（C ） A.200 B.1000 C.500 D.2000 11.下列优化方法中，不需计算迭代点一阶导数和二阶导数的是（ B ） A 可行方向法 B 复合形法 C DFP 法 D BFGS 法 11.表示机电设备的一般失效曲线(浴盆曲线)中，偶然失效期的失效密度f(t)服从（ B ） 《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 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： 考试科目:《现代设计方法》（总分100分） 时间：90分钟 __________学习中心（教学点）批次：层次： 专业：学号：身份证号： 姓名：得分： 一、单项选择题（每小题1.5分，共27分） 1.对于平面桁架中的杆单元，每个节点在整体坐标系中的位移分量个数为（）A．1 B．2 C．3 D．4 2.机电产品的平均失效率 (t)，它表征了该产品工作到t时刻后（） A．单位时刻内发生失效的概率 B．单位时刻内发生失效的产品数 C．的累积失效数与受试产品总数之比 D．的累积失效数与仍正常工作的产品数之比 3.应用四节点等参数单元时，由整体坐标系到自然坐标系单元的映射关系是（）A．任意四边形→任意四边形 B．正方形→任意四边形 C．任意四边形→正方形 D．正方形→正方形 4.图示弹簧系统的总体刚度矩阵为（） 5.现抽出60个产品进行可靠性试验，记录的数据如下表： 时间t (小时) 50 100 150 200 250 失效数?N f（个） 3 2 4 3 1 累积失效数N f（个） 3 5 9 12 13 仍正常工作数N S（个）57 55 51 48 47 则该产品的存活频率(200)为（） A．0.00125 B．0.8 C．0.001 D．0.2 6.轴对称问题中，值等于零的应变是（） A．γrθB．γrz C．εθD．εr 7.在任何一个单元内（） A．只有节点符合位移模式 B．只有边界点符合位移模式 C．只有边界点和节点符合位移模式 D．单元内任意点均符合位移模式 8.表示机电设备的一般失效曲线(浴盆曲线)中，偶然失效期的失效密度f(t)服从（）A．威布尔分布B．指数分布C．正态分布D．泊松分布 9.若强度r的概率密度函数为fr(r)=λr e r r -λ,则知其分布为（） 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。 第1章 1.何谓产品生命周期，简述其各个阶段。 产品生命周期（Product Life Cycle），简称PLC，是指产品的市场寿命，即一种新产品从开始进入市场到被市场淘汰的整个过程。PLC分为介绍期（Introduc- tion）、增长期（Growth）、成熟期（Mature）、衰退期（Decline）四个阶段. 2.简述现代设计所指的理论与方法有哪些。 3.简述产品开发的一般流程。 产品基本开发流程的6个阶段： 阶段0，计划：规划经常被作为“零阶段”是因为它先于项目的达成和实际产品开发过程的启动。 阶段1，概念开发：概念开发阶段的主要任务是识别目标市场的需要，产生并评估可替代的产品概念，为进一步开发选择一个概念。 阶段2，系统水平设计：系统水平设计阶段包括产品结构的定义、产品子系统和部件的划分 阶段3，细节设计：细节设计阶段包括产品的所有非标准部件及从供应商处购买的标准部件的尺寸、材料和公差的完整明细表，建立流程计划并为每一个即将在生产系统中制造的部件设计工具。 阶段4，测试和改进：测试和改进阶段包括产品的多个生产前版本的构建和评估。 阶段5，产品推出：在产品推出阶段，使用规划生产系统制造 第2章 1.简述功能分析法的设计步骤。 总功能分析、功能分析、功能元求解、求系统原理、解求最佳系统原理方案。 2. 什么是技术系统？举例说明技术系统应具有的分功能单元。 技术系统所具有的功能，是完成技术过程的根本特性。 从功能的角度分析，技术系统应具有下列能完成不同分功能的单元： ① 作业单元，完成转换工作； ② 动力单元，完成能量的转换、传递与分配； ③ 控制单元，接受、处理和输出控制信息； ④ 检测单元，检测技术系统各种功能的完成情况，反馈给控制单元； ⑤ 结构单元，实现系统各部分的连接与支承 切削加工中心的功能构成 第3章 1. 产品创新的概念是什么？产品创新在哪些诱导机制下完成的，举例说明。 产品创新：新产品在经济领域里的成功运用，包括对现有生产要素进行组合而形成新的产品的活动。全面地讲，产品创新是一个全过程的概念，就包括新产品的研究开发过程，也包括新产品的商业化扩散过程。 产品创新活动常常是在一定的诱导机制下完成的。通常，人们把这些机制归为两类：技术推动和市场拉动。前者是先有技术突破，然后出现创新；后者是先有市场需求，进而引导人们去从事某种创新。技术推动的创新过程可用图3-1表示。 产品创新的市场拉动机制：在有些产业领域，产品创新活动常常在本产业高潮之后才出现，即产业的需求在先，发明创新在后。市场拉动机制可用图3-2来概括。 2. 新产品开发组织和一般管理组织有哪些差异？ 1. 新产品开发工作必须和现有的程序化工作分离，即应单独组织新技术开发、新产品开发等活动，尽量使它们在组织结构上、在权责上与现有的程序化工作发生较少的联系 2.从事新产品开发的组织必须具有充分的决策自主权 图3-1 技术推动的创新过程 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 全国2011年7月高等教育自学考试考前练习题 现代设计方法 （课程代码：02200） 一、单项选择题（本大题共20小题，每小题1分，共20分） 1．数字化仪在早期CAD 作业中经常使用，它是一种（ ） A ．输入设备 B ．输出设备 C ．存储设备 D ．绘图设备 2．滚筒式绘图仪一般采用插补原理进行绘图，但在绘图过程中有时不需要插补。绘制以下方向的线段时需要插补的是（ D ） A ．X 方向线段 B ．Y 方向线段 C ．±45o 方向线段 D ．一般方向线段 3．在采用Cohen —Sutherland 编码裁剪算法剪裁线段时，如果一条线段跨越两个区，则当其两端点编码的逻辑乘为零时，则该线段( ) A ．全部可见 B ．全部不可见 C ．部分可见 D ．不确定 4．在消隐处理中，当进行平面可见性测试时，若平面的法线矢量和视线矢量的夹角大于90o ，则该面（ ） A ．可见 B ．不可见 C ．部分可见 D ．不确定 5．一逐行扫描光栅显示器的水平扫描频率为15600H Z ，垂直扫描频率为50H Z ，则该显示器（ ） A ．水平方向有15600个像素点 B ．垂直方向有312条水平扫描线 C ．一条水平扫描线上有312个像素点 D ．垂直方向上有50条扫描线 6．F （x ）为单值、连续、可微且无约束的一元函数，则在点x=x * 处有极大值的充分条件是（ ） A ．0)(='* X F B ．0)(0)(>''='** X F X F C ．0)(=''*X F D ．0)(0 )(<''='** X F X F 7．外点罚函数法的特点是（ ） A ．适合处理等式约束的最优化问题 B ．探索过程在可行域内进行 C ．适合处理不等式约束的最优化问题 D ．需要先求出初始内点 8．在单峰搜索区间[a ，b]内任取两点a 1、a 2，若函数值F(a 1)=F(a 2)，则缩小后的区间为（ ） A ．[a ，a 1] B ．[a 1，b] C ．[a 1，a 2] D ．[a ，a 2] 9．以下关于函数的梯度的说法不正确的是（ ） A ．函数的梯度是标量 B ．函数值沿梯度方向变化最剧烈 C ．函数的梯度是矢量 D ．求函数的极小值时常沿负梯度方向搜索 10．多元函数F(x)在点X * 附近一阶偏导数连续，则该点为极大值点的充分条件为（ ） A ．F （x * ）=0 B ． F （x *）=0，H （x *）正定 C ．F （x * ）=0 D ． F （x * ）=0，H （x * ）负定 11．平面桁架结构中，某单元局部编码依次对应的总体编码为8，6，则单元则度矩阵中的元素 k 34应放入总体刚度矩阵[K]中的（ ） A ．16行15列 B ．11行12列 C ．12行16列 D ．11行15列 12．平面三解形单元的刚度矩阵阶数为（ ） A ．2×2 B ．3×3 C ．4×4 D ．6×6 13．平面刚架结构中的杆单元，单元中的位移分量个数为（ ） A ．3 B ．6 C ．9 D ．12 14．平面问题的弹性矩阵与材料的（ ） A ．弹性模量和硬度有关 B ．弹性模量和泊松比有关 C ．弹性模量和强度有关 D ．强度和泊松比有关 15．若把平面应力问题的弹性矩阵改成平面应变问题的弹性矩阵，只需将（ ）E /（12 μ-） μ- A ．E 换成E /（1μ-），μ换成μ/（1μ-） B ．E 换成E /（12 μ-），μ换成μ（12 μ-） C ．E 换成E /（12μ-），换成μ/（1μ-） 《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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