工程遗传算法在机械领域发展现状
概述
遗传算法是基于生物界的自然选择与遗传机理的一种搜索算法，其综合了适者生存和遗传信息之结构性及随机性就换的生物进化特点，使最满足目标的决策获得最大的生存可能。遗传算法的一次迭代，相当于生物进化中的一代遗传，产生一组最大生成可能的新的人工物种，其中一部分是随机生成的。遗传算法充分利用经历的信息来确定新的更好的搜索点。
遗传算法具有以下一些优点：
（1）应用广泛性易于写出一个通用算法，求解不同类型的优化问题。
（2）非线性性大多数现行的优化算法都基于线性性、凸性、可微性等，但遗传算法没有这些假设。遗传算法只需要评价目标只的优劣，具有高度的非线性性。
（3）适应性若把原问题进行一些很小的改动，大多数现行的优化算法很可能完全不能使用或需要进行很大的修改，而遗传算法则需作很小的修改即可适应新的问题。
（4）并行性遗传算法隐含地对问题空间的许多解平面进行并行搜索，收敛速度快、稳定性强。因此，遗传算法适合不同类型、不同性质的问题的求解。
遗传算法解决许多实际问题，其中包括复杂数学函数的优化；半导体器件、飞行器、通信网络、天然气管道系统、汽轮机的设计；神经网络的设计与训练；生产的规则与排序；机器人的运动轨迹生成与运动学解；机器多故障诊断；自动装配系统的优化设计等等。本文主要针对遗传算法在机械领域中的应用和发展现状。
研究现状
王其东、姜武华、陈无畏在农业机械学报的《电动助力转向系统机械与控制参数集成优化》用遗传算法对EPS系统机械参数和控制参数进行集成优化。仿真结果表明：采用集成优化方法能使EPS系统的机械参数和控制器参数的匹配更合理，可以提高汽车的操纵性能。
贺士晶，阎昌琪，王建军，王盟在核动力工程杂志的《复合形一遗传算法在
核动力设备优化设计中的应用研究》中针对复合形算法在优化计算中的缺点对其做了相应改进，得到复合形—遗传算法，并以核动力设备中的稳压器为例进行优化计算，评价分析复合形遗传算法的优化能力。结果表明，改进后的算法比原始复合形算法具有更好的优化性能。
陈晓艳，郭宝峰，金淼，王东城在塑性工程学报中《管筒形零件机械扩径工艺过程的成形参数优化》基于MSC.Marc非线性有限元分析软件和遗传优化算法，应用MSC语言设计了机械扩径成形参数优化的遗传算法程序，为管筒形零件机械扩径工艺过程的成形参数优化提供了一种新方法。
孔凡国，黄伟在设计与研究杂志中的《基于模糊理论和遗传算法融合的机械方案优选方法的研究》结合模糊理论的优点，可以使遗传算法适用于各种类型的多方案评价及优选问题，扩大了遗传算法的应用范围。仿真结果表明，该方法取得了很好的效果。
周媛婧在《基于遗传算法的BP神经网络在刀具磨损状态监测中的应用》将遗传算法引入BP神经网络应用于刀具磨损状态监测模型的训练过程中克服了BP 网络的缺点，对刀具磨损状态的识别精度较高，网络训练速度较快，并且可以正确识别偏离训练样本的征兆，大大提高了诊断的正确率和速度。
李良敏，温广瑞在机械科学与技术杂志《基于遗传算法的多尺度支持向量机及其在机械故障诊断中的应用》通过遗传算法最小化LOO(1eave—one—out)泛化错误上限估计，根据各个特征的识别能力赋予其不同大小的尺度参数。将多尺度支持向量机用于轴承故障诊断。实验结果表明，多尺度支持向量机具有更好的泛化能力。对压缩机气阀的故障识别表明，尺度参数的大小直接反映了对应特征识别能力的大小。因此可以依据尺度参数的大小进行特征选择。保留关键特征，剔除冗余特征。
王军、曹雪梅、邓效忠、张华在《基于遗传算法的高齿弧齿锥齿轮优化设计》中提出一种基于遗传算法的高齿弧齿锥齿轮的优化设计方法,该方法应用于实例计算,取得了比较好的效果, 达到了大重合度的设计目标。
卢文秀，褚福磊，郭丹在清华大学学报中《基于遗传算法的碰摩位置辨识》提出了一种基于遗传算法的确定多盘转子系统碰摩位置的方法。利用遗传算法进行优化求解实现碰摩位置的识别。实验结果表明该方法在碰摩发生后能够有效地
确定碰摩故障发生的位置。
廖小云, 陈湘凤在重庆大学学报《基于遗传算法的自动装配顺序规划》者对自动装配顺序规划问题建立一种改进的遗传算法。算例表明，本文建立的装配顺序规划的遗传算法，能快速自动产生出满意的装配顺序方案。
陈无畏，王启瑞，朱婉玲在振动工程学报《基于遗传算法和H控制的悬架系统集成设计》提出了一种基于遗传算法和H控制的集成设计半主动悬架机械结构参数和控制参数的方法。理论分析、仿真计算和试验结果均表明：此方法与传统优化设计方法相比，对降低汽车振动、提高汽车行驶平顺性和安全性具有较好的效果。
刘道华，原思聪，汪金友，赵进昌西安电子科技大学学报《遗传算法构建的神经网络及在机械工程中的应用》提出了构建神经网络模型参数的遗传算法分区编码方案，并通过实例仿真采用遗传算法构建的神经网络具有仿真精度高、占用资源少、计算效率高等优点。
王凯料，张永祥，李军在机械强度杂志《遗传算法和支持向量机在机械故障诊断中的应用研究》提出一种基于遗传算法和支持向量机的故障诊断方法，诊断实例表明，该方法能利用较少的故障特征得到较高的诊断精度。
史东锋，屈梁生振动、测试与诊断杂志《遗传算法在故障特征选择中的应用研究》提出了基于遗传算法的特征选择策略。经仿真及回转机械故障实例分析，证明该方法拥有较强的并行性和寻优能力，在机械故障诊断领域有广阔的应用前景。
刘淑莲，郑水英在动力工程杂志《应用遗传算法的非线性转子一轴承系统参数辨识》利用遗传算法对非线性油膜力参数和不平衡量进行识别。结果表明：该方法能够有效识别转子的不平衡量，并能达到较高的识别精度，可以用于无试重动平衡。
Neelesh K，Jain, V.K. Jain，Kalyanmoy Deb在《Optimization of process parameters of mechanical type advanced machining processes using genetic algorithms》中介绍了优化工艺参数,即四个机械型安培超声加工，磨料射流加工，水射流加工，abrasive-water射流加工。使用遗传算法优化配方的模型求解方法，优化结果过程提供详细信息。
Shinn-Horng Chena，Jyh-Horng Choub，Chien-Jyh Chena在《Robust-optimal active vibration controllers design for the uncertain ?exible mechanical systems possessing integrity via genetic algorithm》中构造出一种混合性能遗传算法应用到解决最优状态反馈控制器和观测器设计问题的方法。结果表明，该方法能获得令人满意的结果。
Olcay Ersel Canyurt在《Estimation of welded joint strength using genetic algorithm approach》中提出遗传算法估计黄铜材料焊接接头对模型焊接强度的力学性能。结果表明，这种方法能精确的估算出模型焊接的力学性能。
M. Nobahari，S.M. Seyedpoor在《Structural damage detection using an efficient correlation-based index and a modified genetic algorithm》提出了一种基于遗传算法得出有效的优化程序来检测多种损伤结构系统。提出的计算方法，能比较精确地确定多种结构破坏。
Muhammad Zain-ul-abdein，Daniel Nélias，Jean-Fran?ois Jullien， Asim Imdad Wagan在《Thermo-mechanical characterisation of AA 6056-T4 and estimation of its material properties using Genetic Algorithm》提出用遗传算法估计材料性质，实验结果表明，测得该材料的性能与预测应变率值一致。
Ivan Tanev在《Genetic programming incorporating biased mutation for evolution and adaptation of Snakebot》中用遗传算法模拟演化出蛇形机器人步态和驱动力，实验算法中演化的步态与实际一致。
我的观点
遗传算法是近年来在计算机科学和优化中受到广泛关注的一种模拟生物进化理论的仿生学算法。在机械设计领域中，追求最优的设计方案一直是工程设计人员不懈努力、奋斗不止的理想与目标。而遗传算法优化设计方法在机械工程设计领域得到了广泛地应用。实践表明，遗传算法优化设计不仅为工程设计提供了一种新的科学设计方法，使得在解决复杂设计问题时，能从众多的设计方案中找到尽可能完善的或最合适的设计方案，并且能大大提高设计效率和设计质量，具有较明显的经济效益和社会效益。遗传算法具有传统优化方法不可比拟的优势，它己逐步发展成为一种迭代、自适应、启发式、概率性的搜索算法，以其在解决
不同的非线性问题中的自适应性、全局最优性及隐含并行性而具有独特的吸引力，这些优势使得遗传算法在工程设计中具有很大的应用前景。然而，遗传算法毕竟是比较新的科学，无论在理论上还是在实现方法上都存在着很多不完善的地方。因此，不断地对遗传算法加以研究和改进使其更适于工程实际应用，更好地、更充分地发挥它的性能和特点是非常必要的。
参考文献
【1】王其东姜武华陈无畏电动助力转向系统机械与控制参数集成优化.农业机械学报第37卷第9期
【2】贺士晶阎昌琪王建军王盟复合形一遗传算法在核动力设备优化设计中的应用研究
核动力工程第3l卷 2 0 1 0 第2期
【3】陈晓艳郭宝峰金淼王东城管筒形零件机械扩径工艺过程的成形参数优化塑性工程学报第13卷第6期
【4】孔凡国黄伟基于模糊理论和遗传算法融合的机械方案优选方法的研究设计与研究2006年第5期
【5】周媛婧基于遗传算法的BP神经网络在刀具磨损状态监测中的应用
【6】李良敏温广瑞基于遗传算法的多尺度支持向量机及其在机械故障诊断中的应用机械科学与技术第27卷第8期
【7】王军曹雪梅邓效忠张华基于遗传算法的高齿弧齿锥齿轮优化设计【8】卢文秀褚福磊郭丹基于遗传算法的碰摩位置辨识清华大学学报 2005年第45卷第2期
【9】廖小云陈湘凤基于遗传算法的自动装配顺序规划重庆大学学报第 23 卷第5 期
【10】陈无畏王启瑞朱婉玲基于遗传算法和H控制的悬架系统集成设计振动工程学报第16卷第2期
【11】刘道华原思聪汪金友赵进昌遗传算法构建的神经网络及在机械工程中的应用西安电子科技大学学报第35卷第1期
【12】王凯料张永祥李军遗传算法和支持向量机在机械故障诊断中的应用研究机械强度
【13】史东锋屈梁生遗传算法在故障特征选择中的应用研究振动、测试与诊断第20卷第3期
【14】刘淑莲郑水英应用遗传算法的非线性转子一轴承系统参数辨识动力工程第26卷第4期
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【16】Olcay Ersel Canyurt 《Estimation of welded joint strength using genetic algorithm approach》International Journal of Mechanical Sciences 47 (2005)
【17】Shinn-Horng Chena Jyh-Horng Choub Chien-Jyh Chen《Robust-optimal active vibration controllers design for the uncertain ?exible mechanical systems possessing integrity via genetic algorithm》International Journal of Mechanical Sciences 50（2008）
【18】M. Nobahari S.M. Seyedpoor《Structural damage detection using an efficient correlation-based index and a modified genetic algorithm》Mathematical and Computer Modelling Volume 53, Issues 9-10, May 2011 【19】Muhammad Zain-ul-abdein《Thermo-mechanical characterisation of AA 6056-T4 and estimation of its material properties using Genetic Algorithm》Materials & Design Volume 31, Issue 9, October 2010
【20】Ivan Tanev《Genetic programming incorporating biased mutation for evolution and adaptation of Snakebot》Genetic Programming and Evolvable Machines Volume 8, Number 1
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
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》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
现代设计方法试卷1及答案 一、单项选择题 1.属于无约束优化问题求解算法中的直接法是（ C ） A. 梯度法 B.牛顿法 C.POWELL法 D.变尺度法 2.按类型划分，惩罚函数法属于（ D ） A.一维优化方法 B.无约束优化方法 C.直接法 D.约束优化方法 3.对于只含有不等式约束的优化问题，满足每一个设计约束的设计点，称为 （D） A.边界点 B.非可行点 C.外点 D.内点 4.坐标轮换法以为搜索方向。（C） A.梯度方向 B.共轭方向 C.坐标轴方向 D.负梯度方向 5.一个多元函数F（X）在点X*附近偏导数连续，则该点为极小值点的充分条件是（ B ） A.▽F（X*）=0 B. ▽F（X*）=0,H（X*）正定 C. H（X*）=0 D. ▽F（X*）=0,H（X*）负定 6.在有限元分析中，将构件分割成单元的方法称之为( C ) A.有限化 B.单元化 C.网格化 D.分割化 7.平面问题的弹性矩阵与材料的（ D） A.弹性模量有关，泊松比无关 B.弹性模量无关，泊松比有关 C.弹性模量和泊松比都无关 D.弹性模量和泊松比都有关 8.当零件材料的强度均值小于应力均值时，零件的平均安全系数为n，等效概率为F，则（A ） A.n<1，F>50% B. n>1，F>50% C. n<1，F<50% D. n>1，F<50% 9.串联系统的失效模式大多服从（ D ）
A.正态分布 B.对数正态分布 C.指数分布 D.威布分布 10.抽取100只灯泡进行实验，灯泡工作到50小时有12只损坏，工作到70小 时又有20只损坏，从50小时到70小时这段时间内灯泡的平均失效密度为（ C ） A. 0.006 B. 0.004 C. 0.01 D. 0.12 二、填空题 11.单元刚度矩阵具有对称性、 分块 性和奇异性。 12.机电产品零件失效曲线分为三个区域，分别为： 早期失效区域 、正常工 作区域和功能失效区域。 13.函数()223212221+-+=x x x x x F 在点（1，0）处的梯度为 [6,-2]T 。 14.组成并联系统的零件的可靠度与该并联系统的可靠度相比较， 并联系统 的可靠度高。 15.一批产品从投入运行到发生失效的平均时间称为 平均寿命 。 16.可靠度是对产品可靠性的 概率 度量。 17.设某系统由10个零件串连组成，每个零件的可靠度均为0.95，系统的可靠度为 0.599 。 18.根据处理约束条件的方式不同，求解约束优化问题的方法分为 直接法 和间接法。 19.根据是否满足约束条件可以将设计点分为：可行点和 不可行点 。 20.利用目标函数的一阶导数或二阶导数信息构成搜索方向的方法称为 导数法 。 三、名词解释 21、（定义）可靠度：指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，用R 表示。 22、（定义）失效率：又称故障率，产品工作t 时刻时尚未失效（或故障）的产品，在该时刻
现代设计方法简答题 1、与文件系统相比，数据库系 统的主要特征有哪些? 答：1)实现了数据共享,减少了数 据的冗余。2）数据存储的结构 化3)增强了数据的独立性。４） 加强了对数据的保护。 ２，CAD技术在机械工业中的应用主要有哪几方面? 答：CAD技术在机械工业中的主 要应用有以下几方面： （1)二维绘图(2）图形及符号库 ３)参数化设计(４）三维造型（5) 工程分析(６)设计文档和生产报 表，特征造型是如何定义的？ 特征是指能反映零件特点的,可 按一定原则分类的、具有相对独 立意义的典型结构形状。基于特 征的造型称为特征造型。基于特 征的造型是把特征作为产品零 件定义的基本单元，将产品描述 为特征的集合，包括形状特征、 精度特征、材料特征和其他工艺 特征,从而为工艺设计和制造过 程的各个环节提供充分的信息。 ３三维实体模型的实现方法中,体素构造法（ＣＳG）的基本思想是什么？需要存储的几何模型信息有哪些？ 答：(1)体素构造法(CSG）的基本 思想是:各种各样形状的几何形 体都可以由若干个基本单元形 体,经过有限次形状拼合运算构 建得到。2）需要存储的几何模 型信息是:所有的基本形体的类参数和所采用的拼合运算过程。 4简述三维实体模型的实现方法 中的ＣSG方法和Ｂ-ｒｅｐ方法 各自的基本思想。 答;CSG方法的基本思想是:各种 各样形状的几何形体都可以由 若干个基本形体,经过有限次形 状集合运算（又称拼合运算）构 建得到。需要存储的几何模型信 息是：所有的基本形体的类型、 参数和所采用的拼合运算过 程。B -ｒep方法的基本思 想:几何实体都是由若干边界外 表面包容的,可以通过定义和全 面存储这些边界外表面信息的 方法建立实体几何模型。 5. 消隐算法中的基本测试方法 有哪些?各适合哪些方面的测 试？ 基本测试方法有:面的可见性测 试、最大最小测试、包含性测试 和深度测试。面的可见性测试适 合于单凸物体的自隐藏面和自 隐藏线的测试。 最大最小测试用来检查两个多 边形是否重叠。包含性测试用来 检查一个给定的点是否位于给 定的多边形内。深度测试是用来 测定一个物体遮挡其它物体的 基本方法。 ６.在进行图形处理时,为什么要 引入规格化设备坐标系？ １）用于用户的图形是定义在世 界坐标系里,而图形的输出是定 义在设备坐标系里。不同的图形 设备具有不同的设备坐标系且 其工作范围也不相同。 （２)为了便于图形处理,有必要 定义一个标准设备,引入与设备 无关的规格化设备坐标系,采用 一种无量纲的单位代替设备坐 标，当输出图形时，再转化为具 体的设备坐标。 (３）规格化设备坐标系的取值范 围是左下角（0,0)，右上角（1, １）,其工作范围为0～1。 7.简述参数化绘图方法中的几何 作图局部求解法的核心思想。 几何作图局部求解法的核心思 想是:在交互作图过程中随时标 注每个新增加几何元素的自由 度和所受的约束关系；判断几何 求解的局部条件是否充分，通过 遍历检测，依次解出条件成熟的 元素参数；当图形的尺寸标注完 整时，用批处理程序经过多遍扫 描,解出绘图需要的所有未知数。 8．说明直线段编码剪裁算法的 思想和该算法的两个主要步骤。 直线段编码剪裁算法的思想:每 一线段或者整个位于窗口内，或 者能够被窗口分割而使其中的 一部分能很快地被舍弃。两个主 要步骤:第一步先确定一条线段 是否整个位于窗口内,若不是,则 确定该线段是否整个位于窗口， 外，若是，则舍弃；第二步，若 第一步的判断都不成立,那么就
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、单项选择题 1CAD技术是一门综合性应用技术，以下技术不属于工程分析技术的是（C） A．优化设计方法B．模拟仿真 C．软件工程规范D．物理特性计算 2模拟仿真分析在CAD所涉及到的诸多技术中属于（B） A.图形处理技术 B.工程分析技术 C.软件设计技术 D.文档处理技术 3一彩色光栅扫描显示器，它的分辨率为1280×1024×8，则该显示器（D） A.水平线上有1280个扫描点，共有1024条水平扫描线，每个点最多可有8种颜色 B.水平线上有1024个扫描点，共有1280条水平扫描线，每个点最多可有8种颜色 C.水平线上有1024个扫描点，共有1280条水平扫描线，每个点最多可有256种颜色 D.水平线上有1280个扫描点，共有1024条水平扫描线，每个点最多可有256种颜色 4一光栅扫描显示器有600条水平扫描线，每条水平扫描线上有800个像素点，每个像素点的状态用8位二进制数表示，则该显示器分辨率的正确表示为（B） A．600×800×8 B．800×600×8 C．600×800×256 D．800×600×256 5根据CAD软件的分类，以下软件不属于CAD支撑软件的是（D） A．Solid edge B．MDT C．ANSYS D．FoxBASE 6网络通讯及管理软件属于（A） A.系统软件 B.支撑软件 C.专用软件 D.分析软件 将平面图形放大一倍，其变换矩阵为（C） 7在消隐处理中，当进行平面可见性测试时，若平面可见，则该面的法线矢量和视线矢量的夹角（C） A.大于90° B.小于90° C.大于180° D.小于180° D
B C C D C D
环境变量 一．用牛顿法求函数 2214121)2()2(),(x x x x x f -+-= 的极小值点坐标（迭代二次）。 解 初始点T x ]2,3[0 = 则初始点处的函数梯度、海森矩阵及其逆矩阵为 ?? ????=??????---+-=?42)2(4)2(2)2(4)(21213 1 0x x x x x x f ????? ?--=??????--+-=?844148442)2(12)(21 02x x f ???? ??? ???=?=487241241121 )]([1 02x f 代入牛顿法迭代公式，得 T x f x f x x ? ? ? ???=??-=34,38)()]([0 1 2 1 - ??? ?????=??????---+-=?02732)2(4)2(2)2(4)(212 1311x x x x x x f 代入牛顿法迭代公式，得
?? ? ???=??-=26.152.2)()]([1 1 12 1 2 x f x f x x - 二、分析比较牛顿法、阻尼牛顿法、共轭梯度法、变尺度法和鲍威尔法的特点，找出前四种方法的相互联系。 比较牛顿法：牛顿法收敛很快，对于二次函数只需迭代一次便达到最优点，对非二次函数也能较快迭代到最优点，但要计算二阶偏导数矩阵及其逆阵，对维数较高的优化问题，其计算工作和存储量都太大。 阻尼牛顿法：可以看出原始牛顿法就相当于阻尼牛顿法的步长因子取成固定值1的情况。阻尼牛顿法每次迭代都在牛顿方向上进行一维搜索，避免了迭代后函数值上升的现象，从而保持了牛顿法二次收敛的特性，而对初始点的选取并没有苛刻的要求。 这类方法的主要缺点计算复杂，工作量大，要求计算机存储量大 共轭梯度法：共轭方向主要是针对二次函数的，但也可以用于一般非二次函数。共轭方向法是二次收敛的，计算程序简单，存储量相对较少 变尺度法：只需用到函数的一阶梯度；下降算法，故收敛全局；计算量小（不需要求矩阵逆）；一般可以达到超线性收敛（速度快） 鲍威尔法：多维无约束优化算法是在无约束优化算法之一，首先选取一组共轭方向，从某个初始点出发，求目标函数在这些方向上的极小值点，然后以该点为新的出发点，重复这一过程直到获得满意解，其优点是不必计算目标函数的梯度就可以在有限步内找到极值点。 三、已知约束优化问题minf(x)=(x 1-2)2+(x 2-x 1)2
武汉轻工大学 《现代设计方法》课程结业论文题目：现代设计方法在汽车设计中的应用 姓名 学号 班级 专业 院（系） 2017 年5月21 日
现代设计方法在汽车设计中的应用 宋家鹏 (武汉轻工大学机械工程学院，湖北武汉430070) 摘要：本文在分析汽丰设计方法发展的基础上，重点介绍了汽车设计中有待进一步推广应用的几种现代设计方法和技术。 关键词：现代设计方法;系统工程;模糊分析设计;计算机辅助设计(CAD) 0 引言 现代科学技术的发展对汽车的性能、可靠性、经济性等提出更高的要求同时也为汽车的设计、制造提供了改进和创新的设计方法。据统计，一般汽车的质量和性能有60%-70%取决于汽车设计。因此，在设计新产品时应研究和采用新的设计方法和技术，以适应现代汽车发展的要求。为了寻求保证设计质量、加快设计速度、避免和减少设计失误的方法和措施，引发了“汽车现代设计方法”的研究。 1现代设计和传统设计的比较 传统的设计方法是以经验总结为基础，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。而现代设计方法则是强调创造性，在注重产品整体功能基础上以现代设计方法和计算机设计为工具的系统设计。这种设计不但可以大大提高设计的质量、精度和效率，而且可以将产品的适应性、经济性、可靠性统一起来，从而高效地设计出性能优良、经济效益显著的新型产品。目前，设计方法和技术正处于不断改善、不断创造的历史时期。可以预见，新的汽车产品将随着现代设计方法、技术和设计科学体系的完善而有新的突破。 2现代设计法的主要内容 现代设计法是在总结传统设计的经验与教训、吸收国外各设计流派的先进内容的基础上,以形态学为分类手段,以方法学为思想指导,具体形成以下十一论: 功能论:现代设计法的宗旨。是保证设计要求功能实现的方法论。 突变论:现代设计法的基石。是设计创新的基础,如创造性设计。 系统论:现代设计工作的前提。进行系统辩识、系统分析,如系统分析法、人机工程等。 信息论:现代设计的依据。进行信号处理,如信息分析法、技术预测法等。 对应论:现代设计的捷径。采用相似、模拟,如相似设计等。 优化论:现代设计的目标。如优化设计等。 智能论;现代设计的核心。发挥人的主动性,使用人工智能,促进设计自动化,如CAD等。 离散论:现代设计的细解。连续体离散求数值解,如有限元和边界元方法。 控制论:现代设计的深化。如动态分析设计法等。 模糊论:现代设计的发展。模糊性定量描述,如模糊综合评判和决策等。 艺术论:现代设计的美感。如造型设计等。
机电工程学院 现代设计方法大作业基于汽车噪声的TRIZ分析 学号：S314070064 专业：机械工程 学生姓名：*** 任课教师：*** 教授 2015年1月
基于汽车噪声的TRIZ分析 一对技术系统进行初步分析 1.选择系统。 我所选择的系统是汽车。 2.系统的三维图，如图1所示。 图1 汽车的三维图 汽车工作原理：汽车的行驶主要靠发动机来带动，以四冲程汽油机为例，四冲程汽油机是将空气与汽油或柴油以一定的比例混合成良好的混合气，在吸气冲程被吸入汽缸，混合气经压缩点火燃烧而产生热能，高温高压的气体作用于活塞顶部，推动活塞作往复直线运动，通过连杆、曲轴飞轮机构对外输出机械能。四冲程汽油机在进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程内完成一个工作循环。汽油机简图及其具体运动过程如图2所示。 图2 四冲程汽油机工作循环图 （1）进气行程 化油器式汽油机将空气与燃料先在气缸外部的化油器中进行混合，然后再吸入气缸。进气行程中，进气门打开，排气门关闭。随着活塞从上止点向下止点移
动，活塞上方的气缸容积增大，从而气缸内的压力降低到大气压力以下，即在气缸内造成真空吸力。这样，可燃混合气便经进气管道和进气门被吸入气缸。 （2）压缩行程 为使吸入气缸内可燃混合气能迅速燃烧，以产生较大的压力，从而使发动机发出较大功率，必须在燃烧前将可燃混合气压缩，使其容积缩小、密度加大、温度升高，即需要有压缩过程。在这个过程中，进、排气门全部关闭，曲轴推动活塞由下止点向上止点移动一个行程称为压缩行程。 （3）作功行程 在这个行程中，进、排气门仍旧关闭。当活塞接近上止点时，装在气缸盖上的火花塞即发出电火花，点燃被压缩的可燃混合气。可燃混合气被燃烧后，放出大量的热能，因此，燃气的压力和温度迅速增加，所能达到的最高压力约为3-5Mpa，相应的温度则为2200-2800K。高温高压的燃气推动活塞从上止点向下止点运动，通过连杆使曲轴旋转并输出机械能，除了用于维持发动机本身继续运转而外，其余即用于对外作功。 （4）排气行程 可燃混合气燃烧后生成的废气，必须从气缸中排除，以便进行下一个进气行程。当膨胀接近终了时，排气门开启，靠废气的压力进行自由排气，活塞到达下止点后再向上止点移动时，继续将废气强制排到大气中。活塞到上止点附近时，排气行程结束。 汽车的执行机构：轮胎。 作用对象：路面。 3.汽车系统的黑箱图。 汽车的黑箱图如图3所示。 图3 汽车系统黑箱图 4.确定系统主要有益功能和其它功能。 汽车主要有益功能：载运客、货物和牵引客、货挂车。
课程名称： 现代设计方法 一、 单选题 ( 每题1分，共10题，共10分，下列各小题备选答案中，只有一个符合题意的答案。多选、错选、不选均不得分 ) 1. 参数化绘图在定义图形时关键是利用了图形的（ ） A ．相似性 B ．多样性 C ．个别性 D ．特殊性 2. 下列设备不属于CAD 作业输入设备的，有（ ） A ．绘图仪 B ．键盘 C ．数字化仪 D ．光笔 3. 二维图形比例变换矩阵中?? ????=d a T 00，可有（ ） A.a=0,d=1 B. a=1,d=0 C. a=d=1 D. a=d=0 4. 内点罚函数法的特点是（ ） A.能处理等式约束问题 B.初始点必须在可行域内 C. 初始点可以在可行域外 D.后面产生的迭代点序列可以在可行域外 5. 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 6. 设F (X )为区间(0,3)上的单峰函数，且F (1)=2、F (2)=1.5，则可将搜索区间(0,3)缩小为（ ） A ．(0,2) B ．(1,2) C ．(2,3) D ．(1,3) 7. 标准正态分布是定义为（ ） A.μ＝1，σ＝0.5的正态分布 B.μ＝1，σ＝1的正态分布 C.μ＝0，σ＝1的正态分布 D.μ＝0.5，σ＝1的正态分布 8. 抽取100只灯泡进行实验，灯泡工作到50小时有12只损坏，工作到70小时有20只损坏，从50小时到70小时这段时间内灯泡的平均失效密度是（ ） A.0.006 B.0.004 C.0.01 D.0.12 9. 当转换开关的可靠度为1时，非工作冗余系统的可靠度为R1, 工作冗余系统的可靠度为R2，则R1与R2之间的关系为（ ） A. R1＜R2 B. R1＞R 2 C. R1= R2 D. R1≤R2 10. 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
二、填空 1、一般把应用于CAD作业的计算机、软件及外围设备，总称为【CAD系统】 2、CAD系统由硬件和【软件】组成。 3、网络型数据模型是指事物间网络形式的组织结构，它体现了事物间【多对多】的关系。 4、标准件特性文件给出了为生成图形所必需的全部几何尺寸，……和【组装】方式。 5、矩形窗口和视区匹配时，固定窗口全部参数而改变视区的定形参数，可以实现图形的【放大或缩小】。 6、Powell法是以【共轭】方向作为搜索方向的算法。 7、对于由n个变量组成的函数，它的Hessian矩阵是n×n阶的【二】阶偏导数对称矩阵。 8、在进行刚架结构有限元分析时，刚架结构所承受的外载荷不是直接作用在节点上的，则该种外载荷称为【非节点】。 9、在进行有限元分析时，单元的数量取决于要求的精度、单元的尺寸及【自由度】的数量。 10、某工厂从生产线上抽取20只电容进行试验，结果发现有5只工作到100小时损坏，有10只工作到300小时损坏，有4只工作到350小时损坏，还有1只工作到400小时损坏，则这批电容器的平均使用寿命为【265】小时。 11、平均寿命的几何意义是【可靠度】曲线与时间轴所夹的面积。 12、r/n表决系统蜕变为串联系统的条件是【r=n】 13、CAD系统中，支撑用户进行CAD工作的通用性功能软件是【支撑软件】。 14、显示器中的坐标系是【世界坐标系】。 15、编码裁剪法中，某点在窗口右方，则其编码应为【0010】。 16、多元函数F(X)在点X*附近偏导数连续，F（X*）=0且H（X*）正定，则该点为F（X）的【极小值点】。 17、计算机辅助设计（CAD）是指人们在计算机的【软硬件】辅助下，对产品或工程…… 18、黄金分割法中，每次缩短后的新区间长度与原区间长度的比值始终是一个常熟，此常数是【0.618】 19、在单峰搜索区间[x1,x3]内，取一点x2，用二次插值法计算得x4，若x2大于x4，并且其函数值F(x4)小于F（x2），则取新区间为【[x1,x2]】 20、Powell法是以【共轭】方向作为搜索方向的。 21、CAD系统硬件组成很难有一个统一的标准，一般典型的CAD系统硬件由主机、输入设备、输出设备和【存储设备】四部分组成。 22、CAD软件的组成有系统软件、支撑软件和【应用软件】 23、输入设备的主要作用是将字符、平面上或空间中点的坐标值输入计算机中，其基本功能是【定位】。 24、数据模型是指数据库内部数据的组织方式，最常用的数据模型有三种：层次型、【网络关系】型和关系型。 25、标准件的图形构成可以分为四个层次：最基本的通用几何元素的A类构件、专用于某一图形文件的通用B类构件、由A类和B类构件组成的K类整件和由【A、B和K】类组成的G类元件。 26、0.618法在选定单峰区间内不断消去一部分区间，把区间越缩越小，其每次区间缩短率是【相等】 27、设计体积为500cm的圆柱形包装盒，按用料最省原则，确定其高度H直径D的尺寸，该问题的目标函数为【minF(x)=1/2πD2+πDH】 28、单元刚度矩阵的推导是有限元方法的关键环节，一般可采用直接法、【变分】法和加权残值法来确定。
现代设计方法试题 一、单项选择题(本大题共20小题。每小题1分。共20分) 1．CAD 一词已经成为世界通用的名词，它是指（ A ） A ．计算机辅助工程 B ．计算机辅助制造 C 计算机辅助设计 D ．计算机辅助工艺规程设计 2．实验测试了自变量为3，4，5，6，7，8时的函数值，现要用抛物线插值法计算处的函数值，选择下列哪组自变量及其对应的函数值进行插值计算较为合理（ C ） A ．3，4，5 B ．4，5，6 C ．5，6，7 D ．6，7，8 3．设备坐标系的维数一般为（ B ） A ．一维 B ．二维 C 三维 D ．四维 4．将平面图形沿X 方向平移10个单位，沿Y 方向平移15个单位，其坐标变换矩阵为（ A ） A ．??????? ???11510010001 B ．??????????--11510010001 C ．???? ? ?????101001500010D ．???? ??????10 10015000 1 5．在消阴处理中，进行极大／极小检验，如果两个物体的投影不满足极大／极小条件，则两个物体之间（ D ） A ．相互完全遮挡 B ．部分相互遮挡 C ．相互不遮挡 D ．遮挡关系不确定 6．若函数F(x)在Dl 上具有连续二阶导数(D 是Dl 内部的凸集)，则F(x)为D 上的凸函数的充分必要条件是F(x)的Hessian 矩阵（ C ） A ．半正定 B ．正定 C ．半负定 D ．负定 7．对约束优化问题，设计变量的选择（ C ） A ．可以在可行域中 B ．不允许在可行域中 C ．只允许在可行域中 D ．不一定在可行域中 8．要将一个有约束问题的求解转化为一系列无约束问题的求解，可以选择（ C ） A ．复合形法 B ．简约梯度法 C ．罚函数法 D ．共轭梯度法 9．在解决线性规划问题时，首选的优化方法为（ B ） A ．外点罚函数法 B ．单纯形法 C ．拟牛顿法 D ．变尺度法 10．当目标函势沩凸函数，约『束函彭嘣黜函数时，K —T 条件是约束优化问题取得极值的（ D ） A ．必要条件 B ．充分条件 C ．一般条件 D ．充分必要条件 11．有限元分析中，下列单元属于二维单元的是（ D ） A ．六面体单元 B ．四面体单元 C ．杆单元 D ．三角形单元 12．用有限元方法求解问题获得的解属于（ A ） A ．近似解 B ．精确解 C ．解析解 D ．半解析解 13．采用杆单元进行平面刚架有限元分析，杆单元的一端具有（ B ） A ．两个自由度 B ．三个自由度 C ．四个自由度 D ．六个自由度 14．某刚架单元两节点对应的总体编码为5和3，则局部座标系下的单元刚度系数k 在总体刚度矩阵中的位置为（ D ） A ．第5行第3列 B ．第14行第3列 C ．第5行第14列 D ．第14行第14列 1 5．在平面应变问题中，沿轴线方向（ C ） A ．应变、应力都为零 B ．应力为零，但应变不为零 C ．应变为零，但应力不为零 D ．应变、应力都不为零 16．若产品的平均寿命等于失效率的倒数则产品的寿命服从（ C ） A ．正态分布 B ．泊松分布 C ．指数分布 D ．二项分布 17．在平均安全系数不变的情况下，由于强度(或应力)的分散度增大会使零件的可靠度（ A ） A ．降低 B ．提高 C ．不变 D ．无法确定 18．当系统中任何—个零件发生故障都会导致整个系统失效，该系统是（ A ） A ．串联系统 B ．冗余系统 C ．表决系统 D ．非工作冗余系统 19．并联系统的可靠度比组成该系统的零件的可靠度（ B ） A ．底 B ．高 C ．相等 D ．不确定 20．产品工作到t 时刻后的单位时间内发生失效的概率称为（ D ） A ．平均寿命 B ．平均失效密度 C ．平均可靠度 D ．平均失效率 二、多项选择题(本大题共5小题。每小题2分．共10分) 21．下列设备属于CAD 的输入设备的，有（ BCE ） A ．显示器 B ．扫描仪 C ．键盘 D ．绘图仪 E ．光笔 22．通过矩形窗口与矩形视区的匹配，可以实现图形的（ ABD ） A ．放大 B ．缩小 C ．锗切 D ．摇视 E 平移 23．下列方法中属于利用目标函数的导数构造搜索方向的优化方法有（ BE ） A ．坐标轮换法 B ．梯度法 C ．单纯形 D ．Powell 法 E ．变尺度法 24．单元刚度矩阵具有（ ACE ） A ．奇异性 B ．正定性 C ．分块性 D ．稀疏性 E ．对称性
机械设计方法实验报告 姓名： 学号： 成绩： 指导教师：
进退试算法实验报告 一、实验目的 1.加深对进退试算法的基本理论和算法步骤的理解。 2.培养独立编制、调试计算机程序的能力。 3.掌握常用优化程序的使用方法。 4.培养灵活运用优化设计方法解决工程实际问题的能力。 二、实验要求 1.明确进退试算法基本原理及程序框图。 2.编制进退试算法程序。 三．实验内容 计算实例：用进退试算法求函数())2 t f的搜索区间。 (+ =t t ①.进退试算法基本原理简述 进退试算法的基本思想是：按照一定的规律给出若干试算点，一次比较各试算点的函数值的大小，直到找出相邻的三点的函数值按“高——低——高”变化的单峰区间为止。
②、程序的流程图 ③.编制进退试算法程序 #include
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：
现代设计方法综述及在农业机械领域的应用 令狐采学 随着科技的发展，许多新的成果被引人优化设计，特别是信息化技术的发展推动了设计方法的革命，开发了系列软件，其中包括：CAD、AN SYS、AD AM S、VB、VC等，这些软件各有特色，在应用上相互交叉。其中CAD软件是应用最广，对产业发展影响最大的软件，完全代替了传统的设计方法，使设计更加快捷方便，且具有记忆功能，使传输、保存、调用更加方便。ADAMS软件不但具备虚拟制造、试验和测试功能，而且通过二次开发还可以优化参数，VB和VC软件具有较强的可视性，适合机构的运动学和动力学目标的优化。优化是现代设计的核心技术。现代设计思想和方法大大推动了制造业的发展；反过来，每个设计者必须掌握现代设计方法，并熟练使用各种软件工具。 在国际上，航空、航天、汽车、军工制造业等率先使用现代设计的新技术，农机制造业相对滞后，一般来说在上个世纪相差3—5年，到本世纪时差缩短到l 一3年。在上世纪80年代后期，中国开始引入CAD技术。到本世纪已经推广到高校、研究院所和企业，随着应用和推广，CAD技术不断完善和拓宽，功能更加强大，现在任何机械设计单位如果在设计中不使用CAD软件几乎不可思议。其他软件也有了不同程度的应
用，中国技术力量的构架决定现代设计方法和软件工具首先被研究型高等院校应用，之后是普通院校和大型研究所，最后逐渐转入生产企业。但是现代设计的核心——系统的优化设计技术在国内应用较少，仅仅局限在个别的学科领域，这是因为系统优化首先要建立理论模型、采用适宜的优化方法、设计相关的优化软件的基础上，是一个难度很大的系统工程。例如，应用较为普遍的航空、导弹理论研究面对的介质是空气，其物理性质相对变化较小；而农业机械所处理各种物料，其物理性质差异很大，理论研究和优化方法有其特殊性，不能照搬其他理论和方法。现代设计方法的应用如果包括了系统优化则必须建立设计平台。本文在介绍现代设计方法的同时也将介绍课题组在建设平台方面所做的探索性工作。 1 平台的内容 1．1创新方法的建立 农业机械的创新有特殊性也有其普遍性。农业机械的创新首先是机构的创新，新的机构能够完成传统机构所不能完成的技术要求。机构创新由两部分组成：发现机构创新元素和找到实现创新元素的实施方案。两者都非常重要，但是对不同的项目，相对难度有所不同：有的发现创新元素难度大，有的寻求实施方案难度更大。 1．2理论研究成果