现代设计方法第三章

讲稿课程名称：现代设计方法Modern Design Method 课型：选修课总学时：40学分数：2任课教师：ooooo授课对象：2006级华中农业大学工学院《现代设计方法》课程大纲第一章绪论（2h）第一节概述第二节现代设计方法的概念第三节现代设计方法的主要内容第四节现代设计方法的学习的目的与意义第二章优化设计（20h）第一节优化设计的基本概念与数学模型第二节优化设计的几何意义与终止准则第三节一维搜索方法第四节无约束优化方法第五节约束优化方法第六节多目标优化方法与离散变量优化问题第三章可靠性设计（8h）第一节可靠性设计概述第二节可靠性基本概念和理论第三节系统可靠性模型的建立、可靠性预计和分配第四节可靠性设计方法第四章有限元法（8h）第一节有限元法概述第二节有限元法的基本思想及其应用第三节有限元法求解实例第四节几种大型有限元分析系统简介第五章其他现代设计方法（2h）第一节可靠性设计第二节动态设计第三节人机工程学第四节其它方法简介本章小结第一章绪论第一节概述一、现代设计的概念设计：设计在通俗中说来是把各种先进技术成果转化为生产力的一种手段和方法。

它是从给出的合理的目标参数出发，通过各种方法和手段创造出一个所需的优化系统或结构的过程。

设计方法设计中的一般过程及解决具体设计问题的方法、手段。

传统设计(Traditional Design)：人类的设计活动经历了直觉设计阶段、经验设计阶段、半理论半经验设计阶段，即所谓的传统设计阶段。

现代设计(Modern Design)：以市场需求为驱动、以知识获取为中心、以现代设计思想、方法和现代技术手段为工具，考虑产品的整个生命周期和人、机、环境相容性等因素的设计。

二、现代设计方法的产生背景（以机械工业为例）：1)设计理论和实践的变化：过去，机械产品设计理论主要以力学为基础，在实践上主要以经验作为基础，现在，作为基础的理论远不止力学，还有系统论、控制论、信息论、传感理论、信号处理理论、电子学、计算机等等，作为实践的基础远不止经验，而且还涉及各有关的学科，同时，自身也在形成自己的学科体系——制造理论、工艺理论。

现代设计方法 第三章试题第一部分 选择题一、单项选择题 (每小题1分) 在每小题列出的四个选项中只有一个选项是符合题目要求的，请将正确选项前的字母填在题后的括号内。

1、若把平面应力问题的单元刚度矩阵改为平面应变问题的单元刚度矩阵只需将（ ） A.E 换成E/(1-μ2)，μ换成μ/(1-μ2) B.E 换成E/(1-μ2)，μ换成μ/(1-μ) C.E 换成E/(1-μ)，μ换成μ/(1-μ2) D.E 换成E/(1-μ)，μ换成μ/(1-μ) 2、对一根只受轴向载荷的杆单元，k ij 为负号的物理意义可理解为（ ） A.当节点j 沿轴向产生位移时，在节点i 引起的载荷与其方向相同 B.当节点j 沿轴向产生位移时，在节点i 引起的载荷与其方向相反 C.当节点j 沿轴向产生位移时，在节点i 引起的位移与其方向相同 D.当节点j 沿轴向产生位移时，在节点i 引起的位移与其方向相反3、某平面三角形单元，其局部码依次对应的总码分别为8、2和6。

该单元刚度矩阵中的元素k 25，应放入总体刚度矩阵[K]的（ ）A.第20行5列B.第16行11列C.第20行10列D.第16行8列 4、平面刚架结构与桁架结构的单元刚度矩阵各为( )A. 6×6，6×6B. 6×6，4×4C. 4×4，6×6D. 4×4，4×4 5、平面刚架单元刚度矩阵的坐标转化为( )A.［K ］(e)=T(e)[T]［k ］(e)［T ］(e) B.［K ］(e)=［T ］(e)［k ］(e)T(e)[T]C.［K ］(e)=T(e)[T]［k ］(e)-1(e)[T]D.［K ］(e)=-1(e)[T]［k ］(e)T(e)[T]6、半斜带宽矩阵r 行s 列的元素对应于竖带矩阵元素( )。

A.r 行s 列B.r 行s-r 列C.r 行s-r+1列D.r 行s-r-1列 7、图示三角形单元非节点载荷的节点等效载荷（厚度t=1cm ）（ ）A. F yi =-100KN F yj =-50KN F yk =0B. F yi =-80KN F yj =-70KN F yk =0C. F yi =-70KN F yj =-80KN F yk =0D. F yi =-50KN F yj =-100KN F yk =08、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 9、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10、对于每节点具有三个位移分量的杆单元，两节点局部码为1，2，总码为4和3.则其单元刚度矩阵中的元素k 12应放入总体刚度矩阵［K ］的（ ） A 、第1行第2列上 B 、第4行第3列上 C 、第4行第6列上 D 、第10行第11列上 11、平面应力问题中(Z 轴与该平面垂直)，所有非零应力分量均位于（ ）A 、XY 平面内B 、XZ 平面内C 、YZ 平面内D 、XYZ 空间内 12、平面三角形单元内任意点的位移可表示为三个节点位移的（ ）A 、算术平均值B 、代数和C 、矢量和D 、线性组合 13、坐标转换矩阵可归类为（ ）A 、正交矩阵B 、奇异矩阵C 、正定矩阵D 、对称矩阵14、在一平面桁架中，节点3处铅直方向位移为已知，若用置大数法引入支承条件，则应将总体刚度矩阵中的（）A、第3行和第3列上的所有元素换为大数AB、第6行和第6列上的对角线元素乘以大数AC、第3行和第3列上的所有元素换为零D、第6行和第6列上的所有元素换为零15、图示平面结构的总体刚度矩阵［Ｋ］和竖带矩阵［K*］的元素总数分别是（）A、400和200B、400和160C、484和200D、484和16016、图示弹簧系统的总体刚度矩阵为（）A、1B、C、D、17、轴对称问题中，值等于零的应变是（）A.γrθB.γrzC.εθD.εr18、在有限元分析中，划分单元时，在应力变化大的区域应该（）A、单元数量应多一些，单元尺寸小一些B、单元数量应少一些，单元尺寸大一些C、单元数量应多一些，单元尺寸大一些D、单元尺寸和数量随便确定22、在弹性力学平面刚架问题中，已知相邻节点总码的最大差值为5，则半宽值为( )A. 10B. 18C. 15D. 1223、图示的四根杆组成的平面刚架结构，用杆单元进行有限元分析，单元和节点的划分如图示，则总体刚度矩阵的大小为（）A、8×8阶矩阵B、10×10阶矩C、12×12阶矩阵D、16×16阶矩阵24、已知单元的节点局部与总码的对应关系如下，单元e:1(e)、2(e)、3(e)——5 、3 、2试写出单元e 在整体坐标中的单元刚度矩阵为( )A.［K ］(e)= 222325323335525355K K K K K K KK K B.［K ］(e)=555352353332252322K K K K K K KK K C.［K ］(e)=223252233353253555K KK K K K K K K D.［K ］(e)=223525533323523222K KK K K K K K K25、对薄平板来说其沿板厚方向的应力问题( )A.应力为零，应变为零B.应力不为零，应变为零C.应力为零，应变不为零D.应力不为零，应变不为零 26、 从作图的结构体中取出单元体进行应力状态分析，正确的是( ) A 、σx =σy =0,τxy ≠0 B 、τxy =τyz =0,σx =σy ≠0 C 、τyz =τxz =0,σz =0 D 、σx =σy ≠0,τxy =027、如图所示由5根弹簧组成的系统中，每根弹簧的刚度系数如图，系统4个节点，系统的总体刚度矩阵中K 13为（ ）。

《现代设计方法》教学大纲一、课程概述：二、课程目标：1.熟悉现代设计方法的概念和发展历程。

2.掌握现代设计方法的基本理论和实践技巧。

3.培养学生的创新思维和解决问题的能力。

4.提高学生的设计实践能力和团队合作意识。

三、课程内容：第一章现代设计方法概论（6课时）1.1现代设计方法的定义与作用1.2现代设计方法的研究领域与方法论1.3现代设计方法的发展历程与趋势第二章问题定义与用户需求分析（12课时）2.1设计问题定义的重要性与技巧2.2用户需求分析的方法与实践2.3问题定义与用户需求分析的案例分析与讨论第三章创意发散与评估（18课时）3.1创意发散的概念与方法3.2创意评估的标准与技巧3.3创意发散与评估的实践案例分析与讨论第四章设计方案生成与优化（24课时）4.1设计方案生成的方法与工具4.2设计方案优化的原则与策略4.3设计方案生成与优化的实践案例分析与讨论第五章原型制作与用户测试（18课时）5.1原型制作的方法与技巧5.2用户测试的设计与实施5.3原型制作与用户测试的案例分析与讨论第六章项目管理与团队合作（12课时）6.1项目管理的基本概念与流程6.2团队合作的原则与技巧6.3项目管理与团队合作的案例分析与讨论四、教学方法与评价方式：1.教学方法：本课程采用以学生为主体、教师为引导的探究式学习方法，注重理论与实践的结合。

课堂将结合案例分析、小组讨论和实践操作等形式进行教学。

2.评价方式：本课程的评价方式包括平时表现、课堂参与、实践作业和期末综合考核等。

平时表现和课堂参与占比30%，实践作业占比40%，期末综合考核占比30%。

五、教材与参考资料：1.教材：2.参考资料：-相关学术论文及案例分析以上是《现代设计方法》教学大纲，旨在培养学生的现代设计思维和实践能力，帮助学生成为具有创新意识和团队合作能力的设计专业人才。

《现代设计方法学》课程简介课程内容：《现代设计方法学》课程是机械设计制造及其自动化专业本科的一门专业课，以研究产品设计为对象。

它以计算机为手段，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。

现代设计方法学作为现代机械设计的有力工具，涉及到设计方法学、有限单元法、优化设计以及可靠性工程等内容。

本课程将根据机械设计和创新设计的需求，详细介绍了现代设计方法的的基本概念、常用方法和分析步骤等内容。

通过本课程的学习，使学生掌握先进的设计理念；掌握现代的设计方法；培养学生分析研究的能力。

Brief IntroductionCourse Description:Modern Design Theory and Methodology is a professional classes for the Mechanical Design, Manufacturing and Automation students. As a powerful analysis tool for mechanic design, Modern Design Theory and Methodology involves in design methodology, finite element method, optimization of design，reliability engineering and etc. This course aims to develop the students' appreciation of basic principles, common methods and analysis steps.After taking this unit, the student should be able to improve the advanced designing ideas, modern designing methods and analysis capabilities.《现代设计方法学》课程教学大纲一、教学内容第一章绪论1.1 设计的概念1.2 传统设计与现代设计1.3 部分现代设计方法简介1.4 学习现代设计方法的意义教学重点：近代设计学的发展及学科组成教学难点：部分现代设计方法第二章设计方法学2.1 概述2.2 设计系统2.3 技术系统及其设计类型2.4 产品规划方法2.5 方案的系统化设计2.6 创造性思维和方法2.7 TRIZ原理与计算机辅助创新2.8 设计中的评价与决策教学重点：设计系统及技术系统，设计的决策方法教学难点：创新设计第三章优化设计3.1 优化问题的数学描述3.2 优化方法的数学基础3.3 一维优化3.4 多维无约束优化方法3.5 多维约束化方法3.6 机械最优化设计中的其他相关问题3.7优化设计工具软件3.8优化设计实例教学重点：各种优化问题的数学描述及求解教学难点：实际问题的优化求解第四章可靠性设计4.1 概述4.2 可靠性的定义及度量指标4.3 可靠性工程中的常用概率分布4.4 可靠性设计原理4.5 机械强度可靠强度计算4.6 系统的可靠性设计4.7 故障树分析教学重点：可靠性设计原理及可靠性的度量指标教学难点：系统的可靠性设计第五章有限元法5.1 概述5.2 弹性力学的基本理论5.3 弹性力学有限元法5.4 等参数单元的原理及数值积分5.5 有限元分析中的若干处理方法5.6有限元分析软件5.7有限元方法应用实例教学重点：弹性力学有限元法教学难点：有限元分析中的若干处理方法二、教学要求第一章绪论教学要求：通过本章教学使学生了解现代设计方法的基本概念，熟悉现代设计方法的内容。

3.1 可靠性：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。

可靠度：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。

可靠度计算方法：R(t)=(N-n(t))/N3.2失效率：产品工作t 时刻尚未失效（或故障）的产品，在该时刻t 以后的下一个单位时间内发生失效（或故障）的概率。

λ（t ）=0lim N t →∞∆→()()[()]n t t n t N n t t+∆--∆ 关系: R(t)= ()t t dt o e λ-⎰ 3.3早期失效期：失效率开始由很高的数值急剧地下降到一个稳定的数值。

正常运行期：失效率低且稳定，近似为常数。

损耗失效期：失效率随工作时间增加而上升。

常用分布函数：二项分布 F(r ≤k)=0k r n r c =∑r n r p q -泊松分布 F(t ≤k) =0!r k r r e μμ-=∑指数分布 F(t)=1-t eλ- 正态分布F(x)= 22()2()x x dx x e μσ---∞-∞<<∞⎰对数正态分布F(x)=21()20(0)1y y y dx x μσ-->⎰ 威布尔分布 F(x)=1-()x e βγη--3.4(1)可靠性设计和常规设计的主要区别在于，可靠性设计把一切设计参数都视为随机变量（1）传统设计方法是将安全系数作为衡量安全与否的指标，但安全系数的大小并没有同可靠度直接挂钩，这就有很大的盲目性，可靠性设计与之不同，她强调在设计阶段就把可靠度直接引进到零件中去，即由设计直接确定固有的可靠度。

（2）传统设计方法是把设计变量视为确定性的单值变量并通过确定性的函数进行运算，而可靠性设计则把设计变量视为随机变量并运用随机方法对设计变量进行描述和运算。

（3）在可靠性设计中，由于应力s 和强度c 都是随机变量，所以判断一个零件是否安全可靠，就以强度c 大应力s 的概率大小来表示。

（4）传统设计与可靠性设计都是以零件的安全或失效作为研究内容，两者兼有密切的联系，可靠性设计是传统设计的延伸与发展3.5 (1)最大可能的工作应力都要小于零件的可能的极限强度。