现代设计方法基础内容简介

本书主要介绍常用的现代设计方法的基本原理，特别是有限元法、优化设计和可靠性的基础知识和求解机械工程问题的步骤。

第1章简要介绍了现代设计方法产生和发展的背景及其特点；第2章介绍了有限元方法的基本原理，特别是结合工程机械，着重介绍了平面问题、杆件结构、板壳问题、空间问题以及动态问题的求解原理，并分别结合目前流行的结构分析软件ANSYS给出一些求解实例，第3章介绍了优化设计的基本概念和原理，以及几种常用的优化设计方法的原理和求解步骤，对机械优化设计中的一些常见问题的处理也作了简要介绍，举例说明了机械结构和机构两大类型的优化设计数学模型的建立过程；第4章介绍了可靠性工程的基础知识、机械零件的可靠性设计、系统可靠性设计、疲劳强度的可靠性分析及可靠性试验的原理和方法，第5章简要介绍了其他一些常用的现代设计方法。

本书可作为高等学校机械类专业本科生及研究生的教材，也8可供有关工程技术人员阅读与参考。

前言

第1章 绪论

1.1 概述

1.2 现代设计方法的特点

1.3 本书内容

第2章 有限元法基础

2.1 有限元法简介

2.1.1 有限元法的产生及基本思想

2.1.2 有限元法的分析过程

2.1.3 有限元法在工程中的应用

2.2 弹性力学基础知识

2.2.1 弹性力学平面问题

2.2.2 弹性力学基本方程

2.3 弹性平面问题的有限元法

2.3.1 结构离散及单元划分

2.3.2 三角形单元分析

2.3.3 整体分析

2.3.4 有限元分析应注意的几个问题

2.3.5 平面问题应用实例

2.4 二维梁单元

2.4.1 平面梁单元的刚度矩阵

2.4.2 整体坐标的单元刚度矩阵

2.4.3 非节点载荷的移置

2.4.4 框架问题应用实例

2.5 空间问题

2.5.1 4节点四面体单元的刚度矩阵

2.5.2 单元的等效节点载荷

2.5.3 空间问题应用实例

2.6 薄板、壳问题

2.6.1 薄板弯曲的基本概念和基本方程

2.6.2 薄板问题的有限元法

2.6.3 薄壳问题的有限元法

2.6.4 薄板、壳问题应用举例

2.7 动力问题

2.7.1 结构的动力方程

2.7.2 质量矩阵和阻尼矩阵

2.7.3 结构的自振频率和振型

2.7.4 结构的动力问题分析实例

思考题

习题

第3章 优化设计

3.1 概述

3.2 优化设计的数学模型

3.2.1 设计变量与设计空间

3.2.2 约束

3.2.3 目标函数

3.2.4 数学模型

3.3 优化设计基本方法

3.4 一维搜索方法

3.4.1 确定初始区间的方法

3.4.2 0.6 18法(黄金分割法)

3.5 无约束优化设计方法

3.5.1 Powell法

3.5.2 变尺度法

3.6 约束优化设计方法

3.6.1 复合形法

3.6.2 惩罚函数法

3.7 机械优化设计的几个问题

3.7.1 尺度变换

3.7.2 多目标问题

3.7.3 离散优化设计问题

3.7.4 机械优化设计的一般步骤

3.8 应用举例

3.8.1 连杆机构的优化设计

3.8.2 机械结构优化设计

3.9 ANSYS优化设计介绍

思考题

习题

第4章 可靠性工程

4.1 概述

4.2 可靠性工程的基础理论

4.2.1 可靠度和故障率

4.2.2 产品失效模型

4.2.3 产品的平均寿命

4.3 零件机械强度的可靠性设计

4.3.1 应力和强度的干涉模型

4.3.2 用分析法进行可靠性预计

4.3.3 可靠性工程中搜集数据的方法

4.3.4 受拉零件的静强度可靠性设计

4.3.5 梁的静强度可靠性设计

4.4 机械系统的可靠性工程

4.4.1 机械和电子系统的可靠性模型

4.4.2 机械和电子系统的可靠性预计

4.4.3 系统的可靠性分配

4.5 机械系统故障分析法

4.5.1 FTA的基本概念

4.5.2 故障树定性分析

4.5.3 故障树的定量分析

4.6 疲劳强度可靠性分析

4.6.1 疲劳曲线(S-N曲线与P-S-N曲线)

4.6.2 P-S-N曲线的制作原理和方法

4.6.3 给定寿命条件下的疲劳强度及其可靠度

4.6.4 有限寿命脉动条件下零件的疲劳寿命及其可靠度

4.7 可靠性试验

4.7.1 概述

4.7.2 指数分布寿命试验的分类和试验设计

4.7.3 一般分布、完全子样的数据处理

4.7.4 截尾寿命试验结果的统计分析——点估计

4.7.5 截尾寿命试验结果的统计分析——区间估计

思考题

习题

第5章 其他现代设计方法简介

5.1 计算机辅助设计

5.2 模块化设计

5.3 并行设计

5.4 模糊设计

5.5 创新设计

5.6 面向制造的设计

5.7 绿色设计“’

5.8 虚拟设计技术

附录

参考文献2100433B

它们是最优化设计、可靠性设计、有限元法和动态设计。该书从实用角度阐述了这些方法的基本概念、基本理论和基本方法。

学习《现代设计方法实用教程》旨在培养读者了解、熟悉、掌握现代设计方法的基本知识，为应用现代设计方法解决工程设计问题奠定基础。

陶栋材主编的《现代设计方法学》在讨论传统设计和现代设计的关系、特点，以及对多种常用现代设计方法进行概括介绍的基础上，重点介绍了优化设计、计算机辅助设计、有限元法、可靠性设计和创新设计，同时本书融入了编者多年来在现代设计方法学方面的一部分研究成果。通过对本书的学习；读者可以掌握现代设计方法学的基本思想原理、设计过程和应用。

《现代设计方法学》可作为机械类硕士生研究生和高年级本科生教材，也可供其他专业师生和从事机电产品设计的工程技术人员参考。

前言

第1章 绪论

1.1 现代设计的概念

1.1.1 设计的概念及特征

1.1.2 设计发展的基本阶段

1.1.3 现代设计与传统设计

1.2 现代设计方法的主要内容及特点

1.2.1 现代设计方法的主要内容

1.2.2 现代设计方法的特点

1.3 现代产品的特点及其开发

1.3.1 现代产品的特点

1.3.2 现代产品的开发

1.4 学习现代设计方法的意义与任务

习题

第2章 计算机辅助设计

2.1 概述

2.1.1 CAD技术的起源、发展和应用概况

2.1.2 应用CAD技术的优越性

2.1.3 CAD技术发展展望

2.2 CAD系统

2.2.1 CAD系统的硬件

2.2.2 CAD系统的软件

2.2.3 CAD系统的形式

2.2.4 CAD系统的功能

2.3 工程数据的处理方法及CAD程序编制

2.3.1 数表的分类及存取

2.3.2 线图的分类及处理

2.3.3 列表函数表的插值算法

2.3.4 数据的公式拟合方法

2.4 数据文件及其应用

2.5 数据库及其应用

2.5.1 数据库与数据库管理系统

2.5.2 汉字FOXBASE 2.1数据库管理系统在CAD中的应用

2.5.3 工程数据库

习题

第3章 计算机绘图

3.1 概述

3.2 计算机绘图基础

3.2.1 坐标系

3.2.2 窗口、视区及开窗变换

3.2.3 二维图形的剪裁

3.3 二维图形的几何变换

3.3.1 齐次坐标与变换矩阵

3.3.2 基本几何变换及矩阵表示

3.3.3 组合变换

3.4 机械工程图的绘制方法

3.4.1 基本图形的绘制

3.4.2 零件图的绘制

3.4.3 装配图的绘制

习题

第4章 优化设计

4.1 概述

4.1.1 优化设计基本概念

4.1.2 优化设计的数学模型

4.1.3 工程优化设计问题的主要类型

4.1.4 优化设计的迭代算法

4.2 工程优化设计的数学基础

4.2.1 二次型与正定矩阵

4.2.2 函数的方向导数与梯度

4.2.3 函数的泰勒近似展开式和海森矩阵

4.2.4 无约束优化问题的极值条件

4.2.5 凸函数与凸规划

4.2.6 约束优化问题的极值条件

4.3 一维优化方法

4.3.1 搜索区间的确定

4.3.2 0.618法（黄金分割法）

4.3.3 二次插值法

4.4 多维无约束优化方法

4.4.1 坐标轮换法

4.4.2 共轭方向法

4.4.3 梯度法

4.4.4 牛顿法

4.4.5 变尺度法

4.5 约束优化方法

4.5.1 复合形法

4.5.2 惩罚函数法

4.5.3 简约梯度法及广义简约梯度法

4.6 多目标问题的优化方法

4.6.1 加权组合法

4.6.2 功效系数法

4.6.3 主要目标法

4.7工程优化设计应用

4.7.1 工程优化设计的一般步骤

4.7.2 微机优化方法程序库PC－

OPB简介

4.7.3 工程优化设计实例

习题

第5章 机械可靠性设计

5.1 概述

5.1.1 研究可靠性的意义

5.1.2 可靠性的定义

5.1.3 可靠性技术的发展

5.1.4 可靠性设计的基本内容

5.2 可靠性特征量

5.2.1 可靠度特征量

5.2.2 失效特征量

5.3 可靠性常用概率分布

5.4 机械强度可靠性设计

5.4.1 强度概率计算法的基本理论

5.4.2 零件强度可靠度的计算

5.4.3 零件承载能力分布规律及分布参数的确定

5.4.4 零件工作应力分布规律及分布参数的确定

5.4.5 强度可靠性计算条件式与许用可靠度

5.5 强度可靠性设计方法及步骤

5.6 疲劳强度可靠性设计

5.6.1 等幅变应力作用下零件的疲劳寿命及可靠度

5.6.2 不稳定应力作用下零件的疲劳寿命

5.6.3 承受多级变应力作用的零件在给定寿命时的可靠度

5.7 机械系统可靠性设计

5.7.1 可靠性预测

5.7.2 可靠性分配

习题

第6章 有限元法

6.1 概述

6.2 单元分析

6.2.1 单元分析的任务和方法

6.2.2 直接刚度法

6.2.3 虚功原理法

6.2.4 能量变分法

6.3 有限元法的应用

6.3.1 有限元法的计算步骤

6.3.2 计算实例

6.3.3 其它问题

习题

第7章 机电产品造型设计

7.1 概述

7.1.1 工业造型设计的基本内容与基本要素

7.1.2 产品造型设计的原则

7.1.3 产品造型的美学内容

7.1.4 产品造型设计的程序

7.2 造型与形式法则

7.2.1 形态要素及其视觉效果

7.2.2 造型美的形式法则

7.3 人机工程学简介

7.3.1 人体结构尺寸与造型尺度

7.3.2 视觉特征与显示器设计

7.3.3 控制器的选择与设计

7.3.4 控制台板设计

7.4 产品色彩设计

7.4.1 色彩的基本知识

7.4.2 色彩的对比与调合

7.4.3 产品色彩设计

习题

第8章 设计方法学

8.1 概述

8.1.1 设计方法学及其研究内容

8.1.2 设计系统

8.2 系统化设计法

8.2.1 技术过程及技术系统

8.2.2 功能分析法

8.2.3 系统设计举例

8.3 创造性设计法

8.3.1 创造力和创造过程

8.3.2 创造性思维及其特点和类型

8.3.3 创造技法

8.4 设计中的评价与决策

8.4.1 设计中的评价

8.4.2 设计中的决策

习题

第9章 工程遗传算法

9.1 概述

9.1.1 工程遗传算法的概念

9.1.2 遗传算法的特点及应用

9.2 遗传算法的基本原理及其计算步骤

9.2.1 遗传算法的基本原理

9.2.2 遗传算法的基本操作

9.2.3 遗传算法的迭代计算步骤

9.2.4 遗传算法的实现

9.2.5 遗传算法的数学描述

9.3 遗传算法在机械工程设计中的应用实例

习题

第10章 现代设计方法的综合应用

10.1 机械可靠性优化设计在机械设计中的应用

10.1.1 可靠性优化设计模型的创建方法

10.1.2 机械可靠性优化设计举例

10.2 面向对象软件设计方法及其在机械CAD系统开发中的应用

10.2.1 面向对象软件设计方法的基本原理与特点

10.2.2 面向对象软件设计方法在机械CAD系统开发中的应用

10.3 参数化绘图方法及其在机械CAD中的应用

10.4 三次设计法及其在工程设计中的应用

10.4.1 三次设计法原理

10.4.2 三次设计法在工程设计中的应用

习题

参考文献

附录1

附录2

附录3 2100433B