现代设计方法及其应用

第1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

习题

第2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理论与计算机辅助创新

2.8 设计中的评价与决策

习题

第3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 多维约束优化方法

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

习题

第4章 机械可靠性设计

4.1 概述

4.2 可靠性的定义及度量指标

4.3 可靠性工程中常用概率分布

4.4 可靠性设计原理

4.5 机械强度可靠度计算

4.6 系统的可靠性设计

4.7 故障树分析

习题

第5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

习题

附表

附表1 标准正态分布表

附表2 TRIZ冲突解决原理矩阵

参考文献

文章节选：

第2章 设计方法学

2.1 概述

方法是人类思维的宝贵财富,是探索科学真理的钥匙。认识事物、解决问题都需要正确的方法。培根说过:“没有一个正确的方法,犹如在黑暗中摸索行走。”巴甫洛夫也曾指出:“好的方法将为人们开展更广阔的图景,使人们认识更深层次的规律,从而更有效地改造世界。”设计方法学(Design Methodology)是一门新兴学科,是现代设计方法的重要组成部分。

工业产品设计是一种创造性活动,设计的结果直接影响产品性能质量、成本和企业经济效益。由于在产品开发和提高产品设计水平的工作中,科学的设计方法起着重要的作用,因此加强对产品设计方法学的研究有着十分重要的意义。

从20世纪60年代以来,在工业发达国家中对设计方法学的研究有着迅速的发展。一些国家已形成了各自的研究体系和风格。比较有代表性的如:德国的学者和工程技术人员比较着重研究设计的进程、步骤和规律,进行系统化的逻辑分析,并将成熟的设计模式、解法等编成规范和资料供设计人员参考;英美学派偏重分析创造性开发和计算机在设计中的应用;日本学者则充分利用国内电子技术和计算机的优势,在创造工程学、质量工程、价值工程方面做了不少工作。自1946年开始,前苏联进行发明创造方法学的研究——TRIZ(heory of Invention Problem Solving),以G.S.Altshuler为首的研究机构分析了世界近250万件高水平发明专利,并综合多学科领域的原理和法则后,建立了TRIZ理论体系。运用这一理论,可大大加快人们创造发明的进程而且能得到高质量的创新产品。

各国研究的设计方法在内容上各有侧重,但共同的特点都是总结设计规律,启发创造性,采用现代化的先进理论和方法使设计过程自动化、合理化,其目的是为了提高设计水平和质量,设计出更多功能全、性能好、成本低、外形美的产品,以满足社会的需求和适应日趋尖锐的市场竞争。

我国在20世纪80年代不断吸收引进国外研究成果,开展了设计方法学的理论和应用研究,并取得了一系列成果。

各国在设计方法研究过程中共同推进和发展了“设计方法学”这门学科,从而使它成为现代设计方法的一个重要组成部分。设计方法学是以系统的观点来研究产品的设计程序、设计规律和设计中的思维与工作方法的一门综合性学科。它所研究的内容包括如下部分。

1)设计对象设计对象是一个能实现一定技术过程的技术系统。能满足一定需要的技术过程不是唯一的,能实现某个具有一定技术过程的技术系统也不是唯一的。影响技术过程和技术系统的因素很多,全面系统地考虑、研究确定的最优技术系统即为设计对象。

……

本书是关于介绍“现代设计方法及其应用”的教学用书,书中重点介绍应用广泛、实用性强的设计方法。具体内容包括设计方法学,机械最优化设计,可靠性设计和有限元方法。 本书可作为机械工程及相关专业本科生的教材,亦可作为工程技术人员继续教育的培训教材。2100433B

本书在对现代设计的概念、特点、技术体系以及多种现代设计方法进行概括介绍的基础上,精选内容,重点介绍应用广泛、实用性强的设计方法。具体内容包括设计方法学,机械最优化设计,可靠性设计和有限元方法。本书将现代设计的基本理论、现代设计的工具软件及典型工程应用实例相结合,以加深读者对所述现代设计方法的理解、掌握和实际应用。

本书可作为机械工程及相关专业本科生的教材,亦可作为工程技术人员继续教育的培训教材,还可供从事机电产品设计的工程技术人员和科技管理干部参考。

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

绪论

01.1 设计的基本概念

01.2 现代设计方法的分类及主要现代设计方法简介

01.3 学习现代设计方法的意义与任务

思考与练习

第1章 现代设计方法学

1.1 设计方法学概述

1.2 产品设计过程与设计原则

1.3 技术系统及其确定

1.4 方案的系统化设计

1.5 设计中的评价决策

思考与练习

第2章 计算机辅助设计（CAD）

2.1 CAD概述

2.2 CAD系统

2.3 CAD系统的图形处理

2.4 工程数据的处理

2.5 数据库系统及其应用

思考与练习

第3章 优化设计

3.1 优化设计概述

3.2 优化设计的数学分析基础

3.3 一维探索优化方法

3.4 无约束多维问题的优化方法

3.5 约束问题的优化方法

3.6 多目标函数的优化方法

3.7 LINGO在优化设计中的应用

思考与练习

第4章 有限元法

4.1 有限元法概述

4.2 有限元法的基本步骤

4.3 二维线弹性问题

4.4 有限元程序的应用

4.5 ANSYS有限元软件的应用

思考与练习

第5章 机械可靠性设计

5.1 可靠性设计的基本理论和概念

5.2 可靠性工程中常用概率分布

5.3 可靠性设计原理

5.4 机械强度可靠性设计

5.5 系统的可靠性设计

思考与练习

第6章 现代设计方法前沿

6.1 创新设计技术

6.2 快速响应设计技术

6.3 绿色产品设计技术

6.4 并行设计技术

6.5 虚拟设计

6.6 协同没计

思考与练习

附录A 标准正态分布表

参考文献 2100433B

本书是根据目前高等学校教学改革的实际需要，参照高等学校相关课程教学的基本要求，并结合课题组相关教学、科研成果编写而成的。 本书共7章：第1章为绪论，对现代设计方法与系统进行了概述；第2章介绍并行设计中的相关模型、关键技术与方法等；第3章介绍TRIZ中的基础知识、基本工具等；第4章介绍公理化设计的相关模型、设计定理等；第5章介绍可拓设计中的相关模型、可拓变换、推理方法等；第6章介绍遗传算法的基本原理与应用等；第7章介绍其他现代智能设计方法。为了便于学习，章后给出了工程案例分析。 本书可作为高等学校理工科类研究生或本科生的选修教材，也可供相关专业的工程技术人员、管理人员参考。