現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)

前言

　　20世紀(jì)中后期以來(lái)，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的推動(dòng)下，新的設(shè)計(jì)理念不斷涌現(xiàn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，設(shè)計(jì)方法發(fā)生了革命性的變化。其中應(yīng)用最廣的有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等技術(shù)是從20世紀(jì)50年代開始發(fā)展起來(lái)的。20世紀(jì)70年代末到80年代初，這些方法逐漸在我國(guó)推廣。目前，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的工程應(yīng)用已經(jīng)在世界范圍內(nèi)產(chǎn)生了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法也已經(jīng)發(fā)展到幾十種之多。由于這些方法的先進(jìn)性，很快得到了我國(guó)研究人員和工程技術(shù)人員的重視和科技教育部門的關(guān)注。隨著在設(shè)計(jì)和制造單位的推廣和應(yīng)用，這些方法已成為設(shè)計(jì)人員必不可少的設(shè)計(jì)技術(shù)手段。對(duì)高等院校機(jī)械工程專業(yè)教學(xué)也產(chǎn)生了重大影響，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法課程應(yīng)運(yùn)而生。20世紀(jì)80年代初期，有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性課程首先在我國(guó)高校的研究生教學(xué)中開設(shè)，隨后，各個(gè)高校紛紛在本科生中開設(shè)這些課程?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法包括了所有新出現(xiàn)的設(shè)計(jì)方法和分析方法，除了較早的有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、模糊設(shè)計(jì)外，像穩(wěn)健設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、并行工程、智能CAD、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用、工程遺傳算法、智能工程、價(jià)值工程、工業(yè)藝術(shù)造型設(shè)計(jì)、人機(jī)工程模塊化設(shè)計(jì)、相似性設(shè)計(jì)、反求工程設(shè)計(jì)、建模與仿真技術(shù)、面向X的設(shè)計(jì)等都屬于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法范疇。但是如何統(tǒng)一稱呼這些方法呢?北京建筑工程學(xué)院的教師在全國(guó)首先推出了“現(xiàn)代設(shè)計(jì)法”的提法，并從20世紀(jì)80年代開始在機(jī)械本科生中分別開設(shè)有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性課程，至今已開設(shè)了20余屆，取得了很好的效果和經(jīng)驗(yàn)。在大部分高等院校，逐漸約定俗成地將這些方法統(tǒng)稱為“現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”，并紛紛開設(shè)了該課程?？梢哉f(shuō)，“現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”這個(gè)名稱已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可。至于開設(shè)的課程中，包含了多少種方法，則各取所需。但不管怎樣，有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性這“老三樣”是必不可少的。而計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)則往往單獨(dú)開設(shè)為一門課程。目前，市場(chǎng)上介紹現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的同類教材中，適用于應(yīng)用型大學(xué)本科生及研究生的較少。特別是對(duì)以工程機(jī)械等行業(yè)為特色的大學(xué)來(lái)說(shuō)，適合培養(yǎng)對(duì)象的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的教材為數(shù)更少。另外在我國(guó)的機(jī)械工程行業(yè)，有為數(shù)不少的工程技術(shù)人員對(duì)采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)還比較陌生。對(duì)于他們來(lái)說(shuō)，并不需要了解過(guò)多的理論知識(shí)，而應(yīng)主要側(cè)重基本原理的了解，方法和實(shí)際應(yīng)用步驟的掌握。我國(guó)在各個(gè)領(lǐng)域開展了大規(guī)模的基本建設(shè)，工程機(jī)械得到了大力的發(fā)展，急需能夠采用先進(jìn)技術(shù)開展工程機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造和使用的工程技術(shù)人員。因此，編寫一本適合應(yīng)用型大學(xué)、特別針對(duì)以工程機(jī)械為設(shè)計(jì)分析對(duì)象的本科生和研究生的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的教材，同時(shí)也可作為這些行業(yè)的工程技術(shù)人員的參考書是非常必要的。本書是編著者依據(jù)長(zhǎng)期教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，并參考了一些書籍編寫而成的。本書的主要特色是緊密結(jié)合機(jī)械工程實(shí)際，結(jié)合應(yīng)用型大學(xué)人才的培養(yǎng)定位，使學(xué)生或不熟悉現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的讀者，以最短的時(shí)間掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的基本原理、實(shí)際運(yùn)用步驟和方法。書中還結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法應(yīng)用，介紹了目前最為流行的結(jié)構(gòu)分析軟件的使用。書中除了介紹現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)知識(shí)外，還選編了一部分提高內(nèi)容，因此在教學(xué)使用中，可根據(jù)本科生、研究生以及專業(yè)的不同要求對(duì)書中內(nèi)容進(jìn)行取舍。　　本書可作為高等院校機(jī)械類專業(yè)本科生及研究生的教材，也可供有關(guān)工程技術(shù)人員閱讀與參考。　　本書的第1、3、5章由孟憲頤編寫，第2章由高振莉編寫，第4章由劉永峰編寫。全書由孟憲頤主編、統(tǒng)稿。全書由王長(zhǎng)松教授主審。為了配合學(xué)生的雙語(yǔ)教學(xué)，作為學(xué)生的輔助學(xué)習(xí)材料和內(nèi)容的補(bǔ)充，特別參考了張維剛、鐘志華教授編的《AdvancedDesignMethods》一書，在此對(duì)兩位教授表示感謝，同時(shí)對(duì)本書參考的其他資料的作者也在此一并致謝。由于作者水平有限，書中難免有一些不夠周全，甚至錯(cuò)誤的地方，希望同行專家和廣大讀者指正。

內(nèi)容概要

　本書主要介紹常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的基本原理，特別是有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性的基礎(chǔ)知識(shí)和求解機(jī)械工程問(wèn)題的步驟?！　〉?章簡(jiǎn)要介紹了現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生和發(fā)展的背景及其特點(diǎn)；第2章介紹了有限元方法的基本原理，特別是結(jié)合工程機(jī)械，著重介紹了平面問(wèn)題、桿件結(jié)構(gòu)、板殼問(wèn)題、空間問(wèn)題以及動(dòng)態(tài)問(wèn)題的求解原理，并分別結(jié)合目前流行的結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS給出一些求解實(shí)例；第3章介紹了優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本概念和原理，以及幾種常用的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的原理和求解步驟，對(duì)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)中的一些常見問(wèn)題的處理也作了簡(jiǎn)要介紹，舉例說(shuō)明了機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)兩大類型的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立過(guò)程；第4章介紹了可靠性工程的基礎(chǔ)知識(shí)、機(jī)械零件的可靠性設(shè)計(jì)、系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)、疲勞強(qiáng)度的可靠性分析及可靠性試驗(yàn)的原理和方法；第5章簡(jiǎn)要介紹了其他一些常用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。　　本書可作為高等學(xué)校機(jī)械類專業(yè)本科生及研究生的教材，也可供有關(guān)工程技術(shù)人員閱讀與參考。

書籍目錄

前言第1章　緒論　1.1　概述　1.2　現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)　1.3　本書內(nèi)容第2章　有限元法基礎(chǔ)　2.1　有限元法簡(jiǎn)介　　2.1.1　有限元法的產(chǎn)生及基本思想　　2.1.2　有限元法的分析過(guò)程　　2.1.3　有限元法在工程中的應(yīng)用　2.2　彈性力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)　　2.2.1　彈性力學(xué)平面問(wèn)題　　2.2.2　彈性力學(xué)基本方程　2.3　彈性平面問(wèn)題的有限元法　　2.3.1　結(jié)構(gòu)離散及單元?jiǎng)澐帧　?.3.2　三角形單元分析　　2.3.3　整體分析　　2.3.4　有限元分析應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題　　2.3.5　平面問(wèn)題應(yīng)用實(shí)例　2.4　二維梁?jiǎn)卧　?.4.1　平面梁?jiǎn)卧膭偠染仃嚒　?.4.2　整體坐標(biāo)的單元?jiǎng)偠染仃嚒　?.4.3　非節(jié)點(diǎn)載荷的移置　　2.4.4　框架問(wèn)題應(yīng)用實(shí)例　2.5　空間問(wèn)題　　2.5.1　4節(jié)點(diǎn)四面體單元的剛度矩陣　　2.5.2　單元的等效節(jié)點(diǎn)載荷　　2.5.3　空間問(wèn)題應(yīng)用實(shí)例　2.6　薄板、殼問(wèn)題　　2.6.1　薄板彎曲的基本概念和基本方程　　2.6.2　薄板問(wèn)題的有限元法　　2.6.3　薄殼問(wèn)題的有限元法　　2.6.4　薄板、殼問(wèn)題應(yīng)用舉例　2.7　動(dòng)力問(wèn)題　　2.7.1　結(jié)構(gòu)的動(dòng)力方程　　2.7.2　質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣　　2.7.3　結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型　　2.7.4　結(jié)構(gòu)的動(dòng)力問(wèn)題分析實(shí)例　思考題　習(xí)題第3章　優(yōu)化設(shè)計(jì)　3.1　概述　3.2　優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型　　3.2.1　設(shè)計(jì)變量與設(shè)計(jì)空間　　3.2.2　約束　　3.2.3　目標(biāo)函數(shù)　　3.2.4　數(shù)學(xué)模型　3.3　優(yōu)化設(shè)計(jì)基本方法　3.4　一維搜索方法　　3.4.1　確定初始區(qū)間的方法　　3.4.2　0.618法（黃金分割法）　3.5　無(wú)約束優(yōu)化設(shè)計(jì)方法　　3.5.1　Powell法　　3.5.2　變尺度法　3.6　約束優(yōu)化設(shè)計(jì)方法　　3.6.1　復(fù)合形法　　3.6.2　懲罰函數(shù)法　3.7　機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的幾個(gè)問(wèn)題　　3.7.1　尺度變換　　3.7.2　多目標(biāo)問(wèn)題　　3.7.3　離散優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題　　3.7.4　機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般步驟　3.8　應(yīng)用舉例　　3.8.1　連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)　　3.8.2　機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)　3.9　ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)介紹　思考題　習(xí)題第4章　可靠性工程第5章　其他現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介附錄參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章　緒論　　1.1　概述　　在當(dāng)今世界，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，新的領(lǐng)域不斷被開辟；新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展。同時(shí)，也使企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，而且這種競(jìng)爭(zhēng)已成為世界范圍內(nèi)技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)實(shí)力的全面競(jìng)爭(zhēng)，這種競(jìng)爭(zhēng)必然促進(jìn)生產(chǎn)力的提高，促進(jìn)設(shè)計(jì)方法和手段的改進(jìn)?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法就是在這樣的社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)下發(fā)展起來(lái)的?！　?0世紀(jì)50年代開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和新的設(shè)計(jì)思想及理念的出現(xiàn)，一些先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法得到了發(fā)展，并首先在發(fā)達(dá)國(guó)家得到了推廣和應(yīng)用，20世紀(jì)70年代后期，隨著我國(guó)的改革開放，這些方法也逐漸被我國(guó)的學(xué)術(shù)界和工程界所重視。最早得到重視和應(yīng)用的是有限元法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性、CAD等技術(shù)，這些方法在工程設(shè)計(jì)的各個(gè)方面都有應(yīng)用?？梢哉f(shuō)，20世紀(jì)以來(lái)是設(shè)計(jì)方法發(fā)生巨大變革的時(shí)期，新的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)或?qū)?duì)工程　　設(shè)計(jì)領(lǐng)域產(chǎn)生非常重大和深遠(yuǎn)的影響?！　≡O(shè)計(jì)隨著時(shí)代的變化而發(fā)展，通常用“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)”與“現(xiàn)代設(shè)計(jì)”來(lái)分別指過(guò)去和當(dāng)前的設(shè)計(jì)方法。那么，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有什么區(qū)別呢？傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是一種經(jīng)歷了直覺設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、半經(jīng)驗(yàn)半理論設(shè)計(jì)3個(gè)階段并于20世紀(jì)50年代后期形成的，至今仍被廣泛采用的設(shè)計(jì)方法，也稱之為經(jīng)典的設(shè)計(jì)方法．傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法基本上是憑借直接或間接的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)類比法來(lái)確定方案，然后以機(jī)械零件的強(qiáng)度和剛度理論對(duì)確定的形狀和尺寸進(jìn)行必要的計(jì)算和驗(yàn)算，以滿足限定的約束條件的。

編輯推薦

　　本書可作為高等學(xué)校機(jī)械類專業(yè)本科生及研究生的教材，也可供有關(guān)工程技術(shù)人員閱讀與參考。

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