現代設計方法實用教程

內容概要

書介紹了工程設計中已獲得廣泛應用且較為成熟的4種常用現代設計方法。它們是最優(yōu)化設計、可靠性設計、有限元法和動態(tài)設計。該書從實用角度闡述了這些方法的基本概念、基本理論和基本方法。
　　學習本書旨在培養(yǎng)讀者了解、熟悉、掌握現代設計方法的基本知識，為應用現代設計方法解決工程設計問題奠定基礎。
本書可作為高等工科院校本科生的教材，也可作為工程設計人員的學習參考書。

書籍目錄

第1章 緒論
　1.1 現代設計方法概述
　1.2 本教材研究的主要內容
　1.3 本教程的目的及先修課程
第2章 最優(yōu)化設計
　2.1 概述
　2.2 最優(yōu)化設計的數學模型
　　2.2.1 最優(yōu)化數學模型的一般形式
　　2.2.2 最優(yōu)化數學模型的3個基本要素
　　2.2.3 求解最優(yōu)化數學模型的下降數值迭代法
　2.3 最優(yōu)化方法的數學基礎
　　2.3.1 多維函數的偏導數與梯度
　　2.3.2 多維函數的泰勒展開式
　　2.3.3 多維函數的極小點存在條件
　　2.3.4 局部極小點與全域極小點
　2.4 一維搜索方法
　　2.4.1 概述
　　2.4.2 確定初始區(qū)間的進退法
　　2.4.3 黃金分割法
　　2.4.4 二次插值法
　2.5 無約束最優(yōu)化方法
　　2.5.1 概述
　　2.5.2 坐標輪換法
　　2.5.3 鮑威爾的共軛方向法
　　2.5.4 梯度法
　　2.5.5 牛頓法
　　2.5.6 變尺度法
　2.6 約束最優(yōu)化方法
　　2.6.1 概述
　　2.6.2 直接法
　　2.6.3 間接法
　2.7 最優(yōu)化設計應注意的若干問題
　　2.7.1 優(yōu)化設計問題的建模
　　2.7.2 優(yōu)化計算結果的分析及處理
　　2.7.3 優(yōu)化數學模型的計算機求解
　2.8 小結
　習題
第3章 可靠性設計
　3.1 概述
　　3.1.1 可靠性的基本概念及特點
　　3.1.2 可靠性設計的常用指標
　　3.1.3 可靠性設計常用的分布函數
　3.2 可靠性設計原理
　　3.2.1 應力-強度干涉模型
　　3.2.2 應力和強度均服從正態(tài)分布時的可靠度計算
　　3.2.3 應力和強度均服從對數正態(tài)分布時的可靠度計算
　　3.2.4 應力和強度均服從指數分布時的可靠度計算
　　3.2.5 蒙特卡羅法簡介
　　3.2.6 零部件參數漂移的可靠性分析
　3.3 零部件的可靠性設計
　　3.3.1 零部件靜強度的可靠性設計
　　3.3.2 零部件疲勞強度的可靠性設計
　3.4 系統(tǒng)的可靠性設計
　　3.4.1 系統(tǒng)的可靠性預測
　　3.4.2 系統(tǒng)的可靠性分配
　　3.4.3 故障樹分析法在系統(tǒng)設計中的應用
　3.5 小結
　習題
第4章 有限元法
　4.1 概述
　　4.1.1 有限元的基本思想
　　4.1.2 有限元法在工程中的應用
　　4.1.3 有限元法求解問題的基本步驟
　4.2 平面剛架的有限元法
　　4.2.1 結構的離散化
　　4.2.2 單元剛度矩陣的建立
　　4.2.3 求總體剛度矩陣
　　4.2.4 位移的求解
　4.3 彈性力學平面問題的有限元法
　　4.3.1 彈性力學的基本方程
　　4.3.2 單元剛度矩陣的建立
　　4.3.3 總體剛度矩陣的集成
　　4.3.4 總體剛度方程的求解
　　4.3.5 彈性力學平面問題有限元分析需要注意的問題
　4.4 其他常用單元的剛度矩陣
　　4.4.1 三棱圓環(huán)單元的剛度矩陣
　　4.4.2 等參數單元的剛度矩陣
　4.5 小結
　習題
第5章 動態(tài)設計
　5.1 概述
　5.2 有限元建模法
　　5.2.1 平面連桿機構的彈性動力分析
　　5.2.2 彈性力學平面問題的動力分析
　5.3 傳遞矩陣建模法
　　5.3.1 軸系扭轉振動分析
　　5.3.2 軸系橫向振動分析
　5.4 試驗建模法
　　5.4.1 機械阻抗與頻率響應函數
　　5.4.2 振動系統(tǒng)頻率響應的圖示法
　　5.4.3 傳遞函數測量的模態(tài)分析
　　5.4.4 不同激勵方式的選擇
　　5.4.5 實模態(tài)和復模態(tài)的參數識別
　5.5 小結
　習題
附錄A
參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第1章 緒論　　1.1 現代設計方法概述　　現代設計方法是以研究產品設計為對象的科學。它以電子計算機為工具，運用工程設計的新理論和新方法，使計算結果達到精確化和最優(yōu)化，使設計過程實現高效化和自動化。現代設計方法是傳統(tǒng)設計方法的延伸和發(fā)展，是人們把相關科學技術綜合應用于設計領域的產物，它使傳統(tǒng)設計方法發(fā)生了質的變化。現代設計方法與傳統(tǒng)設計方法相比，主要完成了以下幾個方面的轉變：　?。?）產品設計目標的最優(yōu)化；　?。?）產品結構分析的定量精確化；　　（3）產品質量分析的可靠性化；　?。?）產品工況分析的動態(tài)化；　?。?）產品設計過程的高效化和自動化?！　≡诶脗鹘y(tǒng)設計方法設計產品時，通常是根據設計目標，在調查分析的基礎上，參照同類或近類產品，通過估算、經驗類比或簡單試驗確定設計方案，然后根據初始設計的設計參數對零部件各項性能指標要求進行計算，校核各項性能參數是否滿足要求，如果不完全滿足，則憑借設計者的經驗或主觀判斷對有關參數進行修改和計算，直到滿足要求為止，從而獲得可行的設計方案。而現代設計方法中的優(yōu)化設計方法是先根據產品的設計目標和性能要求構造數學模型，然后應用數學規(guī)劃理論和數值計算方法，借助計算機進行求解計算，從而獲得具有最優(yōu)化技術經濟效果的最優(yōu)設計方案。　　在產品的質量分析中，雖然傳統(tǒng)設計方法能用安全系數法做出零部件不發(fā)生破壞（失效）的計算，但是當零部件的幾何尺寸、工作應力、強度等參數具有較大的離散性時，因為這種方法未考慮零部件的失效概率，所以即使安全系數大于1也可能發(fā)生失效。因此，傳統(tǒng)設計方法的安全系數法不能定量給出產品質量的可靠性預測。而現代設計方法中的可靠性設計法，根據實際情況，把零部件或整機的各種性能參數（具有離散性的參數）均視為隨機變量，應用概率論建造數理統(tǒng)計模型并進行分析計算，這樣即可定量做出零部件或整機的可靠性預測?！　≡诋a品的結構分析中，傳統(tǒng)設計方法雖然能對結構簡單的零部件，利用材料力學和彈性力學的計算公式做出近似的計算，但是對復雜結構的零部件或整機卻只能進行定性或類比的估算。而現代設計方法在傳統(tǒng)設計方法的基礎上引入了有限元方法，依靠計算機不但能對結構簡單的零部件做出更為精確的計算，而且也能對結構復雜的零部件或整機進行較為精確的計算。

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