現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)用教程

內(nèi)容概要

書介紹了工程設(shè)計(jì)中已獲得廣泛應(yīng)用且較為成熟的4種常用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。它們是最優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、有限元法和動態(tài)設(shè)計(jì)。該書從實(shí)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(xué)習(xí)本書旨在培養(yǎng)讀者了解、熟悉、掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的基本知識，為應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法解決工程設(shè)計(jì)問題奠定基礎(chǔ)。
本書可作為高等工科院校本科生的教材，也可作為工程設(shè)計(jì)人員的學(xué)習(xí)參考書。

書籍目錄

第1章 緒論
　1.1 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法概述
　1.2 本教材研究的主要內(nèi)容
　1.3 本教程的目的及先修課程
第2章 最優(yōu)化設(shè)計(jì)
　2.1 概述
　2.2 最優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型
　　2.2.1 最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的一般形式
　　2.2.2 最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的3個基本要素
　　2.2.3 求解最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的下降數(shù)值迭代法
　2.3 最優(yōu)化方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)
　　2.3.1 多維函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)與梯度
　　2.3.2 多維函數(shù)的泰勒展開式
　　2.3.3 多維函數(shù)的極小點(diǎn)存在條件
　　2.3.4 局部極小點(diǎn)與全域極小點(diǎn)
　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(jìn)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(biāo)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(shè)計(jì)應(yīng)注意的若干問題
　　2.7.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的建模
　　2.7.2 優(yōu)化計(jì)算結(jié)果的分析及處理
　　2.7.3 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的計(jì)算機(jī)求解
　2.8 小結(jié)
　習(xí)題
第3章 可靠性設(shè)計(jì)
　3.1 概述
　　3.1.1 可靠性的基本概念及特點(diǎn)
　　3.1.2 可靠性設(shè)計(jì)的常用指標(biāo)
　　3.1.3 可靠性設(shè)計(jì)常用的分布函數(shù)
　3.2 可靠性設(shè)計(jì)原理
　　3.2.1 應(yīng)力-強(qiáng)度干涉模型
　　3.2.2 應(yīng)力和強(qiáng)度均服從正態(tài)分布時的可靠度計(jì)算
　　3.2.3 應(yīng)力和強(qiáng)度均服從對數(shù)正態(tài)分布時的可靠度計(jì)算
　　3.2.4 應(yīng)力和強(qiáng)度均服從指數(shù)分布時的可靠度計(jì)算
　　3.2.5 蒙特卡羅法簡介
　　3.2.6 零部件參數(shù)漂移的可靠性分析
　3.3 零部件的可靠性設(shè)計(jì)
　　3.3.1 零部件靜強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì)
　　3.3.2 零部件疲勞強(qiáng)度的可靠性設(shè)計(jì)
　3.4 系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)
　　3.4.1 系統(tǒng)的可靠性預(yù)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(shè)計(jì)中的應(yīng)用
　3.5 小結(jié)
　習(xí)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(xué)平面問題的有限元法
　　4.3.1 彈性力學(xué)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(xué)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(shù)單元的剛度矩陣
　4.5 小結(jié)
　習(xí)題
第5章 動態(tài)設(shè)計(jì)
　5.1 概述
　5.2 有限元建模法
　　5.2.1 平面連桿機(jī)構(gòu)的彈性動力分析
　　5.2.2 彈性力學(xué)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(zhuǎn)振動分析
　　5.3.2 軸系橫向振動分析
　5.4 試驗(yàn)建模法
　　5.4.1 機(jī)械阻抗與頻率響應(yīng)函數(shù)
　　5.4.2 振動系統(tǒng)頻率響應(yīng)的圖示法
　　5.4.3 傳遞函數(shù)測量的模態(tài)分析
　　5.4.4 不同激勵方式的選擇
　　5.4.5 實(shí)模態(tài)和復(fù)模態(tài)的參數(shù)識別
　5.5 小結(jié)
　習(xí)題
附錄A
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章 緒論　　1.1 現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法概述　　現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是以研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)為對象的科學(xué)。它以電子計(jì)算機(jī)為工具，運(yùn)用工程設(shè)計(jì)的新理論和新方法，使計(jì)算結(jié)果達(dá)到精確化和最優(yōu)化，使設(shè)計(jì)過程實(shí)現(xiàn)高效化和自動化。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的延伸和發(fā)展，是人們把相關(guān)科學(xué)技術(shù)綜合應(yīng)用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域的產(chǎn)物，它使傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法發(fā)生了質(zhì)的變化。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，主要完成了以下幾個方面的轉(zhuǎn)變：　?。?）產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)的最優(yōu)化；　?。?）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析的定量精確化；　?。?）產(chǎn)品質(zhì)量分析的可靠性化；　?。?）產(chǎn)品工況分析的動態(tài)化；　?。?）產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的高效化和自動化?！　≡诶脗鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)產(chǎn)品時，通常是根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，在調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，參照同類或近類產(chǎn)品，通過估算、經(jīng)驗(yàn)類比或簡單試驗(yàn)確定設(shè)計(jì)方案，然后根據(jù)初始設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)參數(shù)對零部件各項(xiàng)性能指標(biāo)要求進(jìn)行計(jì)算，校核各項(xiàng)性能參數(shù)是否滿足要求，如果不完全滿足，則憑借設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)或主觀判斷對有關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改和計(jì)算，直到滿足要求為止，從而獲得可行的設(shè)計(jì)方案。而現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是先根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)和性能要求構(gòu)造數(shù)學(xué)模型，然后應(yīng)用數(shù)學(xué)規(guī)劃理論和數(shù)值計(jì)算方法，借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行求解計(jì)算，從而獲得具有最優(yōu)化技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案?！　≡诋a(chǎn)品的質(zhì)量分析中，雖然傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法能用安全系數(shù)法做出零部件不發(fā)生破壞（失效）的計(jì)算，但是當(dāng)零部件的幾何尺寸、工作應(yīng)力、強(qiáng)度等參數(shù)具有較大的離散性時，因?yàn)檫@種方法未考慮零部件的失效概率，所以即使安全系數(shù)大于1也可能發(fā)生失效。因此，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的安全系數(shù)法不能定量給出產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性預(yù)測。而現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的可靠性設(shè)計(jì)法，根據(jù)實(shí)際情況，把零部件或整機(jī)的各種性能參數(shù)（具有離散性的參數(shù)）均視為隨機(jī)變量，應(yīng)用概率論建造數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型并進(jìn)行分析計(jì)算，這樣即可定量做出零部件或整機(jī)的可靠性預(yù)測?！　≡诋a(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析中，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法雖然能對結(jié)構(gòu)簡單的零部件，利用材料力學(xué)和彈性力學(xué)的計(jì)算公式做出近似的計(jì)算，但是對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件或整機(jī)卻只能進(jìn)行定性或類比的估算。而現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上引入了有限元方法，依靠計(jì)算機(jī)不但能對結(jié)構(gòu)簡單的零部件做出更為精確的計(jì)算，而且也能對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件或整機(jī)進(jìn)行較為精確的計(jì)算。

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