現(xiàn)代設(shè)計方法實用教程

內(nèi)容概要

書介紹了工程設(shè)計中已獲得廣泛應(yīng)用且較為成熟的4種常用現(xiàn)代設(shè)計方法。它們是最優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、有限元法和動態(tài)設(shè)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(xué)習(xí)本書旨在培養(yǎng)讀者了解、熟悉、掌握現(xiàn)代設(shè)計方法的基本知識，為應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計方法解決工程設(shè)計問題奠定基礎(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
　2.1 概述
　2.2 最優(yōu)化設(shè)計的數(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(shè)計應(yīng)注意的若干問題
　　2.7.1 優(yōu)化設(shè)計問題的建模
　　2.7.2 優(yōu)化計算結(jié)果的分析及處理
　　2.7.3 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的計算機求解
　2.8 小結(jié)
　習(xí)題
第3章 可靠性設(shè)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(shè)計的常用指標
　　3.1.3 可靠性設(shè)計常用的分布函數(shù)
　3.2 可靠性設(shè)計原理
　　3.2.1 應(yīng)力-強度干涉模型
　　3.2.2 應(yīng)力和強度均服從正態(tài)分布時的可靠度計算
　　3.2.3 應(yīng)力和強度均服從對數(shù)正態(tài)分布時的可靠度計算
　　3.2.4 應(yīng)力和強度均服從指數(shù)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(shù)漂移的可靠性分析
　3.3 零部件的可靠性設(shè)計
　　3.3.1 零部件靜強度的可靠性設(shè)計
　　3.3.2 零部件疲勞強度的可靠性設(shè)計
　3.4 系統(tǒng)的可靠性設(shè)計
　　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
　5.1 概述
　5.2 有限元建模法
　　5.2.1 平面連桿機構(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 試驗建模法
　　5.4.1 機械阻抗與頻率響應(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

章節(jié)摘錄

　　第1章 緒論　　1.1 現(xiàn)代設(shè)計方法概述　　現(xiàn)代設(shè)計方法是以研究產(chǎn)品設(shè)計為對象的科學(xué)。它以電子計算機為工具，運用工程設(shè)計的新理論和新方法，使計算結(jié)果達到精確化和最優(yōu)化，使設(shè)計過程實現(xiàn)高效化和自動化。現(xiàn)代設(shè)計方法是傳統(tǒng)設(shè)計方法的延伸和發(fā)展，是人們把相關(guān)科學(xué)技術(shù)綜合應(yīng)用于設(shè)計領(lǐng)域的產(chǎn)物，它使傳統(tǒng)設(shè)計方法發(fā)生了質(zhì)的變化?，F(xiàn)代設(shè)計方法與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，主要完成了以下幾個方面的轉(zhuǎn)變：　?。?）產(chǎn)品設(shè)計目標的最優(yōu)化；　?。?）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析的定量精確化；　　（3）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)計過程的高效化和自動化?！　≡诶脗鹘y(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計產(chǎn)品時，通常是根據(jù)設(shè)計目標，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)驗類比或簡單試驗確定設(shè)計方案，然后根據(jù)初始設(shè)計的設(shè)計參數(shù)對零部件各項性能指標要求進行計算，校核各項性能參數(shù)是否滿足要求，如果不完全滿足，則憑借設(shè)計者的經(jīng)驗或主觀判斷對有關(guān)參數(shù)進行修改和計算，直到滿足要求為止，從而獲得可行的設(shè)計方案。而現(xiàn)代設(shè)計方法中的優(yōu)化設(shè)計方法是先根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計目標和性能要求構(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(shù)經(jīng)濟效果的最優(yōu)設(shè)計方案。　　在產(chǎn)品的質(zhì)量分析中，雖然傳統(tǒng)設(shè)計方法能用安全系數(shù)法做出零部件不發(fā)生破壞（失效）的計算，但是當零部件的幾何尺寸、工作應(yīng)力、強度等參數(shù)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(shù)大于1也可能發(fā)生失效。因此，傳統(tǒng)設(shè)計方法的安全系數(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)計方法中的可靠性設(shè)計法，根據(jù)實際情況，把零部件或整機的各種性能參數(shù)（具有離散性的參數(shù)）均視為隨機變量，應(yīng)用概率論建造數(shù)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(yù)測。　　在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析中，傳統(tǒng)設(shè)計方法雖然能對結(jié)構(gòu)簡單的零部件，利用材料力學(xué)和彈性力學(xué)的計算公式做出近似的計算，但是對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件或整機卻只能進行定性或類比的估算。而現(xiàn)代設(shè)計方法在傳統(tǒng)設(shè)計方法的基礎(chǔ)上引入了有限元方法，依靠計算機不但能對結(jié)構(gòu)簡單的零部件做出更為精確的計算，而且也能對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件或整機進行較為精確的計算。

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