材料科學(xué)與工程中的計算機應(yīng)用復(fù)習(xí)題答案

1、謝謝觀賞材料科學(xué)與工程中的計算機應(yīng)用復(fù)習(xí)題答案1計算機在材料科學(xué)與工程中應(yīng)用復(fù)習(xí)題一、計算機應(yīng)用基礎(chǔ)部分1. 傳統(tǒng)設(shè)計和現(xiàn)代設(shè)計有哪些區(qū)別？現(xiàn)代設(shè)計方法的特點 是什么？傳統(tǒng)設(shè)計也是目前遵循的設(shè)計模式， 基本上是憑借直接或間 接的經(jīng)驗， 通過類比分析來確定設(shè)計方案。 設(shè)計方案很大程度上 取決于設(shè)計者個人的經(jīng)驗， 難以獲得最佳結(jié)果； 準(zhǔn)確性和精確性 低?，F(xiàn)代設(shè)計是設(shè)計的一般原理加上計算機技術(shù)和各種現(xiàn)代科 學(xué)方法的有機結(jié)合。 它既傳承了傳統(tǒng)方法中有益的東西， 又注入 了現(xiàn)代科學(xué)的精髓?，F(xiàn)代設(shè)計方法具有以下特點：1、科學(xué)的獲得必要的設(shè)計參數(shù)：普遍采用技術(shù)預(yù)測和信號 分析法。2、從整體上認(rèn)識和分析設(shè)計對

2、象：引進系統(tǒng)工程的分析方 法進行設(shè)計方案的設(shè)計和優(yōu)化。3、大大提高設(shè)計的精確度和可靠性：4、實現(xiàn)了富有創(chuàng)造性的高效率和自動化的設(shè)計。2. 計算機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件配置有哪幾種類型？各有什么特點？應(yīng)用于什么場合？計算機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件配置有： 主機系統(tǒng)、小型機成套系統(tǒng)、 工作站系統(tǒng)、微機系統(tǒng)。主機系統(tǒng)：i 大型直聯(lián)式：所有終端直接與主機連接，通常連接幾十個終端。優(yōu)點：計算機本身通用性強，終端側(cè)的設(shè)備較簡單。缺點：多用戶分享主機，終端響應(yīng)不穩(wěn)定，性價比不高。ii 功能分散型：在終端和通用主機間設(shè)置一級小型機或微機。保留較大通用性和很強運算能力的優(yōu)點， 又能充分發(fā)揮終端 側(cè)小型機的基本處理能力。 系統(tǒng)處理

3、速度和工作效率更高。 應(yīng)用： 大型工廠或企業(yè)。小型機成套系統(tǒng)： 對任務(wù)針對性強，系統(tǒng)的軟硬件配套齊全，又稱“轉(zhuǎn)匙”系統(tǒng)。與主機系統(tǒng)相比，分析計算能力弱，系統(tǒng)擴展能力差、移植性不好。應(yīng)用：缺工作站系統(tǒng)：每個用戶單機獨占資源，處理速度快，工作效率高，而且價 格適中，不必一次性集中投資，具有良好的可擴充性。應(yīng)用：大、中、小企業(yè)均可使用。微機系統(tǒng)：價格低廉，對運行環(huán)境要求較低，維修、服務(wù)方便，學(xué)習(xí)和 使用容易，完全開放性的設(shè)計。應(yīng)用：中、小企業(yè)。3. 計算機應(yīng)用系統(tǒng)由哪些軟件組成？它們各自的作用是什 么？系統(tǒng)軟件分為：系統(tǒng)軟件、支撐軟件、應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件起著擴充計算機功能和合理調(diào)度計算機硬件資源 的

4、作用。支撐軟件的作用是建立開發(fā)計算機應(yīng)用系統(tǒng)所需的應(yīng)用軟 件平臺，縮短應(yīng)用軟件開發(fā)周期，減少應(yīng)用軟件開發(fā)的工作量， 使應(yīng)用軟件更加貼近國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提高應(yīng)用軟件水平。應(yīng)用軟件：用于某一特定目的，如沖裁模、鍛模等，一般經(jīng) 二次開發(fā)得到。4. 計算機應(yīng)用系統(tǒng)有哪幾種類型？各有什么特點？計算機應(yīng)用系統(tǒng)分為信息檢索型、 逐步逼近型、 自動設(shè)計型、 交互型等。信息檢索型系統(tǒng)：優(yōu)點：開發(fā)容易、系統(tǒng)投資小，使用該系統(tǒng)能大大縮短生產(chǎn) 周期，保證正確性與可靠性。缺點：沒有通用性，不能創(chuàng)新產(chǎn)品。逐步逼近型系統(tǒng)：又稱查詢修改型系統(tǒng)。 對信息檢索性系統(tǒng)的改進， 方便直觀， 可以人機交互實施修改； 還可用于參數(shù)化設(shè)計方

5、便靈活。 自動設(shè) 計型系統(tǒng)：以數(shù)據(jù)計算為主，無需設(shè)計者參與；速度快，優(yōu)化程度高， 但必須較好的建立起數(shù)學(xué)模型和目標(biāo)函數(shù)。交互型系統(tǒng)：將計算機系統(tǒng)所具有的計算速度快、 計算精度高、 數(shù)據(jù)存儲 量大、耐重復(fù)工作和不易出錯等優(yōu)點， 與人在工程設(shè)計中的主導(dǎo) 作用結(jié)合起來。5. 解釋下列術(shù)語實體實體集屬性實體標(biāo)識符數(shù)據(jù)項記錄文件關(guān)鍵字實體：客觀存在并可相互區(qū)別的物體叫實體（ Entity ）實體集：性質(zhì)相同的同類實體的集合稱為實體集。屬性：數(shù)據(jù)表示的信息常用來描述實體的某些特征， 這些特 征就是該實體的屬性。 屬性的集合所描述的對象即為實體。 實體 標(biāo)識符：能將一個實體與其他實體區(qū)別開來的屬性集。數(shù)據(jù)項

6、：被命名的最小信息單位， 是標(biāo)識實體屬性的符號集。記錄：數(shù)據(jù)項的有序集。記錄用來描述實體，又可定義為： 完整地描述一個實體的符號集。文件：同類記錄的集合。 文件用來描述實體集， 又可定義為： 描述一個實體集的所有符號集。關(guān)鍵字：其值能唯一地確定標(biāo)識一個記錄的某一個數(shù)據(jù)項或 者幾個數(shù)據(jù)項的集合。現(xiàn)實世界和信息世界各術(shù)語的對應(yīng)關(guān)系為：6. 什么是數(shù)據(jù)？什么是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括哪幾類？數(shù)據(jù)：用來描述客觀事物的數(shù)字、字符、運算符號等，能夠輸入到 計算機中，并能被計算機處理的符號集合。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，數(shù)據(jù)之間的組織形式。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系 （數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)） 和數(shù) 據(jù)在計算機內(nèi)

7、的存儲方式（物理結(jié)構(gòu)）兩類。7. 實體間的聯(lián)系有哪幾種？實體間的聯(lián)系有兩種： 實體內(nèi)部的聯(lián)系和實體與實體間的聯(lián)系。抽象后歸結(jié)為一下三類：1） 一對一關(guān)系（one-to-one）：學(xué)校對校長2） 對多關(guān)系（one-to-many）：公司對職員3）多對多關(guān)系（many-to-many）:模架對零件8. 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有那些優(yōu)點？數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有那些類型？ 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的優(yōu)點：1 ）可實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，大大減少了數(shù)據(jù)的冗余；2）數(shù)據(jù)獨立與應(yīng)用程序，程序與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的改變不會相互 影響；3）應(yīng)用程序編制者可不考慮存儲管理和訪問效率；4）實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的統(tǒng)一控制， 保證了數(shù)據(jù)的正確性和保密性。 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分三大類型： 關(guān)系

8、型數(shù)據(jù)庫、 層次型數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)型數(shù)據(jù)庫。10. 在圖形變換中采用齊次坐標(biāo)表示法有什么優(yōu)點？1 ）引入齊次坐標(biāo)后，可以實現(xiàn)圖形的所有基本變換（比例、 對稱、錯切、旋轉(zhuǎn)、平移、透視） ；2）用 3X3 變換矩陣對圖形進行交換時，除透視變換（p、q非零）外，其他變換均具有仿射變換的性質(zhì)。即：交換前后圖形 之間保持從屬性、同素性、平行性、定比性。3）引入齊次方程后，可用齊次方程坐標(biāo)表示無窮遠點，并 且可以通過透視變換將無限遠點變?yōu)橛邢捱h點， 相當(dāng)于投射投影 中的滅點。11. 按其狀態(tài)分模型可分為哪幾類？從產(chǎn)品設(shè)計的角度，模 型應(yīng)怎樣分類？模型，根據(jù)其狀態(tài)分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型兩類。從產(chǎn)品設(shè)計角度看，模

9、型又可分為抽象模型和物理模型。12. 幾何造型中有哪些常用的造型方法？各有什么特點？幾何造型技術(shù)主要有以下方法：1）線框造型：特點：結(jié)構(gòu)簡單，生成模型較容易；圖形顯示速度快，容易 修改；容易形成三面視圖、透視圖；當(dāng)零件復(fù)雜時，易產(chǎn)生多義 性；難以直接得出物體體積、表面積等；難以進行形體表面交線 計算和消隱處理；對于球、圓柱和曲面的表示不夠充分。2）表面造型（ surface modelling ）特點：在提供三維立體嚴(yán)密、 完整的幾何模型方面比線框造 型前進了一大步， 對多義性有所改進； 可進行三維處理和生成剖 面圖；無法保證三維外形封閉、完整的唯一性；不能有效的處理 曲面的不規(guī)則區(qū)域； 僅僅

10、表示物體的外殼， 沒有明確定義實體的 存在側(cè)。3）實體造型：特點：在計算機內(nèi)存儲真正的三維信息； 將設(shè)計人員和工程 技術(shù)人員帶入了真正的三維空間； 真三維渲染和色彩設(shè)計等， 效 果高度真實； 直接全面的反映設(shè)計對象； 物體的幾何參數(shù)易于得 到，如面積、體積、質(zhì)量等。4）特征造型：特點：增加幾何實體的工程意義， 為各種工程應(yīng)用提供更豐 富的信息。13. 幾何造型中有哪些常用的表示模式？各有什么優(yōu)缺點？ （待改）1）體素調(diào)用法：缺點：受初始狀態(tài)的限制，體素調(diào)用不能產(chǎn)生復(fù)雜的形體， 很少作為一種獨立的表示模式使用， 而是在幾何造型中用于定義 體素。2）空間點陣法（網(wǎng)格法、空間占有計數(shù)法） ： 優(yōu)點：

11、通過記錄形體對單元的占據(jù)狀態(tài)可描述形體的幾何形 狀。缺點：精度受單元劃分粗細程度的限制， 需大量的存儲空間， 且形體各部分關(guān)系不明確。3）單元分解法（劃分單元法） ：優(yōu)點：將形體分解成一系列單元， 然后表示這些單元及其相 互間的連接關(guān)系。理論上可表示任何實體。缺點：適用范圍決定于系統(tǒng)所允許的單元類型。 一些曲面物 體人工難以劃分單元。4）掃描變換法（掃描表示法、掃動表示法） ：優(yōu)點：通過一個二維圖形或者一個形體沿某一路徑掃描， 產(chǎn) 生新形體。5）構(gòu)造體素法： （構(gòu)造幾何實體方法， CSG）優(yōu)點：利用一些簡單形狀的體素， 經(jīng)變換和布爾運算構(gòu)成復(fù) 雜形體。采用二叉樹結(jié)構(gòu)來描述復(fù)雜形體的關(guān)系。無二義

12、性，較 緊湊缺點：顯示時運算量大 6）邊界表示（ B-Reps ）優(yōu)點：以形體表面的細節(jié)，即以頂點、邊、面等幾何元素及 其相互間的聯(lián)系關(guān)系來表示形體的。 缺點：要求邊界必須是連 續(xù)的。14 三維造型中，曲面的生成常有哪幾種方法？ 直紋面、旋轉(zhuǎn)面、掃描面、邊界面、放樣面、網(wǎng)格面、導(dǎo)動 面、等距面、平面、體表面 15 三維造型中，實體的生成常有哪 幾種方法？ 拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣、導(dǎo)動、曲面加厚、曲面裁剪 16 用 CSG 二叉樹表示實體。 （缺立體圖）二、優(yōu)化設(shè)計部分1、何謂優(yōu)化設(shè)計？優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型包含哪些內(nèi)容？優(yōu) 化設(shè)計的一般步驟是什么？答：應(yīng)用數(shù)學(xué)的一個分支， 能使一項設(shè)計在一定的技術(shù)和物

13、質(zhì)條件下， 尋求一個技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)最佳的設(shè)計方案。 在給定的技 術(shù)、經(jīng)濟等客觀條件下選擇設(shè)計參數(shù)，使設(shè)計指標(biāo)達到最優(yōu)值。 在一定約束條件下求多變量函數(shù)極值的方法。 研究和解決在一切 可能方案中尋求最優(yōu)方案的科學(xué)方法。2、掌握無約束優(yōu)化問題的進退法（確定優(yōu)化區(qū)間）、 0.618法、二次插值法、 坐標(biāo)輪換法、 最速下降法、 牛頓法的解題步驟。 （略）3. 掌握約束優(yōu)化問題的消元法、拉格朗日乘子法、罰函數(shù)法 的解題步驟。（略）4. 有三種原料，其成分與成本如表所示。用這三種原料進行 配料，求滿足配料成分為 N 1 > 0.04, N 2> 0.02, N 3> 0.07, N 1+N

14、 2+N 3=1 ，且成本最低的配料方案。 試列出數(shù)學(xué)模型。 表 原 料成分及成本1 ）設(shè)計變量取三種原料質(zhì)量 x1, x2 及 x3 為設(shè)計變量,寫成向量形式為：X= （ x 1 x 2 x3 ） T2）目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)為成本最低。 成本函數(shù)為： f（ X ）=15x1+12x2+ 8x33）約束條件由題意可得如下約束條件：g1( x ) =0.06 xl+0.03 X2+0.04 x3 -0.04 > 0g2( x )=0.02 xl+0.04 X2+0.01 x3 -0.02 > 0g3( x )=0.09 x1+0.05 x2+0.03 x3 -0.07 > 0g4

15、( x )=0.17 x1+0.12 x2+0.08 x3 -1=0綜上所述，配料優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型歸結(jié)為：min f ( X ), X R3s. t. g i( x ) > 0, i = 1 3,g4( x )= 05、某工廠生產(chǎn) A、 B 兩種產(chǎn)品，每天可用資源限制為：原料1600kg，面積1500m2,工時7h，資源消耗系數(shù)和產(chǎn)值系數(shù)見表。求這兩種產(chǎn)品各生產(chǎn)多少能使總產(chǎn)值最大的設(shè)計方案。 試列 出數(shù)學(xué)模型。表產(chǎn)值和資源消耗系數(shù)項目 A B占地面積(m2/單位產(chǎn)量)54原料消耗(kg/單位產(chǎn)量)45生產(chǎn)率(單位 /時) 60 30產(chǎn)值(元 /單位產(chǎn)量) 10 151 )設(shè)計變量取兩種

16、產(chǎn)品的產(chǎn)量 x1，x2 為設(shè)計變量，寫成向量形式為： X= ( x 1 x 2 x3 ) T2)目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)為總產(chǎn)值最大?？偖a(chǎn)值函數(shù)為：f( X )=10x1+15x23)約束條件由題意可得如下約束條件：g1( x ) =5 x1+4 x2 -1500=0g2( x )=4 x1+5 x2 -1600=0g3( x )=1/60 x1+1/60x2 -7=0綜上所述，配料優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型歸結(jié)為：max f ( X ), X R2s. t. g i( x ) > 0, i = 1 3,6、有一塊邊長為 6cm 的正方形鐵板，將四角截去相等的方 塊，并折焊成無蓋的盒子，問怎樣截可以得到容積最大的盒子。設(shè)截去方塊的邊長為x，貝U：以 x 為設(shè)計變量的目標(biāo)函數(shù)為 V( X )= ( 6 - 2 x )? x2= 4x3- 24x2+ 36x其約束條件為：x> 0; 6-2 x >0.運用解析法得：最優(yōu)解為： x* =1 ，函數(shù)值為： V( X )=( 6 - 2x ) 2 ? x =167、用二次插值法求 min f (X) = e x-15 x，迭代二次。取x1=1 , x 2