《現(xiàn)代設(shè)計方法》課程教學(xué)大綱

1、個人整理資料，僅供交流學(xué)習(xí)現(xiàn)代設(shè)計方法課程教學(xué)大綱課程名稱：現(xiàn)代設(shè)計方法英文名稱：課程性質(zhì)：專業(yè)選修課程課程代碼：學(xué)分學(xué)時：學(xué)分學(xué)時開課學(xué)期：第學(xué)期適用專業(yè)：機(jī)械工程先修課程：高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率與數(shù)理統(tǒng)計、理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械設(shè)計、計算機(jī)基礎(chǔ)等后續(xù)課程：無開課單位：機(jī)電工程學(xué)院大綱執(zhí)筆人：王陽俊課程負(fù)責(zé)人：王陽俊大綱審核人：倪俊芳一、課程性質(zhì)和教學(xué)目標(biāo)（在人才培養(yǎng)中的地位與性質(zhì)及主要內(nèi)容，指明學(xué)生需掌握知識與能力及其應(yīng)達(dá)到的水平）課程性質(zhì)：現(xiàn)代設(shè)計方法是機(jī)械工程專業(yè)的一門專業(yè)選修課程。本課程主要針對現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計制造的過程中存在的工程實際問題，著力于培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)問題與工程問題的思維方

2、法，使學(xué)生形成利用現(xiàn)代設(shè)計工具獲得設(shè)計方案與進(jìn)行科學(xué)研究的基本能力。教學(xué)目標(biāo)：現(xiàn)代設(shè)計方法是以產(chǎn)品設(shè)計為對象，以計算機(jī)為手段，運用工程設(shè)計的新理論和新方法，使計算結(jié)果達(dá)到最優(yōu)化，使設(shè)計過程實現(xiàn)高效化和自動化的一門方求指標(biāo)點課程目個人整理資料，僅供交流學(xué)習(xí)法論。本課程主要包括優(yōu)化設(shè)計方法、可靠性設(shè)計方法、有限元設(shè)計方法與動態(tài)設(shè)計方法等基本內(nèi)容，通過相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)，使學(xué)生理解機(jī)械工程專業(yè)各門專業(yè)課與高等數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)課程在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計過程中如何通過融合解決實際工程問題，提高學(xué)生從事機(jī)械工程及自動化領(lǐng)域內(nèi)實際工作中的系統(tǒng)的解決問題的能力。本課程的具體教學(xué)目標(biāo)如下：1.掌握優(yōu)化設(shè)計方法的基本理論、數(shù)學(xué)模型與

3、優(yōu)化方法，培養(yǎng)學(xué)生在解決復(fù)雜工程問題過程中進(jìn)行獲得系統(tǒng)優(yōu)化方案的基本能力。2.掌握可靠性設(shè)計的基本理論、基本指標(biāo)與設(shè)計方法，培養(yǎng)學(xué)生在復(fù)雜工程問題中進(jìn)行可靠性分析的基本能力；3.掌握有限元分析的基本理論，基本方法與設(shè)計工具，培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代工具解決機(jī)械設(shè)計實際問題的基本能力。4.掌握動態(tài)設(shè)計的基本理論、基本方法與設(shè)計工具，培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代工具分析問題與獲得工程解決方案的基本能力。教學(xué)目標(biāo)與畢業(yè)要求的對應(yīng)關(guān)系：（暫時不寫！不要刪除此項！）畢業(yè)要標(biāo)對應(yīng)關(guān)系說明個人整理資料，僅供交流學(xué)習(xí)掌握優(yōu)化設(shè)計方法的基本理論、數(shù)學(xué)的理解、建模、分能將掌握的數(shù)理知畢業(yè)要識，用于專業(yè)問題求：析與求解能運用數(shù)理和工程

4、畢業(yè)要知識進(jìn)行機(jī)械專業(yè)求：領(lǐng)域復(fù)雜工程問題中的內(nèi)涵識別與理解分析教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)模型與優(yōu)化方法，培養(yǎng)學(xué)生在解決復(fù)雜工程問題過程中進(jìn)行獲得系統(tǒng)優(yōu)化方案的基本能力。掌握可靠性設(shè)計的基本理論、基本指標(biāo)與設(shè)計方法，培養(yǎng)學(xué)生在復(fù)雜工程問題中進(jìn)行可靠性分析的基本能力；掌握有限元分析的基本理論，基本方法與設(shè)計工具，培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代工具解決機(jī)械設(shè)計實際問題的基本能力。掌握動態(tài)設(shè)計的基本理論、基本方法與設(shè)計工具，培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代工具分析問題與獲得工程解決方案的基本能力。掌握優(yōu)化設(shè)計方法的基本理論、數(shù)學(xué)模型與優(yōu)化方法，培養(yǎng)學(xué)生在解決復(fù)雜工程問題過程中進(jìn)行獲得系統(tǒng)優(yōu)化個人整理資料，僅供交流學(xué)

5、習(xí)方案的基本能力。掌握可靠性設(shè)計的基本理論、基本指畢業(yè)要求：能恰當(dāng)使用計算機(jī)軟件及仿真工具，完成機(jī)械工程項目的模擬和仿真教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)標(biāo)與設(shè)計方法，培養(yǎng)學(xué)生在復(fù)雜工程問題中進(jìn)行可靠性分析的基本能力；掌握有限元分析的基本理論，基本方法與設(shè)計工具，培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代工具解決機(jī)械設(shè)計實際問題的基本能力。掌握動態(tài)設(shè)計的基本理論、基本方法與設(shè)計工具，培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代工具分析問題與獲得工程解決方案的基本能力。掌握優(yōu)化設(shè)計方法的基本理論、數(shù)學(xué)模型與優(yōu)化方法，培養(yǎng)學(xué)生在解決復(fù)雜工程問題過程中進(jìn)行獲得系統(tǒng)優(yōu)化方案的基本能力。掌握可靠性設(shè)計的基本理論、基本指標(biāo)與設(shè)計方法，培養(yǎng)學(xué)生在復(fù)雜工程

6、個人整理資料，僅供交流學(xué)習(xí)問題中進(jìn)行可靠性分析的基本能力；掌握有限元分析的基本理論，基本方教學(xué)目標(biāo)教學(xué)目標(biāo)法與設(shè)計工具，培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代工具解決機(jī)械設(shè)計實際問題的基本能力。掌握動態(tài)設(shè)計的基本理論、基本方法與設(shè)計工具，培養(yǎng)學(xué)生利用現(xiàn)代工具分析問題與獲得工程解決方案的基本能力。二、課程教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時分配（含課程教學(xué)、自學(xué)、作業(yè)、討論等內(nèi)容和要求，指明重點內(nèi)容和難點內(nèi)容。重點內(nèi)容：；難點內(nèi)容：）1、優(yōu)化設(shè)計概述（學(xué)時）（支撐教學(xué)目標(biāo)）1.11.21.3概述最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型數(shù)值迭代方法目標(biāo)及要求：1)掌握優(yōu)化設(shè)計的基本思想；個人整理資料，僅供交流學(xué)習(xí)2)掌握最優(yōu)化設(shè)計數(shù)學(xué)模型的基本要素；3)掌握數(shù)值迭代

7、的基本思想與方法；作業(yè)內(nèi)容：建立基本的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。2、最優(yōu)化方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)（學(xué)時）（支撐教學(xué)目標(biāo)）2.12.22.32.4多維函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)與梯度多維函數(shù)的泰勒展開式多維函數(shù)的極小點存在條件局部極小點與全域極小點目標(biāo)及要求：1)掌握多維函數(shù)偏導(dǎo)數(shù)與梯度的計算方法；2)掌握多位函數(shù)泰勒展開式的計算方法；3)掌握多維函數(shù)的極小點存在條件；4)了解局部極小點與全域極小點的區(qū)別；作業(yè)內(nèi)容：計算函數(shù)的梯度、海色矩陣與極小點存在條件驗證。3、一維搜索方法（學(xué)時）（支撐教學(xué)目標(biāo)）3.13.23.3概述進(jìn)退法黃金分割法個人整理資料，僅供交流學(xué)習(xí)3.4二次插值法目標(biāo)及要求：1)掌握一維搜索方法的基本思想；2)

8、掌握進(jìn)退法的基本思想與基本步驟；3)掌握黃金分割法的基本思想與基本步驟；4)掌握二次插值法的基本思想與基本步驟。作業(yè)內(nèi)容：1)利用黃金分割法進(jìn)行一維搜索練習(xí)；2)利用二次插值法進(jìn)行一維搜索練習(xí)。4、無約束優(yōu)化直接方法（學(xué)時）（支撐教學(xué)目標(biāo)）4.14.2坐標(biāo)輪換方法鮑威爾共軛方法目標(biāo)及要求：1)掌握坐標(biāo)輪換法的基本思想與基本步驟；2)掌握鮑威爾共軛方法的基本思想與基本步驟；作業(yè)內(nèi)容：兩種優(yōu)化方法基本步驟的區(qū)別與練習(xí)。5、無約束最優(yōu)化間接方法（學(xué)時）（支撐教學(xué)目標(biāo)）5.15.25.35.4概述梯度法牛頓法變尺度法個人整理資料，僅供交流學(xué)習(xí)目標(biāo)及要求：1)掌握梯度法的基本思想與基本步驟；2)掌握牛頓

9、法的基本思想與基本步驟；3)掌握變尺度法的基本思想與基本步驟。作業(yè)內(nèi)容：分別應(yīng)用三種方法進(jìn)行優(yōu)化練習(xí)。6、有約束最優(yōu)化直接方法（學(xué)時）（支撐教學(xué)目標(biāo)）6.16.2隨機(jī)方向搜索法復(fù)合形法目標(biāo)及要求：1)掌握隨機(jī)方向搜索法的基本思想與基本步驟；2)掌握復(fù)合形法的基本思想與基本步驟；作業(yè)內(nèi)容：編制實現(xiàn)兩種方法的計算機(jī)程序。7、有約束最優(yōu)化間接方法（學(xué)時）（支撐教學(xué)目標(biāo)）7.17.27.3內(nèi)點懲罰法外點懲罰法混合懲罰法目標(biāo)及要求：1)掌握內(nèi)點懲罰法的基本思想與基本步驟；2)掌握外懲罰法的基本思想與基本步驟；3)掌握混合懲罰法的基本思想與基本步驟；個人整理資料，僅供交流學(xué)習(xí)作業(yè)內(nèi)容：編程實現(xiàn)三種方法的計

10、算機(jī)程序。8、最優(yōu)化設(shè)計方法的若干問題（學(xué)時）（支撐教學(xué)目標(biāo)）8.18.2優(yōu)化問題的建模優(yōu)化計算結(jié)果的分析與處理目標(biāo)及要求：1)掌握目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計變量與約束函數(shù)的選取原則；2)掌握優(yōu)化設(shè)計計算結(jié)果處理的原則與技巧。作業(yè)內(nèi)容：針對具體問題進(jìn)行優(yōu)化問題的建模與分析。9、可靠性概述（學(xué)時）（支撐教學(xué)目標(biāo)）9.19.2概述可靠性指標(biāo)目標(biāo)及要求：1)掌握可靠性概念；2)掌握常用的可靠性指標(biāo)；作業(yè)內(nèi)容：計算常用的可靠性指標(biāo)。10、可靠性設(shè)計常用分布函數(shù)（學(xué)時）（支撐教學(xué)目標(biāo)）10.110.2二項分布泊松分布10.310.410.510.6個人整理資料，僅供交流學(xué)習(xí)正態(tài)分布威布爾分布對數(shù)正態(tài)分布指數(shù)分布目標(biāo)

11、及要求：1)掌握不同分布函數(shù)下可靠度指標(biāo)的計算方法；作業(yè)內(nèi)容：計算不同分布函數(shù)下可靠度指標(biāo)。11、可靠性設(shè)計原理（學(xué)時）（支撐教學(xué)目標(biāo)）11.111.211.3應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型應(yīng)力與強(qiáng)度均服從正態(tài)分布時可靠度計算應(yīng)力與強(qiáng)度均服從指數(shù)分布時可靠度計算目標(biāo)及要求：1)掌握應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型的基本原理；2)掌握聯(lián)結(jié)方程的意義；3)掌握不同概率分布條件下，可靠度的計算方法；作業(yè)內(nèi)容：計算不同概率分布下可靠度。12、零部件的可靠性設(shè)計（學(xué)時）（支撐教學(xué)目標(biāo)）12.112.2零部件靜強(qiáng)度的可靠性設(shè)計零部件疲勞強(qiáng)度的可靠性設(shè)計目標(biāo)及要求：個人整理資料，僅供交流學(xué)習(xí)1)理解材料全概率疲勞曲線（曲線）的意義；2)

12、理解材料的分布化等壽命疲勞極限圖的意義；3)理解零部件可靠性設(shè)計的意義；作業(yè)內(nèi)容：利用兩種曲線計算零部件可靠度。13、系統(tǒng)可靠性設(shè)計（學(xué)時）（支撐教學(xué)目標(biāo)）13.113.213.3系統(tǒng)可靠性預(yù)測系統(tǒng)可靠性分配故障樹分析法在系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用目標(biāo)及要求：1)理解系統(tǒng)可靠性的基本概念；2)掌握系統(tǒng)可靠性的預(yù)測方法；3)掌握系統(tǒng)可靠性的分配方法；4)理解故障樹的基本概念和分析方法。作業(yè)內(nèi)容：計算串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)和其他類型系統(tǒng)的可靠度，并根據(jù)給定可靠度指標(biāo)分配系統(tǒng)不同部件的可靠度。14、有限元法概述（學(xué)時）（支撐教學(xué)目標(biāo)）14.114.214.3有限元法的基本思想有限元法在工程中的應(yīng)用有限元法求解問題

13、的基本步驟個人整理資料，僅供交流學(xué)習(xí)目標(biāo)及要求：1)理解有限元法的基本思想；2)掌握有限元法的基本步驟；作業(yè)內(nèi)容：推導(dǎo)一維單元的有限元方法具體過程。15、平面剛架的有限元法（學(xué)時）（支撐教學(xué)目標(biāo)）15.115.215.315.4結(jié)構(gòu)的離散化單元剛度矩陣的建立總體剛度矩陣的建立位移的求解目標(biāo)及要求：1)掌握二維剛架有限元法的基本思想；2)掌握結(jié)構(gòu)離散化的原則；3)掌握單元剛度矩陣的推導(dǎo)方法；4)掌握總體剛度矩陣的集成方法；5)掌握位移的求解方法。作業(yè)內(nèi)容：利用二維剛架有限元法，求解實際問題。16、彈性力學(xué)平面問題的有限元法（學(xué)時）（支撐教學(xué)目標(biāo)）彈性力學(xué)的基本方程單元剛度矩陣的建立個人整理資料，

14、僅供交流學(xué)習(xí)總體剛度矩陣的集成總體剛度方程的求解目標(biāo)及要求：1)掌握彈性力學(xué)有限元法的基本思想；2）3）4）5）掌握結(jié)構(gòu)離散化的原則；掌握單元剛度矩陣的推導(dǎo)方法；掌握總體剛度矩陣的集成方法；掌握位移的求解方法。作業(yè)內(nèi)容：利用平面問題有限元法，求解實際問題。17、傳遞矩陣建模方法（學(xué)時）（支撐教學(xué)目標(biāo)）軸系扭轉(zhuǎn)振動分析軸系橫向振動分析目標(biāo)及要求：1）2）3）4）掌握軸系扭轉(zhuǎn)振動狀態(tài)傳遞方程；掌握軸系扭轉(zhuǎn)振動固有頻率和主振型的計算方法；掌握軸系橫向振動狀態(tài)傳遞方程；掌握軸系橫向振動固有頻率和主振型的計算方法。作業(yè)內(nèi)容：推導(dǎo)兩種狀態(tài)傳遞方程。18、動態(tài)設(shè)計試驗建模方法（學(xué)時）（支撐教學(xué)目標(biāo)）機(jī)械阻抗

15、與頻率響應(yīng)函數(shù)個人整理資料，僅供交流學(xué)習(xí)振動系統(tǒng)頻率響應(yīng)的圖示法傳遞函數(shù)測量的模態(tài)分析目標(biāo)及要求：1）2）3）4）5）掌握幅頻和相頻特性曲線；掌握實頻與虛頻曲線；掌握奈奎斯特圖；掌握模態(tài)分析的方法。掌握參數(shù)識別的概念與意義；作業(yè)內(nèi)容：傳遞函數(shù)推導(dǎo)過程，奈奎斯特圖畫法。三、教學(xué)方法本課程的教學(xué)主要包括四部分內(nèi)容，分別為優(yōu)化設(shè)計方法、可靠性設(shè)計方法、有限元方法與動態(tài)設(shè)計方法，其課程的共性特點是：用定量、動態(tài)和優(yōu)化的思路提供機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計的方法論，在解決復(fù)雜工程系統(tǒng)的設(shè)計過程中，加深學(xué)生對工程屬性中實踐性、多解性、集成性和可靠性的基本認(rèn)識，本課程的學(xué)習(xí)過程中既要啟發(fā)學(xué)生對工程問題的系統(tǒng)認(rèn)識，又要引導(dǎo)學(xué)

16、生將現(xiàn)代設(shè)計方法的基本思想與實際工程問題結(jié)合，利用基本數(shù)學(xué)理論建立解決工程問題的抽象模型，做到理論與實踐的統(tǒng)一。個人整理資料，僅供交流學(xué)習(xí)因此在教學(xué)方法上，基于案例與例題的講授教學(xué)方法是基本的教學(xué)方法，這樣可以做到學(xué)生不斷地將抽象的方法與實際案例相印證，逐漸深化對方法的定義與內(nèi)涵的認(rèn)識。在講授的過程中，采用引導(dǎo)啟發(fā)的教學(xué)方法可以將現(xiàn)代設(shè)計方法的歷史背景與內(nèi)在邏輯思考過程融合起來，讓學(xué)生清楚設(shè)計方法思想的來龍去脈，讓現(xiàn)代設(shè)計方法的思想自然而然被學(xué)生所接受，使學(xué)生學(xué)習(xí)過程中體會到現(xiàn)代設(shè)計方法中嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬓?，有利于培養(yǎng)學(xué)生通過自身的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃伎挤治雠c解決問題的邏輯能力。在教學(xué)過程中，用軟件演示仿真的教

17、學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生對現(xiàn)代計算機(jī)工具軟件的運用加深認(rèn)識，并給予足夠的重視，“工欲善其事，必先利其器”，讓學(xué)生認(rèn)識到設(shè)計方法與設(shè)計工具的必須統(tǒng)一，有利于學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)行科研與實際工作中設(shè)計能力的提高，做到知行合一。教學(xué)方法要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)對象而與時俱進(jìn)，工科專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展發(fā)生著深刻的變化，比如現(xiàn)代設(shè)計方法中蒙特卡羅方法隨著人工智能的興起已經(jīng)成為了現(xiàn)代設(shè)計方法的教學(xué)內(nèi)容，多尺度仿真方法隨著復(fù)雜系統(tǒng)在宏觀微觀維度的發(fā)展成為了現(xiàn)代設(shè)計過程中不可或缺的重要方法。教學(xué)對象的世界觀、人生觀和價值觀也隨著時代的發(fā)展而變化，科學(xué)與技術(shù)哲學(xué)中可證偽性代替因果性，不確定性代替確定性的思考逐漸向工程領(lǐng)個人整理資料，僅供交流學(xué)習(xí)域滲透，也直接影響到教學(xué)對象的思維方式與思維方法，因此，通過對學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)、學(xué)生專業(yè)課程設(shè)置和本門課程學(xué)習(xí)目標(biāo)的不斷加深認(rèn)識，通過與學(xué)生在學(xué)習(xí)、工作、生活問題上的適當(dāng)交流，教學(xué)方法將會不斷改進(jìn)。在現(xiàn)代設(shè)計方法的教學(xué)方法實踐上，已進(jìn)行了合理質(zhì)疑的討論方法以及工程哲學(xué)思維引導(dǎo)的教學(xué)方法的實踐，未來促進(jìn)學(xué)校與企業(yè)之間采用現(xiàn)代