现代设计方法学-试题

1、2010/2011学年 第二学期末考试试题课程名称现代设计方法使用班级：08020241总分得分一、现代设计方法学习体会（共 20分）经过对现代设计方法半个学期的学习，我们从中学到了以前曾经接触但从未深究过的 知识层面。初中、高中、大一大二学过相关的数学知识都涉及到了现代设计方法学中的内容， 但是也只是提及到一些表皮的知识，可在这本书中，此类的知识有了更加系统化的阐述。什么 是最优化设计，什么是可靠性设计等等内容都由老师给予我们详细的讲解，让我们受益匪浅。以下是我对现代设计方法学的学习体会：现代设计方法是以研究产品设计为对象的科学，它以电子计算机为工具，运用工程设计的 新理论和新方法，使计算机

2、结果达到精确化和最优化，使设计过程达到高效化和自动化。现在 设计方法是传统设计方法的延伸和发展，是人们把相关科学技术综合运用于设计领域的产物， 它使传统设计方法发生了质的变化。现代设计方法与传统设计方法相比，主要完成了以下几个 方面的转变：（1）产品设计目标的最优化；（2）产品结构分析的定量精确化；（3）产品质量分析的可靠性化；（4）产品工况分析的动态化；（5）产品设计过程的高效化和自动化。在现代设计方法学中，设计方法一般可以包括十几种具体方法。其中应用较为广泛、成熟 和实用的主要用于产品设计分析计算的四种方法是：1、 最优化设计：内容主要包括优化设计的数学模型、优化设计的数学基础、优化设计的

3、数 值迭代计算法和迭代计算的终止准则；优化设计的一维搜索方法；无约束优化设计中的直接法和间接法；约束优化设计的直接法和间接法；最后还介绍了优化设计中经常遇到的若干问题的 处理方法。2、 可靠性设计：内容主要包括可靠性设计的基本概念和特点；可靠性设计中常常的评价指标和分布函数：应力-强度干预理论和零部件的可靠性计算方法；系统的基本概念、系统的可靠性预测和可靠性分配；系统的故障分析。3、 有限元法：内容主要包括有限元法的基本概念；有限元法求解问题的基本步骤；平面钢 架结构分析的有限元方法；弹性力学平面问题的有限元法；三棱圆环单元及等参数单元的刚度 矩阵的建立。4、动态设计：内容主要包括动态设计的基

4、本概念；动态分析中常用的建模方法，包括有限元建模法、传递矩阵建模法和实验建模法。产品的质量和经济效益取决于设计、制造和管理的综合水平，而产品设计则是关键。没有 高质量的设计，就不可能有高质量的产品，而要达到高质量的设计，就必须采用先进的设计方 法和手段。因此，掌握先进的设计方法和手段是完成高质量设计的关键。得分二、查找2008-2011年文献，列举4种现代设计方法（最优化设计、可靠性设计、有限元法、 动态设计）应用实例（各 2例），并简要介绍每个实例涉及的数学方法、设计思想及应用效果。（共80分）最优化设计：例一：朱哲1,张成2,淡勇1复杂载荷作用下椭圆封头-接管连接结构的最优化设计西安石油大

5、学学报（自然科学版）2009.24 （ 5）:78-81摘要：为了设计化工容器上常见的椭圆封头/接管连接结构，根据设计条件提出了 3种结构设计方案。采用有限元法，运用ANSYS软件进行结构应力计算，得到了 3种结构的应力分布 。 通过对结构强度、结构的经济性和加工简便性的综合分析，给出了一个最佳的椭圆封头的连接加强结构。例二：夏锋社，朱哲,淡勇高压容器筒体结构的最优化设计西安石油大学学报（自然科学版）2010.25 （ 1）: 81-82摘要：针对高压容器筒体结构尺寸的设计，应用最优化设计理论，建立了高压容器筒体结构尺寸的优化数学模型，采用TurboC语言编制了优化设计程序，获得了确定高压容器

6、筒体结构尺寸的 便捷、可靠的优化设计方法。最后，把所建立的优化设计方法用于2台高压容器筒体的设计，设计结果显示，采用本文的设计方法，能使容器在满足操作工艺要求和机械强度的前提下，用材较少,成本较低。可靠性设计：例一：龚小平1,刘毅静1,崔利杰2 圆柱螺旋弹簧可靠性优化设计 空军工程大学学报（自然科学版）2010, 11（2）： 78-8,0摘要：首先分析了圆柱螺旋弹簧静强度和疲劳强度可靠性模型建立方法，推导了其可靠性计算的公式和应力强度的分布形式。其次为充分发挥零件材料的效能同时又要考虑到零件的可靠性指 标,以圆柱螺旋弹簧的质量为优化的目标函数，利用机械可靠性设计和机械最优化设计方法，在弹簧常

7、规约束和可靠性约束基础上，建立了可靠性优化设计计算模型。最后，结合优化工具和上述优化模型对具体实例进行了应用计算，并分析对比了可靠性优化设计和常规优化设计的结果，说明所提可靠性优化设计方法实用、可靠，能最大程度地满足设计要求。例二穆慧娜，焦清介，温玉全，董海平基于可靠性指标变换的机械能激发火工品可靠性设计方法 北京理工大学学报2008,28 （ 6）: 479-495摘要：为了兼顾火工品发火可靠性和安全性，提出了一种基于可靠性指标变换的可靠性设计方 法该方法根据设定的生产方和使用方风险，把可靠性评定指标转换为可靠性设计指标，并结 合机械能激发火工品感度分布模型，确定50%发火点x0.5 与实际

8、产品的比较表明，该发火点能同时兼顾可靠发火和安全的技术指标通过该方法在某针刺雷管可靠性设计中的应用，验证 了其可行性。有限元法：例一：董玉文，任青文，余天堂 扩展有限元法在重力坝断裂分析中的应用研究 土木建筑与环境工程2008,30 （3） : 37-40摘要：扩展有限元法是近年来发展起来的分析不连续问题（特别是断裂问题）的一种有效方法。介绍了扩展有限元法的基本原理，给出了采用扩展有限元法进行裂纹扩展分析的方法，最后采 用扩展有限元法模拟了混凝土重力坝坝踵裂缝扩展过程，分析了其变形、应力场分布规律。算 例表明扩展有限元法在进行断裂分析时克服了常规有限元法的缺点，避免了常规有限元法在分 析断裂问

9、题时繁琐的前处理过程，不需要裂纹面与有限元网格一致，不需要在裂缝周围布置高 密度网格，模拟裂纹扩展过程时不需要不断地重新划分网格，展示了扩展有限元法在大坝开裂 分析中的独特优势。例二：董玉文1,2,余天堂1,任青文1直接计算应力强度因子的扩展有限元法计算力学学报2008, 25 （1）： 73-77摘要：应力强度因子的扩展有限元法。该方法以常规有限元法为基础，利用单位分解法思想，通过在近似位移表达式中增加能够反映裂纹面的不连续函数及反映裂尖局部特性的裂尖渐进位移 场函数，间接体现裂纹面的存在，从而无需使裂纹面与有限元网格一致，无需在裂尖布置高密度网格，也不需要后处理就可以直接计算出应力强度因子，并且大大简化了前后处理工作。最后通过两个简单算例验证了该方法的精度，分析了影响计算结果的因素，并与采用J积分计算的应力强度因子作了对比，得出了两种方法计算精度相当的结论。动态设计：例一：齐光1,王炳辉1,赵建岐2,刘大海1120#重油动态乳化系统的设计宁波大学学报（理工版）2008,21 （ 1）: 109-111摘要：针对目前船舶柴油机普遍燃用高粘度重油和雾化加热温度高的情况，设计了一套以120#重油为对象的重油动态乳化系统。该乳化系统以单片机作为控制器，根据柴油机的转速与负荷 信号实现较佳油水比