现代设计理论与方法笔记

1、现代设计理论与方法0 绪论0.1 设计流程与特点时效性、选择性、创造性0.2 重要性占用资源相对少，影响全寿命成本相对高0.3 发展代表作书目0.4 内涵理论：数学严谨方法：能实现概念，理论，经验CAE，数据库，智能化，三个阶段简介：0.4.1 计算机辅助设计0.4.2 优化设计0.4.3 有限元微分差分难繁0.4.4 稳健设计考虑设计的实现过程中的“噪声”0.4.5 虚拟设计模拟真实环境，多感官互交0.4.6 创新设计现代创新方法0.4.7 智能设计知识处理+一般CAD0.4.8 其他设计方法1 CAD考：HTM，填空1.1 概述是技术，工程性很强1.1.1 基本概念和特点CAD: CAE,

2、 CAPP, CAM, CIMS等五大特点：高质量规范、高效、互交、可视化、资源共享1.1.2 发展方向五大趋势：标准、智能、集成、网络、虚拟1.1.3 基本功能和优点六大基本功能：人机互交、几何造型、计算分析、系统仿真、工程绘图、数据管理1.1.4 范畴1.1.5 组成1、 硬件计算机、图形输入设备、输出设备（显示和打印）2、 软件系统软件，支撑软件，应用软件（二次开发）1.1.6 种类按硬件：集中式主机系统、小型机成套系统、微型机CAD系统、分布式网络工程工作站工作方式和功能：检索、派生、互交、智能1.2 基础1.2.1 信息处理1、 数据结构数据元素数据模型（关系型、网络型、层次型；描述

3、理论、方法）2、 设计资料处理程序化、数据库3、 数表处理离散（储存），连续（插值）4、 线图处理公式、离散、插值1.2.2 图形变换1、 坐标系2、 二维变换（齐次坐标）3、 三维变换（齐次坐标）1.2.3 几何造型！离散和曲线、曲面（没有细看，比较复杂）1.3 应用1.4 实例2 优化设计考：计算，填空（有习题）2.1 概述2.2 一维优化2.2.1 区间进2退1/4，加倍2.2.2 试探法黄金分割0.618内缩对称补点，黄金分割2.3 无约束优化2.3.1 坐标轮换（有习题？）欧了2.3.2 牛顿（有习题）迭代为：2.4 约束优化2.4.1 遗传方法：1、 构造染色体（编码）010101

4、2、 随机产生初始群010101，1100113、 计算每个染色体适应度4、 复制（优胜劣汰）适应度排序，计算下一代比例5、 交叉编码互换片段，检查是否已存在。0100116、 变异随机确定某染色体的某段基因，0-1互换（取反），检查是否已存在。1101117、 重复36，直到结束区别：1、 多点2、 利用目标函数，而不用导数等3、 编码而不是参数本身4、 概率性逼近而不是确定性逼近相似的启发式：粒子群、神经网络2.4.2 罚函数（有习题）建立罚函数（新的目标函数）：（罚因子、罚函数、惩罚项）内点，罚因子等比C变小（常用0.10.5），只能不等式，初值在可行域内，r0重要（150）。（有习题）

5、或外点，罚因子等比C变大，可以等式或不等式。（有习题），C=510混合，按内点取罚因子2.4.3 复合形凸可行域情况下1、 初顶点a. 设计N个b. 设计1个，发散，检查可行性，向中心收拢2、 评价顶点3、 除最坏点外的几何中心4、 最坏点映射或次坏点映射不行的话用5、 收敛判断和循环2.5 多目标优化2.5.1 问题提出2.5.2 主要目标法一个为优化目标，其余为不等约束（限制范围，而不是取最小）2.5.3 统一目标法线性加权2.6 应用3 有限元设计考：计算，填空3.1 基本思想与应用另一种数值微积分；离散，线性，矩阵技巧3.2 弹性力学有限元基本理论3.2.1 基本假设1、 连续2、 完

6、全弹性3、 各向同性4、 均匀5、 微小6、 无初应力3.2.2 基本方程：1、 平衡方程Where：；（体积力，表面力）2、 几何方程Where：，形函数，节点的位移阵列3、 物理方程Where：4、 边界条件都给力，都给位移，给位移和力。（共3个方向）3.2.3 基本原理1、 虚位移原理2、 最小势能原理3.2.4 X1、 ，几何矩阵，应力矩阵2、Where：变分（求导）后：3.3 弹性力学有限元一般方法（有习题）3.3.1 结构离散化3.3.2 单元位移模式和形函数3.3.3 构造刚度矩阵，代入最小势能方程Where：3.3.4 坐标转换可以在局部坐标系中列出上述方程，然后转换为全局坐标

7、。则：Where：3.3.5 总方程先按构造，将按位置放上去，有重合的就加上。亦然（内力不计，集中外力直接加上，分布外力未说、未看）。代入最小势能方程：变分（求导）：3.3.6 边界条件（1） i位移已知，将K中对应对角元素为1、其他元素为0，r元素为：（2） 位移已知，将对应对角元素乘以大数a，r中同行元素乘以a*c3.3.7 解出边界处理过的矩阵方程后：将代入原方程，求解外力；将代入、，求解应变；将代入、，求解应力。3.4 若干问题3.4.1 模型有效性确认1、 误差2、 性能指标（1） 可靠性（2） 精确性（3） 鲁棒性（4） 计算成本经济性（5） 通用软件规范性3.4.2 缩小解题规模

8、常用措施（有习题）1、 对称和反对称性2、 周期性3、 降维和几何简化4、 子结构5、 线性化近似6、 多工况合并处理3.5 软件介绍4 稳健设计考：填空，等4.1 基本概念（有习题：机械产品设计一般步骤，稳健设计在机械中的应用）该章节中，容差似乎和公差密切相关，不知道参考文献和翻译问题如何。4.1.1 基本概念设计参数在实施时的误差也考虑在内4.1.2 现代稳健设计方差和偏差减少方差更难。一般步骤：（1） 建模。确定产品的指标体系，建立可控与不可控因素对产品质量影响的质量设计模型，该模型应能充分显示各功能因素变差对产品质量特性的影响。（2） 物理、仿真试验和/或数学分析。对稳健设计模型进行试

9、验设计和数值分析模拟计算，获取质量特性的可靠分析数据。（3） 寻优。寻找稳健优化解或稳健设计解，获得稳健产品的设计方案。4.1.3 工程分析4.2 质量信息和分析方法（有习题：不同模型的应用范围和特点）4.2.1 产品的质量4.2.2 质量因素和质量特性值4.2.3 质量特性的评价指标4.3 基于质量损失的稳健设计（有习题：不同模型的应用范围和特点）质量损失模型基于信噪比和正交试验物品间、外、内噪声参数设计（可控因素）和容差设计（成本·质量问题）4.4 基于响应面模型的稳健设计（有习题：不同模型的应用范围和特点）基于实验（物理或仿真）多变量问题试验为基础，统计处理技术三个阶段：因素筛

10、分（试验：物理-中心；仿真-正交）、寻域（线性拟合）、优化（响应面）4.5 基于容差模型的稳健设计（有习题：不同模型的应用范围和特点）容差和分布律，信噪关系名义变量已知，求容差有约束优化问题4.6 基于随机模型的稳健设计（有习题：不同模型的应用范围和特点）可控和不可控随机变量，优化函数变量为随机变量4.7 基于成本·质量模型的稳健设计（有习题：不同模型的应用范围和特点）容差成本模型，制造和质量损失都考虑低成本高质量兼顾由成本（容差）定质量；由质量定成本（容差）5 虚拟设计考：填空5.1 虚拟设计和虚拟现实技术5.1.1 习题1概念：计算机系统。自然互交，多感官（视、听、触等）。创建和

11、体验虚拟世界。特征：多感知性，沉浸感组成：互交作用，视听触嗅5.2 虚拟现实技术的体系结构主要是定性；虚拟与现实（人、环境等）的互交、叠加等5.2.1 习题25.2.2 习题3结构：分类：5.3 虚拟现实硬件基础新型输入输出设备，昂贵设备等5.4 虚拟设计/制造系统的体系结构继承了CAD，强化了可视化，增加了其他感知，可以实现虚拟装配等5.4.1 习题5硬件基础：5.4.2 习题45.5 虚拟设计建模基础主要是几何和图5.5.1 习题6环境：5.5.2 习题7 5.5.3 习题8图像，投影序列图像，特征匹配（插补整合），边缘平滑处理（加权），缝合（重渲染） 图像贴在几何模型上，降低几何模型成本

12、5.5.4 习题96 创新设计填空6.1 创新方法与TRIZ创新问题解决方法TRIZ；核心思想6.1.1 创造性思维理论、发散、逆向、侧向6.1.2 创新方法传统：试错、扁平商议、分解组合6.1.3 TRIZ产生和发展6.1.4 基本内容1、 核心思想（1） 技术系统不断遇到难题，不断进步（2） 难题反复出现，可以解决，往往最有效的方法来自其它领域（3） 技术分理想状态是最小消耗最大收益2、 理论主要内容3、 基本概念6.2 设计冲突及其消解6.2.1 设计中的冲突6.2.2 技术冲突及解决1、 39个通用参数物理、技术正向、技术负向2、 40条创新原理1） 分割2） 抽取、提取3） 局部质量

13、（过渡）4） 非对称5） 合并6） 多功能7） 嵌套8） 质量补偿9） 预加反作用（物理层）10） 预操作（操作）11） 预防（增加可靠性）12） 等势（例如，高度）13） 反向作用14） 曲面化（离心力）15） 动态（各阶段都佳）16） 过量或不足作用（不是正好）17） 增加纬度（上下铺）18） 机械震动（利用共振等）19） 周期性20） 连续有效工作21） 快速通过22） 变害为利23） 反馈24） 中介、媒介25） 自服务（潜艇自制淡水）26） 复制、廉价替代27） 一次性用品28） 其它领域替代（部分）机械功能29） 气动、液压30） 软壳、薄膜（隔离）31） 多孔32） 颜色、变色33） 同质（或相近，成套设备）34） 抛弃和自动再生（来补偿抛弃部分）35） 改变特性36） 相变37） 热膨胀38） 加速氧化（还原呢？）39） 惰性介质40） 复合材料3、 矛盾矩阵将39个通用参数和40条发明原理对应6.2.3 物理矛盾及解决核心技：冲突双方的分离1、 空间分离2、 时间分离3、 条件分离4、 总体与部分（宏观与微观）7 智能设计填空7.1 概述CAD完成基于数学模型的计算；智能设计完成基