现代设计方法总复习

1、现代设计方法现代设计方法期末复习期末复习设计方法学设计方法学+ +绪论绪论l 设计系统、技术系统设计系统、技术系统概念概念了解了解l 工业产品设计特征工业产品设计特征P2P2l 现代设计的特点：两个现代设计的特点：两个P5-7P5-7l 产品设计过程产品设计过程P21P21l 产品设计类型产品设计类型P27P27l 评价决策评价决策P P7 77 7工业产品设计特工业产品设计特征征l 需求特征需求特征l 创造性特征创造性特征l 程序特征程序特征l 时代特征时代特征现代设计的特点现代设计的特点l 以计算机技术为核心以计算机技术为核心l 以设计理论为指导以设计理论为指导产品设计的类型产品设计的类型

2、l 开发性设计开发性设计l 适应性设计适应性设计l 变型设计变型设计设计系统概念设计系统概念设计产品设计产品设计任设计任务要求务要求设计设计工具工具设计设计人员人员设计系统：设计系统：信息处理系统信息处理系统政策政策法规法规反馈信息反馈信息输入输入信息信息市场需求市场需求设计知识、方法设计知识、方法技术资料技术资料市场需求市场需求设计知识、方法设计知识、方法技术资料技术资料设计设计结果结果产品数据产品数据图纸图纸技术说明技术说明产品数据产品数据图纸图纸技术说明技术说明设计系统模型设计系统模型分分析析综综合合评评价价决决策策产品规划产品规划方案设计方案设计技术设计技术设计施工设计施工设计时间时间

3、逻辑逻辑方法方法形态综合法形态综合法评分法评分法时间维时间维反应按反应按时间顺序时间顺序的设计工作阶段的设计工作阶段逻辑维逻辑维解决问题的解决问题的逻辑步骤逻辑步骤方法维方法维设计过程中的各种设计过程中的各种思维方法和工作方法思维方法和工作方法产品方案设计基本思路产品方案设计基本思路明确设计要求明确设计要求求总功能求总功能总功能分解为功能元总功能分解为功能元求功能元解求功能元解原理解组合原理解组合评价与决策评价与决策最佳原理与方案最佳原理与方案设计要求表设计要求表黑箱法黑箱法功能树、功能结构图功能树、功能结构图创造性方法、目录法，创造性方法、目录法，调查分析法调查分析法形态学矩阵法形态学矩阵法

4、各种评价方法各种评价方法分析分析综合综合评价评价决策决策P34设计系统也是技术系统设计系统也是技术系统技术系统技术系统（黑箱）（黑箱）物料物料能量能量信号信号物料物料能量能量信号信号输输入入输输出出环境对系统的干扰环境对系统的干扰系统对环境的影响系统对环境的影响环境环境技术过程技术过程是在是在人人技术系统技术系统环境环境这一大的系统完成这一大的系统完成产品的方案设计产品的方案设计黑箱法黑箱法待设计系统待设计系统（黑箱）（黑箱）物料物料能量能量信号信号物料物料能量能量信号信号输输入入输输出出环境对系统的干扰环境对系统的干扰系统对环境的影响系统对环境的影响环境环境总功能求解总功能求解黑箱模型黑箱模

5、型P37加权系数集加权系数集naaaA,21加权综合模糊评价集加权综合模糊评价集mbbbAB,21R模糊评价模糊评价多目标问题多目标问题mxxxX,21评价集评价集nyyyY,21评价目标集评价目标集方案方案n n个评价目标的模糊评价矩阵个评价目标的模糊评价矩阵nmnnmmnrrrrrrrrrRRR21222211121121RP77优化的数学模型：pmmjXhmjXgtsDxxxXXFjj,.,2, 1, 0)( ,.2 , 1, 0)(. .,., )(min 321无约束）正定()( , 0)(*XHXF)()( )()1(kkkkSXX解析法数值法库恩塔科条件（有约束）一维无约束优化黄

6、金分割法多维无约束优化 最速下降法牛顿法 共轭梯度法多维约束优化 直接法间接法：罚函数法优化设计的数学模优化设计的数学模型型,.,2, 1, 0)(;,.2 , 1, 0)(|)(minpmmjXhmjXgXDRDXXFjjnpmmjXhmjXgtsXFjj,.,2, 1, 0)(;,.2 , 1, 0)(. .)(min或或“s.t”s.t”表示表示“subject to”subject to”受制于受制于三要素：三要素： 设计变量、约束条件、目标函数设计变量、约束条件、目标函数目标函数的无约束极值条件目标函数的无约束极值条件则则 点为极值点。若点为极值点。若 的偏导数在的偏导数在 点连点连

7、续，则必有续，则必有M)(XFM0)()(MXFnixF,.,2 , 1, 01即即若目标函数若目标函数 在在 点的领域点的领域连续，且恒有连续，且恒有),.,()(21nxxxFXFM)()()(XFXFM或或)()()(XFXFM 必要条件必要条件充分条件充分条件由泰勒展开式，对于极值点由泰勒展开式，对于极值点 ，有，有M)(21)()()()(2)()(MMTMMXXXFXXXFXF0)()()(MXFXF由极值点的性质，若在由极值点的性质，若在 点的领域内，恒有点的领域内，恒有M或或0)()()(2)(MMTMXXXFXX则则 点为极小值点，此时海塞矩阵正定点为极小值点，此时海塞矩阵正

8、定MKuhn-TuckerKuhn-Tucker最优胜条件最优胜条件 pmmjhmjgtsRFjjn, 2, 10)(, 2 , 10)(. .)(minXXXX的约束极值点，且在全部等式约束及不等式约束条件中共有的约束极值点，且在全部等式约束及不等式约束条件中共有q q个约束条个约束条件为起作用约束，即件为起作用约束，即 ( (i ij j，i i+ +j j = 1,2,= 1,2,q q p p) )。如果在如果在X X* *处诸起作用约束的梯度向量处诸起作用约束的梯度向量 、 ( (i i+ +j j = 1,2,= 1,2,q q 1罚因子为递减，递减率罚因子为递减，递减率0c10c

9、16 6初始罚因子数值要适当初始罚因子数值要适当初始罚因子数值要适当初始罚因子数值要适当5 5一般收敛较快一般收敛较快一般收敛较慢一般收敛较慢4 4仅最优解为可行设计方案，仅仅最优解为可行设计方案，仅一个方案一个方案迭代过程中，各个优化点均可作迭代过程中，各个优化点均可作为可行设计方案，有多个方案为可行设计方案，有多个方案3 3对等式约束和不等式约束均适对等式约束和不等式约束均适用用不适于等式约束不适于等式约束2 2可以任选可以任选初始点必须为严格内点初始点必须为严格内点1 1外点法外点法内点法内点法项目项目惩罚函数思想，内点法外点法的特点惩罚函数思想，内点法外点法的特点可靠性设计l 概率分布

10、计算概率分布计算 正态分布、指数分布正态分布、指数分布l 系统可靠性计算系统可靠性计算 串联、并联、表决系统串联、并联、表决系统 等分配法等分配法l 可靠性数量指标的概念和计算可靠性数量指标的概念和计算 可靠度、失效概率密度函数、失效率、浴盆曲线可靠度、失效概率密度函数、失效率、浴盆曲线l 可靠性设计原理（应力可靠性设计原理（应力- -强度干涉模型）强度干涉模型）l 机械强度的可靠性计算机械强度的可靠性计算可靠性评定的数量指标可靠度、可靠度、失效概率密度函数失效概率密度函数 设有设有N N台相同的设备，在规定的工作条件下和规台相同的设备，在规定的工作条件下和规定的时间内，工作定的时间内，工作t

11、 t时刻，有时刻，有n n( (t t) )个失效，其余个失效，其余N N- -n n( (t t) )个仍正常工作，其可靠度的估计值为个仍正常工作，其可靠度的估计值为NtnNtR)()(失效概率密度函数为单位时间的失效比例失效概率密度函数为单位时间的失效比例dttdRdttdFtf)()()(可靠性评定的数量指标失效率失效率 失效率就是工作到某个时刻尚未失效的产失效率就是工作到某个时刻尚未失效的产品，在该时刻后单位时间内失效的概率，记为品，在该时刻后单位时间内失效的概率，记为dttnNtdnttnNtnttntNt)()()()()(lim)(0有效寿命有效寿命可靠性评定的数量指标随机失效期

12、随机失效期早期失效期早期失效期损耗失效期损耗失效期因维修而下因维修而下降的失效期降的失效期有效寿命有效寿命tt失效过程可划分为三个阶段：失效过程可划分为三个阶段：l 早期失效期早期失效期l 随机失效期随机失效期l 损耗失效期损耗失效期正态分布正态分布222)(21)(xexf位置参数，位置参数，大小决定了曲线的位置，代表分布大小决定了曲线的位置，代表分布的中心倾向，均值的中心倾向，均值形态参数，形态参数，大大小决定正态分布的形状，表征分小决定正态分布的形状，表征分布的离散程度，标准差布的离散程度，标准差概率分布正态分布的概率密度为正态分布的概率密度为适合失效率为常数的情况。适合失效率为常数的情

13、况。概率分布指数分布的平均寿命指数分布的平均寿命与失效率与失效率互为倒数互为倒数1)()(00dtedttRtt指数分布指数分布 tttetFetRtRtftedttdFtf1)()()(为常数时某设备的平均寿命为某设备的平均寿命为2500h2500h，已知设备的失效时间服，已知设备的失效时间服从指数分布，试求设备运转从指数分布，试求设备运转1000h1000h的可靠度是多少？的可靠度是多少？10004. 025001h6703. 0)1000(10000004. 0eetRt失效率失效率可靠度可靠度例应力应力- -强度干涉模型强度干涉模型应力和强度应力和强度P182P182应力和强度的广应力

14、和强度的广义概念（例子）义概念（例子）220srsryPR“可靠度就是强度超过应力的概率可靠度就是强度超过应力的概率” 由正态分布函数的性质可知，由正态分布函数的性质可知， 对正态随对正态随机变量取值范围的覆盖度高达机变量取值范围的覆盖度高达99.73%99.73%，有足够的精，有足够的精度。度。(3(3法则法则) ) 设设maxmax、minmin为某一性能数据的上下限，则其为某一性能数据的上下限，则其统计特征值为统计特征值为 3min)(max21min)(max61材料力学性能统计处理已知汽车某零件的工作应力及材料强度均为正态已知汽车某零件的工作应力及材料强度均为正态分布，且应力的均值分

15、布，且应力的均值 ，标准差，标准差 材料强度的均值材料强度的均值 ，标准差，标准差 试确定零件的可靠度。试确定零件的可靠度。解：解：查表得查表得 (4.05)=0.99997439， (4.06)=0.99997546插值计算得插值计算得R (4.055)=0.9999493055. 4814248085022220ssZMPa180MPas850MPa42MPas81例例系统的可靠度计算nSRRRR21niisniintRtFtRtRtFtFtFtF1121)(1 1)(1)()(1 )()()()(并联系统并联系统串联系统串联系统X1X2X38 . 01R9 . 02R9 . 03R若若，

16、则整个系统的可靠度为，则整个系统的可靠度为 45有限元的基本思想、分析步骤理论基础弹性力学的基本方程虚位移原理有限元法的解题思路平面问题平面问题位移函数、应力应变特点单刚、总刚的特点载荷移置、约束处理两类平面问题两类平面问题轴对称问题特点轴对称问题特点 有限元法的基本思想有限元法的基本思想是是“先分后合先分后合”，即将，即将连续体或结构先人为地分割成许多单元，并认为连续体或结构先人为地分割成许多单元，并认为单元与但与之间只通过节点相联结，力也只通过单元与但与之间只通过节点相联结，力也只通过节点作用。节点作用。 在此基础上，根据分片近似的思想，假定单在此基础上，根据分片近似的思想，假定单元位移函

17、数，利用力学原理推导建立每个单元的元位移函数，利用力学原理推导建立每个单元的平衡方程组；平衡方程组； 再将所有单元的方程组集成表示整个结构力再将所有单元的方程组集成表示整个结构力学特定的代数方程组，并引入边界条件求解。学特定的代数方程组，并引入边界条件求解。有限元法的基本思想有限元的分析步骤l （实体建模）（实体建模）l 结构离散（网格划分）结构离散（网格划分）l 单元分析单元分析l 整体分析（单元组集）整体分析（单元组集）l 添加约束（边界条件、载荷）添加约束（边界条件、载荷）l 求解求解l 验证、整理计算结果验证、整理计算结果前处理、求解、后处理前处理、求解、后处理l 平衡微分方程平衡微分

18、方程反映微分体反映微分体内力内力与与外力外力的关系的关系 l 几何方程几何方程反映弹性体反映弹性体位移位移与与应变应变的关系的关系 l 物理方程物理方程反映反映应力应力和和应变应变的关系的关系弹性力学的基本方程两类平面问题l 平面应力平面应力几何特征几何特征受力特征受力特征举例举例 l 平面应变平面应变几何特征几何特征受力特征受力特征举例举例z平面应力平面应力z平面应变平面应变P214平面应力问题平面应力问题（1）几何特征：）几何特征： 物体的某一方向的尺寸较另外两个方向的尺寸小得多物体的某一方向的尺寸较另外两个方向的尺寸小得多 。（2）载荷特征：）载荷特征： 仅受平行于板面的沿厚度方向均匀分布的面力，且体力仅受平行于板面的沿厚度方向均匀分布的面力，且体力也平行于板面并且不沿厚度变