现代设计方法课件

现代设计方法宁夏大学机械工程学院朱学军ModernDesignMethodologyREVIEW现代设计方法宁夏大学机械工程学院Modern1第一章绪论1.从传统设计到现代设计自动设计综合而言:手工设计静态设计动态设计安全设计优化设计并行设计串行设计定性设计定量设计人类设计经历的阶段直觉设计阶段经验设计阶段半理论半经验设计阶段第一章绪论1.从传统设计到现代设计自动设计综合而言:手22.现代设计的主要特点

系统性:2种体系,即:设计方法学、创造性设计法。

社会性：面向市场、面向社会解决产品生命周期中的问题。

创造性：发散思维、激励创新，获取最优方案，改变品质。

最优化：规划建模，选择方法，定性、定量地寻求最优解。

动态化：多变量、离散化的可靠性设计，逼近实际工况。

宜人性：内在品质实用性与外观质量的艺术性相结合。

智能化：信息的综合运用，高智能化的产品。仿人、仿生

CA化：CAD、CAPP、CAM、CAE、PDMCIMS

第一章绪论2.现代设计的主要特点系统性:2种体系,即:设计方法33.机械产品设计1）现代机械信息网络协调、控制动力学任务机电一体化伺服系统Servosystem:akindofautomaticcontrolsystem,whichcanbeusedtocontroldisplacementorangleofamachine.第一章绪论3.机械产品设计1）现代机械信息网络协调、控制动力学任务43.机械产品设计第一章绪论2）设计类型：开发性设计适应性设计变型设计3）机械产品的设计过程：五个阶段产品规划(概念设计)总体方案设计结构技术设计生产施工设计(工艺设计)改进设计3.机械产品设计第一章绪论2）设计类型：开发性设计适应5第一章绪论4.价值工程（VE）定义：力求以最低寿命周期费用，可靠地实现产品或作业的必要功能，籍以提高其价值，是着重于功能研究的、有组织的活动。中心：功能分析是核心；创造是关键；信息是基础物品的用途、功用，即性能和机能。价值工程追求的是用户所需的必要功能。功能：C=C1+C2（C：寿命周期成本；C1：生产成本；C2：使用成本）寿命周期成本：第一章绪论4.价值工程（VE）定义：力求以最低寿命周6第一章绪论5.并行工程（ConcurrentEngineering——CE）定义：1988年，美国国防部防卫分析研究所（IDA）发表R338报告：

并行工程（CE）是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。

这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品全生命周期（从概念形成到产品报废）中所有的因素，包括质量、成本、进度与用户需求。注：支持过程——包括对制造过程的支持（原材料的获取,中间产品的库存，工艺过程设计，生产计划制定…）和使用过程的支持（产品销售，使用维护，售后服务，产品报废后的处理…）第一章绪论5.并行工程（ConcurrentEng7

CE的核心是产品及其相关过程（加工工艺、装配、检测、质量控制、销售、售后服务…）设计的集成。各活动间的关系可归纳为：串行依赖、并行独立、交互耦合。基本特征主要技术特点产品开发过程的并行重组支持并行设计的群组工作方式

统一的产品信息模型

基于时间的决策

分布式的软、硬环境

开放式的系统界面缩短新产品开发周期40～60%；提高设计质量（早期生产中工程变更次数减小一半以上，产品报废及反复工作减小75%）；制造成本下降30～40%。CE的效益5.并行工程（ConcurrentEngineering——CE）CE的核心是产品及其相关过程（加工工艺、装配8第二章设计方法学1.主要研究内容

设计方法学是用系统观点研究产品的一般设计进程、设计规律、设计思维、工作方法、设计工具的综合性学科。

对具体的产品设计而言，具有方法论的性质。目的是指导设计师应用先进的设计方法开发、创新，设计出高性价比的产品。2.主要研究对象设计对象：能够实现一定技术过程的技术系统。设计进程：设定技术过程、划定技术系统边界、功能分解及求解。设计评价：多目标优化规划——最佳设计方案的确定。设计思维：激发、培养创新思维的能力和方法。设计工具：信息集约——Database，调用、参考。现代设计理论和方法应用：完善方法论，推广、应用。第二章设计方法学1.主要研究内容设计方法学是用9第二章设计方法学3.技术系统的一般性定义技术系统：针对作业对象,完成某种技术过程的支持系统。作业对象：物料(Materiel)、能量(Energy)、信息(Information)。举例：坯料是作业对象；加工中心是技术系统；加工是技术过程。4.技术过程的确定；5Steps分析作业对象及其转换要求；分析实现转换的工作原理；明确实现技术过程的环境和约束条件；明确主要技术过程和其他辅助过程；划定技术系统的边界（工作范围）。第二章设计方法学3.技术系统的一般性定义技术系统：针对10第二章设计方法学5.技术系统的功能单元技术系统所具有的功能，是完成技术过程的根本特性。作业单元：转换的实现；控制单元：采集、处理并输出控制信息；动力单元：能量的转换、传递、分配；检测单元：反馈信息；结构单元：系统各部分的联接、支承。6.其他环节信息集约：产品生命周期相关环节所需信息的集成、分配、共享；调研预测：市场、技术、社会环境、企业内部；设计可行的依据；可行性报告：系统化产品设计的初步开发依据。第二章设计方法学5.技术系统的功能单元技术系统所具有的11第二章设计方法学7.典型系统化设计的综合过程并行设计组技术、经济社会目标评价最优方案信息集约调研预测可行性报告功能分析功能元求解方案综合组合方案第二章设计方法学7.典型系统化设计的综合过程并行设计12第三章优化设计1.最优化与优化设计最优化的概念

使问题的解决在一定程度上达到无可争议的完善化。优化设计

以计算机为工具，运用数学规划理论寻求复杂设计问题最佳方案的现代设计方法。优化设计的主要内容•分析对象，建立正确的数学模型；•选择适当的优化方法，应用计算机求解。第三章优化设计1.最优化与优化设计最优化的概念优13第三章优化设计

构成模型的三大要素：•设计变量：在设计过程中需不断修正、一直处于变化状态的基本参数，直接决定设计质量。•约束条件：一个可行设计必须满足的限制条件。按性质分为：性能约束；侧面约束（边界约束）按表达式分为：等式约束；不等式约束•目标函数：使设计得以优化的函数，又称评价函数。2.优化设计的数学模型第三章优化设计构成模型的三大要素：2.优化设计的数14第三章优化设计3.求解优化设计问题的基本方法4.优化设计的迭代终止准则解析解法：利用微分或变分法求解精确理论解数值解法：利用数学规划理论求解•中心思想：搜索，迭代，逼近•迭代公式：近似解第三章优化设计3.求解优化设计问题的基本方法4.优化15第三章优化设计5.偏导数、方向导数、梯度

偏导数（；）：是目标函数沿某一坐标轴方向函数值的变化率。

方向导数（）：是目标函数在设计空间任意点p处，沿任意方向S的函数值变化率。

梯度（）：•是由目标函数一阶偏导数组成的列向量；•是等值线上某点处法线方向，也是方向导数取最大值的方向；•是目标函数值变化最快的方向。第三章优化设计5.偏导数、方向导数、梯度偏导数（16第三章优化设计5.偏导数、方向导数、梯度梯度、方向导数的关系示例：求在处的梯度和方向导数的最大值。

第三章优化设计5.偏导数、方向导数、梯度梯度、方向17第三章优化设计6.无约束求取极值的充要条件必要条件：充分条件：正定即：要求HESSIAN矩阵的行列式，各阶主子式的值大于零。例：求的极小值。正定且故第三章优化设计6.无约束求取极值的充要条件必要条件18第三章优化设计7.凸集、凸函数和凸规划

定义：对任意的一个集合R，若且有时，等式，则称R为一凸集。几何意义：任意集合R中，若任意两点连线上的所有元素均属于集合R，则称R为一凸集。凸集：第三章优化设计7.凸集、凸函数和凸规划定义：对任意19第三章优化设计7.凸集、凸函数和凸规划

函数凸性的判断：利用不等式判断：若Rn为凸集，有任意的x1∈Rn，x2∈Rn，且不等式恒成立，则f(x)是定义在Rn上的凸函数。若成立，则f(x)是严格凸函数。利用Hessian矩阵判断：若Rn为凸集，f(x)具有连续二阶偏导数，且H(x)半正定（即:H(x)各阶主子式的值均大于等于0），则f(x)是定义在Rn上的凸函数。若Hessian矩阵H(x)正定（即H(x)各阶主子式的值均大于0），则f(x)是定义在Rn上的严格凸函数。第三章优化设计7.凸集、凸函数和凸规划函数凸性的判20第三章优化设计★例：试判断是否为凸函数，其中7.凸集、凸函数和凸规划凸规划：目标函数、约束函数都是定义在凸集上的凸函数，该优化规划称为凸规划。凸规划的任一局部最优解即为全局最优解。第三章优化设计★例：试判断是否为凸函数，其中7.凸21第三章优化设计8.区间消去法原理：确定搜索区间的外推法一维搜索方法：试探法（0.618法）、插值法（二次）第三章优化设计8.区间消去法原理：确定搜索区间的外推22第三章优化设计9.（一阶）梯度法：最速下降法第三章优化设计9.（一阶）梯度法：最速下降法23第三章优化设计10.共轭梯度法1）共轭方向的基本性质2）共轭梯度法的主要特点第三章优化设计10.共轭梯度法1）共轭方向的基本性24第三章优化设计11.Newton法：对二次型函数一次收敛算法步骤第三章优化设计11.Newton法：对二次型函数一次收25第三章优化设计12.变尺度法：拟Newton法第三章优化设计12.变尺度法：拟Newton法26第三章优化设计13.复合形法基本思想：在可行域中，构造具有k个顶点的复合形（）通过顶点函数值的比较，采用反射、延伸、收缩、压缩等搜索策略，改变复合形的形状，逼近约束最优解。算法特点：是单纯形发的扩展，适用于不等式约束下的优化规划求解；属于直接算法；仅利用顶点函数值的信息进行寻优，算法简单；不需要进行一维搜索，存储量少，收敛速度较慢；第三章优化设计13.复合形法基本思想：27第三章优化设计14.罚函数法将有约束优化问题转化为一系列无约束优化问题进行求解。（SequentialUnconstrainedMinimizationTechnique-SUMT）算法思想：算法类型：外点法（外惩法）内点法（内惩法）第三章优化设计14.罚函数法将有约束优化问题28第四章可靠性设计一、相关基础概念1.可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。环境约束温度、介质、负载时变随机事件技术指标精度、稳定性2.可靠度：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。是产品可靠性的概率度量：Reliability第四章可靠性设计一、相关基础概念1.可靠性：产品在规定的29第四章可靠性设计一、相关基础概念3.可靠性设计的特点由设计决定产品固有的可靠度（R的分配、预测）将设计变量视为随机变量并用分布函数进行描述、计算以强度大于应力法则来度量可靠性指标用安全度或失效率定量描述产品的可靠性第四章可靠性设计一、相关基础概念3.可靠性设计的特点由设30第四章可靠性设计4.失效率：λ(t)失效率曲线与失效类型

（1）早期失效期为递减型。主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、起动不当等人为因素造成。使产品失效率达到偶然失效期的时间t0称为交付使用点。（2）偶然失效期为恒定型。主要由非预期的过载、误操作、偶然因素所造成。偶然失效期是能有效工作的时期，称为有效寿命。（3）耗损失效期，失效率是递增型。是由产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的，故称为耗损失效期。第四章可靠性设计4.失效率：λ(t)失效率曲线与失效类型31第四章可靠性设计5.平均寿命：MeanLife

一批产品从投入运行到发生失效的平均工作时间。

MTTF：不可修复产品；从开始使用到发生失效的平均时间

MTBF：可修复产品；相邻两次故障间工作时间的平均时间6.维修度：Maintainability

规定条件下使用的产品，在规定时间内按规定程序和方法维修，保持或恢复到规定功能状态的概率。7.有效度：Availability

可修复产品，维持其功能在正常工作状态的概率。第四章可靠性设计5.平均寿命：MeanLife32第四章可靠性设计二、常用分布函数：指数分布当时，产品寿命的密度函数

其分布函数F(t)与可靠度R(t)分布为

这个分布函数为指数分布，它的数学期望（即：均值）为：结论：若产品寿命服从指数分布，其平均寿命为失效率的倒数第四章可靠性设计二、常用分布函数：指数分布当33第四章可靠性设计三、应力-强度干涉模型0应力-强度干涉模型σδg(δ)f(σ)f(σ)g(δ)干涉区第四章可靠性设计三、应力-强度干涉模型0应力-强度干涉模34第四章可靠性设计四、可靠度计算现考虑整个应力区间内的情况，有强度大于应力的概率（可靠度）为当已知应力和强度的概率密度函数时，根据以上表达式即可求得可靠度。若强度、应力符合正态分布N(μ,σ)联结方程第四章可靠性设计四、可靠度计算现考虑整个应力区间内的情35第四章可靠性设计四、可靠度计算结论：零件的安全度由可靠度和平均安全系数综合表征。例：某发动机零件，其强度、应力服从正态分布，即：δ=N（820，80），σ=N（350，40），单位为Mpa，试求该零件的安全度。解：可靠性系数查表可知：此外，零件的平均安全系数：有：第四章可靠性设计四、可靠度计算结论：零件的安全度由可靠度36第四章可靠性设计五、系统的可靠性预测根据串联系统的定义及逻辑框图，其数学模型为：式中Rs(t)——系统的可靠度；Ri(t)——第i个单元的可靠度。(一)串联系统的可靠度计算

组成系统的所有单元中任一单元的故障就会导致整个系统故障的系统称串联系统。它属于非贮备可靠性模型，其逻辑框图如图所示。

123n……第四章可靠性设计五、系统的可靠性预测根据串联系统的定义及37第四章可靠性设计若各单元的寿命分布均为指数分布，即

式中λs——系统的故障率；λi——各单元的故障率。例：由4个单元串联组成的系统，单元的可靠度分别为：RA=0.9

RB=0.8

RC=0.7

RD=0.6,求系统的可靠度

RS

RS=0.90.80.70.6=0.3024第四章可靠性设计若各单元的寿命分布均为指数分布，即例：由38第四章可靠性设计五、系统的可靠性预测纯并联系统可靠度：RS=1(1Ri)=1(10.9)³=10.1³=0.9992/3表决系统可靠度为：RS=3R²2R³=3²0.9²=0.972

一般公式：n中取k系统的可靠度可按二项式分布计算R(t)=Pn(i)=CniRiFn-i第四章可靠性设计五、系统的可靠性预测纯并联系统可靠度：39第四章可靠性设计六、故障树分析

——故障树是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，它用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。

——“底事件”是导致其故障的原因事件，位于所讨论故障树底端。“结果事件”是由其它事件或事件组合所导致的事件。它总是位于某个逻辑门的输出端。故障树的建立步骤：1）熟悉并分析对象；2）选定顶事件；3）故障树的构造与简化；4）计算分析；5）评价改进。第四章可靠性设计六、故障树分析40第四章可靠性设计六、故障树的定性分析目的

寻找顶事件的原因事件及原因事件的组合（最小割集）发现潜在的故障发现设计的薄弱环节，以便改进设计指导故障诊断，改进使用和维修方案割集、最小割集概念割集：故障树中一些底事件的集合，当这些底事件同时发生时，顶事件必然发生；最小割集：若将割集中所含的底事件任意去掉一个就不再成为割集。第四章可靠性设计六、故障树的定性分析目的41第四章可靠性设计可靠性和可靠度的基本概念：三个规定；能力；概率可靠性设计的特点：4个方面指数分布：偶然失效期内，平均寿命是失效率的倒数。应力-强度干涉模型:广义概念零部件可靠度计算:正态分布；联结方程求解统计指标：可靠度、累计失效概率、失效率、平均寿命系统可靠性预测:串联、并联、表决系统可靠度计算故障树分析:故障树、最小割集、最小路集的概念故障树分析:故障树的定性分析和定量计算第四章可靠性设计可靠性和可靠度的基本概念：三个规定；能42第五章有限元法一、有限元法的应用：工程领域1.平衡或稳态问题就机械设计而言,主要是应力集中问题，如压力容器、复合材料、联动机构和齿轮的应力分析（P89之图5-3：轮齿）2.特征值问题是指结构的自然频率、振型以及稳定性等问题（P89之图5-4：汽轮机叶片自振特性分析）3.瞬态问题是指动载荷作用下的断裂、应力波传播、结构对非周期性载荷的响应等（P89之图5-5：流体的流线分布）第五章有限元法一、有限元法的应用：工程领域1.平衡或稳43二、FEM的基本步骤3.确定单元刚度系数，建立单元平衡方程4.集成总体平衡方程5.计入边界条件，解方程6.后处理计算：依据结点场变量的解，计算其他相关变量。1.单元划分：

依据基本场变量与坐标的关系，选择合适的单元，将求解域离散成为仅靠结点相联接的有限个单元体。2.确定插值函数（形函数）Ψ：形函数矩阵，与单元形状和插值形式有关形函数矩阵分量的数目应与单元的结点自由度数相同。二、FEM的基本步骤3.确定单元刚度系数，建立单元平衡方程44三、总刚度矩阵的特性3.奇异性：计入边界条件前，K为奇异矩阵。1.对称性：4.对角线元素Kij为正。2.稀疏性：非零元素呈带状分布带宽B=（相邻节点号的最大差值D+1）*2三、总刚度矩阵的特性3.奇异性：计入边界条件前，K为奇异矩45第五章有限元法四.前置处理前置处理是在用有限元法进行结构分析之前，按所使用的单元类型对结构进行剖分；根据要求对结点进行顺序编号；输入单元特性及结点坐标；生成网格图象并显示。五．后置处理（1）数据输出：将结点位移、单元应力按用户的要求输出规格化的数据文件。（2）图形显示：包括有限元网格图、结构变形图、等值线图以及振型图等。第五章有限元法四.前置处理五．后置处理（2）图形显示：46第五章有限元法有限元法的应用领域：平衡或稳态、特征值、瞬态问题单元刚度系数的概念；整体刚度矩阵的特点（4个）FEM的基本求解步骤（6steps）带宽的概念与简单应用（P1105-3）有限元软件：前处理的主要功能形函数的概念与特点（2个）有限元软件:后处理的主要内容第五章有限元法有限元法的应用领域：平衡或稳态、特征值、47第六章机械动态设计一、机理建模（有限元法）1.基本思想结构离散化虚功移置、最小势能原理单元动力方程公共结点位移相同组集系统动力方程引入边界条件系统动态数学模型2.单元动力学方程的建立虚功移置：原载荷与结点载荷在任意虚位移上所做的功相等最小势能：所有可能位移场中，真实位移场的总势能最小第六章机械动态设计一、机理建模（有限元法）1.基本思想48第六章机械动态设计3.整体结构动力学方程的建立基础：单元动力学方程的转换与组集。坐标转换：局部坐标系转换为整体坐标系，方向余弦矩阵码转换：局部码转换为总码4.边界条件处理：消除刚度矩阵的奇异性5.特征值问题的求解：机械结构固有频率和振型的获取结构特征值，可获取不同阶次的固有频率反映结构按某固有频率振动时的空间形态，振型、模态第六章机械动态设计3.整体结构动力学方程的建立基础：单49第六章机械动态设计脉冲激励测验（锤击试验）FrequencyDistanceAmplitudeBeam一阶模态二阶模态三阶模态ForceForceForceForceForceForceForceForceForceForceForce方法:Responsemeasuredatonepoint（在一点测试响应）Excitationofthestructureatanumberofpoints（用带传感器的锤头在不同的点激励）FrequencyDomainView确定结构的模态计算激励点和测点的频响函数ForceModalDomainViewAcceleration第六章机械动态设计脉冲激励测验（锤击试验）Frequen50第七章计算机辅助设计1.CAD的特点第七章计算机辅助设计1.CAD的特点51第七章计算机辅助设计2.CAD的发展趋势参数化智能化三维化集成化网络化标准化硬件大型主机智能终端小型机（TurnKeySystem）工作站微机网络化软件线框系统曲线曲面造型实体造型技术参数化特征造型变量化创新协同设计模块化，专业分工PLM：产品生命周期管理第七章计算机辅助设计2.CAD的发展趋势参数化硬件52第七章计算机辅助设计3.软件组成满足需要模块化易用性开放性二次开发能力文件接口丰富常用外设支持公司背景技术支持应用软件系统软件第七章计算机辅助设计3.软件组成满足需要应用软件系统软53第七章计算机辅助设计4.数据结构（Database内数据的组织方式）1）层次型描述零部件各参数之间的耦合关系；树型组织结构；一对多。2）网络型多对多；层次型数据结构是网络型的特例。3）关系型用集合论中的n维数组表示数据存储方式：顺序存储、链式存储。第七章计算机辅助设计4.数据结构（Database内数54第七章计算机辅助设计5.数据库与工程数据库系统1）Database系统的特点数据共享；数据存储结构化；数据的独立性；数据保护。2）DBMS是DBS的核心，是用户与数据库之间的接口。帮助用户建立、使用和维护数据库；实现对数据库的安全性、完整性、并发性控制。第七章计算机辅助设计5.数据库与工程数据库系统1）Da55第七章计算机辅助设计5.数据库与工程数据库系统3）工程数据库系统工程数据分析管理型数据：数据间关系分明、数据相对稳定、语义一致；设计型数据：数据呈动态；语义不完全一致；图形数据：动态数据；设计过程中急剧增加；各类软件包：数据具有独立性，必要时可以被激活。EDBMS的特点数据类型的多样性；数据模型的复杂性；数据的动态性；交互式操作方式（OOP）第七章计算机辅助设计5.数据库与工程数据库系统3）工程56第七章计算机辅助设计6.图形处理基础图形输出的基础：屏幕显示、硬拷贝基本图素：矢量图素、像素图素坐标系统：世界坐标系、设备坐标系、NDC窗口：用户坐标系中定义的确定显示内容的区域视区：设备坐标系中定义的矩形区域，输出窗口图形二维图形的裁剪：逐点比较法、双边裁剪法第七章计算机辅助设计6.图形处理基础图形输出的基础：屏57第七章计算机辅助设计7.二维齐次变换矩阵第七章计算机辅助设计7.二维齐次变换矩阵58第八章人工神经元计算ANN是由神经元广泛互连构成的常用的有以下几种：前向网络：前向网络又称为前馈网络。神经元分层排列，分别组成输入层、中间层和输出层。每一层神经元只接收来自前一层神经元的输入。输入信息经各层变换后，最终在输出层输出。1.ANN分类第八章人工神经元计算ANN是由神经元广泛互连构成的常59第八章人工神经元计算2.ANN的主要特征(1)能较好地模拟人的形象思维。(2)具有大规模并行协同处理能力。具有较强的容错能力和联想能力。3.主要学习方法(1)有导师学习（SupervisedLearning）(2)无导师学习(UnsupervisedLearning)强化学习(ReinforcementLearning)第八章人工神经元计算2.ANN的主要特征(1)能60第八章人工神经元计算4.人工神经元的学习规则(1)误差纠正学习(2)Hebb学习规则竞争学习5.人工神经原计算的特点样本学习分布式联想记忆容错性与自协调功能第八章人工神经元计算4.人工神经元的学习规则(1)61第八章人工神经元计算6.BP网络建模特点非线性映照能力：神经网络能以任意精度逼近任何非线性连续函数。在建模过程中的许多问题正是具有高度的非线性。并行分布处理方式：在神经网络中信息是分布储存和并行处理的，这使它具有很强的容错性和很快的处理速度。自学习和自适应能力：神经网络在训练时，能从输入、输出的数据中提取出规律性的知识，记忆于网络的权值中，并具有泛化能力数据融合的能力：神经网络可以同时处理定量信息和定性信息，因此它可以利用传统的数值运算和人工智能技术（符号处理）。多变量系统：神经网络的输入和输出变量的数目是任意的，不必考虑各子系统间的解耦问题。第八章人工神经元计算6.BP网络建模特点62第九章遗传算法（1）参数搜索转化为编码搜索；（2）多点并行寻优，全局搜索；

（3）通过目标函数计算适配值，无需其他辅助信息；（4）概率确定寻优规则，高效启发式搜索；（5）适用于大规模、非线性复杂规划的求解。1.遗传算法的主要特点第九章遗传算法（1）参数搜索转化为编码搜索；1.遗传63第九章遗传算法2.SGA基本遗传算法（SimpleGeneticAlgorithms，简称SGA，又称简单遗传算法或标准遗传算法），由Goldberg总结、是其它遗传算法的雏形和基础。（1）编码（产生初始种群）（2）适应度函数（3）遗传算子（选择、交叉、变异）（4）运行参数第九章遗传算法2.SGA基本遗传算法（Simple64第十章智能工程1.智能工程的原则开放性透明性继承性集成性接口智能化便于信息交换软件-用户解释、帮助功能元知识继承、提纯多知识多领域的结合第十章智能工程1.智能工程的原则开放性65第十章智能工程2.IE、AI、ES的区别与联系IE：应用向导的工程学科

面向实际问题求解；知识的操作、控制，接口与协调管理功能至关重要。AI：理论研究导向

智能活动过程的机理；仿人、仿生；模型、算法；收敛速度、精度。ES：专业领域应用

IE的基础；具体问题的决策与解答。第十章智能工程2.IE、AI、ES的区别与联系IE：66第十章智能工程3.什么是专家系统专家系统(ExpertSystem，ES)就是能像人类专家一样解决困难、复杂的实际问题的计算机(软件)系统。专家系统的四个要素：(1)应用于某专门领域。(2)拥有专家级知识。(3)能模拟专家的思维。(4)能达到专家级水平。第十章智能工程3.什么是专家系统专家系统(Exper67第十章智能工程4.专家系统的结构1）知识库(KnowledgeBase,KB)2）推理机(InferenceEngine,IE)3）动态数据库4）人机界面5）解释模块6）知识库管理系统专家系统的概念结构第十章智能工程4.专家系统的结构1）知识库(Kn68现代设计方法宁夏大学机械工程学院朱学军ModernDesignMethodologyREVIEW现代设计方法宁夏大学机械工程学院Modern69第一章绪论1.从传统设计到现代设计自动设计综合而言:手工设计静态设计动态设计安全设计优化设计并行设计串行设计定性设计定量设计人类设计经历的阶段直觉设计阶段经验设计阶段半理论半经验设计阶段第一章绪论1.从传统设计到现代设计自动设计综合而言:手702.现代设计的主要特点

系统性:2种体系,即:设计方法学、创造性设计法。

社会性：面向市场、面向社会解决产品生命周期中的问题。

创造性：发散思维、激励创新，获取最优方案，改变品质。

最优化：规划建模，选择方法，定性、定量地寻求最优解。

动态化：多变量、离散化的可靠性设计，逼近实际工况。

宜人性：内在品质实用性与外观质量的艺术性相结合。

智能化：信息的综合运用，高智能化的产品。仿人、仿生

CA化：CAD、CAPP、CAM、CAE、PDMCIMS

第一章绪论2.现代设计的主要特点系统性:2种体系,即:设计方法713.机械产品设计1）现代机械信息网络协调、控制动力学任务机电一体化伺服系统Servosystem:akindofautomaticcontrolsystem,whichcanbeusedtocontroldisplacementorangleofamachine.第一章绪论3.机械产品设计1）现代机械信息网络协调、控制动力学任务723.机械产品设计第一章绪论2）设计类型：开发性设计适应性设计变型设计3）机械产品的设计过程：五个阶段产品规划(概念设计)总体方案设计结构技术设计生产施工设计(工艺设计)改进设计3.机械产品设计第一章绪论2）设计类型：开发性设计适应73第一章绪论4.价值工程（VE）定义：力求以最低寿命周期费用，可靠地实现产品或作业的必要功能，籍以提高其价值，是着重于功能研究的、有组织的活动。中心：功能分析是核心；创造是关键；信息是基础物品的用途、功用，即性能和机能。价值工程追求的是用户所需的必要功能。功能：C=C1+C2（C：寿命周期成本；C1：生产成本；C2：使用成本）寿命周期成本：第一章绪论4.价值工程（VE）定义：力求以最低寿命周74第一章绪论5.并行工程（ConcurrentEngineering——CE）定义：1988年，美国国防部防卫分析研究所（IDA）发表R338报告：

并行工程（CE）是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式。

这种工作模式力图使开发者从一开始就考虑到产品全生命周期（从概念形成到产品报废）中所有的因素，包括质量、成本、进度与用户需求。注：支持过程——包括对制造过程的支持（原材料的获取,中间产品的库存，工艺过程设计，生产计划制定…）和使用过程的支持（产品销售，使用维护，售后服务，产品报废后的处理…）第一章绪论5.并行工程（ConcurrentEng75

CE的核心是产品及其相关过程（加工工艺、装配、检测、质量控制、销售、售后服务…）设计的集成。各活动间的关系可归纳为：串行依赖、并行独立、交互耦合。基本特征主要技术特点产品开发过程的并行重组支持并行设计的群组工作方式

统一的产品信息模型

基于时间的决策

分布式的软、硬环境

开放式的系统界面缩短新产品开发周期40～60%；提高设计质量（早期生产中工程变更次数减小一半以上，产品报废及反复工作减小75%）；制造成本下降30～40%。CE的效益5.并行工程（ConcurrentEngineering——CE）CE的核心是产品及其相关过程（加工工艺、装配76第二章设计方法学1.主要研究内容

设计方法学是用系统观点研究产品的一般设计进程、设计规律、设计思维、工作方法、设计工具的综合性学科。

对具体的产品设计而言，具有方法论的性质。目的是指导设计师应用先进的设计方法开发、创新，设计出高性价比的产品。2.主要研究对象设计对象：能够实现一定技术过程的技术系统。设计进程：设定技术过程、划定技术系统边界、功能分解及求解。设计评价：多目标优化规划——最佳设计方案的确定。设计思维：激发、培养创新思维的能力和方法。设计工具：信息集约——Database，调用、参考。现代设计理论和方法应用：完善方法论，推广、应用。第二章设计方法学1.主要研究内容设计方法学是用77第二章设计方法学3.技术系统的一般性定义技术系统：针对作业对象,完成某种技术过程的支持系统。作业对象：物料(Materiel)、能量(Energy)、信息(Information)。举例：坯料是作业对象；加工中心是技术系统；加工是技术过程。4.技术过程的确定；5Steps分析作业对象及其转换要求；分析实现转换的工作原理；明确实现技术过程的环境和约束条件；明确主要技术过程和其他辅助过程；划定技术系统的边界（工作范围）。第二章设计方法学3.技术系统的一般性定义技术系统：针对78第二章设计方法学5.技术系统的功能单元技术系统所具有的功能，是完成技术过程的根本特性。作业单元：转换的实现；控制单元：采集、处理并输出控制信息；动力单元：能量的转换、传递、分配；检测单元：反馈信息；结构单元：系统各部分的联接、支承。6.其他环节信息集约：产品生命周期相关环节所需信息的集成、分配、共享；调研预测：市场、技术、社会环境、企业内部；设计可行的依据；可行性报告：系统化产品设计的初步开发依据。第二章设计方法学5.技术系统的功能单元技术系统所具有的79第二章设计方法学7.典型系统化设计的综合过程并行设计组技术、经济社会目标评价最优方案信息集约调研预测可行性报告功能分析功能元求解方案综合组合方案第二章设计方法学7.典型系统化设计的综合过程并行设计80第三章优化设计1.最优化与优化设计最优化的概念

使问题的解决在一定程度上达到无可争议的完善化。优化设计

以计算机为工具，运用数学规划理论寻求复杂设计问题最佳方案的现代设计方法。优化设计的主要内容•分析对象，建立正确的数学模型；•选择适当的优化方法，应用计算机求解。第三章优化设计1.最优化与优化设计最优化的概念优81第三章优化设计

构成模型的三大要素：•设计变量：在设计过程中需不断修正、一直处于变化状态的基本参数，直接决定设计质量。•约束条件：一个可行设计必须满足的限制条件。按性质分为：性能约束；侧面约束（边界约束）按表达式分为：等式约束；不等式约束•目标函数：使设计得以优化的函数，又称评价函数。2.优化设计的数学模型第三章优化设计构成模型的三大要素：2.优化设计的数82第三章优化设计3.求解优化设计问题的基本方法4.优化设计的迭代终止准则解析解法：利用微分或变分法求解精确理论解数值解法：利用数学规划理论求解•中心思想：搜索，迭代，逼近•迭代公式：近似解第三章优化设计3.求解优化设计问题的基本方法4.优化83第三章优化设计5.偏导数、方向导数、梯度

偏导数（；）：是目标函数沿某一坐标轴方向函数值的变化率。

方向导数（）：是目标函数在设计空间任意点p处，沿任意方向S的函数值变化率。

梯度（）：•是由目标函数一阶偏导数组成的列向量；•是等值线上某点处法线方向，也是方向导数取最大值的方向；•是目标函数值变化最快的方向。第三章优化设计5.偏导数、方向导数、梯度偏导数（84第三章优化设计5.偏导数、方向导数、梯度梯度、方向导数的关系示例：求在处的梯度和方向导数的最大值。

第三章优化设计5.偏导数、方向导数、梯度梯度、方向85第三章优化设计6.无约束求取极值的充要条件必要条件：充分条件：正定即：要求HESSIAN矩阵的行列式，各阶主子式的值大于零。例：求的极小值。正定且故第三章优化设计6.无约束求取极值的充要条件必要条件86第三章优化设计7.凸集、凸函数和凸规划

定义：对任意的一个集合R，若且有时，等式，则称R为一凸集。几何意义：任意集合R中，若任意两点连线上的所有元素均属于集合R，则称R为一凸集。凸集：第三章优化设计7.凸集、凸函数和凸规划定义：对任意87第三章优化设计7.凸集、凸函数和凸规划

函数凸性的判断：利用不等式判断：若Rn为凸集，有任意的x1∈Rn，x2∈Rn，且不等式恒成立，则f(x)是定义在Rn上的凸函数。若成立，则f(x)是严格凸函数。利用Hessian矩阵判断：若Rn为凸集，f(x)具有连续二阶偏导数，且H(x)半正定（即:H(x)各阶主子式的值均大于等于0），则f(x)是定义在Rn上的凸函数。若Hessian矩阵H(x)正定（即H(x)各阶主子式的值均大于0），则f(x)是定义在Rn上的严格凸函数。第三章优化设计7.凸集、凸函数和凸规划函数凸性的判88第三章优化设计★例：试判断是否为凸函数，其中7.凸集、凸函数和凸规划凸规划：目标函数、约束函数都是定义在凸集上的凸函数，该优化规划称为凸规划。凸规划的任一局部最优解即为全局最优解。第三章优化设计★例：试判断是否为凸函数，其中7.凸89第三章优化设计8.区间消去法原理：确定搜索区间的外推法一维搜索方法：试探法（0.618法）、插值法（二次）第三章优化设计8.区间消去法原理：确定搜索区间的外推90第三章优化设计9.（一阶）梯度法：最速下降法第三章优化设计9.（一阶）梯度法：最速下降法91第三章优化设计10.共轭梯度法1）共轭方向的基本性质2）共轭梯度法的主要特点第三章优化设计10.共轭梯度法1）共轭方向的基本性92第三章优化设计11.Newton法：对二次型函数一次收敛算法步骤第三章优化设计11.Newton法：对二次型函数一次收93第三章优化设计12.变尺度法：拟Newton法第三章优化设计12.变尺度法：拟Newton法94第三章优化设计13.复合形法基本思想：在可行域中，构造具有k个顶点的复合形（）通过顶点函数值的比较，采用反射、延伸、收缩、压缩等搜索策略，改变复合形的形状，逼近约束最优解。算法特点：是单纯形发的扩展，适用于不等式约束下的优化规划求解；属于直接算法；仅利用顶点函数值的信息进行寻优，算法简单；不需要进行一维搜索，存储量少，收敛速度较慢；第三章优化设计13.复合形法基本思想：95第三章优化设计14.罚函数法将有约束优化问题转化为一系列无约束优化问题进行求解。（SequentialUnconstrainedMinimizationTechnique-SUMT）算法思想：算法类型：外点法（外惩法）内点法（内惩法）第三章优化设计14.罚函数法将有约束优化问题96第四章可靠性设计一、相关基础概念1.可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。环境约束温度、介质、负载时变随机事件技术指标精度、稳定性2.可靠度：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。是产品可靠性的概率度量：Reliability第四章可靠性设计一、相关基础概念1.可靠性：产品在规定的97第四章可靠性设计一、相关基础概念3.可靠性设计的特点由设计决定产品固有的可靠度（R的分配、预测）将设计变量视为随机变量并用分布函数进行描述、计算以强度大于应力法则来度量可靠性指标用安全度或失效率定量描述产品的可靠性第四章可靠性设计一、相关基础概念3.可靠性设计的特点由设98第四章可靠性设计4.失效率：λ(t)失效率曲线与失效类型

（1）早期失效期为递减型。主要由于设计、制造、贮存、运输等形成的缺陷，以及调试、起动不当等人为因素造成。使产品失效率达到偶然失效期的时间t0称为交付使用点。（2）偶然失效期为恒定型。主要由非预期的过载、误操作、偶然因素所造成。偶然失效期是能有效工作的时期，称为有效寿命。（3）耗损失效期，失效率是递增型。是由产品已经老化、疲劳、磨损、蠕变、腐蚀等所谓有耗损的原因所引起的，故称为耗损失效期。第四章可靠性设计4.失效率：λ(t)失效率曲线与失效类型99第四章可靠性设计5.平均寿命：MeanLife

一批产品从投入运行到发生失效的平均工作时间。

MTTF：不可修复产品；从开始使用到发生失效的平均时间

MTBF：可修复产品；相邻两次故障间工作时间的平均时间6.维修度：Maintainability

规定条件下使用的产品，在规定时间内按规定程序和方法维修，保持或恢复到规定功能状态的概率。7.有效度：Availability

可修复产品，维持其功能在正常工作状态的概率。第四章可靠性设计5.平均寿命：MeanLife100第四章可靠性设计二、常用分布函数：指数分布当时，产品寿命的密度函数

其分布函数F(t)与可靠度R(t)分布为

这个分布函数为指数分布，它的数学期望（即：均值）为：结论：若产品寿命服从指数分布，其平均寿命为失效率的倒数第四章可靠性设计二、常用分布函数：指数分布当101第四章可靠性设计三、应力-强度干涉模型0应力-强度干涉模型σδg(δ)f(σ)f(σ)g(δ)干涉区第四章可靠性设计三、应力-强度干涉模型0应力-强度干涉模102第四章可靠性设计四、可靠度计算现考虑整个应力区间内的情况，有强度大于应力的概率（可靠度）为当已知应力和强度的概率密度函数时，根据以上表达式即可求得可靠度。若强度、应力符合正态分布N(μ,σ)联结方程第四章可靠性设计四、可靠度计算现考虑整个应力区间内的情103第四章可靠性设计四、可靠度计算结论：零件的安全度由可靠度和平均安全系数综合表征。例：某发动机零件，其强度、应力服从正态分布，即：δ=N（820，80），σ=N（350，40），单位为Mpa，试求该零件的安全度。解：可靠性系数查表可知：此外，零件的平均安全系数：有：第四章可靠性设计四、可靠度计算结论：零件的安全度由可靠度104第四章可靠性设计五、系统的可靠性预测根据串联系统的定义及逻辑框图，其数学模型为：式中Rs(t)——系统的可靠度；Ri(t)——第i个单元的可靠度。(一)串联系统的可靠度计算

组成系统的所有单元中任一单元的故障就会导致整个系统故障的系统称串联系统。它属于非贮备可靠性模型，其逻辑框图如图所示。

123n……第四章可靠性设计五、系统的可靠性预测根据串联系统的定义及105第四章可靠性设计若各单元的寿命分布均为指数分布，即

式中λs——系统的故障率；λi——各单元的故障率。例：由4个单元串联组成的系统，单元的可靠度分别为：RA=0.9

RB=0.8

RC=0.7

RD=0.6,求系统的可靠度

RS

RS=0.90.80.70.6=0.3024第四章可靠性设计若各单元的寿命分布均为指数分布，即例：由106第四章可靠性设计五、系统的可靠性预测纯并联系统可靠度：RS=1(1Ri)=1(10.9)³=10.1³=0.9992/3表决系统可靠度为：RS=3R²2R³=3²0.9²=0.972

一般公式：n中取k系统的可靠度可按二项式分布计算R(t)=Pn(i)=CniRiFn-i第四章可靠性设计五、系统的可靠性预测纯并联系统可靠度：107第四章可靠性设计六、故障树分析

——故障树是一种特殊的倒立树状逻辑因果关系图，它用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种事件之间的因果关系。

——“底事件”是导致其故障的原因事件，位于所讨论故障树底端。“结果事件”是由其它事件或事件组合所导致的事件。它总是位于某个逻辑门的输出端。故障树的建立步骤：1）熟悉并分析对象；2）选定顶事件；3）故障树的构造与简化；4）计算分析；5）评价改进。第四章可靠性设计六、故障树分析108第四章可靠性设计六、故障树的定性分析目的

寻找顶事件的原因事件及原因事件的组合（最小割集）发现潜在的故障发现设计的薄弱环节，以便改进设计指导故障诊断，改进使用和维修方案割集、最小割集概念割集：故障树中一些底事件的集合，当这些底事件同时发生时，顶事件必然发生；最小割集：若将割集中所含的底事件任意去掉一个就不再成为割集。第四章可靠性设计六、故障树的定性分析目的109第四章可靠性设计可靠性和可靠度的基本概念：三个规定；能力；概率可靠性设计的特点：4个方面指数分布：偶然失效期内，平均寿命是失效率的倒数。应力-强度干涉模型:广义概念零部件可靠度计算:正态分布；联结方程求解统计指标：可靠度、累计失效概率、失效率、平均寿命系统可靠性预测:串联、并联、表决系统可靠度计算故障树分析:故障树、最小割集、最小路集的概念故障树分析:故障树的定性分析和定量计算第四章可靠性设计可靠性和可靠度的基本概念：三个规定；能110第五章有限元法一、有限元法的应用：工程领域1.平衡或稳态问题就机械设计而言,主要是应力集中问题，如压力容器、复合材料、联动机构和齿轮的应力分析（P89之图5-3：轮齿）2.特征值问题是指结构的自然频率、振型以及稳定性等问题（P89之图5-4：汽轮机叶片自振特性分析）3.瞬态问题是指动载荷作用下的断裂、应力波传播、结构对非周期性载荷的响应等（P89之图5-5：流体的流线分布）第五章有限元法一、有限元法的应用：工程领域1.平衡或稳111二、FEM的基本步骤3.确定单元刚度系数，建立单元平衡方程4.集成总体平衡方程5.计入边界条件，解方程6.后处理计算：依据结点场变量的解，计算其他相关变量。1.单元划分：

依据基本场变量与坐标的关系，选择合适的单元，将求解域离散成为仅靠结点相联接的有限个单元体。2.确定插值函数（形函数）Ψ：形函数矩阵，与单元形状和插值形式有关形函数矩阵分量的数目应与单元的结点自由度数相同。二、FEM的基本步骤3.确定单元刚度系数，建立单元平衡方程112三、总刚度矩阵的特性3.奇异性：计入边界条件前，K为奇异矩阵。1.对称性：4.对角线元素Kij为正。2.稀疏性：非零元素呈带状分布带宽B=（相邻节点号的最大差值D+1）*2三、总刚度矩阵的特性3.奇异性：计入边界条件前，K为奇异矩113第五章有限元法四.前置处理前置处理是在用有限元法进行结构分析之前，按所使用的单元类型对结构进行剖分；根据要求对结点进行顺序编号；输入单元特性及结点坐标；生成网格图象并显示。五．后置处理（1）数据输出：将结点位移、单元应力按用户的要求输出规格化的数据文件。（2）图形显示：包括有限元网格图、结构变形图、等值线图以及振型图等。第五章有限元法四.前置处理五．后置处理（2）图形显示：114第五章有限元法有限元法的应用领域：平衡或稳态、特征值、瞬态问题单元刚度系数的概念；整体刚度矩阵的特点（4个）FEM的基本求解步骤（6steps）带宽的概念与简单应用（P1105-3）有限元软件：前处理的主要功能形函数的概念与特点（2个）有限元软件:后处理的主要内容第五章有限元法有限元法的应用领域：平衡或稳态、特征值、115第六章机械动态设计一、机理建模（有限元法）1.基本思想结构离散化虚功移置、最小势能原理单元动力方程公共结点位移相同组集系统动力方程引入边界条件系统动态数学模型2.单元动力学方程的建立虚功移置：原载荷与结点载荷在任意虚位移上所做的功相等最小势能：所有可能位移场中，真实位移场的总势能最小第六章机械动态设计一、机理建模（有限元法）1.基本思想116第六章机械动态设计3.整体结构动力学方程的建立基础：单元动力学方程的转换与组集。坐标转换：局部坐标系转换为整体坐标系，方向余弦矩阵码转换：局部码转换为总码4.边界条件处理：消除刚度矩阵的奇异性5.特征值问题的求解：机械结构固有频率和振型的获取结构特征值，可获取不同阶次的固有频率反映结构按某固有频率振动时的空间形态，振型、模态第六章机械动态设计3.整体结构动力学方程的建立基础：单117第六章机械动态设计脉冲激励测验（锤击试验）FrequencyDistanceAmplitudeBeam一阶模态二阶模态三阶模态ForceForceForceForceForceForceForceForceForceForceForce方法:Responsemeasuredatonepoint（在一点测试响应）Excitationofthestructureatanumberofpoints（用带传感器的锤头在不同的点激励）FrequencyDomainView确定结构的模态计算激励点和测点的频响函数ForceModalDomainViewAcceleration第六章机械动态设计脉冲激励测验（锤击试验）Frequen118第七章计算机辅助设计1.CAD的特点第七章计算机辅助设计1.CAD的特点119第七章计算机辅助设计2.CAD的发展趋势参数化智能化三维化集成化网络化标准化硬件大型主机智能终端小型机（TurnKeySystem）工作站微机网络化软件线框系统曲线曲面造型实体造型技术参数化特征造型变量化创新协同设计模块化，专业分工PLM：产品生命周期管理第七章计算机辅助设计2.CAD的发展趋势参数化硬件120第七章计算机辅助设计3.软件组成满足需要模块化易用性开放性二次开发能力文件接口丰富常用外设支持公司背景技术支持应用软件系统软件第七章计算机辅助设计3.软件组成满足需要应用软件系统软121第七章