现代设计方法课程教学大纲

1、现代设计方法课程教学大纲课程名称：现代设计方法课程代码：MEAU2028英文名称：Modern Design Methods课程性质：专业选修课程学分/学时：2学分/36学时开课学期：第6学期适用专业：机械工程先修课程：高等数学、线性代数、概率与数理统计、理论力学、材料力学、机械设计、计算机基础等后续课程：无开课单位：机电工程学院课程负责人：王阳俊大纲执笔人：王阳俊大纲审核人：倪俊芳一、课程性质和教学目标（在人才培养中的地位与性质及主要内容，指明学生需掌握知识与能力及其应达到的水平）课程性质：本课程在本专业课程体系中的地位，对课程主要作用的总体概括。现代设计方法是机械工程专业的一门专业选修课程

2、。本课程主要针对现代产品设计制造的过程中存在的工程实际问题，着力于培养学生对科学问题与工程问题的思维方法，使学生形成利用现代设计工具获得设计方案与进行科学研究的基本能力。教学目标：先对本课程主要内容进行概括，然后结合课程内容，描述对学生能力的培养。 现代设计方法是以产品设计为对象，以计算机为手段，运用工程设计的新理论和新方法，使计算结果达到最优化，使设计过程实现高效化和自动化的一门方法论。本课程主要包括优化设计方法、可靠性设计方法、有限元设计方法与动态设计方法等基本内容，通过相关内容学习，使学生理解机械工程专业各门专业课与高等数学等基础课程在机械产品设计过程中如何通过融合解决实际工程问题，提高

3、学生从事机械工程及自动化领域内实际工作中的系统的解决问题的能力。本课程的具体教学目标如下：叙述本课程的具体教学目标，以及教学目标与毕业要求的对应关系。撰写时注意事项如下：1. 教学目标个数要求不少于能够对应的毕业要求分解指标点个数；2. 多个教学目标可以对应同一个分解指标点，但同一个教学目标不能对应多个分解指标点；3. 至少需要在一个教学目标中体现对解决复杂工程能力的培养；4. 在表中需要简要说明教学目标如何支撑毕业要求指标点。1. 掌握优化设计方法的基本理论、数学模型与优化方法，培养学生在解决复杂工程问题过程中进行获得系统优化方案的基本能力。2. 掌握可靠性设计的基本理论、基本指标与设计方法

4、，培养学生在复杂工程问题中进行可靠性分析的基本能力；3. 掌握有限元分析的基本理论，基本方法与设计工具，培养学生利用现代工具解决机械设计实际问题的基本能力。4. 掌握动态设计的基本理论、基本方法与设计工具，培养学生利用现代工具分析问题与获得工程解决方案的基本能力。教学目标与毕业要求的对应关系：（暂时不写！不要删除此项！）毕业要求指标点课程目标对应关系说明毕业要求1：1-1能将掌握的数理知识，用于专业问题的理解、建模、分析与求解教学目标1掌握优化设计方法的基本理论、数学模型与优化方法，培养学生在解决复杂工程问题过程中进行获得系统优化方案的基本能力。教学目标2掌握可靠性设计的基本理论、基本指标与设

5、计方法，培养学生在复杂工程问题中进行可靠性分析的基本能力；教学目标3掌握有限元分析的基本理论，基本方法与设计工具，培养学生利用现代工具解决机械设计实际问题的基本能力。教学目标4掌握动态设计的基本理论、基本方法与设计工具，培养学生利用现代工具分析问题与获得工程解决方案的基本能力。毕业要求2：2-1能运用数理和工程知识进行机械专业领域复杂工程问题中的内涵识别与理解分析教学目标1掌握优化设计方法的基本理论、数学模型与优化方法，培养学生在解决复杂工程问题过程中进行获得系统优化方案的基本能力。教学目标2掌握可靠性设计的基本理论、基本指标与设计方法，培养学生在复杂工程问题中进行可靠性分析的基本能力；教学目

6、标3掌握有限元分析的基本理论，基本方法与设计工具，培养学生利用现代工具解决机械设计实际问题的基本能力。教学目标4掌握动态设计的基本理论、基本方法与设计工具，培养学生利用现代工具分析问题与获得工程解决方案的基本能力。毕业要求5：5-1能恰当使用计算机软件及仿真工具，完成机械工程项目的模拟和仿真教学目标1掌握优化设计方法的基本理论、数学模型与优化方法，培养学生在解决复杂工程问题过程中进行获得系统优化方案的基本能力。教学目标2掌握可靠性设计的基本理论、基本指标与设计方法，培养学生在复杂工程问题中进行可靠性分析的基本能力；教学目标3掌握有限元分析的基本理论，基本方法与设计工具，培养学生利用现代工具解决

7、机械设计实际问题的基本能力。教学目标4掌握动态设计的基本理论、基本方法与设计工具，培养学生利用现代工具分析问题与获得工程解决方案的基本能力。二、课程教学内容及学时分配以本课程的知识体系和章节为框架，叙述具体教学内容。撰写时的注意事项如下：1. 每章节的具体目标及要求必须有，讨论内容、作业内容和自学拓展不是必须的，根据实际内容撰写；2. 在章节标题后面标注学时和本章节支持的教学目标，同一章节可以支持多个教学目标；3. 对应章节如果有实验，也需要在教学内容中列出；4. 应用专题不是必须的，根据课程实际情况撰写。（含课程教学、自学、作业、讨论等内容和要求，指明重点内容和难点内容。重点内容：；难点内容

8、：）1、 优化设计概述（2学时）（支撑教学目标1）1.1 概述1.2 最优化数学模型1.3 数值迭代方法 目标及要求：1) 掌握优化设计的基本思想；2) 掌握最优化设计数学模型的基本要素；3) 掌握数值迭代的基本思想与方法； 作业内容：建立基本的最优化数学模型。2、 最优化方法的数学基础（2学时）（支撑教学目标1）2.1 多维函数的偏导数与梯度2.2 多维函数的泰勒展开式2.3 多维函数的极小点存在条件2.4 局部极小点与全域极小点 目标及要求：1) 掌握多维函数偏导数与梯度的计算方法；2) 掌握多位函数泰勒展开式的计算方法；3) 掌握多维函数的极小点存在条件；4) 了解局部极小点与全域极小点

9、的区别； 作业内容：计算函数的梯度、海色矩阵与极小点存在条件验证。3、 一维搜索方法（2学时）（支撑教学目标1）3.1 概述3.2 进退法3.3 黄金分割法3.4 二次插值法 目标及要求：1) 掌握一维搜索方法的基本思想；2) 掌握进退法的基本思想与基本步骤；3) 掌握黄金分割法的基本思想与基本步骤；4) 掌握二次插值法的基本思想与基本步骤。 作业内容：1) 利用黄金分割法进行一维搜索练习；2) 利用二次插值法进行一维搜索练习。4、 无约束优化直接方法（2学时）（支撑教学目标1）4.1 坐标轮换方法4.2 鲍威尔共轭方法 目标及要求：1) 掌握坐标轮换法的基本思想与基本步骤；2) 掌握鲍威尔共

10、轭方法的基本思想与基本步骤； 作业内容：两种优化方法基本步骤的区别与练习。5、 无约束最优化间接方法（2学时）（支撑教学目标1）5.1 概述5.2 梯度法5.3 牛顿法5.4 变尺度法 目标及要求：1) 掌握梯度法的基本思想与基本步骤；2) 掌握牛顿法的基本思想与基本步骤；3) 掌握变尺度法的基本思想与基本步骤。 作业内容：分别应用三种方法进行优化练习。6、 有约束最优化直接方法（2学时）（支撑教学目标1）6.1 随机方向搜索法6.2 复合形法 目标及要求：1) 掌握随机方向搜索法的基本思想与基本步骤；2) 掌握复合形法的基本思想与基本步骤； 作业内容：编制实现两种方法的计算机程序。7、 有约

11、束最优化间接方法（2学时）（支撑教学目标1）7.1 内点惩罚法7.2 外点惩罚法7.3 混合惩罚法 目标及要求：1) 掌握内点惩罚法的基本思想与基本步骤；2) 掌握外惩罚法的基本思想与基本步骤；3) 掌握混合惩罚法的基本思想与基本步骤； 作业内容：编程实现三种方法的计算机程序。8、 最优化设计方法的若干问题（2学时）（支撑教学目标1）8.1 优化问题的建模8.2 优化计算结果的分析与处理 目标及要求：1) 掌握目标函数、设计变量与约束函数的选取原则；2) 掌握优化设计计算结果处理的原则与技巧。 作业内容：针对具体问题进行优化问题的建模与分析。9、 可靠性概述（2学时）（支撑教学目标2）9.1

12、概述9.2 可靠性指标 目标及要求：1) 掌握可靠性概念；2) 掌握常用的可靠性指标； 作业内容：计算常用的可靠性指标。10、 可靠性设计常用分布函数（2学时）（支撑教学目标2）10.1 二项分布10.2 泊松分布10.3 正态分布10.4 威布尔分布10.5 对数正态分布10.6 指数分布 目标及要求：1) 掌握不同分布函数下可靠度指标的计算方法； 作业内容：计算不同分布函数下可靠度指标。11、 可靠性设计原理（2学时）（支撑教学目标2）11.1 应力强度干涉模型11.2 应力与强度均服从正态分布时可靠度计算11.3 应力与强度均服从指数分布时可靠度计算 目标及要求：1) 掌握应力强度干涉模

13、型的基本原理；2) 掌握联结方程的意义；3) 掌握不同概率分布条件下，可靠度的计算方法； 作业内容：计算不同概率分布下可靠度。12、 零部件的可靠性设计（2学时）（支撑教学目标2）12.1 零部件静强度的可靠性设计12.2 零部件疲劳强度的可靠性设计 目标及要求：1) 理解材料全概率疲劳曲线（R-S-N曲线）的意义；2) 理解材料的分布化等寿命疲劳极限图的意义；3) 理解零部件可靠性设计的意义； 作业内容：利用两种曲线计算零部件可靠度。13、 系统可靠性设计（2学时）（支撑教学目标2）13.1 系统可靠性预测13.2 系统可靠性分配13.3 故障树分析法在系统设计中的应用 目标及要求：1) 理

14、解系统可靠性的基本概念；2) 掌握系统可靠性的预测方法；3) 掌握系统可靠性的分配方法；4) 理解故障树的基本概念和分析方法。 作业内容：计算串联系统、并联系统和其他类型系统的可靠度，并根据给定可靠度指标分配系统不同部件的可靠度。14、 有限元法概述（2学时）（支撑教学目标3）14.1 有限元法的基本思想14.2 有限元法在工程中的应用14.3 有限元法求解问题的基本步骤 目标及要求：1) 理解有限元法的基本思想；2) 掌握有限元法的基本步骤； 作业内容：推导一维单元的有限元方法具体过程。15、 平面刚架的有限元法（2学时）（支撑教学目标3）15.1 结构的离散化15.2 单元刚度矩阵的建立1

15、5.3 总体刚度矩阵的建立15.4 位移的求解 目标及要求：1) 掌握二维刚架有限元法的基本思想；2) 掌握结构离散化的原则；3) 掌握单元刚度矩阵的推导方法；4) 掌握总体刚度矩阵的集成方法；5) 掌握位移的求解方法。 作业内容：利用二维刚架有限元法，求解实际问题。16、 弹性力学平面问题的有限元法（2学时）（支撑教学目标3）16.1弹性力学的基本方程16.2单元刚度矩阵的建立16.3总体刚度矩阵的集成16.4总体刚度方程的求解 目标及要求：1) 掌握弹性力学有限元法的基本思想；2） 掌握结构离散化的原则；3） 掌握单元刚度矩阵的推导方法；4） 掌握总体刚度矩阵的集成方法；5） 掌握位移的求

16、解方法。 作业内容：利用平面问题有限元法，求解实际问题。17、 传递矩阵建模方法（2学时）（支撑教学目标4）17.1轴系扭转振动分析17.2轴系横向振动分析 目标及要求：1） 掌握轴系扭转振动状态传递方程；2） 掌握轴系扭转振动固有频率和主振型的计算方法；3） 掌握轴系横向振动状态传递方程；4） 掌握轴系横向振动固有频率和主振型的计算方法。 作业内容：推导两种状态传递方程。18、 动态设计试验建模方法（2学时）（支撑教学目标4）17.1机械阻抗与频率响应函数17.2振动系统频率响应的图示法17.3传递函数测量的模态分析 目标及要求：1） 掌握幅频和相频特性曲线；2） 掌握实频与虚频曲线；3）

17、掌握奈奎斯特图；4） 掌握模态分析的方法。5） 掌握参数识别的概念与意义； 作业内容：传递函数推导过程，奈奎斯特图画法。三、教学方法叙述在教学过程中采用的具体教学方法。撰写建议：1. 先叙述教学内容的逻辑关系、前后联系和组织方法，再结合具体教学内容描述教学方法；2. 教学内容体系和前后逻辑关系不是必须作图表示，也可以用文字描述；3. 教学方法主要指讲授法、演示法、讨论法、实验训练法、自学指导法和发现学习法等，可以在网上搜索教学方法，可以采用多种方法结合；4. 在叙述教学方法的选择时，可以先描述教学内容的特点，再解释为什么选用该教学方法；5. 如果有不同章节采用了相同的教学方法，可以合在一起写；

18、6. 在最后应该描述如何根据教学过程中的实际情况，采取相应的持续改进措施。本课程的教学主要包括四部分内容，分别为优化设计方法、可靠性设计方法、有限元方法与动态设计方法，其课程的共性特点是：用定量、动态和优化的思路提供机械系统设计的方法论，在解决复杂工程系统的设计过程中，加深学生对工程属性中实践性、多解性、集成性和可靠性的基本认识，本课程的学习过程中既要启发学生对工程问题的系统认识，又要引导学生将现代设计方法的基本思想与实际工程问题结合，利用基本数学理论建立解决工程问题的抽象模型，做到理论与实践的统一。因此在教学方法上，基于案例与例题的讲授教学方法是基本的教学方法，这样可以做到学生不断地将抽象的

19、方法与实际案例相印证，逐渐深化对方法的定义与内涵的认识。在讲授的过程中，采用引导启发的教学方法可以将现代设计方法的历史背景与内在逻辑思考过程融合起来，让学生清楚设计方法思想的来龙去脉，让现代设计方法的思想自然而然被学生所接受，使学生学习过程中体会到现代设计方法中严谨的逻辑性，有利于培养学生通过自身的严谨的思考分析与解决问题的逻辑能力。在教学过程中，用软件演示仿真的教学方法，引导学生对现代计算机工具软件的运用加深认识，并给予足够的重视，“工欲善其事，必先利其器”，让学生认识到设计方法与设计工具的必须统一，有利于学生毕业后进行科研与实际工作中设计能力的提高，做到知行合一。教学方法要根据教学内容与教学对象而与时俱进，工科专业的教学内容随着科学技术不