自-现代设计方法(2200)自学考试大纲.doc

《现代设计方法》（2200）自学考试大纲Ⅰ 课程的性质与设置目的　１、课程性质、特点与设置目的现代设计方法是全国高等教育自学考试机械制造与自动化专业的一门专业课随着科学技术的发展，特别是计算机的广泛应用，机械设计方法也在迅速发展,大大加速了企业的改造和新产品的开发本课程正是为了满足这一要求而设置的通过本课程的学习，使考生初步了解这种发展趋势和近年出现的几种常用的现代设计方法，掌握其中的计算机辅助设计、有限元法、优化设计及可靠性设计的基本概念和用法，学习后续课程以及从事机电一体化系统设计和产品开发打下一定的基础本课程的特点使实践性非常强,应有必要的习题和上机实验2、本课程与相关课程的关系学习本课程前,考生应具有“工程力学”、“机械设计”、“复变函数与概率论”、“线性代数”和“计算机软件基础”方面的知识本课程为学习“机电一体化系统设计”等课程打下基础，并将在毕业设计中得到应用本课程的重点是:CＡD、有限元法、优化设计及可靠性设计的基本要领和简单应用Ⅱ 课程内容与考核目标第一章 　计算机辅助设计（CAＤ)一、学习目的与要求通过本章的学习，使考生了解计算机辅助设计的硬件系统的基本组成,常用软件的构成及特点；掌握二维、三维图形的处理,数据的管理，工程数据、图表、线表等的处理方法。

初步掌握实体造型、特征造型技术等计算机辅助设计的基本方法及技能,为今后工作中更好地应用CAD技术进行产品设计及开发工作打下一定的基础本章特点是实践性非常强,要结合上机才能更好地完成本章的学习二、课程内容第一节 CＡD系统概述第二节　CAD系统的硬件第三节　CAD系统的图形处理第四节　工程数据的计算机处理三、考核知识点CAD及ＣＡＤ系统的概念、组成及工作过程；CAD的基本硬件配置及其各自的工作原理、特点；CAD软件的组成；CＡD系统的图形处理;参数化绘图;实体造型;特征造型;工程数据的计算机处理四、考核要求（一)识记CAD概念及CＡD的分类;常用输入/输出设备及其作用；光栅扫描显示器的工作原理及提高分辨率的方法；系统软件、支撑软件、专用软件的概念;组成图形的图素、世界坐标系、设备坐标系、规范化坐标系的定义；二维图形基本变换的原理及基本变换矩阵；三维图形基本变换的原理及基本变换矩阵；图形的连续变换、在显示器上三视图的形成、透视变换矩阵及轴测投影矩阵;窗口与视区的匹配及其作用;事物特性表的定义、标准件库建立的原则;几何模型的分类、实体几何模型的实现模式；CSG法、B-rep法、旋转法、移动法、光线投影法的概念；特征的定义及特征造型的基本概念；消隐处理中常用的判别规则；数据、数据库的基本概念（二）领会CAＤ系统的组成、工作过程及特点;微型计算机的基本组成原理及各部分的作用；图形显示器的显示方式及各自特点;CＡＤ中主要输入/输出设备的工作原理及各自特点；操作系统的作用、主要工作及基本原理，DOS操作系统与UＮIX操作系统的区别；软件工程的概念及采用软件工程方法进行软件开发的步骤;二、三维图形变换、连续变换的作用及应用;、图形裁煎算法；ＣAD中的动画处理方法及原理；三维实体几何模型实现的基本思想；消隐处理中的常用算法；参数化绘图的基本思想及其实现；特征造型的原理；CAD中数据的常用处理方法、插值方法、曲线拟合的原理及应用；数据库的基本原理及开发;专家系统的组成及各部分的作用(三)简单应用选用相应的软、硬件配置所需要的CAD系统;简单形体的三视图、轴测投影图的形成；对工程中常见简单数据进行计算机处理(四）综合应用简单形体造型系统的设计；消隐、裁剪、图形匹配在图形处理系统中的应用;CAD系统图形库的建立；CＡD数据库的建立方法第二章 优化设计一、学习目的与要求通过本章的学习，了解优化设计的概念和特点；理解数学模型、设计变量与设计空间、约束条件和可行域、目标函数及目标函数的等值线（面)、线性与非线性规划等常用术语；理解函数的方向导数和梯度的基本概念;掌握无约束与有约束目标函数达到最优解的规律；了解一维搜索的基本概念，掌握０.６18法和二次插值的原理及计算步骤；理解梯度法、共轭梯度法、变尺度法及Poｗell法的基本原理，掌握其迭代方法，掌握其共轭方向的基本概念、性质和如何在迭代中形成共轭方向；理解复合形法的基本原理及迭代过程,掌握罚函数的概念及运算方法；了解优化方法选择应注意的问题及优化结果分析,以达到掌握优化设计的基本理论和方法,具有初步使用这些方法进行简单工作设计和计算的能力。

二、课程内容第一节 优化设计概论第二节 优化设计的基本概念第三节 一维搜索方法第四节 无约束设计的最优化方法第五节 有约束优化设计的方法第六节 优化设计的若干问题三、考核知识点优化设计概论;优化设计的基本概念;一维搜索方法；无约束设计的最优化方法；有约束优化设计的方法;优化设计的若干问题四、考核要求(一)识记优化设计的主要内容及其特点；优化设计数学模型的基本要素;优化设计基本术语的定义：设计变量与设计空间、目标函数及其等值线(面）、约束条件与可行域；线性规划与非线性规划的定义;方向导数、梯度及H矩阵的定义及求解公式;二次型函数极值的必要条件及极值类型的判定;库恩——塔克条件；迭代法的基本思路与常用的终止准则;共轭方向与共轭梯度方向的定义;常用优化方法的基本思想及归类（维数，约束条件):0.618法、二次插值法、Pｏｗｅlｌ法、梯度法、共轭梯度法、变尺 度法、复合形法、内点罚函数法、外点罚函数法及混合罚函数法;选择优化方法应注意的问题；最简便处理离散型变量的方法（二）领会优化设计的概念；数学模型的建立；设计变量与设计空间、约束条件与可行域、目标函数及其等值面的概念及几何解释；方向导数与梯度的概念及几何解释；约束问题极值条件的概念;由多元函数泰勒展开式利用二次型函数引出求多元函数极值的推理过程;共轭方向的概念及形成;常用优化设计方法的基本步骤及几何解释:0．618法、二次插值法、Powell法、梯度法、共轭梯度法、变尺度法、复合形法、内点罚函数法、外点罚函数法。

三)简单应用优化设计的几何解释；方向导数、梯度及函数极值的计算;库恩——塔克条件的应用；０.618法的计算;二次插值法的计算;Ｐoｗell法的应用计算；梯度法的应用计算（四）综合应用给定初始点和收敛精度,用梯度法、共轭梯度法求目标函数的极小值第三章 有限元法一、学习目的与要求通过本章的学习,了解“先分后合”的基本思路,初步掌握结构离散化的基本原则与步骤，初步掌握局部坐标、整体坐标、单元刚度矩阵与总刚度矩阵等基本概念,初步掌握总刚度矩阵集成的过程了解各种刚度矩阵的特性，了解引入支承条件及非节点载荷的处理方法二、课程内容第一节 有限元法概述第二节 平面刚架的有限元法第三节　弹性力学问题的有限元法三、考核知识点有限元法的基本思路;进行有限元分析的基本步骤;简单拉杆的有限元分析;平面刚架的有限元分析;三角形单元刚度矩阵的介绍及坐标转换;总刚度矩阵的集成;非节点载荷的处理;结构的离散化；前处理与后处理四、考核要求(一)识记有限元分析的基本步骤；有限元法基本术语的定义：局部码、总码、节点位移、节点载荷、单元刚度系数、单元刚度矩阵、总体刚度系数、局部坐标系、整体坐标系;单元和总体刚度矩阵的特性;对称结构的必要条件；刚架及三角形单元刚度矩阵坐标转换公式；结构离散化时确定下述因素的原则：单元类型、单元尺寸、节点位置、单元数量及无限体;前处理与后处理的重要性及主要内容。

二)领会有限元法中各对术语间的联系与区别：如局部码与总码、单元刚度矩阵与总刚度矩阵、局部坐标系与整体坐标系、平面应力与平面应变问题、刚架与桁架、节点载荷与非节点载荷；处理约束条件的方法及适用条件：置大数法、置１法及划去行列法三）简单应用刚架杆或三角形单元刚度矩阵的计算与坐标转换；已知整体坐标的各单元刚度矩阵求总刚度矩阵;单元刚度系数在总刚度矩阵中的相应位置；非节点载荷处理为等效的节点载荷；分析支承条件应用划去行列法、置１法或置大数法处理总平衡方程四）综合应用对平面刚架或薄板结构进行离散化并对非节点载荷进行处理;求解由两根杆组成且只有两个未知位移分量的桁架结构;求解由两个相同的等腰三角形单元组成的薄板结构;求解由两根相互垂直杆组成且只有两个未知位移分量的刚架结构;求解能简化为上述结构的对称结构第四章 可靠性设计一、学习目的与要求可靠性设计是近年来得到迅速发展和广泛应用的一种现代设计方法,不仅解决了传统设计不能处理的一些问题，而且成为产品质量保证、安全性保证、产品责任预防等不可缺少的依据和手段，是工程技术人员所必需掌握的一个重要内容通过本章学习应达到的基本要求有：了解可靠性设计的重要性和可靠性工程的主要技术领域;在理解可靠性基本概念的基础上,了解可靠性设计方法与传统设计方法的区别与联系;掌握可靠性各种统计指标的定义和算法；掌握常用的颁函数、概率分布检验及各种分布时的可靠度计算;理解并熟练掌握可靠性设计的原理与方法，主要指强度——应力干涉理论及其在机电设计专业中的简单应用；理解和掌握系统可靠性预测和可靠度分配的原则与方法。

二、课程内容第一节　可靠性基本概念和数学基础第二节 可靠性设计的原理与方法第三节　可靠性设计方法的简单应用第四节　系统的可靠性预测和可靠度分配三、考核知识点（1）可靠性基本概念和数学基础可靠性与可靠度的概念与定义;可靠性设计方法与传统设计方法的联系与区别；可靠性各种统计指标的定义、含义和表达式;可靠度置信度的概念与算法；常用的分布函数及可靠度计算（2）可靠性设计的原理与方法应用法则,从现有手册中求强度的均值与标准差;正态分布随机变量的代数运算法则;广义理解“应力”与“强度”的概念,分辨零件所处的状态;概率密度函数ｆ(r)与ｆ(s）发生干涉时求解可靠度的原理;强度与应力均服从正态分布或对数正态分布时的可靠度计算；应用强度与应力均服从正态分布时的干涉情况,分析传统的平均安全系数设计法的局限性;强度与应力均服从指数分布时的可靠度计算３)可靠性设计方法的简单应用 ① 根据题意确定设计变量,并能在设定可给定变异系数的前提下,确定用单一随机变量μx表示的设计变量标准差② 在工程力学与机电专业基础知识的范围内,根据题意能确定设计变量与“应力”或“强度”的关系表达式③　强度与应力均服从正态分布或对数正态分布时，在给定可靠度要求下,应用联接方程；按静强度要求设计杆、梁、轴的 尺寸④ 强度与应力均服从正态分布时，在给定可靠度要求下，应用联接方程确定杆、梁、轴的材料⑤ 强度与应力均服从正态分布时,在给定可靠度要求和允许挠度的前提下,应用联接方程按静强度要求设计杆、梁的尺寸⑥ 强度与应力均服从正态分布时,验算压杆稳定性的可靠度(４）系统的可靠性预测和可靠度分配① 串联模型、并联模型(包括工作冗余系统与非工作冗余系统)、ｒ/n表决系统的可靠度计算，以及提高系统可靠度的措施②　掌握可靠度分配的等同分配法、加权分配法和优化分配法各自的原理、特点和应用范围四、考核要求(一)识记可靠性定义;可靠性各种统计指标的定义;正态分布随机变量的代数运算法则;强度与应力均服从正态分布的可靠度系数;串联模型、并联模型(工作冗余系统与非工作冗余系统）、表决系统的可靠度表达式;等同分配法、加权分配法表达式（二)领会可靠性各种统计指标的相互关系；广义理解“强度”、“应力”的含义；利用概论坐标纸进行常用分布的检验；可靠度置信度的概念，两者间的区别;概率密度函数发生干涉时,求解可靠度的原理及一般方程；应用强度与应力均服从正态分布时的干涉情况，分析平均安全系数设计法的局限性。