材料科学及工程中的计算机应用复习题答案.doc

计算机在材料科学与工程中应用复习题一、计算机应用基础部分1.传统设计和现代设计有哪些区别？现代设计方法的特点是什么？传统设计也是目前遵循的设计模式，基本上是凭借直接或间接的经验，通过类比分析来确定设计方案。设计方案很大程度上取决于设计者个人的经验，难以获得最佳结果；准确性和精确性低。现代设计是设计的一般原理加上计算机技术和各种现代科学方法的有机结合。它既传承了传统方法中有益的东西，又注入了现代科学的精髓。现代设计方法具有以下特点：1、科学的获得必要的设计参数：普遍采用技术预测和信号分析法。2、从整体上认识和分析设计对象：引进系统工程的分析方法进行设计方案的设计和优化。3、大大提高设计的精确度和可靠性：4、实现了富有创造性的高效率和自动化的设计。2.计算机应用系统的硬件配置有哪几种类型？各有什么特点？应用于什么场合？计算机应用系统的硬件配置有：主机系统、小型机成套系统、工作站系统、微机系统。主机系统：i 大型直联式：所有终端直接与主机连接，通常连接几十个终端。优点：计算机本身通用性强，终端侧的设备较简单。缺点：多用户分享主机，终端响应不稳定，性价比不高。ii 功能分散型：在终端和通用主机间设置一级小型机或微机。保留较大通用性和很强运算能力的优点，又能充分发挥终端侧小型机的基本处理能力。系统处理速度和工作效率更高。应用：大型工厂或企业。小型机成套系统：对任务针对性强，系统的软硬件配套齐全，又称“转匙”系统。与主机系统相比，分析计算能力弱，系统扩展能力差、移植性不好。应用：缺工作站系统：每个用户单机独占资源，处理速度快，工作效率高，而且价格适中，不必一次性集中投资，具有良好的可扩充性。应用：大、中、小企业均可使用。微机系统：价格低廉，对运行环境要求较低，维修、服务方便，学习和使用容易，完全开放性的设计。应用：中、小企业。3.计算机应用系统由哪些软件组成？它们各自的作用是什么？系统软件分为：系统软件、支撑软件、应用软件。系统软件起着扩充计算机功能和合理调度计算机硬件资源的作用。支撑软件的作用是建立开发计算机应用系统所需的应用软件平台，缩短应用软件开发周期，减少应用软件开发的工作量，使应用软件更加贴近国际工业标准，提高应用软件水平。应用软件：用于某一特定目的，如冲裁模、锻模等，一般经二次开发得到。4.计算机应用系统有哪几种类型？各有什么特点？计算机应用系统分为信息检索型、逐步逼近型、自动设计型、交互型等。信息检索型系统：优点：开发容易、系统投资小，使用该系统能大大缩短生产周期，保证正确性与可靠性。缺点：没有通用性，不能创新产品。逐步逼近型系统：又称查询修改型系统。对信息检索性系统的改进，方便直观，可以人机交互实施修改；还可用于参数化设计方便灵活。自动设计型系统：以数据计算为主，无需设计者参与；速度快，优化程度高，但必须较好的建立起数学模型和目标函数。交互型系统：将计算机系统所具有的计算速度快、计算精度高、数据存储量大、耐重复工作和不易出错等优点，与人在工程设计中的主导作用结合起来。5.解释下列术语实体 实体集 属性 实体标识符 数据项 记录 文件 关键字实体：客观存在并可相互区别的物体叫实体（Entity）实体集：性质相同的同类实体的集合称为实体集。属性：数据表示的信息常用来描述实体的某些特征，这些特征就是该实体的属性。属性的集合所描述的对象即为实体。实体标识符：能将一个实体与其他实体区别开来的属性集。数据项：被命名的最小信息单位，是标识实体属性的符号集。记录：数据项的有序集。记录用来描述实体，又可定义为：完整地描述一个实体的符号集。文件：同类记录的集合。文件用来描述实体集，又可定义为：描述一个实体集的所有符号集。关键字：其值能唯一地确定标识一个记录的某一个数据项或者几个数据项的集合。现实世界和信息世界各术语的对应关系为：现实世界信息世界属性数据项实体记录实体集文件实体标识符关键字6.什么是数据？什么是数据结构？数据结构包括哪几类？数据：用来描述客观事物的数字、字符、运算符号等，能够输入到计算机中，并能被计算机处理的符号集合。数据结构：数据之间的关系，数据之间的组织形式。数据结构包括数据之间的逻辑关系（数据的逻辑结构）和数据在计算机内的存储方式（物理结构）两类。7.实体间的联系有哪几种？实体间的联系有两种：实体内部的联系和实体与实体间的联系。抽象后归结为一下三类：1）一对一关系（one-to-one）：学校对校长2）一对多关系（one-to-many）：公司对职员3）多对多关系（many-to-many）：模架对零件8.数据库系统有那些优点？数据库系统有那些类型？数据库系统的优点：1）可实现数据共享，大大减少了数据的冗余；2）数据独立与应用程序，程序与数据结构的改变不会相互影响；3）应用程序编制者可不考虑存储管理和访问效率；4）实现对数据的统一控制，保证了数据的正确性和保密性。数据库系统分三大类型：关系型数据库、层次型数据库和网络型数据库。9.与商用数据库比较，工程数据有哪些特点？】商用数据库工程数据库数据是静态的，信息的模式是事先定义的，模式是静态的和编译性的数据是静态的和动态的，静态数据包括设计准则、标准元素和符号等；动态性数据指设计工程中所产生的数据，模式是动态的和解释性的数据操纵时间短，更新影响范围小，仅涉及值的更新数据操纵时间长，更新影响范围大，不仅涉及更新值，同时也需要更新结构用户只有权更新“值”；只允许管理员（DBA）去更新结构允许用户更新值及结构数据类型简单，基本上是字符和数字型数据类型复杂，包括结构型数据（图形数据）实体类型少，数据模型的复杂程度低实体类型多，实体间的联系复杂，往往是复杂的网络结构会话方式主要是字符终端通常采用图形终端，对交互方式及所用工具要求高用户通常不共享数据，数据的保密性特别重要用户间常共享数据对用户要求不高要求用户是专业技术工程师DBMS 没有数据相容性检查机制，操作人员无法检查和发现数据不相容问题数据相容性问题部分地由操作使用人员负责10.在图形变换中采用齐次坐标表示法有什么优点？1）引入齐次坐标后，可以实现图形的所有基本变换（比例、对称、错切、旋转、平移、透视）；2）用3X3 变换矩阵对图形进行交换时，除透视变换（p、q 非零）外，其他变换均具有仿射变换的性质。即：交换前后图形之间保持从属性、同素性、平行性、定比性。3）引入齐次方程后，可用齐次方程坐标表示无穷远点，并且可以通过透视变换将无限远点变为有限远点，相当于投射投影中的灭点。11.按其状态分模型可分为哪几类？从产品设计的角度，模型应怎样分类？模型，根据其状态分为静态模型和动态模型两类。从产品设计角度看，模型又可分为抽象模型和物理模型。12.几何造型中有哪些常用的造型方法？各有什么特点？几何造型技术主要有以下方法：1）线框造型：特点：结构简单，生成模型较容易；图形显示速度快，容易修改；容易形成三面视图、透视图；当零件复杂时，易产生多义性；难以直接得出物体体积、表面积等；难以进行形体表面交线计算和消隐处理；对于球、圆柱和曲面的表示不够充分。2）表面造型（surface modelling）特点：在提供三维立体严密、完整的几何模型方面比线框造型前进了一大步，对多义性有所改进；可进行三维处理和生成剖面图；无法保证三维外形封闭、完整的唯一性；不能有效的处理曲面的不规则区域；仅仅表示物体的外壳，没有明确定义实体的存在侧。3）实体造型：特点：在计算机内存储真正的三维信息；将设计人员和工程技术人员带入了真正的三维空间；真三维渲染和色彩设计等，效果高度真实；直接全面的反映设计对象；物体的几何参数易于得到，如面积、体积、质量等。4）特征造型：特点：增加几何实体的工程意义，为各种工程应用提供更丰富的信息。13.几何造型中有哪些常用的表示模式？各有什么优缺点？（待改）1）体素调用法：缺点：受初始状态的限制，体素调用不能产生复杂的形体，很少作为一种独立的表示模式使用，而是在几何造型中用于定义体素。2）空间点阵法（网格法、空间占有计数法）：优点：通过记录形体对单元的占据状态可描述形体的几何形状。缺点：精度受单元划分粗细程度的限制，需大量的存储空间，且形体各部分关系不明确。3）单元分解法（划分单元法）：优点：将形体分解成一系列单元，然后表示这些单元及其相互间的连接关系。理论上可表示任何实体。缺点：适用范围决定于系统所允许的单元类型。一些曲面物体人工难以划分单元。4）扫描变换法（扫描表示法、扫动表示法）：优点：通过一个二维图形或者一个形体沿某一路径扫描，产生新形体。5）构造体素法：（构造几何实体方法，CSG）优点：利用一些简单形状的体素，经变换和布尔运算构成复杂形体。采用二叉树结构来描述复杂形体的关系。无二义性，较紧凑缺点：显示时运算量大6）边界表示（B-Reps）优点：以形体表面的细节，即以顶点、边、面等几何元素及其相互间的联系关系来表示形体的。缺点：要求边界必须是连续的。14三维造型中，曲面的生成常有哪几种方法？直纹面、旋转面、扫描面、边界面、放样面、网格面、导动面、等距面、平面、体表面15三维造型中，实体的生成常有哪几种方法？拉伸、旋转、放样、导动、曲面加厚、曲面裁剪16用CSG二叉树表示实体。（缺立体图）C2-*-*U*-*U*-*Q1C1C2Q1C1Q2C2Q2U*-*-*Q1C1Q2二、优化设计部分1、何谓优化设计？优化设计的数学模型包含哪些内容？优化设计的一般步骤是什么？答：应用数学的一个分支，能使一项设计在一定的技术和物质条件下，寻求一个技术经济指标最佳的设计方案。在给定的技术、经济等客观条件下选择设计参数，使设计指标达到最优值。在一定约束条件下求多变量函数极值的方法。研究和解决在一切可能方案中寻求最优方案的科学方法。2、掌握无约束优化问题的进退法（确定优化区间）、0.618 法、二次插值法、坐标轮换法、最速下降法、牛顿法的解题步骤。（略）3.掌握约束优化问题的消元法、拉格朗日乘子法、罚函数法的解题步骤。（略）4.有三种原料，其成分与成本如表所示。用这三种原料进行配料，求满足配料成分为N10.04，N20.02，N30.07，N1+N2+N3=1，且成本最低的配料方案。试列出数学模型。表 原料成分及成本原料A成本（元千克）N1N2N310.0060.0020.0091520.0030.0040.0051230.0040.0010.00381）设计变量取三种原料质量x1，x2 及x3 为设计变量，写成向量形式为：X= ( x 1 x 2 x3 ) T 2）目标函数优化的目标为成本最低。成本函数为： f( X )=15x1 +12x2 + 8x33）约束条件由题意可得如下约束条件：g1( x ) =0.06 x1+0.03 x2+0.04 x3 -0.040g2( x )=0.02 x1+0.04 x2+0.01 x3 -0.020g3( x )=0.09 x1+0.05 x2+0.03 x3 -0.070g4( x )=0.17 x1+0.12 x2+0.08 x3 -1=0综上所述，配料优化设计的数学模型归结为：min f ( X ), X R3stg i( x ) 0, i = 1 3， g4( x ) = 05、某工厂生产A、B两种产品，每天可用资源限制为：原料1600kg，面积1500m2，工时7h，资源消耗系数和产值系数见表。求这两种产品各生产多少能使总产值最大的设计方案。试列出数学模型。表 产值和资源消耗系数项 目 A B占地面积（m2/单位产量） 5 4原料消耗（kg/单位产量） 4 5生产率（单位/时） 60 30产值（元/单位产量） 10 151）设计变量取两种产品的产量x1，x2 为设计变量，写成向量形式为： X= ( x 1 x 2 x3 ) T 2）目标函数优化的目标为总产值最大。总产值函数为： f( X ) =10x1 +15x23）约束条件由题意可得如下约束条件：g1( x ) =5 x1+4 x2 -1500=0g2( x )=4 x1+5 x2 -1600=0g3( x )=1/60 x1+1/60x2 -7=0综上所述，配料优化设计的数学模型归结为：max f ( X ), X R2st g i( x ) 0, i = 1 3， 6、有一块边长为6cm的正方形铁板，将四角截去相等的方块，并折焊成无盖的盒子，问怎样截可以得到容积最大的盒子。设截去方块的边长为x，则：以x 为设计变量的目标函数为 V( X ) = ( 6 - 2 x ) x 2 = 4x3 - 24x2 + 36x其约束条件为：x0；6-2 x0.运用解析法得：最优解为： x* =1，函数值为： V( X ) =( 6 - 2x ) 2 x =167、用二次插值法求min f (X) = e x -15 x ，迭代二次。取x1 =1， x 2=2， x3 =3。将求得结果与实际极小值进行比较。取=1， x2 =2， x3 =3，相应函数值为： f( x1) = f( 1) = e 1-15 = -12.282f( x1) = f(2 ) = e 2-30 = -22.611f( x1) = f( 3) = e3-45 = -24.914过A1 ( x1, f( x1) , A2( x2 , f( x1) ) A3( x3, f( x1) 构造抛物线，方程为P( x ) = a0 + a 1x + a2 x1.1）求待定系数a1，a2：将A1 , A2 , A3 代入方程得：a0+ a1+ a2=-12.282a0+2 a1+4 a2=-22.611a0+3 a1+ 9a2=-24.914解得： a1= -22.368, a2 = 4.0131.2）求极小点和极小值：令P(x)导数等于0，可得：极小值点为：代入目标函数，得： ( ) 2.7870 0 f = f x = e -15 2.787 = -25.573另取取1 x =2， 2 x =2.787， 3 x =3，相应函数值为：三、软件工程学1. 计算机软件开发经历了哪几个阶段？各阶段软件开发的特点是什么？自 1946 年世界上第一台电子计算机诞生以来，计算机软件的发展经历了三个阶段：1）程序设计时期：软件开发的特点是：规模较小的程序；编写者和使用者往往是同一（或同一组）人；软件设计通常是在人们头脑中进行的一个隐含的过程；除了程序清单外，没有其他文档资料保存下来。2）程序系统时期：软件开发的特点是：软件的开发方式由个体生产发展到“软件作坊”；软件的运行维护不再有一人承担；程序不再是计算机硬件的附属部分，而是计算机系统中与硬件相互依存、0 共同发挥作用的不可缺少的部分。3）软件工程时期：软件开发的特点是：软件开发不再是“个体化”或“手工作坊”式的开发方式，而是以工程化的思想作指导，用工程化的原则、方法和标准来开发和维护软件；软件开发的成功率大大提高，软件的质量有了很大的保证；软件已经产品化、系列化、标准化、工程化。2 .什么是软件危机?为什么会产生软件危机？软件危机表现在哪些方面？怎样消除软件危机?软件危机：软件开发的高成本与软件产品的低质量之间的尖锐矛盾，终于导致了软件危机的发生。产生的原因：一方面与软件本身的特点有关，另一方面也和软件开发与维护的方法不正确有关。表现：软件的复杂性越来越高，“手工作坊”式的软件开发方式已无法满足要求；软件开发的成本与进度严重估计不足；软件开发周期长；软件成本在计算机系统总成本中所占的比例逐年上升；软件的维护工作量大；软件没有足够的文档资料；软件的开发速度远远跟不上计算机应用普及的速度；软件产品质量难以保障；用户对“已完成的”软件系统及不满意。消除方法：充分吸收和借鉴人类长期以来从事各种工程项目所累积的行之有效的原理、概念、技术、方法；推广使用在实践中总结出来的开发软件的成功的技术和方法，研究探索更好更有效的技术和方法；开发和使用更好的软件工具；总之为了解决软件危机，既要有技术措施（方法和工具），又有必要的组织管理措施。3 .软件工程学的研究对象、基本目标是什么？什么是软件工程学的三要素？研究对象：研究如何应用一些科学理论和工程技术来指导软件系统的开发与维护使其成为一门严格的工程学科基本目标：研究一套科学的工程方法，设计一套方便实用的工具系统，以达到在软件研制生产中投资少、效率高、质量有的目的。软件工程学的三要素：方法、工具和管理4. 软件生命周期划分成哪几个阶段?各阶段的关键问题是什么?1）软件定义：问题定义：关键问题是“要解决的问题是什么”可行性研究：关键问题是“对于上一阶段所确定的问题有行得通的解决办法吗”需求分析：关键问题是“为了解决这个问题，目标系统必须做什么？”2）软件开发：总体设计：关键问题是“概括地说，应该如何解决这个问题？”详细设计：关键问题是“应该怎样具体地实现这个系统呢？”编码和单元测试：关键问题“写出正确的容易理解、容易维护的程序模块”综合测试：关键问题是“通过各种类型的测试（及相应的调试）使软件达到预定的要求”3）软件维护：关键问题是“通过各种必要的维护活动使系统持久地满足用户的需要”5.什么是结构化分析?它的结构化体现在哪里?结构化分析，英文名称为：Structured Analysis,简称SA,使用了由顶向下逐层分解的方式。直至子系统足够简单了，没有任何理解上的困难或混乱为止。6.为什么画数据流图时要分层?画分层数据流图时应进循的原则有哪些?对于一个大型的系统，用一张数据流图画出所有的加工和数据流，图纸会显得极其庞大和复杂。为了控制复杂性，便于理解，需要采用自顶向下逐层分解的方法进行。应遵循的原则：1）编号方法2）父图与子图的平衡3）局部文件的生成4）分解程度的掌握画分层数据流图时应进循的原则为：由里向外画和由顶向下画。7 .数据流图（data flow diagram）与程序流程图（flow charts）的区别是什么?1）数据流图直观新系统必须做什么，而不关心系统怎样做；程序流程图必须考虑系统怎样做（加工如何实现）的问题。2）数据流图中的加工一般都不考虑时序问题，即数据流图不表示过程的序列；程序流程图则必须表明“第一步做什么，第二步做什么，最后一步做什么”，根据此程序流程图编写的程序，计算机才会以确定的次序一步步进行。3）数据流图中流动的只有数据流，没有控制流；程序流程图中除数据流之外，还有控制流在流动。如满足某一个条件，转向这一步；满足另一个条件，转向另一步。4）数据流图中既不反映判断和控制条件，也不反映循环过程。8. 航空货运收费办法：重量不超过20kg，每千克收费5 元；重量超过20kg，超重部分收费每千克8 元。运费最低起价为25元。该标准仅适用于国内航班,国际航班运费加倍。试分别用判定表和判定树分别描述其功能。用判定表表示航空货运收费的算法描述：用判定树表示航空货运收费的算法描述：略14页上部图9. 在系统结构图中,模块的类型有哪几种?1）传入模块：2）传出模块：3）变换模块：4）协调模块：10.典型的系统结构形式有哪几种?1）变换型系统结构图：取得数据（准备工作）变换数据（核心工作）给出数据（后处理工作）2) 事务型系统结构图：接受一项事务根据事务处理的特点和性质，选择分派一个适当的处理单元给出结果11. 图书馆接待读者办理借书手续包括；验证(检验借书证的合法性)、验单(检验借书单填写的正确性)、找书和借书登记几个步骤。若各步骤之间均以特定的信息形式联系，试为这项借书业务(不包括还书、续借等)设计数据流图和数据词典并导出系统结构图。略14页下部图数据词典：读者信息=读者姓名+读者编号借书单信息=借书单编号+借阅人信息+借阅书名+借阅书号书号信息=借阅书名+借阅书号略15页上部图12.常用的详细描述工具有哪些?各有什么优缺点?1）程序流程图（program flow chart）优点：直观的描述了控制流，便于初学者掌握；缺点：程序流程图不是一种结构化设计的工具；程序流程图本质上不是逐步求精的好工具；不容易表示数据结构。2）盒图：（N-S 图）优点：所有的程序结构均用方框表示。因此程序的结构非常清晰；程序只有一个入口、一个出口，完全满足单入口单出口的结构化程序设计要求；盒图除了几种表示标准结构的符号外，不再提供任何描述手段。因此，强制设计人员按SP 方法进行思考并按SP 方法进行设计，从而有效的保证了设计的质量，也保证了程序的质量；盒图形象直观，具有良好的可见度。因此，设计意图容易理解，这就为编程、复查、选择测试用例、维护都带来了方便；容易确定局部数据和全局数据的作用域；盒图简单、易学易用。缺点：当程序内嵌套的层数增多时，内层方柜会越来越小，一方面增加画图的难度，一方面会影响图形的清晰度。3）问题分析图（problem analysis diagram，PAD）优点：用 PAD 图表达的程序过程呈树形结构，这种图容易翻译成程序代码；用 PAD 图描述的程序结构清晰；用 PAD 图表达程序逻辑，易读、易懂、易记；PAD 图既可描述程序，又可描述数据结构；PAD 图完全支持自顶向下