现代设计方法

1、山东省高等教育自学考试现代设计方法（2200）考试大纲第一部分 学习过程评价部分考核大纲一、学习过程评价的课程性质及课程设置的目的、课程基本要求（一）课程性质与学习过程评价的设置目的“现代设计方法”是本专业本科段考试计划规定必考的一门专业课。本课程阐述了计算机辅助设计、优化设计、有限元法、可靠性设计的基本原理和解题方法，使学生初步具备工程实践应用能力，为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。“现代设计方法”是一门综合性、理论性很强的课程，在自学过程中必须有相应的习题计算，才能掌握课程的基本内容，培养考生分析问题和解决问题的能力。另外一定量的计算机上机实验对于学好本课程

2、也非常必要，这是学习过程评价的设置目的。（二）学习过程评价基本要求考生在学习过程中进行必要的教学实验和习题练习：（1）通过计算机三维建模上机实验，熟悉一种三维建模软件，掌握基本的计算机建模理论和步骤。（2）优化设计，通过选择一个工程实例，进行问题分析，建立优化模型，掌握优化设计基本的分析和计算步骤，完成优化设计。考生在学习过程中每章必须完成至少四道习题、思考题。二、 学习过程评价的课程内容和考核要求（一） 实验内容与要求实验1 计算机三维建模，选择一种三维软件，完成一种零件的建模。实验2 优化设计，选择一简单工程实例，写出优化目标，完成优化设计。要求考生完成上述实验，写出详细操作计算步骤，形成

3、报告，并由指导教师签字，报告页数不少于3页。（二） 作业教材每章都附有一定数量的习题、思考题，要求考生每章完成至少四道习题、思考题，并由助学教师批改。三、 学习过程评价的考核方式上机实验与作业。四、学习过程评价的评分标准完成所要求的实验内容，数据基本正确；完成所要求的作业，基本正确，可得相应学分。第二部分 综合考核部分考试大纲一、 课程性质及课程设置的目的和要求（一）课程性质与设置目的“现代设计方法”是本专业本科段考试计划规定必考的一门专业课。随着科学技术的发展，特别是计算机技术的应用，机械设计方法也在迅速发展，大大加速了企业的技术改造和新产品的开发，现代设计方法以研究产品设计为对象，以计算机

4、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。本课程正是为了满足这一要求而设置的。本课程的开课目的在于通过学习现代设计方法，使考生初步了解这种发展趋势和近几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，优化设计，有限元法及可靠性设计的基本概念和用法，为学习后续课及从事机电一体化系统设计和产品开发工作打下一定基础。（二）课程基本要求通过本课程的学习，要求考生：1、了解现代设计方法的产生背景以及几种常用的方法。2了解各种现代设计方法特点和作用。3. 掌握计算机辅助设计、优化设计及可靠性设计的基本概念和解题过程，初步掌握有限元法的基本概念。4.

5、 初步具有使用这些方法进行简单设计计算的能力，并能够在实践中应用。5. 通过实验初步掌握简单图形的计算机绘制。在自学过程中，要求考生通读教材，理解和掌握所学基本概念、基本现代设计原理、基本方法，结合实验、习题、思考题、实例分析，达到本课程基本要求，同时提高分析问题、解决问题特别是解决实际问题的能力。（三）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。二

6、、课程内容与考核要求绪论一、学习目的与要求通过本章的学习，了解现代设计方法产生的背景及发展概况，认识几种常用的现代设计方法。二、本章知识点(一)现代设计方法产生的背景及发展（二）几种常用的现代设计方法简介三、考核要求不考核。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及软件系统的基本组成，常用软件的特点；掌握二维、三维图形的变换处理；初步掌握工程数据、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

7、机才能更好地完成本章的学习。二、本章知识点第一节 CAD系统概述 1.CAD及CAD系统的概念2.CAD系统的分类第二节 CAD系统的硬件和软件3.CAD的基本硬件配置4.CAD常用的输入输出设备以及工作原理5.CAD软件及其分类第三节 CAD系统的图形处理1.二维和三维图形的基本变换原理及变换矩阵2.窗口与视区的匹配3.二维图形的裁剪4.消隐算法及基本测试方法5.参数化绘图方法6.标准件库的建立7.几何模型的分类及实体模型的实现方法8.特征的定义、定义准则以及特征表示的几何模型第四节 工程数据的计算机处理1.设计资料的处理方法2.数据库系统的组成三、重点与难点重点：CAD及CAD系统的概念；

8、CAD的基本硬件配置及其各自的工作原理、特点；CAD软件的组成及分类；CAD系统的图形处理；二维图形基本变换原理及基本变换矩阵；标准件库的建立及准则；几何模型的分类；实体模型的实现方法；特征的定义及特征造型的基本概念。难点：二维、三维图形变换的应用；透视变换及轴测投影变换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。四、考核要求了解：CAD系统的概念；CAD软件及其分类；二维图形的裁剪；消隐算法及基本测试方法；特征的定义、定义准则以及特征表示的几何模型；数据库系统的组成。掌握：CAD的基本硬件配置；二维和三维图形的基本变换原理及变换矩阵；标准件库的建立。五

9、、应用要求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

10、、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、本章知识点第一节 优化设计概论1. 优化设计的概念、特点2. 优化问题的分类3. 优化设计数学模型的基本要素及建立4. 设计变量和设计空间的概念5. 约束条件的分类及可行域6. 目标函数分类及多目标函数的设计准则第二节 优化设计的基本概念1. 方向导数和梯度的定义及公式2. 多元

11、函数的泰勒展开式3. 函数的凸性4. 迭代法的思路和常用的终止准则第三节 一维搜索方法1. 一维搜索的基本概念2.3. 插值法的原理及计算步骤第四节 无约束设计的最优化方法1. 无约束设计的基本概念2. 无约束设计方法的分类3. 共轭方向的概念及形成4. 常用的无约束优化方法：Powell法、梯度法、共轭梯度法、变尺度法的基本原理及计算步骤第五节 有约束优化设计的方法1.有约束优化方法的分类2.复合形法的基本思想及具体迭代步骤3.简约梯度法的基本思想4.罚函数的概念及运算5. 第六节 优化设计的若干问题6. 优化设计的建模过程和步骤7. 选择优化方法时应考虑的因素8. 离散型变量的处理9.多目

12、标函数的优化方法三、重点与难点重点：优化设计的基本概念；数学模型的建立；方向导数和梯度的定义及公式；共轭方向与共轭梯度方向的定义；二次型函数极值的必要条件及极值类型的判定；迭代法的思路和常用的终止准则；0.618法和插值法的原理及计算步骤；无约束优化方法：Powell法、梯度法、共轭梯度法的基本原理及计算步骤；有约束优化方法：复合形法和罚函数法的基本思想。难点：优化数学模型的建立；梯度的性质；二次插值法；共轭方向的形成；初始罚因子的选择四、考核要求了解：优化设计的概念、特点、问题分类；数学模型的建立及基本概念；梯度法、共轭梯度法、变尺度法及Powell法的基本原理；无约束设计的基本概念及方法分

13、类；复合形法的基本原理及迭代过程；有约束优化设计的基本概念及方法分类罚函数的概念；优化方法选择应注意的问题及优化结果分析。掌握：函数的方向导数和梯度；无约束与有约束目标函数达到最优解的规律；共轭方向的基本概念、性质和如何在迭代中形成共轭方向。五、应用要求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；二次插值法的计算；Powell法的应用计算；梯度法的应用计算；罚函数的应用计算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，掌握有限元法“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、

14、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。领会平面刚架有限元分析的基本原理及计算步骤以及弹性力学平面问题有限元分析的基本原理及计算步骤。二、本章知识点第一节 有限元法概述1.有限元法的基本思路2.有限元法的求解过程3.节点的编码4. 单元刚度矩阵的形成5. 总体刚度矩阵系数及形成6. 叠加法形成总体刚度矩阵7. 引入支撑条件8. 由节点位移求解各单元内应力和应变第二节 平面刚架的有限元法1.平面刚架有限元法的解题思路2.单元刚度矩阵的局部坐标系3.单元刚度矩阵的推导4.单元刚度矩阵的转换及转换矩阵

15、5.单元刚度矩阵的特性6.总体刚度矩阵的集成7.总体刚度矩阵的特性8.支撑条件的引入方法9.非节点载荷转换成等效载荷第三节 弹性力学问题的有限元法1.平面应力与平面应变问题2平面应力与平面应变的区别及各自表示方程3三角形单元及位移模式4三角形平面单元刚度矩阵及坐标转换矩阵5总体刚度矩阵的集成6单元刚度矩阵向总体刚度矩阵的转化7总体刚度矩阵的特点8合理分布节点以及半带宽的求解9总体平衡方程的求解步骤10非节点载荷的等效化11结构离散化时确定的因素：单元类型、单元尺寸、节点位置、单元数量及无限体12前处理与后处理的重要性及主要内容三、重点与难点重点：有限元法的基本思路；进行有限元分析的基本步骤；简

16、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；平面应力与平面应变的区别及各自表示方程；总体平衡方程的求解步骤；非节点载荷的处理；结构的离散化；有限元法的前处理与后处理难点：利用单元刚度系数推导局部坐标系下的单元刚度矩阵；判断单元刚度系数在总体刚度矩阵中的位置四、考核要求了解：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；单元刚度矩阵与总刚度矩阵的特性；引入支承条件及非节点载荷的处理方法。掌握：有限元法的基本思路，结构离散化的基本原则与步骤；平面刚架的有限元分析过程：单元刚度矩阵的推导及坐标准换、总刚度矩阵的集成、位移的求解；弹性力学平

17、面问题的有限元法求解过程：三角形平面单元刚度矩阵及坐标转换、总刚度矩阵的集成、总体平衡方程的求解。五、应用要求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。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

18、一、学习目的与要求通过本章学习，了解可靠性设计的重要性和可靠性工程的主要技术领域；掌握可靠性基本理论；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、本章知识点第一节 可靠性基本概念和数学基础1.可靠性的定义：三个“规定”和一个“能力”2.可靠性设计方法与传统方法的联系和区别3.可靠性的各种统计指标的基本概念4.常用分布函数及可靠度

19、的计算：二项分布、泊松分布、正态分布、对数正态分布、指数分布及威布尔分布5.正态分布的检验：正态概率坐标纸第二节 可靠性设计的原理与方法13法则2正态随机变量的代数运算公式3应力和强度的广义概念4强度和应力均服从正态分布时可靠度的计算5强度和应力均服从正态分布时的干涉情况6强度和应力服从其它分布时可靠度的计算7可靠度的置信区间与置信度的概念及计算第三节 可靠性设计方法的简单应用1. 强度与应力均均服从正态分布时拉杆、梁和轴按静强度要求的尺寸计算2. 强度与应力均均服从正态分布时压杆稳定的性可靠度的计算3. 磨损寿命的可靠性设计第四节 系统的可靠性预测和可靠度分配1. 串联模型可靠度的计算2.

20、并联模型（包括工作冗余系统与非工作冗余系统）可靠度的计算3. r/n表决系统的可靠度计算4. 复杂系统可靠度的计算方法：等效功能图法和布尔真值表法5. 故障树分析6. 根据分配原则可靠度分配的方法：等同分配法、加权分配法和优化分配法三、重点难点重点：可靠性的定义；可靠性的各种统计指标的基本概念；二项分布、泊松分布、正态分布的表达式；正态随机变量的代数运算公式；强度和应力均服从正态分布时可靠度的计算；强度和应力均服从正态分布时的干涉情况；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；故障树分析；等同分配法、加权分配法表达式。难点：强度和应力均服从正态分布时可

21、靠度的计算；强度和应力均服从正态分布时的干涉情况，并分析平均安全系数设计法的局限性；概率密度函数发生干涉时，求解可靠度的原理及一般方程；串联系统、并联系统的可靠性设计；故障树的建立；广义理解“强度”、“应力”的含义。四、考核要求了解：可靠性的基本概念、应用范围；可靠性设计方法与传统方法的联系和区别；可靠性的各种统计指标的基本概念；故障树的分析；可靠度的分配原则及方法。掌握：可靠性设计中常用的分布函数：二项分布、泊松分布、正态分布、指数分布、威布尔分布及可靠度计算；3法则；强度应力干涉理论；串、并联模型的可靠度计算；r/n表决系统及复杂系统的可靠度计算；可靠性设计方法的简单应用。五、应用要求简单

22、应用单随机变量服从正态分布时的可靠度的计算；可靠性各种统计指标间的换算；串联系统。并联系统模型的可靠度计算；应用等同分配法、加权分配法分配可靠度；标准正态分布表的查取。综合应用强度与应力均均服从正态分布时拉杆、梁和轴按静强度要求的尺寸计算；强度与应力均均服从正态分布时压杆稳定的性可靠度的计算；复杂系统可靠度的计算。三、考核方式及题型1本大纲各章所规定的了解、掌握、重点、难点的知识点都是考试的内容。试题覆盖到章，适当突出重点章节，加大重点内容的覆盖密度。2命题不应有超出大纲中知识点范围的试题，考核目标不得高于大纲中所规定的相应最高能力层次要求。3. 试题的难度可分为：容易，中等偏易，中等偏难，难

23、；它们在试卷中所占分数比例依次大致为：20%、30%、30%、20%。4. 试题的题型有单项选择题、度多项选择题、填空题、问答题和计算题5种，它们所占题量大小分别为20题、10题、10题、5题和4题；它们所占分值比例分别为20、10、10、30和30。5. 考试方式为笔试、闭卷；考试时间为150分钟；60分为及格线。考试时只允许带钢笔或圆珠笔、2B铅笔和橡皮、计算器。附录 题型举例一、单项选择题（每小题列出的四个选项中只有一个选项符合题目要求，请将正确选项前的字母填入在题后的括号内。错选、多选、未选均不得分。）举例：1、基本图形资源软件是一种（B）A：系统软件 B：支持软件 C：绘图软件 D：

24、应用软件二、多项选择题（每小题列出的五个选项中有二至五个选项是符合题目要求的，请将正确选项前的字母填入在题后的括号内。多选、少选、错选均不得分。）2、迭代过程是否结束通常的判断方法有（ABD）A：设计变量在相邻两点之间的移动距离充分小B：相邻两点目标函数值之差充分小C：目标函数的导数等于零D：目标函数梯度充分小E：海赛矩阵是否正定三、填空题举例：根据配置的硬件对CAD系统进行分类可分为_、_、_三类四、问答题举例：正态分布曲线的特点是什么？什么是标准正态分布？五、计算题举例：某零件的寿命服从指数分布，且已知该零件的失效率为0.0025，试求该零件的平均寿命T、工作250小时的可靠度R（250）

25、和失效密度f(250)。第三部分：有关说明及实施要求为了使本大纲的规定在个人自学、社会助学和考试命题中得到贯彻落实，现对有关问题作如下说明，并提出具体实施要求。一、自学考试大纲的目的和作用课程自学考试大纲是根据专业自学考试计划要求，结合自学考试的特点而制定的。课程自学考试大纲规定了该课程要求学什么，怎么学；考什么和怎么考。同时，大纲还明确了课程学习的内容以及自学考试的范围和标准。因此，它是编写自学考试教材和辅导书的依据，是社会助学组织进行自学辅导的依据，是自学者学习教材、掌握课程内容知识范围和程度的依据，是自学考试进行命题的依据，也是出现争议、进行诉讼的依据。可以说，课程自学考试大纲是涉及以上

26、诸方面的灵魂、核心所在。二、自学考试大纲与教材的关系自学考试大纲和教材建设是实施高等教育自学考试制度的基础性工作。自学考试大纲是进行学习和考核的依据，教材是学习掌握课程知识的基本内容与范围，教材内容是大纲所规定的课程知识和内容的扩展和发挥。自学考试大纲与教材所体现的课程内容、体例以及章节基本保持一致；大纲里规定的课程内容和知识点，教材里就必须要有所阐述、有所反映。反过来教材里有的内容，大纲里就不一定体现。若教材中的内容与大纲要求不一致，以大纲为准。综上所述，课程自学考试大纲中规定了学习的知识和掌握的要求，这些课程知识内容又都在相应的教材里得到了充分的体现。因此，自学考试大纲与教材的关系是既有联系又有区别，既有相关性，其作用又有所不同。开始先通读教材是必要的，然后在大纲的统领、引导下再认真的去理解、把握知识点，才能学好和掌握这门课程的知识。三、关于自学教材与主要参考书1指定教材现代设计方法，应锦春主编，机械工业出版社，“全国高等教育自学考试指定教材”。2参考读物现代设计方法，陈继平主编，华中科技大学出版社。四、关于自学要求与自学方法的指导本大纲的课程基本要求是依据专业考试计划和专业培养目标而确定的，同时还明确了课程的基本内容，以及对基本内容掌握的程度。基本要求中的知识点构成了课