《现代设计方法》课程教学大纲

1、个人整理资料，仅供交流学习现代设计方法课程教学大纲课程名称：现代设计方法英文名称：课程性质：专业选修课程课程代码：学分学时：学分学时开课学期：第学期适用专业：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：机电工程学院大纲执笔人：王阳俊课程负责人：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：现代设计方法是机械工程专业的一门专业选修课程。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

2、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：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求指标点课程目个人整理资料，仅供交流学习法论。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：1.掌握优化设计方法的基本理论、数学模型与

3、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，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！）毕业要标对应关系说明个人整理资料，仅供交流学习掌握优化设计方法的基本理论、数学的理解、建模、分能将掌握的数理知毕业要识，用于专业问题求：析与求解能运用数理和工程

4、毕业要知识进行机械专业求：领域复杂工程问题中的内涵识别与理解分析教学目标教学目标教学目标教学目标教学目标模型与优化方法，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。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；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。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。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个人整理资料，仅供交流学

5、习方案的基本能力。掌握可靠性设计的基本理论、基本指毕业要求：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教学目标教学目标教学目标教学目标标与设计方法，培养学生在复杂工程问题中进行可靠性分析的基本能力；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。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。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。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

6、个人整理资料，仅供交流学习问题中进行可靠性分析的基本能力；掌握有限元分析的基本理论，基本方教学目标教学目标法与设计工具，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。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（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：）1、优化设计概述（学时）（支撑教学目标）1.11.21.3概述最优化数学模型数值迭代方法目标及要求：1)掌握优化设计的基本思想；个人整理资料，仅供交流学习2)掌握最优化设计数学模型的基本要素；3)掌握数值迭代

7、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（学时）（支撑教学目标）2.12.22.32.4多维函数的偏导数与梯度多维函数的泰勒展开式多维函数的极小点存在条件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（学时）（支撑教学目标）3.13.23.3概述进退法黄金分割法个人整理资料，仅供交流学习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)

8、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（学时）（支撑教学目标）4.14.2坐标轮换方法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（学时）（支撑教学目标）5.15.25.35.4概述梯度法牛顿法变尺度法个人整理资料，仅供交流学习目标及要求：1)掌握梯度法的基本思想与基本步骤；2)掌握牛顿

9、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（学时）（支撑教学目标）6.16.2随机方向搜索法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、有约束最优化间接方法（学时）（支撑教学目标）7.17.27.3内点惩罚法外点惩罚法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；个人整理资料，仅供交流学习作业内容：编程实现三种方法的计

10、算机程序。8、最优化设计方法的若干问题（学时）（支撑教学目标）8.18.2优化问题的建模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（学时）（支撑教学目标）9.19.2概述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（学时）（支撑教学目标）10.110.2二项分布泊松分布10.310.410.510.6个人整理资料，仅供交流学习正态分布威布尔分布对数正态分布指数分布目标

11、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（学时）（支撑教学目标）11.111.211.3应力强度干涉模型应力与强度均服从正态分布时可靠度计算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（学时）（支撑教学目标）12.112.2零部件静强度的可靠性设计零部件疲劳强度的可靠性设计目标及要求：个人整理资料，仅供交流学习1)理解材料全概率疲劳曲线（曲线）的意义；2)

12、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（学时）（支撑教学目标）13.113.213.3系统可靠性预测系统可靠性分配故障树分析法在系统设计中的应用目标及要求：1)理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（学时）（支撑教学目标）14.114.214.3有限元法的基本思想有限元法在工程中的应用有限元法求解问题

13、的基本步骤个人整理资料，仅供交流学习目标及要求：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（学时）（支撑教学目标）15.115.215.315.4结构的离散化单元刚度矩阵的建立总体刚度矩阵的建立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（学时）（支撑教学目标）弹性力学的基本方程单元刚度矩阵的建立个人整理资料，

14、仅供交流学习总体刚度矩阵的集成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）3）4）5）掌握结构离散化的原则；掌握单元刚度矩阵的推导方法；掌握总体刚度矩阵的集成方法；掌握位移的求解方法。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（学时）（支撑教学目标）轴系扭转振动分析轴系横向振动分析目标及要求：1）2）3）4）掌握轴系扭转振动状态传递方程；掌握轴系扭转振动固有频率和主振型的计算方法；掌握轴系横向振动状态传递方程；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（学时）（支撑教学目标）机械阻抗

15、与频率响应函数个人整理资料，仅供交流学习振动系统频率响应的图示法传递函数测量的模态分析目标及要求：1）2）3）4）5）掌握幅频和相频特性曲线；掌握实频与虚频曲线；掌握奈奎斯特图；掌握模态分析的方法。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

16、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。个人整理资料，仅供交流学习因此在教学方法上，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

17、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断发展发生着深刻的变化，比如现代设计方法中蒙特卡罗方法随着人工智能的兴起已经成为了现代设计方法的教学内容，多尺度仿真方法随着复杂系统在宏观微观维度的发展成为了现代设计过程中不可或缺的重要方法。教学对象的世界观、人生观和价值观也随着时代的发展而变化，科学与技术哲学中可证伪性代替因果性，不确定性代替确定性的思考逐渐向工程领个人整理资料，仅供交流学习域渗透，也直接影响到教学对象的思维方式与思维方法，因此，通过对学生培养目标、学生专业课程设置和本门课程学习目标的不断加深认识，通过与学生在学习、工作、生活问题上的适当交流，教学方法将会不断改进。在现代设计方法的教学方法实践上，已进行了合理质疑的讨论方法以及工程哲学思维引导的教学方法的实践，未来促进学校与企业之间采用现代