《机械优化设计》课程教学大纲

《机械优化设计》教学大纲一、课程基本信息课程名称机械优化设计MechanicalOptimizationDesign课程编码MEE210921020开课院部机电工程学院课程团队机械创新设计教学团队学分2.0课内学时32讲授32实验0上机0实践0课外学时26适用专业车辆工程授课语言中文先修课程课程简介（限选）本课程向学生介绍机械优化设计的基本概念、数学基础、常用算法和机械优化设计数学模型的建立技术，对学生工程意识培养和计算机应用能力培养有重要意义。通过学习，使学生初步掌握一维搜索方法、无约束优化方法、约束优化方法的常用算法、优化设计的建模技术及应用，为在工程中应用优化设计技术打下基础。Thiscoursewhichisanimportantpartofthemachineryofmoderndesignmethodscoursesintroducesstudentstothebasicconceptsandmathematicalbasisofmechanicaloptimizationofthedesign,commonlyusedalgorithmsandmechanicaloptimizationofthedesignmathematicalmodeloftechnology.Ithelpstothecultivationofstudents'engineeringawarenesstrainingandcomputerproficiency.AfterlearningOptimizationofMechanicalDesigncourses,studentcaninitialmasterthecommonalgorithmsforone-dimensionalsearchmethod,unconstrainedoptimizationmethod,constrainedoptimizationmethod,optimizationofthedesignapplicationandmechanicaloptimizationofthedesignmodeloftheestablishmentoftechnicalandlaythefoundationfortheoptimizationdesigntechniquesappliedintheproject.负责人大纲执笔人审核人二、课程目标序号代号课程目标OBE毕业要求指标点任务自选1M1目标1：培养工程优化意识，熟悉建立最优化问题数学模型的基本过程。否2M2目标2：掌握优化设计的基本原理和方法。否3M3目标3：初步具备运用优化方法和工具对工程中的优化设计问题进行建模、编程和计算的应用能力。否三、课程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课程目标课内学时教学方式课外学时课外环节1第1章第1章优化设计的基本概念本章重点：数学模型、可行域、等值线（面）的概念。本章难点：优化问题的几何解释。////21.11.1绪论优化、优化设计和机械优化设计的含义，优化设计的发展概况，优化设计的应用，本课程的任务M10.5讲授//3121.2优化设计问题的示例箱盒的优化设计，最大产值生产资源分配问题，直齿圆柱齿轮副的优化设计M10.5讲授//41.31.3优化设计的数学模型设计变量，约束条件，可行域，目标函数，目标函数等值（线）面优，化设计问题一般数学形式，建模实例，优化设计的分类M11讲授//51.41.4优化问题的几何解释几何解释，优化问题的图解法M10.5讲授//61.51.5优化问题的基本解法及收敛条件基本解法，迭代终止准则M10.5讲授2作业7第2章第2章优化方法的数学基础本章重点：梯度、凸规划、正定矩阵、海赛矩阵的概念及意义。本章难点：无约束优化问题的极值条件、库恩塔克（K-T）条件及应用。////82.12.1方向导数与梯度方向导数，梯度，梯度两个重要性质，几个常用的梯度公式M20.5讲授//92.22.2凸集、凸函数与凸规划全域最优点，局部最优点，凸集，凸函数，凸规划M20.5讲授//102.32.3二次函数及正定矩阵二次函数，二次型，正定矩阵，负定矩阵M21讲授//112.42.4无约束优化问题的极值条件多元函数的泰勒展开，海森矩阵，无约束优化问题的极值必要条件，无约束优化问题的极值充分条件M21讲授//122.52.5有约束优化问题的极值条件库恩—塔克条件，起作用约束M21讲授2作业13第3章第3章一维搜索方法本章重点：区间消区法、黄金分割法。本章难点：黄金分割法。////143.13.1引言搜索步长，一维搜索，试探法，插值法M20.5讲授//153.23.2确定最优解所在区间的进退法一维搜索的基本思想，确定初始单谷区间的进退法M20.5讲授//163.33.3一维搜索的区间消去方法基本思想，黄金分割由来，黄金分割法M21讲授//173.43.4一维搜索的插值类方法牛顿法，抛物线法（二次插值法）M21讲授2作业18第4章第4章无约束优化方法本章重点：最速下降法、鲍威尔方法、单纯形方法。本章难点：理解各种方法的联系、特点及寻优策略。////194.14.1引言为什么要研究无约束优化问题，间接法，直接法M20.5讲授//204.54.5共轭方向法—共轭梯度法共轭方向，共轭方向的性质，共轭梯度法M21讲授//214.64.6共轭方向法—鲍威尔方法基本思想，基本算法，改进算法，Powell条件M21讲授//224.74.7单形替换方法基本思想，单形替换算法M21讲授//234.84.8其它方法坐标轮换法，步长加速法（Hook-Reeves算法）M20.5讲授2作业24上机上机：最速下降法程序利用上次一维搜索的通用程序编写无约束最速下降法通用程序M3//8编程、上机25第5章第5章约束优化方法本章重点：复合形法、可行方向法、惩罚函数法。本章难点：可行下降方向、各种方法的特点及寻优策略。////265.15.1引言直接法，间接法M20.5讲授//275.25.2随机方向法基本思想，产生随机方向的方法，产生随机初始点M20.5讲授//285.35.3复合形法基本思想，初始复合形的构成，复合形法的迭代步骤，方法特点M21讲授//295.45.4可行方向法基本思想，可行方向法的搜索策略，产生可行方向的条件，可行方向的产生方法，步长的确定M21.5讲授//305.55.5惩罚函数法基本思想，内点法，外点法，混合法M21讲授//315.65.6序列二次规划法等序列二次规划法，网格法M20.5讲授//32第6章第6章优化设计的建模技术及应用本章重点：优化建模技术及应用。本章难点：多目标优化建模策略。////336.16.1多目标优化方法多目标优化问题，绝对最优解，非劣解(有效Pareto解)，线性加权法、理想点法（目标规划法）、分目标乘除法、功效系数法，协调曲线法，分层序列法和宽容分层序列法M11.5讲授//346.26.2离散变量优化方法概述，约束非线性离散变量的优化方法M20.5讲授//356.36.3数学模型的尺度变换目标函数的尺度变换，设计变量的尺度变换，约束函数的尺度变换M20.5讲授//366.46.4优化结果分析和全局最优解问题优化结果分析，过程分析，约束函数值的检查，灵敏度分析，全局最优解问题M20.5讲授//376.56.5优化设计在机械设计中的应用举例销轴结构参数的优化，机床主轴结构优化设计，圆柱齿轮减速器的优化设计，平面连杆机构的优化设计M32讲授10大作业38第7章第7章遗传算法简述本章重点：遗传算法的思想、基本过程。本章难点：算法的编码、解码。////397.17.1背景遗传算法的提出M20.5讲授//407.27.2基本思想基本思想M20.5讲授//417.37.3算法的基本步骤算法的基本步骤M21讲授//427.47.4算法实现的几个技术问题编码和解码，适应函数，算法参数，遗传算子，算法终止准则M21.5讲授//437.57.5遗传算法与其它传统搜索方法的比较遗传算法与其它传统搜索方法的比较M20.5讲授//四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1考勤刷卡统计出勤率、课堂精神风貌5%2课堂表现参与课堂情况，包括回答问题、课堂讨论5%3平时作业1.全部课程共四次作业，每次布置2~4道题目。2.成绩采用10分制，根据作业完成准确性、是否按时上交、是否独立完成评分。3.考核学生对优化设计的概念、基本原理和方法的掌握情况。题型主要有计算、证明题。10%4上机编程1.全部课程共两次课外上机编程。2.成绩采用10分制，根据程序完成准确性、是否按时上交、是否独立完成评分。3.考核学生运用计算机实现优化算法的能力。10%5大作业1.大作业要求用优化设计方法解决一个实际工程问题，需要提要分析报告及计算程序。2.成绩采用百分制，根据工程问题难度、报告完成情况评分。3.考核学生运用优化方法和工具对工程中的优化设计问题进行建模、编程和计算的应用能力。20%6期末考试1.开卷考试，成绩采用百分制，卷面成绩总分100分。2.主要考核学生对优化设计基本知识的掌握情况，学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力，题型主要有分析、证明、计算、简答题等。50%五、评分细则序号课程目标考核环节大致占比评分等级1M1考勤10%M-缺勤2次以内；N-缺勤3次及以上，很少参加课堂讨论。2M1课堂表现10%A-积极，回答问题正确，参与讨论表现优异；B-积极，回答问题基本正确；C-比较积极，回答问题有错误；D-不积极。3M1平时作业20%A-按时提交作业，优化设计的概念、基本原理和方法等基本知识点理解无误；B-按时提交作业，优化设计的概念、基本原理和方法等基本知识点理解存在少量错误；C-按时提交作业，优化设计的概念、基本原理和方法等基本知识点理解存在一定错误；D-不按时提交作业，优化设计的概念、基本原理和方法等基本知识点理解存在大量错误。4M1期末考试60%A-优化设计的概念、基本知识点理解无误；B-优化设计的概念、基本知识点理解存在少量错误；C-优化设计的概念、基本知识点理解存在一定错误；D-优化设计的概念、基本知识点理解存在大量错误。5M2课堂表现10%A-积极，参与讨论表现优异；B-积极，参与讨论表现较好；C-比较积极，参与讨论表现一般；D-不积极。6M2平时作业20%A-按时提交作业，熟悉优化设计的基本原理和方法，对这些方法能够熟练运用；B-按时提交作业，熟悉优化设计的基本原理和方法，对这些方法能够运用；C-按时提交作业，熟悉优化设计的基本原理和方法，对这些方法运用不自如；D-不按时提交作业，对优化设计的基本原理和方法不熟悉，对这些方法运用不自如。7M2期末考试70%A-熟悉优化设计的基本原理和方法，对这些方法能够熟练运用；B-熟悉优化设计的基本原理和方法，对这些方法能够运用；C-熟悉优化设计的基本原理和方法，对这些方法运用不自如；D-对优化设计的基本原理和方法不熟悉，对这些方法运用不自如。8M3上机编程30%A-按时提交程序，能熟练运用计算机实现优化算法；B-按时提交程序，能运用计算机实现优化算法；C-按时提交程序，不能很好的运用计算机实现优化算法；D-不按时提交程序，不能很好的运用计算机实现优化算法。9M3大作业70%A-按要求提交大作业报告，解决的工程问题较复杂，报告包括建模、优化算法、结果分析，内容全面；B-按要求提交大作业报告，解决的工程问题复杂程度一般，报告包括建模、优化算法、结果分析，内容全面；C-按要求提交大作业报告，解决的工程问题较简单，报告包括建模、优化算法、结果分析，内容全面；D-提交大作业报告不符合要求，解决的工程问题过于简单，报告不全面。评分等级说明：[A,B,C,D,E