《机械优化设计》课程教学大纲

《机械优化设计》课程教学大纲课程编码：AL040620课程性质：专业限选课程适用专业：农业机械化及其自动化专业学时学分：32学时2学分所需先修课：高等数学、线性代数、工程力学、机械原理、机械设计、计算机语言等编写单位：机电工程学院一、课程说明1．课程简介《机械优化设计》是农业机械化及其自动化专业学生的一门专业限选课，主要学习各种优化方法的原理及其实现，如黄金分割法，鲍威尔方法，惩罚函数法等，同时课程也涉及到常用软件的优化工具箱的使用。通过学习使学生了解优化设计的基本思想，优化设计在机械中的作用及其发展概况；初步掌握建立数学模型的方法，熟练掌握优化方法；并具备一定的将机械工程问题进行建模、编程和计算的应用能力。2．教学目标要求使学生掌握问题转化成最优化问题的方法，并且利用最优化的方法编制计算机程序和使用MATLAB优化工具箱，用计算机自动寻找、最佳的设计方案。知识目标：本课程旨在培养学生具有优化设计思想，使学生初步掌握建立数学模型的方法，熟练掌握常用的几种优化方法，并具备一定的将机械工程问题转化为最优化问题并求解的应用能力，培养应用数学方法来解决较为复杂的机械设计问题的能力。能力目标：在学习黄金分割法、牛顿梯度法、鲍威尔法等优化方法的过程中，使学生形成一定的优化设计思想，学生通过上机操作，提高学生独立工作的能力，并将优化的思想运用到实际的设计过程中,并具备一定的数学建模和编程能力。素质目标：通过本课程的学习，培养作为一个机械工程技术人员必须具备的严谨治学的科学态度，为未来的工作和生活奠定良好的基础。3．教学重点难点教学重点：机械优化设计的基本术语和数学模型、无约束最优化方法、约束优化设计方法。教学难点：将机械工程问题转化为最优化问题并求解。4．学时分配表次序教学内容理论课学时数实验课学时数第一部分绪论、优化设计概述2第二部分优化设计的数学基础2第三部分一维优化方法42第四部分无约束优化方法42第五部分约束优化方法42第六部分机械优化设计实例82小计248总计325．主要教法、学法教法上针对学生的实际情况，采用灵活多变的方法，主要是课堂讲授为主，配以适当的上机编程练习适当结合课堂交流讨论，作业讲评等方法。课堂教学全部采用多媒体教学。学法上采用听课与自学结合的方式。6．考核方式及标准考核方式：考查。综合成绩根据平时成绩、上机和期末成绩评定，平时成绩占20%、上机占30%和期末成绩占50%。二、各部分教学纲要第一部分绪论、优化设计概述（2学时）教学目标明确本课程的研究对象、内容、性质、任务，明确优化的含义、机械优化设计的内容及目的；了解机械忧化设计的一般过程（步骤）；掌握设计变量、目标函数、约束条件以及优化设计数学模型的一般形式；明确优化设计的基本方法—“数值迭代法”及优化原理的实质。本部分重点设计变量、目标函数、约束条件以及优化设计数学模型的一般形式本部分难点目标函数、约束条件教学内容1绪论2机械设计优化问题示例3优化设计问题的数学模型4优化计算问题的基本解法第二部分优化设计的数学基础（2学时）教学目标掌握函数的方向导数与梯度、函数的泰勒展开式与海塞矩阵的求解方法；理解凸集、凸函数与凸规划的概念；无约束优化问题的极值条件；约束优化问题的极值条件。本部分重点函数的梯度、海塞矩阵；凸规划问题；约束优化问题的极值条件本部分难点凸规划问题；约束优化问题的极值条件教学内容1多元函数的方向导数与梯度2多元函数的泰勒展开3无约束优化问题的极值条件4凸集、凸函数与凸规划5等式约束优化问题的极值条件6不等式约束优化问题的极值条件第三部分一维优化方法（6学时，含上机2学时）教学目标了解一维优化的基本思想；掌握确定搜索区间的方法与区间消去法原理；掌握黄金分割法、二次插值法。本部分重点确定搜索区间的方法与区间消去法原理；掌握黄金分割法本部分难点确定搜索区间的方法与区间消去法原理；掌握黄金分割法教学内容1概述2搜索区间的确定与区间消去法原理3一维搜索的试探方法4一维搜索的插值方法5实验1一维搜索方法第四部分无约束优化方法（6学时，含上机2学时）教学目标掌握最速下降法、牛顿型方法；了解共轭方向法、共轭梯度法、变尺度法；掌握坐标轮换法、鲍威尔方法。本部分重点牛顿型方法；鲍威尔方法本部分难点鲍威尔方法教学内容1概述2最速下降法3牛顿型方法4共轭方向与共轭方向法5共轭梯度法6变尺度法7坐标轮换法8鲍威尔方法9实验2无约束优化第五部分约束优化方法（6学时，含上机2学时）教学目标了解约束优化设计的基本思想；了解随机方向法、复合形法、可行方向法；掌握惩罚函数法。本部分重点惩罚函数法本部分难点惩罚函数法教学内容1概述2随机方向法3复合形法4可行方向法5惩罚函数法6实验3约束优化方法第六部分机械优化设计实例（10学时，含上机2学时）教学目标掌握MATLAB语言及MATLAB优化工具箱常用的优化函数的使用；理解机械优化设计的一般步骤，建立优化数学模型的原则；能够对机械设计问题进行优化设计计算。本部分重点MATLAB优化工具箱；对机械设计问题进行优化设计计算本部分难点对机械设计问题进行优化设计计算教学内容1MATLAB语言概述2MATLAB优化工具箱3机械优化设计实例4实验4MATLAB优化工具箱三、教材及教学资源使用教材：白清顺，孙靖民.《机械优化设计》（第六版）.北京：机械工业出版社，2017.参考书：[