机械优化设计教学大纲

机械优化设计（OptimizationofMechanicalDesign）课程基本信息课程编号：04021418 课程总学时：32 实验学时：6学时课程性质：选修课程属性:专业类开设学期：第6学期 适用专业：机制对先修的要求：掌握求导和求极值，朗格朗日函数的知识点和相关计算的能力及素质基础，向量，等值线簇，函数正定负定，二次型函数的知识点和相关计算的能力及素质基础，先修的主要课程有高等数学，线性代数对后续的支撑：对后续机械制造装备设计，机器人概论等课程提供设计方案优化的知识点及相关能力和素质的支撑一、课程的性质、地位和任务

本课程是机械设计制造及其自动化专业学生的选修课，属于专业课程，在培养目标中承担了使其具有扎实的优化相关理论基础和应用能力，较强的工程实践和研究能力，具有国际化视野、创新精神和终身学习能力，并且了解本学科的前沿发展现状和趋势的任务，在人才培养过程中的具有重要的地位及作用。课程介绍机械优化设计方法的基本理论、方法和应用，是对学生所学基础课和专业基础课的综合运用和提高。本课程主要培养学生以数学规划为基础，以电子计算机为工具，初步掌握寻求机械设计中最优设计参数的优化方法，并学会解决一些机械设计中简单的优化问题。主要采用面授课程结合线上部分和实验和课程设计的教学方法。讲授绪论时结合本专业以及中国政府的“制造业强国战略”，引导学生树立远大理想和爱国主义情怀，树立正确的世界观、人生观、价值观，勇敢地肩负起时代赋予的光荣使命，全面提高学生思想政治素质。最终培养出来德智体美劳全面发展的复合应用型为主的高级工程技术人才。二、课程教学的基本要求

1、理论知识方面：学会对简单的机械设计问题，建立合理的优化设计数学模型；了解常用优化方法的基本原理，能结合设计问题选择合适的优化方法；2、实验技能方面：学会常见优化程序的编写，应用。三、课程的教学设计通过不同形式的探究活动、自主学习，体验科技发现和创造的历程，发展抽象思维和辨证逻辑思维。认识本课程的研究学习的基本方法，逐步学会从不同的角度提出问题，解决问题，并能初步学会运用所学知识和技能解决问题，发展应用意识。养成严谨求实的科学态度以及质疑和独立思考的学习习惯。1.课堂讲授本课程属专业课，涉及较多的数学知识，在讲课的过程中应尽可能联系生活和工程实际，尽量避免复杂的理论推导。通过讲述二次差值法，黄金分割法，鲍威尔法等优化方法的迭代步步骤以及使用方法，培养学生分析问题解决问题，选用恰当优化方的能力，同时培养学生的将优化方法进行实际编程能力，发挥其它课程不可替代的综合素质教育作用。2.课后自学为了培养学生整理归纳，综合分析和解决问题的能力，每章都安排一部分内容，教师只给出自学提纲，不作详细讲解，课后学生自学。3.课堂讨论课堂讨论的目的是活跃学习气氛，开拓思路。教师应认真组织，安排重点发言，充分调动每一名同学的学习积极性，做好总结。4.习题课习题课以典型例题分析为主，并适当安排开阔思路及综合性的练习及讨论。5.课外作业课外作业的内容，培养学生选择对基本理论的理解，综合计算和分析、判断的能力以及充分利用图书馆资源及互联网资源的能力。6.实验实验以掌握各种优化原理为先导，然后将其进行编程，进而测试相应需要优化的题目。7.答疑充分利用互联网资源，针对课程的重点、难点以及学生提出的问题进行答疑，及时解答学生学习及生活中碰到的问题。四、理论教学内容及学时分配（26学时）第一章绪论

学时数：1教学目标：了解优化设计概述，发展状况。教学重点和难点：明确本课程的基本内容和性质，掌握学习本课程的基本要求。主要教学内容及要求：了解：优化设计概述，发展状况。理解：本课程的基本内容和性质，掌握学习本课程的基本要求。教学组织与实施：通过线上线下相结合，以授课为主，并采用不同形式的探究活动、引导学生自主学习，鼓励学生寻找问题，发现问题，培养学生知难而进的意志和毅力，提高学生的主动能动性。

第二章

机械优化设计的基本术语和数学模型

学时数：2教学目标：学会对简单的机械设计问题的分析，建立合理的优化设计数学模型教学重点和难点：设计变量，目标函数，约束条件，数学模型及其几何意义等主要教学内容及要求：理解：简单的机械设计问题的分析。掌握：建立合理的优化设计数学模型熟练掌握：设计变量，目标函数，约束条件，数学模型教学组织与实施：通过线上线下相结合，以授课为主，并采用不同形式的探究活动、引导学生自主学习，鼓励学生寻找问题，发现问题，培养学生知难而进的意志和毅力，提高学生的主动能动性。

第三章优化设计的某些基本概念和理论

学时数：7教学目标：掌握多元函数的方向导数与梯度；多元函数的泰勒展开；无约束优化问题的极值条件；凸集、凸函数与凸规划；不等式约束优化问题的极值条件；教学重点和难点：多元函数的方向导数与梯度；多元函数的泰勒展开式；无约束优化问题的极值条件；不等式约束优化问题的极值条件。主要教学内容及要求：理解：凸集、凸函数与凸规划；掌握：无约束优化问题的极值条件；多元函数的泰勒展开式；熟练掌握：多元函数的方向导数与梯度；不等式约束优化问题的极值条件。教学组织与实施：通过线上线下相结合，以授课为主，并采用不同形式的探究活动、引导学生自主学习，鼓励学生寻找问题，发现问题，培养学生知难而进的意志和毅力，提高学生的主动能动性。

第四章优化设计中几种常用的无约束最优化方法

学时数：10教学目标：掌握具体的优化设计方法，包括一维搜索方法、无约束优化方法。教学重点和难点：外推法、0.618法、二次插值法、最速下降法、共轭方向及共轭方向法、共轭梯度法、坐标轮换法、鲍威尔方法，牛顿法等。主要教学内容及要求：掌握：外推法熟练掌握：0.618法、二次插值法、最速下降法、共轭方向及共轭方向法、共轭梯度法、坐标轮换法、鲍威尔方法，牛顿法教学组织与实施：通过线上线下相结合，以授课为主，并采用不同形式的探究活动、引导学生自主学习，鼓励学生寻找问题，发现问题，培养学生知难而进的意志和毅力，提高学生的主动能动性。第五章约束优化设计的直接解法

学时数：4教学目标：了解约束优化设计的直接解法的基本特点，掌握约束优化的直接解法。教学重点和难点：随机方向法，复合形法。主要教学内容及要求：了解：约束优化设计的直接解法的基本特点熟练掌握：随机方向法，复合形法。教学组织与实施：通过线上线下相结合，以授课为主，并采用不同形式的探究活动、引导学生自主学习，鼓励学生寻找问题，发现问题，培养学生知难而进的意志和毅力，提高学生的主动能动性。第六章约束优化设计的间接解法

学时数：2教学目标：了解约束优化设计的间接解法的基本思想；掌握内点惩罚函数法；外点惩罚函数法；混合惩罚函数法。教学重点和难点：内点惩罚函数法；外点惩罚函数法；混合惩罚函数法。主要教学内容及要求：了解：了解约束优化设计的间接解法的基本思想，约束优化设计的间接解法小结熟练掌握：掌握内点惩罚函数法；外点惩罚函数法；混合惩罚函数法。教学组织与实施：通过线上线下相结合，以授课为主，并采用不同形式的探究活动、引导学生自主学习，鼓励学生寻找问题，发现问题，培养学生知难而进的意志和毅力，提高学生的主动能动性。五、实验教学内容及学时分配

（6学时）（一）实验课程简介《机械优化设计》是一门专业选修课。通过本门课程的学习，培养学生对机械优化设计的基本理论，优化方法等问题的认识，使其掌握必要的基础知识，较熟练的计算能力，一定的分析能力，初步的实践应用能力，从而使学生对工程中的一般优化问题具有定量的分析、计算，编程的能力。同时为有关专业课程的学习打下坚实的优化基础。（二）实验教学目的和基本要求本课程的实验课程部分，是理论教学的验证、深化和补充，具有较强的实践性。拟通过实验教学的进行，让学生进一步深化对课堂教学内容的理解，实验教学培养学生的自己动手能力、运用各种优化方法来研究。要求学生按时完成程序编制。所编程序未完成者不允许参加机械优化设计考试。另外，通过实践进一步加强学生独立分析问题和解决问题的能力、综合设计及创新能力的培养，同时注意培养学生实事求是、严肃认真的科学作风和良好的实验习惯，为今后工作打下良好的基础。（三）实验项目名称与学时分配序号实验名称学时类型实验要求每组人数04021418+01一维搜索法区间确定程序的编制2综合性必做404021418+02黄金分割法法程序的编制2综合性必做404021418+03二次插值法程序的编制2综合性必做404021418+04坐标轮换法程序的编制2综合性选做404021418+05梯度法程序的编制2综合性选做4（四）实验方式及基本要求1．实验前学生必须进行预习，方可进入实验室进行实验。2．实验4人1组，在指导教师的指导下，由学生在规定的时间内独立完成。出现问题，教师要引导学生独立分析、解决，不得包办代替。3．任课教师要认真上好每一堂课，实验前清点学生人数，实验中按要求做好学生实验情况及结果记录。(五)实验内容安排【实验一】一维搜索法区间确定程序的编制1.实验学时：22.实验目的：了解一维搜索法区间确定的理论和方法，并进行程序的编制。3.实验内容：根据书中给出的资料，掌握搜索区间确定的方法步骤，画出一维搜索的计算机编程系统流程图。编写相应的程序。撰写实验报告。4.实验要求：实验前熟读书中给出一维搜索区间的方法。5.实验设备及器材：计算机【实验二】黄金分割法法程序的编制1.实验学时：22.实验目的：按照黄金分割法（0.618法）理论，进一步理解一维搜索的理论。掌握0.618法是如何进行插值以及后续的迭代的过程的，以及收敛的准则，如何防止溢出的产生。利用已学的计算机语言进行编写一维搜索程序的代码的编写。3.实验内容：画出黄金分割法（0.618法）的计算机编程系统流程图。使用熟悉的计算机语言（VB、VC、VF等）编写源程序并上机调试通过。运行程序并按照给定的考核题进行测试分析。撰写实验报告。4.实验要求：实验前熟读书中给出黄金分割法的方法。按照画好的程序框图进行编程。5.实验设备及器材：计算机【实验三】二次插值法程序的编制1.实验学时：22.实验目的：掌握二次插值法理论，进一步理解一维搜索的理论；掌握二次插值法的基本思想和逼近函数的构造方法；掌握序列消去原理的探索方法3.实验内容：画出二次插值法的计算机编程系统流程图。；根据给定的区间，计算出插值点和各点的函数值，找出初使值；确定可能出现溢出现象的位置并确定对应办法；使用熟悉的计算机语言（VB、VC、VF等）编写源程序并上机调试通过。4.实验要求：实验前熟读书中给出二次插值法的方法。按照画好的程序框图进行编程。5.实验设备及器材：计算机。【实验四】坐标轮换法程序的编制1.实验学时：22.实验目的：掌握无约束优化方法的理论，明确直接求优法和间接求优法各自代表的含义；掌握坐标轮换法的基本思想和构造方法；了解坐标轮换法的优缺点以及适用的范围3.实验内容：分析坐标轮换法的迭代步骤，画出流程图；选择一个合适确定步长的方法，给出所需的各种初始值；编制调试坐标轮换法程序；撰写实验报告。4.实验要求：实验前熟读书中给出坐标轮换法的方法。按照画好的程序框图进行编程。5.实验设备及器材：计算机【实验五】梯度法程序的编制1.实验学时：22.实验目的：掌握无约束优化方法的理论；掌握梯度法的基本思想和构造方法；了解梯度法的优缺点以及适用的范围3.实验内容：分析梯度法的迭代步骤，画出流程图；选择一个合适确定步长的方法，给出所需的各种初始值；编制调试梯度法程序；撰写实验报告。4.实验要求：实验前熟读书中给出梯度法的方法。按照画好的程序框图进行编程。5.实验设备及器材：计算机（六）考核方式及成绩评定本教学环节按照学生实验表现进行考核，实验成绩分：优、良、中、及格、不及格五级。六、使用教材1、选用教材：（1）理论课教材：《机械优化设计》，陈立周主编，冶金工业出版社，2009年（2）实验课教材：《机械优化设计》，陈立周主编，冶金工业出版社，2009年（3）实习指导书：《机械优化设计》，陈立周主编，冶金工业出版社，2009年2、参考书：（1）《机械优化设计》.孙靖民,梁迎春主编.机械工业出版社.2012.4（2）《机械优化设计》.邓效忠，竺志超.华中科技大学出版社，2015.5（3）《机械优化设计及应用》