现代设计理论与方法复习内容学习教案.pptx

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1、现代现代(xindi)设计理论与方法复习内容设计理论与方法复习内容第一页，共34页。u现代产品设计按其创新程度(chngd)可分为：开发性设计(shj)、适应性设计(shj)、变形设计(shj)u设计(shj)的特征：需求特征、创造性特征、程序特征、时代特征。第1页/共34页第二页，共34页。2 系统分析方法(fngf)第2页/共34页第三页，共34页。u利用(lyng)黑箱法确定总功能u利用(lyng)功能数对总功能进行分解 u使用形态(xngti)分析法进行功能元解的组合 u产品设计的四个进程产品规划、方案设计、技术设计、施工设计u利用有效值评分法进行方案评价 计算例2-6或习题第3页/共

2、34页第四页，共34页。u现代产品设计按其创新(chungxn)程度可分为：开发性设计(shj)、适应性设计(shj)、变形设计(shj)u设计(shj)的特征：需求特征、创造性特征、程序特征、时代特征。第4页/共34页第五页，共34页。3 创造性设计(shj)方法u常用(chn yn)的创造技法集体(jt)激智法、提问追溯法、联想类比法、组合创新法 第5页/共34页第六页，共34页。4 优化设计(shj)第6页/共34页第七页，共34页。u优化设计一般包括两部分(b fen)内容：（1）将实际设计问题(wnt)转变为数学规划问题(wnt)，即建立数学模型。（2）采用适当(shdng)的最优化

3、方法求解这个数学规划问题，即求解这个数学模型。第7页/共34页第八页，共34页。u优化设计(shj)数学模型的一般形式：u优化设计(shj)的数学模型三要素：设计变量、目标(mbio)函数和约束条件第8页/共34页第九页，共34页。例4.1 有一边长为6m的正方形钢板，四角各裁去一个小的方块，做成一个无盖的货箱。试确定裁去的四个小方块的边长，以使做成的货箱具有(jyu)最大的容积。第9页/共34页第十页，共34页。u数值(shz)迭代法的求优过程如下：第10页/共34页第十一页，共34页。（）点距准则（）点距准则(zhnz)(zhnz)相邻(xin ln)两点和的向量差的模（）函数（）函数(h

4、nsh)(hnsh)值下降量准则值下降量准则 （）梯度准则（）梯度准则12u数值迭代法及终止准则第11页/共34页第十二页，共34页。每次迭代(di di)方向和步长因子(ynz)的确定。各种优化方法也主要(zhyo)是在这个核心问题上显示出各自的特色。u迭代求优的核心：第12页/共34页第十三页，共34页。u函数极值点所在搜索(su su)区间（单峰区间）特征：上的三点及其函数值、，函数值呈“大小大”的关系，若已知方向即一维搜索(su su)方法第13页/共34页第十四页，共34页。黄金分割法亦称0.618法。它是通过对黄金分割点函数值的计算和比较，用区间(q jin)消去原理不断缩小初始区

5、间(q jin)得到极小点的一维搜索算法。u黄金分割法的算法(sun f)原理：见书上例题(lt)或课后习题u要求能够应用黄金分割法进行简单问题的优化 第14页/共34页第十五页，共34页。二次插值法又称抛物线法，是多项式逼近法的一种，它是利用目标函数在单峰区间的两个端点和其间一点（3个点），构成(guchng)一个与目标函数相接近的二次插值多项式，以该多项式的极小点作为新的中间插入点，进行区间缩小的一维搜索算法。u二次插值法的算法(sun f)原理：第15页/共34页第十六页，共34页。x(a)(b)第16页/共34页第十七页，共34页。(a)第17页/共34页第十八页，共34页。无约束优化

6、方法(fngf)间接法直接法变尺度法第18页/共34页第十九页，共34页。u梯度(t d)法的一般迭代格式：20u梯度(t d)法的搜索方向：第19页/共34页第二十页，共34页。u梯度(t d)法的迭代步骤：第20页/共34页第二十一页，共34页。见书上例题(lt)或课后习题u要求(yoqi)能够应用梯度法进行简单问题的优化 第21页/共34页第二十二页，共34页。(1)(1)初始点可任选初始点可任选 (2)(2)任意相邻两点的搜索方向正交，它的迭代路径为绕到逼近极小点。当迭代点靠近极小点附近任意相邻两点的搜索方向正交，它的迭代路径为绕到逼近极小点。当迭代点靠近极小点附近(fjn)(fjn)

7、，步长变得很小，收敛速度越来越慢，这是梯度法的较大缺点。，步长变得很小，收敛速度越来越慢，这是梯度法的较大缺点。u梯度(t d)法的特点：梯度法的“最速下降(xijing)”方向并不是最理想的迭代捷径。其根本原因在于梯度的最速下降(xijing)性质只是迭代点邻域内的一种局部性质，从全局来看这种方向并没有“最速”的性质。第22页/共34页第二十三页，共34页。u牛顿(ni dn)法的迭代公式：u阻尼牛顿(ni dn)法又称修正牛顿(ni dn)法的迭代公式：u变尺度(chd)法的迭代公式：u变尺度法与牛顿法、梯度法的区别和联系？第23页/共34页第二十四页，共34页。25（1）优点：收敛快，对

8、初始(ch sh)点没有苛刻的要求缺点(qudin)：阻尼牛顿(ni dn)法特点：变尺度法是在克服了梯度法收敛慢梯度法收敛慢 和牛顿法计算量大牛顿法计算量大 的缺点基础上而发展起来的一种最有效的解析法。第24页/共34页第二十五页，共34页。约束(yush)优化方法u约束优化直接(zhji)法的基本思想：设法使每一次迭代产生的新迭代点限制在可行域内，且使目标函数值逐步下降，直至最后获得一个在可行域内的约束最优解。直接法要求对产生的每一个新迭代点都要进行可行性和适用性检查(jinch)。主要针对于不等式约束 通过一定的变换，将约束优化问题转化为无约束优化问题，然后采用各种无约束优化方法求解。这

9、种方法对不等式约束问题和等式约束问题都适用。u约束优化间接法的基本思想：拉格朗日法、惩罚函数法等。复合形法 第25页/共34页第二十六页，共34页。在原目标函数(hnsh)中添加一些与约束有关的项，形成一个新的目标函数(hnsh)（即罚函数(hnsh)）以取代原目标函数(hnsh)，然后用无约束优化方法求新目标函数(hnsh)的最优解，内点法函数(hnsh)法适用于求解u惩罚(chngf)函数法的基本思想：u内点罚函数法与外点罚函数法的区别(qbi)？内点法、外点法、混合点法第26页/共34页第二十七页，共34页。5可靠性设计(shj)第27页/共34页第二十八页，共34页。u可靠性的定义(d

10、ngy)：产品在规定的条件(tiojin)下和规定的时间内，完成规定功能的能力。u与传统设计方法相比，机械(jxi)可靠性设计的特点：(1)在可靠性设计中，认为作用于零件上的载荷（工作应力）和材料的强度都不是确定量，而是随机变量，具有明显的离散性质。(2)在可靠性设计中，认为所设计的零部件存在一定的失效可能性，但失效概率应控制在允许范围内，不得超过允许值。第28页/共34页第二十九页，共34页。u可靠性设计的常用指标的概念及计算公式u以及它们(t men)之间的联系：可靠度不可靠度或失效(sh xio)概率：失效(sh xio)概率密度函数：失效(sh xio)率或故障率第29页/共34页第三

11、十页，共34页。u应力强度干涉(gnsh)模型 应力和强度的概率密度函数。将它们画在同一坐标系中，两种分布曲线有重叠，这种重叠称为应力强度干涉现象。将这种干涉称为应力强度干涉模型。应力S和强度服从某一概率分布，分别用表示 第30页/共34页第三十一页，共34页。（2）当应力和强度的均值一定时，降低(jingd)强度和应力的标准差，可以提高可靠度 见书上114页u根据应力强度干涉理论(lln)如何提高可靠度（1）当应力和强度的标准差一定时，提高均值安全系数(nqun xsh)或提高均值差，可以提高可靠度干涉区的大小定性地反映了可靠度的大小，即干涉区小，则失效概率小。但是干涉区的面积并不等于失效概率。第31页/共34页第三十二页，共34页。u应力与强度均呈正态分布的可靠(kko)度计算：例5-2或习题(xt)u什么是串联(chunlin)系统？如何计算串联(chunlin)系统的可靠度？例5-4，例5-5u什么是并联系统？如何计算并联系统的可靠度？第32页/共34页第三十三页，共34页。6 有限元法u节点(ji din)单元仅在顶角处相互(xingh)联接，称这些联接点为节点u单元之间只能通过节点来传递(chund)内力。第33页/共34页第三十四页，共34页。