現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法復(fù)習(xí)內(nèi)容ppt課件

1、1 1 緒論緒論u現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)按其創(chuàng)新程度可分為：現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)按其創(chuàng)新程度可分為： 開發(fā)性設(shè)計(jì)、適應(yīng)性設(shè)計(jì)、變形設(shè)計(jì)開發(fā)性設(shè)計(jì)、適應(yīng)性設(shè)計(jì)、變形設(shè)計(jì) u設(shè)計(jì)的特征：設(shè)計(jì)的特征： 需求特征、創(chuàng)造性特征、程序特征、時(shí)代特征。需求特征、創(chuàng)造性特征、程序特征、時(shí)代特征。 2 2 系統(tǒng)分析方法系統(tǒng)分析方法u利用黑箱法確定總功能利用黑箱法確定總功能u利用功能數(shù)對(duì)總功能進(jìn)行分解利用功能數(shù)對(duì)總功能進(jìn)行分解 u使用形態(tài)分析法進(jìn)行功能元解的組合使用形態(tài)分析法進(jìn)行功能元解的組合 u產(chǎn)品設(shè)計(jì)的四個(gè)進(jìn)程產(chǎn)品設(shè)計(jì)的四個(gè)進(jìn)程產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)u利用有效值評(píng)分法進(jìn)行方

2、案評(píng)價(jià)利用有效值評(píng)分法進(jìn)行方案評(píng)價(jià) 計(jì)算計(jì)算例例2-62-6或習(xí)題或習(xí)題u現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)按其創(chuàng)新程度可分為：現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)按其創(chuàng)新程度可分為： 開發(fā)性設(shè)計(jì)、適應(yīng)性設(shè)計(jì)、變形設(shè)計(jì)開發(fā)性設(shè)計(jì)、適應(yīng)性設(shè)計(jì)、變形設(shè)計(jì) u設(shè)計(jì)的特征：設(shè)計(jì)的特征： 需求特征、創(chuàng)造性特征、程序特征、時(shí)代特征。需求特征、創(chuàng)造性特征、程序特征、時(shí)代特征。 3 3 創(chuàng)造性設(shè)計(jì)方法創(chuàng)造性設(shè)計(jì)方法u常用的創(chuàng)造技法常用的創(chuàng)造技法集體激智法、提問追溯法、聯(lián)想類比法、組合創(chuàng)新法集體激智法、提問追溯法、聯(lián)想類比法、組合創(chuàng)新法 4 4 優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)u優(yōu)化設(shè)計(jì)一般包括兩部分內(nèi)容：優(yōu)化設(shè)計(jì)一般包括兩部分內(nèi)容：（1 1將實(shí)際設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)規(guī)劃問

3、題，將實(shí)際設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)規(guī)劃問題，即建立數(shù)學(xué)模型。即建立數(shù)學(xué)模型。（2 2采用適當(dāng)?shù)淖顑?yōu)化方法求解這個(gè)數(shù)學(xué)規(guī)劃采用適當(dāng)?shù)淖顑?yōu)化方法求解這個(gè)數(shù)學(xué)規(guī)劃問題，即求解這個(gè)數(shù)學(xué)模型。問題，即求解這個(gè)數(shù)學(xué)模型。u優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的一般形式：優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的一般形式：min()nf XXR puXgts, 2 , 10. .unq,v)X(h210vu優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型三要素：優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型三要素：設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件例例4.1 4.1 有一邊長(zhǎng)為有一邊長(zhǎng)為6m6m的正方形鋼板，四角各裁去一的正方形鋼板，四角各裁去一個(gè)小的方塊，做成一個(gè)無蓋的貨箱。試確定裁去的個(gè)

4、小的方塊，做成一個(gè)無蓋的貨箱。試確定裁去的四個(gè)小方塊的邊長(zhǎng)，以使做成的貨箱具有最大的容積。四個(gè)小方塊的邊長(zhǎng)，以使做成的貨箱具有最大的容積。u數(shù)值迭代法的求優(yōu)過程如下：數(shù)值迭代法的求優(yōu)過程如下：(1)( )1kkXX相鄰兩點(diǎn)和的向量差的模相鄰兩點(diǎn)和的向量差的模 (1)( )2()()kkf Xf X12(1)( )4( )()()()kkkfffXXXu數(shù)值迭代法及終止準(zhǔn)數(shù)值迭代法及終止準(zhǔn)則則( )kS( )ka每次迭代方向每次迭代方向和步長(zhǎng)因子和步長(zhǎng)因子的確定。各種優(yōu)化方法也主要是在這個(gè)核心問題的確定。各種優(yōu)化方法也主要是在這個(gè)核心問題上顯示出各自的特色。上顯示出各自的特色。u迭代求優(yōu)的核心：

5、迭代求優(yōu)的核心：u函數(shù)極值點(diǎn)所在搜索區(qū)間單峰區(qū)間特征：函數(shù)極值點(diǎn)所在搜索區(qū)間單峰區(qū)間特征：( )kS123xxx1()f x2()f x3()f x123()()()f xf xf x上的三點(diǎn)上的三點(diǎn)及其函數(shù)值及其函數(shù)值、，函數(shù)值呈，函數(shù)值呈“大大小小大大的關(guān)系，的關(guān)系，若已知方向若已知方向即即一維搜索方法一維搜索方法黃金分割法亦稱黃金分割法亦稱0.618法。它是通過對(duì)黃金分割點(diǎn)函法。它是通過對(duì)黃金分割點(diǎn)函數(shù)值的計(jì)算和比較，用區(qū)間消去原理不斷縮小初始數(shù)值的計(jì)算和比較，用區(qū)間消去原理不斷縮小初始區(qū)間得到極小點(diǎn)的一維搜索算法。區(qū)間得到極小點(diǎn)的一維搜索算法。u黃金分割法的算法原理：黃金分割法的算法原

6、理：見書上例題或課后習(xí)題見書上例題或課后習(xí)題u要求能夠應(yīng)用黃金分割法進(jìn)行簡(jiǎn)單問題的優(yōu)化要求能夠應(yīng)用黃金分割法進(jìn)行簡(jiǎn)單問題的優(yōu)化 二次插值法又稱拋物線法，是多項(xiàng)式逼近法的一種，二次插值法又稱拋物線法，是多項(xiàng)式逼近法的一種，它是利用目標(biāo)函數(shù)在單峰區(qū)間的兩個(gè)端點(diǎn)和其間一點(diǎn)它是利用目標(biāo)函數(shù)在單峰區(qū)間的兩個(gè)端點(diǎn)和其間一點(diǎn)（3個(gè)點(diǎn)），構(gòu)成一個(gè)與目標(biāo)函數(shù)相接近的二次插值個(gè)點(diǎn)），構(gòu)成一個(gè)與目標(biāo)函數(shù)相接近的二次插值多項(xiàng)式，以該多項(xiàng)式的極小點(diǎn)作為新的中間插入點(diǎn)，多項(xiàng)式，以該多項(xiàng)式的極小點(diǎn)作為新的中間插入點(diǎn)，進(jìn)行區(qū)間縮小的一維搜索算法。進(jìn)行區(qū)間縮小的一維搜索算法。u二次插值法的算法原理：二次插值法的算法原理：x(a

7、)(b)(a)無約束優(yōu)化方法無約束優(yōu)化方法間接法間接法直接法直接法變尺度法變尺度法()()(1)()()()()()()()()kkkkkkkkkSfXXXSXfX u梯度法的一般迭代格式：梯度法的一般迭代格式：20()()(1)()()()()()()()()kkkkkkkkkSfXXXSXfX u梯度法的搜索方向：梯度法的搜索方向： u梯度法的迭代步驟：梯度法的迭代步驟：見書上例題或課后習(xí)題見書上例題或課后習(xí)題u要求能夠應(yīng)用梯度法進(jìn)行簡(jiǎn)單問題的優(yōu)化要求能夠應(yīng)用梯度法進(jìn)行簡(jiǎn)單問題的優(yōu)化 u梯度法的特點(diǎn)：梯度法的特點(diǎn)：梯度法的梯度法的“最速下降方向并不是最理想的迭代捷徑。最速下降方向并不是最理

8、想的迭代捷徑。其根本原因在于梯度的最速下降性質(zhì)只是迭代點(diǎn)鄰域其根本原因在于梯度的最速下降性質(zhì)只是迭代點(diǎn)鄰域內(nèi)的一種局部性質(zhì)，從全局來看這種方向并沒有內(nèi)的一種局部性質(zhì)，從全局來看這種方向并沒有“最速最速”的性質(zhì)。的性質(zhì)。 kkkkXfXHXX11 kkkkkXfXHXX11u牛頓法的迭代公式：牛頓法的迭代公式：u阻尼牛頓法又稱修正牛頓法的迭代公式：阻尼牛頓法又稱修正牛頓法的迭代公式： u變尺度法的迭代公式：變尺度法的迭代公式： kkkkkXfHXX1u變尺度法與牛頓法、梯度法的區(qū)別和聯(lián)系？變尺度法與牛頓法、梯度法的區(qū)別和聯(lián)系？ 25（1優(yōu)點(diǎn)：收斂快，對(duì)初始點(diǎn)沒有苛刻的要求優(yōu)點(diǎn)：收斂快，對(duì)初始點(diǎn)沒

9、有苛刻的要求缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：阻尼牛頓法特點(diǎn)：阻尼牛頓法特點(diǎn)：變尺度法是在克服了梯度法收斂慢變尺度法是在克服了梯度法收斂慢 和牛頓法計(jì)算量大和牛頓法計(jì)算量大 的缺點(diǎn)基礎(chǔ)上而的缺點(diǎn)基礎(chǔ)上而發(fā)展起來的一種最有效的解析法。發(fā)展起來的一種最有效的解析法。約束優(yōu)化方法約束優(yōu)化方法u約束優(yōu)化直接法的基本思想：約束優(yōu)化直接法的基本思想： 設(shè)法使每一次迭代產(chǎn)生的新迭代點(diǎn)限制在可行域內(nèi)，設(shè)法使每一次迭代產(chǎn)生的新迭代點(diǎn)限制在可行域內(nèi)，且使目標(biāo)函數(shù)值逐步下降，直至最后獲得一個(gè)在可行域且使目標(biāo)函數(shù)值逐步下降，直至最后獲得一個(gè)在可行域內(nèi)的約束最優(yōu)解。直接法要求對(duì)產(chǎn)生的每一個(gè)新迭代點(diǎn)內(nèi)的約束最優(yōu)解。直接法要求對(duì)產(chǎn)生的每一個(gè)新迭

10、代點(diǎn)都要進(jìn)行可行性和適用性檢查。主要針對(duì)于不等式約束都要進(jìn)行可行性和適用性檢查。主要針對(duì)于不等式約束 通過一定的變換，將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題，通過一定的變換，將約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題，然后采用各種無約束優(yōu)化方法求解。這種方法對(duì)不等式約束然后采用各種無約束優(yōu)化方法求解。這種方法對(duì)不等式約束問題和等式約束問題都適用。問題和等式約束問題都適用。u約束優(yōu)化間接法的基本思想：約束優(yōu)化間接法的基本思想：拉格朗日法、懲罰函數(shù)法等。拉格朗日法、懲罰函數(shù)法等。 復(fù)合形法復(fù)合形法 在原目標(biāo)函數(shù)中添加一些與約束有關(guān)的項(xiàng)，形成一個(gè)新的在原目標(biāo)函數(shù)中添加一些與約束有關(guān)的項(xiàng)，形成一個(gè)新的目標(biāo)函數(shù)即罰

11、函數(shù)以取代原目標(biāo)函數(shù)，然后用無約束目標(biāo)函數(shù)即罰函數(shù)以取代原目標(biāo)函數(shù)，然后用無約束優(yōu)化方法求新目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，內(nèi)點(diǎn)法函數(shù)法適用于求解優(yōu)化方法求新目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，內(nèi)點(diǎn)法函數(shù)法適用于求解u懲罰函數(shù)法的基本思想：懲罰函數(shù)法的基本思想： u內(nèi)點(diǎn)罰函數(shù)法與外點(diǎn)罰函數(shù)法的區(qū)別？?jī)?nèi)點(diǎn)罰函數(shù)法與外點(diǎn)罰函數(shù)法的區(qū)別？?jī)?nèi)點(diǎn)法、外點(diǎn)法、混合點(diǎn)法內(nèi)點(diǎn)法、外點(diǎn)法、混合點(diǎn)法5 5可靠性設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)u可靠性的定義：可靠性的定義： 產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。u與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，機(jī)械可靠性設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

12、：(1)在可靠性設(shè)計(jì)中，認(rèn)為作用于零件上的載荷工作應(yīng)力）在可靠性設(shè)計(jì)中，認(rèn)為作用于零件上的載荷工作應(yīng)力）和材料的強(qiáng)度都不是確定量，而是隨機(jī)變量，具有明顯的和材料的強(qiáng)度都不是確定量，而是隨機(jī)變量，具有明顯的離散性質(zhì)。離散性質(zhì)。(2)在可靠性設(shè)計(jì)中，認(rèn)為所設(shè)計(jì)的零部件存在一定的失效在可靠性設(shè)計(jì)中，認(rèn)為所設(shè)計(jì)的零部件存在一定的失效可能性，但失效概率應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)，不得超過允許值?？赡苄?，但失效概率應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)，不得超過允許值。u可靠性設(shè)計(jì)的常用指標(biāo)的概念及計(jì)算公式可靠性設(shè)計(jì)的常用指標(biāo)的概念及計(jì)算公式u以及它們之間的聯(lián)系：以及它們之間的聯(lián)系： 可靠度可靠度不可靠度或失效概率：不可靠度或失效概

13、率： 失效概率密度函數(shù)：失效概率密度函數(shù)：失效率或故障率失效率或故障率u應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型 應(yīng)力和強(qiáng)度的概率密度函數(shù)。將它們畫在同一坐標(biāo)系中，應(yīng)力和強(qiáng)度的概率密度函數(shù)。將它們畫在同一坐標(biāo)系中，兩種分布曲線有重疊，這種重疊稱為應(yīng)力強(qiáng)度干涉現(xiàn)象。兩種分布曲線有重疊，這種重疊稱為應(yīng)力強(qiáng)度干涉現(xiàn)象。將這種干涉稱為應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型。將這種干涉稱為應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型。)(sf)(g應(yīng)力應(yīng)力S和強(qiáng)度和強(qiáng)度服從某一概率分布，分別用服從某一概率分布，分別用表示表示 （2當(dāng)應(yīng)力和強(qiáng)度的均值一定時(shí)，降低強(qiáng)度和應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)差，當(dāng)應(yīng)力和強(qiáng)度的均值一定時(shí)，降低強(qiáng)度和應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)差， 可以提高可靠度可以提高可靠度 見書上見書上114頁(yè)頁(yè)u根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度干涉理論如何提高可靠度根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度干涉理論如何提高可靠度（1當(dāng)應(yīng)力和強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差一定時(shí)，提高均值安全系數(shù)或當(dāng)應(yīng)力和強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差一定時(shí)，提高均值安全系數(shù)或提高均值差，提高均值差， 可以提高可靠度可以提高可靠度干涉區(qū)的大小定性地反映了可靠度的大小，即干涉區(qū)小，干涉區(qū)的大小定性地反映了可靠度的大小，即干涉區(qū)小，則失效概率小。但是干涉區(qū)的面積并不等于失效概率。則失效概率小。但是干涉區(qū)的面積并不等于失效概率。u應(yīng)力與強(qiáng)度均呈正態(tài)分布的可靠度計(jì)算：應(yīng)力與強(qiáng)度均呈正態(tài)分