《機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程教學(xué)大綱

《機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)》課程教學(xué)大綱課程代碼：ABJD0309課程中文名稱:優(yōu)化設(shè)計(jì)課程英文名稱：OptimalDesign課程性質(zhì)：選修課程學(xué)分?jǐn)?shù)：2學(xué)分課程學(xué)時(shí)數(shù)：32學(xué)時(shí)授課對象：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化專業(yè)本課程的前導(dǎo)課程：高等數(shù)學(xué)，線性代數(shù)，計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)，工程力學(xué)，機(jī)械原理，機(jī)械設(shè)計(jì)課程簡介機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)是在電子計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門先進(jìn)技術(shù)。它是根據(jù)最優(yōu)化原理和方法，以電子計(jì)算機(jī)為計(jì)算工具，尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。該課程是在高年級設(shè)置的專業(yè)選修課。該課程的主要目的和任務(wù)在于培養(yǎng)學(xué)生：①了解和基本掌握機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本知識②擴(kuò)大視野，并初步具有應(yīng)用機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本理論和基本方法解決簡單工程實(shí)際問題的素質(zhì)。二、教學(xué)基本內(nèi)容和要求第一章緒論

（一）教學(xué)內(nèi)容課程的性質(zhì)、優(yōu)化的含義；優(yōu)化方法的發(fā)展與應(yīng)用；機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容及目的；機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般過程；機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本概念和基本術(shù)語；優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型；優(yōu)化問題的幾何描述；優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本方法（二）基本要求明確本課程的研究對象、內(nèi)容、性質(zhì)、任務(wù)，明確優(yōu)化的含義、機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容及目的；了解機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般過程（步驟）；熟悉設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)約束的含義，掌握設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件以及優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的一般形式；掌握可行域與非可行域、等值線（面）的概念及在優(yōu)化方法中的重要意義；明確優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本方法—“數(shù)值迭代法”及優(yōu)化原理的實(shí)質(zhì)。（三）教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。第二章優(yōu)化方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

（一）教學(xué)內(nèi)容函數(shù)的梯度與二階導(dǎo)數(shù)；無約束目標(biāo)函數(shù)的極值點(diǎn)存在條件；函數(shù)的凸性與凸函數(shù)；目標(biāo)函數(shù)的約束極值問題。（二）基本要求掌握函數(shù)的方向?qū)?shù)與梯度、函數(shù)的泰勒展開式與海塞矩陣的求解方法；理解凸集、凸函數(shù)與凸規(guī)劃的概念與判別法；掌握無約束優(yōu)化問題的極值條件；了解約束優(yōu)化問題極值存在的條件，明確“庫恩–塔克”條件的意義。（三）教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)函數(shù)的梯度與二階導(dǎo)數(shù)；函數(shù)的泰勒展開式與海塞矩陣的求解方法。第三章一維優(yōu)化方法

（一）教學(xué)內(nèi)容一維優(yōu)化的基本思想；初始搜索區(qū)間的確定；黃金分割法，二次插值法。（二）基本要求明確一維優(yōu)化的基本思想；掌握確定搜索區(qū)間的方法與區(qū)間消去法原理；掌握黃金分割法；二次插值法。（三）教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)一維優(yōu)化的基本思想；搜索區(qū)間的方法與區(qū)間消去法。第四章無約束優(yōu)化方法

（一）教學(xué)內(nèi)容最速下降法、牛頓型方法；共軛方向法、共軛梯度法；坐標(biāo)輪換法、鮑威爾（Powell）法。（二）基本要求明確直接法的求優(yōu)思想，掌握坐標(biāo)輪換法、鮑威爾（Powell）法；明確間接法的求優(yōu)思想，了解梯度法、牛頓法。（三）教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)最速下降法；共軛梯度法；鮑威爾（Powell）法。第五章有約束優(yōu)化方法

（一）教學(xué)內(nèi)容隨機(jī)方向法、復(fù)合形法；可行方向法、懲罰函數(shù)法（二）基本要求了解約束優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本思想；明確直接解法的求優(yōu)思想，掌握復(fù)合形法；明確間接解法的求優(yōu)思想，掌握內(nèi)點(diǎn)法（三）教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)約束優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本思想；復(fù)合形法；懲罰函數(shù)法。第六章機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例

（一）教學(xué)內(nèi)容齒輪傳動或平面連桿機(jī)構(gòu)（或其它方面的）優(yōu)化設(shè)計(jì)舉例；MATLAB優(yōu)化工具箱介紹。（二）基本要求掌握MATLAB優(yōu)化工具箱常用的優(yōu)化函數(shù)的使用；理解機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般步驟，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的原則；通過實(shí)例分析，進(jìn)一步明確并掌握機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般過程。（三）教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的建立；MATLAB優(yōu)化工具箱三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及基本要求序號實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（上機(jī)）學(xué)時(shí)備注1第三章上機(jī)實(shí)驗(yàn)——黃金分割法、二次插值法2二選一2第四章上機(jī)實(shí)驗(yàn)——最速下降法、牛頓型方法、坐標(biāo)輪換法、鮑威爾法2四選一3第五章上機(jī)實(shí)驗(yàn)——懲罰函數(shù)法24第六章上機(jī)實(shí)驗(yàn)——機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例2自選題目合計(jì)8四、教學(xué)方法與手段本課程以課堂教學(xué)為主，配以適當(dāng)?shù)纳蠙C(jī)編程練習(xí)。課堂教學(xué)采用板書教學(xué)。五、教學(xué)學(xué)時(shí)分配章節(jié)與內(nèi)容課時(shí)作業(yè)量備注第一章緒論2第二章優(yōu)化方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)42~4第三章一維優(yōu)化方法62~4第四章無約束優(yōu)化方法63~6第五章約束優(yōu)化方法42~4第六章機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例22~4合計(jì)24六、考核方式與成績評定標(biāo)準(zhǔn)1、考核方法：考查2、成績評定：總評成績=大作業(yè)60%+平時(shí)考核20%+上機(jī)實(shí)驗(yàn)20%七、教學(xué)參考資源1、參考書目：（1）孫靖民主編，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)（第4版），機(jī)械工業(yè)出版