《现代设计方法》教学大纲.docx
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《现代设计方法》教学大纲
《现代设计方法》课程教学大纲
一、课程基本信息
英文名称
ModernDesignMethods
课程代码
MEAU2028
课程性质
专业选修课程
授课对象
机械类专业大三
学分
2
学时
36
指定教材
张鄂等，《现代设计理论与方法》，科学出版社，第3版，2019。
（高等教育“十三五”规划教材）
二、课程目标
（一）总体目标：
《现代设计方法》是以产品设计为对象，以计算机为手段，运用工程设计的新理论和新方法，使计算结果达到最优化，使设计过程实现高效化和自动化的一门技术基础课。
本课程主要包括优化设计方法、可靠性设计方法、有限元设计方法等基本内容，通过现代设计方法理论与实践内容的学习，使学生理解与掌握现代设计方法的思想、概念、理论、过程与步骤，并具备正确、熟练与灵活地运用现代设计软件工具的能力，在复杂工程案例的探讨、学习与实践的过程中，力图培养学生综合运用现代设计方法、机械工程专业知识与大类基础课程知识（物理学、高等数学、大学化学等），建立复杂工程问题的物理与数学模型，利用先进软件工具解决复杂机械工程问题的能力，通过现代设计方法在国家重大工程中应用的介绍，融入传统文化、工程伦理与科学精神，使学生潜移默化地形成心怀家国、勇于创新、善于批判的品格。
（二）课程目标：
课程目标1：
通过学习优化设计理论，并结合专业知识建立机械工程问题的数学优化模型，从而获得复杂工程问题的最优方案。
（1）培养学生对机械工程领域问题解决方案的比较与综合的能力，
（2）使学生具备工程优化决策的理念与能力。
课程目标2：
通过学习可靠性设计的基本理论、基本指标与设计方法，培养学生具备分析、设计与提高复杂工程可靠性的能力。
（1）正确运用可靠性理论并选择工具软件实现复杂工程问题可靠性分析与保障的基本能力
（2）掌握可靠性的相关技术标准，理解并重视可靠性设计对公众安全的重要影响与意义。
课程目标3：
通过学习有限元分析的基本理论，基本方法与工具软件应用，培养学生运用先进工具软件解决复杂工程问题的能力。
（1）运用有限元软件实现不同物理场模拟、分析、评价与决策的基本能力。
（2）针对机械工程问题，可以利用有限元模拟的可视化图表方式，能够准确表达分析结果，并进行专业交流的能力。
（三）课程目标与毕业要求、课程内容的对应关系
表1：
课程目标与课程内容、毕业要求的对应关系表
课程目标
课程子目标
对应课程内容
对应毕业要求
课程目标1
1.1
优化设计方法
1-4H
1.2
优化设计方法
11-1L
课程目标2
2.1
可靠性设计方法
5-1H
2.2
可靠性设计方法
6-1M
课程目标3
3．1
有限元方法
5-3H
3．2
有限元方法
10-1L
三、教学内容
第一章优化设计方法
1.教学目标
（1）通过理论学习理解优化设计方法的思想、内涵、概念与设计步骤。
（2）能够运用优化设计方法、专业课知识与大类基础课知识，建立复杂机械工程问题的优化设计的数学模型。
（3）通过案例实践学习掌握优化设计方法软件工具，能够正确，熟练与灵活使用。
2.教学重难点
（1）重点
优化设计方法的思想与数学模型，数值迭代的基本思想与方法、一维搜索方法。
（2）难点
优化设计的数学基础，无约束优化方法，有约束优化方法
3.教学内容
第一节优化设计概述
（1）优化设计的基本思想
（2）最优化数学模型
（3）数值迭代方法
第二节最优化方法的数学基础
（1）多维函数的偏导数与梯度
（2）多维函数的泰勒展开式
（3）多维函数的极小点存在条件
（4）局部极小点与全域极小点
第三节一维搜索方法
（1）概述
（2）进退法
（3）黄金分割法
（4）二次插值法
第四节无约束最优化直接方法
（1）坐标轮换方法
（2）鲍威尔共轭方法
第五节无约束最优化间接方法
（1）梯度法
（2）牛顿法
（3）变尺度法
第六节有约束最优化直接方法
（1）随机方向搜索法
（2）复合形法
第七节有约束最优化直接方法
（1）内点惩罚法
（2）外点惩罚法
（3）混合惩罚法
第八节智能优化方法
（1）遗传优化方法
（2）粒子群优化方法
第九节基于复杂工程问题的优化案例
（1）基于遗传优化方法的优化
（2）基于粒子群优化方法的优化
4.教学方法
（1）讲授法：
讲解优化设计方法的思想与概念。
（2）启发式：
在优化设计方法的思想、概念、步骤的教学中，通过设置系列问题问答与互动，启发学生思考，形成科学的逻辑思维。
（3）演示法：
通过软件编程辅助演示优化设计方法的步骤与优化结果。
（5）探究式教学法：
在基于软件的复杂工程问题实践教学中，采用小组探究、合作，研讨的方式，提高学生协作、组织、自主学习的能力。
5.教学评价
（1）建立具体工程优化问题的最优化数学模型。
（2）计算函数的梯度、海色矩阵与极小点存在条件证明。
（3）利用黄金分割法与二次插值法进行一维搜索。
（4）应用坐标轮换方法、鲍威尔共轭方法、梯度法、牛顿法、变尺度法进行优化设计练习。
（5）应用随机方向搜索法、复合形法、内点惩罚法、外点惩罚法、混合惩罚法进行优化设计练习。
（6）利用智能优化方法进行优化设计练习。
（7）应用MATLAB软件解决复杂工程问题的上机编程优化设计实验
第二章可靠性设计方法
1.教学目标
（1）通过理论学习理解可靠性设计方法的思想、内涵、概念与设计步骤。
（2）能够运用可靠性设计方法、专业课知识与大类基础课知识，建立复杂机械工程问题的可靠性数学模型。
（3）通过案例实践学习掌握可靠性设计方法软件工具，能够正确，熟练与灵活使用。
2.教学重难点
（1）重点
零部件可靠性设计、系统可靠性设计、基于MALAB的可靠性工程案例。
（2）难点
可靠性设计原理。
3.教学内容
第一节可靠性设计概述
（1）概述
（2）可靠性指标
（3）可靠性设计函数分布
第二节可靠性设计原理
（1）应力强度干涉模型
（2）应力与强度均服从正态分布时可靠度计算
（3）应力与强度均服从指数分布时可靠度计算
第三节零部件可靠性设计
（1）零部件静强度的可靠性设计
（2）零部件疲劳强度的可靠性设计
第四节系统可靠性设计
（1）系统可靠性预测
（2）系统可靠性分配
（3）故障树分析法在系统设计中的应用
第五节基于MATLAB的可靠性工程问题案例
（1）基于MATLAB的零部件可靠性程序设计
（2）基于MATLAB的系统可靠性程序设计
4.教学方法
（1）讲授法：
讲解可靠性设计方法的思想与概念。
（2）启发式：
在可靠性设计方法的思想、概念、步骤的教学中，通过设置系列问题问答与互动，启发学生思考，形成科学的逻辑思维。
（3）演示法：
通过软件编程辅助演示可靠性设计方法的步骤与优化结果。
（4）案例教学法：
引入复杂工程问题案例，研讨可靠性设计解决工程问题的全过程。
（5）探究式教学法：
在基于软件的复杂工程问题实践教学中，采用小组探究、合作，研讨的方式，提高学生协作、组织、自主学习的能力。
5.教学评价
（1）理解可靠性的基本概念。
（2）计算不同分布函数下可靠度指标。
（3）利用可靠性设计原理计算零件可靠度。
（4）利用疲劳寿命曲线计算零部件可靠度。
（5）计算串联系统、并联系统和其他类型系统的可靠度，并根据给定可靠度指标分配系统不同部件的可靠度。
（6）应用MATLAB软件解决复杂工程问题的上机编程可靠性设计实验。
第三章有限元方法
1.教学目标
（1）通过理论学习理解有限元方法的思想、内涵、概念与设计步骤。
（2）能够运用有限元方法、专业课知识与大类基础课知识，建立复杂机械工程问题的有限元模型。
（3）通过案例实践学习掌握有限元方法软件工具，能够正确，熟练与灵活使用。
2.教学重难点
（1）重点
有限元法求解问题的基本步骤、基于有限元法分析的工程案例。
（2）难点
有限元法的基本思想，弹性力学平面问题的有限元法。
3.教学内容
第一节有限元法概述
（1）有限元法的基本思想
（2）有限元法求解问题的基本步骤
第二节平面刚架的有限元法
（1）结构的离散化
（2）单元刚度矩阵的建立
（3）总体刚度矩阵的建立
（4）位移的求解
第三节弹性力学平面问题的有限元法
（1）弹性力学的基本方程
（2）单元刚度矩阵的建立
（3）总体刚度矩阵的集成
（4）总体刚度方程的求解
第四节基于有限元软件分析的复杂工程案例
（1）有限元软件基本操作
（2）有限元工程案例分析
4.教学方法
（1）讲授法：
讲解有限元方法的思想与概念。
（2）启发式：
在有限元方法的思想、概念、步骤的教学中，通过设置系列问题问答与互动，启发学生思考，形成科学的逻辑思维。
（3）演示法：
通过软件编程辅助演示有限元方法的步骤与优化结果。
（4）案例教学法：
引入复杂工程问题案例，研讨有限元法解决工程问题的全过程。
（5）探究式教学法：
在基于软件的复杂工程问题实践教学中，采用小组探究、合作，研讨的方式，提高学生协作、组织、自主学习的能力。
5.教学评价
（1）推导一维杆单元的有限元方法具体过程。
（2）利用二维刚架有限元法基本步骤求解平面应力问题。
（3）利用弹性力学平面问题的有限元法基本步骤求解平面应力问题。
（4）利用有限元软件求解弹性力学工程问题。
四、学时分配
表2：
各章节的具体内容和学时分配表
章节
章节内容
学时分配
第一章
优化设计方法
18
第二章
可靠性设计方法
10
第三章
有限元方法
8
总计
36
五、教学进度
表3：
教学进度表
周次
日期
章节名称
内容提要
授课时数
作业及要求
备注
1-6
第一章
优化设计方法
第一节优化设计概述
第二节最优化方法的数学基础
第三节一维搜索方法
第四节无约束最优化直接方法
第五节无约束最优化间接方法
第六节有约束最优化直接方法
第七节有约束最优化直接方法
第八节智能优化方法
第九节基于复杂工程问题的优化案例
18
作业：
（1）建立具体工程优化问题的最优化数学模型。
（2）计算函数的梯度、海色矩阵与极小点存在条件证明。
（3）利用黄金分割法与二次插值法进行一维搜索。
（4）应用坐标轮换方法、鲍威尔共轭方法、梯度法、牛顿法、变尺度法进行优化设计练习。
（5）应用随机方向搜索法、复合形法、内点惩罚法、外点惩罚法、混合惩罚法进行优化设计练习。
（6）利用智能优化方法进行优化设计练习。
（7）应用MATLAB软件解决复杂工程问题的上机编程优化设计实验
要求：
采用笔算与计算机软件编程结合方式完成作业。
7-9
第二章可靠性设计方法
第一节可靠性设计概述
第二节可靠性设计原理
第三节零部件可靠性设计
第四节系统可靠性设计
第五节基于MATLAB的可靠性工程问题案例
10
作业：
（1）理解可靠性的基本概念。
（2）计算不同分布函数下可靠度指标。
（3）利用可靠性设计原理计算零件可靠度。
（4）利用疲劳寿命曲线计算零部件可靠度。
（5）计算串联系统、并联系统和其他类型系统的可靠度，并根据给定可靠度指标分配系统不同部件的可靠度。
（6）应用MATLAB软件解决复杂工程问题的上机编程可靠性设计实验。
要求：
采用笔算与计算机软件编程结合方式完成作业。
10-12
第三章有限元方法
第一节有限元法概述
第二节平面刚架的有限元法
第三节弹性力学平面问题的有限元法
第四节基于有限元软件分析的复杂工程案例
8
作业：
（1）推导一维杆单元的有限元方法具体过程。
（2）利用二维刚架有限元法基本步骤求解平面应力问题。
（3）利用弹性力学平面问题的有限元法基本步骤求解平面应力问题。
（4）利用有限元软件求解弹性力学工程问题。
要求：
采用笔算与计算机软件编程结合方式完成作业。
六、教材及参考书目
教材：
张鄂等，《现代设计理论与方法》，科学出版社，第3版，2019。
（高等教育“十三五”规划教材）
参考书目：
1．孙靖民等，现代机械设计方法，哈尔滨工业大学出版社，2003。
2.孙靖民等，机械优化设计，机械工业出版社，2012。
3.ElsayedA.Elsayed，杨舟，可靠性工程，电子工业出版社，2013
七、教学方法
1.讲授法：
围绕课程的核心概念，如“优化设计”、“可靠性设计”、“有限元法”等进行讲解。
2.软件演示法：
围绕“复杂工程案例的优化设计步骤”、“复杂工程案例的可靠性设计步骤”、“复杂工程案例的有限元分析步骤”等主题提高学生对软件工具的掌握与运用能力。
3.案例教学法：
在进行现代设计方法应用的教学中，引入复杂工程问题案例，围绕案例组织学生主动分析、研讨。
4.启发法：
在现代设计方法的思想、概念与步骤讲解中，设计一系列的问题问答，培养学生科学的逻辑思维。
5.探究式教学法：
在基于软件的复杂工程问题实践教学中，采用小组探究、合作，研讨的方式，提高学生协作、组织、自主学习的能力。
八、考核方式及评定方法
（一）课程考核与课程目标的对应关系
表4：
课程考核与课程目标的对应关系表
课程目标
考核要点
考核方式
课程目标1
优化设计的数学模型、函数的极值条件、一维搜索方法，黄金分割法、无约束优化方法、有约束优化方法、基于软件解决复杂工程优化问题的能力。
解决复杂工程优化设计的能力。
平时+上机实验+期末考试
课程目标2
可靠性设计原理、零部件可靠性设计、系统可靠性设计，基于软件解决复杂工程可靠性问题的能力。
平时+上机实验+期末考试
课程目标3
有限元方法应用步骤，基于软件解决复杂工程有限元分析问题的能力。
平时+上机实验+期末考试
（二）评定方法
1．评定方法
平时：
20%（学生出勤、平时作业）
上机实验：
30%（编程实验）
期末考试：
50%（理论考试）
2．课程目标的考核占比与达成度分析
表5：
课程目标的考核占比与达成度分析表
考核占比
课程目标
平时
上机实验
期末
总评达成度
课程目标1
50%
50%
50%
例课程目标1达成度={0.2ｘ平时目标1成绩+0.3ｘ上机实验目标1成绩+0.5ｘ期末目标1成绩}/目标1总分。
课程目标2
30%
30%
30%
课程目标3
20%
20%
20%
（三）评分标准（小四号黑体）
课程
目标
评分标准
90-100
80-89
70-79
60-69
＜60
优
良
中
合格
不合格
A
B
C
D
F
课程
目标1
深入理解优化设计的思想与概念、熟练掌握优化设计的方法与步骤、正确、熟练、灵活运用软件解决复杂工程的优化问题。
理解优化设计的思想与概念、熟练掌握优化设计的方法与步骤、正确、熟练运用软件解决复杂工程的优化问题。
理解优化设计的思想与概念、熟练掌握优化设计的方法与步骤、正确运用软件解决复杂工程的优化问题。
理解优化设计的思想与概念、掌握优化设计的方法与步骤、正确运用软件解决复杂工程的优化问题。
不理解优化设计的思想与概念、不掌握优化设计的方法与步骤、无法正确运用软件解决复杂工程的优化问题。
课程
目标2
深入理解可靠性设计的思想与概念、熟练掌握可靠性设计的方法与步骤、正确、熟练、灵活运用软件解决复杂工程的可靠性问题。
理解可靠性设计的思想与概念、熟练掌握可靠性设计的方法与步骤、正确、熟练运用软件解决复杂工程的可靠性问题。
理解可靠性设计的思想与概念、熟练掌握可靠性设计的方法与步骤、正确运用软件解决复杂工程的可靠性问题。
理解可靠性设计的思想与概念、掌握可靠性设计的方法与步骤、正确运用软件解决复杂工程的可靠性问题。
不理解可靠性设计的思想与概念、不掌握可靠性设计的方法与步骤、无法正确运用软件解决复杂工程的可靠性问题。
课程
目标3
深入理解有限元设计的思想与概念、熟练掌握有限元设计的方法与步骤、正确、熟练、灵活运用软件解决复杂工程的有限元问题。
理解有限元设计的思想与概念、熟练掌握有限元设计的方法与步骤、正确、熟练运用软件解决复杂工程的有限元分析问题。
理解有限元设计的思想与概念、熟练掌握有限元设计的方法与步骤、正确运用软件解决复杂工程的有限元分析问题。
理解有限元设计的思想与概念、掌握有限元设计的方法与步骤、正确运用软件解决复杂工程的有限元分析问题。
不理解有限元设计的思想与概念、不掌握有限元设计的方法与步骤、无法正确运用软件解决复杂工程的有限元分析问题。
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