2021级-《机械优化设计》课程大纲（刘鑫培）-新版.docx

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1、机械优化设计课程教学大纲一、课程基本信息英文名称BasicsofMachineDesign课程代码VEEN2017课程性质专业选修课程授课对象车辆工程专业大三学生学分2.0学时36主讲教师刘鑫培，张卫华，鞠华修订日期2023.06.17指定教材孙靖民.机械优化设计第6版.北京：机械工业出版社，2017.二、课程目标（一）总体目标：机械优化设计是60年代发展起来的一门新的设计方法，是最优化技术和计算技术在设计领域中应用的结果。机械优化设计是将机械工程的设计问题转化为最优化问题,然后选择适当的最优化方法,利用电子计算机从满足要求的可行设计方案中自动寻找实现预期目标的最优化设计方案。其设计步骤为：把

2、实际机械设计问题转化为数学模型，然后根据数学模型的特性，选择某种适当的优化方法及其程序，通过电子计算机，求得最优解。优化设计是将最优化方法和计算机技术结合、应用于设计领域而产生的一种现代设计方法。通过本课程的学习，可以使学生具备利用优化设计方法可以从众多的设计方案中寻找最佳方案，加快设计过程，缩短设计周期，大大提高设计效率和质量的能力。本课程是从如何建立机械优化设计的数学模型等基本问题出发，系统地介绍一系列优化方法及其在机械设计中的应用，为引入现代设计方法和研究生的课题研究打下基础。通过本课程学习，使学生建立机械优化设计的基本概念，系统掌握机械优化设计的基本理论和基本方法，学会从工程实际问题中

3、建立数学模型的及对数学模型进行求解的方法，具有利用所学机械优化设计的知识分析问题和解决问题的能力。了解优化设计的现状和发展，具有继续自学并结合工作实践应用、扩展的能力。（二）课程目标：课程目标1理解优化设计在机械中的作用、发展概况及应用的情况。理解优化设计的基本思想，熟悉机械优化设计的一般过程。掌握优化设计的基本概念和基本术语及相关的数学基础知识，掌握优化设计问题的几何描述方法。理解从工程实际问题提炼并建立优化设计数学模型的基本方法及数学模型的规范化整理。课程目标2：理解求解各种常见数学模型的基本方法的基本思路及求解程序的编写。能够结合文献研究，对复杂机械工程问题的影响因素进行分析论证，具有根

4、据工程实际建立简单问题的数学模型的能力，具备分析和解决工程实际问题的创新意识和创新设计能力。课程目标3：具有针对具体的简单数学模型，分析选择合适的优化算法的能力，具有编写简单优化算法程序的能力，了解计算机辅助优化设计软件的基础操作。课程目标4：具备一定的将机械工程问题转化为最优化问题，并通过分析求解得到有效结论的应用能力。（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11.1理解优化设计在机械中的作用、发展概况及应用的情况第一章优化设计总论毕业要求21.2理解优化设计的基本思想，熟悉机械优化设计的一般

5、过程第一章优化设计总论毕业要求21.3掌握优化设计的基本概念和基本术语及相关的数学基础知识，掌握优化设计问题的几何描述方法第一章优化设计总论第二章一维优化方法第三章无约束优化方法第四章约束优化设计毕业要求21.4理解从工程实际问题提炼并建立优化设计数学模型的基本方法及数学模型的规范化整理第五章机械优化设计实例毕业要求2课程目标22.1理解求解各种常见数学模型的基本方法的基本思路第二章一维优化方法第三章无约束优化方法毕业要求3及求解程序的编写第四章约束优化设计2.2能够结合文献研究，对复杂机械工程问题的影响因素进行分析论证，具有根据工程实际建立简单问题的数学模型的能力第五章机械优化设计实例毕业要

6、求32.3具备分析和解决工程实际问题的创新意识和创新设计能力第五章机械优化设计实例毕业要求3课程目标33.1具有针对具体的简单数学模型，分析选择合适的优化算法的能力第五章机械优化设计实例毕业要求53.2具有编写简单优化算法程序的能力,了解计算机辅助优化设计软件的基础操作第二章一维优化方法第三章无约束优化方法第四章约束优化设计毕业要求5课程目标44.1具备一定的将机械工程问题转化为最优化问题，并通过分析求解得到有效结论的应用能力第五章机械优化设计实例毕业要求4三、教学内容第一章优化设计总论1 .教学目标(1)熟悉优化设计的概念和方法，熟悉优化设计在工程设计中的作用。(2)熟悉优化设计的数学模型，

7、熟悉数学模型包含哪些内容。(3)理解优化设计数学模型解的几何意义2 .教学重难点点(1)优化设计中数学模型的问题2 .难点(1)优化设计数学模型解的几何意义(2)多维空间求优的几何描述3 .教学内容(1)优化设计在工程设计的作用(2)优化设计的应用实例(3)优化设计的数学模型(4)优化设计问题的几何描述(5)优化设计的基本解法4 .教学方法(1)讲授法(2)案例(CB1)5 .教学评价1、回答下列问题：(1)试述优化设计与传统设计的区别？(2)试述目标函数、设计变量、约束条件、可行域的含义。第二章一维优化方法1 .教学目标(I)掌握一维目标函数的求优问题2 .教学重难点1 .重点(1)优化区间

8、的确定2 2)一维的优化方法的基本思想2 .难点(I)二次插入法3 .教学内容(1)函数的单峰值区间及确定(2) 一维搜索的基本思想(3)黄金分割法(4)二次插入法4 .教学方法(1)讲授法(2)案例(CB1)(3)基于问题(PB1)5 .教学评价1、案例分析：(1)熟练使会用黄金分割法求解一元函数的最优点。(2)熟练使会用二次插值法求解一元函数的最优点。第三章无约束优化方法1教学目标(1)掌握掌握几种典型的无约束优化方法2.教学重难点1 .重点(1)鲍威尔法(2)鲍威尔修正算法2 .难点(1) DFP变尺度法3 .教学内容(1)坐标轮换法(2) Powe11法(3)梯度法(4)牛顿法(5)

9、DFP变尺度法4 .教学方法(I)讲授法(2)案例(CB1)(3)基于问题(PB1)5 .教学评价1、回答下列问题：(1)分析比较牛顿法、阻尼牛顿法、共扼梯度法、鲍威尔法的特点。第四章约束优化设计1.教学目标(1)掌握几种常用的直接优化方法(2)掌握惩罚函数法(3)学会用Kuhn-Tucker条件判断迭代点是否为全局最优解2.教学重难点1 .重点(1)复合形法(2)外点惩罚函数法2 .难点(1) Kuhn-Tucker条件3 .教学内容约束最优解及其一阶必要条件约束坐标轮换法随机方向法复合形法惩罚函数法4 .教学方法(I)讲授法(2)案例(CB1)(3)基于问题(PB1)5 .教学评价1、案例

10、分析(1)结合案例，运用相关约束优化的理论和方法计算线性规划问题。第五章机械优化设计实例1 .教学目标(I)通过解决一个简单的机械优化设计问题使学生全面了解机械优化设计的全过程(2)初步掌握建立优化数学模型、选择优化方法、编制源程序、对上机运算结果进行分析的方法方法2 .教学重难点1重点(1)学会如何根据具体的机械设计问题建立优化数学模型2 .难点(1)合理选择优化方法3 .教学内容如何选择设计变量如何正确建立优化设计的目标函数如何合理地确定约束条件数学模型的尺度变换连杆机构优化设计题目要求及分析讲解4 .教学方法(I)讲授法(2)案例(CB1)(3)基于问题(PB1)5 .教学评价1、案例分

11、析(1)结合案例，运用优化设计相关的理论和方法进行分析求解。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第一章优化设计总论4第二章第二章一维优化方法4第三章第三章无约束优化方法6第四章第四章约束优化设计8第五章第五章机械优化设计实例12机动2五、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1-2优化设计总论(1)优化设计在工程设计的作用(2)优化设计的应用实例(3)优化设计的数学模型(4)优化设计问题的几何描述(5)优化设计的基本解法4作业：完成课后教师指定的问答题。要求：(1)熟悉优化设计的概念和方法，熟悉优化设计在工程设计中的作用。(2

12、)熟悉优化设计的数学模型，熟悉数学模型包含哪些内容。理解优化设计数学模型解的几何意义3-4一维优化方法(1)函数的单峰值区间及确定(2)一维搜索的基本思想(3)黄金分割法(4)二次插入法4作业：完成课后教师指定的问答题。要求：掌握一维目标函数的求优问题5-7无约束优化设计(D坐标轮换法(2)Powe11法(3)梯度法(4)牛顿法(5)DFP变尺度法6作业：完成课后教师指定的问答题。要求：掌握掌握几种典型的无约束优化方法8约束优化设计(D约束最优解及其一阶必要条件(2)约束坐标轮换8作业：完成课后教师指定的问答题。11法(3)随机方向法(4)复合形法(5)惩罚函数法要求：(1)掌握几种常用的直接

13、优化方法(2)掌握惩罚函数法(3)学会用Kuhn-Tucker条件判断迭代点是否为全局最优解1217机械优化设计实例(1)如何选择设计变量(2)如何正确建立优化设计的目标函数(3)如何合理地确定约束条件(4)数学模型的尺度变换(5)连杆机构优化设计题目要求及分析讲解12作业：完成课后教师指定的问答题。要求：(1)全面了解机械优化设计的全过程(2)初步掌握建立优化数学模型、选择优化方法、编制源程序、对上机运算结果进行分析的方法方法六、教材及参考书目1 .教材：1孙靖民.机械优化设计第6版.北京：机械工业出版社，2017.2 .参考书：1陈立周，俞必强,机械优化设计方法(第4版).北京：冶金工业出

14、版社，2014.2于惠力.机械优化设计与实例.北京：机械工业出版社，2016.3孙帮成,李明高.ANSYSF1UENT140仿真分析与优化设计.北京：机械工业出版社，2014.七、教学方法本课程部分教学采用翻转课堂模式进行。要求学生在课前观看微课，并完成相应的教学预习和问题思考。课堂教学以案例分析研讨为主要的教学活动。1 .讲授法：如何围绕课程的重点内容，如“一维优化方法”、“无约束优化设计”、“约束优化设计”等进行讲解。2 .讨论法：围绕“平面连杆机构的优化设计”、“圆柱齿轮减速器的优化设计”、“双向犁翻机构的优化设计”等主题组织学生进行讨论、分析、求解。3 .案例教学法：在进行经典结构的分析设计的教学中，围绕案例组织学生进行主动分析、研讨。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理解优化设计在机械中的作用、发展概况及应用的情况。