现代设计理论与方法笔记

现代设计理论与方法0绪论√0.1设计流程与特点√时效性、选择性、创造性0.2重要性√占用资源相对少，影响全寿命成本相对高0.3发展√代表作书目0.4内涵√理论：数学严谨方法：能实现概念，理论，经验CAE，数据库，智能化，三个阶段简介：0.4.1计算机辅助设计0.4.2优化设计0.4.3有限元微分→差分难→繁0.4.4稳健设计考虑设计的实现过程中的“噪声”0.4.5虚拟设计模拟真实环境，多感官互交0.4.6创新设计现代创新方法0.4.7智能设计知识处理+一般CAD0.4.8其他设计方法1CAD√考：HTM，填空1.1概述√是技术，工程性很强1.1.1基本概念和特点CAD:CAE,CAPP,CAM,CIMS等五大特点：高质量规范、高效、互交、可视化、资源共享1.1.2发展方向五大趋势：标准、智能、集成、网络、虚拟1.1.3基本功能和优点六大基本功能：人机互交、几何造型、计算分析、系统仿真、工程绘图、数据管理1.1.4范畴1.1.5组成1、硬件计算机、图形输入设备、输出设备（显示和打印）2、软件系统软件，支撑软件，应用软件（二次开发）1.1.6种类按硬件：集中式主机系统、小型机成套系统、微型机CAD系统、分布式网络工程工作站工作方式和功能：检索、派生、互交、智能1.2基础√1.2.1信息处理1、数据结构数据元素数据模型（关系型、网络型、层次型；描述理论、方法）2、设计资料处理程序化、数据库3、数表处理离散（储存），连续（插值）4、线图处理公式、离散、插值1.2.2图形变换1、坐标系2、二维变换（齐次坐标）3、三维变换（齐次坐标）1.2.3几何造型！！！离散和曲线、曲面（没有细看，比较复杂）1.3应用1.4实例2优化设计√考：计算，填空（有习题）2.1概述√110;0;min,,ijnxghffXXXXX2.2一维优化√2.2.1区间进2退1/4，加倍2.2.2试探法黄金分割0.618内缩对称1110.382,cabaffc2220.618,cabaffc122121211112121222,0.382,,0.618,iffcfccbccffcabaffcelsecaccffcabaffc补点，黄金分割2.3无约束优化2.3.1坐标轮换√（有习题？）欧了2.3.2牛顿√（有习题）TT12kkkkkkfffXXXXXXXXHXXXkkkfXXHXXXT1,,nfffxxXXX222112221nknnnffxxxfffxxxxXXHXXXX迭代为：11kkkkfXXHXX2.4约束优化10;0;minijxghfXXXX2.4.1遗传√方法：1、构造染色体（编码）0101012、随机产生初始群010101，1100113、计算每个染色体适应度4、复制（优胜劣汰）适应度排序，计算下一代比例5、交叉编码互换片段，检查是否已存在。0100116、变异随机确定某染色体的某段基因，0-1互换（取反），检查是否已存在。1101117、重复3~6，直到结束区别：1、多点2、利用目标函数，而不用导数等3、编码而不是参数本身4、概率性逼近而不是确定性逼近相似的启发式：粒子群、神经网络2.4.2罚函数√（有习题）建立罚函数（新的目标函数）：（罚因子、罚函数、惩罚项）11,mnkijijrfrHhGgXXXXlim0lim0lim,0kikkikkkrHhrGgrfXXXX内点，罚因子等比C变小（常用0.1~0.5），只能不等式，初值在可行域内，r0重要（1~50）。（有习题）11,nkjjrfrgXXX或1,lnnkjjrfrgXXX外点，罚因子等比C变大，可以等式或不等式。（有习题）2211,max0,mnkijijrfrhgXXXX0000.02irmghXX，C=5~10混合，按内点取罚因子2211,maxnmnkijinanyoutjkrfrhggrXXXXX2.4.3复合形√凸可行域情况下1、初顶点a.设计N个b.设计1个，发散，检查可行性，向中心收拢2、评价顶点HGLXXX3、除最坏点外的几何中心11SiexceptHnXX4、最坏点映射或次坏点映射RSSHaXXXX不行的话用RSSGaXXXX5、收敛判断和循环21nRcenterffenXX1ncenterinXX2.5多目标优化√2.5.1问题提出2.5.2主要目标法一个为优化目标，其余为不等约束（限制范围，而不是取最小）2.5.3统一目标法线性加权2.6应用3有限元设计√考：计算，填空3.1基本思想与应用√另一种数值微积分；离散，线性，矩阵技巧3.2弹性力学有限元基本理论√3.2.1基本假设1、连续2、完全弹性3、各向同性4、均匀5、微小6、无初应力3.2.2基本方程：1、平衡方程0TLσqpWhere：000000000TxyzyxzzyxL；xyzxyyzzxσ；xxyyzzqpqpqpqp（体积力，表面力）2、几何方程εLuWhere：122fffdudNdd，N形函数，xyzuuud节点的位移阵列3、物理方程σDεWhere：1111111111121122112211221vvvvvvvvvvvvEvvvvvvvvvD4、边界条件都给力，都给位移，给位移和力。（共3个方向）3.2.3基本原理1、虚位移原理2、最小势能原理TTT1ddd2pVVSEVVSεDεuqup3.2.4X1、0TLσqp，εLuLNdBd，σDε，σDεDBdSdB几何矩阵，S应力矩阵2、TTTTT1ddd2pVVSEVVSdNDNddNqNpTT12edkddrWhere：TTTdddeVSVVSVrNqNpkBDB变分（求导）后：0epEkdr3.3弹性力学有限元一般方法√（有习题）3.3.1结构离散化3.3.2单元位移模式和形函数122,,ffxyzfdudNdd3.3.3构造刚度矩阵，代入最小势能方程TT12epEdkddrWhere：TTTdddeVSVVSVrNqNpkBDBBLN3.3.4坐标转换可以在局部坐标系中列出上述方程，然后转换为全局坐标。dTd则：TT12eepEdKddRWhere：TTeeeRTrKTkT3.3.5总方程先按d构造K，将eK按位置放上去，有重合的就加上。R亦然（内力不计，集中外力直接加上，分布外力未说、未看）。代入最小势能方程：TT12pEdKddR变分（求导）：0pEKdR3.3.6边界条件（1）i位移已知，将K中对应对角元素为1、其他元素为0，r元素为：11,,innircKcrcKr（2）位移已知，将对应对角元素乘以大数a，r中同行元素乘以a*c3.3.7解出边界处理过的矩阵方程后：将d代入原方程，求解R外力；将d代入dTd、εLuLNdBd，求解应变；将d代入dTd、σDεDBdSd，求解应力。3.4若干问题√3.4.1模型有效性确认1、误差2、性能指标（1）可靠性（2）精确性（3）鲁棒性（4）计算成本经济性（5）通用软件规范性3.4.2缩小解题规模常用措施（有习题）1、对称和反对称性2、周期性3、降维和几何简化4、子结构5、线性化近似6、多工况合并处理3.5软件介绍4稳健设计√考：填空，等4.1基本概念（有习题：机械产品设计一般步骤，稳健设计在机械中的应用）该章节中，容差似乎和公差密切相关，不知道参考文献和翻译问题如何。4.1.1基本概念设计参数在实施时的误差也考虑在内4.1.2现代稳健设计方差和偏差减少方差更难。一般步骤：√（1）建模。确定产品的指标体系，建立可控与不可控因素对产品质量影响的质量设计模型，该模型应能充分显示各功能因素变差对产品质量特性的影响。（2）物理、仿真试验和/或数学分析。对稳健设计模型进行试验设计和数值分析模拟计算，获取质量特性的可靠分析数据。（3）寻优。寻找稳健优化解或稳健设计解，获得稳健产品的设计方案。4.1.3工程分析4.2质量信息和分析方法（有习题：不同模型的应用范围和特点）√4.2.1产品的质量4.2.2质量因素和质量特性值4.2.3质量特性的评价指标4.3基于质量损失的稳健设计（有习题：不同模型的应用范围和特点）√质量损失模型基于信噪比和正交试验物品间、外、内噪声参数设计（可控因素）和容差设计（成本·质量问题）4.4基于响应面模型的稳健设计（有习题：不同模型的应用范围和特点）√基于实验（物理或仿真）多变量问题试验为基础，统计处理技术三个阶段：因素筛分（试验：物理-中心；仿真-正交）、寻域（线性拟合）、优化（响应面）4.5基于容差模型的稳健设计（有习题：不同模型的应用范围和特点）√容差和分布律，信噪关系名义变量已知，求容差有约束优化问题4.6基于随机模型的稳健设计（有习题：不同模型的应用范围和特点）√可控和不可控随机变量，优化函数变量为随机变量4.7基于成本·质量模型的稳健设计（有习题：不同模型的应用范围和特点）√容差成本模型，制造和质量损失都考虑低成本高质量兼顾由成本（容差）定质量；由质量定成本（容差）totaldesignmanufactureemployCCCC5虚拟设计考：填空5.1虚拟设计和虚拟现实技术5.1.1习题1概念：计算机系统。自然互交，多感官（视、听、触等）。创建和体验虚拟世界。特征：多感知性，沉浸感组成：互交作用，视听触嗅5.2虚拟现实技术的体系结构主要是定性；虚拟与现实（人、环境等）的互交、叠加等5.2.1习题25.2.2习题3结构：分类：5.3虚拟现实硬件基础新型输入输出设备，昂贵设备等5.4虚拟设计/制造系统的体系结构继承了CAD，强化了可视化，增加了其他感知，可以实现虚拟装配等5.4.1习题5硬件基础：5.4.2习题45.5虚拟设计建模基础主要是几何和图5.5.1习题6环境：5.5.2习题75.5.3习题8图像，投影序列图像，特征匹配（插补整合），边缘平滑处理（加权），缝合（重渲染）图像贴在几何模型上，降低几何模型成本5.5.4习题96创新设计填空6.1创新方法与TRIZ创新问题解决方法TRIZ；核心思想6.1.1创造性思维理论、发散、逆向、侧向6.1.2创新方法传统：试错、扁平商议、分解组合6.1.3TRIZ产生和发展6.1.4基本内容1、核心思想（1）技术系统不断遇到难题，不断进步（2）难题反复出现，可以解决，往往最有效的方法来自其它领域（3）技术分理想状态是最小消耗最大收益2、理论主要内容3、基本概念6.2设计冲突及其消解6.2.1设计中的冲突6