它们是最优化设计、可靠性设计、有限元法和动态设计。该书从实用角度阐述了这些方法的基本概念、基本理论和基本方法。

学习《现代设计方法实用教程》旨在培养读者了解、熟悉、掌握现代设计方法的基本知识，为应用现代设计方法解决工程设计问题奠定基础。

第1章 绪论1

1.1 现代设计方法概述1

1.2 本教材研究的主要内容2

1.3 本教程的目的及先修课程3

第2章 最优化设计4

2.1 概述4

2.2 最优化设计的数学模型5

2.2.1 最优化数学模型的一般形式6

2.2.2 最优化数学模型的3个基本要素6

2.2.3 求解最优化数学模型的下降数值迭代法8

2.3 最优化方法的数学基础10

2.3.1 多维函数的偏导数与梯度10

2.3.2 多维函数的泰勒展开式11

2.3.3 多维函数的极小点存在条件12

2.3.4 局部极小点与全域极小点14

2.4 一维搜索方法15

2.4.1 概述15

2.4.2 确定初始区间的进退法15

2.4.3 黄金分割法17

2.4.4 二次插值法21

2.5 无约束最优化方法25

2.5.1 概述25

2.5.2 坐标轮换法25

2.5.3 鲍威尔的共轭方向法27

2.5.4 梯度法31

2.5.5 牛顿法35

2.5.6 变尺度法38

2.6 约束最优化方法40

2.6.1 概述40

2.6.2 直接法40

2.6.3 间接法47

2.7 最优化设计应注意的若干问题53

2.7.1 优化设计问题的建模53

2.7.2 优化计算结果的分析及处理55

2.7.3 优化数学模型的计算机求解56

2.8 小结56

习题58

第3章 可靠性设计60

3.1 概述60

3.1.1 可靠性的基本概念及特点60

3.1.2 可靠性设计的常用指标61

3.1.3 可靠性设计常用的分布函数64

3.2 可靠性设计原理70

3.2.1 应力-强度干涉模型70

3.2.2 应力和强度均服从正态分布时的可靠度计算71

3.2.3 应力和强度均服从对数正态分布时的可靠度计算72

3.2.4 应力和强度均服从指数分布时的可靠度计算73

3.2.5 蒙特卡罗法简介73

3.2.6 零部件参数漂移的可靠性分析74

3.3 零部件的可靠性设计76

3.3.1 零部件静强度的可靠性设计76

3.3.2 零部件疲劳强度的可靠性设计77

3.4 系统的可靠性设计86

3.4.1 系统的可靠性预测86

3.4.2 系统的可靠性分配90

3.4.3 故障树分析法在系统设计中的应用95

3.5 小结98

习题99

第4章 有限元法101

4.1 概述101

4.1.1 有限元的基本思想101

4.1.2 有限元法在工程中的应用101

4.1.3 有限元法求解问题的基本步骤102

4.2 平面刚架的有限元法107

4.2.1 结构的离散化107

4.2.2 单元刚度矩阵的建立107

4.2.3 求总体刚度矩阵113

4.2.4 位移的求解115

4.3 弹性力学平面问题的有限元法118

4.3.1 弹性力学的基本方程119

4.3.2 单元刚度矩阵的建立122

4.3.3 总体刚度矩阵的集成126

4.3.4 总体刚度方程的求解128

4.3.5 弹性力学平面问题有限元分析需要注意的问题129

4.4 其他常用单元的刚度矩阵133

4.4.1 三棱圆环单元的刚度矩阵133

4.4.2 等参数单元的刚度矩阵135

4.5 小结141

习题142

第5章 动态设计144

5.1 概述144

5.2 有限元建模法144

5.2.1 平面连杆机构的弹性动力分析145

5.2.2 弹性力学平面问题的动力分析158

5.3 传递矩阵建模法167

5.3.1 轴系扭转振动分析168

5.3.2 轴系横向振动分析177

5.4 试验建模法181

5.4.1 机械阻抗与频率响应函数181

5.4.2 振动系统频率响应的图示法183

5.4.3 传递函数测量的模态分析185

5.4.4 不同激励方式的选择186

5.4.5 实模态和复模态的参数识别186

5.5 小结187

习题187

附录A190参考文献192

…… 2100433B

科学技术的日新月异，特别是计算机技术的迅速发展，为工程设计提供了日臻完善的手段，由此应运而发展的现代设计方法在工程设计中得到广泛的应用和推广，而传统设计方法正在被淡化、更新或替代。因此，为使高等工科院校的学生和其他有关技术人员熟悉和掌握现代设计方法中的若干基本方法，本书介绍了目前应用成熟的4种常用方法。它们是最优化设计、可靠性设计、有限元法和动态设计。

前言

第1章 绪论

1.1 现代设计的概念

1.1.1 设计的概念及特征

1.1.2 设计发展的基本阶段

1.1.3 现代设计与传统设计

1.2 现代设计方法的主要内容及特点

1.2.1 现代设计方法的主要内容

1.2.2 现代设计方法的特点

1.3 现代产品的特点及其开发

1.3.1 现代产品的特点

1.3.2 现代产品的开发

1.4 学习现代设计方法的意义与任务

习题

第2章 计算机辅助设计

2.1 概述

2.1.1 CAD技术的起源、发展和应用概况

2.1.2 应用CAD技术的优越性

2.1.3 CAD技术发展展望

2.2 CAD系统

2.2.1 CAD系统的硬件

2.2.2 CAD系统的软件

2.2.3 CAD系统的形式

2.2.4 CAD系统的功能

2.3 工程数据的处理方法及CAD程序编制

2.3.1 数表的分类及存取

2.3.2 线图的分类及处理

2.3.3 列表函数表的插值算法

2.3.4 数据的公式拟合方法

2.4 数据文件及其应用

2.5 数据库及其应用

2.5.1 数据库与数据库管理系统

2.5.2 汉字FOXBASE 2.1数据库管理系统在CAD中的应用

2.5.3 工程数据库

习题

第3章 计算机绘图

3.1 概述

3.2 计算机绘图基础

3.2.1 坐标系

3.2.2 窗口、视区及开窗变换

3.2.3 二维图形的剪裁

3.3 二维图形的几何变换

3.3.1 齐次坐标与变换矩阵

3.3.2 基本几何变换及矩阵表示

3.3.3 组合变换

3.4 机械工程图的绘制方法

3.4.1 基本图形的绘制

3.4.2 零件图的绘制

3.4.3 装配图的绘制

习题

第4章 优化设计

4.1 概述

4.1.1 优化设计基本概念

4.1.2 优化设计的数学模型

4.1.3 工程优化设计问题的主要类型

4.1.4 优化设计的迭代算法

4.2 工程优化设计的数学基础

4.2.1 二次型与正定矩阵

4.2.2 函数的方向导数与梯度

4.2.3 函数的泰勒近似展开式和海森矩阵

4.2.4 无约束优化问题的极值条件

4.2.5 凸函数与凸规划

4.2.6 约束优化问题的极值条件

4.3 一维优化方法

4.3.1 搜索区间的确定

4.3.2 0.618法（黄金分割法）

4.3.3 二次插值法

4.4 多维无约束优化方法

4.4.1 坐标轮换法

4.4.2 共轭方向法

4.4.3 梯度法

4.4.4 牛顿法

4.4.5 变尺度法

4.5 约束优化方法

4.5.1 复合形法

4.5.2 惩罚函数法

4.5.3 简约梯度法及广义简约梯度法

4.6 多目标问题的优化方法

4.6.1 加权组合法

4.6.2 功效系数法

4.6.3 主要目标法

4.7工程优化设计应用

4.7.1 工程优化设计的一般步骤

4.7.2 微机优化方法程序库PC－

OPB简介

4.7.3 工程优化设计实例

习题

第5章 机械可靠性设计

5.1 概述

5.1.1 研究可靠性的意义

5.1.2 可靠性的定义

5.1.3 可靠性技术的发展

5.1.4 可靠性设计的基本内容

5.2 可靠性特征量

5.2.1 可靠度特征量

5.2.2 失效特征量

5.3 可靠性常用概率分布

5.4 机械强度可靠性设计

5.4.1 强度概率计算法的基本理论

5.4.2 零件强度可靠度的计算

5.4.3 零件承载能力分布规律及分布参数的确定

5.4.4 零件工作应力分布规律及分布参数的确定

5.4.5 强度可靠性计算条件式与许用可靠度

5.5 强度可靠性设计方法及步骤

5.6 疲劳强度可靠性设计

5.6.1 等幅变应力作用下零件的疲劳寿命及可靠度

5.6.2 不稳定应力作用下零件的疲劳寿命

5.6.3 承受多级变应力作用的零件在给定寿命时的可靠度

5.7 机械系统可靠性设计

5.7.1 可靠性预测

5.7.2 可靠性分配

习题

第6章 有限元法

6.1 概述

6.2 单元分析

6.2.1 单元分析的任务和方法

6.2.2 直接刚度法

6.2.3 虚功原理法

6.2.4 能量变分法

6.3 有限元法的应用

6.3.1 有限元法的计算步骤

6.3.2 计算实例

6.3.3 其它问题

习题

第7章 机电产品造型设计

7.1 概述

7.1.1 工业造型设计的基本内容与基本要素

7.1.2 产品造型设计的原则

7.1.3 产品造型的美学内容

7.1.4 产品造型设计的程序

7.2 造型与形式法则

7.2.1 形态要素及其视觉效果

7.2.2 造型美的形式法则

7.3 人机工程学简介

7.3.1 人体结构尺寸与造型尺度

7.3.2 视觉特征与显示器设计

7.3.3 控制器的选择与设计

7.3.4 控制台板设计

7.4 产品色彩设计

7.4.1 色彩的基本知识

7.4.2 色彩的对比与调合

7.4.3 产品色彩设计

习题

第8章 设计方法学

8.1 概述

8.1.1 设计方法学及其研究内容

8.1.2 设计系统

8.2 系统化设计法

8.2.1 技术过程及技术系统

8.2.2 功能分析法

8.2.3 系统设计举例

8.3 创造性设计法

8.3.1 创造力和创造过程

8.3.2 创造性思维及其特点和类型

8.3.3 创造技法

8.4 设计中的评价与决策

8.4.1 设计中的评价

8.4.2 设计中的决策

习题

第9章 工程遗传算法

9.1 概述

9.1.1 工程遗传算法的概念

9.1.2 遗传算法的特点及应用

9.2 遗传算法的基本原理及其计算步骤

9.2.1 遗传算法的基本原理

9.2.2 遗传算法的基本操作

9.2.3 遗传算法的迭代计算步骤

9.2.4 遗传算法的实现

9.2.5 遗传算法的数学描述

9.3 遗传算法在机械工程设计中的应用实例

习题

第10章 现代设计方法的综合应用

10.1 机械可靠性优化设计在机械设计中的应用

10.1.1 可靠性优化设计模型的创建方法

10.1.2 机械可靠性优化设计举例

10.2 面向对象软件设计方法及其在机械CAD系统开发中的应用

10.2.1 面向对象软件设计方法的基本原理与特点

10.2.2 面向对象软件设计方法在机械CAD系统开发中的应用

10.3 参数化绘图方法及其在机械CAD中的应用

10.4 三次设计法及其在工程设计中的应用

10.4.1 三次设计法原理

10.4.2 三次设计法在工程设计中的应用

习题

参考文献

附录1

附录2

附录3 2100433B

绪论

01.1 设计的基本概念

01.2 现代设计方法的分类及主要现代设计方法简介

01.3 学习现代设计方法的意义与任务

思考与练习

第1章 现代设计方法学

1.1 设计方法学概述

1.2 产品设计过程与设计原则

1.3 技术系统及其确定

1.4 方案的系统化设计

1.5 设计中的评价决策

思考与练习

第2章 计算机辅助设计（CAD）

2.1 CAD概述

2.2 CAD系统

2.3 CAD系统的图形处理

2.4 工程数据的处理

2.5 数据库系统及其应用

思考与练习

第3章 优化设计

3.1 优化设计概述

3.2 优化设计的数学分析基础

3.3 一维探索优化方法

3.4 无约束多维问题的优化方法

3.5 约束问题的优化方法

3.6 多目标函数的优化方法

3.7 LINGO在优化设计中的应用

思考与练习

第4章 有限元法

4.1 有限元法概述

4.2 有限元法的基本步骤

4.3 二维线弹性问题

4.4 有限元程序的应用

4.5 ANSYS有限元软件的应用

思考与练习

第5章 机械可靠性设计

5.1 可靠性设计的基本理论和概念

5.2 可靠性工程中常用概率分布

5.3 可靠性设计原理

5.4 机械强度可靠性设计

5.5 系统的可靠性设计

思考与练习

第6章 现代设计方法前沿

6.1 创新设计技术

6.2 快速响应设计技术

6.3 绿色产品设计技术

6.4 并行设计技术

6.5 虚拟设计

6.6 协同没计

思考与练习

附录A 标准正态分布表

参考文献 2100433B

陶栋材主编的《现代设计方法学》在讨论传统设计和现代设计的关系、特点，以及对多种常用现代设计方法进行概括介绍的基础上，重点介绍了优化设计、计算机辅助设计、有限元法、可靠性设计和创新设计，同时本书融入了编者多年来在现代设计方法学方面的一部分研究成果。通过对本书的学习；读者可以掌握现代设计方法学的基本思想原理、设计过程和应用。

《现代设计方法学》可作为机械类硕士生研究生和高年级本科生教材，也可供其他专业师生和从事机电产品设计的工程技术人员参考。