《现代机械设计方法》课程教学大纲课程名称：现代机械设计方法课程编码：196101047学分：2.5学分总学时/课内实践（实验）学时：40考核方式：考试课程性质：必修课程课程类型：专业必修课程开课单位：机械工程学院机械设计工程系适应对象：机械设计制造及其自动化专业先修课程：工程图学、高等数学、大学物理、线性代数、理论力学、机械原理、机械设计、电工电子技术、控制工程基础建议教材及参考书：1.教材：《现代机械设计方法》，谢里阳主编，机械工业出版社，2018年10月第3版2.参考书：《有限元分析与方法》，韩昌锐，孙伟，张玉华主编，科学出版社，2022年2月一、课程教学目标本课程是面同机械设计制造及其自动化专业开设的专业必修课，旨在通过理论教学，使学生掌握创新设计理论与方法、有限元法与应用、机械优化设计和可靠性设计中的基本概念，具备将科学设计理念与先进设计方法相结合的观念和思维方式；掌握创新设计的基本概念，理解设计中的冲突及其解决原理、技术系统进化模式；理解弹性力学基本理论和有限元法，能利用有限元法建立计算模型并求解问题；掌握机械优化设计的数学基础，理解一维优化方法、多维无约束优化方法和约束问题的优化设计方法；掌握产品可靠性及其度量指标，理解可靠性设计中常用的概率分布。培养学生爱国主义情怀，具备实事求是、精益求精的行业道德和强烈的社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任
《现代机械设计方法》课程教学大纲 课程名称：现代机械设计方法 课程编码：196101047 学 分：2.5 学分 总学时/课内实践（实验）学时：40 考核方式：考试 课程性质：必修课程 课程类型：专业必修课程 开课单位：机械工程学院机械设计工程系 适应对象：机械设计制造及其自动化专业 先修课程：工程图学、高等数学、大学物理、线性代数、理论力学、机械原理、 机械设计、电工电子技术、控制工程基础 建议教材及参考书： 1.教材：《现代机械设计方法》，谢里阳主编，机械工业出版社，2018 年 10 月第 3 版 2.参考书：《有限元分析与方法》，韩昌锐，孙伟，张玉华主编，科学出版社， 2022 年 2 月 一、课程教学目标 本课程是面向机械设计制造及其自动化专业开设的专业必修课，旨在通过理 论教学，使学生掌握创新设计理论与方法、有限元法与应用、机械优化设计和可 靠性设计中的基本概念，具备将科学设计理念与先进设计方法相结合的观念和思 维方式；掌握创新设计的基本概念，理解设计中的冲突及其解决原理、技术系统 进化模式；理解弹性力学基本理论和有限元法，能利用有限元法建立计算模型并 求解问题；掌握机械优化设计的数学基础，理解一维优化方法、多维无约束优化 方法和约束问题的优化设计方法；掌握产品可靠性及其度量指标，理解可靠性设 计中常用的概率分布。培养学生爱国主义情怀，具备实事求是、精益求精的行业 道德和强烈的社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范， 履行责任
本课程具体教学目标为：目标1.掌握创新思维的基本方法和创新技法，理解TRIZ的基本概念，掌握仿生学与仿生机械学的概念和仿生设计具体方法；理解设计中的物理冲突、技术冲突，掌握两种冲突的解决原理，了解技术系统进化模式。【支撑机械设计制造及其自动化专业本科人才培养方案毕业要求2/H)目标2.理解弹性力学中的基本假设、基本概念和基本方程，掌握有限元法的理论基础和求解问题的基本步骤，了解有限元基本单元及其特点，理解单元分析、整体分析和边界约束条件的处理，掌握有限元动力学基本方程和分析方法。【支撑机械设计制造及其自动化专业本科人才培养方案毕业要求2/L】目标3.掌握优化设计的数学基础，理解一维优化方法、多维无约束优化方法，了解约束问题的优化设计方法及应用支撑机械设计制造及其自动化专业本科人才培养方案毕业要求2/H)目标4.理解机械产品的可靠性，掌握可靠性度量指标，理解可靠性设计中常用的概率分布，掌握零件可靠度计算的应力-强度模型，了解系统可靠性分配。【支撑机械设计制造及其自动化专业本科人才培养方案毕业要求2/L】二、课程教学内容及要求（一）第一章创新设计理论与方法1.教学内容：第一节创新设计的基本概念（1）创新设计（2）创新思维的基本方法（3）创新技法（4）TRIZ的基本概念第二节设计中的冲突及其解决原理（1）物理冲突及其解决原理（2）技术冲突及其解决原理（3）利用冲突矩阵实现创新第三节利用技术进化模式实现创新（1）概述（2）技术系统进化模式第四节计算机辅助创新设计软件
本课程具体教学目标为： 目标 1.掌握创新思维的基本方法和创新技法，理解 TRIZ 的基本概念，掌握 仿生学与仿生机械学的概念和仿生设计具体方法；理解设计中的物理冲突、技术 冲突，掌握两种冲突的解决原理，了解技术系统进化模式。【支撑机械设计制造 及其自动化专业本科人才培养方案毕业要求 2/H】 目标 2.理解弹性力学中的基本假设、基本概念和基本方程，掌握有限元法的 理论基础和求解问题的基本步骤，了解有限元基本单元及其特点，理解单元分析、 整体分析和边界约束条件的处理，掌握有限元动力学基本方程和分析方法。【支 撑机械设计制造及其自动化专业本科人才培养方案毕业要求 2/L】 目标 3.掌握优化设计的数学基础，理解一维优化方法、多维无约束优化方法， 了解约束问题的优化设计方法及应用【支撑机械设计制造及其自动化专业本科人 才培养方案毕业要求 2/H】 目标 4.理解机械产品的可靠性，掌握可靠性度量指标，理解可靠性设计中常 用的概率分布，掌握零件可靠度计算的应力-强度模型，了解系统可靠性分配。 【支撑机械设计制造及其自动化专业本科人才培养方案毕业要求 2/L 】 二、课程教学内容及要求 （一）第一章 创新设计理论与方法 1. 教学内容： 第一节创新设计的基本概念 （1）创新设计 （2）创新思维的基本方法 （3）创新技法 （4）TRIZ 的基本概念 第二节设计中的冲突及其解决原理 （1）物理冲突及其解决原理 （2）技术冲突及其解决原理 （3）利用冲突矩阵实现创新 第三节 利用技术进化模式实现创新 （1）概述 （2）技术系统进化模式 第四节 计算机辅助创新设计软件
（1）概述（2）创新能力拓展平台CRT/NOVA第五节仿生原理与机械设计（1）仿生学与仿生机械学（2）仿动物步行的机械设计（3）仿动物爬行的机械设计（4）仿人类肢体的机械设计2.教学要求：通过本章内容的学习，理解创新、创造、发明以及创新设计等基本概念，掌握各种冲突概念及其分类，理解设计中物理冲突、技术冲突的解决原理和方法，掌握技术进化的基本思想和技术系统进化的11种模式，了解计算机辅助创新设计软件，掌握仿生学与仿生机械学的概念和仿生设计具体方法。3.教学重点：TRIZ的基本概念、物理冲突及其解决原理、技术冲突及其解决原理、技术系统进化模式。4.教学难点：物理冲突和技术冲突的解决方法及应用。5.支撑的课程教学目标：目标1（二）第二章有限元法与应用1.教学内容：第一节弹性力学有限元法的基本思想和特点（1）弹性力学问题概述（2）有限元法的基本思想和特点（3）有限元法的应用领域第二节弹性力学基本理论（1）弹性力学的基本假设（2）弹性力学的基本概念（3）弹性力学的基本方程（4）平面问题的基础理论第三节弹性力学的有限元法（1）有限元法的理论基础
（1）概述 （2）创新能力拓展平台 CRT/NOVA 第五节 仿生原理与机械设计 （1）仿生学与仿生机械学 （2）仿动物步行的机械设计 （3）仿动物爬行的机械设计 （4）仿人类肢体的机械设计 2. 教学要求： 通过本章内容的学习，理解创新、创造、发明以及创新设计等基本概念，掌 握各种冲突概念及其分类，理解设计中物理冲突、技术冲突的解决原理和方法， 掌握技术进化的基本思想和技术系统进化的 11 种模式，了解计算机辅助创新设 计软件，掌握仿生学与仿生机械学的概念和仿生设计具体方法。 3. 教学重点： TRIZ 的基本概念、物理冲突及其解决原理、技术冲突及其解决原理、技术 系统进化模式。 4. 教学难点： 物理冲突和技术冲突的解决方法及应用。 5. 支撑的课程教学目标：目标 1 （二）第二章 有限元法与应用 1. 教学内容： 第一节 弹性力学有限元法的基本思想和特点 （1）弹性力学问题概述 （2）有限元法的基本思想和特点 （3）有限元法的应用领域 第二节 弹性力学基本理论 （1）弹性力学的基本假设 （2）弹性力学的基本概念 （3）弹性力学的基本方程 （4）平面问题的基础理论 第三节 弹性力学的有限元法 （1）有限元法的理论基础
（2）有限元法求解问题的基本步骤（3）有限元基本单元及其特点（4）单元分析和整体分析（5）边界约束条件的处理（6）求解、计算结果的整理和有限元后处理（7）有限元动力学基本方程（8）有限元动力学基本分析方法第四节有限元分析中的若干问题（1）有限元计算模型的建立（2）减小解题规模的常用措施2.教学要求：通过本章内容的学习，理解弹性力学中的基本概念、基本假设、基本方程以及虚位移原理，掌握有限元法的基本内容、方法与步骤，了解利用有限元法分析结构动力学问题的基本原理及方法。3.教学重点：弹性力学的基本方程、平面问题的基础理论、单元分析和整体分析、有限元动力学基本方程。4.教学难点：有限元动力学基本分析方法5.支撑的课程教学目标：目标2（三）第三章机械优化设计1.教学内容：第一节概述（1）优化设计与传统设计方法的比较（2）优化设计的概念及术语（3）机械优化设计的一般过程（4）优化设计的数学模型第二节优化设计的数学基础（1）等值线（面）的概念（2）多元函数的梯度与最速下降方向（3）多元函数的泰勒展开式（4）二次函数
（2）有限元法求解问题的基本步骤 （3）有限元基本单元及其特点 （4）单元分析和整体分析 （5）边界约束条件的处理 （6）求解、计算结果的整理和有限元后处理 （7）有限元动力学基本方程 （8）有限元动力学基本分析方法 第四节有限元分析中的若干问题 （1）有限元计算模型的建立 （2）减小解题规模的常用措施 2. 教学要求： 通过本章内容的学习，理解弹性力学中的基本概念、基本假设、基本方程以 及虚位移原理，掌握有限元法的基本内容、方法与步骤，了解利用有限元法分析 结构动力学问题的基本原理及方法。 3. 教学重点： 弹性力学的基本方程、平面问题的基础理论、单元分析和整体分析、有限元 动力学基本方程。 4. 教学难点：有限元动力学基本分析方法 5. 支撑的课程教学目标：目标 2 （三）第三章 机械优化设计 1. 教学内容： 第一节 概述 （1）优化设计与传统设计方法的比较 （2）优化设计的概念及术语 （3）机械优化设计的一般过程 （4）优化设计的数学模型 第二节 优化设计的数学基础 （1）等值线（面）的概念 （2）多元函数的梯度与最速下降方向 （3）多元函数的泰勒展开式 （4）二次函数
（5）目标函数的极值与判别条件（6）优化设计的数值解法及终正准则第三节一维优化方法（1）单峰区间及其“高-低-高”几何特征（2）搜索区间的进退法（3）缩短搜索区间的消去法（4）黄金分割法第四节多维无约束优化方法（1）坐标轮换法（2）共轭方向法（3）Powell法（4）最速下降法（梯度法）（5）牛顿法（6）广义牛顿法（7）变尺度法（DFP法）第五节约束问题的优化设计方法（1）内点惩罚函数法（2）外点惩罚函数法（3）混合惩罚函数法第六节机械优化设计的应用（1）机械优化设计的一般步骤（2）建立数学模型的基本原则（3）机床主轴的优化设计2.教学要求：通过本章内容的学习，理解优化设计的基本概念、分类及进行机械优化设计的一般过程，掌握机械优化设计的数学模型及标准格式，理解数学模型中涉及的基本概念及优化设计问题的基本解法。3.教学重点：优化设计的数学模型、多元函数的梯度与最速下降方向、目标函数的极值与判别条件、单峰区间及其“高-低一高”几何特征、确定搜索区间的进退法、缩短搜索区间的消去法、黄金分割法
（5）目标函数的极值与判别条件 （6）优化设计的数值解法及终止准则 第三节 一维优化方法 （1）单峰区间及其“高-低-高”几何特征 （2）搜索区间的进退法 （3）缩短搜索区间的消去法 （4）黄金分割法 第四节 多维无约束优化方法 （1）坐标轮换法 （2）共轭方向法 （3）Powell 法 （4）最速下降法（梯度法） （5）牛顿法 （6）广义牛顿法 （7）变尺度法（DFP 法） 第五节 约束问题的优化设计方法 （1）内点惩罚函数法 （2）外点惩罚函数法 （3）混合惩罚函数法 第六节 机械优化设计的应用 （1）机械优化设计的一般步骤 （2）建立数学模型的基本原则 （3）机床主轴的优化设计 2. 教学要求： 通过本章内容的学习，理解优化设计的基本概念、分类及进行机械优化设计 的一般过程，掌握机械优化设计的数学模型及标准格式，理解数学模型中涉及的 基本概念及优化设计问题的基本解法。 3. 教学重点： 优化设计的数学模型、多元函数的梯度与最速下降方向、目标函数的极值与 判别条件、单峰区间及其“高-低-高”几何特征、确定搜索区间的进退法、缩短 搜索区间的消去法、黄金分割法