现代设计方法 参考答案

现代设计方法参考答案1．凸规划对于约束优化问题。

2．可行搜索方向是指当设计点沿该方向作微量移动时，目标函数值下降，且不会越出可行域。

3．设计空间：n个设计变量为坐标所组成的实空间，它是所有设计方案的组合7. 黄金分割法：是指将一线段分成两段的方法，使整段长与较长段的长度比值等于较长段与较短段长度的比值。

8.可行域：满足所有约束条件的设计点，它在设计空间中的活动范围称作可行域一、与文件系统相比，数据库系统的主要特征有哪些？关于数据库系统对比文件系统的优点有：1、提高了数据的共享性，使多个用户能够同时访问数据库中的数据。

2、提高了数据的一致性和完整性。

3、提供数据与应用程序的独立性。

二、常用的可靠度分配方法有哪三种？各自的分配原则是什么？答：常用的可靠度三种分配方法和各自的分配原则如下：（1）等同分配法：按照系统中各单元（子系统或零部件）的可靠度均相等的原则分配。

（2）加权分配法：把各子系统在整个系统中的重要度以及各子系统的复杂度作为权重来分配可靠度。

（3）最优分配法：全面考虑各种殷素的影响，采用优化方法分配可靠度。

三、在有限元分析时，什么情况下适合选择一维、二维、三维单元？（1）当几何形状、材料性质及其它参数能用一个坐标描述时，选用一维单元。

（2）当几何形状、材料性质及其它参数需要用两个相互独立的坐标描述时，选用二维单元。

（3）当几何形状、材料性质及其它参数需要用三个相互独立的坐标描述时，选用三维单元。

四、简述梯度法的基本原理和特点梯度法的基本原理：梯度法又称最速下降法，基本原理是在迭代点附近采用使目标函数值下降最快的负梯度方向作为搜索方向，求目标函数的极小值。

梯度法的特点：迭代计算简单，只需求一阶偏导数，所占用存储单元少，对原始点要求不高，在接近极小点位置时收敛速度很慢。

五、什么是可靠性、可靠度？二者有何关系？可靠性是指产品在规定的时间内，在规定的条件下，完成规定功能的能力；可靠度是指产品在规定的时间内，在规定的条件下，完成规定功能的概率；两者的联系就在于，可靠度是对产品可靠性的概率度量。

六、简述用有限元方法求解问题的基本步骤答：进行有限元分析的基本步骤：（1）对结构或求解区域离散化。

（2）求得单元刚度矩阵，并进行坐标转换。

（3）集成总体刚度矩阵。

（4）处理非节点载荷，引入支承条件。

（5）写出总体平衡方程。

（6）求出各节点的位移（7）计算各单元的应力和应变。

（8）分析计算结果的合理性。

七、无约束优化方法分为哪两类？答：直接优化法和间接优化法八、下降迭代算法构成的基本步骤（1）给定一个初始点X(0)和收敛精度ε（2）选取一个搜索方向S(k)（3）确定步长因子ak，按上式得到新的迭代点（4）收敛判断：若X(k+1)满足收敛精度，则以X(k+1)作为最优点，终止计算；否则，以X(k+1)作为新的起点，转2）进行下一轮迭代。

九、简述梯度法和共轭梯度法的特点迭代计算简单，只需求一阶偏导数，所占的存储单元少，对初始点的要求不高，在接近极小点位置时收敛速度很慢，共轭的特点为在梯度法靠近极值点收敛速度放慢时，它可以构造共轭方向使其收敛速度加快，迭代计算比较简单，效果好，在每一步迭代过程中都要构造共轭的、方向，比较繁琐。

十、在进行图形处理时，为什么要引入规格化设备坐标系？1）用于用户的图形是定义在世界坐标系里，而图形的输出是定义在设备坐标系里。

不同的图形设备具有不同的设备坐标系且其工作范围也不相同。

（2）为了便于图形处理，有必要定义一个标准设备，引入与设备无关的规格化设备坐标系，采用一种无量纲的单位代替设备坐标，当输出图形时，再转化为具体的设备坐标。

（3）规格化设备坐标系的取值范围是左下角（0，0），右上角（1，1），其工作范围为0～1。

十一、迭代法的基本思想是什么？常用的终止准则有哪些？（1）迭代法的基本思想是“步步逼近”，最后达到目标函数的最优点。

首先选择一个尽可能接近极值点的始点，从初始点出发，按照一定的原则寻找可行方向和初始步长，向前跨出一步，得到新点，再把新点作为初始点重复进行。

每次迭代都必须使目标函数值向最优值靠近。

（2）常用的终止规则有十二、在有限元分析中，对结构划分的单元数是否越多越好？为什么?不是。

单元的数量取决于要求的精度、单元的尺寸和自由度数。

虽然一般单元的数量越多精度越高，但也有一个界限，超过这个值，精度的提高就不明显。

十三、试简述编码剪裁（Cohen-Sutherland）算法的基本原理将窗口的四个边界向两边延伸，把平面分成9个区域，每个区域用四位二进制表示；线段的端点落在哪个区域则端点的编码就与该区的编码相同；如果线段两端点的编码都为“0000”，则线段位寺窗口内；如果线段两端点编码的逻辑乘不为“0000”，则线段位于窗口外；如果线段不能用上述方法测试决定，则将线段分割，然后用上述方法判断。

十四、说明消隐算法中的分段扫描线算法的原理答：(1)分段扫描线算法的原理为：扫描线算法通过计算每一行扫描线与各物体在屏幕上投影之间的关系来确定该行的有关显示信息。

(2)每条扫描线被各多边形边界在xy平面上的投影分割成若干段，在每段中最多只有一个多边形是可见的。

（3）只要在段内任一点处，找出在该处Z值最大的一个多边形，这个段上的每个像素点就用这个多边形的颜色来填充。

十五、三维实体模型的实现方法中，体素构造法（CSG）的基本思想是什么？需要存储的几何模型信息有哪些？答：（1）体素构造法（CSG）的基本思想是：各种各样形状的几何形体都可以由若干个基本单元形体，经过有限次形状拼合运算构建得到。

（2）需要存储的几何模型信息是：所有的基本形体的类型、参数和所采用的拼合运算过程。

十六、什么叫事物物性表？其作用是什么？答：（1）事物物性表是一种组合排列对象的事物和关系特性的表格。

（2）事物物性表的作用是：可用于概括地描述、限制和选择标准的、非标准的，物质的和非物质的以及相互近似的事物对象。

将其用于CAD中，可规范化的支持CAD数据的归档、存储和交换。

十七、什么是约束条件？约束条件和可行域有何关系？（1）设计变量的取值范围有限制或必须满足一定的条件，对设计变量取值的限制称为约束条件。

（2）不等式约束条件将设计空间划分为可行域和非可行域，设计方案只能在可行域内选取。

（3）等式约束条件只允许设计方案在可行域的等式约束线（或面）上选取。

十八、有限元分析过程中，结构离散化时如何决定单元尺寸？(1)单元尺寸的概念有两个方面：一是单元本身的大小，另一方面指单元内自身几个尺寸之间的比率。

(2)单元本身尺寸小，所得到的精度高，但是所需要的计算量大。

为减少计算量，有时对一个结构要用不同尺寸的单元离散。

例如，考虑应力集中这一因素，在应力变化率大的区域内，单元尺寸要小。

(3)一个单元中最大与最小的尺寸要尽量接近。

例如，对于三角形单元，其三边长要尽量接近；对于矩形单元，长度和宽度不宜相差太大。

十九、在有限元分析时，何谓对称结构？一般如何处理？当结构的几何形状、尺寸、载荷和约束条件对称于某一平面（对平面问题对称于某一直线），其结构内部的应力及位移也对称于该平面（线），这类结构称为对称结构。

对于对称结构一般按如下方法处理：当对称结构只有一个对称平面（线）时，只研究它的一半。

若对称结构有两个相互垂直的对称平面（线）时，则只研究它的四分之一。

二十、简述强度—应力干涉理论中“强度”和“应力”的含义答：（1）强度一应力干涉理论中“强度”和“应力”具有广义的含义：“应力”表示导致失效的任何因素；而“强度”表示阻止失效发生的任何因素。

（2）“强度”和“应力”是一对矛盾的两个方面，它们具有相同的量纲；例如，在解决杆、梁或轴的尺寸的可靠性设计中，“强度”就是指材料的强度，“应力”就是指零件危险断面上的应力，但在解决压杆稳定性的可靠性设计中，“强度”则指的是判断压杆是否失稳的“临界压力”，而“应力”则指压杆所受的工作压力二十一、说明常规设计方法中采用平均安全数的局限性。

答：平均安全系数未同零件的失效率联系起来，有很大的盲目性。

从强度一应力干涉图可以看出：（1）即使安全系数大于1，仍然会有一定的失效概率。

（2）当零件强度和工作应力的均值不变（即对应的平均安全系数不变），但零件强度或工作应力的离散程度变大或变小时，其干涉部分也必然随之变大或变小，失效率亦会增大或减少。

二十二、罚函数法的基本原理及其分类？（1）罚函数法是解约束优化问题的间接法，适用于求解具有不等式约束和等式约束条件的优化设计问题。

它的基本思想是把一个有约束的问题转化为一系列无约束问题求解，逐渐逼近于目标函数的最优值。

（2）根据罚函数法的函数形式不同，可分为内点法、外点法和混合法三种。

二十三、在工程设计的CAD作业中，一般对以线图形式给出的系数或参数如何处理？答：在工程设计的CAD作业中，对以线图形式给出的系数或参数和处理方法有以下几种：（1）如果能找到线图原来的公式，则找到原公式将公式编入程序。

（2分）（2）将线图离散化为数表，再用表格的处理方法加以处理。

（2分）（3）用曲线拟合的方法求出线图的经验公式，再将公式编入程序。

（2分）二十四、什么是约束条件？等式约束与不等式约束的区别？二十五、设计数据处理的常用方法有那些？答：通常对设计数据处理的方法有以下两种：（1）将设计数据转变为程序，即程序化。

采取编程的方法对数表及图线进行处理，通常不外乎两种方法：第一，采用数组存储在程序中，用查表、插值的方法检索所需数据；第二，拟合成公式编入程序，由计算获得所需数据；(2)利用数据库管理设计数据。

将数表中的数据或线图经离散化后的数据按规定的格式存放在数据库中，由数据库自身进行管理，独立于应用程序，因此，可以被应用程序所共享。

二十六、结合实际应用，说明CAD的工作过程答：CAD的工作过程为：１)通过CAD系统人机交互界面输入设计要求，构造出设计产品的几何模型，并将相关信息存贮于数据库中；2)运用计算方法库的计算分析：包括有限元分析和优化设计，同时确定设计方案和零部件的性能参数；3)通过人机交互方式，对设计结果进行评价决策和实时修改，直至达到设计要求为止，利用图形库支持工具，绘制所需图形，生成各种文档；4)设计结果可直接进入CAPP和CAM阶段。

二十七、请简述现代CAD技术的概念。

答：现代CAD技术是指在复杂的大系统环境下，支持产品自动化设计的设计理论和方法，设计环境，设计工具各相关技术的总称，它们能使设计工作实现集成化，网络化和智能化，达到提高产品设计质量，降低产品成本和缩短设计周期的目的。

二十八、请简述现代CAD技术研究的内容答：1)研究现代设计理论与方法2）研究与设计工具相关的技术①协同设计环境的支持技术，②协同设计的管理技术。

3）研究与设计环境相关的技术①产品数字化定义及建模技术，②基于PDM的产品数据管理与工作流（过程）管理技术，③发展集成的CAx和DFx工具。