机械结构优化设计教学
机械优化设计第二版教学设计
机械优化设计第二版教学设计一、引言机械优化设计是机械工程专业课中非常重要的一门课程，可以帮助学生掌握优化设计的方法和技能，提高机械产品的效率、稳定性和可靠性等指标。
本文档旨在介绍机械优化设计第二版的教学设计，内容包括教学目标、教学方式、教学内容和评估方式等。
二、教学目标机械优化设计第二版的教学目标如下：1.了解优化设计的基本概念和理论；2.掌握优化设计的方法和技能，能够应用优化设计的方法解决实际问题；3.了解优化设计在机械产品设计中的应用，提高机械产品的效率、稳定性和可靠性等指标；4.培养学生的创新意识和实际动手能力。
三、教学方式机械优化设计第二版的教学方式采用“理论教学+实验教学”的模式，其中理论教学包括课堂讲授和案例分析，实验教学包括个人实验和小组实验。
1.理论教学理论教学部分将采用面授、讨论等方式，主要内容包括优化设计的基本概念、优化设计的方法和技术、优化设计的应用等。
在授课的过程中，将结合一些典型案例进行分析，以帮助学生更好地理解和掌握优化设计的方法和技能。
2.实验教学实验教学部分将采用个人实验和小组实验相结合的方式，主要内容包括优化设计的基础实验和综合实验。
个人实验主要是为了让学生掌握优化设计的基本操作和方法，小组实验则是为了让学生通过团队协作解决实际问题的能力。
四、教学内容机械优化设计第二版的教学内容主要包括以下方面：1.优化设计的基本概念和理论•优化设计的基本概念和发展历程；•优化设计的基本原理和方法；•优化设计的优化目标和指标；•优化设计的问题模型及其解法。
2.优化设计的方法和技能•描述优化设计的流程；•采用单目标、多目标等优化方法进行机械优化设计；•不同算法的优缺点、适用范围及其应用案例；•通过计算机仿真进行机械优化设计。
3.优化设计在机械产品设计中的应用•解析、设计机械产品时所需要考虑的问题；•使用优化设计方法提高机械产品的效率、稳定性和可靠性等指标；•采用优化设计方法解决机械产品设计中的实际问题。
机械工程中的结构优化设计方法
机械工程中的结构优化设计方法1.材料优化设计：材料优化设计主要是通过选择合适的材料来提高结构的性能。
在材料选择过程中，需要考虑结构所需的力学性能、化学性能、热性能以及成本和可加工性等因素。
例如，对于承受高温的部件，可以选择具有良好抗热性能的高温合金材料，以提高结构的耐高温性能。
2.形状优化设计：形状优化设计通过改变结构的几何形状来提高结构的性能。
这种方法通常通过对几何参数的连续调整来实现。
形状优化设计可以在满足结构刚度、强度和稳定性要求的前提下，减小结构的重量和体积，提高结构的力学性能。
例如，在飞机翼的设计过程中，通过对翼型的优化设计，可以在保持翼面积和升力的前提下，减小翼面积的阻力，提高飞机的性能。
3.拓扑优化设计：拓扑优化设计是指通过改变结构的拓扑结构来实现结构优化的方法。
这种方法通过在结构的连续域内优化物质分布，实现结构的轻量化设计。
拓扑优化设计过程中，通过改变结构的材料分布，使得结构在满足强度和刚度等要求的前提下，最大程度地减小结构的重量。
例如，在汽车车身的设计过程中，通过拓扑优化设计可以减小车身的重量，提高汽车的燃油经济性。
4.尺寸优化设计：尺寸优化设计是指通过改变结构的尺寸来实现结构的优化设计。
这种方法通常通过对结构的尺寸参数进行连续调整来实现。
尺寸优化设计可以在满足结构强度和刚度等要求的前提下，减小结构的重量和体积，提高结构的性能。
例如，在桥梁设计中，可以通过优化桥墩的尺寸参数，减小桥墩的体积和重量，提高桥梁的承载能力。
总而言之，机械工程中的结构优化设计方法包括材料优化设计、形状优化设计、拓扑优化设计和尺寸优化设计。
这些方法可以在满足结构强度和刚度等要求的前提下，减小结构的重量和体积，提高结构的性能。
机械优化设计课程教学大纲知识分享
《机械优化设计》课程教学大纲一．课程基本信息开课单位：机械工程学院英文名称：Mechanical Optimize Design学时：总计48学时，其中理论授课36学时，实验（含上机）12学时学分：3.0学分面向对象：机械设计制造及其自动化，机械电子工程等本科专业先修课程：高等数学，线性代数，计算机程序设计，工程力学，机械原理，机械设计教材：《机械优化设计》，孙靖民主编，机械工业出版社，2012年第 5版主要教学参考书目或资料：1.《机械优化设计》，陈立周主编，上海科技出版社，1982年2.《机械优化设计基础》，高健主编，机械工业出版社，2000年3. 其它教学参考数目在课程教学工作实施前另行确定二．教学目的和任务优化设计是60年代以来发展起来的一门新学科，它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。
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，从而大大提高设计效率和质量。
优化设计方法目前已经在机械工程、结构工程、控制工程、交通工程和经济管理等领域得到广泛应用。
在机械设计中采用最优化方法，可以加速产品的研发过程，提高产品质量，降低成本，从而达到增加经济效益的目的。
学生通过学习《机械优化设计》课程，可以掌握优化设计的基本原理和方法，熟悉建立最优化问题数学模型的基本过程，初步具备对工程中的优化设计问题进行建模、编程和计算的应用能力，为以后从事有关的工程技术工作和科学研究工作打下一定的基础。
三．教学目标与要求本门课程通过授课、计算机编程等教学环节，使学生了解优化设计的基本思想，优化设计在机械中的作用及其发展概况。
初步掌握建立数学模型的方法，掌握优化方法和使用MATLAB优化工具箱能力。
并具备一定的将机械工程问题转化为最优化问题并求解的应用能力四．教学内容、学时分配及其基本要求第一章优化设计概述（2学时）（一）教学内容1、课程的性质、优化的含义；优化方法的发展与应用；机械优化设计的内容及目的；机械优化设计的一般过程2、机械优化设计的基本概念和基本术语；优化设计的数学模型；优化问题的几何描述；优化设计的基本方法（二）基本要求机械优化设计的内容及目的。
关于《机械优化设计》教学的实施与思考
关于《机械优化设计》教学的实施与思考摘要：《机械优化设计》是机械设计制造类本科专业的专业基础课，是数学规划与计算机技术高度结合的学科。
本文论述了将机械设计类课程相结合的必要性和在实际教学中课程设计的实施与效果，并讨论了《机械优化设计》课程的重要性。
关键词：《机械优化设计》；课程设计；《机械设计》课程体系中图分类号：g642 文献标志码：a 文章编号：1674-9324（2013）08-0212-02一、国内教学现状《机械优化设计》是机械设计制造类本科专业的专业基础课，是数学规划与计算机技术高度结合的学科。
本课程通常以理论教学为主，涉及的数学知识与优化算法较多，其内容理论性强，又很抽象，不易理解，导致学生学习该课程的热情普遍不高。
江苏大学是国内较早开始《机械优化设计》课程的学校之一。
马履中等[1]在教学改革中，将教材内容不断更新、注意优化软件建设，不断更新和自编新的优化软件，注意教学手段的改革，积极推行多媒体教学及双语教学；注意收集学生的优秀作业、应用实例、优化软件。
长江大学汪建华等[2]重视对学生知识应用能力和实际操作能力的培养，以适应社会需要为目标，着重“应用”二字，以“应用”为主旨和特征构建教学内容，重视对学生的技术应用能力的培养。
教学中引入matlab优化工具箱，减少学生编程与调试的工作量，将课程教学重点放在数学模型的建立上，优化方法的选择，以及matlab优化工具箱中优化函数的使用上，使学生既学到了优化的思想与理论方法，又能够把实际决策问题用数学建模的方法转化为优化模型。
河南工业大学武照云等[3]加大实验环节的学时安排（10学时左右为宜），开发基于matlab的算法程序库，运用面向对象的程序语言visual basic进行软件开发，采用算法可视化技术。
何亚银[4]开展课堂板书、多媒体教学和网络教学相结合的授课方式，将《机械优化设计》与c语言相结合，通过c语言编程来实现相关算法。
目前国内外的机械工程教育向着复合型人才和工程应用能力培养的趋势发展，学生不仅需要有坚实的数理科学知识，同时需要工程实践方面的训练，强调理解知识、掌握学习的方法、培养独立分析与解决工程实践问题的能力。
机械工程师如何进行机械结构优化设计
机械工程师如何进行机械结构优化设计在机械工程领域中，机械结构优化设计是非常重要的一个环节。
它可以帮助工程师提升产品的性能和效率，减少材料的使用量，降低成本，并延长产品的使用寿命。
本文将从理论和实践两个方面探讨机械工程师如何进行机械结构优化设计。
首先，理论方面的机械结构优化设计需要工程师具备扎实的知识基础。
工程师需要熟悉材料力学、结构力学、热力学等相关理论知识，并且对于不同材料的性能特点有一定的了解。
只有掌握了这些基础知识，工程师才能够进行有效的结构分析和设计。
其次，对于机械结构的优化设计，工程师需要明确产品的设计目标和要求。
例如，是要提高产品的承载能力，还是要减小产品的重量，亦或是要降低产品的生产成本。
不同的设计目标会对优化设计的方向和方法产生影响，因此必须在设计之初就明确这些目标。
然后，在进行机械结构优化设计时，工程师可以运用计算机辅助设计软件来辅助完成。
这些软件可以帮助工程师建立结构模型，进行强度和刚度分析，并对设计方案进行仿真计算。
通过对不同设计方案进行比较，工程师可以找到最佳的设计方案，从而实现结构的优化。
此外，机械结构优化设计也需要工程师具备一定的创新思维和解决问题的能力。
在设计过程中，可能会面临各种挑战和困难，例如如何解决设计目标的矛盾，如何平衡不同因素之间的关系等等。
在这些问题面前，工程师需要通过灵活的思维和创新的方法来进行解决，并找到最合适的设计方案。
最后，在进行机械结构优化设计时，工程师还需要进行多方位的考虑。
在设计之前，工程师需要对所设计的机械结构的使用环境、工作条件、负载情况等进行充分的了解，并合理地分析和评估。
同时，在设计过程中，还应该考虑到产品的可制造性、可维修性、安全性等因素，以确保设计方案的可行性和实用性。
总结起来，机械结构优化设计是一个综合性较强的工作，需要工程师具备扎实的理论基础、明确的设计目标、运用先进的设计软件、创新的思维和解决问题的能力，并进行多方位的考虑。
机械优化设计教学方法
机械优化设计教学方法机械优化设计是机械工程领域中的重要课程，旨在培养学生的设计创新能力和解决实际工程问题的能力。
教学方法对于学生的学习效果有着至关重要的影响。
下面将介绍几种适合机械优化设计教学的方法。
首先，理论与实践相结合。
机械优化设计是一个实践性强的学科，学生需要通过实际案例来学习相关的优化设计原理和方法。
因此，在课堂教学中，可以结合机械实际工程案例，让学生通过分析实际问题，运用所学的优化设计原理和方法进行解决。
同时，还可以进行实验教学，让学生亲自进行实验，通过实际操作加深对优化设计的理解。
其次，项目驱动教学。
机械优化设计是一门非常实用的学科，学生需要能够将所学知识应用到实际工程项目中去。
因此，在教学中可以设置一些具体的设计项目，让学生通过实际项目来进行学习和练习。
这样不仅能够培养学生的实践动手能力，还可以锻炼学生的团队协作能力和解决问题的能力。
第三，培养创新意识。
机械优化设计是一门创新型学科，学生需要具备一定的创新意识和创新能力。
因此，在教学过程中，可以通过讲授一些创新的设计方法和思路，培养学生对问题的新颖思考方式。
同时，可以引导学生运用创新的思维方式进行优化设计，鼓励学生提出新的解决方案和设计理念。
第四，多媒体教学方法。
机械优化设计是一门理论与实践相结合的学科，其中有一些理论知识比较抽象，难以直观地理解。
因此，在教学中可以运用多媒体技术，如PPT、视频等来辅助教学，通过图文并茂、直观生动的教学方式，提高学生的理解能力和学习效果。
第五，学生参与教学。
机械优化设计是一门需要学生主动参与的学科，学生需要具备独立思考和主动学习的能力。
因此，在教学过程中可以采用一些互动式教学的方法，如小组讨论、问题解答等，激发学生的学习兴趣，培养学生的主动学习和合作学习能力。
第六，评价方法多样化。
机械优化设计是一门实用性强的学科，学生的能力评价应该以实际工程项目和实验成果为依据。
因此，在教学过程中，可以采用综合性评价的方法，包括书面报告、项目展示、实验结果分析等。
机械优化设计自学考试教学要求省公开课一等奖全国示范课微课金奖课件
割法和牛顿法求一元函数极小点。 本章难点: 牛顿法，二次插值法。
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第四章 无约束优化方法
一、考评知识点与考评要求
1. 最速下降法（梯度法） 识记: 最速下降法定义；最速下降法特点，最速下降法 搜索方向。 领会: 最速下降法搜索路径和步骤。 应用: 用最速下降法求函数极值。
识记: 离散变量组合型法原理；初始复合型顶点形成。 领会: 离散一维新点产生方法；约束条件处理及几何
意义；离散变量组合型法搜索步骤；离散变量组 合型法收敛准则。 应用: 离散处罚函数法求解一维优化问题几何意义。
作用约束。 应用: 二维约束优化问题极值点所处不一样位置几何描
述。
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第一章 优化设计概述
3.优化设计问题基本解法 识记: 优化准则法；数值迭代法；搜索方向；最正确 步长；几个迭代收敛准则: 模准则、值准 则和梯度准则。 领会: 优化准则法和数值迭代法极值点搜索过程 及特点。 应用: 优化准则法和数值迭代法迭代公式；收敛准 则及收敛精度选取。
散处罚因子。 领会: 离散处罚函数构建和几何意义；离散处罚函数法计
算步骤。 应用: 离散处罚函数法求解一维优化问题几何意义。
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第七章 多目标和离散变量优化方法
9. 离散变量搜索型方法——离散复合型法 识记: 离散复合型法原理；离散复合型顶点构建。 领会: 离散复合型法搜索迭代过程。 10.离散变量型网格法 识记: 离散变量型普通网格法和正交网格法原理。 领会: 正交网格表生成方法；正交网格法计算步骤。 11.离散变量组合型法
行条件，下降条件。 领会: 可行方向产生方法；步长确实定: 最优步长、试
验步长计算、试验点调整到约束面方法；可行 方向法计算步骤。 应用: 用可行方向法求约束优化问题最优解。
机械结构的轻量化设计与优化
机械结构的轻量化设计与优化机械结构的轻量化设计与优化是一门与工程技术紧密相关的学科，它关注如何在满足结构强度和刚度要求的前提下，减小机械结构的重量。
轻量化设计对于提高机械设备的效率、节约能源、降低材料成本等方面具有重要意义。
本文将从不同角度探讨机械结构轻量化设计与优化的方法与技术。
一、材料选择与设计思路在机械结构的轻量化设计中，材料的选择起到关键作用。
常见的轻量化材料包括高强度钢、铝合金、碳纤维复合材料等。
这些材料具有较高的比强度和比刚度，能够减小结构重量。
例如，铝合金在一些机身、航空设备等领域得到广泛应用，因为它不仅重量轻，还具有良好的耐腐蚀性和可加工性。
除了材料的选择外，设计思路也是轻量化设计的重要组成部分。
传统的机械结构设计常常存在冗余和浪费，通过采用优化的设计思路，可以最大限度地利用材料，减小结构重量。
例如，采用优化设计算法可以确定材料分布和结构形状，使得结构在满足强度需求的同时实现轻量化。
二、模拟与仿真技术的应用随着计算机技术的发展，模拟与仿真技术在机械结构轻量化设计中扮演越来越重要的角色。
通过建立数值模型，并运用有限元方法进行分析，可以预测结构在不同工况下的应力和变形情况，并辅助优化设计。
这种方法不仅可以快速得到结果，还可以在不同方案之间进行对比和选择，以实现结构的轻量化。
在模拟与仿真技术中，拓扑优化是一种常用的方法。
它通过对结构形状的改变和材料的分布进行迭代优化，找到最佳的结构形态。
例如，通过拓扑优化技术可以实现孔洞的分布和尺寸的优化，从而减小结构的重量。
三、先进制造技术的应用除了材料选择和设计优化外，先进的制造技术也是机械结构轻量化的关键。
例如，使用先进的三维打印技术，可以实现复杂形状和薄壁结构的制造。
这种技术能够减少工艺和加工过程中的浪费，实现结构的精确控制，减小结构重量。
另外，采用自动化制造技术，如机器人焊接、激光切割等，可以实现结构的高效制造和加工，减小人为误差，提高生产效率。
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【例2.1】直升机尾仓部分桁架结构的优化设计
如右图a,b桁架结构，在设计时要求其 总质量最小，但各杆受载时，对其单 元的应力i 、节点位移 yi 以及振动的
固有频率都应有限制。
分析：图示桁架结构共有108个杆单元， 28个节点（其中有4个固定），每个节 点考虑3个自由度，共有72个自由度， 用有限元方法计算yi 、 2、和 i 。当 取各杆横截面积 Ai 为设计变量时，相 应的计算公式是：
●形状优化：结构形状（包括拓扑）优化设计是确定二维和三维结构形状的 机械结构优化设计。
●研究内容：确定连续结构的边界形状和内部形状，如不同材料或厚度的分 布区域、复合材料的结合面形状、结构件的加强层形状、板框结构的加强筋 布局等。
●研究目的：改善结构特性（如降低应力集中）、应力及温度场的分布情 况，提高疲劳强度、延长结构件寿命等。
1951年库克、塔恩推导出不等式约束非线性优化问题的极值条件，即 K-T条件。
1964年结构拓扑优化、结构形状优化提出。结构形状优化理论和方法 的提出，实现了优化问题从有限维参数优化向无限维形状优化的跨越。
二十世纪七十年 优化问题实用化，计算机的应用使参数、形状、拓扑优化的里理论和
代：
方法迅速发展
二十世纪八十年代：
图（a）是某直升机尾仓部分的外观图
图（b）是它内部桁架结构的两个视图
【例2.1】直升机尾仓部分桁架结构的优化设计
【例2.1】直升机尾仓部分桁架结构的优化设计 所以，优化问题可归结为：求一组变量A，使目标函数
【例2.2】机床主轴的优化设计
分析：用有限元法利用状态 方程计算轴端变形y 和固有频
率 。
【例2.3】热压机机架结构的优化设计
1.设计变量 取是个设计变量来描述框板的外形尺寸和厚度，如图(c)所示。
●结构形状优化的方法
1）数值方法 辛柯维茨和康培尔以节点坐标为设计变量，使用等参有限单元模型和序列线 性规划方法，设计水坝的最优形状 艾玛姆以超曲线曲面的参数作为优化设计的变量、应用三维等参单元分析、 采用差分法进行敏度分析来求解形状优化问题。
2）变分方法 豪格及其合作者提出了形状优化问题的变分方法，并使用最速下降法和 有限 元离散方法进行二维结构的优化设计
3）敏度分析 这种方法考虑了应力、应变或位移泛函，建立了主结构和伴随结构中应力或 位移场变分的等价性条件，为形状优化提供了泛函的敏度分析方法，并解决 了外边界或接触面变化的梁、盘、板、壳的形状优化问题
4）有限元分析
采用有限元法进行结构重分析，即需要单元网格剖分技术，也需要对结 构形状边界处个单元的边界曲线或曲面形成技术。因此，以结构形状优 化为主体，连接有限元分析和几何造型技术为一体，已形成一门新的综 合技术。
(3)机械结构形状优化、拓扑及布局优化的分析计算需对结构进行敏度 分析计算，敏度分析计算的结果给出了优化设计过程中变量（位移、应 力等）的变化趋势，为下一步设计指明方向。
(4)整机或杆系结构等复杂结构的分析，不仅需要采用有限元法进行分 析，而且整机优化还涉及各组成部件的合理的数值分配问题。
综上所述，机械结构优化设计是以计算机为手段，集有限元分析技术、数值优化 方法和计算机图形于一体的综合性方法和技术，是多学科交叉的一门机械结构设 计理论和技术。
3）遗传算法： 1975年美国人Holland提出的一种人工智能方法，是在计算机上按照生物进化 过程进行模拟的一种搜索寻优算法。
遗传算法的思路是把函数的搜搜空间看成是一个映射的遗传空间，而把在此 空间进行寻优搜索的可行解看成是一个由向量染色体组成的集合。染色体是 有基因元素（用二进制或十进制的字符串编码表示）组成的向量。可由计算 机用随机数列的方程给出。遗传算法中，目标函数被转化成应对各个个体的 适应度，是目标函数对每个染色体进行评价的一个表述。可以用来表示各个 体的适应性能，并据以指导寻优搜索。适应度越大，说明性能越好。
本章内容：
◆机械结构优化设计的特点 ◆机械结构优化设计的示例 ◆机械结构优化涉及数学模型的表述
机械结构优化的特点概括为以下四点： (1)精密、复杂及重、大的机器零件（即结构件），一般的力学解析方 法计算它们的静、动态性能，已经难以满足工程实际的要求。
(2)结构优化进行分析计算时需要利用计算机进行有限元分析—优化设 计的自动或半自动的反复迭代，需要应用单元的网格剖分技术予以支持。
本章内容：
◆机械结构中的优化技术 ◆优化方法发展进程的简要回顾 ◆形状优化的发展趋势
结构的优化设计
广义角度
结构尺寸优化 结构形式优化 拓扑优化 布局优化
可靠性指标的优化 优化性能 材料性能的优化
动力性能的优化 控制结构优化
优化设计可看成是一个研究结构设计的理论和方法的问题
例如：处理静态问题
a: 结构分析的设计模型
参数优化的理论方法趋于成熟，形状和拓扑优点和范畴的问题，提出了多种优 化方法，如线性规划、几何规划、多目标优化、整数规划、离散变量 优化、动态规划、模糊优化及遗传算法等
这里简单说明一下模糊优化、广义优化和遗传算法的含义 1）模糊优化：
2）广义优化： 20世纪浙江大学冯培恩教授提出广义优化概念，即对机械产品进行全系统、全 性能、全过程的广义优化设计。
b:结构优化的设计模型
十七、十八世纪：
函数或泛函数极值求解方法提出奠定了优化方法的基础，如最速下 降法、牛顿法、拉格朗日乘子法等。
二十世纪五六十 年代：
无约束优化寻优方向的数值解法，除黄金分割法外，又提出了一维搜 索技术，即一维搜搜试探类和插值类方法。同时，梯度法和牛顿类型 的无约束优化方法问世。
这时，问题归结为：求Di、li、a 的值
使质量 f (Di , li ) [ (Di2 di2 )li (Di2 di2 )a]
最小，并满足条件：
【例2.3】热压机机架结构的优化设计
热压机是用来压制胶合板、纤维板、刨花板等平板制品的一种液压机。某重 型机器厂生产的6450t热压机的主体由8架16片框板平行组装而成，每片框板 的结构尺寸及受力状况如图（a）（b）所示： 以质量最小为目标的优化设计：