机械优化设计 教学大纲

机械优化设计

Mechanical optimization design

【学分】2 【学时】32 【性质】专业选修课【实验】0

（一）授课对象

四年制本科机械类各专业（机械设计制造及其自动化、材料成型、控制工程等）及其它相关专业。

（二）课程的性质和地位

机械优化设计是机械类各专业的一门专业选修课，其目的是使学生在机械设计中树立优化设计的思想，掌握机械优化设计的基本概念和方法，获得解决机械优化设计问题的初步能力，其先修课程有高等数学、线性代数、BASIC或其它适于科学计算的高级语言、工程力学、机械设计基础等。

（三）课程的教学目标

通过本课程的学习学生应达到如下教学目标：

1．树立优化设计的思想，理论联系实际，具有创新设计的能力；

2．掌握机械优化设计的思想、方法和规律。在学习优化设计基本理论的基础上，应具备数学模型的建立、优化方法的选择、软件使用、优化结果分析等方面的能力；

3．正确的运用已经学过的机械优化设计基础理论和基础知识，能够初步解决其它领域的最优化问题；

4．正确掌握本领域出现的新技术、新原理和新方法，初步具备进行机械结构优化与综合研究的能力。

（四）课程相关能力培养

1．掌握该课程的基本理论和基本知识，并能运用解决复杂工程问题（G1）；

2．能够应用该课程的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论（G2）；

3．能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素（G3）。

（五）教学内容

1．优化设计概述（G1）

机械优化设计的含义；优化设计在机械设计中的作用；机械优化设计的发展概况。

重点：优化设计问题的数学模型与基本解法。

2．优化设计的数学基础（G1，G2）

多元函数的方向导数与梯度。多元函数的泰勒展开；无约束优化问题的极值条件；凸集、

凸函数与凸规划。等式约束优化问题的极值条件；不等式约束优化问题的极值条件。

重点：等式约束问题的极值条件和不等式约束优化问题的极值条件。

难点：不等式约束优化问题的极值条件。

3．一维搜索方法（G1，G2）

搜索区间的确定与区间消去法原理；一维搜索的试探方法；一维搜索的插值方法。

重点：利用解析解法时的求导计算。

难点：利用解析解法时的求导计算。

4．无约束优化方法（G1，G2）

最速下降法；牛顿型方法；共轭方向及共轭方向法；共轭梯度法；变尺度法；坐标轮换法；鲍威尔法。

重点：最速下降法；共轭方向法；变尺度法。

难点：搜索方向的构成问题。

5．约束优化方法（G1，G2）

随机方向法；复合形法；可行方向法；惩罚函数法。

重点：惩罚函数法。

难点：利用间接解法时加权因子的选择。

6．机械优化设计实例（G1，G2，G3）

机械优化设计应用技巧；机床主轴结构优化设计；圆柱齿轮减速器的优化设计；月生产计划的最优安排等。

重点：如何建立优化设计的数学模型。

（六）教学实践环节安排

无。

（七）教学方式与习题要求

以教师讲授为主，并通过大量的上机操作和实践，理论联系实际，由浅入深。

为达到基本要求，在教学中应适当安排习题课与课堂讨论。

（八）考核办法

按上课出勤率，平时作业，期末课堂测试三种形式对学生进行考核，学生的最终成绩以五级制记分，评定分为优秀、良好、中等、及格和不及格五个等级。

具体评定标准如下：

优秀：出勤率95% 以上，平时作业都按时完成且正确率在95% 以上，期末课堂测试分数在95分以上；

良好：出勤率90% 以上，平时作业都按时完成且正确率在85% 以上，期末课堂测试分数在85分以上；

中等：出勤率85% 以上，平时作业不能按时完成次数不能超过1次，且正确率在75% 以上，期末课堂测试分数在75分以上；

及格：出勤率80% 以上，平时作业不能按时完成次数不能超过3次，且正确率在65% 以上，期末课堂测试分数在65分以上；

不及格：若不能满足上述等级的要求，则评定为不及格。

（九）推荐教材或讲义及主要参考书

1．孙靖民主编：机械优化设计（第3版），机械工业出版社，2002年；

2．高健主编：机械优化设计基础，科学出版社，2000年；

3．陈立周主编：机械优化设计方法，冶金工业出版社，1997年。

（十）学时分配