现代设计方法及其应用(李春书)

　　本书重点介绍了几种在机械设计中应用广泛的现代设计方法，具体内容包括：优化设计、可靠性设计、有限元法、绿色设计和发明问题解决理论(TRIZ)。在本书的编写过程中采用由浅入深、循序渐进的方法，并将所讲授的基本理论和方法与工程中的实际问题相结合，通过算例分析和求解，使读者对现代设计理论和方法的基本内容能够易于理解和掌握。本书可作为高等学校机械设计制造及其自动化、车辆工程、机械工程及自动化等专业高年级本科生的教材，也可作为这些专业的研究生和工程技术人员的参考书。

1.1设计与设计方法
1.1.1设计的概念
1.1.2产品设计过程
1.1.3设计方法学
1.2现代机械设计方法
1.2.1现代设计方法的特点
1.2.2现代设计方法的内容体系
1.3课程学习的基本要求
习题
参考文献
 
2.1概述
2.2优化设计数学模型
2.2.1设计变量与设计空间
2.2.2目标函数
2.2.3约束条件
2.2.4优化设计数学模型
2.3优化方法的数学基础
2.3.1函数的方向导数与梯度
2.3.2多元函数的二阶泰勒展开式
2.3.3二次型函数
2.3.4无约束优化问题的极值条件
2.3.5凸集与凸函数
2.3.6约束条件的极值问题
2.3.7数值迭代算法
2.4一维优化方法
2.4.1单峰区间
2.4.2黄金分割法
2.5多维无约束优化方法
2.5.1速下降法(梯度法)
2.5.2牛顿法
2.5.3变尺度法
2.5.4坐标轮换法
2.5.5鲍威尔法
2.6多维有约束优化方法
2.6.1内点惩罚函数法
2.6.2外点惩罚函数法
2.6.3混合惩罚函数法
2.7工程应用实例分析
习题
参考文献
 
3.1概述
3.2产品可靠性及其度量指标
3.2.1可靠性定义
3.2.2可靠性特征量
3.2.3产品的失效率曲线
3.3几种常用的概率分布
3.3.1二项分布
3.3.2泊松分布
3.3.3正态分布
3.3.4对数正态分布
3.3.5指数分布
3.4机械零件可靠性设计
3.4.1应力.强度干涉模型
3.4.2可靠度的计算方法
3.4.3应力和强度分布均为正态分布时的可靠度计算
3.4.4应力和强度均服从对数正态分布时可靠度计算
3.4.5应力和强度均服从指数分布时可靠度计算
3.4.6机械零件可靠性设计实例分析
3.5系统可靠性设计
3.5.1系统可靠性预测
3.5.2系统可靠性分配
习题
参考文献
 
4.1概述
4.2弹性力学的基本理论
4.2.1弹性力学中的基本假设
4.2.2弹性力学中的基本概念
4.2.3弹性力学的基本方程
4.2.4虚位移原理
4.2.5两类平面问题
4.3弹性力学有限元法
4.3.1有限元求解问题的基本步骤
4.3.2单元的类型
4.3.3单元位移函数
4.3.4平面问题有限元分析
4.3.5非节点载荷的移置
4.3.6有限元分析中的若干问题
4.4ANSYS有限元分析软件
4.4.1ANSYS软件的功能
4.4.2ANSYS的用户界面
4.4.3ANSYS分析实例
习题
参考文献
 
5.1概述
5.2产品的绿色设计
5.2.1绿色设计的概念和内涵
5.2.2绿色设计的原则
5.2.3绿色设计的过程及评价
5.2.4绿色设计案例分析
5.3绿色设计中材料的选择
5.3.1材料对环境的影响
5.3.2材料选择的原则
5.4产品绿色设计的关键技术
5.4.1面向拆卸的设计DFA(Design for Disassembly)
5.4.2面向回收的设计
5.4.3再生技术
5.4.4零部件再利用技术
5.4.5应用实例分析
习题
参考文献
 
6.1概述
6.2问题及其分类
6.2.1问题定义
6.2.2通常问题与发明问题
6.2.3发明问题解决理论
6.3TRIZ的基本概念
6.3.1功能及功能模型
6.3.2终理想解(IFR)
6.3.3冲突及其分类
6.3.4技术系统进化定律
6.3.5物质.场模型
6.3.6效应
6.3.7ARIZ
6.4技术冲突解决理论
6.4.1技术冲突的通用化
6.4.2发明原理
6.4.3冲突矩阵
6.4.4技术冲突解决过程
6.5物理冲突解决理论
6.5.1分离原理
6.5.2分离原理与发明原理的关系
6.5.3技术冲突与物理冲突的关系
6.6TRIZ解决问题的过程
6.6.1TRIZ解决问题的一般过程
6.6.2工程案例.织物印染装置
习题
参考文献

现代设计方法是随着当代科学技术的发展和计算机技术的广泛应用而发展起来的，目前，计算机辅助设计、优化设计、可靠性设计和有限元方法已得到普及，应用广泛。同时，还不断有新的设计理论和方法出现，如智能设计、虚拟设计、稳健设计、动态设计、绿色设计、创新设计、表面设计等，极大地丰富了现代设计方法的内涵。现代设计方法经过几十年的发展已成为一门多元综合的新兴交叉学科，其内容繁多，涉及广泛。这些方法有助于科学地指导产品设计过程，提高产品的设计质量，提升产品市场竞争力水平。

本书在借鉴国内外相关教材的基础上，结合编者多年从事教学与科研工作的经验，根据现代设计方法的特点，选取了优化设计、可靠性设计、有限元方法、绿色设计和发明问题解决理论(TRIZ)五部分内容作为本书编写的主要内容。在优化设计中，侧重于优化设计的基本概念、优化设计的数学模型，迭代计算的方法和优化问题的基本解法，通过实例分析，理解优化问题数学模型的建立和优化求解方法的特点。在可靠性设计方面，重点介绍工程中可靠性及其度量指标，机械零件可靠性设计的基本原理，机械系统可靠性的基本概念，以及可靠性在工程和设计中的应用。在有限元方法中，介绍弹性力学的基本概念、基本方程和虚位移原理，通过实例分析，讲述有限元分析的内容、方法和步骤，并介绍了商用有限元分析软件ANSYS在解决工程实际问题中的应用。在绿色设计中，介绍了产品全生命周期中对环境资源的影响，为减少对资源的消耗和对环境的影响，常用的一些方法和实际工程中的应用实例。TRIZ理论中重点介绍了TRIZ的基本概念、冲突的描述、冲突问题的解决方法和工程中TRIZ解决问题的过程和实例分析。

现代设计方法是一门实践性很强的学科，要有效地应用这些方法，必须对其相关理论和方法有正确的认知。本书在重点介绍其相关基本科学理论和方法的基础上，强调其应用性，通过算例分析，逐步加强学生运用所学知识分析问题和解决问题的能力。本书在具体内容的编排上，注重先进性与实用性的结合，并力求通俗易懂、深入浅出，以激发学生的学习兴趣。本书可作为32～50学时机械工程类专业高年级本科生的教材。

本书由李春书、许红静、张换高编写，其中第1章、第4章由李春书编写，第2章和第3章由许红静编写，第5章由崔丹编写，第6章由张换高编写。另外，冯昊、高伟、雷丽梅、金波、段媛、冯小蕊等进行了部分文字录入和编校。全书由李春书担任主编并统稿，由天津大学刘建琴担任主审。

在本书的编写过程中，编者参阅了大量文献资料，并采用了这些资料中的一些精华部分，我们在各章后面给出了这些文献，以供读者进一步深入学习，在此特向有关作者致谢。范慕辉教授对本书第4章内容提出了修改意见和建议，在此表示感谢。

由于现代设计方法所涉及的内容不断发展，加之编者水平所限，书中难免有疏漏和不足之处，欢迎广大读者提出宝贵意见。

编者
2013年2月