“現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”課程教學(xué)探索與實(shí)踐

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1、“現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”課程教學(xué)探索與實(shí)踐　[摘要]“現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”是一門工程代寫論文實(shí)用性較強(qiáng)的新興邊緣學(xué)科，目的在于使其成為學(xué)生未來從事工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的有力工具，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量，推動(dòng)人類設(shè)計(jì)事業(yè)的進(jìn)步。結(jié)合多年來，在“現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”課程教學(xué)中的探索與實(shí)踐，從教學(xué)內(nèi)容的確定、教材的選用、軟件平臺(tái)的使用方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、教學(xué)理念、考核方式幾個(gè)方面的改進(jìn)進(jìn)行了介紹?！　關(guān)鍵詞]現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法優(yōu)化設(shè)計(jì)有限元教學(xué)Matlab　　　　“現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”是一門工程實(shí)用性較強(qiáng)的新興邊緣學(xué)科，

2、根本目的在于使它成為學(xué)生未來從事工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的有力工具，以提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平和質(zhì)量，推動(dòng)人類設(shè)計(jì)事業(yè)的進(jìn)步。多年來，我們?cè)凇艾F(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”教學(xué)中不斷探索、實(shí)踐。　　　　一、確定教學(xué)內(nèi)容　　　　現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是一門種類繁多、知識(shí)面廣的學(xué)科群，它由多種設(shè)計(jì)方法組成，包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、有限元法、模塊化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、綠色設(shè)計(jì)、虛擬設(shè)計(jì)、反求工程、人機(jī)工程等。由于課時(shí)有限，在“現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”這門課中，主要介紹理論上比較成熟并已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用的現(xiàn)代設(shè)計(jì)計(jì)算方法

3、，包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元法和可靠性設(shè)計(jì)，學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，能夠運(yùn)用這四種方法解決工程實(shí)際中的一些基本問題。對(duì)于其他現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念和方法，作為前沿知識(shí)介紹給學(xué)生，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面。從教學(xué)內(nèi)容上既突出現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的重點(diǎn)，又覆蓋現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的全貌?！　　　《?、選用教材　　　　要完成以上教學(xué)內(nèi)容，目前沒有一本教材可以完全勝任，必須以一本為主，再輔以其他教材作為參考。由于“現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”涉及高數(shù)、物理、線性代數(shù)、概率與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、力學(xué)等多門學(xué)科內(nèi)容，為了便于基礎(chǔ)差的學(xué)生課前預(yù)習(xí)、課后自學(xué)，選

4、用了西安理工大學(xué)應(yīng)錦春教授主編的全國高等教育自學(xué)考試指定的《現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法》教材作為主教材，這本教材中主要介紹了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元法和可靠性設(shè)計(jì)這四種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。由于是自學(xué)考試教材，學(xué)生學(xué)起來有一種通俗易懂的感覺，而且實(shí)例豐富，利于學(xué)以致用。對(duì)于其他現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念和方法，參考了盧小平、吳威主編的《現(xiàn)代制造技術(shù)》，黃雨、董遇泰主編的《現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法》等教材，并通過網(wǎng)絡(luò)查找更多有關(guān)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的相關(guān)內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上參考肖偉、劉忠主編的《Matlab程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用》、宋兆基主編的

5、《Matlab6.5在科學(xué)計(jì)算中的應(yīng)用》，(德)P.I.Kattan著，韓來彬譯的《Matlab有限元分析及應(yīng)用》，自編了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書?！　　　∪⑦x用優(yōu)秀的軟件平臺(tái)——Matlab軟件輔助教學(xué)　　　　1．Matlab軟件的特點(diǎn)　　Matlab(MatrixLaboratoy)是由美國Matheshgrid，mesh等將插值效果直觀地表達(dá)出來。而對(duì)于曲線擬合，利用Matlab函數(shù)，既可以容易地求出擬合曲線，又可以將擬合曲線與原函數(shù)在同一坐標(biāo)系中顯示出來，直觀地表達(dá)擬合曲線與原函數(shù)的符合程度　　在第

6、二章“優(yōu)化設(shè)計(jì)”中，涉及到高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、矩陣論等數(shù)學(xué)問題，對(duì)于工科學(xué)生而言，本門課程不需要他們對(duì)優(yōu)化的算法進(jìn)行深入的研究，只要求他們了解和掌握基本概念，每一種算法的特點(diǎn)和應(yīng)用場合，并將這些算法應(yīng)用到解決實(shí)際問題中。當(dāng)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)和約束條件比較復(fù)雜時(shí)，計(jì)算的工作量很大。利用Matlab軟件提供的最優(yōu)化計(jì)算工具箱能很快很好地解決幾乎所有的最優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。對(duì)于二維優(yōu)化設(shè)計(jì)問題還可以用圖形將數(shù)學(xué)模型和結(jié)果表示出來，生動(dòng)、形象，加深學(xué)生對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的理解?！　〉谌隆坝邢拊ā保谇髥卧?jiǎng)偠染仃?/p>

7、、集成總體剛度矩陣，求解平衡方程中，由于涉及到矩陣運(yùn)算，計(jì)算工作量非常大。所以在本章中使用Matlab作為矩陣計(jì)算器進(jìn)行有限元分析，除了某些手動(dòng)操作外，主要使用Matlab解決冗長的矩陣計(jì)算問題，強(qiáng)調(diào)有限元方法的步驟。同時(shí)使用了《Matlab有限元分析及應(yīng)用》提供的有限元工具箱中的函數(shù)，大大簡化了有限元問題的求解過程，可以將更多的精力放在問題的解決上，在課上可以為學(xué)生提供更多練習(xí)、討論的時(shí)間，大大增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?！　〉谒恼驴煽啃栽O(shè)計(jì)中，主要是在第四節(jié)“可靠性設(shè)計(jì)方法的簡單應(yīng)用”中，利用no

8、rminv(1-R)函數(shù)，根據(jù)可靠度R確定聯(lián)結(jié)系數(shù)；利用normcdf(z)函數(shù)根據(jù)聯(lián)結(jié)系數(shù)z確定失效概率F；利用normpdf(z)函數(shù)根據(jù)聯(lián)結(jié)系數(shù)z確定失效率f;利用roots(P)根據(jù)多項(xiàng)式各項(xiàng)系數(shù)向量P求解多項(xiàng)式的根。一方面省去了查表，另一方面可以大大簡化計(jì)算?！　　　∷?、增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)　　　　在以往的“現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”課程中，只在第一章和第二章各安排2學(xué)時(shí)(總學(xué)時(shí)為40學(xué)時(shí))的實(shí)驗(yàn)，主要要求學(xué)生利用C語言完成工程數(shù)據(jù)程序化處理、一維搜索、無約束優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的程序編制、調(diào)試和考