4311 课程教学大纲设计方法1—优化设计与有限元法 -2017-赵兴玉

天津大学《设计方法优化与有限元》课程教学大纲1-课程代码课程名称设计方法优化与有限元20108661-学时32学分2上机授课824学时分配实验实践实践（周）课后学习更新时间2017授课学院机械工程学院适用专业机械设计制造及其自动化、工业设计先修课程机械设计、、材料力学、弹性力学、线性代数及其应用CAD一.课程简介本课程为选修课，现代设计方法是随着当代科学技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用而在设计领域发展起来的一门新兴的多元交叉学科它是为了适应市场剧烈竞争的需要，以提高产品设计质量和缩短设计周期，以及降低成本等为目标的一个总的理论、方法知识群体的统称优化设计和有限元分析是两种最重要的现代设计方法通过本课程学习，使学生对优化设计和有限元分析方法从概念、理论到应用都有系统和深入地学习和掌握，为从事机电产品开发工作打下一定基础二.教学基本要求本课程的特点是理论性和实践性都非常强，除课堂教学外，安排典型的习题,并选择具有代表性的专题进行上机实验

1.课程目标课程目标1:了解优化设计和有限元方法在现代设计方法知识群中的重要地位和产生的工程背景课程目标2掌握优化设计的基本概念和思想；优化设计的解题思路和流程;初步具有使用这些方法进行工程设计和计算的能力课程目标3掌握有限元法的基本概念和思想；有限元分析方法的解题思路和流程；初步具有使用这些方法进行工程分析和计算的能力课程目标4通过上机实验掌握利用MATLAB软件编程实现所学优化算法的方法课程目标5通过上机实验掌握利用商品化有限元软件ANSYS解决具有代表性的工程问题的方法

2.课程目标与毕业要求指标点的对应关系各项课程目标与毕业要求指标点的对应关系见表lo表《设计方法优化和有限元》课程目标与毕业要求指标点的对应关系11-课程课程课程课程课程毕业要求指标点号目标1目标2目标3目标4目标

51.2能够针对机械工程领域设计、制造等方面的复杂工1程问题，建立数学、力学等理论模型，并达到适当的精度要求；

4.3能够获取、分析与解释实验数据，并通过信息综合，2✓/得到合埋有效的研究结论

5.1能够选择适当的技术、资源、现代工程工具和信息3技术工具，进行机械工程领域中复杂工程问题的预测与模✓✓/拟；

12.1能够了解当前机械设计制造及其自动化领域的发4✓展状态与发展趋势三.教学内容课程教学内容、教学方式与的课程目标的对应关系见表2表《设计方法优化和有限元》课程目标与教学内容和方法的对应关系21—序学教学方支撑课章节知识点号时式程目标

1.1设计的概念设计的概念和工业产品设计的特征

1.2现代设计及特点现代设计与传统设计的区别；现代设计的目标课程目第1章绪1和特点2讲授论标

11.3优化设计简介优化设计的背景和思路

1.4有限元方法简介有限元方法的背景和基本思想

2.1优化设计的概念优化模型目标函数、设计变量和约束条件

22.2优化方法的数学基础函数梯度、Hessian矩阵、极值条件

2.3一维搜索方法黄金分割、二次插值1第2章优

2.4无约束优化方法鲍威尔法、最速下降法、共腕梯度法、牛顿法、课程目标2讲授42化设计变尺度法

2.5约束优化方法复合形法、可行方向法、罚函数法、线性规划4（单纯形法）

2.6用MATLAB求解优MATLAB和优化；优化举例1序学教学方支撑课章节知识点号时式程目标化问题

3.1有限元的概念2利用平面杆系阐述有限元的概念、发展和应用

3.2弹性力学基本理论弹性力学的基本方程、弹性力学问题求解和有3限元法的内在联系；弹性力学有限元法和有限元法第3章有3讲授课程目标3限元法

3.3平面问题有限元平面应变和平面应力问题的有限兀分析

23.4轴对称问题有限元轴对称问题的概念、单元特点和单元模式

13.5有限元软件ANSYS有限元分析中的若干处理方法；主要以2ANSYS为主介绍商用有限元软件及其应用每个人自选题目，无约束优化和有约束优化问实验1利用matlab进行题分别选用两种优化算法用MATLAB编程实4课程目标4优化计算4实验现实验实验2零件的有限元分析箱体类零件的有限元分析，要求用两种单元分课程目标54别进行模拟分析四.课程教学方法

1.课堂讲授1）在教学过程中采用PPT电子教案，视频、板书相结合，提高课堂教学信息量，增强教学的直观性2）采用工程案例教学，激发学生主动学习的兴趣，针对复杂工程问题，引导培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力

2.课后练习围绕各章教学重点内容，布置一定数量的课后作业，并根据学生存在的问题在课堂上重点讲解让学生在掌握知识点的基础上，面对复杂工程问题能独立地分析解决

3.课内实验教学课程课内实验教学是本课程中重要的实践教学环节，目的是培养学生运用仿真实验方法研究解决与课程授课内容相关的复杂工程问题的能力课程必做2个实验，各实验要求学生独立或分组完成，并提交实验报告五.评价与考核方式课程成绩包括结课考试60%+（作业、实验、平时）40%o课程目标落实与学习成果观测见表3表课程目标落实与学习成果观测3学习成果学习任务、过程和观测细化预期学习成果观测点预期学习成果预设学习任务优化设计产生的背景作业读书报告课程目标1有限元法产生的背景作业读书报告优化方法的思想和实现作业

3.6题，

3.10题，

3.11题，

3.18题课程目标

23.21题期末考试试卷有限元方法的思想和实现作业

5.4题，

5.6题，5・9题5・10题课程目标3期末考试试卷课程目标4掌握MATLAB编程实现优化方法实验实验报告掌握ANSYS软件的有限元分析方法实验实验报告课程目标5平时成绩每次以10分计，平时作业评分标准见表4表平时作业评分标准4观测点8〜10分6〜7分4〜5分0~3分作业完成进度提前完成按时完成延时完成补交基本概念掌握程度80%以上概念清晰60%以上概念清晰40%以上概念清晰40%以下概念清晰解决问题的正确性80%以上正确60%以上正确40%以上正确40%以下正确书写潦草,表述不书写的工整程度与表述书写工整,条理清书写较工整，表述缺乏条理清晰晰基本清晰六.教材与主要参考资料张连洪.现代设计方法及其应用，天津天津大学出版社，

[1]2014孙靖民，机械优化设计（第版），北京机械工业出版社，

[2]32005曾攀，有限元基础教程，北京高等教育出版社，

[3]2009龙驭球，有限元法概论.北京高等教育出版社，

[4]1991徐芝纶，弹性力学，北京高等教育出版社，

[5]1978。