“現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法”課程教學(xué)探索與實(shí)踐(一)

1、“現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 ”課程教學(xué)探索與實(shí)踐 (一)摘要 “現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 ”是一門(mén)工程代寫(xiě)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(lái)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(lèi)設(shè)計(jì)事業(yè)的進(jìn)步。結(jié)合多年來(lái)，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(mén)工程實(shí)用性較強(qiáng)的新興邊緣學(xué)科， 根本目的在于使它成為學(xué)生未來(lái)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(lèi)設(shè)

2、計(jì)事業(yè)的進(jìn)步。多年來(lái)，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(mén)種類(lèi)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(mén)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，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(guò)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(wèn)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

3、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。二、選用教材要完成以上教學(xué)內(nèi)容，目前沒(méi)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(mén)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)，選用了西安理工大學(xué)應(yīng)錦春教授主編的全國(guó)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(lái)有一種通俗易懂的感覺(jué)，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

4、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(guò)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 Matlab6.5 在科學(xué)計(jì)算中的應(yīng)用，(德著，韓來(lái)彬譯的Matlab 有限元分析及應(yīng)用，自編了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)。三、選用優(yōu)秀的軟件平臺(tái)Matlab 軟件輔助教學(xué)1Matlab 軟件的特點(diǎn)Matlab(MatrixLaboratoy) 是由美國(guó) Mathworks 公司 1994年推出的優(yōu)秀科技應(yīng)用軟件，它具有強(qiáng)大的科技計(jì)算、圖形處理、可視化、開(kāi)放式和可擴(kuò)展環(huán)境，特別是所附帶的幾十種面向不同領(lǐng)域的工具箱支持，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)

5、值分析、 信號(hào)與圖像處理、 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、 通信仿真、工程優(yōu)化、數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計(jì)分析等領(lǐng)域，成為目前市場(chǎng)上強(qiáng)有力的工程問(wèn)題分析計(jì)算和程序設(shè)計(jì)的桌面工程師系統(tǒng)，是工科大學(xué)生和研究生必須掌握的基本工具。2Matlab 軟件在 “現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 ”課程中的應(yīng)用在“現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 ”課程中，使用 Matlab 解決復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，可以簡(jiǎn)化公式的推導(dǎo)和概念的敘述，使學(xué)生既掌握了一門(mén)計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言，又使學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解；同時(shí)， Matlab 能方便的將計(jì)算結(jié)果用圖形、圖像等來(lái)表達(dá)，使得教學(xué)更加生動(dòng)、形象，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在第一章 “工程數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)處理 ”一節(jié)中，利用 Matlab 軟件的 i

6、nterp1，interp2，interp3 和 interpn 很容易地實(shí)現(xiàn)各種維數(shù)的函數(shù)插值，同時(shí)利用 Matlab 的圖形處理函數(shù)如 plot ，meshgrid，mesh 等將插值效果直觀地表達(dá)出來(lái)。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(lái)，直觀地表達(dá)擬合曲線與原函數(shù)的符合程度在第二章 “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(wèn)題，對(duì)于工科學(xué)生而言，本門(mén)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(chǎng)合，并將這些算法應(yīng)用到解決實(shí)際問(wèn)題中。當(dāng)優(yōu)化的目

7、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(wèn)題。對(duì)于二維優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題還可以用圖形將數(shù)學(xué)模型和結(jié)果表示出來(lái)，生動(dòng)、形象，加深學(xué)生對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題的理解。第三章 “有限元法 ”，在求單元?jiǎng)偠染仃嚒?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(zhǎng)的矩陣計(jì)算問(wèn)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(jiǎn)化了有限元問(wèn)題的求解過(guò)程，可以將更多的精力放在問(wèn)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。第四章可靠性設(shè)計(jì)中，主要是在第四節(jié) “可靠性設(shè)計(jì)方法的簡(jiǎn)單應(yīng)用 ” 中，利用 norminv(1-R)函數(shù)，根據(jù)可靠度 R確定聯(lián)結(jié)系數(shù)；利用 n